给排水专业基础要点.docx

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第1章水文学和水文地质

1.1水文学基本概念

1、河流的5段：

河源、上游、中游、下游、河口。

2、河流的基本特征：

长度、断面、纵比降。

3、流域的基本特征：

流域面积F（km2）、河网密度（1/km）、流域的长度（L）和平均宽度（B=F/L）、流域的形状系数（B:

L）、流域的平均高度和平均坡度、流域的自然地理特征（地理位置、气候特征、下垫面条件）

4、流域的水量平衡：

5、泥沙按运动形式分类：

悬移质、推移质、河床质，没有一定的界限，可相互转化。

一般工程上主要估计悬移质输沙量和推移质输沙量。

6、表示输沙特性的指标：

含沙量（单位体积浑水所含泥沙的重量，kg/m3）、输沙率（单位时间流过河流某断面的泥沙重量，kg/s）、输沙量。

7、缺乏实测资料时多年平均悬移质输沙量估算：

a.侵蚀模数分区图

8、多年平均推介质输沙量

1.2径流

1、径流的形成过程：

产流过程（净雨）、汇流过程（坡地汇流：

坡面漫流、表层流径流、坡地地下径流<基流>；河网汇流：

涨水、退水）。

2、径流的表示方法和度量单位：

流量（Q）、径流量（W=QT）、径流深（R=W/1000F，mm）、径流模数（M=1000Q/F，L/s·km2）、径流系数（α=R/P）

3、有较长资料时设计年径流频率分析计算（≥20a）

（1）年径流系列的一致性分析和代表性分析

²资料可靠性的审查：

水位资料的审查、水位流量关系曲线的审查和水量平衡的审查。

²年径流系列的一致性分析：

同样的气象条件（气象条件变化缓慢，一般认为不变）、同样的下垫面条件（人类活动影响下垫面变化，是影响资料一致性的主要原因）、同一测流断面。

若一致性差，需要考虑径流的还原计算，把全部系列建立在统一基础上。

²年径流系列的代表性分析：

该样本对年径流总体的接近程度。

参证变量。

（2）年径流的频率分析：

适线法，皮尔逊-Ⅲ型（3个参数：

均值x一般直接采用矩法计算值；变差系数Cv可先用矩法估算，并根据适线拟合最优的准则进行调整；偏态系数Cs一般不进行计算，直接采用Cv的倍比，Cs=（2~3）Cv）。

4、资料短缺时设计年径流的频率分析计算

（1）较短年径流系列时：

展延年径流系列。

参证变量。

（2）缺乏实测径流资料时：

①参数等值线图法②经验公式法③水文比拟法：

将参证站的径流特征值经过适当修正后移用于设计断面。

进行修正的参变量常用流域面积和多年平均降雨量。

其中流域面积为主要参变量，不超过15%为宜；如径流相似性较好，可适当放宽上述限制。

5、设计年径流的时程分配：

一般按其各月的径流分配比来表示。

（1）代表年的选择：

①根据是设计标准，确定设计年径流量Wp或Qp常选丰平枯（p=20%、50%、80%或25%、50%、75%）三个年份作为代表年。

②选出W实或Q实与Wp或Qp接近的年份。

可选出供水期径流较小的年份为代表年。

对灌溉工程，选取灌溉蓄水季节径流比较枯的年份；对水电工程，选择枯水期较长，径流Q较枯的年份。

（2）年径流时程分配计算：

K=Wp/W实实或K=Qp/Q实，用此系数乘以代表年各年月实测径流过程，即得设计年径流的按月时程分配。

6、设计枯水流量分析计算：

1.3设计洪水

设计洪水包括设计洪峰流量、不上时段设计洪量及设计洪水过程线三个要素。

两种推求类型：

由设计资料推求和由暴雨资料推求。

防洪标准分设计洪水（正常运用）、校核洪水（非常运用洪水）。

1.3.1由流量资料推求设计洪水

1、设计流量及设计洪峰流量的推求

（1）计算步骤：

①资料的审查（可靠性、一致性和代表性）

②样本选取：

应采用年最大值原则选取洪水系列，即从资料中逐年选取一个最大流量和固定时段的最大洪水流量，组成洪峰流量和洪量系列。

固定时段一般采用1d、3d、5d、7d、15d、30d。

③特大洪水的处理：

两种情况：

一是系列中没有特大洪水值，序数m是连续的；二是有特大洪水值，特大洪水值的重现期N必然大于实测系列年数，而在N-n年内各年的洪水数值无法查得，是不连续序列。

特大洪水处理的关键是特大洪水重现期的确定和经验频率计算。

④频率曲线线形选择：

经验频率曲线（几率格纸），一直采用皮尔逊-Ⅲ型。

⑤频率曲线参数估计：

适线法（常用经验适线法）。

用适线法估计频率曲线的统计参数之前，一般采用矩法初步估计参数。

对于Cv一般取Cs=KCv

⑥推求设计洪峰、洪量。

根据上述方法的估算值用适线法推求洪水频率曲线，求得对应设计频率的设计洪峰和各统计时段的设计洪量。

⑦设计洪水估计值的抽样误差。

均方差。

⑧计算成果的合理性检查。

2、设计洪水过程线推求：

放大典型洪水过程线。

（1）典型洪水过程线选择：

1）选择峰高量大的洪水过程线，其特征接近于设计条件下的稀遇洪水。

2）有一定的代表性，即发生季节、地区组成、洪峰次数、峰量关系等能代表本流域上大洪水的特性。

3）选择对工程防洪运用不利的大洪水典型，如峰形比较集中主峰靠后的洪水过程。

（2）放大方法：

1）同频率放大法：

2）同倍比方法法：

按洪峰或洪量同一个倍比放大典型洪水过程线的各纵坐标值。

关键在于确定以谁为主的放大倍比值。

1.3.2由暴雨资料推求设计洪水

1、直接法推求设计面暴雨量

（1）暴雨资料的收集、审查（可靠性审查、代表性分析、一致性审查）与统计选样（统计逐年不同时段的年最大面雨量，大中流域一般选择1d、3d、5d、7d、15d、30d）。

（2）面雨量资料的插补延展。

（3）特大值处理。

（4）面雨量频率计算。

适线法，P-Ⅲ型。

我国暴雨Cs和Cv的比值，一般地区在3.5左右；在Cv＞0.6的地区，约为3.0，Cv＜0.45的地区，约为4.0。

（5）设计面暴雨量计算成果的合理性检查。

2、间接法推求设计面暴雨量

（1）设计点暴雨量计算；

（2）设计面暴雨量计算：

1）定点定面关系：

折减系数α0=xF/x0；2）动点动面关系。

3、设计暴雨时程分配的计算

（1）典型暴雨的选择：

选择有代表性的面雨量（资料不足也可由点暴雨量过程代替）；资料缺乏时可应用水文手册中按地区综合概化的典型雨型（一般以百分数表示）。

（2）缩放典型过程，计算设计暴雨的时程分配。

不同时段控制放大时，一般以1d、3d、7d控制；暴雨核心部分24h暴雨时程分配，一般取2h、3h、6h、12h、24h控制。

4、小流域设计洪水计算经验公式法

（1）单因素公式：

流域面积

（2）多因素公式

1.3.3水文分析计算中常用的数理统计方法

1、随机变量（X）

（1）分类：

1）离散型，如洪峰次数；2）连续型，如断面流量。

（2）概率分布：

Pn

2、随机变量统计参数

（1）范围位置特征参数：

平均数/数学期望。

对于离散型：

（2）反应离散特征参数：

1）标准差/均方差（越大越分散，越小越集中）：

2）变差系数（离差系数、离势系数，越大越分散，越小越集中）：

3）反映对称特征的参数——偏态系数（偏差系数）

3、常用的概率分布曲线

（1）正态分布：

许多随机变量如水文测量误差、抽样误差等一般服从正态分布。

（2）P-Ⅲ分布：

一端有限一端无限的不对称单峰曲线。

4、随机变量系列统计参数的估计：

（1）矩法；

（2）适线法。

1.4地下水储存

1.4.1概述

1、岩土中的空隙和水（松散岩土中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙、可溶性岩石中的溶隙）

（1）孔隙。

孔隙度（孔隙体积所占的比例，n=Vn/V），孔隙度的大小主要取决于颗粒排列情况及颗粒分选程度，此外颗粒的形状及颗粒胶结充填情况也影响孔隙度的大小。

分选性越差，即颗粒大小越悬殊，孔隙度越小。

越不规则，孔隙度越大。

（2）裂隙。

按成因分为风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙；用裂隙率表示：

（3）溶隙。

可溶性岩石（如岩盐、石膏、石灰石等）在地表水和地下水长期溶蚀下形成空洞。

岩溶率Kk。

溶隙发育的规模悬殊，较裂隙有很大的不均匀性。

2、水在岩石中的存在形式（一部分空隙中，分为液态水、气态水和固态水；一部分岩石骨架中）

（1）液态水（根据受力状况细分以下三类）

1）结合水：

松散岩土颗粒表面及坚硬岩石孔隙壁面均带电荷，水分子是偶极体，一端带正电，一端带负电，固相表面具有吸附水分子的能力。

引力大于重力的那部分水称为结合水，最接近固相表面的称为强结合水（吸着水，厚度相当于几个、几十个或上百个水分子直径，引力相当于1000MPa，排列紧密而规则，平均密度达2g/cm3左右，不能流动，不能被植物吸收，可通过加热转化为气态水二移动），其外层称弱结合水（薄膜水，相当于几百或上千个水分子直径，其外层能被植物吸收利用），结合水区别于普通液态水的最大特征是具有抗剪强度，必须施加外力才能使其变形和流动。

2）重力水：

重力大于吸引力，能够在重力作用下运移。

存在于较大的岩土空隙中，具有液态水的一般特征。

3）毛细水：

既受重力又受毛细力作用的水。

广泛存在于地下水面以上的包气带。

（2）气态水：

以水蒸气状态存在于非饱和含水岩石空隙中的水。

可随空气流动而运移；及时空气不流动，也能从水汽压力（或绝对湿度）打的地方向小的地方运移。

在一定温度、压力下可与液态水相互转化、保持动态平衡。

当岩土空隙内水汽饱和或温度降至露点时，气态水开始凝结成液态水。

气态水对岩土中水的重新分布有一定影响。

（3）固态水：

温度低于零度时，凝结为固态水。

冻土。

3、岩土性质

（1）溶水性：

常用含水率表示（体积含水率：

分母包含孔隙体积；重量含水率：

分母为干燥岩土重量）。

容水度：

饱水时的所容纳的最大水体积与岩土总体积之比，其含水率即饱和含水率，一般与孔隙率（裂隙率、岩溶率）相等。

饱和度：

含水体积与孔隙体积之比，饱和时为1；饱和差：

饱和含水率与实际含水率之差。

（2）持水性：

（3）给水性：

含土在重力作用下能自由释出一定水量的性能。

（4）储水性：

储水率（弹性储存率）：

指压力水头变化一个单位时，由于弹性（骨架压缩和水体膨胀）而从单位岩土体重释放或储存的水量，其刚量为L-1。

（5）透水性：

主要取决于岩土空隙的尺度、数量及连通性。

空隙直径越小，结合水占据的无效空间越大，实际水流流动的断面相应越小；同时空隙直径越小，水流所能达到的最大流速越小，透水性月越差。

决定岩土透水性能优劣的主要因素是空隙的大小，其次才是空隙的数量。

度量指标为渗透系数。

4、含水层及隔水层

1.4.2不同埋藏条件的地下水

1、包气带水（含上层滞水）：

有时也称非饱和带水。

包气带水是水转化的重要环节。

泛指储存在包气带中的水，包括通称为土壤水的吸着水、薄膜水、保溪水，气态水和过路的重力渗入水，以及由特定条件所形成的属于重力水状态的上层滞水。

上层滞水指包气带中存在局部隔水层时其上部可聚集具有自由水面的重力水。

2、潜水：

地表以下埋藏在饱水带中的第一个具有自由水面的重力水。

潜水没有隔水顶板，或只有局部隔水顶板。

潜水的自由水面称为潜水面，潜水面到地表的铅锤距离为潜水的埋藏深度。

潜水在重力作用下由高处向低处称为潜水流。

潜水的特征：

一般储存在第四季松散沉积物中，也可形成于裂隙性或可溶性基岩中。

与大气水和地表水联系密切，积极参与水循环。

通常情况下潜水的分布区与补给区基本一致。

潜水易受污染。

潜水出流的地区称为排泄区。

排泄方式有两种：

一种径流排泄，是在重力作用下由高向低流动，以泉、渗流等形式泄流或流入地表水；一种是蒸发排泄。

气象、水文因素的变动对其影响显著，动态变化明显。

3、承压水：

充满与2个隔水层之间的含水层中具有静水压力的重力水。

承压水的特征：

承压性。

能明显区分出补给区、承压区和排泄区。

参与水循环不如潜水积极，水动态较稳定，不如潜水容易补充和恢复。

具有良好的多年调节性。

不易受污染，但一旦污染则不易自净。

1.5地下水运动

1.5.1地下水运动基本方程

1、渗流：

层流（流线层规则层状运动）、紊流（流线相互混杂无规