第九章 河流概论.pdf

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1、Bridge and Culvert HydrologyBridge and Culvert Hydrology 主讲人：王晓荣主讲人：王晓荣 内蒙古工业大学内蒙古工业大学 土木工程学院道路交通系土木工程学院道路交通系 课程要求 学时：学时：24（32） 考核方式：闭卷考试考核方式：闭卷考试 考试成绩：考试成绩：80 平时成绩：平时成绩：20 10 作业作业 +课堂提问课堂提问 10 考勤考勤 第九章第九章 河流概论河流概论 Bridge and Culvert HydrologyBridge and Culvert Hydrology 桥涵水文课程任务桥涵水文课程任务 桥涵水文桥涵水文重点解

2、决以下三个方面的水文问题：重点解决以下三个方面的水文问题： 一、从考虑桥梁工程实体与周围河、海及山区等自然一、从考虑桥梁工程实体与周围河、海及山区等自然 环境的相互影响出发，选定桥位、拟定桥长和桥型、环境的相互影响出发，选定桥位、拟定桥长和桥型、 布设孔径、计算桥面高程和墩台冲刷深度等，提出布设孔径、计算桥面高程和墩台冲刷深度等，提出初初 步设计步设计方案；方案； 水力学：属于物理学范畴，地球上的水是不断运动的，研究地 球上水体的存在、循环、分布和它在地面、地下运动变化规律的科 学。 桥涵水文：属于工程水文学范畴，是为桥涵设计服务的水文学， 是水文学的一个分支。 桥涵水文课程任务桥涵水文课程任

3、务 二、根据“顺应水势、因势利导”的原则，拟定相应二、根据“顺应水势、因势利导”的原则，拟定相应 的桥位河段的桥梁引道、导流堤、护岸、丁坝等的桥位河段的桥梁引道、导流堤、护岸、丁坝等附属附属 设施设施的设计方案，进行桥梁与河流、海域及山区环境的设计方案，进行桥梁与河流、海域及山区环境 和谐共处的环境设计；和谐共处的环境设计； 三、根据近年来我国大跨度海上桥梁建设的需要，并三、根据近年来我国大跨度海上桥梁建设的需要，并 应尽量提供气象、水文等有关的环境因素资料，提供应尽量提供气象、水文等有关的环境因素资料，提供 桥梁腐蚀、防风振等设计及施工、养护等方面的参考桥梁腐蚀、防风振等设计及施工、养护等方

4、面的参考 。 桥涵水文课程任务桥涵水文课程任务 桥涵水文的主要内容桥涵水文的主要内容 水文现象变化规律水文现象变化规律 水文资料的收集整理、分析、统计和计算方法水文资料的收集整理、分析、统计和计算方法 推算设计洪水流量推算设计洪水流量 大中桥孔径计算大中桥孔径计算 桥墩和桥台冲刷计算桥墩和桥台冲刷计算 小桥和涵洞的设计小桥和涵洞的设计 桥面高程计算桥面高程计算 桥位选择桥位选择 第九章第九章 河流概论河流概论 2 2 河流和流域河流和流域 1 3 3 河川径流河川径流 4 4 水文资料的搜集和整理水文资料的搜集和整理 1 1 水文现象水文现象 水文学：研究自然界中水的运动变化规律的学科。 水文

5、循环：水圈中的水体通过不断蒸发、水汽输送、凝结 、降落、下渗、地面和地下流动而形成的往复循环过程。 第一节 水文现象 自然界中的水循环 一一、自然界中水的循环过程自然界中水的循环过程： 小循环：局限在海洋或陆地局部 海洋水-蒸发上升空中水运移降水海洋水 陆地水-蒸发上升空中水运移降水陆地水 海洋海洋；陆地陆地之间的循环，称为小循环。 大循环：在海洋与陆地之间进行的水分循环 海洋水辐射蒸发上升运移至陆地空中水 降水沿地表、地下径流回归至海洋，海陆之间进行 的循环，称为大循环。 第一节 水文现象 二、水文现象的特点二、水文现象的特点 水文现象水文现象: :水循环中的降水、蒸发、入渗和径流水循环中的

6、降水、蒸发、入渗和径流等等现现 象的统称象的统称。 共同特点：共同特点： 1 周期性:就是许多水文现象具有的周期循环变化的性质就是许多水文现象具有的周期循环变化的性质 。水文现象有以年或者年际（若干年）为周期变化的水文现象有以年或者年际（若干年）为周期变化的 规律。规律。 第一节 水文现象 2 地区性 地区性是表示水文现象随地区而异，即每个地区都有各自的特殊性。 南方同北方水文现象差异很大。这主要是由于地区差异，影响水文现 象的气候和下垫面条件不同。相互邻近的流域，气候和下垫面条件往 往有一定的相似性，水文现象在一定程度上就具有相似性。因此， 水文现象有一定的地区分布规律性。 3 不重复性（偶

7、然性或随机性） 影响水文现象的因素很多，而且各种因素相互之间关系错综复杂，虽 然水文现象总体上具有一定的周期性变化，但是无论什么时候都不可 能完全重复出现，称为水文现象的不重复性。 第一节 水文现象 三、桥涵水文现象的研究方法三、桥涵水文现象的研究方法 （1 1）成因分析法成因分析法：从径流和降水的成因关系，建立水：从径流和降水的成因关系，建立水 文现象特征值的数学模型。文现象特征值的数学模型。 （2 2）地理综合法地理综合法：通过实测资料的整理分析，建立：通过实测资料的整理分析，建立 水文特征值的地区性经验公式或计算用表。水文特征值的地区性经验公式或计算用表。 （3 3）数理统计法数理统计法

8、：运用概率统计理论对长期观测的：运用概率统计理论对长期观测的 资料进行统计计算，以寻求其规律性。资料进行统计计算，以寻求其规律性。 第一节 水文现象 第二节第二节 河流和流域河流和流域 河流的形成 河谷 河床 一、河流一、河流 1.河流的形成和分段 地面径流：降落到地面上的水，除掉损失一部分以外， 在重力的作用下沿着一定方向和路径流动，这种水流称为 地面径流。 地面径流长期侵蚀地面， 冲成沟壑，形成溪流，最 后汇集而成河流；河流流 经的地方称为河谷，河谷 底部有水流的部分称为河 床。受重力作用沿河床流 动的水流，称为河川径流。 脉络相通的大小河流构成的系统，称为水系。水系中直 接流入海洋、湖泊

9、的河流称为干流，流入干流的河流称 为支流。 支流是分级的：一级支流(注入干流的支流)； 二级支流(注入一级支流的支流)； 三级支流(注入二级支流的支流)； 四级支流 (注入三级支流的支流) 第二节第二节 河流和流域河流和流域 第二节第二节 河流和流域河流和流域 河流的干流上，开始具有表面水流的地方称为 河源；河流流入海洋、湖泊或干流的地方称为 河口。 一般的天然河流，从河源到河口可以按照河段 的不同性质，划分为上游、中游和下游。 长江源头 第二节第二节 河流和流域河流和流域 第二节第二节 河流和流域河流和流域 第二节第二节 河流和流域河流和流域 新疆天山一号冰川新疆天山一号冰川 （乌鲁木齐

10、河的源头）（乌鲁木齐河的源头） 第二节第二节 河流和流域河流和流域 上游：河流的最上端，紧接河源，多处于深山峡谷中，坡陡流急 ，河谷下切强烈，流量与水位变化大，常有急滩或瀑布，河底纵 断面多呈阶梯型。 中游：河流的中间段，两岸多为丘陵，河床坡度较平缓，两岸常 有滩地，冲淤变化不明显，河床较稳定。 下游：河流的最下段，一般处于平原区，河槽宽阔，流量较大， 流速和坡度都较小，冲淤作用明显，浅滩和河湾较多。 第二节第二节 河流和流域河流和流域 长江上游 长江下游 河流上游 第二节第二节 河流和流域河流和流域 黄河上游 第二节第二节 河流和流域河流和流域 山区上游河流 第二节第二节 河流和流域河流和流

11、域 河流中游 第二节第二节 河流和流域河流和流域 河流下游 第二节第二节 河流和流域河流和流域 2 河流的基本特征 河流的基本特征可用河流断面、河流长度和河流比降来表示。 1）河流断面 河流断面有横断面和纵断面，垂直于水流方向的断面称为横断面；横断 面内，自由水面高出某一水准基面的高程，称为水位；河槽是河流宣泄 洪水和输送泥沙的主要通道；河槽中沿两岸较高的、可移动的泥沙堆， 称为边滩，其余部分称为主槽。 第二节第二节 河流和流域河流和流域 枯水位 单式断面只有河槽而无河滩的横断面。 复式断面有河槽又有河滩的横断面。 第二节第二节 河流和流域河流和流域 单式断面单式断面 复式断面复式断面 深泓线

12、：河道中各横断面水 流最大流速点的连线。 中泓线(溪线)：河 道中各横断面最大 水深点的连线。 纵断面：沿河流中泓线切出来的断面纵断面：沿河流中泓线切出来的断面 中泓线？中泓线？ 深泓线深泓线? 第二节第二节 河流和流域河流和流域 2）河流长度 河流长度：河源到河口的距离。近似的河流长度，可用曲线计、 两脚规或其他方法，直接在地形图上沿河流的深（中）泓线获得 ，但往往比实际长度偏小，需进行修正。 世界主要河流长度（Km） 1 尼罗河 6670 6 拉普拉塔河 4700 2 亚马逊河 6480 7 刚果河 4640 3 长江 6300 8 湄公河 4500 4 密西西比河 6262 9 黑龙江

13、4350 5 黄河 5464 10 勒拿河 4320 第二节第二节 河流和流域河流和流域 3)河流弯曲系数 定义： 沿河流中泓线两点间的实际长度与其直线距离的比值。 特性： 任何河段都有它的弯曲系数；它可反映河流流经地的地质地貌 特征。 l L l L 第二节第二节 河流和流域河流和流域 河湾处的横断面形式：河湾处的横断面形式： a)a)河道平面形态；河道平面形态；b)b)凹岸水位超高；凹岸水位超高；c)c)涨水期水拱现象涨水期水拱现象 凸岸凸岸 凸岸凸岸 凸岸凸岸 凹岸凹岸 凹岸凹岸 凹岸凹岸 第二节第二节 河流和流域河流和流域 河道内的水内环流现象：河道内的水内环流现象： 凹岸凹岸 凸岸凸

14、岸 凹岸凹岸 凸岸凸岸 4）河流比降： 有水面比降和河底比降；又分为横比降与纵比降。有水面比降和河底比降；又分为横比降与纵比降。 第二节第二节 河流和流域河流和流域 关于弯段水流的横比降及超高值z0，可近似地按下式计算： Rg v BBIz Rg v I 2 0 2 横比降： 产生原因有：1、为地球自转所产生的偏转力：由北向南流淌的河流， （右）岸受冲刷；由南向北流淌的河流，（左）岸受冲刷； 2、弯道超高 3、涨水、退水 第二节第二节 河流和流域河流和流域 n l 1n l n 2 l L 2 l 1 l n H 1n H 2n H 2 H 1 H 0 H 21 HHH i ll 纵比降 某一

15、河段的比降 式中： 各特征点的河底高程 特征点之间沿深泓线 的距离 河流长度 12 HHHnL、 L 12n lllL、 河流平均比降 式中： 一定河段的比降 下游段和上游端的高程 河段长度 水面或河底的落差 i 12 HH， l H 第二节第二节 河流和流域河流和流域 2)( 011 LHlHHO .)()( 1 1211 2 nnnnnn lHHlHH L i 二、流域二、流域 分水线 不透 水层 降落到地面上的水，被高山、山 岭分隔而汇集到不同的河流中， 这些汇集水流的区域，称为某河 流的流域。分隔水流的高地、山 岭的山脊线，就是相邻流域的分 界线，称为分水线。 闭合流域：地表、地下分水

16、线重 合； 不闭合流域：地表、地下分水线 不重合。 第二节第二节 河流和流域河流和流域 对于闭合流域对于闭合流域，设降水量为设降水量为X X，蒸发量为蒸发量为Z Z，流域内流出集流断面的流域内流出集流断面的 径流量为径流量为Y Y，时段初的流域蓄水量为时段初的流域蓄水量为V V1 1，时段末流域的蓄水量为时段末流域的蓄水量为V V2 2 ，则则水量平衡方程式水量平衡方程式为：为： 21 VZYVX VZYVVZYX 12 0 1 V n 多年观测发现多年观测发现，流域内的旱流域内的旱、涝存在一定的周期交替现象涝存在一定的周期交替现象，有有 第二节第二节 河流和流域河流和流域 一年内，一年内，V

17、0为风水年；为风水年；V200 等级 微量 小雨 中雨 大雨 暴雨 大暴雨 特大暴雨 降雨的特征要素：降雨量（mm）、降雨强度（mm/min、mm/h等）、 降雨历时（min、h、d)、降雨面积（km2）、暴雨中心等。 降雨等级表 第三节第三节 河川径流河川径流 2 流域蓄渗过程 流域蓄渗过程：植物截留、入渗和填洼的整个过程，称为流域蓄渗 过程； 植物截留：雨水被流域内的树木、杂草，以及农作物的茎叶截留一 部分，不能落到地面上，称为植物截留； 入渗：落到地面上的雨水，部分渗入土壤，称为入渗； 单位时间内的入渗量称为入渗率； 稳定入渗：降雨开始时入渗较快，随着降雨量的不断增加，土壤中 水分逐渐趋

18、于饱和，入渗强度减缓，达到一个稳定值，称为稳定入 渗； 填洼：一部分雨水被蓄在坡面的坑洼里，称为填洼； 损失：不产生地面径流的部分雨水，称为损失； 净雨：扣除损失后剩余的雨量，称为净雨，以mm为单位。 第三节第三节 河川径流河川径流 3、坡面漫流过程 坡面漫流：流域蓄渗过程完成以后，剩余的雨水沿着坡面流动， 称为坡面漫流； 流域内各处坡面漫流开始的时间是不一致的，某些流域可能最先 完成蓄渗过程而出现坡面漫流，也只是局部区域的坡面漫流；然 后，完成蓄渗过程的区域逐渐增多，出现坡面漫流的范围也随之 增大，最后才能形成全流域的坡面漫流。 第三节第三节 河川径流河川径流 S 土壤蓄水土壤蓄水 填洼量填

19、洼量Vd 植物截流植物截流Is 降雨降雨P 蒸发蒸发E 壤中流壤中流Rin 坡面漫流坡面漫流Rs 流域蓄渗及漫流过程示意图流域蓄渗及漫流过程示意图 第三节第三节 河川径流河川径流 4 4、河槽集流过程、河槽集流过程 河槽集流：坡面漫流的雨水汇入河槽后，顺着河道由小沟到支流 ，由支流到干流，最后到达出口断面，这个过程称为河槽集流。 汇入河槽的水流，一方面继续沿着河槽迅速向下游流动，另一方 面也使河槽内的水量增大，水位也随之上升；河槽容蓄的这部分 水量，在降雨结束后才缓慢 地流向下游，最后通过流域 出口，使流域出口的流量增 长过程变得平缓，历时延长， 从而起到河床对洪水的调蓄 过程。 第三节第三节

20、 河川径流河川径流 河川径流的大小和变化，通常用河川径流的大小和变化，通常用流量流量和和水位水位来表示。来表示。 一年内的最大洪峰流量，称为一年内的最大洪峰流量，称为年最大流量年最大流量。 1. 流量（ Q） ： m3 /s，洪峰流量Qm，日平均流量. 2. 径流量（W）：时段T内通过河流某一断面的总水量，m3、万m3； 3. 径流深（Y）：将径流量平铺在整个流域面积上所得的水层深度，mm 4. 径流模数（M）：流域出口断面流量与流域面积之比值，L/(s km2) 5. 径流系数（）：径流深度与流域平均降雨量的比， 河段的水流挟沙能力，河槽淤积；河段的水流挟沙能力，河槽淤积； 上游的来沙量上游

21、的来沙量 河段的水流挟沙能力，河槽冲刷；河段的水流挟沙能力，河槽冲刷； 上游的来沙量河段的水流挟沙能力，河槽不冲不积；上游的来沙量河段的水流挟沙能力，河槽不冲不积； 6.河流河流输沙率输沙率 单位时间内通过过水断面处的泥沙质量。单位时间内通过过水断面处的泥沙质量。 第六节第六节河川的泥沙运动河川的泥沙运动 河床演变：河床演变：河床形态河床形态在在自然条件下或受人工建（构）筑物的影响自然条件下或受人工建（构）筑物的影响而而 发生的变化发生的变化，这种变化是水流、泥沙与河床相互作用的反映，这种变化是水流、泥沙与河床相互作用的反映。 1.河床河床演变的基本分类演变的基本分类 1)河床的横向变形河床的

22、横向变形 指沿河宽方向的平面形态的变化，如河湾发展，河槽拓宽、塌岸、指沿河宽方向的平面形态的变化，如河湾发展，河槽拓宽、塌岸、 分汊、改道、裁弯等河床平面形状的变化。分汊、改道、裁弯等河床平面形状的变化。 2)河床的纵向变形河床的纵向变形 指沿水流方向河床高程的变化，亦即河床纵断面的变化。河床纵指沿水流方向河床高程的变化，亦即河床纵断面的变化。河床纵 向变形主要表现为河床冲淤不平衡所引起的高程变化，其原因是河向变形主要表现为河床冲淤不平衡所引起的高程变化，其原因是河 流纵向输沙不平衡。流纵向输沙不平衡。 第七节河床演变第七节河床演变 2.影响影响河床演变的主要因素河床演变的主要因素 与水利工程

23、、市政工程、交通土建工程等都有密切的关系，与水利工程、市政工程、交通土建工程等都有密切的关系， 同时也对相关建（构）筑物的使用安全起到至关重要的作同时也对相关建（构）筑物的使用安全起到至关重要的作 用。用。 1) 流量大小及变化流量大小及变化 2) 河段来沙量及来沙组成河段来沙量及来沙组成 3) 河段比降河段比降 4) 河床地质情况河床地质情况 5) 河床形态河床形态 6) 人类生产活动：如修建水库人类生产活动：如修建水库 第七节河床演变第七节河床演变 3.河相关系与造床流量河相关系与造床流量 河相关系：河床几何形态与水力及泥沙因素间的关系 造床流量：与多年流量过程综合作用相当的流量，多取 平滩水位相应的流量 第七节河床演变第七节河床演变 复 习 题 1 .水文现象概念及其特点。水文现象概念及其特点。 2 .河流的分段以及各河段的一般特性。河流的分段以及各河段的一般特性。 3 .河流的基本特征。河流的基本特征。 4 .河流横断面的一般组成。河流横断面的一般组成。 5 .流域的概念及几何特征。流域的概念及几何特征。 6 .山区河流和平原河流的基本特点。山区河流和平原河流的基本特点。 7 . 径流形成过程。径流形成过程。 8 .影响径流的因素。影响径流的因素。 9 .流量的测算流量的测算。 10.泥沙的运动情况、泥沙粒径、造床流量。泥沙的运动情况、泥沙粒径、造床流量。