水利水电工程概论课件-第2章.ppt
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1、水利水电工程概论,申 艳2008年8月19日,第二章 基础知识,第一节 水文学与水力学,第一节 水文学与水力学,1.1 地球上的水 地球上的水总量很大,约为13.4亿km3,地球表面、岩石圈内、大气层中和生物体内储藏着各种形态(气、液、固)的水体。包括:1、海洋水;2、地表水(冰川与冰盖、湖泊、沼泽、河流);3、地下水(含重力水、地下水)、土壤水、大气水和生物水等。具体分布详见如下:,第一节 水文学与水力学,全球各水体水量分布(亿m):,第一节 水文学与水力学,世界水分布图,第一节 水文学与水力学,从图、表中不难看出:人类可以利用的淡水总量约为0.38亿km3,仅占全球总水量的2.5%,这其中
2、大部分(近70)是固体冰川,即分布在两极地区和中、低纬度地区的高山冰川,还很难加以利用。目前人类比较容易利用的淡水资源,主要是河流水、淡水湖泊水,以及浅层地下水,储量约占全球淡水总储量的0.3,只占全球总储水量的十万分之七。据研究,从水循环的观点来看,全世界真正有效利用的淡水资源每年约有9000立方米。,第一节 水文学与水力学,水资源枯竭,水质恶化带来了严重的后果。当一个国家每人每年用水量低于1000立方米“基线”以下时,该国被认为可能要长期缺水,而许多地区已经存在着长期水缺乏。全世界有十一亿人口,相当于世界人口的六分之一得不到卫生的水,有24亿人,即世界人口的40得不到合格的清洁服务;每天大
3、约有6000名儿童死于不卫生的水和不合格的卫生和清洁条件所引起的疾病相当于每天有20架大型客机坠毁;不卫生的水和不清洁的环境估计造成了发展中国家所有疾病的80。,第一节 水文学与水力学,1.2 水文学一、水资源:水资源特指地球上可供人类利用的淡水,通常指陆地水,又称陆地水资源,简称水资源。对人类最为实用的水资源,是陆地降水量、江河径流量和浅层地下淡水量。江河径流量是人类最重要和最经常利用的水资源。,第一节 水文学与水力学,1.2、水文学二、水文学的概念:水文学是研究地球上水的性质、分布、循环、运动变化规律及其与地理环境、人类社会之间相互关系的学科。与气象学、地理学、生态环境学等关系密切。,第一
4、节 水文学与水力学,根据水体分布情况,水文学可分为:水文气象学:主要研究降水、蒸发、温度、湿度、风、气压。陆地水文学:主要研究地表水、地下水,又可分为河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学、地下水文学、森林水文学等。海洋水文学:主要研究海温、洋流、风浪、潮汐等。,第一节 水文学与水力学,二、工程水文学 工程水文学是水文学的一个分支,是应用水文知识于工程建设(主要是水利工程)的一门学科。为工程规划设计、施工建设及运行管理提供水文依据。主要内容包括水文计算和水文预报。研究对象是对人类最为实用的水资源陆地降水量、江河径流量和浅层地下淡水量。而江河径流量是人类最重要和最经常利用的水资源。,第一
5、节 水文学与水力学,由于天然来水与国民经济的需要不相适应,需要修建灌溉水库、引水、调水、提水、防洪除涝、水电站等水利水电工程来解决这一矛盾。这些工程从修建到运用都要经过规划设计、施工、管理3个阶段,每个阶段都要进行水文计算。,第一节 水文学与水力学,1、规划设计阶段:水文计算的主要任务是确定工程的规模。工程规模与河流水量的估算有关。工程的规划设计需要水文计算来提供未来工程使用期间的水文情势。如果河流水量估算过大,就会使工程规模过大,造成资金浪费。反之,若水量估算过小,则工程规模过小,导致工程不安全,同时不能充分利用水资源,造成水资源的浪费。,第一节 水文学与水力学,2、施工阶段:要修建一些临时
6、性的建筑物,如围堰、导流渠等。为了确定这些临时性建筑物的规模,需要掌握施工期间的来水情况,因此也需要进行水文计算。若施工期设计洪水估算偏大,会使施工临时建筑物规模过大,造成浪费;若估算过小,会造成施工建筑物的破坏,影响施工进度或造成巨大损失。另外,还需要水文预报提供短期或中期(如一个季度)天然来水情势。,第一节 水文学与水力学,3、运行管理阶段:需要知道未来一定时期的来水情况,据此编制水量调度方案。汛期,有防洪任务的水库需要事先作出洪水预报,以便在洪水来临之前腾出库容,拦蓄洪水。一方面是水库本身安全度汛,另一方面,使下游免受洪水灾害。汛期结束后,根据水文预报及时蓄水,以保证灌溉、发电、航运等方
7、面的需求。,三、水文学发展简介 人类在争取生存和改善生活的实践中,特别是在与水旱灾害作斗争的过程中,对经常遇到的各种水文现象进行探索,在不断认识和积累经验的基础上,吸取了其他基础学科的新思想、新方法,经历了一个由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理论的历史发展过程,逐渐形成了水文科学。水文学的发展,大体可分为以下几个阶段:,第一节 水文学与水力学,萌芽时期(1400年以前),奠基时期(14001900年),应用水文学的形成时期(19001950年),现代水文学时期(1950年后),第一节 水文学与水力学,1、萌芽时期(1400年以前)这一时期中国的水文理论居于世界领先地位,如公元前239年成书
8、的吕氏春秋最先提出水文循环的概念;2000年前建成的都江堰,至今仍在发挥巨大效益;又如公元527年成书的水经注,是早于欧洲1000多年的水文地理巨著。,第一节 水文学与水力学,2、奠基时期(14001900年)该时期,西欧的产业革命促进了水利事业的发展,在水文观测方面,发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等,系统的水文测验为水文定量计算及预报奠定了坚实基础。,第一节 水文学与水力学,雨量器,蒸发器,3、应用水文学的形成时期(19001950年)进入20世纪,水利水电建设蓬勃发展,使应用水文学迅速发展起来。美国1900年J.A.塞登提出著名的塞登定律;1932年L.R.K.谢尔曼提出单位线法;193
9、5年G.T.麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算法;1924年H.A.福斯特完整地建立了P-水文频率曲线计算方法等,象征应用水文学的形成。而这一时期我国则比较落后。,第一节 水文学与水力学,4、现代水文学时期(1950年后)随着计算机、3S系统等高新技术的应用,使水文学发展进入了一个新时代。流域数学模型、水资源学、水环境学、随机水文学等相继建立,为水文学理论奠定了坚实的基础,使其研究方法逐渐理论化和系统化。,第一节 水文学与水力学,四、我国水资源概况 据水利部估算,我国水资源总量为28124亿M3,居世界的第六位。但是人均占有量只有世均值的四分之一左右,而且时空分布不利:时间分配集中在7、8、9几
10、个月;空间分布集中在南方和沿海地区。这更加剧了供需之间的矛盾。,第一节 水文学与水力学,水资源还包括水力资源。我国的水力资源非常丰富,总蕴藏量为6.92亿KW,适合开发利用的有3.81亿KW,居世界第一位。但是开发程度很低,目前全国水电装机不到40,与其他发达国家相比,差距很大:美国90,加拿大为87,日本为88,意大利为90,法国为95,瑞士为98。综上所述,我国水利开发不仅大有可为,而且任重道远。,第一节 水文学与水力学,1、水资源供需矛盾突出 水资源短缺已成为我国,尤其是北方地区经济社会发展的严重制约因素。据统计,在正常情况下我国年缺水总量为亿亿立方米,每年有亿亿亩农田受旱,座城市中有余
11、座供水不足,在个百万人口以上的特大城市中,有个长期受缺水困扰。随着全国用水量持续增长,水资源短缺进一步加剧。,第一节 水文学与水力学,2、城市和工业集中地区和北方部分井灌地下水超采 超采地下水资源,导致地下水资源枯竭的同时引起地面沉降,进而直接危害城市建筑物和居住安全。加剧洪涝灾害,降低防洪排涝工程效能(沿海地区海水入侵)。,第一节 水文学与水力学,第一节 水文学与水力学,3、水质恶化,地表水和地下水均受到污染 2005年1月监测表明,长江等7大江河,劣类水占28.4%。全国浅层地下水约50%遭到一定污染,一般城市地下水污染严重,水污染已出现由城市向农村蔓延、由地表向地下渗透的趋势。4、用水浪
12、费,水的重复利用率低 城市生活用水浪费严重,水的重复利用率低 5、水资源分散管理,6、水生态和环境安全也面临威胁。主要表现为水土流失严重、干旱成灾。目前我国水土流失面积万平方公里,占国土面积的,每年流失的土壤总量达亿吨。严重的水土流失,导致土地退化、草场沙化、生态恶化,造成河道、湖泊泥沙淤积,加剧了江河下游地区的洪涝灾害。,第一节 水文学与水力学,传统的解决措施是:修水库调节分配不均的问题。建国之后已修建大小水库八万六千多座,在建的三峡水库举世瞩目;跨流域引水解决空间分布不均的问题,已建调水工程多处,在建南水北调工程史无前例。,第一节 水文学与水力学,南水北调工程简介,南水北调工程是解决中国北
13、方水资源严重短缺问题的特大型基础设施项目,建设的目的是通过跨流域的水资源合理配置,保障经济、社会与人口、资源、环境的协调发展。年,江泽民提出要抓紧南水北调等跨世纪特大工程的兴建,南水北调的实施被提上国家议事日程。经过广大科技工作者持续进行几十年的调研工作,在分析比较了多种方案的基础上,形成了分别从长江下游、中游和上游调水的东线、中线和西线三条调水线路。在规划的年间,南水北调工程总体规划分三个阶段实施,总投资将达亿元人民币。,南水北调线路示意图,扬州江都,山东泰安,丹江口水库,烟台,巴颜喀拉山,威海,东线工程 从长江下游江苏省扬州江都抽引长江水,利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北上,并连接
14、起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖。出山东泰安的东平湖后分两路输水,一路向北,经隧洞穿黄河,流经山东、河北至天津;一路向东,经济南输水到烟台、威海。输水主干线长公里;,南水北调工程简介,中线工程 从长江中游北岸支流汉江加坝扩容后的丹江口水库引水,跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域,可基本自流到北京、天津。输水总干线全长公里。中线工程具有水质好,覆盖面大,自流输水等优点。丹江口大坝加高工程是中线水源工程的核心,是南水北调中线重要的节点和控制性工程,现工程进展顺利,54个需要加高的混凝土坝段已经有37个加高至新坝顶高程。,南水北调工程简介,西线工程 在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游
15、筑坝建库,开凿穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞,调长江水入黄河上游,补充黄河水资源的不足,主要解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。现未开工,前期研究阶段。,南水北调工程简介,第一节 水文学与水力学,2.分类:大循环:发生在海洋与陆地之间的水文循环,是形成陆降水、径流的主要形式。小循环:仅仅发生在海洋或陆地上的水文循环。,第一节 水文学与水力学,水循环的外因:太阳辐射能和地球引力的存在,水循环的内因:水物理三态(气、液、固)之间的相互转化,第一节 水文学与水力学,3.与水资源的关系:水文循环供给陆地源源不断的降水、径流,某一区域多年平均
16、的年降水量或年径流量,即该地区的水资源量,因此水文循环的变化将引起水资源的变化。,第一节 水文学与水力学,4、水量平衡:指地球任一区域(可以是某个流域、湖泊、沼泽、海洋或某个地区,也可以是整个地球),在一定时段内(时段可以是日、月,也可以是一年、数十年或更长的时间),收入的水量与支出的水量之差等于该区域内的蓄水变量(蓄水变量指时段始末区域内蓄水量之差)。,第一节 水文学与水力学,式中:I 给定时段内输入研究区域的总水量;O 给定时段内输出研究区域的总水量;W 时段内研究区域蓄水量的变化量。,I O=W,水量平衡方程:,水量平衡是水文循环的定量描述,是质量守恒定律在水文循环中的特定表现形式。,第
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