小小水文~2015-1-6 0.22.34.docx

什么叫做水文学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科学 水文学的特点一方面，具有自然属性，属于地球科学的范畴；另一方面，又具有社会属性，属于应用科学的范畴水文学的研究方向：地理学、地球物理学、工程学地理水文研究的特点：宏观性（水体运动变化的自然规律、总体演化趋势）、综合性（与其它自然地理因素间的相互影响研究）、区域性（各水体的区域差异）水文现象：水循环过程中，水的存在和运动的各种形态。水文现象的主要特点 ：1、水循环永无止尽，水文现象在空间或时间上存在一定的因果关系。2、水文现象在时间上既有周期性又有随机性。3、水文现象在地区分布上既存在相似性，又存在特殊性。水的性质：水分子具有极性结构水的热学性质：o大热容量：所有固体和液体中热容量最大的物质 o潜热：水在固、液、汽三态转化中吸收或放出的热量。 o显热：物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量。 o水的大热容量和潜热性质对调节地球上的热量变化具有重要作用:使冬季不致过冷，夏季不致过热；低纬度地区不至过热，高纬度地区不至过冷。 天然水的化学成分： o悬浮物质：粒径大于100纳米颗粒 o胶体物质：粒径为100-1纳米颗粒 o溶解物质：粒径小于1纳米颗粒：盐类、气体、有机物 天然水的八大离子 o K+,Na+,Ca2+,Mg2+, HCO3-,CO32-,Cl-, SO42- o水中溶解的各类有机物或无机物的总量：TDS（总溶解固体，矿化度) 降水的化学组成及其特点矿化度最低。呈弱酸性，对于各种可溶性盐类远未饱和。大气降水含有多种离子及微生物和灰尘。降水中的物质来源（凝结核）：海面泡沫飞溅，水滴蒸发成极细的干盐粒；风从地面吹起的扬尘；火山爆发喷入大气的易溶物质及尘埃；人类活动向大气排放的废气和烟尘。海水的化学组成及其特点1、海水组成的恒定性：主要元素12种，氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、硅、氟，含量占全部海水化学元素的99.899.9%，是海水的大量元素，其比例几乎不变。2、海水的盐度：单位质量海水中所含溶解物质的质量。绝对盐度：海水中溶解物质的质量与海水质量的比值。（克/千克）实用盐度（S）：利用电导间接表示盐度。地下水的化学组成及其特点1、地下水化学组成类型多，地区性差异大。2、地下水充填于岩石、土壤空隙中，循环交替缓慢，使得土壤和岩石圈各种元素史能存在于地下水中。3、地下水的化学成分的时间变化极为缓慢，常需以地质年代衡量河水化学成分的特点1、河水的矿化度普遍低2河水中各种离子的含量差异很大3、河水化学组成的空间分布有差异性4、河水化学组成的时间变化明显湖水化学成分特点1、湖水的矿化度有差异2、湖中生物作用强烈3湖水交替缓慢，深水湖有分层性水资源的特性 1、水资源的循环再生性与其有限性，水循环过程具有无限性的特点，水资源具有可再生性。但这种可更新的水量又是有限的2、时空分布的不均匀性，年内与年际变化大，地区分布不均衡3、利用的广泛性和不可代替性4、利与害的两重性如何理解水资源 水资源是指全球水量中可为人类生存、发展所利用的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量。 最能反映水资源数量和特征的是年降水量和河流的年径流量。我国水资源条件和问题1、水资源总量不少，但人均、亩均水量较少2、水资源的地区分布很不均匀，与人口、耕地的分布不相适应3、水量的年内、年际变化大，水旱灾害频繁 4、水土流失和泥沙淤积严重，破坏了生态平衡，增加了江河防洪困难，降低了水利工程效益 5、地下水是我国重要的水资源，要合理开发利用，防止过量开采地下水6、水污染现象严重，大量河流、湖泊富营养化区域水资源总量为当地降水形成的地表水和地下水的总和分水线：山峰、山脊和鞍部的连线称为分水线流域：地面分水线包围的区域称为流域 水系：流域中大大小小河流交汇形成的树枝状或网状结构称为水系，也称河系。包括羽毛状、平行状、混合状水系水系的几何特征：1、河流长度：河流的长度是指从其起始断面，沿河流中心线至终断面的距离（km)。2、流域面积：分水线包围区域的平面投影面积。3、河道比降：河段上相邻两断面河底的高程差与该两断面间中心线的长度的比值。水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以反不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。水循环的基本动力o太阳辐射与重力作用o水循环的前提条件：水在常温常压下液态、气态、固态的三相变化o水循环的制约因素：地理纬度、海陆分布、地貌形态等制约了水循环的路径、规模与强度水体的周期更替o 指水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新一次所需的时间。通常用下式来估算T=W/W，式中，T为更替周期（年、日、时）；W为水体总贮水量（立方米）； 为水体年平均参与水循环的活动量（立方米每年）水循环与全球气候水循环一方面受到全球气候变化的影响，另一方面它又深入大气系统内部，制约了全球气候。1、水循环是大气系统能量的主要传播、储存和转化者2、水循环通过对地表太阳辐射能的重新再分配，使不同纬度热量收支不平衡矛盾得到缓解3、水循环的强弱及其路径，会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征。在这方面，海洋环流系统的气候效应表现得最为强烈。水量平衡是指任意选择的区域（或水体），在任意时段内，其收入的水量与支出的水量之间差额必等于该时段区域（或水体）内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说收支平衡。水量平衡与水循环的关系：水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现，是水循环持续不断的基本前提。水循环是地球上客观存在的自然现象，水量平衡是水循环内在的规律。水量平衡方程式是水循环的数学表达式全球水量平衡方程海洋多年平均：P +R = E陆地多年平均：P -R = E全球多年平均：P = E水面蒸发 水面的水分从液态转化为气态逸出水面的过程。动态过程影响蒸发的因素供水条件、动力学及热力学因素、土壤特性水汽输送是指大气中水分因扩散而由一地向另一地运移，或由低空输送到高空的过程。水汽在运输过程中，水汽的含量、运动方向与路线，以及输送强度等随时会发生变化，从而对沿途的降水以重大影响。三个基本水汽来源三条输出入路径，并有明显的季节变化，1极地气团的西北水汽流2南海水汽流3孟加拉湾水汽流降水是水循环过程的最基本环节，是水量平衡方程中的基本参数，决定一个区域水资源的多少。形成降水的必要条件是水汽和冷却凝结。空气的垂直上升运动是促使水汽冷却凝结的主要条件。面降水的计算 把实测的点降水量转化为全区域的降水量1、 算术平均法：多用于地势起伏不大，雨量站分布稠密且分布均匀的地区， 即每个雨量站控制代表相同面积区域的降水量 优缺点：方法简单但地形起伏不能太大，并且雨量筒分布要比较均匀2、 垂直平分法（太森多边形法）：如区域内的观测点分布不均匀，采用太森 多边形法计算平均降水量较算术平均法更为合理，用不同的雨量站代表不同面积区域的降水量 优缺点：该方法可适用于雨量筒分布不均匀的地方，但各雨量筒控制的面积始终不变，在不同降雨过程中都视为定值因而会导致一定的误差。 3、 等雨量线法：一般说来是计算区域平均雨量最完善的方法。优点是考虑了 地形变化对降水的影响，因此适用于地形变化较大（一般是大流域）、流域内又有足够数量的降水观测站 优缺点：充分考虑了降雨的空间分布，计算精度较高，但对雨量筒的数量及代表性有较高要求。4、 客观运行法 下渗：又称入渗，是指水从地表渗入土壤和地下的运动过程下渗的物理过程下渗阶段的划分:1、渗润阶段，薄膜入渗f最大，不稳定下渗：下渗水主要受分子力作用，土壤水以薄膜水的形式存在。始下渗率很大2、渗漏阶段，毛管入渗f减小，不稳定下渗: 随着土壤含水率的不断增大，分子作用力渐由毛管力和重力作用取代，直到基本达到饱和为止。这一阶段下渗率迅速递减。3、渗透阶段，重力下渗f趋于稳定，稳定下渗：当土壤孔隙被水充满达到饱和时，水在重力作用下运行，属饱和水流运动。下渗率维持稳定影响下渗的因素 1、土壤特性的影响，主要决定于土壤的透水性能及土壤的前期含水量2、降水特性的影响3、流域植被、地形条件的影响4、人类活动的影响径流： 流域的降水，由地面与地下汇入河网，流出流域出口断面的水流。径流的表示方法流量Q，单位时间内通过某一断面的水量，立方米每秒径流总量W，T时段内通过某一断面的总水量。立方米， W=QT 径流深度R，mm指将径流总量平铺在整个流域面积上所求得的水层深度。 R=W/F=QT/F径流模数M，L/skm 流域出口断面流量与流域面积F的比值；流域内单位面积单位时间内的产生的径流量。径流系数是某一时段的径流深度与相应的降水深度之比值，无单位比值影响径流的因素 （气候因素 流域下垫面因素 人类活动因素）1 ）气候因素包括降水、蒸发、气温、风、湿度等。2 ）流域下垫面因素下垫面是指与大气下层直接接触的地球表面地理位置，如纬度、距海远近、面积、形状等；地貌特征，如山地、丘陵、盆地、平原、谷地湖沼等；地形特征，如高程、坡度、坡向；地质条件，如构造、岩性；植被特征，如类型、分布、水理性质（阻水、吸水、持水，输水性能）等。3）人类活动因素人类活动对径流的影响既广泛、又深远，并且影响日趋严重。人类活动对径流的影响主要是通过改变下垫面条件,从而直接或间接影响了径流的过程、径流的数量、质量的变化。径流形成过程实质上是水在流域的再分配与运行过程。产流过程中水以垂向运行为主，它构成降雨在流域空间上的再分配过程，是构成不同产流机制和形成不同径流成分的基本过程。汇流过程中水以水平侧向运行为主，水平运行机制是构成降雨过程在时程上再分配的过程，是构成流域汇流过程的基本机制。产流过程是指流域中各种径流成分的生成过程，也是流域下垫面对降雨的再分配过程。汇流过程是指流域上各处产生的各种成分的径流，经坡地到溪沟、河系，直到流域出口的过程。产流机制水在沿土层的垂向运行中，供水与下渗矛盾在一定介质条件下的发展机理和过程。不同的供水条件和不同的介质条件，径流的形成过程与机理各异，因而出现不同的产流机制，呈现不同的径流特征。壤中径流的产生也符合供水与下渗矛盾规律，其产流条件是1、要有供水，即上层有下渗（必要条件）2、要有比上层下渗能力小的界面（前提条件）3、供水强度要大于下渗强度（充分条件）4、产生临时饱和带，还要具有产生侧向流动的动力条件，即坡度及水流归槽条件（充分条件）水位：指水体的自由水面高出某一基面以上的高程流速：指河流中水质点在单位时间内移动的距离流量单位时间内流经某一过水断面的水量，通常用Q表示，单位是立米/秒。年径流量一个年度内通过河流某断面的水量，称为该断面以上流域的年径流量年平均径流量实测各年径流量的平均值正常年径流量实测资料年数增加到无限大时，多年平均流量将趋于一个稳定的数值，它可以用年平均流量Q（立方米每秒）或年径流总量W（立方米），也可以用年径流深R（毫米）及径流模数M（升每秒点平方公里）正常年径流量的推求 1、资料充分时，算术平均法，一般要求实测资料超过30年；2、资料不足时，即建立计算站年径流量及与其密切相关的水文要素（称参证变量）然后用参证变量之较长系列展延计算站的年径流系列，使其达到上述资料充分的条件后，再用算术平均法进行计算缺乏实测资料时：1、等值线法：利用较大范围已有的水文特征值等值线图2、水文比拟法:利用参证流域的水文特征值，要求参证流域与研究流域气候、自然条件相似径流的年际变化 年径流量的变差系数变差系数是一个表示标准差相对于平均数大小的相对量。年径流量的变差系数o年径流量的Cv值反映年径流量总体系列离散程度Cv值大，年径流的年际变化剧烈，这对水利资源的利用不利，而且易发生洪涝灾害；Cv值小，则年径流量的年际变化小，有利于径流资源的利用。年径流量的多年变化过程 河流各年年径流量的丰、枯情况，可按照一定保证率（P）的年径流标准划分。 径流量Q的保证率P值为25%：保证有超过25%的年份径流量比Q值大。保证率P值越小，对应的Q值越大。通常以P25为丰水年；P75为枯水年；25P75为平水年。保证率：获得保证的年份数占计算总年数的百分比洪水过程线： 暴雨洪水在出口断面上的响应，也可以通过流量过程线表达，称之为洪水过程线。 若先后两次降水由于前期降雨所形成的洪水过程尚未泄完，第二次降雨所形成的洪水又接踵而来，就形成了复式洪水过程线。洪水：大量降水或积雪融水在短时间内汇入河槽，形成特大的径流基流（baseflow）：河川流量中基本稳定的部分，主要来自地下水补给，有时也包括来自湖泊冰川的补给。枯水是河流断面上较小流量的总称，枯水期河道的水量完全依赖于流域蓄水量的补给影响枯水径流的因素河流的枯水径流过程，实质上就是流域蓄水量的消退过程，因此影响枯水径流的因素和影响流域蓄水量的因素是密切相关的1、流域蓄水量的影响因素：枯水前期的降水量、流域地质、土壤性质及湖沼率、植被覆盖率等2、河流的大小及发育程度因素3、枯水径流的消退规律河水运动过程中的受力o重力；地转偏向力；惯性离心力；机械摩擦力洪水波126泥沙的分类 按泥沙在水中的运动状态，分为：推移质（底沙）：粒径较粗，不能悬浮在水中泥只能在离床面不远的范围内，沿着河底跃移、滚动或滑动o悬移质（悬沙）：粒径较小，在紊动扩散作用下，可以悬浮在水流中。与推移质运动相关的河流流速定义 起动流速:使泥沙开始起动的水流流速。最小的起动流速发生在粒径为0.2mm处止动流速:泥沙停止运动时的水流流速。起动流速一般为止动流速的1.2-1.4倍 扬动流速:泥沙开始悬浮时的水流流速。一般来说，扬动流速大于起动流速，对细颗粒，扬动流速可能小于起动流速按冰川发育的水热条件和物理性质划分o大陆型冰川：受大陆性气候影响大，1、补给少，降水不超过1000毫米2、温度低，冰温恒为负温3、消融弱，尾端进退幅度较小4、雪线高，比海洋性冰川高1000米5、运动速度缓慢，侵蚀作用弱。我国天山、祁连山的中部和东部、喜马拉雅山脉北坡、青海和甘肃等内陆地区的冰川。o海洋型冰川：受海洋性气候影响大，冰川恒温层的温度接近零度，活动性强，地貌作用也较强。如：欧洲的阿尔卑斯、我国的西藏东南部与横断山系的冰川。湖泊 湖盆的分类按湖盆的成因：构造湖、火山湖、堰塞湖；河成湖（牛轭湖）、冰川湖、海成湖（潟湖）、风成湖、溶蚀湖等。按湖水补排情况分类：吞吐湖和闭口湖，期中按湖水与海洋沟通情况可分为外流湖与内陆湖 按湖水矿化度分类：淡水湖、微咸水湖、咸水湖 按湖水营养物质分类：贫营养湖、中营养湖、富营养设计最低水位：死库容与死水位（151）死水位是根据发电最小水头和灌溉最低水位确定，并考虑漏水的淤积情况死库容以下的库容不能用以调节水量，除特别干旱的年份，不动用死库容中的水水位与库容兴利库容：为满足灌溉、发电等需要而设计的库容 ，兴利库容相应的水位称为正常高水位防洪库容、设计洪水位、校核洪水位和汛前限制水位潮区界165：潮汐影响的上限，潮差为零潮流界：涨潮流上溯的上界，也是涨口门：潮流速为零处水下三角洲前缘波浪 ：每个水质点作周期性运动，所有的水质点相继振动，引起水面呈周期性起伏。 水质点在其平衡位置作近似的圆周运动，引起波形的传播。 波浪的传播，并不是水质点的向前移动，而仅是波形的传递。潮汐：潮汐现象是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动 习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。 古代称白天的潮汐为“潮”，晚上的称为“汐”，合称为“潮汐”。引潮力=万有引力+惯性离心力oA点：引力大于离心力，涨潮方向指向月球oB点：离心力大于引力，涨潮方向背向月球洋流按成因分类o风海流：亦称吹送流，在风力作用下形成的。o密度流：在密度差异作用下引起。o补偿流：因为海水挤压或分散引起。补偿流可以在水平方向上发生，也可在垂直方向上发生。洋流216在信风带风应力作用下，形成了南、北赤道洋流（又称信风漂流从东向西流动，横贯大洋。由于南北信风不对称于赤道（热赤道偏于赤道以北），故南北赤道流也不对称于赤道，而略偏于赤道以北。这对南北半球水量交换起重要作用。赤道流到达大洋西岸（即大陆东岸）向南北方向分流(暖流)，在北太平洋往北形成黑潮（日本暖流）；在南太平洋往南形成东澳大利亚洋流；在北大西洋形成墨西哥湾流；在南大西洋形成巴西洋流；在南印度洋形成莫桑比克洋流。黑潮、东澳大利亚洋流、湾流、巴西洋流、莫桑比克洋流，受地转偏向力的影响，到西风带则转变为西风漂流。西风漂流与寒流之间，形成一洋流辐聚带，叫做海洋极锋带。西风漂流遇大陆后分成南（寒流）北（暖流）两支，其中寒流形成了大洋中的反气旋型环流系统。属于这类