水文学原理2012复习ppt课件

1,.,实验,所有实验报告考试前上交,.,2,水文学原理复习,2012年12月,3,.,课程考核,平时成绩（上课出勤、作业）15%实验成绩（实验过程与报告）15%期末成绩（闭卷）70%考试时间1月,4,.,考试题型,名词解释（以课件定义最佳）2025分填空2530分判断10题10分计算与推导（23题）1520分简述或论述（35题）2030分,5,.,历年成绩情况,6,.,卷面所反映的学习情况,80100分，已掌握水文学原理课程基本概念，能对相关的计算过程融会贯通；7079分，在基本概念和计算的掌握熟练程度方面欠缺一些，知识点掌握不牢靠。6960，对基本概念的理解和计算方面仍需下较大功夫补缺，60分以下没有达到课程大纲的要求。,7,.,名词解释、简答、论述属于主观题,主观题是指只有题干，答案需要你自己写出来的那些试题，个人答题时可以发挥，例如简答题或论述题，一般是根据要点给分。主观题是让考生自己答题，以表达对试题的理解。试题题型有简答题、论述题、应用题、作文题等。主观题也称自由应答型试题。此类试题对于考查考生的语言表达能力、思维创新能力等方面有独到的功能，但评分容易受到评卷人的主观因素影响。,8,.,主观题,主观题没有标准答案，只能从中心思想和答题基本原则等方面来判断给分。主观题就是个人答题时可以发挥，例如简答题或论述题，一般根据要点给分。客观题一般有唯一的标准答案，只能根据这一唯一标准判断给分。客观题是答案是给定的，要求从中选择正确答案，答题者没有选择的余地。,9,.,客观题：选择、判断,客观题是答案是给定的，要求从中选择正确答案，答题者没有选择的余地。客观题是指题目不仅有题干，而且已经将答案列出,由你做出选择的题目,如单选题、多选题，判断题其实也是。客观题是让考生从事先拟定的答案中辨认出正确答案。题型有判断题、选择题等。客观题也称固定应答型试题，以客观题为主体的试卷有足够的覆盖面，阅卷、评分完全避免阅卷人的主观因素的干扰，还可以通过机器阅卷，提高阅卷效率。,10,.,授课方法,课件似乎把教材讲厚了，但基本上没有超过，只不过围绕主线讲得更细点，把相关内容捎带。复习时，围绕课程逻辑主线可把教材变薄以教材内容为核心，参考其它来源内容重点讲解概念及区别，重点分析水循环过程涉及的环节，课前介绍讲述内容，课堂详细展开课后强调每章节必须掌握的知识点,11,.,复习方法,总结概念总结现象、过程、状态、机制、假设明确公式的来源：前提假设、前因后果、推导总结计算过程：针对计算（反复强调的）总结关键知识点：针对简述论述（强调的）,12,.,复习提示：课件为主、教材为辅,掌握重要的概念、定义掌握重要的过程描述、现象描述掌握重要的假设、公式掌握重要的计算强调的简述、论述,13,.,抓住环节,基本概念名词解释掌握现象、状态、过程、机制的描述前提是什么、假设是什么、公式推导过程、结论是什么填空、判断、简述、论述计算过程原理、分几个步骤、哪些公式、图示,14,.,水文学原理,第一章绪论第二章河流与流域第三四章降水与降水截留第五章土壤水第六章下渗第七章蒸发第八章产流机制第九章流域产流计算第十章河道洪水演算第十一章流域汇流,15,.,必须牢记的水循环过程示意图,蒸发,蒸散发,蒸散发,t,降水,截留,洼蓄,下渗,地表径流,壤中流,地下水流,深层地下水,河道汇流,流量历时曲线,16,.,水文学原理章节间的逻辑与目的,某某某时刻水电站、出山口等控制断面流量的一部分,某时刻的降雨量,？,课程章节安排围绕这个问号涉及的中间过程有关,17,.,流域径流形成过程的分解：两大环节,流域内净雨量（不同径流成分）的时空过程,流域出口控制断面的流量过程,流域内降雨量的时空过程,水量平衡计算（Rgt,Rst）,线性系统建模（Qgt,Qst,Qt）,非线性系统建模Q=f（P,Qt1，Qtn）,18,.,第一章绪论作业与复习,水循环概念及其动力大循环及两种小循环概念水文现象的四种基本特性水量平衡原理的概念与内涵用通用水量平衡方程描述任意考察对象在任一时段内的水量平衡方程，并用文字说明方程中各要素的意义,19,.,基本概念,水文学水循环及水循环现象（或水文现象）水循环过程的环节水量平衡原理水体更替周期水循环的动力（内外因）,20,.,基本分析,水文现象的特点及其原因某些特点在水文分析计算中的用途大陆尺度上中国水循环的水汽来源途径,21,.,水循环,地球上各种形态的水，在太阳辐射与重力的作用下，不断发生相态转换和周而复始的运动过程。液态与固态水体通过蒸发，水汽输送，凝结形成降水，下渗进土壤，在地表与地下形成不同成分径流的过程。其中液态水可通过河网汇集，地下含水层流动而汇入湖泊、河道、海洋；固态降水融化成冰雪融水汇流进入河网或转化成雪盖、冰川冰的形式长久保存在高寒地带。,22,.,水文现象特点,一是确定性：趋势变化与周期变化二是随机性：水文现象的随机波动三是相似性四是特殊性流域水文过程周期性基本状态随机干扰波动流域个性,23,.,相似性同一地区的不同流域，地形、地貌、气候、植被、土壤基本一致，则这些流域的水文现象与规律在一定程度上具有相似性特殊性（例如冰川流域与森林流域）不同的流域处于不同的气候带，具有不同的地形、地貌、植被、土壤，则各自具有其独特的水文规律与现象。,24,.,水量平衡：水文学最重要的基本原理,依据物质不灭定律可知，任一区域，在任一时段内，其收入的水量与支出的水量之差等于该区域的蓄水量变化量，即水量收支平衡。这就是水量平衡原理。,25,.,水量平衡方程,通用水量平衡、闭合流域、全球尺度水量平衡方程土壤水流连续方程（也是水量平衡方程）包气带水量平衡方程，地表水量平衡方程河段通用水量平衡方程多个特征河长河段串联后的平衡方程（线性时不变系统）蓄满产流模式的水量平衡方程线性水库的水量平衡方程,26,.,第二章要求,掌握流域及水系的基本特征掌握径流的定义及表示方法掌握径流情势变化（年内变化与年际变化）掌握净雨定义概述径流形成过程掌握典型降水径流流量过程线的径流成分构成了解影响流域径流形成的因素,27,.,第二章河流与流域,径流定义及其类型径流表示方法：流量、径流量、径流深、径流模数、径流系数净雨的定义（形成）及其含义概述径流形成过程（产流过程与汇流过程的概念）典型流量过程线的径流成分来源分析及过程分析河川径流情势概念反映径流年内分配特征的两个指标及其意义反映径流年际变化的两个指标及其意义,28,.,概念举例,径流指降水所形成的，沿着流域地面和地下向河道、湖泊、水库、洼地流动的水体。流量是单位时间内通过某过水断面的水的体积，单位是m3/s径流量是在一定时段内通过河流某一横断面的总水量,单位为m3净雨是降雨到达地表后，总降雨量扣除地表植被截留、添洼、下渗和蒸发损失后，用于产生地表径流与地下径流的那部分雨量，也称为产流量。净雨是流域径流的来源，而径流是流域净雨汇集的结果。,29,.,如何理解河川径流情势的概念,指河川径流的时程变化特征，包括径流的年内变化、年际变化、洪水特征、枯水特征、水温、冰清等。例如径流的年内变化用12个月的径流量统计值：径流年内分配不均匀系数C表征。公式？数值意义？用年径流变差系数与年际极值比来表示径流在多年期间的变化特性，即年际变化。公式？数值意义？,30,.,2、月、旬、季的径流量占全年径流量的百分比,1、径流年内分配不均匀系数C值越大，表明年内各月径流量相差悬殊，径流年内分配越不均匀,Qi是某个月份的径流量是12个月的月平均径流量,径流的年内变化：径流的年内分配情况如何,31,.,径流的年际变化,指年径流量的年际变化幅度和多年变化过程这两个方面通常用年径流变差系数与年际极值比来表示。,径流的年际变化：,年径流变差系数,年际极值比,n为观测年数，Ki为第i年的年径流变率,即第i年年径流量与正常年径流量的比值,反映径流在多年期间的变化特性,32,.,第三四章降水与降水截留,降水类型要素（量、历时、强度）、降雨损失、次降水量降雨特性曲线，降水量观测计算面平均降水量的四种方法及其优缺点降水资料插补方法降水资料的合理性分析途经降水截留的概念最大降水截留容量影响降水截留量的因素,33,.,降水资料的合理性分析途经,用等雨量线图来审查个别站雨量资料从降水类型、性质、地形来分析利用相邻站的雨量、雨强、历时做对比分析利用双累计曲线分析技术，对测站的不一致性进行判别和校正,34,.,双累积曲线法,35,.,降水截留,降水截留是植物枝叶与树干或枯枝落叶、苔藓等地被物拦阻降水直接落到地表的过程。降水最大截留容量：陆面植被对降水的最大截留量。在未达到最大降水截留容量前，降水截留量呈指数函数形式的递增规律增加。达到最大截留容量后，可假设后续的降水没有被植物截留。降水损失是指总降水因集水区内的截留、入渗、洼蓄、蒸发与蒸腾作用而减少的降水量。总降水量扣除降水损失，称为超量雨量（excellrainfall）。穿透降水是没有被植物枝叶或地被物拦截而直接穿过林冠孔隙，到达地表的那部分降水。树干茎流：降水过程中顺着植物叶片、小枝向树木主茎秆汇集的降水，称为树干茎流（不是径流）,36,.,第五章土壤水,必须掌握土壤水分常数的基本概念必须掌握土壤水受力分析，赋存形式、类型、毛细现象机理为何引入土水势概念，土水势的构成、土水势为何为负值土壤水流连续方程饱和土壤水运动描述与不饱和土壤水运动描述非饱和土壤水流的基本微分方程非饱和土壤水分扩散方程（理查兹方程）土壤水分扩散系数,37,.,必须掌握的内容,土壤孔隙类型土壤基质概念土壤水受力分析不同受力形式下的土壤水类型土水势及其构成、基质势概念土壤毛管水受力分析，毛细现象原因、毛管水高度土壤水连续方程土壤水分特征曲线及其含义,38,.,不饱和土壤水与饱和土壤水的区别赋存在土壤毛细空隙中的水分受到那些力的作用,分子吸附力：土壤颗粒表面附近的液态水受到土颗粒静电场的作用而受到的力，即粘附力，在水文学里称为分子吸附力。,39,.,土壤颗粒对水分的分子吸附力重力渗透压力粘滞力大气压力,外力,内力,水分子之间内聚力,三种力产生毛细力,表面张力,土壤水受到的内力与外力,40,.,束缚水（结合水）,吸湿水（强结合水）薄膜水（弱结合水）,毛管水,重力水,41,.,毛管水高度,42,.,必须掌握,毛管悬着水田间持水量,43,.,基质势=毛管势+吸附势溶质势（渗透式）重力势压力势,土壤总水势,44,.,基于纯水的水势概念理解土壤水为什么进入根系？,纯水水势为零，则溶液的水势小于零，呈负值。水分子与溶质发生水合作用，消耗了一部分能量。因此，任何物质溶解于水，就会降低水势。溶液越浓，水势越低。,纯水的水势高，纯水可进入植物体内，同样植物因为其水势低，土壤水势高而进入植物根系，对植物来说是根系吸收了土壤中的高势水,45,.,2、饱和土壤水运动方程（达西定律）,3、非饱和土壤水运动方程（不饱和土壤水力渗透系数）,4、非饱和土壤水基本微分方程（土壤水分扩散）,1、土壤单元体水流连续方程（水量平衡方程）,可忽略水密度的变化,46,.,第六章基本概念,下渗曲线（下渗能力曲线）,下渗累计曲线,稳定下渗速率fc,剩余下渗率,初始下渗速率,下渗（入渗）,下渗率（下渗强度）,下渗能力（下渗容量）和初始含水量的关系,47,.,第六章下渗,下渗的物理过程下渗要素及其定义，对应的含水量和水分受力下渗过程的三个阶段下渗过程中土壤水的垂向分布规律下渗结束后，土壤剖面内水分的再分布过程下渗理论和下渗公式推导霍顿下渗公式推导Green-Ampt公式的假设阿列克谢夫下渗率公式推导,48,.,下渗、下渗率、下渗能力（下渗容量）,指降水或灌溉水从地表进入土壤内部的过程。下渗快慢以下渗率表示。,单位时间内，渗入单位面积土壤中的水量，用字母f表示，又称下渗强度。常用单位mm/min或mm/hr,下渗,下渗率,下渗能力,土壤在充分供水条件下的下渗率，用字母fp表示，又称下渗容量。,49,.,干燥土壤饱和进程中下渗三阶段受力差异,下渗过程中，土壤水不断趋向饱和的进程中，土壤水分的受力状况在三个阶段不同，使得土壤水渗透速率在这三个阶段差异比较大,渗润阶段,渗透阶段,渗漏阶段,统称为渗漏阶段,50,.,湿润带,饱和带,湿润锋面,含水量,饱和含水量点,田间持水量,均质干燥土壤下渗进程中水分分布,过渡带,水分传递带,51,.,湿润锋面或下渗锋面,概念：干燥土壤下渗进程中，土壤剖面内水分含量分布可大致划分为四个带，湿润带与其下端干燥土壤的分界线就是湿润锋面。出现的前提假设或应用环境（Green-Ampt）含水量突变,52,.,霍顿下渗公式,对上面的公式积分得到霍顿下渗率公式：,对霍顿下渗率公式积分，可导出累积下渗量公式。,是常数，称作霍顿下渗曲线的递减参数，值根据实测资料作图推求。,53,.,GreenAmpt土壤水下渗理论,下渗锋面（湿润锋面）,地面,hp,地面水层,水面,不饱和层0,Z,不饱和层0,饱和层s,推导下渗公式有四个假设,54,.,GreenAmpt土壤水下渗的四个假定及公示推导,湿润锋面以上的土壤水是饱和的，湿润锋面以下土层是干土层，湿润锋面上下处的含水量是突变的，在数值上不连续。,下渗水首先满足上部土壤饱和，湿润锋面向下不断推进，饱和层厚度增加。,湿润锋面处的不饱和土壤的土水势（基质势）是常数。,下渗水流属于饱和土壤水运动，可用达西公式描述。,1,2,3,4,55,.,天然均匀降雨强度条件下的下渗：,思路：曲边三角形DBE面积等于曲边三角形CDF的面积,t,t0,tp,D,O,C,A,B,E,F,求t0和tp,if0,fcif0,f0,fc,56,.,第七章蒸散发,蒸发的相关概念（蒸发、蒸散、蒸腾、蒸发能力）下垫面概念、下垫面辐射平衡下垫面辐射净收入辐射能的消耗途径（能量平衡）影响土壤蒸发、植物蒸腾的因素饱和土壤蒸发的三个过程及其特点流域潜在蒸散发或流域蒸发能力流域蒸发的计算方法单层模式计算流域蒸发公示,57,.,下垫面,下垫面是大气层下界的地球表面,是相对大气层而言的.类型包括海洋、陆地、森林、草原、湖泊、裸土、冰川、积雪.这些都是大气的下垫面。,流域蒸散发能力（潜在蒸散发PET）,是流域下垫面充分供水状况下的蒸发量Ep,水面蒸发折算法求Ep,58,.,蒸发速率,田间含水量,毛管断裂含水量,饱和土壤蒸发的三个阶段（依据两个土壤临界含水量划分为三阶段）,定常蒸发率阶段蒸发率迅速下降阶段蒸发率进入微弱阶段,59,.,一层蒸发模式,把流域蒸散发层（土层）作为一个整体，认为蒸散发量E与蒸发层土壤含水量W及流域蒸散发能力EP成正比，与土壤蓄水容量Wm成反比,60,.,第八章产流机制,包气带水量平衡要素及平衡方程四种径流成分的产流机制霍顿产流机制的核心论点与局限性九种单点产流类型及其对应的次降水径流关系九种单点产流类型的归类（蓄满与超渗）及其特点直接径流、基流,61,.,名词解释：包气带、产流机制、单点产流类型、产流过程、产流模式、包气带缺水量、次降雨径流关系方程：包气带水量平衡方程、四种机制涉及的方程总结径流形成过程（产流过程、汇流过程）简述霍顿产流观点的四点核心内容、两句话简述为何土壤水分达到田间持水量是形成地下径流的先决条件论述四种径流成分的产流机制（图示、公式和符号）,复习要点,62,.,思考,水文学家是如何在典型的单峰洪水流量过程线中发现不同径流成分的？,63,.,判断,当下渗水分产生地下径流时，土壤的下渗速率不一定是饱和渗透系数。当下渗水分产生地下径流时，土壤含水量不一定达到饱和含水量。层次性包气带土壤表面产生饱和地面径流时，最上分层土壤含水量一定达到饱和含水量。饱和地面径流形成时，一定伴生壤中径流生成。饱和地面径流不会以一种独立的径流类型出现。产流过程中，壤中流可以和另三种径流成分在一起出现,64,.,第九章流域产流,流域上产流面积的变化包气带单元体或流域蓄满产流的意义如何构造流域蓄水容量曲线并与产流面积联系流域蓄满容量面积分配曲线的概念与完全理解蓄满产流的计算公式（部分流域与全流域）依据曲线解释产流量与可产流面积的关系蓄满产流教材中的算例（作业提交）流域超渗产流的意义流域超渗产流的计算过程（教材中的算例）,65,.,复习要点,名词解释：包气带蓄水容量Wm，田间持水量，流域蓄水容量曲线，超渗产流曲线、流域产流面积，前期影响雨量、流域蓄水容量简述题：流域部分蓄满产流与全流域蓄满产流的意义计算题：蓄满产流计算实验内容：,66,.,推导产流计算公式,67,.,P-E+AWmm,P-E+AWmm,流域部分面积产流，公式没有取舍,流域全面积产流，计算公式有取舍项,68,.,P-E与R的关系,最上端曲线代表情况,最上端曲线外包线斜率截距,介于最上端与最下端之间的曲线代表情况,最下端直线代表情况,69,.,如何理解流域蓄满产流（展开以下几个知识点）,流域包气带特征及初始状态存在时空分布的差异性，致使各处包气带是先后产流的。蓄满产流的意义流域部分位置包气带蓄满产流，部分流域产流全流域蓄满产流，全流域产流可以列出蓄水容量曲线计算产流模式公式，也可以不列出,70,.,论述流域部分蓄满产流及全流域蓄满产流的涵义-1,流域包气带是由厚度、初始蓄水量值、缺水量值都不一样的许多包气带单元体构成。降雨过程中，各处包气带单元体开始产流的时刻是不一样的。假设流域内不同位置处的土壤包气带单元体是一个个底部开孔的水箱，每个水箱的容量是各自的田间持水量。,71,.,论述流域部分蓄满产流及全流域蓄满产流的涵义-2,在流域降雨过程中，当只有部分包气带单元体达到田间持水量时，即部分水箱蓄满水以后，这部分包气带单元体再接受的降雨将全部转化为径流；其中从水箱底部开孔处流出的水流形成地下径流，超过水箱表面稳定渗透系数强度的水量可在水箱顶部表面形成地表径流；以上的产流只是在流域内部分蓄满的包气带内发生，是流域部分蓄满产流。,72,.,论述流域部分蓄满产流及全流域蓄满产流的涵义-3,随降雨持续到某一时刻，流域内水箱容量最大的包气带单元体蓄满水达到田间持水量，即全流域的包气带单元体含水量已全部达到田间持水量，则后续的降水将全部转化为径流，这时的产流是全流域开始蓄满产流。可依据蓄水容量面积曲线方程及包气带水量平衡方程，求算蓄满产流量。,73,.,第十章河道洪水演算,洪水波部分：变形、圣维南方程组与四种洪水波为何可用圣维南方程组描述洪水波运动状态及水流状态稳定流的概念河道洪水演算：特征河长、四种入流、计算过程,74,.,洪水波部分复习要点,洪水演算、洪水波、波速、位相、三种比降（附加、河床、摩阻）洪水波两类变形特点圣维南方程组（连续与运动方程）洪水波的四种分类（运动方程中要素的取舍）及其实际对应的河道及水流情形大比降山区河床河流洪水运动特性及波速深大水库入库洪水惯性波的运动特性,75,.,洪水波部分复习要点,蓄泄方程，河槽调蓄洪水的原理三种基本的槽蓄关系曲线特征河长概念、假设与特征河长河段特点、计算四种单位入流的数学表达式四种单位入流的出流过程数学表达式四种单位入流的出流过程在数学上的关系瞬时单位线的概念与表达式、积分意义任意连续入流的矩形入流离散过程什么是线性时不变系统,76,.,为何有顺时针、逆时针、单一蓄泄关系曲线,Q,W,Q,W,Q,W,W,t,W,t,W,t,t,t,t,Q,Q,Q,77,.,78,.,瞬时单位入流是单位入流对时间t的一阶导数,构造函数,79,.,河段洪水演算的研究对象和内容,洪水演算的研究对象：洪水演算关心的研究内容：,河段上下断面的流量、水位随流程与时间的变化。水文学研究中依据一些假设或经验，利用上断面的流量过程来推求下断面的流量过程，涉及到的核心内容是两个断面间蓄水量的变化。,已知上断面流量过程，推求下断面的流量进入河段上下游两断面间的水体（洪水波），,80,.,假设河段水面呈直线变化，选择一个河段，若河段中断面的水位不变，则不论比降如何变化，上、中断面之间河段的槽蓄变化量恰好与中、下断面之间河段的槽蓄变化量互为相反数，则河段的槽蓄量在涨洪与退洪过程中均保持不变,即有关系：还可以确定：固定的中断面水位值，对应一个唯一的流量值，满足单值一一对应,特征河长河段的槽蓄量在洪水传播过程中不变,81,.,特征河长河段的两个假设,考察一个长度为l的河段假设河段水面线是直线假设中断面水位在涨洪与落洪时都保持不变然后考察这个河段的蓄水量与下断面出流量的关系,下面：中断面以下断面在涨洪时，由于水面比降增加引起的流量变化？由于水深减小引起的流量变化？从而导出：特征河长的概念及其特点,82,.,涨洪,水面比降增加，流量增加Qi=定值？,水位降低，流量减少Qh=离中断面距离？,上面假设下中断面以下断面在涨洪时的状态,涨洪,i为附加比降,83,.,河床比降i0为定值,假设水面线为直线，附加比降i为定值,涨水时，比降增大引起的流量增加Qi为定值,中断面以下的河段流量大于中断面水位对应的Q0，且为常值。即中断面以下每个断面的流量增加量为定值,大多数河流中下游洪水波属于扩散波,84,.,某个下断面离中断面越远，水深减小愈大，则Qh值愈负，则一定存在一个下断面，恰好使得：,涨洪时，下断面的水深小于稳定流状态下的水深，导致下断面的流量减少Qh,涨水时，水深降低引起的流量减少Qh,满足这样关系的河段的长度，称特征河长。它恰好使得河段槽蓄量与河段下断面流量成单值对应关系。,85,.,假设河段水面呈直线变化，选择一个河段，若河段中断面的水位不变，则不论比降如何变化，上、中断面之间河段的槽蓄变化量恰好与中、下断面之间河段的槽蓄变化量互为相反数，则河段的槽蓄量在涨洪与退洪过程中均保持不变,即有关系：还可以确定：固定的中断面水位值，对应一个唯一的流量值，满足单值一一对应,特征河长河段的槽蓄量在洪水传播过程中不变,86,.,洪水波的线性特征河长演算过程,长度l的河段在起始时刻蓄水量为零（空河槽）把整个河段划分为n个长度为特征河长的子河段，则每个子河段都具有特征何长河段的特性，而且这些子河段从上到下构成串联的线型水库关系。,Q(t)=？,I(t),1,2