【水文学原理】 复习汇总ppt课件

1、1 当河段中无旁侧入流时，河段上、下两个断面的流量过当河段中无旁侧入流时，河段上、下两个断面的流量过程线一般有以下差异：程线一般有以下差异：洪水波上任一位相的流量，在河段下断面的出现时间总是洪水波上任一位相的流量，在河段下断面的出现时间总是迟于上断面的出现时间。迟于上断面的出现时间。洪水波的推移。洪水波的推移。河段下断面流量过程线的形状一般要比上断面的低平矮胖河段下断面流量过程线的形状一般要比上断面的低平矮胖一些。一些。洪水波的坦化变形。洪水波的坦化变形。 二、洪水波的运动二、洪水波的运动2第三节第三节 洪水波类型及其特征洪水波类型及其特征 圣维南方程圣维南方程fiitVgxVgVxy01 按

2、动力方程中各项力的对比关系，洪水波可分成四类：运动波、按动力方程中各项力的对比关系，洪水波可分成四类：运动波、扩散波、惯性波和动力波。扩散波、惯性波和动力波。222221CRAQCVRif谢才公式)1(0tVgxVgVxyiKQ22KQiACRKf，则令洪水波洪水波 惯性项惯性项 附加比降项附加比降项 摩阻项摩阻项 河底比降项河底比降项 运动波运动波 扩散波扩散波 惯性波惯性波 动力波动力波 3dtdxxQtQdtdQtQdAdQxQtQxQtQdQdAxQtAtQdQdAtAAQQHQQiKtVgxVgVxyiKQ的全导数：对联系即得：代入连续方程或流量关系为单值关系，运动波时，水位000)

3、()()1(000dtdQdAdQCdtdxk：等价于以下微分方程组 表明运动波总是向下游方向传播，表明运动波总是向下游方向传播，Ck=dQ/dA；洪水波运动方；洪水波运动方向，任何一个相应流量在运动过程中都不发生变化。向，任何一个相应流量在运动过程中都不发生变化。4 2、运动波是一种没有坦化现象的洪水波，但有可能产生、运动波是一种没有坦化现象的洪水波，但有可能产生变形。变形。3、如果波速、如果波速Ck不随水深或流量而变，则不变形。但由于波不随水深或流量而变，则不变形。但由于波体中各点的水深不同，而波速与水深成正比，对向下游传体中各点的水深不同，而波速与水深成正比，对向下游传播的洪水波，波峰点

4、的波速大于波前或波后任意点的波速。播的洪水波，波峰点的波速大于波前或波后任意点的波速。VCdAdVCdAdVAVdAdQAVQkk一般为正，因此对天然河道，证明： 4、运动波的波速一般大于同流量下的断面平均流速。、运动波的波速一般大于同流量下的断面平均流速。51、扩散波水位流量关系、扩散波水位流量关系水位后出现。最大流量先出现，最高关系。流量关系为逆时针绳套水位同一水位下：，落水时：，涨水时：落涨落涨QQQQxyQQxyxyiQxyiKtVgxVgVxyiKQ0000000011)1(QH6三、槽蓄方程三、槽蓄方程 河段槽蓄量是流量沿程分布和断面水位流量关系的函河段槽蓄量是流量沿程分布和断面水

5、位流量关系的函数。数。 由于附加比降的影响河段槽蓄量与河段下断面由于附加比降的影响河段槽蓄量与河段下断面流量可能存在三种情况：流量可能存在三种情况：（1）下断面涨洪时的流量下断面涨洪时的流量 落洪时的流量，以落洪时的流量，以W为横标，为横标，Q为纵标，为纵标，WQ为顺时针绳套关系；为顺时针绳套关系；（2）下断面涨洪时的流量下断面涨洪时的流量 落洪时的流量；以落洪时的流量；以W为横标，为横标，O为纵标，为纵标， WQ为单值关系；为单值关系；（3）下断面涨洪时的流量下断面涨洪时的流量 l，L=l，L 附加比降引起的附加比降引起的Q的增大的增大量，使下断面流量小于稳定流时的流量。量，使下断面流量小于

6、稳定流时的流量。落洪时，水位变化引起的落洪时，水位变化引起的Q的增大量的增大量 附加比降引起的附加比降引起的Q的减小的减小量，使下断面流量大于稳定流时的流量。量，使下断面流量大于稳定流时的流量。Ll 的情形：的情形：i lLWQ逆时针绳套逆时针绳套9WQ先出现河段最大蓄量，后出现下断面最大流量。先出现河段最大蓄量，后出现下断面最大流量。I( (t) )O( (t) )QtLl 的情形：的情形：逆时针绳套逆时针绳套103、不同河长时、不同河长时( (Ll，L=l，Ll) )的的WQ关系分析关系分析涨洪时，水位变化引起的涨洪时，水位变化引起的Q的减小量的减小量 附加比降引起的附加比降引起的Q的增的

7、增大量，使下断面流量大于稳定流时的流量。大量，使下断面流量大于稳定流时的流量。落洪时，水位变化引起的落洪时，水位变化引起的Q的增大量的增大量 附加比降引起的附加比降引起的Q的减的减小量，使下断面流量小于稳定流时的流量。小量，使下断面流量小于稳定流时的流量。Ll 的情形：的情形：i lL顺时针绳套顺时针绳套WQ11Q先出现下断面最大流量，后出现河段最大蓄量。先出现下断面最大流量，后出现河段最大蓄量。I( (t) )O( (t) )QtL l 的情形：的情形：W顺时针绳套顺时针绳套12WQ河段最大蓄量与下断面最大流量同时出现。河段最大蓄量与下断面最大流量同时出现。通常假定通常假定W=KQ，K槽蓄系

8、数，性质上相当于河段传播时间。槽蓄系数，性质上相当于河段传播时间。I( (t) )O( (t) )QtL= l 的情形：的情形：13引起流域调蓄作用的原因：引起流域调蓄作用的原因：（1）降水注入点到流域出口断面的距离有远近之分；）降水注入点到流域出口断面的距离有远近之分；（2）流域上的流速分布不均匀。）流域上的流速分布不均匀。14 第八章第八章产流相关概念产流相关概念n产流：产流：从降水开始到从降水开始到径流径流产生的过程。产生的过程。n径流径流:降水所形成的，沿着流域地面和地下向河川，降水所形成的，沿着流域地面和地下向河川，湖泊等流动的水流。湖泊等流动的水流。n产流量产流量:降水在产流以前要

9、经受许多降水在产流以前要经受许多损失损失，其中包，其中包括：括：植物叶面截留；植物叶面截留；渗入土中补充薄膜水与渗入土中补充薄膜水与毛管水；毛管水；填洼。如尚有剩余，就成为产流量。填洼。如尚有剩余，就成为产流量。n产流机制产流机制: 水在沿土层的垂向运行中，供水与下渗矛盾在水在沿土层的垂向运行中，供水与下渗矛盾在n一定介质条件下的发展机一定介质条件下的发展机理和过程，称为产流机制。理和过程，称为产流机制。 15第一节第一节 包气带的水文特性包气带的水文特性 一、包气带和饱和带一、包气带和饱和带饱和带：饱和带：地下水面以下，土壤处于饱和含水量状地下水面以下，土壤处于饱和含水量状态，是土壤颗粒和水

10、分组成的二相系统，称为态，是土壤颗粒和水分组成的二相系统，称为饱和带或饱水带。饱和带或饱水带。包气带：包气带：地下水面以上，土壤含水量未达饱和，地下水面以上，土壤含水量未达饱和，是土壤颗粒、水分和空气同时存在的三相系统，是土壤颗粒、水分和空气同时存在的三相系统，称为包气带或非饱和带。称为包气带或非饱和带。16一、包气带水分动态一、包气带水分动态包气带水分动态：包气带中包气带水分动态：包气带中水分含量及水分剖面的增长水分含量及水分剖面的增长与消退过程与消退过程。17 (1)包气带水分的增长包气带水分的增长 包气带中增长的水分来源于上界面的降水包气带中增长的水分来源于上界面的降水(或灌溉或灌溉)和

11、下和下界面的界面的地下水补给地下水补给(如果存在地下水的话如果存在地下水的话)。但在天然。但在天然情况下，地下水的补给一般处于均衡状态，即蒸散发情况下，地下水的补给一般处于均衡状态，即蒸散发消耗多少，地下水就向上补给多少。消耗多少，地下水就向上补给多少。 上界面的上界面的降水降水是包气带水分增长的主要原因，上界面以是包气带水分增长的主要原因，上界面以上的大气降水导致包气带水分增长的机理是上的大气降水导致包气带水分增长的机理是下渗。下渗。 18n这种机理可具体表述为：当雨强这种机理可具体表述为：当雨强(i)大于上界面大于上界面的下渗容量的下渗容量(fp)时，实际下渗率时，实际下渗率fa等于等于f

12、p；当当 ， 。 n 于是一场降雨中包气带增加的于是一场降雨中包气带增加的总水量总水量应为：应为：pifafipppififIftit19(2)包气带水分的消退包气带水分的消退 n包气带水分的消退同样发生在它的上、下界面包气带水分的消退同样发生在它的上、下界面上。上界面消退水分是由于上。上界面消退水分是由于蒸散发蒸散发，下界面消，下界面消退水分是由于退水分是由于内排水。内排水。n由于内排水主要发生在包气带存在自由重力水由于内排水主要发生在包气带存在自由重力水的情况，因此在一般情况下，的情况，因此在一般情况下，蒸散发蒸散发是包气带是包气带水分消退的主要原因。水分消退的主要原因。 20三、包气带对

13、降雨的再分配作用三、包气带对降雨的再分配作用 地面犹如一面地面犹如一面“筛子筛子”。地面的下渗容量好比。地面的下渗容量好比“筛孔筛孔”，下渗容量大表示筛孔也大，可以把大的雨强下渗容量大表示筛孔也大，可以把大的雨强“筛入筛入”土土中；下渗容量小表示筛孔也小，只能把小的雨强筛入土中；下渗容量小表示筛孔也小，只能把小的雨强筛入土中。由于下渗容量是随土壤含水量的增加而逐渐减小，中。由于下渗容量是随土壤含水量的增加而逐渐减小，直至达到稳定下渗率，因此，地面像一面筛孔会逐渐变直至达到稳定下渗率，因此，地面像一面筛孔会逐渐变小的小的“筛子筛子”。 21计算筛入量计算筛入量pppififIfti t ()ps

14、pifRift P=I+RS fpis22地面的地面的“筛子筛子”作用作用n根据雨强和地面下渗能力的对比关系，包气带根据雨强和地面下渗能力的对比关系，包气带地面地面总是要把所承受的降雨划分为两部分的：总是要把所承受的降雨划分为两部分的：一部分渗入土中，一部分暂留在地面。一部分渗入土中，一部分暂留在地面。n地面对降雨的这种再分配作用可地面对降雨的这种再分配作用可形象化形象化地称为地称为“筛子筛子”作用。作用。 23(二二)包气带土层对下渗水量的再分配作用包气带土层对下渗水量的再分配作用n描述：降雨通过描述：降雨通过地面地面进入土中的那部分水量，即下进入土中的那部分水量，即下渗水量渗水量I，首先在

15、土壤吸力作用下必被土壤颗粒吸附，首先在土壤吸力作用下必被土壤颗粒吸附保持，成为土壤持水量的一部分，其中的一些还要保持，成为土壤持水量的一部分，其中的一些还要以蒸散发形式以蒸散发形式E逐出地面，返回大气。当逐出地面，返回大气。当IED(D为包气带缺水量为包气带缺水量)时，剩余部分的水量时，剩余部分的水量(I-E-D)便成便成为可从包气带中排出的自由重力水。为可从包气带中排出的自由重力水。 24包气带土层的包气带土层的“门槛门槛”作用作用 田间持水量起着控制作用，它好像田间持水量起着控制作用，它好像“门槛门槛”一一样。样。 ， 表明表明包气带土层的储水量超过这一包气带土层的储水量超过这一“门槛门槛

16、”，因此会有水分因此会有水分“溢出溢出”土层，土层，而当而当 则表明包气带土层的则表明包气带土层的储水量低于这个储水量低于这个“门槛门槛”，因因此就不会有水分此就不会有水分“溢出溢出”土层，即没有产流。土层，即没有产流。 包气带土层对下渗水量的再分配作用可形象化地称为包气带土层对下渗水量的再分配作用可形象化地称为“门槛门槛”作用。作用。0fI E WW 0fIEWW2526AAAsubABABBsubBCBCCsubCDCDDsubDWIEFRWFEFRWFEFRWFEFR40mm80mmW f /FW m0.51.0mmWm60805 . 0405 . 0(1)(1) 求求Wm；(2)(2)

17、求求W0=20、40、60mm对应的对应的a;)1 (1 110bmmWWWa28三、流域产流三、流域产流 一个大流域是由许多小流域构成的，而小流域又是由一个大流域是由许多小流域构成的，而小流域又是由更小的集水单元更小的集水单元( (山坡流域山坡流域) )所组成的。由于流域内地形地所组成的。由于流域内地形地貌、地质条件、植被类型、土壤类型、包气带厚度、地下貌、地质条件、植被类型、土壤类型、包气带厚度、地下水埋深、土壤湿度及降雨等存在差异，所以流域各点的产水埋深、土壤湿度及降雨等存在差异，所以流域各点的产流模式必然存在差异。流域产流机制的特点：流模式必然存在差异。流域产流机制的特点：n流域产流机

18、制由不同的产流模式组成；流域产流机制由不同的产流模式组成；n流域中占主导地位的产流模式决定了流域产流的基本特征流域中占主导地位的产流模式决定了流域产流的基本特征n在一定条件下，非主导产流模式可以转化为主导型产流模在一定条件下，非主导产流模式可以转化为主导型产流模式。式。29二、常见产流模式二、常见产流模式nRs型型超渗产流型超渗产流型特点特点：(1)(1)产流量产流量R取决于取决于i和和fp ， R= ( (i f p) )i ; (2)(2)雨止时土壤含水量仍未达到田间持水量雨止时土壤含水量仍未达到田间持水量Wm； (3)(3)径流成分单一。径流成分单一。nRsat+Rss + Rg型型蓄满

19、产流型蓄满产流型特点特点：(1)(1)产流时土壤含水量已达到田间持水量产流时土壤含水量已达到田间持水量Wm ； (2)(2)产流量产流量R取决于降雨量取决于降雨量P和初始土壤含水量和初始土壤含水量 W0， R=R(P,W0)=P- -(Wm- -W0) (3)(3)径流成分复杂。径流成分复杂。30二、常见产流模式（续）二、常见产流模式（续）nRs型型Rsat+Rss + Rg型型转换型转换型 对于一个固定地点对于一个固定地点( (或流域或流域) )，其产流模式并不是一层不变，其产流模式并不是一层不变的，在不同的供水和下垫面水分情况下，产流模式可以发的，在不同的供水和下垫面水分情况下，产流模式可

20、以发生转换。生转换。 条件条件：主要发生在包气带中等厚度，主要发生在包气带中等厚度，近地表有相对不透水近地表有相对不透水 界面，土层透水性中等，降雨量变化幅度大，地下界面，土层透水性中等，降雨量变化幅度大，地下 水位变幅较大的地区。水位变幅较大的地区。 特点特点：干旱期：初始土壤含水量干旱期：初始土壤含水量W0小，地下水埋深大小，地下水埋深大 Rs型型 湿润期：湿润期：初始土壤含水量初始土壤含水量W0大，地下水埋深浅大，地下水埋深浅 Rsat+Rss + Rg型型 31n分析流域出口的流量过程形状分析流域出口的流量过程形状蓄满产流径流量中壤中流和地下径流的比例较蓄满产流径流量中壤中流和地下径流

21、的比例较大，表现为出口断面洪水过程线矮胖，退水历大，表现为出口断面洪水过程线矮胖，退水历时长，洪水过程线明显不对称；时长，洪水过程线明显不对称；超渗产流径流量中几乎没有地下径流，表现为超渗产流径流量中几乎没有地下径流，表现为出口断面洪水过程线尖瘦，退水历时短，洪水出口断面洪水过程线尖瘦，退水历时短，洪水过程线较为对称。过程线较为对称。 一、蓄满产流的产流量变化一、蓄满产流的产流量变化R=PE- -(Wm- -W0)（1）先蓄满的地方先产流；（）先蓄满的地方先产流；（2） 随着供水的继续，产流随着供水的继续，产流面积不断的增大面积不断的增大( (单向增加单向增加) )；（；（3）对同一降雨量，包

22、气带）对同一降雨量，包气带初始蓄水量越大，则产流量越大，反之越小。初始蓄水量越大，则产流量越大，反之越小。(4)在未满足在未满足全流域最大蓄水容量之前，径流系数小于全流域最大蓄水容量之前，径流系数小于1，之后等于，之后等于1。W W mf /F1.0WmPE1PE2(f /F)1(f /F)2超渗产流的产流率超渗产流的产流率r= i - -fpt0-t1时段初始土含为时段初始土含为W0； t1-t2时段初始土含为时段初始土含为W0+I1；W0=0f /Ffpi1(f /F)1I1W0=0Wmf /Ffpi2(f /F)2I2W0= Wmf /Ffpi3(f /F)32315,123152315

23、,11214,.()a ttttta ttttta ttPKPK PK PK PPKPK PK PK PK PP,1,1,1,1(),a ta tta tma tma tmPKPPPWPWPW,a tP,1a tPtP第第t天和天和t+1天的天的pa值值 第第t天的降雨量；天的降雨量； KPa的日折减系数，表示的日折减系数，表示雨量形成了蓄水；雨量形成了蓄水； Wm一流域蓄水容量。一流域蓄水容量。日期日期 5月月 15日日 16日日 17日日 18日日 19日日 降雨量降雨量(mm) 05150100Pa(mm) 1037作业、作业、1 1、写出四种径流成分产流的基本条件。、写出四种径流成分产

24、流的基本条件。2 2、为什么说回归流是壤中水径流的特殊形式。、为什么说回归流是壤中水径流的特殊形式。3、绘制出、绘制出流域蓄水容量曲线并描述其性质流域蓄水容量曲线并描述其性质1 1、包气带和饱和带的定义以及各自得特点。、包气带和饱和带的定义以及各自得特点。2 2、描述包气带水分动态，包括增长过程和消退过程。、描述包气带水分动态，包括增长过程和消退过程。3 3、分析出包气带对降雨的再分配作用。、分析出包气带对降雨的再分配作用。4 4、霍顿产流理论的基本内容。、霍顿产流理论的基本内容。5 5、壤中水径流产流的物理条件。、壤中水径流产流的物理条件。6 6、饱和地面径流的产流条件。、饱和地面径流的产流

25、条件。7 7、分析四种径流成分共同点。、分析四种径流成分共同点。38 三、产流过程三、产流过程 定义定义 ：降雨扣除损失成为净雨的过程：降雨扣除损失成为净雨的过程 降雨扣除损失后的雨量称为净雨，净雨和它形成的径流在数量上是降雨扣除损失后的雨量称为净雨，净雨和它形成的径流在数量上是相等的。相等的。 但二者的过程却完全不同，净雨是径流的来源，而径流则是净雨汇但二者的过程却完全不同，净雨是径流的来源，而径流则是净雨汇流的结果；净雨在降雨结束时就停止了，而径流却要延长很长时间。流的结果；净雨在降雨结束时就停止了，而径流却要延长很长时间。 地面净雨地面净雨地面径流地面径流 表层流净雨表层流净雨表层流或壤

26、中流表层流或壤中流 地下净雨地下净雨地下径流地下径流地面径流地面径流总径流过程总径流过程39蒸发蒸发E E降雨降雨P P地面径流地面径流R R1 1总径流总径流R R植物截留、填洼和表层土壤储存植物截留、填洼和表层土壤储存土壤储存土壤储存浅层地下储存浅层地下储存深层地下储存深层地下储存深层地下径流深层地下径流R R4 4浅层地下径流浅层地下径流R R3 3壤中流壤中流R R2 2降雨径流形成过程框图降雨径流形成过程框图不透水面积上的径流不透水面积上的径流40 2 2 径流总量径流总量W W 指一段时间内通过流域出口断面的总水量，单位为指一段时间内通过流域出口断面的总水量，单位为m m3 3、万

27、、万m m3 3 、亿、亿m m3 3 。计算公式为：计算公式为： TQ)tt (Qdt) t (QW122t1tt1t2TWQ时段时段T T内的平均流量内的平均流量 日径流总量、月径流总量、年径流总量通过上式都可以获得。日径流总量、月径流总量、年径流总量通过上式都可以获得。 Qt413 3、蒸发强度的大小决定条件、蒸发强度的大小决定条件（1 1）蒸发面上储存的水分多少，这是蒸发的）蒸发面上储存的水分多少，这是蒸发的供水条件；供水条件；（2 2）蒸发面上水分子获得的能量多少，这是水分子脱离）蒸发面上水分子获得的能量多少，这是水分子脱离蒸发面向大气逸散的蒸发面向大气逸散的能量供给条件能量供给条件

28、；（3 3）蒸发面上空）蒸发面上空水汽输送水汽输送的速度，这是保证向大气逸散的速度，这是保证向大气逸散的水分子大于从大气返回蒸发面的水分子的的水分子大于从大气返回蒸发面的水分子的动力条件动力条件。42二二、影响水面蒸发的因素影响水面蒸发的因素气象因素：气象因素：n太阳辐射太阳辐射n温度温度n湿度湿度n风速风速n气压气压水体因素：水体因素：n水面大小和形状水面大小和形状n水深水深n水质水质 二、确定水面蒸二、确定水面蒸发量的理论方法发量的理论方法 热量平衡法热量平衡法空气动力学空气动力学混合法混合法水量平衡法水量平衡法 43一、土壤蒸发过程一、土壤蒸发过程 44 n1、当土壤含水量大于田间持水量、当土壤含水量大于田间持水量时，土壤中的时，土壤中的水分可以通过水分可以通过毛管作用毛管作用源源不断地供给土壤蒸发源源不断地供给土壤蒸发，差不多有多少水分从土壤表面逸散到大气中去，差不多有多少水分从土壤表面逸散到大气中去，就会有多少水分从，就会有多少水分从土层内部输送至表面土层内部输送至表面来补充来补充。n2、当土壤含水