水文学第1、2章青岛理工大学环境学院

水文学与水文地质学

演讲人李冬桂2023/2/41第一部分水文学2023/2/42第一章绪论2023/2/43通过本章节的介绍，主要了解有关的水文概念，对水文学的学习有个粗略的认识。重点2023/2/441、水文现象§1—1水文现象及水分循环——地球上的水在太阳的辐射和地心引力的作用下，所发生的降水、蒸发、

渗流和径流现象统称为水文现象。2023/2/45水文的四大表现形式：降水蒸发渗流径流（1）降水——指雨、雪、雾、雹、霰。降水的形式下雪前降落的小冰粒2023/2/46（2）蒸发指：截流蒸发地面蒸发叶面蒸发水面蒸发海洋蒸发水上升为水汽的五种形式。2023/2/47包含入渗渗透地表水经过土壤表面进入土壤的过程。水分在土壤中的运动。（3）渗流2023/2/48（4）径流地下径流地面径流分为——指水流沿地下一定路径流动。——指水流沿地面一定路径流动。2、本水文学研究的主要对象河川径流2023/2/493、水分循环（1）大循环——由海洋蒸发的水汽降到陆地后又流入海洋的循环。——由海洋蒸发的水汽成为降水后又直接落入海洋，或者降落在陆地上的水在流入海洋之前就又蒸发到空中，这种局部循环称为小循环。（2）小循环2023/2/4104、水分循环图示：图1．1水文循环示意图2023/2/411§1—2水文学的研究领域及发展——水文学是研究地球上各种水体的形成、运动变化规律以及地理分布的科学。1、水文学概念2023/2/412（1）按研究水体可分为：2、分类河流水文学湖泊水文学河川水文学沼泽水文学海洋水文学地下水文学土壤水文学大气水文学2023/2/413（2）据所采用的实验方法可分为：水文测验学水文调查学水文实验2023/2/414（3）据研究内容可分为：水文分析与计算水文地理学水文学原理水文预报水文动力学2023/2/415（4）据应用分类工程水文学土壤水文学农业水文学城市水文学森林水文学研究流域规划、水文计算、水文预报2023/2/416（5）随着科技发展，又有：随机水文学模糊水文学等2023/2/417水文学是与给排水工程密切相关的一门学科。主要研究从降水到径流入海这一段中地面径流的规律、测量方法及在工程中的应用。§1—3水文学与给排水工程的关系2023/2/418§1—4水文现象的特性1、水文现象时程变化的的对立统一周期性随机性2、水文现象地区分布的特殊性相似性的对立统一2023/2/419§1—5水文学的研究方法成因分析法数理统计法地理综合法2023/2/420水文学的一般第二章概念与水文测验2023/2/421重点掌握水位～流量关系曲线的绘制及延长了解河川径流的基本概念掌握一般的测流方法，能进行有关问题的计算。2023/2/422——直接注入海洋、湖泊的河流。1、干流一、干流、支流和水系§2—１河流与流域一般取长度、流量最大的河2023/2/4232、支流——流入干流的河流。又可分为一级支流二级支流直接注入干流的河流注入一级支流的河流2023/2/424——河流的干流及全部支流所构成的脉络相通的河流系统，称为河系或水系。3、水系

常用干流名称来命名2023/2/4252023/2/4262023/2/4271、河长——从河源到河口的距离。是确定河流落差、比降

和能量的基本参数。——河道全长与河源到河口直线距离之比。2、弯曲系数二、河长及弯曲系数表示河流平面形状弯曲程度的参数2023/2/428三、河槽的基本特征一般可以用下面几个参数来表示1、河流的平面形态图2.12023/2/429图2.1河流等深线图2023/2/430黄河花园口游荡型河段长江下荆江蜿蜒型河段顺直型河段长江南京附近八卦洲分汊型河段2023/2/431（1）横断面——与水流方向正交的断面1>基本河槽——枯水期水流通过的部分2>洪水河槽

——洪水期被洪水淹没的部分有单式断面和复式断面

2、河流横断面主槽或枯水河槽河漫滩或河滩2023/2/432图2—3河流横断面图示2023/2/433——沿河流深泓线的剖面3、河流的纵剖面可明显的表示出河底纵坡和落差分布深泓线即溪线

——沿河流各过流断面最大水深点的连线中泓线——沿河流各过流断面最大流速点的连线2023/2/434是单位河长的落差（河段两端的河底高程差）4、河流的比降——即河流的坡度河流长度——沿溪线测量的长度可在适当比例的地图上量得2023/2/435计算：其中：Ｚ１、Ｚ２——若为河面高程差，则s为河面比降

；若为河底高程差，则s为河底比降。如果一条河流各段比降不同，一般可用分段计算法，求得平均比降。2023/2/4362012211102)()()(lzlzzlzzlzzslnnn-++++++=-L（1）*纵比降计算式：6—31式（p189）

其中：Z1、Z2……Zn——为各断面高程。L1、L2……Ln——为各相邻两断面之间的距离。2023/2/437地球自转产生的偏转力；河流弯道处所受离心力；流速分布的不均匀性。（2）横比降——指水面的横向比降。1>产生横比降的原因：2023/2/438地球自转偏力作用：地球由西向东自转，其自转偏力将造成自北向南流动的河流右岸受冲刷；自南向北流动的河流左岸受冲刷。2023/2/439弯段横比降及水内环流现象a)弯段河道螺旋流b)重力与离心力作用c)断面单环流现象d)断面冲淤现象e)平面河流呈蜿蜒曲折平面形态凹岸水深大，水质好，是取水口的最佳位置。2023/2/440直段横比降及水内环流现象(a)(c)(b)a)直段河道螺旋流：原因是横向与垂线流速不均匀。b)退水时河道螺旋流：退水时，河中水位下降快，两岸退水慢，水流一面向下游流动，一面向河道集中，且呈两螺旋流，横断面呈凹形水面。c)涨水时河道螺旋流：涨水时，河中央上涨较快，断面呈中高岸低的“水拱”形，且呈两螺旋流。涨水时水流冲刷两岸，故常出现崩岸，泥沙向河中搬运；退水时，河中受冲刷，泥沙向两岸搬运而淤积。2023/2/4412>造成的后果：在过水断面上形成一封闭的环流，与纵向水流结合形成漩涡流，从而将冲刷凹岸，淤积凸岸，影响取水口位置的选择。2023/2/442四、河流的分段1、河流——江、河、溪、沟统称河流。2、形成——地面上的水在重力作用下，沿着陆地表面上的线性凹地流动，从而形成河流。3、分段——一条发育完整的河流，按河段的不同特性，可分为以下几部分：2023/2/443（1）河源——河流的发源地。即开始具有地面水流的地方。例如：泉水、冰川、溪涧2023/2/444（2）上游——紧接河源上端，奔流于深山峡谷中的一段河流。特点水流急，落差大，冲刷强烈。2023/2/445（3）中游——上游以下的一段河流。特点比降变缓，冲淤近乎平衡，流量增大。2023/2/446（4）下游——河流的最下一段。

特点流速小，坡度变缓，泥沙淤积，沙洲众多，断面复杂。2023/2/447（5）河口——河流的终点。河流注入海洋、湖泊或其它河流的地方。特点断面变大，流速骤减，极易形成沙洲或三角洲。2023/2/448五、分水线及流域1、有关概念：指河流的集水区域。凡降落在该流域的水最终都将汇入该条河流中。流域——分水线——即流域四周的边界线。地势最高点的连线。2023/2/449闭合流域——地面分水线与地下分水线所重合的流域。非闭合流域——地面分水线与地下分水线不重合的流域。流域面积——流域分水线所包围的面积。2023/2/450地面分水线与地下分水线重合闭合流域非闭合流域2023/2/4512、流域的基本特征：主要指流域的几何特征、自然地理特征及人类活动的影响。决定着每一区域河流形成过程的具体环境，并影响径流的变化规律。2023/2/452（1）流域的几何特征——主要指流域面积的大小和分布情况。流域的形状平均高程平均坡度流域的面积平均宽度不对称系数等2023/2/453地理位置；地形；植被；土壤；湖泊率；地质构造。（2）自然地理特征地理位置下垫面因素气象条件后详叙（3）人类活动2023/2/454§2—2河川径流及表示方法一、河川径流的基本概念1、径流——降落在地表上的雨水沿着一定的路径流动的水流。径流是水循环中的一个重要环节。降落到地面上的水除了下渗和蒸发等损失外，其余水流均以径流的形式注入河流。地面径流地下径流2023/2/4552、河川径流——降落到地面上的水，由地面和地下汇集到河系并沿河槽流动的水流，统称河川径流。河川径流的水源主要是大气降水。其中枯水期以地下径流为主，洪水暴雨期以地面径流为主。

2023/2/4561、流量

Q——单位时间通过某河流过流断面的水量。单位：m3/s二、河川径流的表示方法河川径流的几个特征值2、径流总量W——一段时间内通过某河流过流断面的总水量。单位:m3计算式：W=QT2023/2/4574、径流深度R——将计算时段内的径流总量均匀的分布于测站以上的整个流域面积上，所得到的平均水层厚度。3、径流模数M——单位流域面积上平均产生的流量。单位:m单位:m/s计算式：M=FQ计算式：R=FW2023/2/4585、径流系数α——同一时段内，流域上径流深度与降水量之比。P——同一时段内的降水量。计算式：α

=PR因为R<P，所以α<1。但其多年平均值R0/P0

一般比较稳定，且具有区域性。以上五个特征值之间的关系可以互相推出2023/2/459§2—3河川径流形成过程及影响径流的因素以降雨补给河流为例一、河川径流形成过程及其特征时期1、径流的形成为了研究方便，通常可以将径流的形成分为四个阶段2023/2/460指植物截留、下渗、填洼、及蒸发。即：1.降水过程2.蓄渗过程3.坡地漫流4.河槽集流能简述2023/2/461产流过程径流形成过程汇流过程降水过程渗蓄过程坡地漫流土壤中汇流地下水汇流河网汇流流域过程河槽过程2023/2/4622023/2/463（1）降水径流（2）融雪径流我国的河流大多以此为主。局部地区或地段的河流以此为主。2、河流水源的来源如：青海、新疆2023/2/464二、影响径流的主要因素1、各种自然地理因素对其的影响（1）气候因素对径流影响最大。若降水强度大，历时短，则径流量大。是影响径流量的决定性因素降水2023/2/465蒸发水面蒸发陆地蒸发植物蒸发如果蒸发强度大，雨前土壤含水量小，则降水损失大，径流量小。2023/2/466图2.9平均年径流量平均年蒸发量2023/2/467（2）流域地理位置——将直接影响降水量的多少（3）流域地形特征——地势陡峭，汇流时间短，则径流量大。2023/2/468流域面积小，径流相对剧烈流域面积大，径流相对平缓（4）流域形状和面积——狭长形的径流量小宽短形的径流量大2023/2/469（5）流域的植物被覆——由于植物被覆截留降水，从而将会延缓坡地漫流的速度，增加渗流，减少蒸发。影响下渗，地下水对河流的补给，流域地表的冲刷等。（6）土壤及地质构造——2023/2/470可以通过蓄水作用，调节径流变化，特别是蒸发影响径流量的大小。（7）湖泊和沼泽——2023/2/4712、人类活动的影响如水利化措施可以改变流域内自然地理面貌，增强内陆水分循环，影响径流的形成和变化过程。3、城市化进程的影响2023/2/472三、地下径流、固体径流与溶解质径流1、地下径流（基流）——下渗到地下的水经过一段时间后，经过渗透流动注入河流的流动。2、固体径流——指河流中所挟带的水中悬移质泥沙和沿河底滚动的推移质泥沙。（泥沙径流）2023/2/4733、溶解质径流——河流中所携带的粒径小于10

-5mm的微粒物质溶解质的各种主要成分都有专门的计算式和测定方法2023/2/474§2—4流域的水量平衡流域的水量平衡方程式是水文分析计算的有力工具，用以反映流域中各水文要素（降水，蒸发，径流等）之间的数量变化关系。1、平衡方程：P+V1=R+E+V2据连续性方程有:假设有一闭合流域如图所示2023/2/475其中：P——流域的平均降水量；V1——时段开始时流域的蓄水量；R——出口断面的径流量；E——流域的平均蒸发量；V2

——时段末流域的蓄水量。2023/2/476即：＝0P0=R0+E02、以上平衡方程式还可以写作多年平均值的形式：2023/2/477——流域多年平均蒸发量——流域多年平均降水量——流域多年平均径流量2023/2/478或者写作：——径流系数（径流量与降水量之比）——蒸发系数（蒸发量与降水量之比）00PE00PR2023/2/479§2—5水文资料的观测方法与收集水文测验——对各项水文要素（降水，径流，蒸发，水位，泥沙，流量等）的观测。2023/2/4801、水位——水面相对于某一水基准面的高程。一、水位观测水基准面现统一规定用青岛验潮站黄海平均海平面为标准2023/2/4812、测验方法：一般用于水位变化频繁，人工直接观测不便的河段。直接水尺法自动水位计直立式倾斜式矮桩式悬垂式2023/2/4822023/2/483悬锤式水尺1、刻度尺2、索尾上的记号3、软索4、滑轮5、横梁6、重锤2023/2/484图2—13直立式水尺分段设立示意图2023/2/485自记水位计2023/2/486零点高程——水尺上的刻度起点与某一基准面的垂直距离。3、水位计算：水位=水尺零点高程+水尺读数2023/2/487须测定过流断面面积与断面平均流速二、流量测算1、过流断面面积的测定：（A）测定各测点的水深（B）测定各测点与某固定点的水平距离方法据此绘制过流断面图并计算面积2023/2/4882、流速的测定：（A）流速仪法（B）浮标法方法旋杯式旋浆式2023/2/4892023/2/4901>流速仪的主要构造（1）流速仪法：尾翼旋转器信号记录器2>工作原理：流水冲击旋转器使其旋转，据流速仪所指示的转速计算流速2023/2/491方法在测流断面上，布置数条垂线，每条垂线上布置若干测点。用流速仪测出各点的流速，最终求得整条垂线上的平均流速，并进而求得部分断面的平均流速。点流速→垂线上的平均流速→部分断面的平均流速→流量即2023/2/492二点法五点法三点法一点法注意测速垂线及测点的布设原则和数量应视实际的测流断面，据有关规范而定。垂线上测点的布设方法一般有：2023/2/493用于测水面流速测某深水点处的流速由上部的小浮标和下部的大浮标及细绳组成（2）浮标法：凡是能浮于水面上的物体，均可做成浮标。深水浮标水面浮标据浮标通过上、下游的时间来测算速度。测速原理：2023/2/494深水浮标：深水浮标用于测某水深点处的流速，它由上部小浮标(指示标)和下部大浮标(深水部分)其间用细绳连成一体，见图。上浮标做成流线形，以减少水流阻力，露出水面部分体积宜小，以减少空气阻力。下浮标为十字形以利接近流速浮移。上下浮标所连细绳长度应使下浮标位居测速点的深度。据上浮标漂浮速度计算下浮标速度·。水面浮标深水浮标2023/2/495（1）河床质泥沙三、泥沙测算悬移质输沙率推移质输沙率指1、泥沙的分类——据河流泥沙的运动状态组成河床的泥沙2023/2/496（2）悬移质泥沙（悬沙）粒径较小，其沉降速度小于水流垂直方向的脉动速度，可悬于水中，随水下移，其较粗的部分颗粒可与推移质交换。（3）推移质（底沙）沿着河底滚动，滑动，或跃动，并经常与河床质发生交换。2023/2/4972、悬移质输沙率

Qs——单位时间内通过测流断面的悬移质泥沙重量。（1）计算式：Q——测流断面的流量——断面的平均含沙量2023/2/498（2）含沙量

CS

的测算：在河流中选定的测点处取含沙的水样，然后测出体积，将泥沙沉淀，过滤，烘干，并称出其泥沙的重量，计算出该点的含沙量。

2023/2/499（3）计算：由点含量→垂线平均含沙量→部分断面的平均含沙量Cs——部分断面的平均含沙量（N/m3）q——部分断面的流量（m3/s）其中：2023/2/4100横式沙洋采集器（悬移质泥沙）1、储水筒；2、筒盖；3、弹簧；4、撑爪；5、铁锤；6、钢索2023/2/41013、推移质输沙率——单位时间内通过测流断面的推移质泥沙重量利用推移质采样器，在测沙垂线底部取泥沙，以求得各测沙垂线处单位宽度内的输沙率，进而计算整个断面的输沙率。测算：2023/2/41021、外壳；2一铅板；3、跳板；4、橡皮板；5、底盘托板；6、尾翼；7、吊杯推移质采样器（推移质泥沙）62023/2/4103四、水文资料的收集来源水文数据库水文年鉴水文手册水文图集水文调查气象部门水文资料2023/2/4104§2-6水位与流量关系曲线水位与流量关系曲线——由断面实测水位与相应的流量点绘而成的曲线。一、曲线的绘制1、方法：在绘制水位～流量

关系曲线的同时，将水位～面积

曲线及水位～流速

曲线按比例一同绘制在坐标纸上。2023/2/41052、意义：由于相对于流量观测，水位观测要容易些，故可以利用水位～流量

曲线从水位变化过程推算流量变化过程，从而计算出不同历时的平均流量。3、曲线：（1）水位～流量曲线2023/2/4106（2）河床发生冲淤变化时对H～Q曲线的影响

G（水位）Q未冲淤前淤后冲后（3）江河中洪水涨落时对H～Q曲线的影响

G（水位）Q稳定时落水涨水2023/2/41072023/2/41081、意义：二、曲线的延长一般地说，曲线都是由中、低、高水位的测点点绘而成。如果能将其作适当的延长，便可以得到特大或特小的点，以满足设计要求。2023/2/41092、方法：低水位延长法高水位延长法直接延长法史梯文斯延长法断面特征法形态断面法2023/2/4110用于河床无严重冲淤的断面。第一.高水位延长法1>直接延长法：A、当延长的水位变幅<20%时，可徒手顺曲线的趋势作适当的延长。B、当需要延长的水位变幅较大时，可借助于另两条曲线，即H～ω

和H～V

，间接延长

H～Q

曲线。

2023/2/4111先绘制H～ω曲线；再将H～V曲线向高水位作大幅延长（高水位时，此曲线趋于直线，且与纵轴平行，作大幅延长造成的误差不大）；最后由高水位时的ω和V值，得出延长的H～Q曲线。方法2023/2/4112水位HH～Qv、Q、ωH～ωH～VH0V0Q0ω02023/2/4113方法：形态断面法