水文学原理(1-3章)

水文学原理课件课程介绍一、水文学原理的主要内容1.各种水体的形成、演变；2.水体形成的成因、演变的规律；3.研究水体形成成因、演变规律的方法。二、学习目的1.掌握水文现象的基本规律和研究方法；2.本课程为专业基础课，为后继课程的学习做准备。三、主要参考书山坡水文学，刘新仁译径流形成原理，芮孝芳编著土壤和水—物理原理和过程，D·希勒尔著华孟译普通水文学，邓绶林编著工程水文学，（美）林斯莱著城市水文学，朱元甡、金光炎著第一章绪论第一节水文学的内容和任务一、水文学的定义研究水的科学，核心——水文循环。广义水文学按分布划分海洋水文学陆地水文学水文气象学地表水水文学土壤水水文学地下水水文学河川水文学湖泊水文学冰川水文学河口水文学按应用分环境水文学、农业水文学、城市水文学······1.水文测验(或水文信息采集)2.水文预报3.水文水利计算

二、传统水文学的内容一、水文学简史

英文Hydrology，来源于拉丁语，“水的知识”。经历了四个发展时期：

1.萌芽期（公元1600年之前）2.奠基时期（公元1600-1900年）3.实践时期（1900-1950年）4.现代化时期（1950年-）二、中国水文学的发展第二节水文学的发展一、水文现象的基本特点1.时程变化上的周期性与随机性2.空间变化上的相似性与特殊性第三节水文现象的基本特点及研究方法杨林天生港日潮位变化过程线年最大流量变化过程年降水量变化过程二、水文现象的研究方法成因分析法以质量守恒、能量(动量)守恒等定理为基础，揭示水文现象运动变化的机理、规律。数理统计法水文现象具有随机性，从而以概率理论为基础，研究水文现象特征值的统计规律。地理综合法水文现象具有地区性，从而通过建立地区经验公式、绘制各种特征值等值线图，揭示水文特征值的地区规律。第四节自然界的水循环水文循环的原因（外因、内因）水的不断蒸发、输送、凝结、降落、产流、汇流的往复循环过程降水P蒸发E地表径流RSEP陆地基岩下渗F海洋包气带地下径流Rg壤中流RSS蒸腾ET第四节自然界的水循环（续）大循环和小循环大循环：海洋→大气→大陆→海洋（纵向+横向）

小循环：海洋→大气→海洋（海洋小循环）

大陆→大气→大陆（内陆小循环）水文循环的规律海洋的蒸发量多于降水量；大陆的降水量多于蒸发量；大陆外流区输入水汽量与输出水量基本平衡；大陆内流区降水量与蒸发量基本相等。第四节自然界的水循环（续）水文循环的作用和意义

地球上总水量13.86亿Km3，参与循环的约57.7万Km3，占0.0416%。

1、调节气候；

2、塑造了地球表面；

3、形成了巨大的水利资源；

4、形成一切水文现象。第五节地球上的水资源水资源的概念（广义水资源、狭义水资源）地球上水的分布13.86亿km3淡水2.53%咸水97.47%13.86亿km3海洋96.5%陆地3.5%生物水0.003%3500万km3淡水永冻土层水0.86%冰川雪盖68.7%地下水30.1%淡水湖0.26%土壤水0.05%大气水0.04%河水0.006%第五节地球上的水资源(续）水资源问题原因水资源量时空分布不均匀；水资源分布与人口、耕地分布不相适应；水环境污染；水资源浪费。对策时间和空间上的合理调配；积极开展水污染防治；节约用水。第二章水文现象及过程的物理基础第一节水的物理性质水是仅次于空气的最活跃的物质之一；水有三态变化，是自然界水文循环的基础；同其他氢化物相比，水有特别高的溶点和沸点；水有特别大的比热和蒸发潜热；水有反常的密度变化（4C时密度最大）；水有较大的表面张力；水是各种盐类很好的溶剂；水具有几乎不可压缩性。第二节水文平衡一、水量平衡1.

通用水量平衡方程

wIOI－O＝±

WRrEcPxEbqaR´rRgR´g

I=Px+Ec+Rr+Rg

O=Eb+qa

+R´r+R´g

Px+Ec+Rr+Rg=Eb+qa+R´r+R´g±

W令E=Eb-Ec

，Rr+Rg=RI，R´r+R´g=RO

则

Px+RI

=E+qa+RO±

W一、水量平衡（续）2.河流流域水量平衡方程（1）闭合流域（没有流域来水）的水量平衡方程记Px=P，RI=0，qa=0，RO=R：

某时段：P=E+R±

W多年平均：P=R+E（2）不闭合流域（有外流域来水）的水量平衡方程某时段：P=RO

-RI+E±

W3.

全球水量平衡方程一、水量平衡（续）时段：Pl=El+R±

W大陆多年平均：Pl=El+R时段：Ps=Es-R±

W海洋多年平均：Ps=Es-R全球多年平均：P=E二、热量平衡（续）1.通用热量平衡方程

SSISOSI－SO＝±

S2.蓄水体热量平衡方程Hn=HI+H+Rn

+

Rat-Ho-He-Rb若时段较长HI=Ho，则：Hn=Rn+Rat+H-He-Rb其中：He=LEHIH0Hn蓄热量变化量蒸发失热He感应热H太阳辐射Rn大气辐射Rat水体长波辐射Rb第三节水文混合（放入第四章土壤水中讲）第一节 降雨的类型一、按降雨的成因分类第三章降水气旋雨——随着气旋或低压过境而产生的雨。气旋雨非锋面雨锋面雨暖锋雨冷锋雨非锋面雨—气压向低压区辐合引起气流上升产生降雨。水分以各种形式从大气到达地面统称降水。包括雨、雪、露、霜、冰雹等。气团——物理属性水平分布比较均匀的大范围空气团。峰面——两种性质不同的气团之间狭窄而倾斜的过渡带。峰在空间是倾斜的，且向冷空气一侧倾斜。暖锋雨：冷暖气团相遇时，暖湿气团推动锋面向冷气团一侧移动。峰后暖空气一方面向冷空气方向推进，同时又沿锋面缓慢上升，在上升过程中冷却而产生降雨。因暖锋坡度很小，一般为1:150，故暖锋雨降雨面积大、雨强小、历时长。锋面雨的形成暖锋雨的形成示意图冷气团暖气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团冷锋雨的形成冷锋雨：冷暖气团相遇时，冷燥气团楔入到暖湿气团之下，使暖湿气团上升冷却而产生降雨。根据移动速度可分为缓行冷锋和急型冷锋。缓行冷锋的降水与暖锋相似；急行冷锋移动较快，坡度较大，约为1:70，故降水范围小、雨强大、历时短。冷锋雨的形成示意图冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团缓行冷锋急行冷锋暖气团暖气团暖气团暖气团对流雨

地面受热升温，下层空气膨胀上升和上层空气形成对流运动。下层暖湿空气上升到高空遇冷凝结形成降雨。多发生在夏季午后，强度大、面积小、历时短。地形雨

暖湿气团在运动过程中遇山岭障碍时，在沿山坡上升过程中逐渐变冷凝结成雨。地形雨多在迎风坡上。台风雨

由热带海洋上的风暴带到大陆的雨。灾害性天气，常发生在浙、闽、粤、台湾等沿海省份。二、按降雨强度及过程特征分类暴雨——历时短、强度大、笼罩面积不大。

气象方面规定：日降雨量>50mm——暴雨；日降雨量>100mm——大暴雨；日降雨量>200mm——特大暴雨。主要影响小流域洪水。暴雨型霪雨——历时较长、强度变化大。影响区域洪水。霪雨——历时很长、强度小、笼罩面积大。影响大流域洪水。降水要素降水量、降水历时和时间、降水强度、降水面积降水量过程线降水量累积曲线降水强度与历时曲线等雨量线平均深度与面积曲线第二节 降水特征的描述时间时段降雨累积降雨13:420014:0011.511.514:3033.545.015:3431.976.917:001.678.518:102.280.7时间累积降雨时段降雨13:000014:0011.511.515:0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2时间累积降雨时段降雨13:000014:0011.511.515:0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2历时累积降雨雨强148.548.5265.532.8377.025.7478.519.6580.716.1680.713.4等雨量线的做法类似于地形图等高线的做法。等雨量所表示的降水分布与实际降水分布的符合程度取决于：

(1)雨量站位置(是否为雨情控制点)；(2)雨量站数目某流域内有7个雨量站，根据各站6小时雨量资料绘出其等雨量线。90705040110120809865624736A2A690705040A1A3A4A512011036分块面积(km2)平均雨深(mm)1412021210032180423605304561236分块累积面积平均雨深(mm)14120.01-216105.01-33790.81-46079.01-59068.31-610263.9第三节 区域平均降水量计算常用的区域(或流域)平均降水量计算方法有：算术平均法适用于面积不大，地形起伏不大，站点较多且布设较均匀的流域。计算简便。泰森多边形法适用于降雨分布不均，站点较少，面积不大的流域。在确定各站的权重后也很简便，且精度较好。缺点是在各场降雨中把雨量站权重视为固定，与实际情况不完全一致。等雨量线法适用于面积大、站点密的流域。理论上较完善，但每次降雨都必须绘制等雨量线，并计算权重，工作量大。泰森多边形法A1A2A3A4A5A6(1)连三角形；(2)作三角形各边的垂直平分线;(3)以交点连线及与流域边界相交的垂直平分线构成单元面积；(4)量出各单元面积，总面积ΣA=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)(5)计算单元面积权重及流域平均雨量各子块权重

i=Ai

/ΣAP=Σ

iPi

等雨量线法A2A690705040A1A3A4A5110总面积ΣA=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)各子块权重

i=Ai

/ΣAP=Σ

iPi

求积仪的使用先将待量测图用胶带固定在平滑的桌面上，求积仪摆放位置应能使其到达图上任意位置；将求积仪针头对着待量测区域边界上的任意一点作为起始点，读出并记录起始点的读数Ra；移动求积仪针头从起始点沿待量测区域边界顺时针一直绕回到起始点，读出并记录此时的读数Rb；再移动求积仪针头从起始点沿待量测区域边界逆时针一直绕回到起始点，读出并记录此时的读数Rc；计算求积仪绕量测区一周的读数之差，分别为：

R1=Rb-Ra，R2=Rb-Rc，若两者差别不大(如以10为控制)，求两者平均作为最终读数差R；若两者差别大，需要重新量测；R与面积之间的换算：1cm

1cm图纸区域的读数差为10，即R/10相当于图纸1cm2面积，而图纸1cm2相应实际流域多少面积可根据图的比例尺确定。比如对1:50000图，1cm2相当于0.25km2。第四节降水资料的一致性检验和插补一、降水资料的一致性鉴别由于雨量站位置、雨量计高度或轴向、仪器设备和观测方法等的改变，会使降水量资料产生系统偏差。对系统偏差，可采用“双累积分析方法”进行分析和修正。如分析降水资料的前后一致性邻近多站平均累积年降水量(mm)站累积年降水量(mm)85年第四节降水资料的一致性检验和插补(续)二、非一致降水资料的改正站累积年降水量(mm)邻近多站平均累积年降水量(mm)至95年的累积雨量BC85年AKBKC说明自1985年起，站逐年测到的降水量比原来观测条件下观测到的降水量减小了KC/KB倍，为保持降水量资料的一致性，可将85年后观测的雨量按KB/KC的系数进行改正。第四节降水资料的一致性检验和插补(续)

1.算术平均法

PA=(P1+P2+…+Pn)/n

适用条件：插补站多年平均降水量与附近站多年平均降水量相差<10%。2.比例法

PA=(NAP1/N1+NAP2/N2+…+NAPn/Nn)/n

适用条件：插补站多年平均降水量与附近站多年平均降水量相差>10%。某站大多数资料都有，部分时间因仪器故障或其它原因缺测，为保持资料的完整性，以利于水文预报或水文分析计算时使用，需要对缺测资料进行插补。如A站1950年至今的雨量系列中，缺1957、1958、1961年降雨资料，需要插补。第四节降水资料的一致性检验和插补(续)等雨量线法对短历时降水量，由于空间分布不均，插补站降水量与附近站降水量之间的相关关系较差，从等雨量线图上内插效果较好。90705040150110第五节影响降水的因素及我国降雨的时空分布一、影响降水的因素

1.地理位置的影响

降水低纬度地区多于高纬度地区，沿海地区多于内陆地区。

2.气旋、台风路径的影响

常有气旋、台风过境的地区降水较多。

3.地形的影响