水文学原理复习(上)苪孝芳

水文学原理绪论人类面临的主要水问题一、水的自然属性和社会属性1、主要的自然属性：水在地球系统中作周而复始的水文循环运动；水是良好的溶剂，很多物质都容易溶解于水体；水具有势能、动能、压力能和化学能等，具有很好的驱动力。2、主要的社会属性：水是维持生命不可替代的物质，是生命之源，是地球的“血液”;水可能引起涝、旱灾害以及环境恶化，产生与人类生活和生产用水不协调；水虽是可再生资源，但有时空变化，因此水资源有价值，价值规律适用；水资源问题处理不好可能引发地区甚至是国家之间的尖锐矛盾，成为社会不稳定的一个因素。水文学发展的回顾一、水文学的发展简史：萌芽阶段、奠基阶段、应用发展阶段、现代发展阶段、学科交叉研究阶段。萌芽时期(远古至约公元1400年)

在尼罗河、幼发拉底河、恒河和黄河这些古老文化发祥地的遗迹中，我们可以看到这一时期已经开始了原始的水文观测。最早的水位观测是在中国和埃及开始的。奠基阶段：19世纪，牛顿力学使古典科学得到了极大的发展，基于牛顿力学，水科学领域有两大发展：1856年提出描述渗流运动的达西（Darcy）定律，为研究土壤水、地下水动力学和地下水资源的形成变化奠定基础；1871年提出描述明渠缓变不稳流运动规律的圣维南（St.Venant）方程组，为研究河道和坡面洪水运动，以及流域汇流奠定了基础。应用发展阶段：20世纪初至50年代，由于生产力的发展，人们期望能够科学的了解和掌握河流洪水与枯水的变化规律。现代发展阶段：20世纪60~70年代，电子计算机的发明和应用所引发的信息革命，带来科学技术的突飞猛进。学科交叉研究阶段：近10多年来，全球气候变化及大气、海洋、陆地相互作用的研究，引起了水文学家的广泛兴趣，并认为波及许多国家的水危机和洪涝灾害，与全球气候变化异常有关。水文学研究方法的基本特点多学科的交叉与渗透通过水文实验揭示水文规律应用流域水文模型探索水文规律确定性与随机性研究方法的结合水文学常用研究方法１、考察法目的是了解一个地区的水体;方法是通过调查和考察,收集改地区的水文地理资料，这些资料多半是关于水体的描述和水情的定性特征。２、长期观测法目的是了解水体长时间内发生的变化，方法是水文站观测，定量描述。３、成因分析法目的是阐明支配水文变化过程的规律，不仅要作定性描述，还要作定量的分析，方法是对水文现象要素及影响因素进行定性、定量的分析，如降雨径流，融雪径流。４、数理统计法目的是了解水文现象特征值的统计规律，方法是一概率论为工具进行频率计算，求水文现象特征值的统计规律。５、地理综合法气候要素、地理要素的分布具有地区性，据此特点，可建立地区经验公式，绘制特征值等值线图，从而分析水文地区规律。第二章水文循环和水量平衡第二节水文循环现象水文循环的定义：水圈中的各种水体，在太阳辐射和地心引力的作用下，通过不断的蒸发、水气输送、凝结、降落、下渗、地面和地下径流的往复循环过程，称为水文循环，也称水循环。分类：大循环（外循环）和小循环（内循环）：海-陆大循环；陆-陆小循环和海-海小循环；水文循环的四个环节：蒸发、水汽输送、降水、径流水文循环的驱动力：内因——水在常温状态下的三相转换，外因——太阳辐射和地球引力的作用影响水分循环的因素各影响因素主要是通过蒸发，水汽输送，降水和径流四个环节影响水分循环的。(一)气象因素：是影响水分循环的主导因素，起着主导作用。因为在水分循环的四个环节中，有三个环节蒸发，输送，凝结降水取决于气象过程，亦地面辐射，大气环流和热量平衡。(二)下垫面因素：通过对水分循环的蒸发和径流两个环节而影响水分循。主要有水面的大小、地下水位的高低、植被、地表坡度、岩石透水性。下垫面因素对水分循环的影响比较复杂，在人类生产活动过程中，有时需要加快某环节的速度，有时需要延缓某环节，按人类的需要去影响水分循环。(三)人类活动对水分循环的影响人类活动是通过改变下垫面因素进而影响蒸发，径流，降水三个环节而影响水分循环的。表现：调节径流(使径流均匀)、加大蒸发、增加降水。水文现象的基本特点（一）、在过程中的环境性和人为性（二）、在过程内的周期性和随机性（三）、在地区上的相似性和差异性（四）、在运动时的同在性和独立性（五）、水文现象的永无止尽性第三节水文循环的尺度全球水文循环它是空间尺度最大的水文循环，也是最完整的水文循环，涉及到大气、海洋、陆地之间的相互作用，与全球气候变化的关系密切；流域或区域水文循环：其就是流域降雨径流形成过程，空间尺度一般在1~10000km2之间，是流域水文学或径流形成学研究的核心；实际上并没有严格的尺度规定；这部分是目前研究最多的尺度水-土-植系统水文循环是流域水循环的一部分，是自然界最小的水文循环。其不仅是流域水文学的基础，更是生态水文学的重要研究基础。地球上水的储量及水量平衡一、地球系统中水的储量存在于地球圈层中的水可分为地面水、地下水、大气水和生物水等四个部分海洋水占全球水量的96.54%；地球上的淡水仅占总量的2.53%与人类生存和发展关系最为密切的河流、湖泊、沼泽储存的水量只占到全部水量的0.014%大气总水量占0.001%，这部分水量所占比例很小，但是循环更新快，是地球上可更新淡水资源的主要来源。二、地球系统中水的更新速度水体通过水循环得到更新，更新所需时间：三、水平衡原理水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体表现，水量平衡方程式实际就是水量收支平衡关系式，具体表达式为：WI-WO=△WS四、流域水量平衡方程式对于流域而言，水量平衡方程式可以表达为：P+RgI=E+RsO+RgO+q+△W通过上式可以得到闭合流域的水量平衡方程式:P=E+R+△W进一步得到闭合流域多年水量平衡方程式:P0=E0+R0五、全球水量平衡方程式地球由陆地和海洋两部分组成，其年水量平衡方程式可以分别写为：Ec=Pc-R+△WcEs=Pc+R+△Ws对于多年平均值来讲，蓄变量趋于零，将上两式相加得到：E0=P0此式即为全球多年平均水量平衡方程式。它表明，对全球而言，多年平均降水量与多年平均蒸散发量相等第三章流域和水系第一节基本概念一、分水线山峰山脊鞍部地下分水线地表分水线二、流域地面分水线包围的汇集降落在其中的雨水留至出口的区域称为流域。三、河流降落到地面的雨水，除下渗、蒸发损失外，在重力的作用下沿一定的方向和路径流动，这种水流称为地面径流。地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集成河流。河谷：河流流经的谷地。河槽：谷地过水部分沿水流方向河流可分为：河源、上游(V型)、中游(U型)、下游和河口(特点）四、坡地流域中水系以外的陆域部分称为坡地。坡地的几何形状：倾斜面、收敛曲面、发散曲面五、流域基本单元一个流域按流域内的自然分水线划分成若干不嵌套的子流域，再划分成更小的不嵌套的子流域……最后划分成不可在划分的部分就是流域基本单元，它是组成流域的最小单位。基本形状：书型、扇形、倒扇形、马蹄形第二节水系的拓扑学特征水系的拓扑学特征主要表现为：水系分叉、河流分级、满足河数定律水系分叉大量的资料表明：自然界的水系一般属于二分叉树的形状。水系的组成：源、出口、节点、链。一般来讲，源越多，水系的量级就越大，反之水系的量级就越小。二、河流分级水系中直接流入海洋、湖泊的河流称为干流。流入干流的河流称为一级支流；汇入一级支流的河流为二级支流。其余以此类推。三、河数定律w级河流的数目Nw随着w的增加而减小，且水系中最高级别的河流数目总是1。定义水系中w级河流数目Nw与高一级（w+1）河流数目Nw+1的比值称为分叉比，记作Rb。1945年霍顿发现，对于一个自然水系，其近似于一个常数。第三节水系的几何学特征河流长度河流长度是指从起始断面，沿河流中心线至终了断面的距离。河长定律河长比RL：w级河流的平均长度与比其低一级即（w-1）级河流的平均长度的比值。对于自然水系而言，RL几乎不变，大量资料分析表明，河长比约为：1.5~3.5链长度链长度可作为水系中基本的单元河长。弯曲度在河流上取两点，其沿中心线的长度与该两点之间的直线长度的比值称为这两点之间河段的弯曲率。河流比降河段上相邻两断面河底的高程差与该两断面之间中心线的长度的比值称为河底比降S比降定律比降比的公式：河流横断面形状交汇角霍顿1945年研究发现，两条河流的交汇角与该两条河流的比降有关，即：1212tancostan横断面利奥波德（Leopold）和马多克（Madock）在1953年研究指出，通过河流横断面的流量与断面平均流速或水面宽或断面平均水深之间的关系一般为幂函数关系：第四节流域的形状特征流域面积：分水线包围区域的平面投影面积称为流域面积，它是水系的集水面积。面积定律面积比:1954年舒姆（Schumm）发现，对于一个流域，RA几乎不随流域级w的变化而变化，大体上是一个常数（3~6）。即这就是面积定律，也称作霍顿面积定律。流域长度从流域出口断面至分水线的最大直线距离称为流域长度流域宽度与它正交方向的分水线之间的最大直线距离称为流域宽度形状因子形态因子——流域面积与流域长度平方的比值圆度——流域面积与周长为流域周长的圆面积的比值伸长比——面积等于流域面积的圆的直径与流域长度的比值流域的结构特征河网密度和河道维持常数单位面积流域上的河流长度称为河网密度，即：河网密度首先由霍顿于1945年引入，它表达了流域水系排水的有效性；梅尔顿发现，河网密度与多年平均降水量和多年平均蒸发量的比值有密切的关系，而与流域面积的大小无关。河网密度的倒数称为河道维持常数，又称水道给养面积。二、河流频度和链频度单位流域面积上的河流数目称为河流频度，即梅尔顿，河流频度和河网密度密切相关：单位面积上的链数称为链频度，即：三、面积-河长曲线若自分水线开始，沿河道量取河长及相应的汇水面积，则两者之间的关系称为面积-河长曲线四、高程曲线流域在某一高程处的水平截面面积与该高程的关系曲线称为高程曲线。五、流域坡度流域上两点之间的坡度是该两点高差与它们之间直线距离的比值。第四章降水第一节降水要素和时空表示方法一、降水及其基本要素降水包括雨、雪、雹、露、霜等从空中降落到地表的液态水，其中主要是雨、雪，尤其降雨，因此也常把降水混称为降雨。降水量等级表中，把降水分为：小雨10、中雨25、大雨50、暴雨100、大暴雨200、特大暴雨降雨深降雨历时降雨强度降雨面积暴雨中心二、降雨时间表示方法降雨强度过程线降雨量累计过程线时段降雨柱状图三、降水空间表示方法等雨量线四、降雨特性综合曲线降雨强度与历时关系曲线降雨深与面积关系曲线降雨深与面积和历时关系曲线第二节降雨的类型及其影响因素降雨的形成条件大量的暖湿空气源源不断地输入雨区这里存在使地面空气强烈上升的机制地面暖湿空气→抬升冷却→凝结为大量的云滴→降落成雨。二、降水的分类五、降水量观测方法：器测法（雨量器和自记雨量计）、雷达探测、卫星云图第三节区域（流域）平均降雨量主要方法及其适用条件1.算术平均法当流域内雨量站分布较均匀，地形起伏变化不大时，可用算术平均法求得流域上的平均降水量2.泰森（Thiessen）多边形法当流域内雨量站分布不均匀时，假定流域各处的降水量由距离最近的雨量站代表3.等雨量线法当流域上雨量站分布较密时，可用等雨量线图来计算流域平均雨量。4、距离平方倒数法（客观运行法）例：某流域有五个雨量站：某日各站点的降雨量(mm)观测值分别为：28.0、32.0、30.0、42.0、46.0，各雨量站的控制面积(km2)分别是：20、25、30、30、27。试用算术平均法和泰森多边形法计算流域平均降雨量第四节降雨资料的检验利用双累积曲线检验降水资料的一致性。降雨资料的代表性、一致性和可靠性双累计曲线是指被检验雨量站的累积降雨量与其周围若干雨量站平均值的累计雨量的相关曲线。第五章土壤水一、土壤质地土壤质地的含义：指组成土壤颗粒的主要粒径或粒径范围（定性&定量）粒级（质地粒组）：砂粒、粉粒、粘粒二、土壤结构土壤结构是指：土壤中固体颗粒的排列方式、排列方向和团聚状态，有时也指土壤空隙的几何形状与大小一、土壤水作用力分子力指土壤颗粒表面分子对水分子的吸引力，可达10000个大气压。土壤颗粒对水分子的作用不仅与孔隙度有关，更重要的是与土壤颗粒的大小有关。毛管力：由于浸润性液体表面张力作用引起的水分在土壤毛细管中上升的力。重力：土壤水分受到的地心引力称为重力。二、土壤水类型吸湿水：被分子力紧紧吸附在土粒表面、不能流动、也不能为植物利用的土壤水分。薄膜水：被剩余的分子力吸附在吸湿水层外的水膜，这部分水可从薄膜厚的地方缓慢地流到薄膜较薄的地方。毛管水：土壤孔隙中被毛管力所吸持的水分，不能在重力作用下流走。重力水：在重力作用下可以流动的土壤水，是地下水的来源。三、土壤水分常数土壤含水量是指包气带土壤含水的多少，常用单位土壤体积内包含的水体体积、或包含的水体质量来表示。水文上还常用包气带土层的含水量折合为水深（㎜）来表示，称土壤蓄水量。土壤含水量常划分为:最大吸湿水量：在饱和空气中，干燥土粒能够吸附的最大水量。最大分子持水量：土粒分子力所结合水分的最大量，薄膜水厚度达最大值。凋萎含水量（凋萎系数）：植物根系的吸力约为15个大气压，对于土粒吸附的吸力大于该值的水分，植物则无法利用。当土壤水分低于这时的含水量时，植物将缺水而凋萎死亡，该土壤含水量称为凋萎含水量。毛管断裂含水量：湿润的土壤逐渐干燥时，毛管悬着水的连续状态开始断裂，此时的土壤含水量称毛管断裂含水量。土壤含水量低于该值后，土壤中的水分只能以水汽和薄膜水的形式向蒸发面运移，约为田持的65%。田间持水量：土壤能够保持而不在重力作用下流走的最大含水量，称田间持水量。这时继续下渗的雨水，将补给潜水，形成地下径流。饱和含水量：土壤中的孔隙全部被水充满情况下的土壤含水量。一、土水势动能和势能土壤水的势能通常称为土水势。1、重力势2、静水压力势饱和土壤中的任一深度处的水滴，受到水压力的作用而具有的势能称为压力势。3、基质势基质势是指由分子力和毛管力引起的势能的总称。4、总势：饱和土壤非饱和土壤三、土壤水分特征曲线土壤含水量与吸力之间的关系曲线就称为土壤水分特征曲线，土壤水分特征曲线是土壤水运动的重要资料之一。土壤水分运动的滞后作用及其影响因素：空气的存在、土壤膨胀和收缩等作用、接触角作用、孔隙几何形状等土壤水分特征曲线的表达式维塞公式加德纳公式已知某土柱处于非饱和稳定下渗状态，其基模势分布如图，已知q=-11cm/天，ψA=ψB=-34cm无地面积水。(1)试确定地下水埋深及AB间的水流运动方向；（2）绘出重力ψ势和总势分布曲线；（3）求出点AB间的传导度KAB。解:(1)取土柱顶层为基准面，由基模势分布图知地下水埋深为100m，由ΦA>ΦB知水流方向为A®B（3）q=-KdΦ/ds-11=-k[-74-(-54)]/[-40-(-20)]KAB=11第六章下渗一、土壤水分剖面及下渗现象土壤含水率沿深度方向的变化曲线称为土壤水分剖面（土壤含水率垂向分布），它描述了土壤含水量在深度方向上的分布情况。水分透过土壤层沿垂直和水平方向渗入土壤中的现象称为下渗。二、下渗率、下渗能力、下渗曲线下渗率f：又称下渗强度。指单位面积上、单位时间内渗入土壤中的水量。下渗能力fp：又称下渗容量。指在充分供水条件下的下渗率。累积下渗量FdF/dt=f下渗曲线确切地说，应称下渗能力曲线，指地面充分供水条件下下渗率随时间的变化过程线按水分所受的作用力及运动特征，分三个阶段渗润阶段；渗漏阶段；渗透阶段三、下渗容量与土壤水分剖面的关系已知某地土壤累积下渗能力曲线及某次降雨的累积雨量曲线如图，累积下渗量曲线F(t)=36t0.5+0.4t,累积降雨量曲线为P(t)=9.4t(1)求该地的下渗能力曲线f(t)及该次降雨强度过程(2)由该次降雨求出产流开始的时间解(1)f(t)=dF(t)/dt=18t-0.5+0.4i(t)=dP(t)/dt=9.4(mm/分钟)(2)f(t)=i(t)18t-0.5+0.4=9.4t=4分径流的概念及其形成过程一、径流的概念径流是指降水所形成的，沿流域地面、地下向河流、湖泊、水库、洼地等流动的水体。沿地面流动的水流为地面(地表)径流。沿土地壤岩石孔隙流动的水流为地下径流。汇集到河流后，沿河床流动的水流为河川径流。按补给来源不同，可以分为：降雨径流，雪融径流水流中挟带的泥沙称为固体径流。二、径流形成过程由降雨到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程，称为径流形成过程。降雨过程→扣除损失→净雨过程→流域汇流→流量过程径流形成过程是一个非常复杂的过程，为了便于分析，可以概括为产流过程和汇流过程产流过程净雨：降雨扣除损失后的雨量。净雨和其所形成的径流数量上相等。降雨扣除损失形成净雨的过程称为产流过程，净雨量也称为产流量。汇流过程净雨沿坡地从地面和地下汇入河网（坡地汇流），然后再沿河网汇集（河网汇流）到流域出口断面的过程——汇流过程。径流的表示方法河川径流在一年内和多年期间的变化特性，称为径流情势。常用流量，径流量，径流深，径流模数，径流系数的大小表示。1、流量Q：单位时间内通过某一断面的水量。流量随时间的变化过程用流量过程线表示。2、径流量W：某时段（一年、一月、一日或一次洪水历时）内通过河流某一断面的总水量。单位：m33、径流深R：径流总量平铺在整个流域