水文学2

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1、2010-11-241 第第2章章水文循环与河川径流水文循环与河川径流 水文循环与水量平衡水文循环与水量平衡 河川径流河川径流 2.1 2.2 2.3 降水、蒸发与下渗降水、蒸发与下渗 地球上的水储量及其分布地球上的水储量及其分布 水文循环水文循环 水量平衡水量平衡 河流与流域河流与流域 河川径流河川径流 河流泥沙河流泥沙 2.4 泥沙及其基本特征泥沙及其基本特征 河流中的泥沙输运河流中的泥沙输运 2010-11-242 水文循环与水量平衡水文循环与水量平衡 2.1 1 地球上的水储量及其分布地球上的水储量及其分布 水分存在方式：汽态、液态、固态。 空间分布：空中、地面（海洋）、地下。 地球上

2、水分储量 及空间分布比例： 单位：亿km3 大气:0.000129 陆地:0.48 海洋:13.38 :13.86 工程水文学 ch.2 2010-11-243 1) 循环分类：循环分类： （1）大循环： （ ）大循环： （2）小循环：）小循环： 发生在发生在海洋海洋与与陆地陆地 之间的水文循环， 是形成 之间的水文循环， 是形成陆降水陆降水、径 流 径 流的主要形式。的主要形式。 仅仅发生在仅仅发生在海洋海洋 或或陆地陆地上的水文 循环。 上的水文 循环。 太阳辐射太阳辐射 1 蒸发蒸发 凝结凝结 2降水降水 2降水降水 4 径流径流 2水文循环2水文循环 3下渗下渗 水分循环主要形式：降雨

3、、蒸发、下渗、径流水分循环主要形式：降雨、蒸发、下渗、径流 1 蒸发蒸发 2010-11-244 2) 水量更新水量更新 水文循环供给陆地源源不断的降水、径流，水文循环供给陆地源源不断的降水、径流，某一区域 多年平均的年降水量或年径流量，即是该地区的水资 源量 某一区域 多年平均的年降水量或年径流量，即是该地区的水资 源量，因此水文循环的变化将引起水资源的变化 。，因此水文循环的变化将引起水资源的变化 。 水体通过水循环得到更新，更新所需时间水体通过水循环得到更新，更新所需时间tr： tr=W/Q 水量流量水量流量 (2-1) 例如例如，由书中表，由书中表2-1，全球河流淡水总储水量为，全球河

4、流淡水总储水量为 2120km3，每年入海的径流总量为，每年入海的径流总量为47000km3，则一年中 河川水量需更新再生 ，则一年中 河川水量需更新再生22次之多，更新期次之多，更新期0.045年。年。 2010-11-24 5 1) 水量平衡原理：水量平衡原理： 水文循环水文循环过程中，对任一地区、任一时段进 入的水量与输出的 过程中，对任一地区、任一时段进 入的水量与输出的水量之差水量之差，必等于其蓄水量的，必等于其蓄水量的 变化量变化量。 它是水文计算中始终要遵循的一项它是水文计算中始终要遵循的一项基本原理基本原理。 3水量平衡3水量平衡 2010-11-24 6 2) 水量平衡计算水

5、量平衡计算 （1）通用水量平衡方程：）通用水量平衡方程： （2-2 ） 通用式 在给定 时段内 在给定 时段内 输入输入某 区域的 水量 某 区域的 水量 在给定 时段内 在给定 时段内 输出该输出该 区域的 水量 区域的 水量 在给定 时段内 区域蓄 水量的 变化量 在给定 时段内 区域蓄 水量的 变化量 WWW OI = 2010-11-247 (2) 对于对于闭合流域闭合流域，水量平衡方程为：，水量平衡方程为： （2-3）P ( E + R ) = W P降雨量，为流域输入降雨量，为流域输入; E、R分别表示蒸发量、径流量，它们为流域输出分别表示蒸发量、径流量，它们为流域输出; W流域蓄

6、水量，其值可正可负。流域蓄水量，其值可正可负。 2010-11-248 （3）对于多年平均，流域的水量平衡）对于多年平均，流域的水量平衡 闭合流域，由于闭合流域，由于多年多年中流域蓄水量的变化值时正时 负， 中流域蓄水量的变化值时正时 负，多年平均值多年平均值趋于零，即 ：趋于零，即 ： （2-4） ()0 1 1 = n i W n 式中n式中n年数，年数， 则闭合流域多年平均水量平衡式为则闭合流域多年平均水量平衡式为 ERP+=（2-5） 式中上“”表示平均值式中上“”表示平均值 2010-11-249 降水、蒸发与下渗降水、蒸发与下渗2.2 1降 水1降 水 降水：降水：水分中的液态或固

7、态的水汽凝结物，从云中降 落至地面的现象。 水分中的液态或固态的水汽凝结物，从云中降 落至地面的现象。 雨、雪、霰、雹、霜、 露等都是降水现象， 其中以雨、雪为主。 也常把降水，混称 为降雨。 雨、雪、霰、雹、霜、 露等都是降水现象， 其中以雨、雪为主。 也常把降水，混称 为降雨。 降水量 大小等 级划分 降水量 大小等 级划分 2010-11-2410 1)1) 降水量降水量等级：等级： 24h 雨量 （mm） 200 等 级 微量 小雨 中雨 大雨 暴雨 大暴雨 特大暴 雨 降水是径流中最主要的因素，与蒸发同时形成了水 循环中最活跃的因子。 降水是径流中最主要的因素，与蒸发同时形成了水 循

8、环中最活跃的因子。 降水量等级表降水量等级表 2010-11-2411 降水的成因：降水的成因：三个因素： （1）地面暖湿空气形成； （2）抬升至空中； （3）冷却凝结成雨滴而降 落。 三个因素： （1）地面暖湿空气形成； （2）抬升至空中； （3）冷却凝结成雨滴而降 落。 降水降水(见动画图）形成 必具的二个条件：(见动画图）形成 必具的二个条件： 一是大量的暖湿空气源源不断地输入雨区； 二是这里存在使地面空气强烈上升的机制。 一是大量的暖湿空气源源不断地输入雨区； 二是这里存在使地面空气强烈上升的机制。 如，暴雨天气系统，使暖湿空气迅速抬升，上升的空气因膨 胀作功消耗内能而冷却，当温度低于

9、露点后，水汽凝结为愈 来愈大的云滴，上升气流不能浮托时，便造成降水。 如，暴雨天气系统，使暖湿空气迅速抬升，上升的空气因膨 胀作功消耗内能而冷却，当温度低于露点后，水汽凝结为愈 来愈大的云滴，上升气流不能浮托时，便造成降水。 （1） （2） （3） 2010-11-2412 描述降水特征的要素：描述降水特征的要素：降水量、降水历时、降水 强度、降水面积及暴雨中心等。 降水量、降水历时、降水 强度、降水面积及暴雨中心等。 降水量降水量：一定时段内降落 在某一点或某一面积上的 总水量，常用深度表示， 单位为mm。 ：一定时段内降落 在某一点或某一面积上的 总水量，常用深度表示， 单位为mm。 降水

10、历时降水历时：即降水持续的 时间，以min、h 或 d 计。 ：即降水持续的 时间，以min、h 或 d 计。 降水强度降水强度：即单位时间的 降水量，以mm/min或mm/h计。 ：即单位时间的 降水量，以mm/min或mm/h计。 2）降水的描述2）降水的描述 2010-11-2413 为了掌握各地降水的变化，水文气象部门设立了大量的为了掌握各地降水的变化，水文气象部门设立了大量的 雨量站雨量站、气象站、水文站观测降水，每年汇总、整编、 刊印或存入水文数据库，供各部门应用。降水观测有多 种方法，简述于下： 、气象站、水文站观测降水，每年汇总、整编、 刊印或存入水文数据库，供各部门应用。降水

11、观测有多 种方法，简述于下： （1）雨量器（1）雨量器 （2）自记雨量计（2）自记雨量计 （3）雷达探测（3）雷达探测 （4）气象卫星云图（4）气象卫星云图 3) 降水量观测3) 降水量观测 2010-11-2414 4) 降水特性分析及降水量计算4) 降水特性分析及降水量计算 下面分析点降水特性并讨论面降水计算。下面分析点降水特性并讨论面降水计算。 点降水量点降水量：雨量站：雨量站观测的观测的降水量降水量只代表那一点的只代表那一点的 降水，称为点降水量。降水，称为点降水量。 面降水量面降水量：流域流域平均水量平均水量称称面降水量。面降水量。整个整个流域流域 上的上的降水量降水量可用面降水量来

12、反映。可用面降水量来反映。 2010-11-2415 （1） 点降水特性分析（1） 点降水特性分析 降水量过程线：降水量过程线：表示各时段的降雨强度随时间的变化。如表示各时段的降雨强度随时间的变化。如 动画图动画图，每个直方图代表该时段的，每个直方图代表该时段的雨量雨量。 降水强度(mm/h)历时(h)曲线降水强度(mm/h)历时(h)曲线 降水量累积曲线：降水量累积曲线： 自降水开始至各时刻降水量的累积值，自降水开始至各时刻降水量的累积值， 同上图同上图。显然，曲线上任一点的坡度为显然，曲线上任一点的坡度为 降水强度降水强度，即，即 i=dp/dti=dp/dt (2-7) 或 i=p/t或

13、 i=p/t 2010-11-2416 （2）面降水量计算（2）面降水量计算 （A）算术平均法（A）算术平均法：流域内各站同一时段的：流域内各站同一时段的雨量雨量进行进行算术 平均 算术 平均。 = n i p n P 1 1 流域平均降 水量（ 流域平均降 水量（mm） 测站数测站数 各站同期降 水量（ 各站同期降 水量（mm） （2-8） 此法适用于流域地形起 伏不大、雨量站较稠密 的地区。 此法适用于流域地形起 伏不大、雨量站较稠密 的地区。 2010-11-2417 (A) 算术平均法(A) 算术平均法：例2-1例2-1 图中表示某一图中表示某一流域流域及其附近及其附近雨量站雨量站分布

14、情况，其中 表示雨量站，旁边的数值表示某日的雨量，试按 算术平均法计算该日的流域 分布情况，其中 表示雨量站，旁边的数值表示某日的雨量，试按 算术平均法计算该日的流域平均雨量平均雨量。 解：解：流域流域内共有6个站，其雨内共有6个站，其雨 量之和除以6，即该法求得的量之和除以6，即该法求得的流流 域域平均雨量：平均雨量： 78.5mm 78.5mm 37.1 48.8 68.3 75.7 127 114.3 2010-11-24 18 (B) 泰森多边形法(B) 泰森多边形法： 将相邻雨量站用直线连接成若干三角形，然后对每 个三角形各边作垂直平分线，相交后所包围的区域，称 为泰森多边形。 将相

15、邻雨量站用直线连接成若干三角形，然后对每 个三角形各边作垂直平分线，相交后所包围的区域，称 为泰森多边形。如图如图所示。所示。 该法计算该法计算流域流域平均平均雨量雨量的公式为的公式为 = n ii pa A P 1 1 (2-9)(2-9) a ai i/A - 第i站代表面积占/A - 第i站代表面积占流域流域面积的比值，称面积的比值，称权重权重。 P流域平均降水量（mm）流域平均降水量（mm） A、aA、ai i分别表示流域总面积和各测站控制面积(km分别表示流域总面积和各测站控制面积(km2 2) ) n n多边形数多边形数 2010-11-2419 (C) 等降水量法(C) 等降水量

16、法： 根据根据流域流域及附近的雨量站及附近的雨量站观测观测的同一时段的的同一时段的降水量值降水量值， 参考地形影响，类似绘制地形等高线那样，画出 ， 参考地形影响，类似绘制地形等高线那样，画出如图如图所示的所示的 降水量等值线降水量等值线图，然后量出相邻等值线间的图，然后量出相邻等值线间的流域面积流域面积 ，即可 按下式计算 ，即可 按下式计算流域平均降水量流域平均降水量 ： = n ii pa A P 1 1 （2-10） a ai i-相邻等值线间的-相邻等值线间的面积(km面积(km2 2) ) p pi i相邻等值线间的平均降水量(mm)相邻等值线间的平均降水量(mm) n n等降水线间的面积块数等降水线间的面积块数 注：此法需要有足够的 雨量站，才能绘出反映 实际降水空间分布的等 雨量线。 注：此法需要有足够的 雨量站，才能绘出反映 实际降水空间分布的等 雨量线。 2010-11-2420 解：解： 1）量算各相邻等