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1、工程水文学 郑州大学水利与环境学院 第二章水文循环与径流形成 水文循环与水量平衡河流与流域降水土壤水 下渗与地下水蒸散发径流 第一节水文循环与水量平衡 1 1自然界的水文循环地球上以液态 固态和气态的形式分布于海洋 陆地 大气和生物机体中的水体构成了地球上的水圈 水圈中的各种水体通过不断蒸发 水汽输送 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 水文循环的范围贯穿整个水圈 向上延伸到10km左右 下至地表以下平均1km深处 大循环 海陆之间的水分交换过程 又称为外循环 小循环 海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后 以降水的形式落到海洋里 或陆地上的水经蒸发凝结又降落到陆地上 又称为
2、内循环 前者称为海洋小循环 后者称为陆地小循环 水文循环是地球上最重要 最活跃的物质循环之一 正是由于自然界的水文循环 才形成永无终止千变万化的水文现象 水文循环也是水资源具有再生性的原因 水循环的成因内因 外因 陆地的地形 地质 土壤 植被等对水文循环也有一定影响 1 2地球上的水量平衡水量平衡原理 在水文循环过程中 对任一区域 任一时段进入水量与输出水量之差额必等于其蓄水量的变化量 水量平衡方程 I O 给定时段内输入 输出该地区的总水量 S 时段内区域蓄水量的变化量 可正可负 若以地球的整个大陆作为研究范围 其水量平衡方程为 若以海洋为研究对象 其水量平衡方程为 Sc 大陆在研究时段内蓄
3、水量的变化量 So 海洋在研究时段内蓄水量的变化量 对多年平均情况 Sc So趋于零 所以 合并得 或 全球多年平均降水量等于多年平均蒸发量 为1130mm 河段水量平衡方程蒸发量观测时涉及到的水量平衡 2 1河流 一 河流的形成与分段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 有流动的水体和容纳水体的河槽构成 河槽或河床 主槽 滩地 河道上游 下游 左岸 右岸 分段 沿水流方向 自高向低可分为河源 上游 中游 下游和河口五段 外流河 内流河或内陆河 第二节河流与流域 二 河流的基本特征 1 河流的长度自河源沿主河道至河口的距离称为河长 km 2 河流的断面横断面 单 复 过水断
4、面中泓线 hmax 纵断面 中泓剖面 3 河道纵比降任意河段两端 水面或水底 的高差 h称为落差 单位河长的落差称为河道纵比降 水面比降 河底比降 三 水系干流 支流扇形 羽状 平行状 混合状水系斯特拉勒河流分级法 2 2流域 一 定义汇集地面水和地下水的区域 即分水线所包围的区域 分闭合流域和不闭合流域 石灰岩溶洞 两种 二 流域基本特征流域面积 F km2 流域长度 L 和平均宽度 M 河网密度 D L F km km2 流域形状系数 M L 扇状流域大 羽状流域小 流域平均高度和平均坡度 格点法 分为100份以上 流域自然地理特征 地理位置 气候 下垫面 地形 地质 土壤 植被 湖泊 沼
5、泽 与流域水文特性的关系 2 3流域水量平衡方程 1 不闭合流域水量平衡方程 2 闭合流域水量平衡方程 3 多年平均情况 闭合流域水量平衡方程 第三节降水 液态或固态水汽凝结物从云中降落到地面的现象 3 1形式雨 雪 霰 雹 露 霜等3 2特征要素降水量 P mm 降水历时 T min h d 降水强度 i mm h mm d 降水面积 F km2 降雨中心 3 3降水的形成与分类3 3 1降水的形成湿热水汽 上升运动和冷却凝结是形成降水的主要原因 3 3 2降水的分类 1 对流雨地表局部受热 气温向上递减率过大 大气稳定性降低 发生水汽垂直上升运动 特点 降雨强度大 历时短 雨区较小 2 地
6、形雨暖湿气团在运移途中 遇山脉等地形阻挡 气流被迫沿迎风坡上升 特点 空气湿度 运动速度 地形特点等 3 锋面雨气团 锋面 锋区 锋线 锋 锋面两侧温度 湿度 气压等气象要素差别明显 附近常伴有云 雨 大风等天气现象 锋面活动产生的降雨 4 气旋雨中心气压低于四周的大气旋涡 气流自四周向中心辐合后 再转向高层 引起大规模的上升运动 水汽因动力冷却而致雨 在低纬度的海洋上形成的气旋 称为热带气旋 我国气象部门对气旋的分类 按气旋地面中心最大风速大小分 低压区 位置不定 最大风力12级 3 5我国年降水量及其时空分布3 5 1年降水量的地理分布多年平均 648mm 中 800mm 全陆 740mm
7、 亚陆 全国划分为5个区 多雨区 P 1600 160d 湿润区 800 1600 120 160d 半湿润区 400 800 80 100d 半干旱区 200 400 60 80d 干旱区 200 60d 3 5 2降水量的年内分配大部分地区季节分配不均 长江以南 3 6或4 7月 最大4个月50 60 华北和东北 6 9月 70 80 华北多7 8月四川 云南 青藏高原东部 6 9月 70 80 新疆西部 受西风气流影响 水汽来自大西洋 北冰洋 少但均匀 3 5 3降水量的年际变化变化大 且常连续几年雨量偏多或偏少年降雨量越小地区 变化幅度越大以最大 最小表示 西北 8 华北3 6 东北3
8、 4 南方2 3 西南 2 3 5 4我国大暴雨的时空分布多发 受季风环流 地理纬度 距海远近 地势 地形影响显著 4 6月 华南前汛期 江南梅雨期7 8月 大暴雨移至川西 华北一带东南沿海多台风暴雨9 11月 东南沿海 海南 台湾一带我国大陆强度最大的降雨记录 75 8 5 7日 林庄24h雨量1060mm 6h雨量830mm 台风停滞 徘徊达20多小时 3 5降水量观测3 5 1器测法 1 雨量器分辨率0 1mm 两段制观测 即每日8时及20时各观测一次 雨季增加观测段次 每日8时至次日8时降水量为当日降水量 2 自记式虹吸式分辨率 0 1mm降雨强度适用范围 0 01 4 0mm min
9、记录纸上记录下来的雨量曲线是 它既表示雨量大小 又表示降雨过程的变化情况 翻斗式由感应器和信号记录器组成 雨水 翻斗一侧 接满0 1mm 倾倒 接通电路 记录器控制自记笔记录雨量 分辨率 0 1mm降雨强度适用范围 4 0mm min以内 3 5 2雷达探测气象雷达利用云 雨 雪等对无线电波的反射现象来发现目标 用于水文方面的雷达 有效范围 40 200km 雷达的回波可在雷达显示器上显示出来 不同回波反映不同性质的天气系统 云和降水等 根据雷达探测到的降水回波位置 移动方向 移动速度和变化趋势等资料 可预报出探测范围内的降水量 降水强度及降水开始和终止时刻 3 5 3气象卫星云图气象卫星按其
10、运行轨道分为极轨卫星和地球静止卫星 目前地球静止卫星发回的高分辨数字云图资料有两种 1 可见光云图 其亮度反映云的反照率 反照率强的云 云图亮度大 颜色白 否则 色调灰暗 2 红外云图 反映云顶的温度和高度 云层温度越高 其高度越低 发出的红外辐射就越强 用卫星资料估计降水量的方法利用静止卫星短时间间隔云图图像资料 再用某种模型估算 引入人 机交互系统 自动进行数据采集 云图识别 降水量计算 雨区移动预测等工作 3 5 4降水资料整编水文年鉴中 按站给出逐日降水量 年内各种历时的最大降水量的统计成果 汛期降水量摘录表中 给出较详细的降水过程资料 第四节土壤水 下渗与地下水 陆地上存在的三种水
11、地表水 土壤水 地下水下渗和土壤水的运动影响径流形成过程 4 1包气带和饱和带包气带 土壤颗粒 水分 空气三相系统 包气带中水分变化剧烈 是水分通道 是联系降雨 下渗 蒸发与径流的纽带 饱和带 包水带 土壤颗粒 水分二相系统 4 2土壤水包气带中的水称为土壤水 是指吸附于土壤颗粒和存在于土壤孔隙中的水 水分进入土壤后 在分子力 毛管力 重力作用下 形成不同类型的土壤水 1 吸湿水 土粒表面 不能被植物利用 2 薄膜水 吸附在吸湿水层外的水膜 3 毛管水 土壤孔隙中由毛管力所保持的水分 4 重力水 土壤中在重力作用下沿着土壤孔隙自由移动的水分 渗入土中的重力水 到达不透水层时 会聚集使一定厚度的
12、土层饱和形成饱和带 土壤含水量和水分常数1 土壤含水量 率 一定量的土壤中所含水分的数量 mm 又称土壤湿度 2 土壤水分常数 1 最大吸湿量 吸附的最大水汽量 2 最大分子持水量 薄膜水最大厚度 3 凋萎含水量 凋萎系数 根系无法从土中吸水 4 毛管断裂含水量 连续状态遭到破坏 5 田间持水量 能保持的最大毛管水量 6 饱和含水量 所有孔隙都被水充满 4 3下渗 一 下渗的物理过程1 渗湿阶段分子力作用 土壤颗粒吸收成薄膜水 2 渗漏阶段毛管力 重力作用 水分向下运动 水分逐渐饱和 3 渗透阶段重力作用 水分饱和 饱和水流 非饱和水流 二 下渗率和下渗能力单位时间内渗入单位面积土壤中的水量记
13、为 f mm min mm h 霍顿下渗公式 f0 起始下渗率fc 稳定下渗率 系数 三 自然条件下的下渗过程1 下渗与雨强的关系 1 i1 fp 2 i2 fc 3 fc i3 fp 2 下渗的空间分布空间分布不均 原因 1 流域中土壤性质的空间分布不同 2 流域内土壤含水量空间分布不同 3 降雨在时间空间上分布不均匀 4 流域内各处地下水位高低不一对一个流域而言 其下渗过程要比单点复杂得多 在实际工作中又不可能设立许多测点进行观测 所以多采用概化的方法来描述下渗的空间变化 4 4地下水 一 类型包气带水 埋藏于包气带中 包括吸湿水 薄膜水 毛管水 重力水 潜水 埋藏于饱和带中 处于第一个不
14、透水层上 有自由水面 浅层地下水 承压水 埋藏于饱和带中 处于两个不透水层之间 具有压力水头的地下水 深层地下水 二 地下水的特征潜水补给主要来源是大气降水和地表水的下渗 当大河下游水位高于潜水位时 河水也为补给源 潜水排泄有侧向和垂直两种方式 侧向排泄是沿水力坡度方向补给河流或其他水体 或露出地表成为泉水 垂直排泄指潜水蒸发 承压水不受气象 水文因素影响 动态变化较稳定 是河川枯水期水量的主要来源 第五节蒸散发 蒸散发是水文循环的重要环节 对径流形成来说 蒸散发则是一种损失 蒸发 水由液态或固态转化为气态的过程 散发或蒸腾 被植物根系吸收的水分 经由植物的茎叶散逸到大气的过程 水面蒸发土壤蒸
15、发陆面蒸发植物散发 流域总蒸发或流域蒸散发 蒸发率 单位时间内的蒸发量充分供水 不充分供水两种情况蒸发量用相应于蒸发面的水层深度来度量 记为E 以mm计 水面蒸发观测资料较多 比较可靠 常是其他蒸发计算的基础 可能最大蒸发率或蒸发能力 EM 在充分供水的条件下 某一蒸发面的蒸发量 即同一气象条件下可能达到的最大蒸发率 3 5 1水面蒸发的观测 1 器测法水文部门普遍采用E601蒸发器 每日8时观测一次 得日蒸发量 月蒸发量年蒸发量折算系数 K E池 E器 2 间接计算法利用气象水文观测资料间接推算蒸发量 水汽输送法 热量平衡法 彭曼法 水量平衡法 经验公式法等 彭曼水面蒸发公式 3 5 2土壤
16、蒸发土壤蒸发是土壤中所含水分以水汽的形式移入大气的现象 土壤蒸发过程是土壤失去水分或干化过程 湿润土壤蒸发过程一般分为三个阶段 1 土壤十分湿润 2 土壤含水量降到田间持水量以下 3 土壤含水量减至毛管断裂含水量 一 土壤蒸发过程三个阶段 第一阶段 土壤充分湿润 供水充足E接近蒸发能力EM第二阶段 土壤水分减少 W W田 供水条件变差 E逐渐减小 E W W田 EM第三阶段 W W断 水分运动十分缓慢 蒸发率很小 二 土壤蒸发观测1 器测法 500型2 间接计算法 3 5 3植物散发植物散发是植物根系从土壤等吸收的水分 通过叶面 枝干蒸发到大气中的一种生理过程 植物散发强度 与土壤湿度 温度 光照等密切相关 尤其是土壤含水量 对于天然情况下 温度 光照基本适宜 植物的散发过程与土壤的蒸发过程很相似 因此 常常与土壤的蒸发一起计算 3 5 4流域总蒸发包括水面蒸发 土壤蒸发 植物截留蒸发及植物散发 确定方法 1 单项计算 加权求和 例如面积加权E F水 F总 E水 F土 F总 E土2 水量平衡法或蒸发模式计算法 1 一层模式把流域蒸发层作为一个整体 认为蒸散发量同该层土壤含水量及流域蒸散
