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1、水文学原理 第一章绪论 第二章水文循环 第四章降水 第五章土壤水 第六章下渗 第七章蒸发与散发 第八章产流机制 第十章地表水流 第十一章洪水演算 第十二章流域产流 第十三章流域汇流 第三章流域和水系 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
2、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 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 日潮位变化过程线 年最大流量变化过程 年降水量变化
3、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 第二章水文循环 第一节水的奇异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 4 C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 第二节水文循
4、环现象 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 第二节水文循环现象 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 第二节水文循环现象 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 第三节地球系统中
5、的水及水平衡 水资源的概念 广义水资源 狭义水资源 地球上水的分布 第三节地球系统中的水及水平衡 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 一 水量平衡1 通用水量平衡方程 I O W I Px Ec Rr RgO 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 第三节地球系统中的水及水平衡 续 一 水量平衡 续 2 河流流域水量平衡方程 1 闭合流域
6、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 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 W 3 全球水量平衡方程 一 水量平衡 续 二 热量平衡 续 1 通用热量平衡方程 SI SO S 第一节基本概念 分水线 使雨水分别汇集到两条不同的河流 起着分水作用的地形 是流域的边界线 流域 汇集地面水和地下水由分水线所包围的区域 4 流域形状系数Rf 流域面积 流域长度 2 3 河网密度流域单元面积内干支流长度 1 河系类型 扇形 羽毛型 平行状 混合形 第二节流域特征 一 流域的平面形状特征 第三章流域和水系 第二节流域
7、特征 续 二 流域的地形起伏特征1 河流的落差和比降2 流域平均坡度3 流域面积 高程曲线三 流域自然地理及下垫面情况1 流域地理位置2 流域的土壤岩石性质和地质构造3 流域植被率4 流域湖泊率 沼泽率 第四章降水 一 按降雨的成因分类 气旋雨 随着气旋或低压过境而产生的雨 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 第一节降雨的类型 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
8、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 缓行冷锋 急行冷锋 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
9、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
10、水要素及其时空变化表示方法 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 90 70 50 40 110 120 第三节区域平均降水量计算方法 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
11、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 等雨量线法 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 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 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
12、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 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 1 土壤质地土粒分级 第五章土壤水 第一节土壤的物理特性 2 土壤结构 团粒结构 粘粒重量占60 以上 粘土砂粒重量占80 以上 砂土介于两者
13、之间 壤土 土壤质地分类 第一节土壤的物理特性 续 3 土壤孔隙分类按成因划分为 质地孔隙 结构孔隙 生物孔隙按大小划分为 无效孔隙 毛管孔隙 非毛管孔隙4 土壤特性的定量表示a 土壤比重 s 土壤中固体物质与同体积水的重量比 b 土壤容重 0 土壤中固体物质重量与土块体积之比 c 孔隙比e 土壤中孔隙体积与固体体积之比 d 孔隙度 p 土壤中孔隙体积与总体积之比 p e 1 e 重量含水量 同一土样中水分重量占干土重量的百分比 Ww Ws 100 体积含水量 同一土样中水分体积占总体积的百分比 Vw V 100 Vw V Ww Ws Ws V s 土壤容重 饱和度同一土样中水的体积占全部孔隙
14、体积的百分比 S Vw Vv 100 第二节土壤含水量 第三节土壤水分作用力及土壤水分常数 一 土壤水分作用力分子力土壤颗粒表面的分子和离子对水分的吸力 毛管力在未充满水的毛管孔隙中 因存在液体弯月面的表面张力 形成毛管力 作用于土壤水 重力 二 土壤水分的存在形式吸湿水土粒分子从空气中吸附的水分 约几个分子厚度 为紧束缚水 与水文现象关系不大 薄膜水吸湿水外面 土粒剩余分子力所吸持的水分 为受束缚水 毛管水支持毛管水 地下水面以上受毛管力支持而存在于土壤孔隙中的水分 毛管悬着水 受毛管力支持而悬吊于土壤孔隙中的水分 第三节土壤水分作用力及土壤水分常数 续 二 土壤水分的存在形式 续 重力水土
15、壤中在重力作用下能自由移动的水分 渗透自由重力水超过田间持水量的渗入水分 支持重力水自由重力支持毛管水 受地下水支持而存在于毛管孔隙之中的连续水体 能传递静水压力 相对不透水层支持重力水 由于土层中存在相对不透水层 渗透水因交界面临时饱和而产生的能在重力作用下流动的水分 第三节土壤水分作用力及土壤水分常数 续 三 土壤水分常数最大吸湿量 饱和空气中 土壤能吸附的最大水汽量 最大分子持水量 土粒分子力所结合的最大水分量 凋萎含水量 植物无法从土壤中吸收水分 开始永久凋萎时的土壤含水率 毛管断裂含水量 毛管悬着水的连续状态开始断裂时的土壤含水率 田间持水量 土壤中保持最大毛管悬着水时的土壤含水率
16、饱和含水量 土壤中所有孔隙都充满水时的土壤含水率 第三节土壤水分作用力及土壤水分常数 续 各土壤水分常数相应的水分存在形式与作用力 势与力的关系对土壤水动能可忽略 两点之间势的梯度相当于作用力 土水势的构成基模势 在未饱和土壤中 由于分子力和毛管力的作用而使土壤水具有的势 称为基模势 基模势为负值 压力势 在饱和或出现地面积水的土壤中 自由水面下的土壤水由于静水压力的作用而具有的势 称为压力势 压力势为正值 重力势 由于重力作用而使土壤水具有的势 称为重力势 重力势的值与参照基面有关 第四节土壤水的能量状态 总土水势非饱和土壤中 总土水势 基模势 重力势在饱和土壤中 总土水势 压力势 重力势静态平衡下土水系统各种势的分布 第四节土壤水的能量状态 续 考虑取1 1为基准面时各点的势 分析以下处于静态平衡状态的土柱中各点势的分布 分析 静态平衡表明土柱内各点总势相等 因C点总势为0 故土柱内总势处处为0 土壤水分特性曲线反映基模势 m 通常也记为 与土壤含水率 间关系的曲线 同种土样 在同一湿化 或干化 过程中 越大 分子力与毛管力越小 m 或 越小 m或 越大 越小 分子力与毛管力越大
