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1、水文学原理多媒体课件,扬州大学水利科学与工程学院二0一一.九.,一、课程概况水文学原理是水文与水资源工程专业的一门专业基础课，它将为以后专业课的学习打下基础，专业课上所用到的许多原理和方法都是建立在这门课基础之上的。这门课的内容相当多，主要介绍水文循环、水量平衡的基本概念；降水、蒸发、下渗、土壤水、径流（河川径流：河流流域特征及河流水情）；流域的产、汇流理论。由于内容环节相当多，但学时只有56，所以在讲授过程中只能介绍主要的内容，突出重点，强调今后的应用。,二、主要内容,第一章 绪论 第二章 水文循环与水量平衡,第三章 河流与流域 第四章 降水,第五章 土壤水与下渗 第六章 蒸散发,第七章 径
2、流 第八章 流域产流,第九章 河道水流 第十章 流域汇流,第十一章 河流泥沙,第一章 绪论,在绪论中主要介绍以下几个方面的内容:,第一节 水文学的内容和任务水文学研究自然界各种水体的形成、分布、运动和循环变化规律，物理、化学性质以及它们对环境的影响，包括它们与生物的关系。（研究水圈与大气圈、岩石圈、生物圈的相互关系）,水文学的研究对象自然界中的各种水体。,水体自然界中水的存在形式.（如海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、地下水及大汽水）,（一）水文学的内容与任务,（二）水文学的发展,（三）水文现象的基本特点与研究方法,自然界中水的存在形式是多种多样的，所以根据研究水体的不同可将水文学作如下的分类：,
3、根据水文学上主要采用的实验研究方法，水文学又派生出三个 分支学科： 水文测验 水文调查 水文实验,根据研究内容上的不同，水文学又可划分为以下分支学科：,水文学原理 水文预报 水文分析与计算 水文地理学 河流动力学,作为应用科学，水文学又可分为：,工程水文学（包括水文测验、水文计算、水文预报等） 农业水文学 土壤水文学 森林水文学 城市水文学环境水文学 生态水文学,另外随着新理论、新技术的引进，水文学又出现一些新的分支， 如：随机水文学 模糊水文学 灰色系统水文学 遥感水文学同位素水文学,如按基础理论与应用来分：水文学原理（或称理论水文学）和 应用水文学。水文学原理主要研究除海洋以外的地表水体（
4、河流、湖泊、沼泽、冰川、河口）的基本规律，以水文循环为核心，水资源为方向，阐明水文循环各个要素和各种水体水文现象的物理机制与相互联系，以及时空分布规律。,第二节 水文学的发展,水文学是人类在长期水事活动过程中，不断地观测、研究水文 现象及其规律性而逐步形成的一门科学。它经历了一个由萌芽到成 熟、由定性到定量、由经验到理论的发展过程。大致可分为以下四 个阶段：,1、萌芽阶段（公元16世纪末以前）：该时期为了生活和生产的 需要，开始了原始的水位、雨量观测，对水流特性进行观察，并在 一定程度上对水文现象进行定性描述、经验积累、推理解释。,2、形成阶段（公元17世纪初19世纪末）：该阶段是实验水文 学
5、兴起阶段，在此基础上发现了一些水文学的基本原理，从而奠定 了水文学的基础，逐步形成了水文学体系。在该阶段，水文现象由 定性描述到定量表达，水文学基本理论初步形成。,3、兴起阶段（公元20世纪初20世纪60年代）：该阶段主要是 将水文学的知识运用到工程建设中，解决工程建设中的许多水文问 题。该阶段的特点是：水文观测理论体系进一步成熟，应用水文学 进一步发展，水文学理论体系逐步完善。,4、现代阶段（公元20世纪60年代今）：20世纪60年代以来， 一方面，水文学发展增添了许多新的技术手段、理论与方法，水文 学理论更加丰富；另一方面，人类改造世界的能力不断增强，活动 范围不断扩大，再加上人口膨胀，出
6、现了水资源短缺、环境污染、 气候变化等一系列问题，使水文学面临着更多的机遇和挑战，特别 需要开展水资源及人类活动水文效应的研究，也促使水文学进入了 现代水文学的新阶段。该阶段的特点是：引进了计算机技术和3S技 术，一些新理论、新方法和边缘学科不断渗透，分支学科不断派 生，研究方法趋于综合，重点开展水资源及人类活动水文效应的研 究。,地理水文学阶段：大致在18世纪之前，其刚从地理学中派生出来，属于自然科学的范畴，是水文学开始形成的阶段，在这一阶段中，通过宏观分析和以水量平衡为目的水文实验，对全球和区域水循环和水量平衡进行统计，考虑水文因素与地理因素之间的关系、水文分区等。,另外从研究内容、分析手
7、段、科学范畴等方面的变化，国内的水文学家将水文学的发展分为三个阶段：地理水文学、工程水文学、水资源水文学。,工程水文学阶段：是在地理水文学的基础上发展起来的，其属于技术科学范畴，并结合自然科学，使水文学成长为独立的学科。主要是将水文学的知识运用到工程建设上去，为工程建设服务，主要内容包括水文测验和资料整编、水文水利计算、水文预报。,水资源水文学阶段：从现阶段水文学的发展状况来看，已跨入了水资源水文学阶段。在这一阶段，水文学已发展成为自然科学、技术科学与社会科学相结合的综合学科，其基本上属于应用科学的范畴。运用系统分析的手段，为水资源工程的管理、工程的安全与经济运行；为防洪、水资源的科学调配及水
8、资源保护等建立水文自动监测通讯系统，提供实时的水文信息。相应的研究内容也转变为：水资源系统中的水资源评价、供需分析与预测，水资源系统分析，水在人类社会中的反应，各要素的分析及保证水资源管理的水文基础。,水资源系统：由自然系统和人类活动系统叠加而成，并且后者占有越来越重要的位置，原来的水资源监测和管理技术已完全不能适应。,随着区域人口的增长、社会和经济的高速发展，水资源短缺日趋严重，并且在水资源的开发利用和管理中存在着许多问题：水资源短缺对策、水资源持续利用、水资源合理配置、水灾害防治、水污染治理、水生态环境功能恢复及保护。,鉴于以上情况，现在治水思路发生了很大的变化：强调从工程水利向资源水利转
9、变、从传统水利向现代水利、可持续发展水利转变，以水资源的可持续利用来支撑经济和社会的可持续发展。以水利信息化推动水利现代化，建立水文自动监测通讯系统，提供实时的水文信息，为水资源的合理开发、高效利用、优化配置、节约、保护提供水文基础。,第三节 水文现象的基本特点及研究方法,一、水文现象的基本特点,1.时程变化上的周期性(确定性)与随机性(不重复性) 2.空间变化上的相似性(地区性或地带性)与特殊性,水文现象自然现象的一种，它是由于自然界中的各种水体在参与自然界水文循环时而形成的。例如降水、蒸发、下渗、径流（洪水、枯水）。,二、水文现象的研究方法,(1)成因分析法基于水文现象变化的周期性 从水文
10、现象的物理成因入手，研究和建立水文现象的各要素与 其影响因素之间的定性与定量关系，然后利用这些关系来进行预报。 （水文预报）,(3)地理综合法基于水文现象变化具有地区性,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。,注意：在实际当中，由于水文现象的变化同时具有以上几方面的基本特点，所以这三种方法在实用上并不是孤立的，而是相辅相成的、互为补充的。,目前各种水文模型的应用也较多，水文模型利用物理或数学模型来模拟水文过程，并利用它来预测未来的水文过程。水文模型分为两种：物理模型、数学模型。,(2)数理统计法基于水文现象变化的随机性水文现象具有随机
11、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。然后利用这种规律来预估未来长时期内水文现象的变化。 （水文分析与计算）,第二章 自然界的水文循环与水量平衡,第一节 自然界的水文循环,水的不断蒸发、输送、凝结、降落、产流、汇流的往复循环过程,1、形成水循环的原因：,另外按水文循环的过程、规模可分为大循环和小循环 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） 2、水文循环的规律 （1）海洋的蒸发量多于降水量； （2）大陆的降水量多于蒸发量； （3）大陆外流区输入水汽量与输出水量基本平衡； （4）大陆内流区降水量与蒸发量基本相等。,内
12、因：水的“三态”转化，即汽态、液态、固态转化,外因：太阳辐射和地心引力。,3、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。,第二节 水量平衡,1、通用水量平衡方程,I O W,I =Px+Ec+Rr+Rg O =Eb+ qa +Rr+Rg,Px+Ec+Rr+Rg= Eb+ qa +Rr+Rg W,令E=Eb-Ec ，Rr+Rg=RI，Rr+Rg=RO 则 Px+RI = E+qa+RO W,水量平衡原理：对任一区域在给定的时段内，各种输入水
13、量等于输出水量与区域内储水量的变化之和。,2. 河流流域水量平衡方程 （1）闭合流域（没有外流域来水）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 -R I+EW,3. 全球水量平衡方程,第三章 河流及流域,第一节 河流,河流接纳地面水和地下水的天然泄水道，是水循环的路径之一。,一、河流的长度及分段,一条河流，自河源沿河道溪线（中泓线）至河口的曲线长度称为河长。,溪线（中泓线）河槽中沿流向各最大水深点的连线。,河流一般可以分为五段：河源、上游、中游、下游、河口。,二、河流的断面： 纵断面
14、 ； 横断面,纵断面河流最深点的连线为溪线或中泓线，假想沿河道的中泓线切开所得到的剖面便是河流纵断面。,河流与流域特征统称为下垫面条件。,L,河流纵断面图,单式断面,复式断面,枯水位,洪水位,枯水位,洪水位,滩地,滩地,A,B,Z,L,C,河流纵断面图河底高程沿河长的变化分布图。,横断面河流某处垂直于流向的断面称为河流在该处的横断面，也称为过水断面。,横断面的形状有： 单式断面 复式断面,三、河流的比降： 河流纵比降； 河流横比降,1、河流纵比降也称为坡度，是指单位河长上的落差。,落差： 河底落差； 水面落差,总落差： 河底总落差； 水面总落差,当河段纵断面或水面近似于直线时,平均纵比降的推求
15、方法有两种。,（1）简单而广泛使用的方法：,图解法或解析法。,解析法：,（2）将河道等分为n个分段，先求出各河段的纵比降Si，然后用下式计算：,2、水面横比降与横向环流,产生的原因,（1）水面横比降左右岸水面的高程差与相应断面的河宽之比。,（2）横向环流 横向环流与纵向水流相结合产生螺旋流。,四、河系（水系）,1、扇形水系（河系）：干支流的分布形如扇骨状，如海河。,2、羽毛形河系：河系的干流由上而下沿途左右汇入多条支流，形如羽毛状，如滦河。,3、平行状河系：几条支流并行排列，到靠近河口处始行汇合，如淮河。,4、混合形河系：大河流大多包括上面二、三种形式的混合排列，如长江。,五、河网密度D,第二节 流域,流域是指河流某一控制断面以上汇集地面水和地下水的区域称为河流在该断面以上的流域。,一、流域分水线,在地形图上绘制的，是指与相邻流域的分界线。具体地讲就是：地形向两侧倾斜，使雨水分别汇集到两条不同的河流中，这一地形上的脊线起着分水的作用，是相邻流域之间的分界线。,分水线： 地面分水线； 地下分水线,
