水文学原理

水文学原理

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、金光炎著

水文学知识实例 • 1、黑龙江全长4485公里，流域面积是89万平方公里(只算国内)，仅次长江、黄河占第三位。年径流总量达2720亿立方米，仅次于长江、黄河占第三位。 • 2、1998年长江流域特大洪水为百年一遇大洪水。 • 3、自从2010年9月23日以来，山东大部分地区近140天基本无有效降水，发生了严重的秋冬春三季连旱。分析显示，如果到2月底仍然没有大范围有效降水，全省气象干旱将达到200年一遇，部分市将达到500年一遇。 • 4、明天有小雨。

水文学 研究对象研究内容研究方法研究意义发展史

一、水文学及其研究对象 International association of hydrological sciences • 1、水文学 • 国际水文科学协会（IAHS）：研究地球上水文循环和大陆上各种水，如地下水和地下水，雪和冰川及其物理的、化学的和生物学的变化过程；各类形态的水与气候及其他物理的和地理的因素间的关系，以及它们之间的相互作用；研究侵蚀和泥沙同水文循环的关系；检验在水资源管理和利用中的水文问题；以及在人类活动影响下水的变化。 • 中国大百科全书：水文科学是地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系，水圈同大气圈、岩石圈和生物圈等自然圈层的关系也是水文科学的研究领域。

一、水文学及其研究对象 • 2、研究对象 • 水文学是研究自然界中各种水体的形成、分布、循环和与环境相互作用规律的一门科学。 • 水在地球上的分布： • 形态：汽态、液态、固态 • 空间：空中、地面、地下和生物中 • 水圈：大气水、海洋水、陆地水和生物水

二、水文学研究内容 第一章绪论第七章蒸发与散发第二章水文循环第八章产流机制第三章流域和水系第十章地表水流第四章降水第十一章洪水演算第五章土壤水第十二章流域产流第六章下渗第十三章流域汇流

三、研究方法 • 1、水文现象的特点 • 水文现象：水在循环过程中的存在和运动形态。 • 水文现象时程变化的周期性与随机性的对立统一 • （1）周期性的体现 • （2）随机性的体现 • （3）二者对立统一 • 水文现象地区分布的相似性与特殊性的对立统一 • （1）相似性的体现 • （2）特殊性的体现 • （3）二者对立统一 • 小结： • （1）由水文现象具有时程上的随机性和地区上的特殊性，需要对各个不同流域的各种水文现象进行年复一年的长期观测，积累资料，进行统计，分析其变化规律。 • （2）由水文现象具有地区上的相似性，可有目的选择代表性的河流进行观测，并移用其成果于相似地区。

成因分析法 确定性规律偶然性规律数理统计法区域性规律地理综合法三、研究方法 • 2、研究方法

四、研究意义 • 1、给水工程主要与取水工程有关： (1) 水量丰沛时：了解水位、泥沙及冰凌情况

四、研究意义 • 1、给水工程（2）水量不足时以丰补欠，进行水量引取、蓄放和调节密云水库

四、研究意义 • 2、排水工程 • （1）雨水排泄 • （2）洪水防御 2006年7月韶关铁路成为河道水中熄火的车辆 2006年7月韶关体育馆陷入汪洋

四、研究意义

五、发展史 • 水文学经历了由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理论的发展过程。 • 1、水文知识的萌芽阶段(公元1400年以前) • 这一时期中国的水文知识居于世界领先地位，如： • ① 公元前239年的《吕氏春秋》； • ② 2000年前建成的都江堰； • ③ 公元527年的《水经注》 • 2、水文科学基础形成阶段（1400-1900年） • 该时期，西欧的产业革命促进了水利事业的发展，在水文观测方面，发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等，系统的水文测验为水文定量计算及预报奠定了坚实基础。

五、发展史 • 3、应用水文学发展阶段（1900-1950年） • 进入20世纪，大规模的水利水电建设蓬勃发展，需要科学的水文计算和水文预报，使应用水文学迅速发展起来。 • ① 美国1900年J.A.塞登提出著名的塞登定律； • ② 1924年H.A.福斯特建立了P-Ⅲ水文频率曲线计算方法； • ③ 1932年L.R.K.谢尔曼提出单位线法 • ④ 1935年G.T.麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算法。 • 这一时期我国水文学发展则比较落后。 • 4、现代水文学发展阶段（1950年-至今） • 随着计算机、遥感、遥测等高新技术的应用，使水文学发展进入了一个新时代，流域数学模型、水资源学、水环境学、随机水文学相继形成。

五、发展史 • 水文学的分类

河川水文学 水文气象学海洋水文学广义水文学按分布划分湖泊水文学地表水水文学冰川水文学陆地水文学土壤水水文学河口水文学地下水水文学按应用分环境水文学、农业水文学、城市水文学······ 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。

二、传统水文学的内容 1.水文测验 (或水文信息采集) 2.水文预报 3.水文水利计算

第二节水文学的发展 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

天生港 杨林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与随机性 2.空间变化上的相似性与特殊性

日潮位变化过程线

年最大流量变化过程

年降水量变化过程

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。

地表径流RS 降水P 蒸腾ET 蒸发E P 陆地 E 下渗F 壤中流RSS 包气带海洋基岩地下径流Rg 第二节水文循环现象 • 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。

海洋 96.5% 咸水 97.47% 13.86亿km3 13.86亿km3 淡水 2.53% 陆地 3.5% 冰川雪盖 68.7% 地下水 30.1% 永冻土层水 0.86% 淡水湖 0.26% 3500万km3淡水土壤水 0.05% 大气水 0.04% 河水 0.006% 生物水 0.003% 第三节地球系统中的水及水平衡 • 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。

I O w Ec Px Eb qa Rr R´r R´g Rg 第三节地球系统中的水及水平衡（续）一、水量平衡 1.通用水量平衡方程 I－O＝±W I =Px+Ec+Rr+Rg O =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

多年平均：P=R+E 一、水量平衡（续） 2. 河流流域水量平衡方程（1）闭合流域（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-R I+E±W

时段： Pl =El+R ±W 时段： Ps =Es-R ±W 海洋大陆多年平均： Pl =El+R 多年平均： P s=Es-R 全球多年平均： P=E 一、水量平衡（续） 3.全球水量平衡方程

2.蓄水体热量平衡方程 SI SO S 水体长波辐射Rb 蒸发失热He 感应热H 太阳辐射Rn 大气辐射Rat Hn=HI+H+Rn +Rat -Ho-He-Rb 若时段较长 HI=Ho，则： Hn=Rn+Rat+H-He-Rb 其中：He=LE Hn HI H0 蓄热量变化量二、热量平衡（续） 1.通用热量平衡方程 SI－SO＝±S

2. 河流等级 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 2 2 3 3 4 第三章流域和水系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。第二节流域特征一、流域的平面形状特征 1. 河系类型（扇形、羽毛型、平行状、混合形） 3. 河网密度流域单元面积内干支流长度。 4.流域形状系数 Rf =流域面积 / (流域长度)2

第二节流域特征（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

非锋面雨 气旋雨暖锋雨锋面雨冷锋雨第四章降水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。一、按降雨的成因分类第一节降雨的类型 • 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。

锋面雨的形成 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。

暖气团 暖气团暖气团暖气团暖气团暖气团暖气团冷气团冷气团冷气团冷气团冷气团冷气团暖气团冷气团冷气团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。

暖气团 暖气团暖气团暖气团暖气团暖气团暖气团暖气团冷气团冷气团冷气团冷气团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。 • 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。

第二节降水要素及其时空变化表示方法 • 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

80 98 47 65 36 62 • 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。 90 110 70 120 50 40

90 110 70 A2 120 50 A3 A4 A1 A5 40 36 A6

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。

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