水文学复习基本概念

'我国水资源管理中的关键水文科学问题：水、旱灾害的预测、预报，特别是极端水文情势的预测和预报；三峡水库及上游梯级开发完成后的长江流域发电与防洪实时调度；黄土高原水土保持与黄河下游灌区节水改造中的生态水文学问题。水文科学的研究领域包括：大气水循环；海洋水循环；陆地水循环（水情（水量和水质）动态、时空分布及其未来的变化趋势；水资源开发利用和人类活动对自然水循环的反馈效应）；地球上水圈与生物圈的相互关系；海洋--陆地--大气中的水循环。流域水文学：是陆地水文学的一个重要分支。研究流域水文现象、过程及其基本规律。流域水文现象和过程主要指：降水、入渗、蒸散发、产流、汇流等。水的这种既无明确的“开端”，也无明确的“终了”的永无休止的循环运动过程称为水文循环，又称水分循环或水循环。水分由海洋输送到大陆，又回到海洋的循环称为大循环或外循环。水分由陆地输送到陆地，又回到陆地，或由海洋输送到海洋，又回到海洋的循环称为小循环或内循环。前者叫做内陆小循环，后者叫做海洋小循环。水文循环的尺度：全球水文循环；流域或区域水文循环；水－土（壤）－植（物）系统水文循环。存在于地球各圈层中的水可分为地面水、地下水、大气水和生物水等四部分。分水线：山峰、山脊和鞍部的连接线 流域：地面分水线包围的区域水系：流域中河流交汇形成的树枝状或网状结构坡地：流域中除水系以外的陆域部分流域基本单元：流域中不可再划分的最小部分流域：地面分水线包围的区域称为流域。水系：水系流域中大大小小河流交汇形成的树枝状或网状结构称为水系，亦称河系。河流长度：一条河流的长度是指从其起始断面，沿河流中心线至终了断面的距离。河长定律：水系中ω级河流的平均长度与比其低一级即(ω-1)级河流的平均长度的比值称为河长比比降定律：水系中不同级河流的河流比降是不同的。定义ω级河流的平均河底比降与低一级即(ω-1)级河流的平均河底比降的比值为比降比。对一个自然水系，如果流域的地质条件比较均匀，则Rs几乎不随河流的级ω而变化，近似为一常数。这一规律称为比降定律。流域面积：分水线包围区域的平面投影面积称为流域面积。流域长度和宽度：从流域出口断面至分水线的最大直线距离称为流域长度，与它正交方向的分水线之间的最大直线距离称为流域宽度。河网密度：单位流域面积上的河流长度称为河网密度。流域坡度：流域上两点间的高差与它们之间直线距离的比值。降水：大气中的液态水滴或固态冰雪颗粒，在重力作用下，克服空气阻力，从空中降落到地面的现象称为降水。 降雨的基本要素：降雨量（深）：指一定时段内降落在某一点或某一面积上的总雨量，用深度表示，以mm计。降雨历时：降雨从某时刻到另一时刻所经历的时间称为降雨历时；一次降雨从开始到结束所经历的时间称为次降雨历时，以min,h或d计。降雨强度：单位时间内的降雨量称为降雨强度，以mm/min或mm/h计。降雨面积：降雨笼罩范围的水平投影面积称为降雨面积，以km2计。暴雨中心：暴雨集中的较小的局部地区，称为暴雨中心。降雨时间变化的表示：(1)时段降雨量柱状图：时段降雨量与相应时段之间的关系图称为时段降雨量柱状图。(2)降雨量累积过程线：从降雨开始至某时刻的降雨量与该时刻时间之间关系曲线称为降雨量累积过程线。(3)降雨强度过程线：降雨强度与相应时间之间的关系曲线称为降雨强度过程线。等雨量线绘制：将每个雨量站观测所得的同一时段的时段降雨量或一次降雨的降雨量点绘在各自测站的位置上，然后按降雨量相同的原则连成光滑曲线。降雨要素综合曲线：（1）降雨强度与历时曲线：统计降雨强度过程线中各种不同历时的最大平均雨强。最大平均雨强与历时的关系即为；（2）降雨深与面积关系曲线：在一定历时降雨量的等雨量线图上，从暴雨中心开始，分别计算每一条等雨量线所包围的面积及该面积的平均降雨深。点绘这两者之间的关系，所得曲线称为~；（3）降雨深与面积和历时关系曲线：分别对不同历时的等雨量线图点绘降雨深与 面积关系曲线，得到一组以历时为参变数的降雨深与面积关系线。降雨成因：水汽、上升运动和冷却凝结（凝结核）是形成降水的三个因素。按降雨动力冷却条件分：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）、地形雨（由于地形的抬升作用导致的降雨称为地形雨）、台风雨（热带海洋上的风暴登陆大陆所引起的降雨称为台风雨）、气旋雨（气旋或低气压过境带来的降雨称为气旋雨）。影响降雨的因素：1.地理位置的影响低纬度地区降水多于高纬度地区，沿海地区降水多于内陆地区；2.气旋、台风路径的影响常有气旋、台风过境的地区降水较多；3.地形的影响地形主要通过强迫气流抬升使降水量增多；4.其它因素的影响区域（流域）平均降雨量计算方法：（1）算术平均法：适用条件：流域内雨量站分布均匀，地形起伏不大，流域内降雨量分布均匀或变化均匀，测站位置合理且站点较多（2）泰森多边形绘制方法：1)按地图上测站的位置连线，构成许多锐角三角形；2)对每个三角形各边作垂直平分线，再用这些垂直平分线构成以每个测站为核心的多边形；3)量取每个多边形的面积fi。适用条件：雨量站分布不均；缺点：1）没有考虑地形影响，假定雨量呈线性变化；2）权重系数是固定的，不能反映降雨空间分布复杂多变；（3）等雨量法：计算步骤：1)绘制等雨量线；2)量取每2条相邻等雨量线间的面积；3)求各相邻等雨量线间的平均雨深，然后再乘以相应的面积权重，得权雨量；4)将所有 的权雨量相加，即得流域平均雨量。适用条件：足够多的雨量站资料，地形资料；缺点：不同场次降雨，其面积权重是变化的，所以每次降雨都必须绘制等雨量线图，工作量很大。土壤水作用力：分子力：土壤颗粒表面的分子对水分子的吸引力称为分子力；毛管力：由于浸润性液体表面张力作用引起的水分在土壤毛细管中上升的力称为毛管力；重力：地球引力对水分产生的作用力称为重力。土壤水类型：吸湿水：被干燥土粒表面分子引力所强烈吸附的水分表现出固态水的性质，没有溶解能力，不能移动；膜状水：在吸湿水外层，被土粒剩余分子力所吸持的水膜；毛管水：由毛管作用保持在土壤毛管孔隙中的水（毛管上升水：地下水凭借毛管作用上升进入到土壤孔隙中；毛管悬着水：凭借毛管作用保持在靠近地面土层中的水分）；重力水：在重力作用下能自由在土壤中运动的水（渗透重力水：在重力作用下，沿土壤中非毛管孔隙向下渗透的水；支持重力水：由地下水所支持而存在于毛管孔隙中的连续水体或由土层中相对不透水层阻止渗透水继续向下而形成的水体）。土壤水分常数：最大吸湿量：饱和空气中，干燥土壤的吸湿水达到最大时的土壤含水量；最大分子持水量：膜状水达到最大数量时所对应的土壤含水量；凋萎系数：土壤颗粒对水分子的吸力为1515个大气压时的土壤含水量（此时植物开始永久性凋萎）；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量；田间持水量：土壤中毛管悬着水达到最大时的土壤含水量；饱和含水量：土壤中全部孔 隙都被水充满时的土壤含水量。土壤水水力特性：土水势：土壤水所具有的势能，称为土水势；重力势：要把一定数量的土壤水分举起而克服重力所作的功；静水压力势：饱和土壤中的水分，因受到周围水分对它的压力作用所具有的势能；基模势：由分子力和毛管力引起的土水势。土壤水分特性曲线：吸力与土壤含水量的关系，称为土壤水分特性曲线。滞后作用：在脱水过程中测定的土壤水分特性曲线位于上方，在吸水过程中测定的土壤水分特性曲线位于下方，两条曲线首尾大体重叠，但中间差别明显，犹如一个绳套。这种绳套现象称为滞后作用。原因：单个孔隙的几何形状不均一性；接触角作用；被包围的空气存在；土壤膨胀、收缩或老化的作用。土壤水分剖面：土壤含水率沿深度方向的变化曲线～下渗：水分透过土壤层面沿垂直和水平方向渗入到土壤中的运动过程下渗率：单位时间通过单位面积的土壤层面渗入到土壤中的水量～下渗容量：供水充分条件下的下渗率～下渗曲线：下渗容量随时间的变化曲线～累积下渗曲线：从下渗开始至某时刻按下渗能力下渗到土壤中的总水量与该时间的关系曲线～下渗机理：下渗过程就是土壤吸收水分，调节水分，并向土层中传递水分的过程。受到土壤水作用力的支配。下渗的三个阶段：渗润阶段-分子力；渗漏阶段-毛管力；渗透阶段- 重力下渗后的土壤水再分布：没有地下水位或地下水埋深无穷大的情况。下渗终止后的典型的水分剖面将由剖面上部的湿润层和下部未被湿润的土层组成；湿润锋以下的土壤将不断地从上部的土壤中吸取水分。初期的再分布速度与原先的湿润层厚度、湿润锋以下土壤的相对干燥程度和土壤的水力传导度有关；地下水位离地面相当近(不超过几米)的情况。在地下水位离地面相当近的情况下，下渗后地下水面以上的水分剖面与地下水要发生水力联系。这种情况下下渗后的土壤水再分布表现出向地下水储量排水，称为内排水；内排水的结果将趋于下述状态:剖面上各点的土壤吸力等于该点高出地下水面的高程。也就是要趋于各点总土水势均为零的平衡状态。这种平衡状态一旦出现，内排水即告终止。蒸发：水分子从物体表面向大气逸散的现象称为蒸发；蒸发潜热：单位水量蒸发到空气中所需的能量称为蒸发潜热；凝结潜热：单位水量从空气中凝结返回水面所释放的能量称为凝结潜热；蒸发率：单位时间从单位面积蒸发面逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值称为蒸发率；蒸发能力：供水充分条件下，单位时间从单位面积蒸发面逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值称为蒸发能力。水面蒸发：是充分供水条件下的蒸发，因此水面蒸发率与水面蒸发能力是完全相同的。水面蒸发是目前研究得较为成熟的一种蒸发现象。植物散发：植物从土壤中吸取水分，然后输送到茎和叶面，大部分水 分从叶面和茎逸散到空气中，这就是散发现象。流域蒸散发：流域上不同蒸发面（水面、裸土、岩石、植被等）的蒸发和散发总称为流域蒸散发。（一般，流域内水面占的比重不大，所以土壤蒸发和植物散发是流域蒸散发决定性部分。）影响土壤蒸发和植物散发的因素即是影响流域总蒸发的因素，综合起来，影响因素包括：（1）气象条件（日照、温度、湿度、风速等）；（2）流域内土壤含水量；（3）流域内土壤、植被分布；（4）地形、地貌。产流：降雨到达下垫面后，在截留、填洼、土壤持水、下渗和蒸散发等因素作用下的余额；汇流过程：产生的径流从流域各处向流域出口断面汇集的过程。地下水面以下，土壤处于饱和含水量状态，是土壤颗粒和水分组成的二相系统，称为饱和带或饱水带。地下水面以上，土壤含水量未达饱和，是土壤颗粒、水分和空气同时存在的三相系统，称为包气带或非饱和带。径流：降落在流域上的具有一定时空分布的降水，扣除损失后，在重力作用下，从地面和地下向流域出口断面汇集的水流现象称为~径流量(深):降水量扣除损失量的余额称为~。降水量扣除蒸散发量的余额称为径流量，又称为净雨量。径流量的时程分配：降水的时程分配扣除损失量的时程分配的结果称为~，又称净雨量的时程分配。降雨过程中，流域上产生径流的部分称为产流区。 产流区所包围的流域面积称为产流面积。流域内各点包气带的蓄水容量是不同的，将各点包气带蓄水容量从小到大排列，以包气带达到田间持水量时的土壤含水量Wm′为纵坐标，以流域内小于等于该Wm′的面积占全流域的面积比a为横坐标，所绘的曲线称为流域蓄水容量面积分配曲线。流域汇流：降落在流域上的雨水，从各处向流域出口断面汇集的过程。它可划分为坡面汇流和河网汇流两个阶段。净雨：流域上降雨，扣除各种损失后剩余的水量，这部分雨量称为净雨。汇流时间：净雨从流域上某点流至出口断面所经历的时间，称为该点至流域出口断面的汇流时间。流域最大汇流时间：流域距出口断面最远点的汇流时间称作流域最大汇流时间。汇流速度：净雨在汇流过程中，单位时间所通过的路程。等流时线：流域上净雨通过坡面和河槽流动达出口断面所需汇流时间相等的那些点的连线，称为等流时线。等流时面积：相邻两条等流时线之间的面积。等流时线时距：净雨流经相邻两条等流时线的时间。'