注册公用设备工程师给排水专业基础-水文学-1

'水文学Hydrology清华大学水文水资源研究所武晓峰wuxiaofeng@tsinghua.edu.cn13718007737 目录水文学基本概念数理统计方法设计年径流计算设计洪水计算地下水基本概念地下水运动地下水资源评价 水文学的研究领域：大气中的水海洋中的水陆地的水（地表水、地下水、土壤水等）水圈与大气圈、岩石圈和生物圈等地球自然圈层的相互关系 水文现象的基本规律及水文学的研究方法1）水文现象的基本规律：水文现象的确定性规律（Determination)水文现象的随机性规律(Randomness)水文现象的周期性变化；水文现象的因果关系。水文现象在时间和数量上不重复。 2）水文学的基本研究方法：—成因分析法(GeneticAnalysis):主要以数学和物理学原理为基础，通常建立某种形式的确定性模型，研究水文要素与影响因素之间定量关系。—数理统计法(MathematicalStatistics):以概率论和数理统计学为基础，通常建立某种概率模型，探讨水文现象的统计规律。 水文循环的定义：地球表面的广大水体，在太阳辐射作用下蒸发变成水汽，上升到空中，被气流带动输送到各地，在这过程中，水汽遇冷凝结，以降水的形式降落到地面和海洋，降至地面的那部分水，再从河道以地表水或渗入地下以地下水形式补给河流，最终流入海洋。水分这种往返循环、不断转移交替的现象称为水文循环或水循环（WaterCirculation/Cycle）。1.水文循环(HydrologicCycle) 水循环的外因：太阳辐射能和地球引力的存在。水循环的内因：水物理三态(气、液、固)之间的相互转化。 水循环的四个主要过程：蒸发(Evaporation)降水(Precipitation)入渗(infiltration)径流(Runoff) 海洋上空大陆上空海洋地下陆面降水蒸发返回大气地面径流汇入河川海洋蒸发降水气流输运大循环：小循环：自然界水循环据其规模及涉及的地域尺度可分为二类：地下径流 水文循环 1)天空、地面和地下之间通过降水、蒸发和入渗过程进行垂向水分交换。2)海洋和陆地之间水分交换特点：交换总的结果是：由海洋向陆地输送的水分是正的。海洋和陆地之间的水汽输送是双向交换，陆地还以地面径流和地下径流的形式向海洋输送水分;结论： 水体类别更新时间世界大洋2500年深层地下水1400年湖泊水17年土壤水1年河流水16天大气水8天全球2400年地球上各种水体的更新速度 中国的水文循环路径示意图42.0%23.5%22.5%12.0%年均净输入水汽量：23757亿m3 中国多年平均年降雨量分布图400800200干旱带<200半干旱带半湿润带湿润带800~1600 2.水量平衡水文学的最基本的原理之一。水量平衡是水文循环的定量描述，是水文循环遵守质量守恒定律的具体表现。水量平衡指地球某一区域(可以是某个流域、湖泊、沼泽、海洋或某个地区，也可以是整个地球)。在一定时段内(时段可以是日、月，也可以是一年、数十年或更长的时间)，输入该区域的水量与输出的水量之差等于该区域内的蓄水变化量(蓄水变量指时段始末区域内蓄水量之差)。 水量平衡的数学表达式：来水量-出水量=区域内蓄水变量InflowOutflowStoragechange式中:I：给定时段内输入研究区域的总水量O：给定时段内输出研究区域的总水量△W：时段内研究区域蓄水量的变化量I-O=△W(单位：m3或mm)用水量平衡方程表示： （1）若仅以地球陆地为研究水量平衡对象，某时段△t内的水量平衡方程可写成：Pc－R－Ec=△Wc式中，Pc：在时段内陆地的降水量；Ec：在时段内陆地的蒸发量；R：时段内由陆地流入海洋的径流量；△Wc：在时段内陆地蓄水量的变化量。1）地球上的水量平衡地球由陆地和海洋两部分组成的，可分别写出水量平衡式 （2）若仅以地球海洋为研究水量平衡对象，某时段△t内的水量平衡方程可写成：Ps＋R－Es=△Ws式中，Es：在时段内海洋的蒸发量；Ps：在时段内海洋的降水量；R：时段内由陆地流入海洋的径流量；△Ws：在该时段内海洋蓄水量的变化量。 式中上标‘’表示多年平均值。上二式相加得：或：式中：—陆地水量平衡方程—海洋水量平衡方程在多年平均的情况下，△Wc→0，△Ws→0，则2）河流流域的水量平衡（内容后述）全球的水量平衡式 结论：根据全球的水量平衡式，表明对于全球而言，多年平均降水量是与多年平均蒸发量相等的 接受一定区域内地表水和地下水补给，经常或间歇地沿着狭长凹地流动的水流称为河流。它是地球上水文循环的重要路径，也是泥沙、盐类和化学元素等进入湖泊、海洋的通道。河川径流河流（包括干流、支流）和流域内的湖泊、沼泽或地下暗河彼此连接组成一个庞大的系统，称水系，又称河系或河网。1.河流的形成和特征： 汇入干流的河流均称为一级支流，而汇入一级支流的河流则称为二级支流，以此类推。(1)河系的特征河系中取长度最大或水量最多的河流为干流。支流干流河流按不同的级别划分为： 干支流实例渭河洛河泾河马莲河黄河西安汾河 河源河流的分段依据水流的流动方向从上至下分为五段：中游下游河口上游长江湖北宜昌江西湖口 河源：指河流的发源地，可以小溪、泉水、冰川、湖泊或沼泽等形式出现。长江正源长江河源：沱沱河上游，青海唐古拉山脉各拉丹东雪山；西藏当曲。长江源头鸟瞰 上游上游的特征是河谷窄，呈V型，河槽多为基岩。水位落差大，水流急，下切力强，河流常出现急滩和瀑布。金沙江虎跳峡虎跳石跌水金沙江虎跳峡 中游中游的特征是河道比降变缓，下切力减弱而旁蚀力增强，急流和瀑布消失，河槽逐渐拓宽及弯曲度变大，两岸出现滩地。长江荆江段（假彩色卫星照片） 下游下游特点是河槽宽，坡度缓，流速小，河道淤积作用较为显著，浅滩和河洲到处可见河床多为细沙和淤泥。亚马孙河下游 河口河口是河流终点，位于流入海洋、湖泊的地段，因该段流速骤减，泥沙大量淤积，往往形成三角洲。长江口黄河口(1999/12/25)对于内陆河，往往没有河口，而消失于沙漠里。 张掖市内蒙古自治区甘肃省青海省祁连山脉正义峡黑河概况西居延海（咸水湖）东居延海（淡水湖） (2)河系的主要特征的描述：①河流长度L(Riverlength):指从河源沿河道至河口的距离（注意：不是河流二端间的直线距离，是沿河流中心线量出的长度）称为河流长度，简称河长。尼罗河亚马孙河长江6650km6437km6380km河长是确定水系槽蓄量的一个重要参数。 ②流域河网密度D(Rivernetworkdensity):式中，∑L~流域内干支流的总长度(km)A~流域面积(km2)定义为单位流域面积内的河流的长度，反映了流域对径流的调节能力，计算公式为： 式中，L~河流的实际长度(km);l~河流二端间的直线距离(km)③河流的弯曲系数(Rivercurvedcoefficient)弯曲系数越大，对洪水宣泄越不利。 ④河流的落差和比降(Riverfall&slope)落差：河源与河口河底高程差称为河流落差。落差大表明河流水能资源丰富。河段比降：河段相邻两断面高程差与河长（二断面之间沿河流中心线长度）比值称河流比降。比降越大河道汇流越快。河道比降常用小数或千分数表示。如：L=5km，河段二端河底高程落差为1.5m，则河道比降J1.5/5000=0.0003；或0.30/00 河流某断面（A断面）以上，汇集地表水和地下水的区域统称做该河流在A断面以上的流域。2.河流流域：(RiverBasin/Watershed)由分水线包围的集水区域。1）河流流域的定义：A 是河流周围地面高程最高点的连线（即沿山峰、山脊和鞍部的连接线）。分水线有地面分水线和地下分水线之分。前者是汇集地表水的界线，后者是汇集地下水的界线。2）分水线(岭)定义：(Watersheddivide)A 秦岭山脉长江黄河分水岭实例 流域内的水流通常包括地表水与地下水，因此分水线有地面分水线与地下分水线之分。3）非闭合流域(UnclosedWatershed)与闭合流域(ClosedWatershed)★非闭合流域：若地面分水线与地下分水线在水平面位置上不完全重合，即地面和地下集水区不相重合常称这种流域为非闭合流域； ★闭合流域：若流域的地面水和地下水分水线在位置上重合，即地面和地下集水区相重合，则称这种流域为闭合流域。一般的大、中流域，地面和地下分水线不重合造成地面、地下集水区的差异相对于全流域很小，常常视为闭合流域。 流域蓄渗指降雨的雨水消耗于植物截留、填洼和下渗等综合过程。降雨形成地面径流之前，在流域中会被以上几个方面所消耗，不参与径流的形成：1.径流形成过程可概化为二个过程：(1)产流过程或称为流域蓄渗过程径流的形成和径流的度量 降雨的一部分被植物茎叶拦截的现象称截留，最大截留量称为截留容量。雨停止后，截留水量最终消耗于蒸发。植被率PPISR。b.土壤蓄水量S(Soilwaterstorage)指降雨入渗过程中被土壤吸附存储于土壤孔隙中的水量，初始土壤含水量SR。a.植物截留量Is(Vegetalinterception) 以上各种量不参与径流的形成，统称为:雨量的损失量或地面滞留量。c.填洼量Vd(DepressionStorage)降雨停蓄在地面洼陷处（流域内闭合的小湖库、小塘和小沟等统称为洼地），这部分蓄水量称为填洼量，VdR。只有在洼地填满水后，才会产生地面径流，雨停止后，填洼水最终消耗于入渗和蒸发。d.雨间蒸散发量E(Evaporationduringrainfall) 降雨形成的径流量（亦称为净雨量）(Runoff/Excessrainfall)径流量(净雨量)=降雨量-损失量径流量（净雨量）包括二个方面：地面径流R地下径流Rg 壤中径流/表层流Rin(Interflow)：指下渗的雨水，一部分滞蓄在土壤空隙中；一部分继续向下运行，遇到相对不透水层时，形成沿不透水层面运移的水流。a.地面径流R(Surfacerunoff)包括：坡面漫流Rs(Overlandflow)：指流域坡面上沿坡度而下的成片连续流动的薄层水流。 b.地下径流Rg(Groundwaterflow)包括:浅层地下径流Rgs(Shallowgroundwaterflow)当下渗水流到达地下水面后，则形成地下径流，它包括：指潜水面以下和第一个不透水层以上的含水层中的水流，亦称作无压地下水（Phreaticwater） 以上统称为地下径流，其特点是：地下径流流量稳定；地下水运动缓慢，补给河流滞后于地表径流，故往往成为河流枯水期的重要来源。深层地下径流Rgd(Deepgroundwaterflow)指第一不透水层以下，基岩以上的深含水层中的水流，亦称作有压地下水或承压水（Artesiangroundwater） 入渗S土壤蓄水填洼量Vd植物截流Is流域渗蓄及汇流过程示意图降雨P蒸发E壤中流Rin浅层地下径流Rgs深层地下径流Rgd坡面漫流Rs隔水层 坡地汇流：坡面汇流壤中流地下径流河网汇流：小沟小溪小河大河流域出流(2)汇流过程：(Flowconcentrationprocess)净雨从流域各处向流域出口断面汇集的过程称为汇流过程。它包括： (1)流量Q(Flow/Discharge):单位时间内通过某一过水断面的水量，可按水力学公式计算：式中，A：过水断面的面积(m2)V：过水断面的平均流速(m/s)2.径流的度量(Measurementofrunoff)Q=A×V(m3/s)径流的度量常采用以下几个指标进行度量： 用来表示流域出口断面的径流流量随时间变化过程。流量过程线(Flowhydrograph)：瞬时流量(Transientflow):指某时刻的流量，如右图中的Q1，洪峰流量Qm等。平均流量(Averageflow):指定时段内的平均流量，如日平均流量、月平均流量、年平均流量、多年平均流量等。Q(m3/s)Tt1t2t(s)Q1Q(t)WQm 指在一定的时段内T（=t2-t1）通过的某一河流断面的总水量，(单位：m3)式中，Q(t)~流量过程线t时刻的瞬时流量;T=t2-t1~计算时段;~计算时段内的平均流量。(2)径流量W(RunoffVolume):Q(m3/s)Tt1t2t(s)Q1Q(t)WQm 式中，F~流域的面积，km2；T~时段，s；~时段T内的平均流量，m3/s。(3)径流深R(Runoffdepth):设想将径流总量平铺在整个流域面积上所得到的水深。 中国年径流深图5-50600-100050-100200-400<51000-16001600-2000 流域出口断面流量与流域面积的比值，表示流域单位面积上所产生的流量的多少：(4)径流模数M(Runoffmodulus):依据Q的不同含义，M则有不同的称谓：Q若是(多)年平均流量，则M称为(多)年平均流量模数；Q若是洪峰流量，则M称为洪峰流量模数。 (5)径流系数(Runoffcoefficient):某一时段的径流深R与相应的流域平均降雨深P的比值，其反映了降雨量转换成径流量比例的一个参数： 1点降雨特性分析由于雨量观测站观测到的降雨量仅代表其周围小范围内的降水量，故称为点降水量。降雨的特性分析(AnalysisofRainfallCharacteristics)点降水量(PointRainfall)： 降雨量(Rainfallvolume)：为一定时段内降落到地面上的总雨量(mm＝mm3/mm2)降雨历时(Rainfallduration)：一次降雨所经历的时间(day或h)降雨强度(Rainfallintensity)：为单位时间内的降雨量(mm/min或mm/h)点降雨特性可用以下几个特征值描述: 降雨面积(Rainfallarea)：指降雨笼罩的水平面上的面积，其反映雨区的大小降雨中心(Rainfallcenter)：指降雨面积上降雨量最为集中且范围较小的局部地(区)点。 降雨量过程线(Rainfallprocess)：降雨量在时间上的变化特性的图形表示：描述降雨量随时间的变化过程，有两种表示法：降雨量过程线/降雨强度过程线降雨量过程线图注：其纵坐标为时段内降雨量（即为时段平均降雨强度）横坐标为时序，通常以直方图或曲线表示 ②累积降雨过程线(Accumulationrainfallmasscurve)注：其横坐标为时序；纵坐标为降雨开始到各时段的降雨量的累积值。累积降雨量曲线图 降水强度~历时曲线图降雨强度过程线降水强度-历时曲线说明：根据一场降雨的降雨强度过程线，统计其不同历时内平均降雨强度，以其为纵坐标，以历时为横坐标，由大至小绘成的变化曲线。它的变化规律是雨强与历时长短成反比。③降水强度-历时曲线：(Rainfallintensity-durationcurve) 面平均降水量(ArealmeanRainfall)：由点雨量估算面雨量的常用方法：2.流域降雨量的计算实际生产上水文工作多以流域作为研究对象，面降雨量多指流域平均雨量，通常称为面平均雨量。一般由已知的各点雨量来推求面雨量。 式中,pi各雨量站同时期的降雨量(mm)；n测站数；流域平均降雨量。该法适用于流域内地形起伏不大，雨量站分布较均匀较密的情况。1)算术平均法：142365 分水岭2)泰森多边形法（面积加权平分法或垂直平分法）泰森多边形法示意图△A5P5 式中:流域平均降雨量(mm)A全流域面积(km2)ΔA1、ΔA2…ΔAn各多边形面积(km2)p1、p2、…pn各多边形面积内的点降雨量(mm)各雨量站控制面积与流域面积之比值（称作雨量站权重系数，WeightCoefficient）泰森多边形法计算公式： Pi=(Pi+Pi+1)/2=（40+20）/2=303)降雨量等值线法（Isohyetalmethod）等值线法计算示意图(单位：mm)100.670.35966.447.758.938.22020404060604040F2F3FiPiF1(=Pi)(=Pi+1)80流域边界 ΔFi上的平均各雨深(相邻二等雨深线值的平均)式中，流域平均降雨量(mm)；F全流域面积(km2)；ΔFi两条等雨深线间的部分流域面积(km2)；降雨量等值线法计算公式 求流域平均降水量精度较高，适合于地形变化显著的流域；绘制等雨量线需较多站点雨量资料；不同时段的等值线图需重绘，工作量大。等值线法的优点：能反映出降雨量在空间的实际分布情况。等值线法的不足点： 为了反映流域面降雨量的特性，可用以下两种降水特性综合曲线来反映：1）面平均雨深~面积曲线：首先绘制出一场或一定历时的降雨的等雨量线，从最大降雨深处(即降雨中心）开始量取不同等雨量线所包围的累计面积，并求出相应各包围面积上的面平均雨深，点绘面平均降雨量与相应面积曲线，即为雨深-面积曲线。3.面降雨量特性分析 蒸发(Evapotranspiration)水汽从水面、冰面或其他含水物质表面向大气逸散的过程。它属于水由液态或固态变为气态的相变过程。蒸发是气象要素之一。在自然界中，蒸发是海洋和陆地水分进入大气的唯一途径，是地球水文循环的主要环节之一。自然界中，有各种的蒸发面，按蒸发面类型分类，可分为水面蒸发、土面蒸发、植物散发和流域蒸散发等。 水面蒸发是在水分充分供给条件下的蒸发现象。用以反映当地蒸发能力的一个指标。蒸发率／蒸发强度：指单位时间内的蒸发量。(单位:mm/day,mm/min)1.水面蒸发(Evaporationfromwater)蒸发量：某个时段内单位面积蒸发的水量。(单位:cm3/cm2=cm或mm)蒸发量的大小可用二个特征量表示： 土壤蒸发：土壤中的水分通过空隙上升和汽化以水汽形式从土壤表面进入大气的过程。土壤蒸发过程要比水面蒸发复杂，除影响水面蒸发的几种因素(气温、水面温度、饱和差及风速)外，还与土壤性质(结构、色泽等)、土壤中水分含量、地下水埋深、土壤表面特征和地形等因素有关。2土壤蒸发(SoilEvaporation) 植物散发（蒸腾）：在植物生长期，水分从植物叶面和茎逸散到大气的过程。3植物散发(蒸腾)(Transpiration)植物散发是一物理～生理的过程，水分从叶面气孔中扩散出去的量可受气孔开闭程度而受到调节。在水文学中认为水面蒸发、土壤蒸发与植物散发是不可分割的，故统称为陆面蒸发。 流域蒸散发包括：流域内的水面蒸发、土壤蒸发、植物散发的总称。在水文学中，通常指这些蒸发量的总和。4流域蒸散发（TotalEvaporation） 蒸发能力E0：蒸发能力表示陆地表面保持充分湿润条件下的蒸散发的水量，它是反映某一地区水分消耗的潜势。它难以直接计算，采用间接估算方法有：根据水面蒸发量估算：在相同气候条件下，流域总蒸发能力同水面蒸发有密切关系，因此，总蒸发能力可等于水面蒸发量乘以反映水面同流域陆面间热力状况差异的折算系数（蒸发散系数）。这一系数与土壤特性、植物种类和植被度有关，可以根据实验站资料来确定。 水面蒸发量E可根据E601型蒸发皿观测到的蒸发量E601间接估算求到：式中，k为水面蒸发折算系数。 泥沙的测算(Measurementofsediment)悬移质泥沙指悬浮于水中并随之运动的泥沙；河流中的泥沙，按其运动形式可大致分为悬移质、推移质和河床质三种类型。三者之间没有一定的界限，随水流条件变化可以相互转化。一般工程上，主要估计悬移质输沙量和推移质输沙量。河床质泥沙相对静止而停留在河床上的泥沙。推移质泥沙受水流冲击沿河底移动的泥沙； End'