水文学复习资料

水文学1第一章 绪论 地球上水的性质与分布水文学：研究地球上的性质，分布，循环，运动变化规律及其地理环境，人类社会之间相互关系的科学。水文现象：水循环过程中，水的存在和运动的各种形态。水文现象的特点：水循环永无止尽：任何一种水文现象的发生，都是全球水文现象整体中的一部分和永无止境的水循环过程中的短暂表现。水文现象在时间上的变化既具有周期性又具有随机性。周期变化的原因主要是地球公转及自转，地球和月球的相对运动，以及太阳黑子的周期性运动所导致的昼夜，四季交替的影响所致。各因子本身在时间上也不断变化，因而又具有随机性。水文现象在地区分布上既存在相似性，又存在特殊性。不同的流域、如果所处的地理位置相似，由于纬度地带性的影响，水文现象也就具有一定的相似性。但由于各流域的地质、地形等非地带性下垫面条件的差异，水文现象就会有巨大的差异。第一节 地球上水的物理性质水分子聚合体：单水分子（H2O）,双水分子（H2O）2,三水分子（H2O）3。随着水温的升高，水分子聚合体不断减少，单水分子不断减少。水温在 3.98C 时，结合紧密的二水分子最多，故此时水的密度最大。液态水结构的主要理论模型：“闪动簇团”模型，是把液态水看成以氢键结合的水分子的闪动簇团，在略 为“自由”的水中游泳的一种液态体系。海水的温度分布：水平分布。 （三大洋表面平均水温均为 17.4C，太平洋（19.1）印度洋（17.0）大西洋（16.9） 。北半球高于南半球，在南北纬 0-30之间以印度洋水温最高，在南北纬 50-60之间大西洋水温相差悬殊。 ）从低纬向高纬递减，在南北回归线之间的热带海区水温最高，大洋东西两侧，水温分布有明显差异，寒暖流交汇处，水温水平梯度较大，夏季大洋表面水温普遍高于冬季，水温水平梯度冬季大于夏季。水温的垂直分布，从海面向海底呈不均匀递减趋势。三大洋水温垂直分布：冰点温度，最大密度温度与盐度关系：水文学2正温层：当湖水温度随水深的增加而降低时，即水温梯度呈负值时，将出现上层水温高下层水温低，但不低于4 摄氏度，这种水温的垂直分布，称为正温层。逆温层：当湖水温度随水深的增加而升高时，即水温垂直梯度呈正值时，将出现上层水温低，下层水温高，但不高于 4 摄氏度。这种水温的垂直分布称为逆温层。温跃层：在湖面以下一定深度常形成温跃层，即上下水温有急剧变化的一段。同温层：当湖温上下层一致，上下层水温完全相同（同温层，4） 。第二节 地球上水的化学性质天然水的化学成分：1)悬浮物质：粒径大于 100 纳米（ 107 米）的物质颗粒，在水中呈悬浮状态，如泥沙、粘土、藻类、细菌等悬浮物的存在使天然水有颜色、变浑浊、产生异味。2)胶体物质：粒径为 1001 纳米的多分子聚合体，包括次生粘土矿物、含水氧化物、腐殖酸3)溶解物质：粒径小于 1 纳米的物质，在水中成分子或离子的溶解状态，包括盐类、气体、某些有机物。天然水八大离子: K + 、Na+、Ca2+ 、Mg2+ 、Cl、HCO3、 SO42 、CO32。八种主要离子的含量都占溶解质总量的 9599%以上。矿化度：天然水中各种元素的离子、分子与化合物的总量。天然水的矿化过程：主要矿化作用1）溶滤作用 土壤和岩石中某些成分进入水中的过程 2）吸附性阳离子交替作用 天然水中离子从溶液中转移到胶体上，是吸附过程。同时胶体上原来吸附的离子，转移到溶液中是解吸过程。吸附和解吸的结果，表现为阳离子交换。胶体吸附的饱和容量称为吸附容量，单位：mol/g 3）氧化作用 包括使围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。 4）还原作用 在还原环境里，天然水若与含有有机物污染，碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。 5）蒸发浓缩作用 6）混合作用 雨水渗入补给地下水，地下水补给河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，海滨含水层的海水入侵等，都是天然水的混合。河水化学成分的特点：河水的矿化度普遍偏低。河水中各种离子的含量差异很大。河水化学组成的含量差异很大。河水化学组成的时间变化明显。湖水化学成分的特点：湖水矿化度有差异。湖中生物作用强烈。湖水交替缓慢，深水湖有分层性。地下水的化学特征：地下水充填于岩石，土壤空隙中，与岩石，土壤广泛接触，渗流速度小，循环交替缓慢，而且地下水贮存于岩石圈上部相当大的深度，构成地下水圈。矿化度变化范围大，从淡水直到盐水。地下水与大气接触有很大的局限性,仅限于距地表最近的含水层，此层可溶入氧气称为氧化作用带。海水的化学组成：目前已发现 80 多种元素，但含量差别很大。主要化学元素：Cl（氯） 、Na（钠） 、Mg（镁） 、S（硫） 、Ca（钙） 、K（钾） 、Br（溴） 、C（碳） 、Sr（锶） 、B（硼） 、Si（）硅、F（氟）等 12 种，约占全部海水化学元素含量的 99.899.9，称为海水的大量元素。海水盐度：单位质量海水中所含溶解物质的质量。是海水物理、化学性质的重要标志。影响盐度的因素：主要取决于影响海水盐度的各自然环境因素和发生于海水中的许多过程。1）低纬海区，降水、蒸发、洋流和海水紊动、对流混合等起主要怍用。降水大于蒸发，使海水冲淡，盐度降低；水文学3蒸发大于降水，则盐度升高。盐度较高的洋流流经一海区时，可使盐度增加；反之，可使盐度降低。2）高纬海区，除受上述因素影响外，结冰和融冰也能影响盐度。第三节 地球上水的分布与水资源水资源：广义：世界上一切水体，包括海洋，河流，湖泊沼泽，冰川，土壤水地下水及大气中的水分。狭义：在一定时期内，能被人类直接或间接开发利用的那一部分动态水体。水资源的特征：水资源的循环再生性与其有限性：水资源与其他资源不同，在水文循环过程中使水不断的恢复和更新，属可再生资源。水循环具有无限性的特点，但又受太阳辐射等条件的制约，每年更新的水量都是有限的，因而具有有限性。时空分布的不均匀性：水资源主要补给为降水，地表径流，地下径流等，他们具有随机性和周期性，且在地区的分布很不均。利用的广泛性和不可替代性利害两重性：由于降水和径流的地区分布不平衡和时程分配的不均匀，往往会出现洪涝，旱碱等自然灾害。通常采用多年平均径流量来表示水资源量按照年降水和年径流的多少，全国大致可划分为水资源条件不同的五个地带：多雨-丰水带。滋润-多水带。半湿润-过渡带。半干旱- 少水带。干旱- 干涸带。我国水资源状况：（一）水资源时空变化：地区分布：因受海陆位置，水汽来源。地形条件等因素的影响，我国水资源的地区分布很不均匀，总趋势是由东南沿海向西北内陆递减。季节变化：全国降水量以夏季最多，冬季最少，春季和秋季介于冬夏之间。春雨和秋雨各地不同，多气旋过境春雨较多，多台风过境的地方秋雨较多。（二）水资源条件和问题。1.水资源总量不少，但人均、亩均水量较少。合理利用和保护水资源赢作为我国长期坚持的国策。2.水资源的地区分布很不均匀，与人口，耕地的分布不相适应进行水量的地区调配是水资源开发利用的重要课题 3.水量的年内年际变化大，水旱灾害频繁，抗旱防洪涝始终是一项艰巨任务。4.水土流失和泥沙淤积严重，破坏了生态平衡，增加了江河防洪困难，降低了水利工程效益。5.地下水是我国重要水资源，要合理开发利用，防止过量开采。6.天然水质量相当良好，但认为污染日趋严重，防止水质恶化，保护水源已是当务之急。第二章 地球上的水循环水文学4第一节 水循环概述水循环：地球上各种形态的水，在太阳辐射地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送，凝结降水、下渗以及径流（水循环的基本过程）等环节，不断发生相态转换和周而复始运动的过程。水循环机理：水循环服从与质量守恒定律。即整个循环过程保持着连续性，既无开始，也无结尾。 太阳辐射与重力作用，是水循环的基本动力。水循环广及整个水圈，岩石圈及生物圈。全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统。地球上的水分在交替循环过程中，总是溶解水携带着某些物质一起运动，诸如溶于中的各种化学元素，气体以及泥沙等固体杂质等。大循环：发生于全球海洋与陆地之间的水分交换过程，由于广及全球，故名大循环，又称外循环。小循环：发生于海洋与大气之间，或陆地与大气之间的水分交换过程。水体的更新周期：指水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新一次所需的时间。水循环的作用与效应: 水循环作为地球上最基本的物质大循环和最活跃的自然现象：影响着全球地理环境；影响生态平衡；影响水资源的开发利用。对自然界的水文过程来说，水循环是千变万化的水文现象的根源。水文循环与地球圈层构造：水通过循环运动，积极参与了圈层之间界面活动，把它们联系在一起。水循环与全球气候：水循环是大气系统能量的主要传输、存储和转化者；水循环通过对地表太阳辐射能的重新再分配，使不同纬度热量收支不平衡矛盾得到缓解；水循环的强弱及其路径，还会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征。在这方面，海洋环流系统的气候效应表现得最为强烈。水循环与地貌形态及地壳运动：水重塑了全球的地貌形态，并影响到地壳表层内应力的平衡，是触发地震，引起地壳运动的重要原因。水循环与生态平衡：水是生物有机体的基本组成物质，没有水循环，就不会有生命活动，水循环的强度与时空变化，是制约一个地区生态环境平衡或失调的关键，是影响地区内生物有机体活动旺盛，繁茂，或凋萎，贫乏的主要因子，还是造成本区洪、涝、旱等自然灾害的主要原因。水循环与水资源开发利用：只有在开发利用强度不超过地区水循环更新速度以及控制水污染的条件下，水资源才能不断获得更新，才能永继利用。水循环与水文现象以及水文学科的发展：水循环是一切水文现象的根源，研究水循环，是认识自然界错综复杂的水文现象的一把钥匙，是把握自然界各种水体的性质、运动变化及其相互关系的有效方法和手段。第二节 水量平衡水量平衡：任意选择的区域（水体）在任意时段内，其收入的水量与支出的水量之间差额必等于该区域内的蓄水变化量。即水循环过程中，从总体上说收支平衡。研究意义：1.通过水量平衡的研究，可以定量地揭示水循环过程与全球地理环境、自然生态系统之间 的相互联系、相互制约的关系，揭示水循环过程对人类社会的深刻影响，以及人类活动对水循环过程的消 极影水文学5响和积极控制的效果；2.水量平衡也是研究水循环系统内在结构和运行机制，分析系统内蒸发，降水及径流等各个环节相互之间的内在联系。3.是水资源现状评价与供需预测研究工作的核心。4.在流域规划、水资源工程系统规划与设计工作中，也离不开水量平衡工作，它为工程规划提供基本设计参数且可以用来评价工程建成后可能产生的实际效益。5.合理处理各部门不同用水需要，进行合理调度，科学管理，充分发挥工程效益的重要手段。水文学6通用水量平衡方程：IQ=ds/dt （I 为水量收入项；Q 为水量支出项）(p+E1+R 表+R 地下)+S1=(E2+R表+R地下+q)+S2P 为时段内降水量； E1、E2 分别为时段内水汽凝结量和蒸发量 R 表和 R表分别为时段内地表流入与流出的水量 R 地下、R地下分别为时段内从地下流入与流出的水量 q 为时段内工农业及生活净用水量； S1、S2 分别为时段始末蓄水量。第三节 蒸发蒸发的三种类型：水面蒸发（水体与大气之间界面上的分子交换）土壤蒸发（土壤空隙水的蒸发）植物蒸发（植物的蒸腾作用）水面蒸发: 充分供水条件下的蒸发。只需要克服水分子之间的内聚力。土壤蒸发：土壤水在汽化过程中, 除了要克服水分子之间的内聚力外,还要克服土壤颗粒对水分子的吸附力。从本质上说, 土壤蒸发是土壤失去水分的干化过程, 随着蒸发过程的持续进行, 土壤中的含水量会逐渐减少, 因而其供水条件越来越差。土壤的实际蒸发量亦随之降低。土壤蒸发的三个阶段：定常蒸发率阶段：在充分供水条件下，蒸发率相对稳定，等于或近似于相同气象条件下的水面蒸发，主要受气象条件影响。蒸发率下降阶段：当土壤的供水能力不能满足蒸发需要，蒸发率将随着土壤含水量的减小而减小，于是土壤蒸发进入蒸发率明显下降阶段。蒸发率微弱阶段：在此阶段内土壤水由底层向土面的薄膜运动亦基本停止，土壤液体水供应中断，只能依靠下层水汽化向外扩散。土壤含水量：质量含水量、体积含水量毛管悬着水：当地面获得降雨或灌溉后，凭借毛管作用而保持在靠近地面的土壤中的水分称为毛管悬着水土壤田间持水量：土壤中毛管悬着水达到最到大时的土壤含水量叫土壤田间持水量。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称为毛管断裂含水量。影响土壤蒸发的因素气象因素：太阳辐射、气温、湿度、风、气压等水的状况：土壤含水率、地下水位土壤的状况：土壤孔隙性、土壤颜色、土壤温度梯度水面蒸发的影响因素1、气象因素：太阳辐射、水面温度、湿度、风速、气压、饱和水汽压差（1）太阳辐射太阳辐射是水分汽化的主要能量条件，太阳辐射越强烈，蒸发量越大。一般，干旱地区蒸发大于湿润地区。水文学7（2）水面温度水温升高，水分子运动加快，因而易于逸出水面而跃入空气中。蒸发量随水温的增加而增加。（3）饱和水汽压差饱和水汽压差：水面温度的饱和水汽压（e0s）与水面以上 z 高度处实际水汽压（ez）之差。（4）湿度相同温度下，空气湿度小（饱和水汽压差大）时蒸发量大。（5）气压气压会抑制水分子逸出水面，蒸发量随气压的增高而降低；同时，气压高，空气湿度就会降低，又有利于水面蒸发。（6）气温气温高有利于蒸发，一般蒸发量随气温呈指数变化。（7）风速风能加强对流扩散作用，带走水面上空的水汽，有利于增加水面水分子的逸出量。一般来说，风速越大，水面蒸发就越大。2、水体因素：水面大小和形状、水深、水质（1）水质当水中溶解有化学物质时，水面蒸发量一般会减少。如，含有盐类的水溶液常常在水面上形成一层薄膜，起着抑制蒸发的作用；深色水体蒸发大于浅色水体。 （2）水深对于浅水，气温对蒸发的影响显著。夏季气温高，蒸发量大，冬季则相反；对于深水，深水水体储藏热能较多，对水温起到一定的调节作用，故蒸发量在时间上变化比浅水缓慢。（3）水面的大小和形状水面面积大，其上空水汽不易很快被风吹散，不利于蒸发；水面形状通过风向影响蒸发。风向与水面延伸方向垂直，蒸发大；与水面延伸方向平行，蒸发小。植物散发（蒸腾）过程1、过程：植物的根系从土壤中吸收水后，经由根、茎和叶脉输送到叶面，并为叶肉细胞所 吸收，其中除一小部分留在植物体内外，90以上的水分通过叶片的气孔汽化而向大气散逸。2、动力条件：根系中溶液浓度和四周土壤中水的浓度存在梯度差而产生渗透压，这种渗透压差使得根系象水泵一样，不断地吸取土壤中的水。影响土壤蒸发的因素气象因素：太阳辐射、气温、湿度、风、气压等水的状况：土壤含水率、地下水位土壤的状况：土壤孔隙性、土壤颜色、土壤温度梯度根土渗透势（溶质势）散发拉力 植物叶面散发水汽后，叶肉细胞缺水，细胞的溶液浓度增大，增强了叶面吸力，进而拉引根部水向上传导。第四节 水汽扩散与输送水汽扩散：由于物质，粒子群等的随机运动而扩展于给定空间的一种不可逆现象。包括分子扩散和紊动扩散。水汽输送主要有大气环流输送、涡动输送。水文学8( W1 + Ei ) - ( W2 + Pi) = W ( 2 - 46)W1 是流入气柱的水汽量; W2 是流出气柱的水汽量; Ei 是蒸发散发量; Pi 是降水量; W 是气柱内水汽变量。对于长时段W0, 于是研究时段内气柱的降水量可用下式表示 :Pi = W1 - W2 + Ei水汽输送通量：在单位时间内流经某一单位面积的水汽量；有水平输送通量和垂直输送通量之分；通常说的水汽输送主要是指水平方向的水汽输送。影响水汽输送的主要因素：大气环流的影响：大气环流决定着全球流场和风速场关系，进而影响水汽全球的分布。地理纬度的影响：影响了辐射平均值，气温，水温的纬向分布进而影响了蒸发。海陆分布的影响：海洋是水汽主要源地，因而沿海水汽多，向内陆减少。海拔高度的和地形屏障作用的影响：随高度增加，水汽含量相应减少，垂直于气流运动方向的山脉，常常成为阻隔暖湿气流运行的屏障。我国水汽输送的基本特点：存在三个基本的水汽来源三条输出入路径，并有明显的季节变化。来源：极地气团的西北水汽流（路径：西北方向入，东南方向出） 。南海水汽流（有广东福建入，长江附近出） 。孟加拉湾水汽流（北部湾入，长江中下游出海） 。水气输送既有大气平均环流引起的平均输送，又有移动性涡旋动输送，其中平均输送方向基本与风场相一致。而涡动输送方向大体上与湿度梯度方向相一致 , 即从湿度大的地区指向湿度小的地区。涡动输送的这一特点对于把东南沿海地区上空丰沛的水汽向内陆腹地输送 ,具有重要作用。地理位置：海陆分布与地貌上总体格局，制约了全国水气输送的基本态势。青藏高原雄踞西南 , 决定了我国水汽输送场形成南北两支水汽流 , 北纬30 以北地区盛行纬向水汽输送 ;30以南具有明显的经向输送。而秦岭- 淮河一线成为我国南北气流的经常汇合的地区 , 是水汽流辐合带 ; 海陆的分布制约了我国上空湿度场的配置 , 并呈现由东南向西北递减的趋势 , 进而影响我国降水的地区分布。水气输送垂直分布存在明显差异。在850 百帕气层上 , 一年四季水汽输送场形势比较复杂 ; 在700 百帕气层上 , 在淮河流域以北盛行西北水汽流 , 淮河以南盛行西南水汽流 , 两股水汽流在北纬30 35一带汇合后东流入海 ; 在500 百帕高度上 , 一年四季水汽输送呈现纬向分布 ; 而低层大气中则经向输送比较明显 , 因而自低层到高层存在经向到纬向的顺钟向切变。第五节 降水降水：自然界中发生的雨雪、露、霜、雹现象的统称。降水要素：降水量：一定时段内降落在某一面积上的总水量。一天内的降水总量称日降水量；一次降水总量称次降水量。降水历时：指一场降水自始至终所经历的时间；降水时间：指对应于某一降水而言，其时间长短通常是人为划定的（例如，1、3、6、24 小时或1、3、7 天等） 。降水强度（毫米/分或毫米/ 时）：简称雨强，单位时间内的降水量。水文学9降水面积：（平方公里，km2 ）降水所笼罩的面积暴雨中心： 暴雨集中的较小的局部地区。降水过程线(反映雨强、降水时间）： 以一定时段（时、日、月或年）为单位所表示的降水量在时间上的变化过程：曲线或直方图降水累积曲线（反映雨强、时空变化）：以时间为横坐标，纵坐标表示自降水开始到各时刻降水量的累积值。自记雨量计记录纸上的曲线，即是降水量累积曲线。曲线上每个时段的平均坡度是各时段内的平均降水强度，即 I=P/t ；如果所取时段很短，即 t0，则可得出瞬时雨强 i，即 i=dP/dt。等降水量线：指地区内降水量相等各点的连线。等雨量线综合反映了一定时段内降水量在空间上的分布变化规律。绘制方法与地形图上的等高线图作法类似。面降水的计算：1）算术平均法以所研究的区域内各雨量站同时期的降水量相加，再除以站数（n）后得出的算术平均值作为该区域的平均降水量（P ） 。适用条件：区域内地形起伏不大，雨量站网稠密且分布较均匀的地区。2）垂直平分法（泰森多边形法）1）按地图测站的位置连线，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。4）面积加权法计算。适用条件：雨量站分布不均匀地区。缺点：把各雨量站所控制的面积在不同的降水过程中都视作固定不变，这与实际降水情况不符。3）等雨量线法：1）绘制等雨量线；2）量取每 2 条相邻等雨量线间的面积 fi，乘以两等雨量线间的平均雨深Pi，得出该面积上的降水量；3）将所有的雨量相加除以全面积，得流域平均雨量。实用条件：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。影响降水的因素：地形条件的影响：主要是通过汽流的