刘南威《水文》.doc

第四章 水文水文：指在自然环境中，水的各种现象的发生、发展及其相互关系和规律性。水体：是指以一定形态存在于自然地理环境中的水的总称。如大气中的水、江河湖海的水、冰川、地下水、生物有机体中的水等等。 第一节 地球水循环与水量平衡一、水分循环水不断的蒸发、输送、凝结、降落的往返运动过程称为水分循环。水分循环成因：内因水的“三态”变化；外因太阳辐射和地心引力。水分循环过程3 个阶段：蒸发、降水、径流；5 个环节：水分蒸发、水汽输送、凝结降落、水分下渗、径流；水分循环的类型根据水分循环的路径和规模，可分为两种：大循环海陆之间的水分交换过程也称为海陆间循环。小循环水仅在局部地区（海洋或陆地）内完成的循环过程。可分为海洋小循环和陆地小循环。水分循环对于地球水分和热量的再分配意义重大，犹如自然地理环境的“血液循环”。二、水量平衡水量平衡：指任一区域（如一个流域）在任一时段（如一年）内，其收入水量等于支出水量和区域内蓄水变量之和。 W W出 uW ：收入水量； W出：支出水量； u ：蓄水变量；全球水量平衡：全球水量是平衡的，全球降水量蒸发量；海洋蒸发量降水量；陆地蒸发量降水量；海洋是大气水和陆地水的主要来源；海洋气团在陆地降水中起主要作用。 第二节 海洋海与洋洋是世界大洋的中心部分和主体部分，它远离大陆，深度大，面积广，不受大陆影响，具有较稳定的理化性质和独立的潮汐系统以及强大洋流系统的水域。世界大洋分为4个部分，即：太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。海是靠近大陆，深度浅（一般3000m），面积小，兼受洋、陆影响，具有不稳定的理化性质，潮汐现象明显，并有独立海流系统的水域。海的类型根据海被大陆孤立的程度和其地理位置及其它地理特征，可将海划分为地中海和边缘海。地中海又可划分为：陆间海和内陆海。陆间海是介于两个以上大陆之间，并有海峡与相邻海洋相连通的水域，一般深度较大，如地中海；内陆海是深入大陆内部，海洋状况受大陆影响显著，如黑海、红海等。边缘海是位于大陆边缘的水域，一部分以大陆为界，另一部分以岛屿、半岛、群岛与大洋分开。与大洋的水交换比较自由。靠近大陆一边受大陆影响大，水文状况季节变化显著；靠大洋一边受大洋影响大，水文状况比较稳定。海湾与海峡海湾是海洋伸入大陆的部分，其深度和宽度向大陆方向逐渐减小的水域。一般以入口处海角之间的连线或湾口处的等深线作为洋或海的分界线。海湾的特点是潮差较大。海峡是连通海洋与海洋之间狭窄的天然水道。如台湾海峡、马六甲海峡、直布罗陀海峡等。其水文特征是水流急，潮速大，上下层或左右两侧海水理化性质不同，流向不同。一、海水的理化性质海洋是地球水圈的主体，是全球水循环的主要起点和归宿，也是各大陆外流区的岩石风化产物最终的堆积地。（一）海水的化学性质 海水是一种成分复杂的混合溶液。海水总体积中，96 . 5 是水， 3 . 5 是溶解于水中的各种化学元素和其他物质。海水包含以下三类物质：溶解物质：盐类、有机化合物、溶解气体；气泡；固体物质：有机固体、无机固体、胶体颗粒。1、海水的化学组成海水的大量元素氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、硅、氟等12种，占化学元素总量约 99.9 ；海水的微量元素指含量极少的元素（1mgL）；海水组成的恒定性 指上述12种主要元素之间的比例几乎不变；海水的盐类组成氯化物含量最高，占 88.6 ；硫酸盐次之，占 10.8 。2、海水的盐度（S ）和氯度（Cl ）海水的盐度是指 1000 g 海水中所含溶解的盐类物质的总量，单位为 ；海水的氯度指每千克海水中所含氯的克数。克努森公式：S 0.031.805 Cl 或者 S 1.8065 Cl 海水盐度的分布特征绝大多数海水的盐度为33 37 ；表层海水盐度分布：从副热带海区向高低纬递减，形成马鞍形；盐度等值线大致与纬线平行；大洋盐度高于近岸。最高是红海（ 37 ）； 最低是波罗的海（ 3 10 ）。（二）海水的物理性质海水的温度世界大洋表面年平均温为17.4；温度年较差较小（38），最低为2，最高为36，；水平分布：从热赤道向两极逐渐降低，等温线大致呈带状分布；北半球水温高于南半球；夏季水温高于冬季；垂直分布：从海面向海底呈不均匀递减，千米深度以下递减缓慢；在南北纬40之间，海水可分为表层暖水对流层和深层冷水平流层。 海水的密度（ r ）指单位体积中的海水质量，单位为 gcm3 ；一般为1.022 1.028，随温度、盐度、压力而变。海水的颜色与透明度海水的颜色 指从海面及海水中发出的光的颜色。海水颜色取决于海水的光学性质和光线的强弱，以及海水中悬浮粒子和浮游生物的颜色，也与天空状况和海底的底质有关。 海水的透明度 以直径300mm的白色圆盘垂直投入海水中的可见深度表示。世界上最透明的海水是大西洋中部的马尾藻海，66.5m；我国黄海仅为12m，南海为20 30m。二、海水的运动海水运动的形式主要包括波浪、潮汐和洋流。 （一）波浪1、波浪的基本要素：波峰、波谷、波长、波高，周期、波速、波峰线、波向线等等。波浪的基本要素波峰是静水面以上的波浪部分；波谷是静水面以下波浪部分；波顶是波峰的最高点；波底是波谷的最低点；波高是波顶与波底间的垂直距离；波长是两相邻波顶或波底间的水平距离；波陡是波高与半个波长之比；波浪周期是两相邻的波顶（或波底）经过同一点所需要的时间；波速是波形移动的速度，即波长与波浪周期之比值。 波向线是表示波浪传播方向（浪向）的线；波峰线是与波向线正交，并通过波峰的线。2、波浪的类型波浪按成因分类 风浪和涌浪：由风力的直接作用而形成的波浪，称为风浪；当风停止或波浪离开了风区时的波浪称为涌浪； 风浪属于强制波，波形和余摆线差别大，波峰高而尖陡，波峰前后不对称，前部陡峻而后部平缓，波谷比较宽平，波长较短，波速较慢，最大仅 40 50 kmh ； 涌浪属于自由波，波形接近余摆线，波峰圆滑而矮，前后对称，波长较长（可达500600 m ，甚至800 m 以上），波速较快，100 kmh ，可以比风速大，故常利用它来预报台风或风暴。海啸（Tsunamis）：由火山爆发、海底地震引起海底大面积升降，以及沿海地带山崩和滑坡等造成的巨浪，称为地震海啸。由于强烈的大气扰动（例如台风、强低压等）而引起海水异常升降产生的巨浪，称之为风暴潮。二者产生的原因虽不相同，但它们产生的现象和破坏力却是类似的，所以，一般将二者统称为海啸。 破坏性的地震海啸，只在地震构造运动出现垂直断层、震源深度 50 km、而里氏震级大于 6.5 的条件下才会发生。其波长为几十至几百公里（远大于海洋的最大深度），周期为2200分钟，最常见的是240分钟。 C为海啸波速；为重力加速度，为水深；全球海洋的平均深度为3600m，海啸的平均前进速度为360500kmh 。公元 358年至今全球发生过近 5，000次破坏性地震海啸，其中约85的地震海啸分布在太平洋中的岛弧海沟地带。潮波：引潮力所致；气压波：因气压突变而产生；船行波：船行作用产生。 波浪按水深分类深水波水深相对波长很大的波（ 水深L2 ），水质点运动轨迹为圆形，又称表面波或短波； 深水波作用的极限水深等于一个波长，该深度称为波浪作用基面或波底；浅水波水深相对波长很小的波（水深 L2 ） ，水质点运动轨迹为椭圆形， 又称长波；浅水波与深水波比较，波速减小， 波长变短，波高增加。 3、近岸浪波浪的破碎波浪传入浅水区或近岸后，海底摩擦作用使波顶运动速度大于波底，最后波峰越过波谷而发生破碎。波浪破碎主要有三种形式：崩顶破碎、卷跃破碎、激散破碎。 波浪的折射与沿岸流由于波浪受海底摩擦阻力影响大小不一，使波向发生转折，最终波峰线基本与海岸线平行；当入射波浪不垂直于海岸时，便可造成水体沿海岸流动，形成沿岸流。 波浪的绕射：当波浪传入近岸时，如果受到沙嘴、岬角等的阻挡时，波浪将从其旁边绕过、进入波影区，波峰线变形，波高递减，波浪能量大为减小，故波影区一般为比较平静的水域。（二）潮汐与潮流1、潮汐及其类型潮汐指海水位周期性涨落的现象。白天称潮，夜晚称汐，合称潮汐。 在潮汐现象中，水位上升叫涨潮，水位下降叫落潮；涨潮至最高水位为高潮，落潮至最低水位为低潮；当潮汐达到高潮或低潮时，海面在一段时间内保持平稳，分别称为平潮和停潮；相邻二次高潮或低潮的时间间隔，称为潮期，相邻高潮和低潮的水位差，叫潮差。2、潮汐的成因内因：海洋水体；外因：天体引潮力。月球引潮力是太阳的2.17倍。3、潮汐的类型半日潮：在一个太阴日（24小时50分）内，有两次高潮和两次低潮，而且两相邻高潮或低潮的潮高几乎相等，涨落潮时也几乎相等。潮汐高度从赤道向两极递减，故又称为赤道潮或分点潮；全日潮：半个月内，有连续7天以上在一个太阴日内，只有一次高潮和一次低潮，这样的潮汐称为全日潮。北部湾是世界上最典型的全日潮海区之一。混合潮：在一个太阴日内，也有两次高潮和两次低潮，但潮差不等，涨潮时和落潮时也不等。 4、潮流指海水在天体引潮力作用下所形成的周期性水平运动。随涨潮而产生的潮流叫涨潮流，随落潮而产生的潮流叫落潮流。 潮流分为回转流和往复流两种回转流：外海、开阔海区，受地转偏向力影响，在北半球作顺时针回转，流速约4 5km h ；往复流：海峡、河口等，受地形影响而成。其流速较大，可达 1822 kmh 。 洋流指海水速度相对稳定、沿着一定方向有规律的水平流动。洋流又称海流。洋流产生的主要原因是风力和密度差异。1、洋流的类型按水温分类暖流如果洋流带来的海水温度比到达海区的水温高，就称为暖流。由低纬流向高纬的洋流属于暖流。暖流在洋流图中多用红箭头表示。寒流如果洋流带来的海水温度比到达海区的水温低，就叫寒流。由高纬流向低纬的洋流属于寒流。寒流在洋流图中一般用蓝箭头表示。按成因分类风海流：海水在风的摩擦力作用下形成的水平运动。又称漂流或吹流。风力作用于海面，同时产生波浪运动和使海水向前运动的洋流。厄克曼（Ekman）螺旋。风海流水体输送方向与风向成90夹角。在北半球偏风向的右侧，而在南半球则偏风向的左侧。密度流 是由于海水密度差异而引起的海流。海水密度分布不均匀而使海区形成了压力梯度，海水从高压区向低压区流动，所以又称梯度流。补偿流 是由于某种原因使海水从一个海区流出，而使另一部分海水流入进行补充。补偿流可以是水平流动，也可以是垂直流（上升流和下降流）。2、世界洋流分布世界洋流结构特点反气旋型大洋环流：以南北回归线高压带为中心；在北半球顺时针流动，南半球则逆时针流动；气旋型大洋环流：以北半球中高纬海上低压为中心，在南半球中高纬则为西风漂流（由于受南极冰盖影响，具寒流性质）；绕极环流：南极周围，受极地东风作用，洋流自东向西流；季风漂流：北印度洋受季风影响，季节变化明显，冬季逆时针流动，夏季顺时针流动。世界主要洋流系统反气旋型大洋环流 在信风（NE、SE）作用下，由东向西流（北赤道流、南赤道流），遇到大陆后，分为两支：一支向赤道形成赤道逆流，另一支向高纬流到纬度 40 50形成西风漂流。气旋型大洋环流：分布在 45 N 70N，当西风漂流遇到大陆后，又分为两支，向高纬一支（即阿留申暖流）在极地东风作用下沿西海岸南流，最终汇入西风漂流。南极绕极环流：北印度洋季风漂流：冬季，东北季风漂流；夏季，西南季风漂流。湾流湾流是世界上最强大的一支暖流，占据了北大西洋 30N以上表面积的78；从佛罗里达海峡流出的水量为900亿m3h，相当于大陆总径流量的20余倍；它源源不断地把热量输向西北欧，使得 55N70N 之间大洋东岸的最冷月平均气温比大洋西岸高出1620之多；在西岸拉布拉多半岛和加拿大群岛是苔原带，而同纬度的大洋东岸却是针叶林和针阔混交林带，在北极圈内出现了不冻港（如俄罗斯的摩尔曼斯克）。黑潮黑潮是仅次于湾流的世界第二大暖流，沿着北太平洋西部边缘向北流动。黑潮因水质清澈深厚而呈蓝黑色，它具有高温、高盐的特征，起源于菲律宾东南，是北赤道流的一个向北分支的延伸。主流沿巴士海峡东侧北上，经台湾东岸进入东海向东北流，至奄美大岛以西折向东流离开东海返回太平洋，并沿日本南岸东流、逐渐扩散。黑潮流量约3000万m3S，平均宽度150km，厚度约1000m；夏季水温2730，冬季20。舟山渔场和日本东部渔场与黑潮密切相关。三、海洋资源开发与环保1、海洋资源开发 化学资源；能源；矿产资源; 动力资源；生物资源；2、海洋荒漠化与环保海洋倾废，石油污染；3、蓝色农业海洋农牧业。第三节 河流一、河流、水系和流域（一）河流1、河流：指陆地表面经常性或周期性有水流动的泄水凹槽。河流是流动的水与河谷的总称。2、河流的分段：河源、上游、中游、下游、河口等五个部分。河谷形态河床物质比降流速侵蚀堆积流量水位变化上游V基岩砾石大大下切小大中游宽U中粗砂中中侧蚀中中下游宽浅U细砂淤泥小小堆积大小河口的分段。近口段、河口段、口外海滨段3、河流纵断面指沿河流轴线的河底高程或水面高程的变化。可分为河底纵断面和水面纵断面两种。 河流纵断面用比降（ i ）表示：H上、H下 分别为河段上下游河槽（或水面）上两点的高程；H上H下 则为河段的落差；L 为河段长度。4、河流横断面指河槽某处垂直于主流方向河底线与水面线所包围的平面。过水断面：指某一时刻河底线与水面线所包围的平面。河流横断面形态要素过水断面面积 W；湿周 P（过水断面上被水浸湿的河槽部分）；水面宽度 B；平均深度 HW B；水力半径 RW P；糙度系数 n（指河槽上的泥沙、岩石、植物等对水流的阻碍作用程度）。（二）水系水系：指由干流和各级支流组成的河流系统。 1、水系特征包括河长、河网密度和弯曲系数。河长指从河口至河源沿河流轴线所量得的长度。河网密度指流域内干支流的总长度与流域面积之比，即单位面积内的河道长度。弯曲系数弯曲系数是指某河段的实际长度与该河段直线距离之比。K 值越大，河段就越弯曲。2、水系的类型扇状水系：干支流呈扇状分布，各支流较集中地汇入干流，流域呈扇形或圆形。如海河。羽状水系：支流从两岸相间汇入干流。如滦河。平行状水系：各支流平行排列。如淮河左岸。树枝状水系：干支流分布呈树枝状。如西江。格状水系：支流成90角汇入干流。河流发育受两组互相垂直的构造线控制。如闽江。3、水系的发育初 期多湖泊分布，支流少而小；伸长期溯源侵蚀，干支流系统初步形成；扩张期溯源侵蚀、侧蚀强烈，水系密度最大；合并期河流劫夺（袭夺），长期侵蚀后转向堆积，水系越来越简单化。（三）流域（河盆）流域的基本概念与特征分水岭：指划分相邻水系或河流的山岭或河间高地；分水线（分水界）：分水岭最高点的连线；地表分水线受地形影响，地下分水线则受地质构造和岩性控制；流域（河盆）：指分水线所包围的区域；流域特征：包括流域面积、流域形状、流域高度、流域坡度、干流流向等。二、河流的水情要素（一）水位 水位：指河流某处的水面高程。其零点称为基面。 绝对基面：是以某一河口的平均海平面为零点。我国规定统一采用青岛黄海基面。资料可比 相对基面（测站基面）：以观测点最枯水位以下0.5 1 m 处作为零点的基面。资料不可比 水位变化：主要受水量影响；包括季节变化、年际变化等；水位过程线：是指水位随时间变化的曲线。其纵坐标为水位，横坐标为时间。水位过程线反映了水位变化的规律；相应水位曲线：指在同一涨落水期间，上下游站位相相同的水位。纵轴为上游站的水位，横轴为下游站的水位。依据相应水位曲线可做短期水文预报。（二）流速流速：指河流中水质点在单位时间内移动的距离。即 v L t 其单位为 ms 河道中的流速分布：在纵断面上，由上游向下游减少；在横断面上，从水面向河底递减。谢才公式（天然河道平均流速计算）：v 为平均流速； c 为谢才系数，它与糙率等因素有关，我国多采用满宁公式求得；R 为水力半径； i 为水面比降。满宁公式，n 为糙率系数（三）流量流量：指单位时间内通过某过水断面的水的体积。 即 Q w v 单位为 m3s ；式中，w 为过水断面面积；v 为流速。流量过程线：是流量随时间变化过程曲线。纵坐标为流量，横坐标为时间。反映径流变化规律水位流量关系曲线：是水位随流量变化的曲线。 即 Q f（H）；纵坐标为水位，横坐标为流量。可用水位资料推算流量（四）河流泥沙河流泥沙：指组成河床和随水流运动的矿物、岩石固体颗粒。随水流运动的泥沙又称固体径流。含沙量：河水中泥沙的含量。单位为 kgm3 。输沙率：指单位时间内通过一定过水断面的泥沙总量。单位为 kgs 或 ts 。 输沙量：指在一定时段内通过一定过水断面的泥沙总量。单位为 t 或 万t 。侵蚀模数：是指每 km2 流域面积上，每年被侵蚀并汇入河流的泥沙重量。单位为 t（km2 a） （五）水温与冰情水温与冰情的变化，主要受太阳辐射、气温等地带性因素控制，其分布具有地带性规律。如我国秦岭淮河一线，以南冬季不结冰，以北则冬季结冰。河流水温的地区分布与气温分布基本一致，或略高 1 2 。河流冰情的三个发展阶段：结冰、封冻、解冻。凌汛：如果河流由低纬流向高纬，会出现上游解冻早，而下游解冻晚的现象，向下游移动的冰块可能壅积成冰坝，使水位抬高，称为凌汛。三、河川径流径流：指大气降水到达陆地后，除了蒸发而余存在地表或地下，从高处向低处流动的水流。径流可分为地表