教学教案 水文水资源基础.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除三个层次：掌握：理解准确、透彻的基础上，能熟练自如地运用并分析解决实际问题；熟悉：能说明其要点，并解决实际问题；了解：概略知道其原理及应用范畴。 第一讲 水文水资源基础清华大学水利系唐莉华2005年7月主要内容一、水文循环与水量平衡二、降雨、蒸发三、入渗、土壤水、地下水四、河川径流五、水文测验与水文资料整编六、水文统计一、水文循环及水量平衡n 水文学： 研究地球上江河、湖泊、冰川、地下水和海洋等各种水体的存在数量、分布及变化规律的科学。 与气象学、地理学、生态环境学等关系密切。1.1 水文循环： （1）地球上水的存在形式： 汽态、液态、固态 （2）存在位置： 空气中、地表、地下、生物体内 n 水文循环的概念： 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，再从河道或渗入地下以地下水形式补给河流流入海洋。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。 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 转化自然界水循环据其规模及涉及的地域可分为：大循环/小循环水文循环的意义： 直接影响气候变化： 改变地表形态： 造成再生资源： 负面影响：干旱，洪涝灾害1.2 水量平衡：指地球任一区域(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)，收入的水量与支出的水量之差等于该区域内的蓄水变量(蓄水变量指时段始末区域内蓄水量之差)。水量平衡是水文循环的定量描述，是质量守恒定律在水文循环中的特定表现形式。水量平衡方程：I O = W 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。上式中各变量的单位：km3 或 mm 地球上的水量平衡若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：Wc = Pc R Ec 式中: Ec： 在时段内陆地的蒸发量； Pc： 在时段内陆地的降水量； 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。若以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：Ws = PsR Es式中: Es ： 海洋在时段内的蒸发量；Ps ： 海洋在时段内的降水量；R ： 时段内由陆地流入海洋的径流量；Ws ： 海洋在该时段内蓄水量的变化量。在多年平均的情况下， Wc0， Ws 0，则 陆地水量平衡方程 海洋水量平衡方程上二式相加得：或：式中： （2）河流流域的水量平衡河流流域的定义： 河流某断面以上，汇集地表水和地下水的区域（称做地面集水区和地下集水区）统称做河流在该断面以上的流域。 由分水线包围的集水区域。非闭合流域/闭合流域： 非闭合流域： 若地面分水线与地下分水线在位置上不完全重合，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。不闭合流域的水量平衡示意图E 对于不闭合流域，其水量平衡方程为：P + RGI = E + RSO + RGO + q +W式中: P ：流域给定时段的降雨量；E：净蒸发量；RGI ： 给定时段内从地下水流入的水量；RSO ： 给定时段内从地面流出的水量；RGO ： 给定时段内从地下流出的水量；q ： 给定时段内流域内工农业及生活净用 水量；W ： 时段初及时段末流域蓄水量的变化量。不闭合流域的水量平衡示意图E 对于闭合流域: 在方程 P + RGI = E + RSO + RGO + q +W 中RGI=0，如果q 较小，则可取q=0，合并RSO+RGO=R闭合流域水量平衡方程为：P = E + R + W闭合流域的多年平均水量平衡方程式为：其中，对于多年平均的情况，闭合流域的水量平衡方程式为：式中: ：流域内多年平均降水量； ：流域内多年平均径流量； ：流域内多年平均蒸发量。将式 两边除以 ，则该式变成 令 多年平均径流系数，其反映流域降雨量转换成径流量的比例系数。多年平均蒸发系数,其反映流域降雨量转换成蒸发量的比例系数。因此，a0、b0 用以反映流域气候地理特性。如湿润地区：a00.5; 半干旱地区：a00.3; 干旱地区: a00.1 BREAK二、降水与蒸发2.1 降水： 是指液态或固态的水汽凝结物，从天空下降至地面而成的液态水或固态水的现象。降水是气象要素之一，也是水循环中重要的一个环节。 （1） 降水的各种形态： 雨 从云中降落下来的液态水滴,其直径一般为0.56毫米。小雨滴呈球形，直径在1毫米以上的雨滴呈扁球形，雨滴越大，形状越扁平。 雪 由较大的冰晶（即雪晶）组成。雪晶一般大于0.3 毫米，其基本形状为六角形。霰 又称雪珠或软雹，是白色不透明的圆锥形或球形的颗粒状固态降水。直径约25毫米，下降时常呈阵性，触及硬地时常反跳。它是由各自冻结的小云滴组合在一起而成的，密度小而松脆易碎。 雹 又称冰雹或雹块，从对流云中产生的球状、锥状、椭球状或形状不规则的坚硬固态降水，直径约250毫米。 （2） 降水的成因： 大气中存在水分，即水汽； 降温，降至露点温度以下，或空气冷却 大气中存在吸水性的微粒(凝结核) 露点：空气中水汽达到饱和时的温度。当大气温度下降到露点以下时，则形成了水汽凝结的必要条件。 大气凝结核： 指飘浮在大气中的尘粒，其直径约10-310m。大气凝结核由固态物质、溶液滴或两者的混合物组成，其化学成分很复杂，最常见的是氯、氮、碳、镁、钠、钙等化合物。（3）降雨的分类及其特性 按气流上升运动的原因，常把降雨分成四种类型： 对流雨 地形雨 锋面雨 气旋雨1）对流雨：对流雨(亦称对流性降水)发生的条件： 地面受辐射温度升高，下层暖湿空气膨胀上升，则暖湿空气在上升过程中形成绝热冷却，水汽则会凝结成云（淡积云g浓积云g 积雨云）， 形成 降雨。 对流雨发生的特点： 对流雨是在大气不稳定的条件下产生的，多发生在夏季酷热的午后； 其水平尺度很小(0.150公里)，降雨历时较短（几十分钟），形成阵性降水，常称阵雨。 降水强度的变化很大。对流性降水常伴有雷暴（伴有闪电和雷声），称为雷阵雨。2）地形雨 地形雨发生的条件： 暖湿空气在运移过程中，因受地形（如山脉等）影响而被抬升，则由于动力冷却而形成的雨。 地形雨的特点：u 因气流（空气）的湿度、温度、抬升速度及地形特点的差异而不同。v 地形作用一般使山的迎风面的降水量大，而背风面降水量减少。地形雨实例3）锋面雨: 由于不同性质的气团相遇所形成的雨称为锋面雨。 气团： 物理属性（物理属性主要是温度、湿度、大气静力稳定度等物理量）在水平方向差异很小的空气质点群体。其水平范围可达几百万平方公里，铅直厚度可达几公里至十几公里。气团的分类：u 按气团的热力性质不同,可划分为：冷气团(比其所经下垫面冷)和暖气团（比其所经下垫面暖）;v 按湿度特征的差异可分为：干气团和湿气团； w 按其静力稳定度的区别可分为稳定气团和不稳定气团；x 按气团的发源地的不同常分为极地气团和热带气团两大类，再按发源地带的海陆差别，这些气团还可划分为一些亚类。在北半球的主要气团有：u 北冰洋气团： 形成于北极的北冰洋，空气极寒且干燥。v 极地气团： 形成于除北极的北冰洋以外的中、高纬度地区，比较寒冷，其中形成于大陆上的有极地大陆气团、西伯利亚气团；形成于海洋上的有极地海洋气团。w 热带气团： 形成于热带、副热带的暖气团。其中形成于大陆上的，称为热带大陆气团；形成于海洋上的称为热带海洋气团。x 赤道气团： 形成于赤道海洋上，既热又很潮湿，有时难以将它和热带海洋气团相区别。 锋面： 温度或密度差异很大的两个气团相遇，接触区形成一过渡带，简称锋面。锋面是倾斜的，坡度很小，一般约为1/100，冷气团在下，暖气团在上。锋面的铅直厚度约1公里，水平宽度在近地面约数十公里，其高度可达400公里以上（延伸到对流层顶），锋的水平范围可延伸数百公里甚至数千公里。 锋线： 锋面与地面交线称为地面锋线 ，也简称为锋。 水文气象学将锋面二侧冷暖气团移动方向的不同，所形成的锋面雨分成以下几种类型：暖锋雨暖锋： 冷暖气团相遇时，暖气团较强起主导作用，暖气团推动锋面向冷气团一侧移动。暖锋雨的特点： 雨区位于锋线前方； 降雨强度较小(锋面坡度小，介于1/1001/300，暖湿气团上升缓慢）； 云和降雨区面积较大。冷锋雨: 冷暖气团相遇时，冷气团较强起主导作用，冷气团推动锋面向暖气团一侧移动。根据冷锋推移速度的不同，又分为慢行冷锋和急行冷锋两种： 缓行冷锋： 冷锋运移速度较慢 缓行冷锋雨特点： 云和雨区分布 及降雨强度与 暖锋雨相仿； 雨区位于锋线 后方。缓行冷锋雨示意图急行冷锋：冷锋运移速度较快，使得暖湿气团产生剧烈的上升运动，锋面坡度较陡，介于1/401/80（41820）。急行冷锋雨特点： 降雨在锋线附近，降雨强度大 历时短、雨区窄准静止锋: 当冷暖锋面势均力敌，则锋面在一定地区来回摆动，称为准静止锋。或指移动很缓慢呈准静止状态的锋。准静止锋雨的特点： 降雨持续时间较长 降雨强度比较小 雨区比暖锋雨更广 如江淮一带6、7月的常出现的阴雨天气即为典型的准静止锋雨。锢囚锋： 当有三种冷暖性质不同的气团（如暖气团、较冷气团、更冷