水文学发展简史

水文学发展简史水文学发展简史 a 自远古至 14 世纪末 为水文学现象定性描述阶段 b15 世纪 初至 19 世纪末为水文科学体系形成阶段 c 自从 20 世纪 50 年代 进入应用水文 学兴起阶段 d20 世纪 50 年代以来 进入现代水文阶段 水文学 水文学 水文学是研究地球上水的性质 分布 循环 运动变化规律及其与地 理环境 人类社会之间相互关系的科学 水文现象的研究任务 水文现象的研究任务 水体的运动和分布规律 水文的地理研究方向水文的地理研究方向 地理水文学地理水文学 地理水文学具有宏观性 综合性及区域 性三大特点 水文现象水文现象 指地球上的水受外部作用而产生的永无休止的运动 水文现象的特点水文现象的特点 a 谁循环永无止尽 b 水文现象在时间变化上既具有周期性 又存在随机性 c 水文现象在地区分布上既存在相似性又存在特殊性 水资源的涵义水资源的涵义 a 按社会需求供给或有可能提供的水量 b 有可靠来源且可通过 水循环得以更新补充 c 这个水量可由人工加以控制 d 水量水质适应人类用水需 求 广义广义水资源 指世界上一切水体 包括海洋 湖泊 沼泽 冰川 土壤 水 地下水及空气中的水分 都是人类宝贵的财富 即水资源 狭义狭义水资 源 不同于自然界水体 仅指在同一时期内 能被人类直接或间接开发利用的 那一部分动态水体 主要是指 河流 湖泊 地下水 及土壤水等淡水 个别 地方还包括微咸水 水资源的特性水资源的特性 a 水资源有循环再生性和其有限性 b 时空分布的不均匀性 c 广 泛的利用性及其不可替性 d 利与害的两重性 e 社会性和经济性 f 开发利用上的 整体性 水资源的时空变化水资源的时空变化 a 地区分布 因受海陆位置 水汽来源 地形条件等影响 我国水资源地区分布很不均匀 总趋势由东南沿海向西北内陆递减 水资源的条件与问题水资源的条件与问题 a 水资源总量不少 但人均亩均较少 合理利用和保护 水资源 b 水资源地区分布不均匀 与人口耕地分布不相适应 水量的地区 调配 c 在时间变化上不均衡 水旱灾害频繁 抗旱防洪涝 d 水土流失和泥 沙淤积日趋严重 严重破坏生态平衡 增加了河流防洪困难 降低了水利工程 效益 e 地下水是我国重要的水资源要合理开发利用 防止过量开采 f 天然水质 相当良好 水污染日趋严重 防止水质污染 保护水源 已是当务之急 防止 水质恶化 保护水源 水循环的基本过程水循环的基本过程 水循环是指地球上各种形态的水 在太阳辐射 地心引力 等作用下 经过蒸发 水汽输送 下渗及径流等过程 不断发生形态转换和周 而复始的运动的过程 水循环的机理水循环的机理 a 水循环服从于质量守恒定律 b 太阳辐射与重力作用是水循环 的基本动力 c 水循环广及整个水圈 并深入大气圈 岩石圈 生物圈 d 全球水 循环是闭合系统 局部水循环是开放系统 e 地球上的水分在交替循环过程中 总是溶解并携带着某些物质一起运动 水体的更替周期水体的更替周期 水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新一次所需要的 时间 意义 意义 水体的更替周期是反映水循环强度的重要指标 也是反映水体水 资源可利用率的基本参数 水循环的作用与效应水循环的作用与效应 a 深入并紧密饺子四大圈层 b 影响全球气候 是大气能 量的主要来源 调节全球气候 影响气候特征 c 水循环受制于地表形态 又塑 造地貌 改变地表层应力平衡 d 水循环支持生物圈的生命活动 同时制约一个 地区的生态平衡 e 水循环是水资源可持续利用的基础 水量平衡水量平衡 是指任意选择的区域 或水体 在任意时段内 其收入的水量与支 出的水量的差额必须等于该时段区域 或水体 内蓄水的变化量 即水在循环 过程中 从总体上说收支平衡 水面蒸发是在充分供水条件下的蒸发 蒸发量 E 是指从蒸发面跃出的水量和返 回蒸发面的水量之差值 即有效蒸发量有效蒸发量 单位质量的水 从液态为气态时 所吸收的热量称为蒸发潜热蒸发潜热 土壤蒸发土壤蒸发 是发生在土壤空隙中的水的蒸 发现象 分为三个阶段 a 定常蒸发阶段 供水充分 主要受气象影响 b 蒸发率 下降阶段 由于蒸发不断耗水 土壤中的水逐渐减少 当降到某一临界值 W 后 土壤的供水能力 不能满足蒸发需要 蒸发率将随土壤含水量的减少而减少 蒸发量大小决定与土壤含水量 c 蒸发微弱阶段 当土壤含水量逐步降低到第二 个临界点 W 土壤蒸发便进入蒸发微弱阶段 与上下层水汽压梯度及水汽所通 过的路径长短和弯曲程度有关 并随汽化层的不断向下延伸 蒸发越来越弱 水汽扩散的种类 水汽扩散的种类 分子扩散和紊动扩散 我国水汽输出的基本特点水汽输出的基本特点 a 存在三个基本的水汽来源 三个输出入路径 并 有明显的季节变化 三个来源是极地地区的西北水汽流 南海水汽流和孟加拉 湾水汽流 b 存在由大气平均环流引起的平均输送 又有移动性涡动输送 其中 平均输送方向基本上与风场相一致 c 地理位置 海陆分布与地貌上的总体布局 制约了全国水汽输送的基本态势 d 水汽输送场垂直分布存在明显差异 降水要素降水要素 降水量 指一定时段内降落在某一面积上的总水量 降水历时 指一场降水自始至终所经历的时间 降水时间 相对于某一降水而言 其时间 长短是人为划定的 在此时段内并非意味着连续降水 降水强度 简称雨强 指单位时间内的降水量 降水面积 降水所笼罩的面积 降水过程线降水过程线 以一定时段为单位所表示的降水量在时间上的变化过程 面降水量的计算方法面降水量的计算方法 算数平均法 适合于区域内地形起伏不大 雨量站网稠 密且分布教均匀的地区 垂直平分法 太森多边形法 适用于雨量站分布不 均匀的地区 缺点是与实际降水不符 等雨量线法 适用于面积较大 地形变 化显著而有足够数量雨量站的地区 客观运行法 影响降水的因素影响降水的因素 地形条件影响 水体影响 森林人为影响 可能最大降水量可能最大降水量 指在现代的地理环境和气候条件下 特定的区域在特定的时 段内 可能发生的最大降水量 下渗过程的阶段划分 下渗过程的阶段划分 渗润阶段 渗漏阶段 渗透阶段 下渗要素下渗要素 下渗率 f 下渗强度 单位面积上单位时间内渗入土壤中的水量 下渗能力 下渗容量 指在充分供水条件下的下渗率 稳定下渗率 稳渗 下渗锋面推进到一定深度后 下渗率趋于稳定的常值 霍顿公式霍顿公式 意义意义 反映了下渗强度随时间递减 规律 并最终趋于稳定下渗 下渗过程是一个消退过程 影响下渗的因素影响下渗的因素 a 土壤特性 b 降水特性 c 流域植被 地表形态的影响 d 人类 活动的影响 径流由地表径流 地下径流 壤中流组成径流由地表径流 地下径流 壤中流组成 径流的表示方法及其换算径流的表示方法及其换算 a 径流量指单位时间内通过某一断面的水面 b 径流 总量指 T 时段内通过某一断面的总水量 c 径流深度 指将径流总量平铺到整 个流域面积上所求得的水层深度 d 径流模数 指流域出口断面流量与流域 F 的 比值 e 径流系数 指某一时段的径流深度 R 与相应的降水深度 P 的比值 径流的形成过程径流的形成过程 产流机制产流机制 a 超渗地面径流产流机制 降雨强度 下渗率 界面为包气带上界 面 b 壤中流的产流机制发生于非物质或层次性土壤中的透水与相对不透水层界 面上 供水强度 下渗强度 上层土壤下渗率 下层下渗率 c 地下径流产流机 制 界面为包气带下界面 稳定下渗率 地下水下渗率 d 饱和地面径流产流机 制 降雨强度 下层土壤下渗率 流域的产流方式 流域的产流方式 1 超产流方式 2 饱和产流方式 a 包含饱和地面径流 壤 中流及地下径流三种产流机制类型 b 包含饱和地面径流与壤中径流两种产流机 制类型 c 包含饱和地面径流与地下径流两种产流机制 3 超渗与饱和产流交替 型方式 水情要素水情要素 1 水位 指水体的自由水面高出某一基面以上的高程 高程起算 的固定零点称为基面 绝对基面 以某河河口平均海平面为零点 青岛基 面 测站基面 测站最枯水位以下 0 5 1 米作起算零点的基面 水位 随时间变化的曲线称为水位过程线 2 流速 河流中水质点在单位时间内移动 的距离 3 流量 单位时间内流经某一过水断面的水量 Q VF 径流的年际变化径流的年际变化 反映年径流量年际相对变化幅度的特征值主要是年径流量的 变差系数 Cv 值和年际变化的绝对比率 Cv 大 年际变化剧烈 Cv 小 年际变 化小 多年变化过程 按照一定保证率 D 的年径流标准划分为 P 25 为 丰水年 P 75 为枯水年 25 P 75 为平水年 影响年径流影响年径流 Cv 值大小的因素值大小的因素主要有年径流量 径流补给来源和流域面积三方面 年径流深从东南向西北递减 Cv 值从东南向西北增大 以高山冰雪融水或 地下水补给为主的河流 Cv 值小 而以雨水补给为主的河流 Cv 值大 流域面积 小的河流 Cv 值大于流域面积大的河流 径流的年内变化径流的年内变化 径流的年内分配或季节分配 径流的这种年际变化 也是 径流的补给条件在年内变化的结果 以降水补给为主的河流 降雨和蒸发的 年内变化 直接影响着径流的年内分配 冰雪融水及季节性积雪融水补给的河 流 年内气温变化过程与径流季节分配关系密切 流域内有湖泊 水库调蓄或 其他人类活动因素影响的 则使径流的年内变化更为复杂 冬季 12 2 是 我国河川径流量最为枯竭的季节 统称冬季枯水 春季 3 5 是我国河 川径流普遍增多的季节 到增长程度相差悬殊 春汛 春旱 夏 季 6 8 是我国河川径流最丰沛的季节 统称夏季洪水 秋季 9 11 是我国河川径流普遍减退的季节 称秋季平水 综合反映河川径流年内 分配不均匀的特征值 枯水枯水是河流断面较小流量的总称 影响因素 a 流域蓄水量的影响因素 b 河 流大小及发育程度因素 c 枯水径流的消退规律 层流与紊流层流与紊流 按水流内在结构的差异 可将水流的运动状态分为层流和紊流 层流层流 全部水流呈平行流束运动 即水质点运动的轨迹线 流线 平行 在水 流中运动方向一致 流速均匀 紊流流态紊流流态是 水流中每个水质点运动速度与运 动方向随时随地都在变化 而且其变化是围绕一个平均值上下跳动的 洪水波洪水波 设雨前河道中原有一稳定水面 降雨后流域地表径流大量注入河槽形 成洪水波 稳定水面上涌入的水量 称为洪水波流量洪水波流量 也称波流量 波流量沿 程向下游移动 就形成了洪水波的运动 洪水波的推移与变形洪水波的推移与变形 洪水波总是以一定速度缓变的波形不断向下游河段推移 运动的 由于波前比降大于波后 即波前水体运动速度大于波后 因此波长相 对增大 波高逐渐减小 这种变形称为洪水波的展开 由于洪水波 何处水深不同 波峰处水深最大 其运动速度大于洪水波上任何一点 因而在 洪水波推移过程中 波前长度逐渐减小 比降不断增大 波峰位置不断超前 而波后长度逐渐拉开 比降逐阵平缓 这种现象称洪水波的扭曲 展开和 扭曲就是洪水波运动过程中的变形 主要原因是水面存在附加比降 变变 形后果形后果 波前越来越短 波后越来越长 波峰不断降低 波形不断变得平缓 波前水量不断向后转移 在稳定流时 水位与流量之间可以是单值关系 河流的环流运动河流的环流运动 a 纵轴环流纵轴环流 旋转轴成水平状 并基本上与纵向主流方向平 行 分弯道螺旋与复合螺旋 弯道螺旋弯道螺旋 主要由弯道惯性离心力作用形成 进去弯道后 受惯性离心力作用 使凹岸水面高于凸岸水面 形成横比降 表 流流向凹岸 底流流向凸岸 在横断面上的投影为一个封闭的环流 复合复合 环流环流 大多发生在较大的顺直河流 由两个或两个以上旋转方向不同的纵轴环 流组成 但在各个环流的交界面上流向必须相同 多半是由于涨水或落水时流 量突然变化而形成的 b 横轴环流横轴环流 旋转轴呈水平状 与纵向的主流相垂直 c 斜轴环流斜轴环流 旋转轴呈水平状 与纵向主流斜交 多为水流离散作用的产物 d 坚轴环流 旋转轴呈铅直方向与主流及河底相垂直 是相对封闭的回旋流 泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度是反映泥沙水力特性的一个重要指标 根据泥沙在水中的运动 状态 可将其分为推移质 悬移质 推移质粒径较粗 其沉降速度比垂向脉动 速度要大的多 不能悬浮在水中 只能在离床面不远的范围内 在纵向水流的 推动下 沿着河底跃移 滚动或滑动 故也称底沙底沙 推移质在运动过程中能经 常与组成河床的泥沙 称床沙 发生交换 悬移质粒径较小 其沉降速度比水 流的垂向脉动流速小 在紊动扩散作用下 可以悬浮在水流中 也称悬沙悬沙 启动流速启动流速是泥沙从静止到运动的临界值 止动流速 泥沙从运动到静止的临界 值 扬动流速扬动流速 流速增大到一定程度后 泥沙不再回到河床上 悬浮在水中随水流 一起下移 此时水流速度称为扬动流速 由于泥沙在启动时除了克服泥沙的重 量外 还 要克服河床的摩擦力及粘结力 而泥 沙止动时没有这个阻力因素 故启动流速大于止动流速 一般说 扬动流速大于启动流速 但对 d 0 08 毫米的细颗粒来说 却不 完全如此 扬动流速小于启动流速 高含沙水流的群体泥沙运动主要特点高含沙水流的群体泥沙运动主要特点 1 运动模式 a 以细粉沙以下的细颗粒为主的高含沙水流呈质浆液 b 以细沙以上的粗颗粒为主的 高含沙水流呈层移运动 c 既有细颗粒物质作为骨架 又富含粗颗粒的高含沙水流保持二相换沙水流的特点 2 悬移运动 3 推移运动 4 浆河运动 5 揭河底现象 冰川形成过程冰川形成过程可分为雪的沉积 粒雪化及成冰作用 3 个阶段 冰川的类型冰川的类型 1 按冰川形态和运动特性划分为大陆冰盖和山岳冰川 2 按冰川发育的水热条件和物理性质分为大陆型冰川 冷冰川 和海洋型冰川 暖冰川 冰川对大气的影响冰川对大气的影响 1 气圈的形成原地 2 形成山区第二降水带 3 冰川风造成的 底逆温 冰川与海洋相互转冰川与海洋相互转换 地球上气候转 冷的时候 冰川的规模就大 大量的水从海洋转移到大陆储存起来 导致海面降低 气候暖和时 冰川退缩 大量的冰川融水又通过 河流汇入大海 导致海面抬升 水库水库由拦河坝 输水建筑 溢洪道 3 部分组成 死水位死水位是根据发电最小龙头和灌溉最低水位而确定设计的一个最低水位 死水位 以下的库容不能用以调节水量 称死库容死库容 为了满足灌溉 发电等需求而设计的库容称为兴利库容 有效库容 兴利库容 相应的水位称为正常高水位正常高水位 为了调蓄入库洪水 削减洪峰 减轻下游洪水威胁 以达到防洪目的的库容 称防洪库容防洪库容 在水库正常运行情况下 当发生设计洪水时 水库允许达到的最好水位 称为设计洪水位或最高洪水位洪水位或最高洪水位 当发生特大洪水 时 水库允许达到的最高水位 称为校核洪水位校核洪水位 在汛期到来之前 常预先把水库放空一部分 利用这部分放空的库容增加 拦蓄洪水的能力 相应于放空的那部分库容的水位称为汛前限制水位 即水库调洪起始水位水库调洪起始水位 清浑水的重量差异是异重流形成的根本原因 清浑水的重量差异是异重流形成的根本原因 异重流是两种重率不同的流体相汇合 由于重率的差异而发生的相对流动 水库异水库异 重流的特性重流的特性 1 异重流体发生后 维持异重流体前进的动力与明渠一样都是重力 到异重流体由于受上层轻水的包围并受上层流水 的浮力作用 故异重流体的有效重力大大减少 2 由于重力作用大大削弱 使惯性力的作用相对显得十分突出 使异重流能够轻易超 越障碍及爬高 3 由于重力作用减弱 阻力作用增强 故异重流运动速度很小 沼泽沼泽 地表土壤层水过饱和地段 特征特征 1 沼泽水的存在形式大都以重力水 薄膜水 毛管水等形式存在于泥炭和草根层中 2 沼泽 水的运动 沼泽径流中除部分沼泽在个别时段有表层流外 大都是空隙介质中侧向渗透的沼泽表层流 3 沼泽水量平衡 蒸发量大 径流量小是沼泽水量平衡分重要特点 4 沼泽的温度 冻结和解冻 表面有积水或表层水饱和的沼泽的温度及日变幅都小于一般地面 表面无积水而近于干燥的泥炭沼泽和潜育沼泽相反 沼泽温度日变化波及的垂直深度一般均很小 高纬度地区沼泽有冻结现象 当潜水位到达沼泽表面时 冻结过程开始较晚 冻结慢 深度小 当表层有机物质接近于干燥时 冷却快 冻结早 但下层冻结很迟 缓 冻结深度也小 同理 春天解冻迟 化透时间晚 沼泽水质特征沼泽水质特征 沼泽谁富含有机质和悬浮物 生物化学作用强烈 一个潮流期 一般指两个落潮流之间的时段 的水位流量关系通常是不规则的环形曲线 泥沙向海输入陆地不断延伸 泥沙向海输入陆地不断延伸 由于陆地表面受流水侵蚀 河流携带大量陆地固体物质输出海洋 此外陆地每年还要向海洋输出大量悬 浮物质 这些物质遇到含盐量高的海水会絮凝沉积于海底 陆缘 一方面增加海洋悬浮沉积物 另一方面形成各种类型的三角洲 使陆地逐渐向海洋延伸 陆地元素不断向海洋迁移陆地元素不断向海洋迁移 河水的理化性质 补给来源 环境条件 人类活动等影响了河水的化学组成 河水中不同的化学成分 每 年都以离子径流形式迁移入海 含水层含水层 指贮存有地下水 并在自然状态或人为状态条件下 能够就出地下水来的岩体 隔水层隔水层 虽然含水 但几乎不透水或 透水能力很弱的岩体 孔隙率 孔隙率 孔隙度 反映含水介质的重要指标 以空隙体积 Vn 与包括空隙在内的岩土体积 V 之比值表示 孔隙率的大小取 决于岩土颗粒本身的大小 颗粒之间的排列形式 分选程度以及颗粒的形状和胶结的状况等 裂隙率裂隙率 Kt 即裂隙体积与包括 裂隙在内的岩石体积之比值 与孔隙相比 裂隙的分布有明显的不均匀性 岩溶率岩溶率 Kk 即溶隙的体积 Vk 与包括溶隙在 内的岩石体积 V 之比值 在空间上极不均匀 蓄水构造体蓄水构造体 是指由透水岩层和隔水层相结合而构成的富集和贮存地下水的地质构造体 3 个基本条件 1 要有透水岩层或岩体 构成的蓄水空间 2 要有相对的隔水岩层或岩体构成的隔水世界 3 具有透水世界 补给水源和排泄出路 地下水流系统的基本特征地下水流系统的基本特征 1 空间上的立体性 2 流线组合的复杂性和不稳定性 3 流动方向上上升与下降的并存性 4 涉及范围小 地下水垂向层次结构的基本模式地下水垂向层次结构的基本模式 自地表面起至地下某一深度出现不透水基岩为止 可区分为包气带和饱和水带两大部分 其中包气 带又分为土壤水带 过滤带和毛管水带 3 个亚带 饱和水带则可区分为潜水带和承压水带 从贮水形式上来看与包气带相结合的是结 合水 包括吸湿水和薄膜水 和毛管水 与饱和水带相对应的重力水 包括潜水和承压水 按地下水的贮水埋藏条件分类 1 气带水 结合水 毛管水和重力水 2 饱水带水 潜水和承压水 按岩石的贮水孔隙得差异 分类 孔隙水 裂隙水 岩溶水 根据气压带厚度不同讲包气带分为厚型 薄型 过度型 潜水潜水 饱水带中自表面向下第一个具有自由水面的含水层的重力水 称潜水 潜水与承压水相比较具有的特点与承压水相比较具有的特点 1 由于潜水 面上没有稳定的隔水层 潜水面痛过包气带中的孔隙与大气相连通 潜水面上任一点的压强等于大气压强 所以潜水面不承受静水压 力 一般情况下潜水分布区与补给区基本一致 2 潜水含水层通过包气带与地表水及大气圈存在紧密联系 因此深受外界气象 水文因 素影响 潜水于地表水之间的互补关系 河岸调节 这种相互补给和排泄关系 称为水力联系水力联系 分为分为 具有周期性的水力联系 具有单向的水力联系 具有间歇型的水力联系 承压水承压水是指充满与两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水 特征特征 1 承压水由于存在隔水层顶板而承受静水压力 最基本特征 2 承压水的分布地区与补给区不一致 3 受外界影响相对要小 动态变化相对稳定 4 水质类型多样 变化大 孔隙水孔隙水 指埋藏与松散岩土孔隙中的重力水 山前倾斜平原上的孔隙水自出山口至平原沿着纵向可分为 3 个水文地质带个水文地质带 深埋带 溢出带 垂直交替带 地下水的补给来源地下水的补给来源 降水入渗补给 地表水补给 凝结水补给 来自其他含水层的补给 人工补给 1 降水入渗补给 是在分 子力 毛管力以及重力的综合作用下进行的 地下水自降水获得的补给量除了与降水本身强度 降水总量有关外 还与土层蓄水能力 有关 2 地表水入渗补给 补给局限于河槽世界 呈线状补给 补给较窄 只要河水位高于地下水位 发生补给地下水现象 3 人工 补给在地下水补给来源中 越来越重要 一类是人类修建水库 引水灌溉农田 一类是有计划有目的的人工回灌 地下水径流类型地下水径流类型 地下水通过补给 径流与排泄 3 个环节来实现交替循环 依循环途径不同可分为垂向交替 侧向交替和混合交替 1 畅流型 2 汇流型 3 散流型 4 缓流型 5 滞流型 地下水的的排泄种类地下水的的排泄种类 1 泉排泄 a 上升泉 承压含水层排泄承压水的方式 b 下降泉 无压含水层排泄地下水的一种方式 2 蒸发排泄 3 泄流排泄 越流补给 越流补给 处在两个含水层中间 由粘性土构成的隔水层存在着由下层含水面过粘土层补给上层的现象称为越流补给 从地下水流运动的空间变化看 可分为 3 种类型 线状流 平面流 空间立体流 等流时线等流时线 把流域内汇流时间相等的各点所连成线 单位线单位线 在单位时间内 均匀分布的单位净雨量在流域出口断面形成的地面径流过程线 利用单位线来推求洪水汇流过程线 称为 单位线法 单位线法 海水运动结构海水运动结构 洋