水文业务知识资料

1、水文基础知识第一章概述自然界各种水体的存在形式和运动过程称为水文现象。如蒸 发、降水、水流的循环过程是水文现象；河流和湖泊中的水位涨 落、流量的大小、河流含沙量的大小及输沙的多少、水温冰清变化 等也是水文现象。作为自然科学的水文学就是研究水文现象，阐明 水文循环和水位现象各要素物理机制与相互关系的学问。作为应用 科学的水文学就是研究河流及湖泊、冰川、沼泽、地下水、河口等 水体中的时空分布、变化规律，为了防治水害和开发水资源奠定基 础。水文科学主要靠建立从局部到全球的水文观测站网，通过对自 然界业已发生的水文现象的观测进行分析和研究，根据已有的水文 资料，预测或预估水文情势未来状况，直接为人类的

2、生活和生产服 务。按地球圈层范畴，水文学可分为水文气象学、地表水文学和地 下水文学。其中，地表水文学又可分为陆地水文学和海洋水文学。 陆地水文学主要研究存在于大陆表面的各种水体及其水文现象的形 成和运动变化规律。按目前的任务方向，业务水文基本规划为水文 测验及资料整编、水文水利计算、水文预报三个领域。第二章水循环地球上的水以液态、固态和气态分布于地面、地下和大气中， 形成河流、湖泊、沼泽、海洋、冰川、积雪、地下水和大气水等水 体，构成一个浩瀚的水圈。水圈处于永不停息的运动状态，水圈中 各种水体通过蒸发、水汽输送、降水、地面径流和地下径流等水文 过程紧密联系，相互转化，不断更新，形成一个庞大的动

3、态系统。在太阳能的作用下，自然界中的水分不断地从水面、陆面和植 物表面蒸发，化为水汽上升到高空，然后被气流带到其他地区，在 适当的条件下凝结，又以降水的形式降落到地面上。到达地面的 水，在重力作用下，一部分渗入地下成为地下水，一部分形成地面 径流流入江河汇归海洋，还有一部分又重新蒸发回到大气中。其中 渗入到地下的地下水，一部分也逐渐蒸发，一部分渗入到地下，增 加土壤的水份，补给地下水，最终也流入海洋。水的这种不断蒸 发、输送、凝结、降落、产流、汇流的转化、迁移和交替的往复循 环过程，称为水循环（也称为水文循环）。水文循环过程见图2.1（图中数字为全球水循环各环节年度数值）。图2.1水文循环过程

4、示意图（单位：万km2/a）水自海洋以水汽进入空气中，被气流带到大陆以降水的形式到 达地表或地下，最后又以径流注入海洋，完成一次循环，称为水文 大循环。水从海洋蒸发，又降落到海洋，或从陆地的水体、土壤蒸 发进入大气，最后又以降水的形式回到陆地上，这种“就地”蒸发就 地降落的水循环，称为水文小循环。水文循环无始无终，大致沿着 海洋（或陆地）一大气一陆地（或海洋）一海洋（或陆地）的路 径，循环不已。水文循环的内因，是水的三态（液态、气态和固 态）在常温下相互转换的物理特性，而外因则是太阳的辐射能和地 心引力。在地面以上平均约11km的大气对流层顶至地面以下12km深处的广大空间，无处不存在水文循环

5、的行踪。全球任何一 个地区或水体都存在着各具特色的区域水文循环系统，各种时间尺 度和空间尺度的水文循环系统彼此联系、制约，构成了全球水文循 环系统。水文循环包括许多过程。一般都要经过蒸发、降水（包括凝结 过程）、径流形成（包括地面和地下径流以及下渗过程）和大气水分 输送四个重要环节。不同纬度带的大气环流使一些地区成为水汽源 地，那里蒸发大于降水，而使另一些地区成为水汽辐合区，那里降 水大于蒸发。降水可形成径流，不同规模的跨流域调水工程能够改 变地面径流的路径。第三章河流、水系、流域3.1河流降水或由地下涌出地表的水，汇集在地面低洼处，在重力作用 下经常或周期性地沿流水本身造成的洼地流动，这就是

6、河流。河流 根据其地理-地质特征可分为河源、上游、中游、下游、河口五段。 水文学中一般描述河流特征的要素有以下几种：河流长度指从河源起始断面，沿河流中泓线至终了断面的距离，以L表 示，单位为km。它是决定水系槽蓄量的一个重要参数。河流弯曲率指在河流上取两横断面，其沿河流中泓线的长度与该两点之间 的直线长度的比值称为这两点之间河段的弯曲率。河道比降任意河段两端的高差称为落差，单位河长的落差称为河道纵比 降。当河道纵断面近于直线时，比降按下式计算：J _ hh _ Ah_ 11 2 - T式中，J一河段的比降；hf h2一河段上、下断面水面或河底高程，m；1 一河段长度，m。当河底高程沿程变化时，

7、可在纵断面图上从下断面河床处作一 斜线，使斜线以下的面积与原河底线以下面积相等，该斜线的坡度 即为河道的平均比降，河道纵比降示意图见图2.2。计算公式如下:,(h + h)l + (h + h )l + + (h + h )l - 2h LJ = 0 1 1 1 22n-1 nn0L式中，hi，,hn 一自下游到上游沿程各点河底高程，m；li，.，ln一相邻两点间的距离，m；L 一河段的全长，m。图2.2河道纵断面示意图河流纵断面河流中沿水流方向各断面深泓点河底的连线称为中泓底线，反 映了河床高程的沿程变化。通过中泓底线的竖直剖面称为河流的纵 断面。与对应水面高程(水位)沿程变化水面线所夹持的

8、过流纵断 面区为水流纵剖面。以河底高程为纵轴，距河口的距离为横轴建立直角坐标系，据 实测河底高程值定出各点的坐标，连接各点即得到河流的纵断面 图。河流纵断面图能够直观地反映河流比降的变化。河流横断面指河流垂直于水流方向的剖面，可据实测河道地形高程数据绘 出横断面图。断面内通过水流的部分称为过水断面，相应的面积为 过水断面面积。不同水位的河槽，相应的过水断面面积不同。左岸、右岸面向下游，左边的河岸称为左岸，右边的河岸称为右岸。3.2水系河流沿途接纳很多支流，并形成复杂的干支流网络系统，这就 是水系。在我国河流编码标准中，有两条以上大小不等的支流以不同形 式汇入干流，才构成一个河道体系，称为水系或

9、河系。水系中的河流有干、支流之分。干流一般是指水系中最长、水 量最大的那一条河流。但有些河流的干流，既不是最长也非水量最 大，而是历史传承的延续。例如，我国的汉水（清水）和它的支流 褒水会合点以上，褒水的长度比汉水长得多，按长度论，汉水的干 流应该是褒水而不是汉水。美国的密西西比河比它的支流密苏里河 短得多，但是习惯传承把前者当作干流。流入干流的河流称为支流。而支流又有一级、二级、三级，之 分。在我国，一种惯用的方法是，把直接汇入干流的河流称一级支 流，汇入一级支流的称二级支流，以此类推。水系的名称通常以于流的河名命名，如长江水系、黄河水系、 珠江水系等。但也有用地理区域或把同一地理区域内河性

10、相近的几 条河作为综合命名，如湖南省境内的湘、资、沅、澧四条河流共同 注入洞庭湖，称为洞庭湖水系；江西省赣江、抚河、信江、饶河、 修水均汇入鄱阳湖，称为鄱阳湖水系；海河、滦河、徒骇河及马颊 河都各自入海，称为华北平原水系等。3.3流域每一条河流和每一个水系都从一定的陆地区域（包括一定深 度）上获得补给，这部分陆地便是河流和水系的流域。水文学一般 描述流域特征的要素有以下几种：流域面积流域地面分水线和（或）出口断面所包围区域的水平面积，又 称集水面积，基本单位为km2。中国河流众多，流域面积在100km2 以上的河流约5万条，流域面积在1000km2以上的河流约1500条， 超过1万km2的河流

11、有79条，其中长江流域面积达180万km2。在 同等降水情况下，流域面积大小直接影响河流水量大小及径流的形 成过程。河网密度河系中河道的密集程度可用河网密度表示，即单位流域面积上 的河流长度。河网密度等于流域中干支流总长度和流域面积之比，基本单位 为km/km2。河网密度越大，排水能力越强。流域形状系数流域形状系数Ke是流域分水线的实际长度与流域同面积圆的 周长之比。流域形状与圆的形状相差越大，流域形状系数Ke越 大。Ke值接近于1时，说明流域的形状接近于圆形，这样的流域易 造成大的洪水。Ke值越大，流域形状越狭长，径流变化越平缓。第四章地表水与地下水4.1地表水地表水指存在于地壳表面，暴露于

12、大气中的水，亦称陆地水。 地表水水体基本赋存类型为河流、冰川、湖泊、沼泽四种，其水资 源意义如下：河流是最活跃的地表水体，它水量更替快，水质良好，便于取 用，历来就是人类开发利用的主要对象，在农业灌溉、城镇供水、 水力发电和航运等方面为促进社会经济发展起到了巨大的作用。但 由于河川径流的年际、年内变化大，多水季节容易发生洪涝灾害， 所以在开发利用河流水时要体现兴利与除害并重。淡水湖和水库具有存储、调节径流的作用，能缓解来水与用水 的矛盾，提高河川径流的利用程度。咸水湖直接供水意义不大，但常蕴藏丰富的矿物资源。极地冰川和冰盖目前尚难以开发利用，但中低纬度的高山冰川 则是巨大的“固体水库”，可储存

13、固态降水，冰雪融水对河流有补给 调节作用。沼泽是生长喜湿植物的过湿地，对维护生物多样性作用较大。4.2地下水地下水一般指存在于地表以下岩土的空隙、裂隙和洞穴中的水。地表以下含水的岩土可分两个带。上部为包气带，也称非饱和 带，岩土的空隙中除水以外还包含空气。下部为饱水带，也称饱和 带，岩土的空隙被水充满。狭义的地下水指埋藏于地面以下岩土孔 隙裂隙溶隙饱和带中的重力水，广义的地下水指地面以下各种形式 的水。地下水主要来源为大气降水入渗，排泄有出露泉、潜水蒸发、 排向地表水体（如河流枯水期的基流，主要靠地下水补给）、越流排 泄和各种人工排泄（如吸取井水）。根据地下埋藏条件的不同，地下水可分为上层滞水

14、、潜水和承 压水三大类。上层滞水是由于局部的隔水作用，使下渗的大气降水停留在浅 层的岩石裂隙或沉积层中所形成的蓄水体。潜水是埋藏于地表以下第一个稳定隔水层上的地下水，通常所 见到的地下水多半是潜水。当潜水流出地面时就形成泉或渗流细水。 它主要由降水和地表水入渗补给。承压水一般是埋藏较深、处于两个隔水层之间的地下水。这种 地下水往往具有较大的水压力，当井或钻孔穿过上层顶板时，强大的 压力就会使水体喷涌而出，形成自流水。第五章水量平衡水量平衡为水循环的数量表达。按质量守恒定律，其基本意义是 指，在给定任意尺度的时域空间中，水的运动（包括固、液、气态的 相变）有连续性，在数量上保持着收支平衡。作为具

15、体的理解，水量 平衡为水文循环过程中某区域在任一时段内，输入的水量等于输出的 水量与蓄水变量之和；或一定区域（或水体）在一定时段内水的收入 量与支出量之差等于该区域（或水体）的蓄水变量。蓄水变量指时段 始末区域内蓄水量之差（时段开始可能有蓄水也可能无蓄水）。从本质上说，水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体 现，也是地球上水循环能够持续不断进行下去的基本前提。一旦水量 平衡失控，水循环中某一环节就要发生断裂，整个水循环亦将不复存 在。反之，如果自然界根本不存在水循环现象，亦就无所谓平衡了。 因而，两者密切不可分。对某一区域，通用的水量平衡方程式为：I - O = AS式中，I、。一给定时

16、段内输入、输出该区域的总水量；AS 时段内区域蓄水量的变化量。水量平衡是水文、水资源学科水文现象和水文过程分析研究的基 础，同时又是研究和解决一系列实际水资源数量和质量计算及评价问 题的依据、手段和方法，因而具有十分重要的理论意义和实际应用价 值。通过水量平衡的研究，分析水循环系统内蒸发，降水及径流等各 个环节相互之间的内在联系，揭示自然界水文过程基本规律，认识和 掌握河流、湖泊、海洋、地下水等各种水体的基本特征、空间分布、 时间变化以及今后发展趋势，进而可以定量地探索水循环过程与全球 或区域地理环境、自然生态系统及人类活动之间的相互联系、相互制 约的关系，消除或减缓消极影响，发展或增强积极影

17、响，维护可持续 发展。第六章水文测站与水文站网6.1水文测站水文测站是在河流上或流域内设立的，按一定技术标准经常收集 和提供水文要素的各种水文观测现场的总称。水文测站有多种分类， 下面仅介绍常见的几种分类。按目的和作用分类基本站是为综合需要的公用目的，经统一规划而设立的水文测站。基本 站应保持相对稳定，在规定的时期内连续进行观测，收集的资料应刊 入中华人民共和国水文年鉴或存入国家基本水文数据库。实验站是为深入研究某些专门问题而设立的一个或一组水文测站，实验 站也可兼作基本站。专用站是为特定目的而设立的水文测站，不具备或不完全具备基本站的 特点。辅助站是为帮助某些基本站正确控制水文情势变化而设立

18、的一个或一 组站点。辅助站是基本站的补充，弥补基本站观测资料的不足。计算 站网密度时，辅助站一般不参加统计。按观测项目分类水文站是设置在河流、渠道和湖泊、水库进出口以测定流量和水位为 主的水文测站。根据需要还可测定降水、蒸发、泥沙、水质等有关 项目。水位站是以观测水位为主，可兼测降水量等项目的水文测站。降水量站又称雨量站，是观测降水量的水文测站。蒸发站是观测蒸发量的水文测站。6.2测站编码测站编码也称测站代码，是表征测站的地域位置及性质，并便于 计算机识别的水文测站的代码。编码采用由数字和英文字母组成的8 位字符串，字符串分三部分，第1-3位为流域水系（分区）码，第4 位为站类码，第5-8位为

19、测站序号。第1位为流域代码，用于表示水系所属的流域（片）。全国共划 分为十个流域（片），以代码0-9表示。1表示黑龙江流域；2表示辽 河流域；3表示海河流域；4表示黄河流域；5表示淮河流域；6表示 长江流域；7表示东南诸河（浙闽台河）流域；8表示珠江流域；9表 示西南诸河（藏滇国际河流）流域；0表示内陆河流域。第23位为水系代码，代表水系（分区）的序号，将10个流域 （片）划分为174个水系（分区），各流域水系独立编码。第4位为站类码，表示水文测站类型。1用于水文站或水位站； 25用于表示降水（蒸发）站；67用于地下水站；89用于水质站； A用于其它站。第58位为测站代码，代表测站序号。用于表

20、示所属站类的各 个测站在流域、水系中的编号。6.3水文站网水文站网是在一定地区或流域内，按一定原则，用一定数量的各 类水文测站构成的水文资料收集系统。收集某一项目水文资料的水文 测站组合在一起，构成这个单一项目类型的站网，一般有流量站网、 水（潮）位站网、泥沙站网、降水量站网、水面蒸发站网、地下水站 网、水质站网、墒情站网等。流量站（通常称作水文站）一般应观测 水位，可兼测其他观测项目。水面蒸发站应观测降水量。监测某一方面功能的水文测站结合在一起，组成这个功能的水文 站网，如水资源管理监测站网、防汛监测站网、水资源保护监测站网、 水土保持监测站网、旱情监测站网、水生态监测站网、水文基本规律 探

21、索监测站网、水文科学实验监测站网等。各类水文测站可根据功能 要求设立测验项目。第七章水文勘测勘测一般意义是查勘、勘探和测量工作的总称。水文勘测是水文 工作的基础，按工作程序和任务内容可分为设站前查勘、水文调查和 水文测验等。其中，水文测验是长期的业务，通过测站或相应机构的 驻站测验（定位观测）、巡回测验、整编和分析水文资料等业务为水 利建设和其他国民经济建设提供水文数据。7.1设站前查勘规划或准备设立水文站前，应对流域地质、地貌、河流特性、工 程措施及资料、开发规划等进行仔细的勘察、调查。在确定测验河段 的位置和进行断面布设时，应勘察河势，了解河道弯曲和顺直段长度， 两岸和堤防控制洪水的能力等

22、。7.2水文调查水文调查是为弥补水文基本站网定位观测不足或其他特定目的， 采用勘测、考察、调查、考证等手段而进行的收集水文及有关资料的 工作。包括测站附近河段和以上流域内的蓄水量、引入引出水量、滞 洪、分洪、决口和人类其他活动影响水文情况的调查。旨在对水体形 态和数量、集水面积内的自然地理条件等作出科学的分析和评价。在 我国，历史大暴雨、历史大洪水和枯水的调查是水文调查的重要内容。 在组织实施方面有测站年度调查和专门调查等。7.3水文测验水文测验工作就是正确、经济、迅速地测定各种水文要素的数量 及其在时间和空间上的变化，还包括站网布设、测验方法和资料整编 方法的研究，也包括测量仪器的研制和资料

23、存储、检索、传输系统的 研究。根据测验方式的不同通常可分为驻测、巡测和遥测及流量间测。驻测指测验人员常驻测站实施测验。工作内容主要包括：水文普通测 量，水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰情、土壤含水量、地 下水等水文要素的监测与信息报告上传，资料整编等。有时也可承担 水文情报预报、水文分析计算、水资源分析评价等任务。巡测指对一些没有必要作驻站测验的断面或地点进行定期巡回测验， 如枯水期和冰冻期的定期流量、泥沙测验，定期水质取样测定等水文 测验一般可采用巡测方式。遥测指作业人员不到测验现场，利用传感技术、通信技术和数据处理 技术实现水文要素监测。遥测可提高自动化水平，取得较多实时动态 性能数

24、据，可使原来某些难以进行人员实地的观测得以实现，也可提 高劳动生产率，改善劳动条件。在取得多年实测流量资料后，如经分析证明已建立的水位流量关 系比较稳定，并能满足推算逐日流量及各种径流特征值的精度要求， 则可采取停测一个时期后再行施测流量的间测办法，但水位不宜实施 间测。第八章防汛抗旱8.1汛期根据一年内河流水情的变化特征，可以分为若干个水情特征时期， 如汛期、平水期、枯水期及冰冻期。河流处于高水位大流量的时期通 常称为汛期。河流处于中常水位的时期是平水期。河流处于低水位的 时期是枯水期。我国河流的主汛期多在夏（秋）季，平水期多在秋（冬） 季，枯水期一般在冬（春）季。河流冰冻期在气温较低的冬（

25、春）季。在汛期，由于降水量大，地表径流量多，河流水位较高，或多发 生水灾。在枯水期河流主要依靠地下水补给，流量和水位变化很小。 从汛期到枯水期之间地表径流量消退过渡时期即平水期，水位处于中 常状况。这些变化会影响人们的生产、生活。按照一年中高水位大流量出现的时段，汛期可分为春汛（黄河流 域的桃汛）、伏汛、秋汛和凌汛。春季积雪融化形成的河流高水位， 叫做春汛。我国华北、东北的河流都有春汛，但水量比伏汛小，历时 也不长。我国绝大多数河流的高水位是夏季（伏天）集中降雨造成的， 又叫伏汛（主汛期）。伏汛期径流量大，洪峰起伏变化急剧，是全年 最重要的水情阶段。8.2防汛（防洪）洪水通常是指由大暴雨、急骤

26、融冰化雪、风暴潮等自然因素引起 的江河湖海水量迅速增加或水位迅猛上涨的水流现象，这种水的径流 往往引起山洪暴发、河水漫溢两岸或造成堤坝决口、淹没农田城镇、 毁坏设施等灾害。按照出现的频率，洪水分为一般洪水（重现期小于10年）、较大 洪水（重现期1020年）、大洪水（重现期2050年）、特大洪水（重 现期超过50年）。防汛即是防洪，就是汛期防止洪水灾害，保障防护区人民生命财 产安全和国民经济顺利发展的工作，是水利的重要组成部分。国家根 据需要与可能，对不同保护对象颁布了防洪标准等级。防洪标准等级 划分可用设计洪水（包括洪峰流量、洪水总量及洪水过程）或设计水 位表示。一般以某一重现期（水文事件发生

27、频率的倒数）的设计洪水 为防洪标准，如百年一遇洪水；也可用实际发生过的洪水作为防洪标 准。在防洪工程的规划设计中，一般按照规范选定防洪标准，并进行 必要的分析论证。8.3抗旱干旱是因长期少雨而空气干燥、土壤缺水的气候现象。旱灾指因 气候严酷或不正常的干旱而造成土壤水分不足，不能满足农作物、牧 草等生长的需要，使之减产或绝产的灾害。旱灾可带来粮食问题，甚 至引发饥荒；早灾亦可令人类及动物因缺乏足够的饮用水而致死。旱 灾常是面积较大的普遍性自然灾害，是严重的生态环境问题。干旱指标等级划分，以国家标准气象干旱等级（GB/T20481-2006）中的综合气象干旱指数为标准，通常将年降水量少于250mm

28、 的地区称为干旱地区，年降水量为250500mm的地区称为半干旱地 区。经常发生早灾的地区称为易旱地区。通常将农作物生长期内因缺 水而影响正常生长称为受早，受早减产三成以上称为成灾。自然界的干旱是否造成灾害，受多种因素影响。世界范围各国防 止干旱的主要措施有：兴修水利，开发供水工程，发展农田灌溉事业。改进耕作制度，改变作物构成，选育耐旱品种，充分利用有限 的降水。植树造林，改善区域气候，减少蒸发，降低干旱的危害。研究应用现代技术和节水措施，例如人工增雨，喷（滴、渗） 灌、地膜覆盖、保墒，以及暂时利用质量较差的水源，包括劣质地下 水以至海水等。第九章水资源9.1基本概念水资源狭义的水资源是指可供

29、人类直接利用，能不断更新的天然淡水， 主要指陆地上的地表水和地下水。包括经人类控制并直接可供灌溉、 发电、给水、航运、养殖等用途的地表水和地下水，以及江河、湖泊、 井、泉、潮汐、港湾和养殖水域等。通常以淡水体的年补给量作为水 资源的定量指标，如用河川年径流量表示地表水资源量，用含水层补 给量表示地下水资源量。广义的水资源是指自然界任何形态的水，包 括气态水、液态水和固态水。中华人民共和国水法中规定：本法 所称水资源，包括地表水和地下水。水资源总量水资源总量是指评价区内降水形成的地表和地下产水总量，即地 表产流量与降水入渗补给地下水量之和，不包括过境水量。地表水资 源量是指评价区内河流、湖泊、冰

30、川等地表水体中可以逐年更新的动 态水量，即当地天然河川径流量。地下水资源量是指评价区内降水和 地表水对饱水岩土层的补给量，包括降水入渗补给量和河道、湖库、 渠系、渠灌田间等地表水体的入渗补给量。水资源总量由地表水资源量加地下与地表水资源不重复量而 得。水资源的特性水资源具有补给的循环性、变化的复杂性、利用的广泛性和利害 的双重性等特点。水资源在自身的循环过程中可不断恢复和更新，在 时空分布上具有明显的不均衡性，在生产生活中水的利用无处不在， 同时水的多寡也是一把双刃剑，水利和水害双重性十分明显。9.2水资源开发利用在世界许多地方，对水的需求已经超过水资源所能负荷的程度， 同时有许多地区也濒临水

31、资源利用不平衡的严重境况。由于人口的增 长和社会经济的发展，以及水资源时空分布上的不均衡性，尽管淡水 水资源极其有限，我们还不得不更好地合理开发利用水资源。水资源合理开发利用是人类可持续发展概念在水资源问题上的 体现。是指在兼顾社会经济需水要求和环境保护的同时，充分有效地 开发利用水资源，并能使这种活动得以持续进行。水资源开发利用率水资源利用程度的主要指标为水资源开发利用率，其意义是指流 域或区域用水量占水资源可利用量的比率，体现的是水资源开发利用 的紧张程度。国际上一般认为，水资源开发利用率大于40%时，用水 高度紧张，出现严重水荒，急需加强供需管理；2040%时，用水中 高度紧张，需解决用水争抢问题，同时特别关心水生生态系统，需要 大量投资来提高用水效率。目前，黄河、海河、