水文学(考试重点).doc

1.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。2.研究对象：地球上的水.（1）水本身性质.（2）水与地理环境、人类的联系 水文学的特点：一方面，具有自然属性，属于地球科学的范畴；另一方面，又具有社会属性，属于应用科学的范畴。水文学：地球物理水文学、工程水文学、地理水文学地理水文研究的特点：宏观性：水体运动变化的自然规律、总体演化趋势 综合性：与其它自然地理因素间的相互影响研究 区域性：各水体的区域差异性水文现象的主要特点（水文现象：水循环过程中，水的存在和运动的各种形态。 ）水循环永无止尽，水文现象在空间或时间上存在一定的因果关系。 水文现象在时间上既有周期性又有随机性。 水文现象在地区分布上既存在相似性，又存在特殊性。水文效应 :由于自然或认为因素，使地理环境发生改变，从而引起水循环要素、过程、水文情势发生变化，成为水文效应。水资源的特性自然属性 1,.可再生性 2水循环过程具有无限性的特点，水资源具有可再生性。但这种可更新的水量又是有限的。 3.时空分布的不均匀性 4年内与年际变化大；地区分布不均衡社会属性 1利用的广泛性和不可代替性 2利与害的两重性世界水资源 水资源是指全球水量中可为人类生存、发展所利用的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量。 .最能反映水资源数量和特征的是年降水量和河流的年径流量。区域水资源总量：为当地降水形成的地表水和地下水的总和 =地表水资源量 +地下水资源量重复量水循环基本过程：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，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。水循环机理：第一，水循环服从于质量守恒定律； 第二，太阳辐射与重力作用，是水循环的基本动力；第三，水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈。 第四，全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统。 第五，地球上的水分在交替循环过程中，总是溶解并携带者某些物质一起运动。水循环的实质水循环就是指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、水气输送、凝结降水、下渗及径流等环节，不断的发生相态转换和周而复始运动的过程。试述水循环的作用与效应1 水循环与地球圈层构造：在地球表层系统中，水圈处于主导地位，水圈中的水通过周流不息的循环运动，积极参与了圈层之间的界面活动，并深入4大圈层内部，将它们耦合在一起。2 水循环与全球气候:首先，水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者；其次，水循环通过对地表太阳辐射能的重新再分配，使不同经纬度热量收支不平衡得到缓解；再次，水循环的强弱及路径，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。3 水循环与地貌形态及地壳运动： 4 水循环与生态平衡 5 水循环与水资源开发利用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之间衡。 I.Q=S水量平衡与水循环的关系水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现，是水循环持续不断的基本前提。水循环是地球上客观存在的自然现象，水量平衡是水循环内在的规律水量平衡方程式的通式 I.Q=ds/dt，式中收入项 I和支出项 Q，可视具体情况进一步细分。其简繁程度与所研究的对象以及时段长短有关。例如，对于多年平均来说， s0，可忽略不计；但对于短时段水量平衡方程式而言，蓄水变化量s非但不可忽略，而且必须细分为地表水体蓄水变量、土壤蓄水变量、地下水蓄水变量等。陆地水量平衡方程通用方程： I.Q=S陆地水量平衡方程： P陆R地表 R地下 E陆. T=S陆多年平均： P陆-R = E陆蒸散发蒸散发包括蒸发散发蒸发：水从液态转化为气态的过程。根据蒸发面的不同，蒸发又可分为水面蒸发和土壤蒸发。蒸散发不仅是水的交换过程，亦是热量的交换过程，是水和热量的综合反映水面蒸发是充分供水条件下的蒸发，即某一地区最大的可能蒸发量，也称为潜在蒸发或蒸发能力。水面蒸发的大小受气象条件的控制。影响蒸发的因素（供水条件、土壤特性、动力学及热力学因素）1供水条件 .（不充分供水 ，充分供水 )水面蒸发 含水量达到田间持水量以上的土壤蒸发 蒸发能力，又称潜在蒸发量或最大可能蒸发量2动力学和热力学因素 (动力学因素：影响蒸发面上的水汽分布梯度 )a水汽分子的垂向扩散 b大气垂向对流运动 .热力学因素：(蒸散发的能量源泉) a 太阳辐射 b 平流时的热量交换水汽运输指大气中水分因扩散而由一地向另一地运移，或由低空输送到高空的过程。水汽运输过程中，水汽的含量、运动方向与路线，以及输送强度等会发生改变，对沿途的降水以重大影响。水汽输送主要有大气环流输送和涡动输送两种形式，并具有强烈的地区性特点和季节变化,时而环流输送为主，时而以涡动输送为主。水汽输送主要集中于对流层的下半部。我国水汽输送基本特点 1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。 2.水汽输送既有大气平均环流引起的平均输送，又有移动性涡动输送。 .3地理位置、海陆分布与地貌上总体格局，制约了全国水汽输送的基本态势。 .4水汽输送场垂直分布存在明显差异降水 是水循环过程的最基本环节，是水量平衡方程中的基本参数，决定一个区域水资源的多少。 .形成降水的必要条件是水汽和冷却凝结。这空气的垂直上升运动是促使水汽冷却凝结的主要条件。面降水的计算 把实测的点降水量转化为全区域的降水量 a算术平均法 b垂直平分法（太森多边形法） c等雨量线法 d客观运行法（算术平均法优点）方法简单易行，适合于区域内地形起伏不大，雨量站网稠密且分布较均匀的地区。垂直平分法（太森多边形法） 优点：适用于雨量站分布不均匀的地区。 缺点是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。等雨量线法 优点：.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。计算精确度较高，并有利于分析流域产流、汇流过程。下渗 .下渗又称入渗，是指水从地表渗入土壤和地下的运动过程。影响下渗的因素 1.土壤特性的影响 a土壤的透水性能和前期含水量 b有机质含量 2.降水特性的影响 a下渗率随雨强增大而增大 b强雨点击碎土粒，充填土壤空隙，减小下渗率 .3流域植被、地形的影响 影响下渗时间；植被根系增加裂隙 .4人类活动的影响径流的表示方法 1.流量 Q， m3/s 单位时间内通过某一断面的水量 2.径流总量 W，m3 T时段内通过某一断面的总水量。 W=QT 3.径流深度 R，mm 指将径流总量平铺在整个流域面积上所求得的水层深度。 R=W/F=QT/F 4.径流模数 M，L/skm2 流域出口断面流量与流域面积F的比值；流域内单位面积单位时间内的产生的径流量。 M=Q/F 5.径流系数，无单位比值 某一时段的径流深及与相应的降水量之比值。 =R/P河川径流是怎样形成的？1 降雨时形成径流的前提条件 2 流域蓄渗过程降雨初期，大部分降水并不立即产生径流，而消耗于植被截留、下渗、填洼与蒸发。在降雨过程中，当降雨强度小于下渗能力时，雨水将全部深入土壤中；当降雨强度大于下渗能力时，超出下渗强度的降雨，形成地面积水，蓄积于地面洼地，称为填洼。随着降雨继续进行，满足填洼后的水开始产生地面径流。流域上继续不断降雨，渗入土壤的水使包气带含水量不断增加，土层中的水达到饱和后，在一定条件下，部分水沿坡地土层侧向流动，形成壤中径流；下渗水流达到地下水面后，以地下水的形式沿坡地土层汇入河槽，形成地下径流。因此，流域上的降水，经过蓄渗过程产生了地面径流，壤中径流和地下径流。3 坡地汇流过程超渗雨水在坡面上呈片流，细沟流运动的现象，成坡面漫流。满足填洼后的降水开始产生大量的地面径流，它沿坡面流动进入正式的漫流阶段。坡面漫流在蓄渗容易得到满足的地方先进行，然后其范围不断扩大，地面径流经过坡面漫流而注入河网。壤中流及地下径流在有空介质中运动。4河网汇流过程各种径流成分经过坡地汇流注入河网后，沿河网向下游干流出口断面汇集的过程，即河网汇流过程，这一过程自坡地汇流注入河网开始，直至将最后汇入河网的降水输送到出口断面为止。经过河岸调节和河槽调节过程，使出口断面的流量过程变缓，汇流历时延长，降低出口断面一下发生洪水的可能性。径流形成过程实质上是水在流域的再分配与运行过程。 a产流过程中水以垂向运行为主，它构成降雨在流域空间上的再分配过程，是构成不同产流机制和形成不同径流成分的基本过程。 b汇流过程中水以水平侧向运行为主，水平运行机制是构成降雨过程在时程上再分配的过程，是构成流域汇流过程的基本机制。影响径流的因素 1.气候因素 ：A包括降水、蒸发、气温、风、湿度等。 B降水和蒸发的总量、时空分布、变化特性，直接导致径流组成的多样性、径流变化的复杂性。 C气温、湿度和风是通过影响蒸发、水汽输送和降水而间接影响径流的。 2. 流域下垫面因素 ：下垫面是指与大气下层直接接触的地球表面地理位置、地貌特征、地形特征、地质条件、植被特征 3. 人类活动因素，人类活动对径流的影响主要是通过改变下垫面条件 ,从而直接或间接影响了径流的过程、径流的数量、质量的变化。壤中流发生于非均匀质或层次性土壤中的透水层与相对不透水层界面上，她可以发生在饱和水流情况下，也可以发生在非饱和水流情况下，一般前者是主要的，是形成洪水径流的主要部分。壤中流产流条件 1、要有供水，即上层有下渗水（必要条件） 2、要有比上层下渗能力小的界面（前提条件） 3、供水强度要大于下渗强度（充分条件） 4、产生临时饱和带，还有具有产生侧向流动的动力条件，即坡度及水流归槽条件（充分）壤中径流的产生与降雨强度没有直接关系，它只取决于上层的下渗率。当降雨强度小于上层下渗率时，只要上层下渗率大一下层下渗率，形成临时饱和带，即可产生壤中径流，而且此时只有壤中径流而无地面径流。当降雨强度为最大，上层下渗率次之，下层下渗率最小时，既有地面径流，又有壤中径流发生。河流的水情 ：河流的水文情势主要指河川径流的分布与变化，洪水、枯水的特征等。水情要素 .水情要素是用以表达河流水文情势变化的主要尺度。 .它包括水位、流速、流量等。充分掌握水情要素资料，是研究河流水文的重要基础。水位 .指水体的自由水面高出某一基面以上的高程。流速指河流中水质点在单位时间呢移动的距离。年径流量 一个年度内通过河流某断面的水量，称为该断面以上流域的年径流量。 .实测各年径流量的平均值，称为多年平均径流量。 .实测资料年数增加到无限大时，多年平均流量将趋于一个稳定的数值，此称为正常年径流量。 可以用年平均流量 Q（m3/s）或年径流总量 W（m3）表示，也可以用年径流深 R（mm）及径流模数 M（L/skm2）表示正常年径流量的推求 1.资料充分时 ：算术平均法 2资料不足时 ：利用参证变量的相关分析法延展资料系列（利用相邻流域的年径流量；.利用降水量 ) 3.缺乏实测资料时 :等值线法 ;水文比拟法：利用参证流域的水文特征值年径流量的多年变化过程 1河流各年年径流量的丰、枯情况，可按照一定保证率（P）的年径流标准划分。 2.通常以 P25为丰水年； P75为枯水年； 25 P75为平水年。 .保证率：指大于某一界限值的累积概率值。影响河流年径流量CV的因素有哪些？年径流量：年径流量大，CV值小。 补给来源：以高山冰雪融水或地下水补给为主的河流，年径流CV值小，以雨水补给为主的河流cv值大，尤其是雨水变率打地区，CV值更大流域面积：流域面积小的河流，CV值大于流域面积大的河流。洪水过程线.暴雨洪水在出口断面上的响应,也可以通过流量过程线表达.若先后两次降水由于前期降雨所形成的洪水过程尚未泄完，第二次降雨所形成的洪水又接踵而来，就形成了复式洪水过程线。基流（baseflow）：河川流量中基本稳定的部分，主要来自地下水补给，有时也包括来自湖泊和冰川的补给。枯水是河流断面上较小流量的总称河流的枯水径流过程，实质上就是流域储水量的消退过程，因此影响枯水径流的因素和影响流域蓄水量的因素是密切相关的。河水的运动 1.河水运动过程中的受力 (重力；地转偏向力；惯性离心力；机械摩擦力)2层流与紊流 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：水流中每个水质点运动速度与方向均随时随地都在变化，而且其变化是围绕一个平均值上下跳动的.附加比降：洪水波水面相对于稳定流水面的比降。波前为正，波后为负泥沙的分类 1.按泥沙在水中的运动状态，分为： 推移质（底沙）：粒径较粗，不能悬浮在水中，只能在离床面不远的范围内，沿着河底跃移、滚动或滑动 悬移质（悬沙）：粒径较小，在紊动扩散作用下，可以悬浮在水流中。泥沙的运动 :1.推移质运动 (单颗泥沙的推移运动 ，群体泥沙的推移运动） 2.悬移质运动与推移质运动相关的河流流速定义 1.起动流速 ：使泥沙开始起动的水流流速。 最小的起动流速发生在粒径为 0.2mm处 2.止动流速 ：泥沙停止运动时的水流流速。 起动流速一般为止动流速的1.2-1.4倍 3.扬动流速 ：泥沙开始悬浮时的水流流速。 一般来说，扬动流速大于起动流速，对细颗粒，扬动流速可能小于起动流速群体泥沙的推移运动 1. 沙波运动 ：单颗泥沙的间歇性运动 ；对床沙的分选作用 ；水流速度位于起动流速与扬动流速间时产生沙波。2. 悬移质运动 .悬移质是泥沙运动的主要方式，一般远大于推移质运动。 .悬移质的分布与变化悬移质含沙量沿垂线的分布具有自水面向河底增加的趋势。 .颗粒越细，垂线分布越均匀，越粗则越不均匀。冰川的形成 ：.雪的沉积 .粒雪化 （单个冰晶体积增大，形成圆球状的雪粒 ）松散的雪粒变成比较坚实的固结雪粒和聚合雪粒，使积雪的厚度变薄 .成冰作用 a冷型：低温干燥环境；没有融水渗浸，在压力下雪粒的重结晶，晶粒小 b暖型：气温接近0，渗浸成冰；冷渗浸-重结晶，暖渗浸-重结晶冰川的类型 1.按冰川形态和运动特性划分 a大陆冰盖：补给区占优势，面积大，冰层巨厚，分布不受下伏地形限制；分布在南极和格陵兰 b山岳冰川：运动占优势、积累与消融大致平衡。散布于高山地区，其规模与厚度远不及大陆冰盖。山岳冰川的运动基本上受下伏地形控制。 2.按冰川发育的水热条件和物理性质划分 a大陆型冰川：受大陆性气候影响大，降雨量少，冰雪累积和消融的速度慢，冰川运动相对较弱。如西藏中部和北部、喜马拉雅山脉北坡、青海和甘肃等内陆地区的冰川。 b海洋型冰川：受海洋性气候影响大，冰川恒温层的温度接近零度，活动性强，地貌作用也较强。如：欧洲的阿尔卑斯、我国的西藏东南部与横断山系的冰川。湖泊与水库 水库 是人们按照一定的目的，在河道上建坝或堤堰创造蓄水条件而形成的人工湖泊，其水体运动特性及各种过程，基本上与天然湖泊相似。水位与库容 .设计最低水位：死库容与死水位 a死水位是根据发电最小水头和灌溉最低水位确定，并考虑漏水的淤积情况 b死库容以下的库容不能用以调节水量 c除特别干旱的年份，不动用死库容中的水 .兴利库容 (有效库容)与设计蓄水位 ,满足灌溉、发电等需要而设计的库容 .防洪库容、设计洪水位、校核洪水位和汛前限制水位什么是水库的调节作用？运用水库蓄容径流的能力来抬高水位，集中落差，并对入库径流在时程上，地区上，按各用水部门的需要，重新分配过程，称水库调节。水库的异重流有什么作用？ 减少泥沙堆积，延长水库寿命。径流向海产生哪些汇集效应？ 1 径流补给对近岸海区的冲淡效应2 泥沙向海输入，陆地不断延伸 3 陆地元素不断向大海迁移洋流 .又称海流，即 海洋中河流 ，是指海洋中具有相对稳定的流速和流向的海水，从一个海区水平地或垂直地向另一海区大规模的非周期性的运动。 .洋流的成因主要有大气运动、密度差异、陆地的形状和地球自转产生的地转偏向力等。地下水是存在于地表以下岩（土）层空隙中的各种不同形式水的统称地下水的储存空间含水介质 1.松散岩石中的孔隙 ,孔隙度：孔隙体积与包括孔隙在内的岩土体积之比 .2坚硬岩石中的裂隙 ,裂隙率：裂隙体积与包括裂隙在内的岩土体积之比 .3可溶性岩石中的岩溶 ,岩溶率：溶隙体积与包括溶隙在内的岩土体积之比含水介质的水理性质 1.与水分的贮容、运移有关的岩石性质 a持水性：岩土在重力作用下，依靠分子力和毛管力仍然保持一定水分的能力持水度：饱水岩土经重力排水后所保持水的体积和岩土总体积之比 b给水性：饱水岩土在重力作用下能自由排出水的性能；给水度：饱水岩土在重力作用下，能自由排出水的体积和岩土总体积之比地下水类型 1按地下水的埋藏条件分：包气带水；潜水；承压水 2按含水介质类型分 ：孔隙水；裂隙水；岩溶水潜水与承压水定义 潜水 饱水带中自地表向下第一个具有自由水面的含水层中的重力水 .承压水 充满于两个稳定隔水层间的含水层中的地下水潜水与承压水特征 潜水 1潜水面上没有稳定的隔水层，通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，不承受静水压力。 2一般情况下，潜水分布区与补给区基本一致 3通过包气带与地表水及大气圈之间存在密切联系，受外界气象、水文因素的影响，动态变化比较大，呈现明显的季节变化。承压水 1由于存在隔水层顶板而承受静水压力 2承压水的分布区与补给区不一致 3受外界的影响相对要小，动态变化相对稳定 4水质类型多样孔隙水 埋藏于松散沉积物颗粒构成的孔隙网络中的重力水。 a孔隙水既可以是承压的，也可以是非承压的。 b水量在空间分布上相对均匀，连续性好 c一般为层状分布，同一含水层中的孔隙水具有密切的水力联系，具有统一连续的地下水面主要的孔隙介质类型：洪积物：由洪流形成的沉积物 冲积物：河流沉积的物质 冰积物：冰川沉积的物质 湖积物：湖泊沉积的物质裂隙水 存在于岩石裂隙中的地下水。 a裂隙水的埋藏、分布与运动规律，受岩石的裂隙类型、裂隙性质、裂隙发育的程度的控制。 b裂隙水主要分布于基岩广布的山区，平原地区一般仅埋藏于松散沉积物所覆盖之下的基岩中，在地表极少出露。裂隙类型：成岩裂隙，风化裂隙，构造裂隙 .与孔隙水相比，裂隙水具有以下特点 a裂隙水埋藏与分布极不均匀 b裂隙水的动力性质比较 c基岩裂隙的发育具有明显的分带性，通常由地复杂表向下随着深度的增加，裂隙率迅速递减河流有哪几种补给形式？各有何特点？一、雨水补给 最重要，多发生在夏、秋。 补给特点：不连续性和集中性。 流量过程线：锯齿状。二、季节性积雪融水补给 多在春季发生(北方). 补给特点：连续性和时间性。 过量过程线：双峰(春、夏)三、冰雪融水补给 高山地区永久积雪或冰川，在干旱、半干旱山区，多发在夏季。特点：单位面积出水率高，与太阳辐射、气候的变化一致。 流量过程线：单峰(夏)。四、湖泊、沼泽水补给 起调节作用，流量过程平缓五、地下水补给 是河流水量可靠而经常的来源，浅层受季节变化影响大，深层受季节变化影响小