水文學(xué)

Hydrology清華大學(xué)水文水資源研究所武曉峰目錄水文學(xué)根本概念數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算設(shè)計(jì)洪水計(jì)算地下水根本概念地下水運(yùn)動地下水資源評價水文學(xué)的研究領(lǐng)域：大氣中的水海洋中的水陸地的水〔地表水、地下水、土壤水等〕水圈與大氣圈、巖石圈和生物圈等地球自然圈層的相互關(guān)系水文現(xiàn)象的根本規(guī)律及水文學(xué)的研究方法1〕水文現(xiàn)象的根本規(guī)律：水文現(xiàn)象確實(shí)定性規(guī)律〔Determination)

水文現(xiàn)象的隨機(jī)性規(guī)律(Randomness)

水文現(xiàn)象的周期性變化；

水文現(xiàn)象的因果關(guān)系。

水文現(xiàn)象在時間和數(shù)量上不重復(fù)。2〕水文學(xué)的根本研究方法：—成因分析法(GeneticAnalysis):主要以數(shù)學(xué)和物理學(xué)原理為根底，通常建立某種形式確實(shí)定性模型，研究水文要素與影響因素之間定量關(guān)系?！獢?shù)理統(tǒng)計(jì)法

(MathematicalStatistics):以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)為根底，通常建立某種概率模型，探討水文現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。水文循環(huán)的定義：地球外表的廣闊水體，在太陽輻射作用下蒸發(fā)變成水汽，上升到空中，被氣流帶動輸送到各地，在這過程中，水汽遇冷凝結(jié)，以降水的形式降落到地面和海洋，降至地面的那局部水，再從河道以地表水或滲入地下以地下水形式補(bǔ)給河流，最終流入海洋。水分這種往返循環(huán)、不斷轉(zhuǎn)移交替的現(xiàn)象稱為水文循環(huán)或水循環(huán)〔WaterCirculation/Cycle〕。1.水文循環(huán)(HydrologicCycle)

水循環(huán)的外因：

太陽輻射能和地球引力的存在。

水循環(huán)的內(nèi)因：

水物理三態(tài)(氣、液、固)之間的相互轉(zhuǎn)化。水循環(huán)的四個主要過程：蒸發(fā)

(Evaporation)降水(Precipitation)入滲(infiltration)徑流(Runoff)海洋上空大陸上空海洋地下陸面降水蒸發(fā)返回大氣地面徑流匯入河川海洋蒸發(fā)降水氣流輸運(yùn)大循環(huán)：小循環(huán)：自然界水循環(huán)據(jù)其規(guī)模及涉及的地域尺度可分為二類：地下徑流水文循環(huán)1)天空、地面和地下之間通過降水、蒸發(fā)和入滲過程進(jìn)行垂向水分交換。2)海洋和陸地之間水分交換特點(diǎn)：交換總的結(jié)果是：由海洋向陸地輸送的水分是正的。

海洋和陸地之間的水汽輸送是雙向交換，陸地還以地面徑流和地下徑流的形式向海洋輸送水分;結(jié)論：水體類別更新時間世界大洋2500年深層地下水1400年湖泊水17年土壤水1年河流水16天大氣水8天全球2400年地球上各種水體的更新速度中國的水文循環(huán)路徑示意圖42.0%23.5%22.5%12.0%年均凈輸入水汽量：23757億m3中國多年平均年降雨量分布圖400800200干旱帶<200半干旱帶半濕潤帶濕潤帶800~16002.水量平衡水文學(xué)的最根本的原理之一。水量平衡是水文循環(huán)的定量描述，是水文循環(huán)遵守質(zhì)量守恒定律的具體表現(xiàn)。水量平衡指地球某一區(qū)域(可以是某個流域、湖泊、沼澤、海洋或某個地區(qū)，也可以是整個地球)。在一定時段內(nèi)(時段可以是日、月，也可以是一年、數(shù)十年或更長的時間)，輸入該區(qū)域的水量與輸出的水量之差等于該區(qū)域內(nèi)的蓄水變化量(蓄水變量指時段始末區(qū)域內(nèi)蓄水量之差)。水量平衡的數(shù)學(xué)表達(dá)式：來水量-出水量=區(qū)域內(nèi)蓄水變量InflowOutflowStoragechange

式中:

I

：給定時段內(nèi)輸入研究區(qū)域的總水量O

：給定時段內(nèi)輸出研究區(qū)域的總水量

△W

：時段內(nèi)研究區(qū)域蓄水量的變化量

I-O=△W(單位：m3

或mm)用水量平衡方程表示：〔1〕假設(shè)僅以地球陸地為研究水量平衡對象，某時段△t內(nèi)的水量平衡方程可寫成：Pc－R－Ec=△Wc式中，Pc：在時段內(nèi)陸地的降水量；

Ec：在時段內(nèi)陸地的蒸發(fā)量；R：時段內(nèi)由陸地流入海洋的徑流量；△Wc：在時段內(nèi)陸地蓄水量的變化量。1〕地球上的水量平衡地球由陸地和海洋兩局部組成的，可分別寫出水量平衡式〔2〕假設(shè)僅以地球海洋為研究水量平衡對象，某時段△t內(nèi)的水量平衡方程可寫成：Ps＋R－Es=△Ws式中，Es：在時段內(nèi)海洋的蒸發(fā)量；Ps：在時段內(nèi)海洋的降水量；R：時段內(nèi)由陸地流入海洋的徑流量；△Ws：在該時段內(nèi)海洋蓄水量的變化量。式中上標(biāo)‘

’表示多年平均值。上二式相加得：或：式中：—陸地水量平衡方程—海洋水量平衡方程在多年平均的情況下，△Wc→0，△Ws→0，那么2〕河流流域的水量平衡〔內(nèi)容后述〕

全球的水量平衡式結(jié)論：根據(jù)全球的水量平衡式，說明對于全球而言，多年平均降水量是與多年平均蒸發(fā)量相等的

接受一定區(qū)域內(nèi)地表水和地下水補(bǔ)給，經(jīng)?；蜷g歇地沿著狹長凹地流動的水流稱為河流。它是地球上水文循環(huán)的重要路徑，也是泥沙、鹽類和化學(xué)元素等進(jìn)入湖泊、海洋的通道。河川徑流河流〔包括干流、支流〕和流域內(nèi)的湖泊、沼澤或地下暗河彼此連接組成一個龐大的系統(tǒng)，稱水系，又稱河系或河網(wǎng)。1.河流的形成和特征：匯入干流的河流均稱為一級支流，而匯入一級支流的河流那么稱為二級支流，以此類推。(1)河系的特征

河系中取長度最大或水量最多的河流為干流。

支流

干流河流按不同的級別劃分為：干支流實(shí)例渭河洛河涇河馬蓮河黃河

西安汾河河源河流的分段依據(jù)水流的流動方向從上至下分為五段：中游下游河口上游長江湖北宜昌江西湖口

河源：指河流的發(fā)源地，可以小溪、泉水、冰川、湖泊或沼澤等形式出現(xiàn)。長江正源長江河源：

沱沱河上游，青海唐古拉山脈各拉丹東雪山；

西藏當(dāng)曲。長江源頭鳥瞰

上游

上游的特征是河谷窄，呈V型，河槽多為基巖。水位落差大，水流急，下切力強(qiáng)，河流常出現(xiàn)急灘和瀑布。金沙江虎跳峽虎跳石跌水金沙江虎跳峽

中游

中游的特征是河道比降變緩，下切力減弱而旁蝕力增強(qiáng)，急流和瀑布消失，河槽逐漸拓寬及彎曲度變大，兩岸出現(xiàn)灘地。長江荊江段（假彩色衛(wèi)星照片）

下游

下游特點(diǎn)是河槽寬，坡度緩，流速小，河道淤積作用較為顯著，淺灘和河洲到處可見河床多為細(xì)沙和淤泥。亞馬孫河下游

河口河口是河流終點(diǎn)，位于流入海洋、湖泊的地段，因該段流速驟減，泥沙大量淤積，往往形成三角洲。長江口黃河口(1999/12/25)對于內(nèi)陸河，往往沒有河口，而消失于沙漠里。張掖市內(nèi)蒙古自治區(qū)甘肅省青海省祁連山脈正義峽黑河概況西居延?！蚕趟硸|居延海〔淡水湖〕(2)河系的主要特征的描述：①河流長度

L(Riverlength):指從河源沿河道至河口的距離〔注意：不是河流二端間的直線距離，是沿河流中心線量出的長度〕稱為河流長度，簡稱河長。尼羅河亞馬孫河長江6650km6437km6380km河長是確定水系槽蓄量的一個重要參數(shù)。②流域河網(wǎng)密度D(Rivernetworkdensity):式中，∑L

~流域內(nèi)干支流的總長度(km)A~流域面積(km2)定義為單位流域面積內(nèi)的河流的長度，反映了流域?qū)搅鞯恼{(diào)節(jié)能力，計(jì)算公式為：式中，L

~河流的實(shí)際長度(km);l

~河流二端間的直線距離(km)③河流的彎曲系數(shù)

(Rivercurvedcoefficient)彎曲系數(shù)

越大，對洪水宣泄越不利。④河流的落差和比降(Riverfall&slope)落差：河源與河口河底高程差稱為河流落差。落差大說明河流水能資源豐富。河段比降：河段相鄰兩斷面高程差與河長〔二斷面之間沿河流中心線長度〕比值稱河流比降。比降越大河道匯流越快。河道比降常用小數(shù)或千分?jǐn)?shù)表示。如：L=5km，河段二端河底高程落差為1.5m，那么河道比降J1.5/5000=0.0003；或0.30/00河流某斷面〔A斷面〕以上，聚集地表水和地下水的區(qū)域統(tǒng)稱做該河流在A斷面以上的流域。2.河流流域：

(RiverBasin/Watershed)

由分水線包圍的集水區(qū)域。1〕河流流域的定義：A是河流周圍地面高程最高點(diǎn)的連線〔即沿山峰、山脊和鞍部的連接線〕。分水線有地面分水線和地下分水線之分。前者是聚集地表水的界線，后者是聚集地下水的界線。2〕分水線(嶺)定義：(Watersheddivide)A秦嶺山脈長江

黃河分水嶺實(shí)例

流域內(nèi)的水流通常包括地表水與地下水，因此分水線有地面分水線與地下分水線之分。3〕非閉合流域(UnclosedWatershed)

與閉合流域(ClosedWatershed)★非閉合流域：假設(shè)地面分水線與地下分水線在水平面位置上不完全重合，即地面和地下集水區(qū)不相重合常稱這種流域?yàn)榉情]合流域；★閉合流域：假設(shè)流域的地面水和地下水分水線在位置上重合，即地面和地下集水區(qū)相重合，那么稱這種流域?yàn)殚]合流域。一般的大、中流域，地面和地下分水線不重合造成地面、地下集水區(qū)的差異相對于全流域很小，常常視為閉合流域。

流域蓄滲指降雨的雨水消耗于植物截留、填洼和下滲等綜合過程。降雨形成地面徑流之前，在流域中會被以上幾個方面所消耗，不參與徑流的形成：1.徑流形成過程可概化為二個過程：(1)產(chǎn)流過程或稱為流域蓄滲過程徑流的形成和徑流的度量降雨的一局部被植物莖葉攔截的現(xiàn)象稱截留，最大截留量稱為截留容量。雨停止后，截留水量最終消耗于蒸發(fā)。植被率PPISR。b.土壤蓄水量S(Soilwaterstorage)

指降雨入滲過程中被土壤吸附存儲于土壤孔隙中的水量，初始土壤含水量

S

R

。a.

植物截留量

Is(Vegetalinterception)

以上各種量不參與徑流的形成，統(tǒng)稱為:

雨量的損失量或地面滯留量。c.填洼量Vd

(DepressionStorage)降雨停蓄在地面洼陷處〔流域內(nèi)閉合的小湖庫、小塘和小溝等統(tǒng)稱為洼地〕，這局部蓄水量稱為填洼量，VdR。只有在洼地填滿水后，才會產(chǎn)生地面徑流，雨停止后，填洼水最終消耗于入滲和蒸發(fā)。d.雨間蒸散發(fā)量E

(Evaporationduringrainfall)降雨形成的徑流量〔亦稱為凈雨量〕

(Runoff/Excessrainfall)徑流量(凈雨量)=降雨量-損失量徑流量〔凈雨量〕包括二個方面：地面徑流R地下徑流Rg壤中徑流/表層流Rin(Interflow)：指下滲的雨水，一局部滯蓄在土壤空隙中；一局部繼續(xù)向下運(yùn)行，遇到相對不透水層時，形成沿不透水層面運(yùn)移的水流。a.地面徑流R

(Surfacerunoff)包括：

坡面漫流Rs

(Overlandflow)：

指流域坡面上沿坡度而下的成片連續(xù)流動的薄層水流。b.地下徑流Rg

(Groundwaterflow)包括:

淺層地下徑流

Rgs

(Shallowgroundwaterflow)當(dāng)下滲水流到達(dá)地下水面后，那么形成地下徑流，它包括：指潛水面以下和第一個不透水層以上的含水層中的水流，亦稱作無壓地下水〔Phreaticwater〕以上統(tǒng)稱為地下徑流，其特點(diǎn)是：

地下徑流流量穩(wěn)定；

地下水運(yùn)動緩慢，補(bǔ)給河流滯后于地表徑流，故往往成為河流枯水期的重要來源。

深層地下徑流

Rgd

(Deepgroundwaterflow)指第一不透水層以下，基巖以上的深含水層中的水流，亦稱作有壓地下水或承壓水〔Artesiangroundwater〕入滲S土壤蓄水填洼量Vd植物截流Is流域滲蓄及匯流過程示意圖降雨P(guān)蒸發(fā)E壤中流Rin淺層地下徑流Rgs深層地下徑流Rgd

坡面漫流Rs隔水層坡地匯流：

坡面匯流

壤中流

地下徑流河網(wǎng)匯流：小溝

小溪

小河

大河流域出流(2)匯流過程：(Flowconcentrationprocess)凈雨從流域各處向流域出口斷面聚集的過程稱為匯流過程。它包括：(1)流量Q

(Flow/Discharge):

單位時間內(nèi)通過某一過水?dāng)嗝娴乃?，可按水力學(xué)公式計(jì)算：式中，A：過水?dāng)嗝娴拿娣e(m2)

V：過水?dāng)嗝娴钠骄魉?m/s)2.徑流的度量(Measurementofrunoff)Q=A×V

(m3/s)徑流的度量常采用以下幾個指標(biāo)進(jìn)行度量：用來表示流域出口斷面的徑流流量隨時間變化過程。流量過程線(Flowhydrograph)：

瞬時流量

(Transientflow):指某時刻的流量，如右圖中的Q1，洪峰流量Qm等。

平均流量(Averageflow):指定時段內(nèi)的平均流量，如日平均流量、月平均流量、年平均流量、多年平均流量等。Q(m3/s)Tt1t2t(s)Q1Q(t)WQm指在一定的時段內(nèi)T〔=t2-t1〕通過的某一河流斷面的總水量，(單位：m3)式中，Q(t)~流量過程線t時刻的瞬時流量;T=t2

-t1

~計(jì)算時段;~計(jì)算時段內(nèi)的平均流量。(2)徑流量

W(RunoffVolume):Q(m3/s)Tt1t2t(s)Q1Q(t)WQm式中，F(xiàn)~流域的面積，km2；T~時段，s； ~時段T內(nèi)的平均流量，m3/s。(3)徑流深

R(Runoffdepth):設(shè)想將徑流總量平鋪在整個流域面積上所得到的水深。中國年徑流深圖5-50600-100050-100200-400<51000-16001600-2000

流域出口斷面流量與流域面積的比值，表示流域單位面積上所產(chǎn)生的流量的多少：(4)徑流模數(shù)

M(Runoffmodulus):依據(jù)Q的不同含義，M那么有不同的稱謂：Q假設(shè)是(多)年平均流量，那么M稱為(多)年平均流量模數(shù)；Q假設(shè)是洪峰流量，那么M稱為洪峰流量模數(shù)。(5)徑流系數(shù)

(Runoffcoefficient):

某一時段的徑流深R與相應(yīng)的流域平均降雨深P的比值，其反映了降雨量轉(zhuǎn)換成徑流量比例的一個參數(shù)：1點(diǎn)降雨特性分析由于雨量觀測站觀測到的降雨量僅代表其周圍小范圍內(nèi)的降水量，故稱為點(diǎn)降水量。降雨的特性分析

(AnalysisofRainfallCharacteristics)

點(diǎn)降水量(PointRainfall)：

降雨量(Rainfallvolume)：

為一定時段內(nèi)降落到地面上的總雨量(mm＝mm3/mm2)

降雨歷時(Rainfallduration)：

一次降雨所經(jīng)歷的時間(day或h)

降雨強(qiáng)度(Rainfallintensity)：

為單位時間內(nèi)的降雨量(mm/min或mm/h)

點(diǎn)降雨特性可用以下幾個特征值描述:

降雨面積(Rainfallarea)：

指降雨籠罩的水平面上的面積，其反映雨區(qū)的大小

降雨中心(Rainfallcenter)：

指降雨面積上降雨量最為集中且范圍較小的局部地(區(qū))點(diǎn)。

降雨量過程線(Rainfallprocess)：

降雨量在時間上的變化特性的圖形表示：描述降雨量隨時間的變化過程，有兩種表示法：

降雨量過程線/降雨強(qiáng)度過程線降雨量過程線圖注：其縱坐標(biāo)為時段內(nèi)降雨量〔即為時段平均降雨強(qiáng)度〕橫坐標(biāo)為時序，通常以直方圖或曲線表示②

累積降雨過程線

(Accumulationrainfallmasscurve)注：其橫坐標(biāo)為時序；縱坐標(biāo)為降雨開始到各時段的降雨量的累積值。累積降雨量曲線圖降水強(qiáng)度~歷時曲線圖降雨強(qiáng)度過程線降水強(qiáng)度-歷時曲線說明：

根據(jù)一場降雨的降雨強(qiáng)度過程線，統(tǒng)計(jì)其不同歷時內(nèi)平均降雨強(qiáng)度，以其為縱坐標(biāo)，以歷時為橫坐標(biāo)，由大至小繪成的變化曲線。它的變化規(guī)律是雨強(qiáng)與歷時長短成反比。③

降水強(qiáng)度-歷時曲線：

(Rainfallintensity-durationcurve)

面平均降水量(ArealmeanRainfall)：

由點(diǎn)雨量估算面雨量的常用方法：2.流域降雨量的計(jì)算實(shí)際生產(chǎn)上水文工作多以流域作為研究對象，面降雨量多指流域平均雨量，通常稱為面平均雨量。一般由的各點(diǎn)雨量來推求面雨量。式中,

pi

各雨量站同時期的降雨量(mm)；n

測站數(shù)；

流域平均降雨量。該法適用于流域內(nèi)地形起伏不大，雨量站分布較均勻較密的情況。1)算術(shù)平均法：142365分水嶺2)泰森多邊形法〔面積加權(quán)平分法或垂直平分法〕泰森多邊形法示意圖△A5P5式中:

流域平均降雨量(mm)

A

全流域面積(km2)

ΔA1、ΔA2…ΔAn

各多邊形面積(km2)

p1、p2、…pn

各多邊形面積內(nèi)的點(diǎn)降雨量(mm)

各雨量站控制面積與流域面積之比值 （稱作雨量站權(quán)重系數(shù)，WeightCoefficient）泰森多邊形法計(jì)算公式：Pi=(Pi+Pi+1)/2=（40+20）/2=303)降雨量等值線法〔Isohyetalmethod〕等值線法計(jì)算示意圖(單位：mm)100.670.35966.447.758.938.22020404060604040F2F3FiPiF1(=Pi)(=Pi+1)80流域邊界

ΔFi上的平均各雨深(相鄰二等雨深線值的平均)式中，

流域平均降雨量(mm)；F

全流域面積(km2)；ΔFi兩條等雨深線間的局部流域面積(km2)；降雨量等值線法計(jì)算公式

求流域平均降水量精度較高，適合于地形變化顯著的流域；繪制等雨量線需較多站點(diǎn)雨量資料；不同時段的等值線圖需重繪，工作量大。等值線法的優(yōu)點(diǎn)：

能反映出降雨量在空間的實(shí)際分布情況。等值線法的缺乏點(diǎn)：為了反映流域面降雨量的特性，可用以下兩種降水特性綜合曲線來反映：1〕面平均雨深~面積曲線：首先繪制出一場或一定歷時的降雨的等雨量線，從最大降雨深處(即降雨中心〕開始量取不同等雨量線所包圍的累計(jì)面積，并求出相應(yīng)各包圍面積上的面平均雨深，點(diǎn)繪面平均降雨量與相應(yīng)面積曲線，即為雨深-面積曲線。3.面降雨量特性分析蒸發(fā)(Evapotranspiration)水汽從水面、冰面或其他含水物質(zhì)外表向大氣逸散的過程。它屬于水由液態(tài)或固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的相變過程。蒸發(fā)是氣象要素之一。在自然界中，蒸發(fā)是海洋和陸地水分進(jìn)入大氣的唯一途徑，是地球水文循環(huán)的主要環(huán)節(jié)之一。自然界中，有各種的蒸發(fā)面，按蒸發(fā)面類型分類，可分為水面蒸發(fā)、土面蒸發(fā)、植物散發(fā)和流域蒸散發(fā)等。水面蒸發(fā)是在水分充分供給條件下的蒸發(fā)現(xiàn)象。用以反映當(dāng)?shù)卣舭l(fā)能