水文學(xué)原理課件第一章緒論第一節(jié)水文學(xué)的內(nèi)容和任務(wù)一、水文學(xué)的定義研究水的科學(xué)，核心——水文循環(huán)。廣義水文學(xué)按分布劃分海洋水文學(xué)陸地水文學(xué)水文氣象學(xué)地表水水文學(xué)土壤水水文學(xué)地下水水文學(xué)河川水文學(xué)湖泊水文學(xué)冰川水文學(xué)河口水文學(xué)按應(yīng)用分環(huán)境水文學(xué)、農(nóng)業(yè)水文學(xué)、城市水文學(xué)······1.水文測(cè)驗(yàn)(或水文信息采集)2.水文預(yù)報(bào)3.水文水利計(jì)算

二、傳統(tǒng)水文學(xué)的內(nèi)容一、水文學(xué)簡(jiǎn)史

英文Hydrology，來源于拉丁語，“水的知識(shí)”。經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展時(shí)期：

1.萌芽期（公元1600年之前）

2.奠基時(shí)期（公元1600-1900年）

3.實(shí)踐時(shí)期（1900-1950年）

4.現(xiàn)代化時(shí)期（1950年-）二、中國水文學(xué)的發(fā)展第二節(jié)水文學(xué)的發(fā)展一、水文現(xiàn)象的基本特點(diǎn)1.時(shí)程變化上的周期性與隨機(jī)性2.空間變化上的相似性與特殊性第三節(jié)水文現(xiàn)象的基本特點(diǎn)及研究方法楊林天生港日潮位變化過程線年最大流量變化過程年降水量變化過程二、水文現(xiàn)象的研究方法成因分析法以質(zhì)量守恒、能量(動(dòng)量)守恒等定理為基礎(chǔ)，揭示水文現(xiàn)象運(yùn)動(dòng)變化的機(jī)理、規(guī)律。數(shù)理統(tǒng)計(jì)法水文現(xiàn)象具有隨機(jī)性，從而以概率理論為基礎(chǔ)，研究水文現(xiàn)象特征值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。地理綜合法水文現(xiàn)象具有地區(qū)性，從而通過建立地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式、繪制各種特征值等值線圖，揭示水文特征值的地區(qū)規(guī)律。第四節(jié)自然界的水循環(huán)水文循環(huán)的原因（外因、內(nèi)因）水的不斷蒸發(fā)、輸送、凝結(jié)、降落、產(chǎn)流、匯流的往復(fù)循環(huán)過程降水P蒸發(fā)E地表徑流RSEP陸地基巖下滲F海洋包氣帶地下徑流Rg壤中流RSS蒸騰ET第四節(jié)自然界的水循環(huán)（續(xù)）大循環(huán)和小循環(huán)大循環(huán)：海洋→大氣→大陸→海洋（縱向+橫向）

小循環(huán)：海洋→大氣→海洋（海洋小循環(huán)）

大陸→大氣→大陸（內(nèi)陸小循環(huán)）水文循環(huán)的規(guī)律海洋的蒸發(fā)量多于降水量；大陸的降水量多于蒸發(fā)量；大陸外流區(qū)輸入水汽量與輸出水量基本平衡；大陸內(nèi)流區(qū)降水量與蒸發(fā)量基本相等。第四節(jié)自然界的水循環(huán)（續(xù)）水文循環(huán)的作用和意義

地球上總水量13.86億Km3，參與循環(huán)的約57.7萬Km3，占0.0416%。

1、調(diào)節(jié)氣候；

2、塑造了地球表面；

3、形成了巨大的水利資源；

4、形成一切水文現(xiàn)象。第五節(jié)地球上的水資源水資源的概念（廣義水資源、狹義水資源）地球上水的分布13.86億km3淡水2.53%咸水97.47%13.86億km3海洋96.5%陸地3.5%生物水0.003%3500萬km3淡水永凍土層水0.86%冰川雪蓋68.7%地下水30.1%淡水湖0.26%土壤水0.05%大氣水0.04%河水0.006%第五節(jié)地球上的水資源(續(xù)）水資源問題原因水資源量時(shí)空分布不均勻；水資源分布與人口、耕地分布不相適應(yīng)；水環(huán)境污染；水資源浪費(fèi)。對(duì)策時(shí)間和空間上的合理調(diào)配；積極開展水污染防治；節(jié)約用水。第二章水文現(xiàn)象及過程的物理基礎(chǔ)第一節(jié)水的物理性質(zhì)水是僅次于空氣的最活躍的物質(zhì)之一；水有三態(tài)變化，是自然界水文循環(huán)的基礎(chǔ)；同其他氫化物相比，水有特別高的溶點(diǎn)和沸點(diǎn)；水有特別大的比熱和蒸發(fā)潛熱；水有反常的密度變化（4C時(shí)密度最大）；水有較大的表面張力；水是各種鹽類很好的溶劑；水具有幾乎不可壓縮性。第二節(jié)水文平衡一、水量平衡1.

通用水量平衡方程wIOI－O＝±WRrEcPxEbqaR′rRgR′g

I=Px+Ec+Rr+RgO=Eb+qa

+R′r+R′g

Px+Ec+Rr+Rg=Eb+qa+R′r+R′g±W令E=Eb-Ec

，Rr+Rg=RI，R′r+R′g=RO

則

Px+RI

=E+qa+RO±W一、水量平衡（續(xù)）2.河流流域水量平衡方程（1）閉合流域（沒有流域來水）的水量平衡方程記Px=P，RI=0，qa=0，RO=R：某時(shí)段：P=E+R±

W多年平均：P=R+E（2）不閉合流域（有外流域來水）的水量平衡方程某時(shí)段：P=RO

-RI+E±W3.

全球水量平衡方程一、水量平衡（續(xù)）時(shí)段：Pl=El+R±W大陸多年平均：Pl=El+R時(shí)段：Ps=Es-R±W海洋多年平均：Ps=Es-R全球多年平均：P=E二、熱量平衡（續(xù)）1.

通用熱量平衡方程SSISOSI－SO＝±S2.

蓄水體熱量平衡方程Hn=HI+H+Rn+

Rat-Ho-He-Rb若時(shí)段較長HI=Ho，則：Hn=Rn+Rat+H-He-Rb其中：He=LEHIH0Hn蓄熱量變化量蒸發(fā)失熱He感應(yīng)熱H太陽輻射Rn大氣輻射Rat水體長波輻射Rb第三節(jié)水文混合（放入第四章土壤水中講）第一節(jié) 降雨的類型一、按降雨的成因分類第三章降水氣旋雨——隨著氣旋或低壓過境而產(chǎn)生的雨。氣旋雨非鋒面雨鋒面雨暖鋒雨冷鋒雨非鋒面雨—?dú)鈮合虻蛪簠^(qū)輻合引起氣流上升產(chǎn)生降雨。水分以各種形式從大氣到達(dá)地面統(tǒng)稱降水。包括雨、雪、露、霜、冰雹等。氣團(tuán)——物理屬性水平分布比較均勻的大范圍空氣團(tuán)。峰面——兩種性質(zhì)不同的氣團(tuán)之間狹窄而傾斜的過渡帶。峰在空間是傾斜的，且向冷空氣一側(cè)傾斜。暖鋒雨：冷暖氣團(tuán)相遇時(shí)，暖濕氣團(tuán)推動(dòng)鋒面向冷氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)。峰后暖空氣一方面向冷空氣方向推進(jìn)，同時(shí)又沿鋒面緩慢上升，在上升過程中冷卻而產(chǎn)生降雨。因暖鋒坡度很小，一般為1:150，故暖鋒雨降雨面積大、雨強(qiáng)小、歷時(shí)長。鋒面雨的形成暖鋒雨的形成示意圖冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)冷鋒雨的形成冷鋒雨：冷暖氣團(tuán)相遇時(shí)，冷燥氣團(tuán)楔入到暖濕氣團(tuán)之下，使暖濕氣團(tuán)上升冷卻而產(chǎn)生降雨。根據(jù)移動(dòng)速度可分為緩行冷鋒和急型冷鋒。緩行冷鋒的降水與暖鋒相似；急行冷鋒移動(dòng)較快，坡度較大，約為1:70，故降水范圍小、雨強(qiáng)大、歷時(shí)短。冷鋒雨的形成示意圖冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)緩行冷鋒急行冷鋒暖氣團(tuán)暖氣團(tuán)暖氣團(tuán)暖氣團(tuán)對(duì)流雨

地面受熱升溫，下層空氣膨脹上升和上層空氣形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)。下層暖濕空氣上升到高空遇冷凝結(jié)形成降雨。多發(fā)生在夏季午后，強(qiáng)度大、面積小、歷時(shí)短。地形雨

暖濕氣團(tuán)在運(yùn)動(dòng)過程中遇山嶺障礙時(shí)，在沿山坡上升過程中逐漸變冷凝結(jié)成雨。地形雨多在迎風(fēng)坡上。臺(tái)風(fēng)雨

由熱帶海洋上的風(fēng)暴帶到大陸的雨。災(zāi)害性天氣，常發(fā)生在浙、閩、粵、臺(tái)灣等沿海省份。二、按降雨強(qiáng)度及過程特征分類暴雨——?dú)v時(shí)短、強(qiáng)度大、籠罩面積不大。

氣象方面規(guī)定：日降雨量>50mm——暴雨；日降雨量>100mm——大暴雨；日降雨量>200mm——特大暴雨。主要影響小流域洪水。暴雨型霪雨——?dú)v時(shí)較長、強(qiáng)度變化大。影響區(qū)域洪水。霪雨——?dú)v時(shí)很長、強(qiáng)度小、籠罩面積大。影響大流域洪水。降水要素降水量、降水歷時(shí)和時(shí)間、降水強(qiáng)度、降水面積降水量過程線降水量累積曲線降水強(qiáng)度與歷時(shí)曲線等雨量線平均深度與面積曲線第二節(jié) 降水特征的描述時(shí)間時(shí)段降雨累積降雨13:420014:0011.511.514:3033.545.015:3431.976.917:001.678.518:102.280.7時(shí)間累積降雨時(shí)段降雨13:000014:0011.511.515:0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2時(shí)間累積降雨時(shí)段降雨13:000014:0011.511.515:0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2歷時(shí)累積降雨雨強(qiáng)148.548.5265.532.8377.025.7478.519.6580.716.1680.713.4等雨量線的做法類似于地形圖等高線的做法。等雨量所表示的降水分布與實(shí)際降水分布的符合程度取決于：

(1)雨量站位置(是否為雨情控制點(diǎn))；(2)雨量站數(shù)目某流域內(nèi)有7個(gè)雨量站，根據(jù)各站6小時(shí)雨量資料繪出其等雨量線。90705040110120809865624736A2A690705040A1A3A4A512011036分塊面積(km2)平均雨深(mm)1412021210032180423605304561236分塊累積面積平均雨深(mm)14120.01-216105.01-33790.81-46079.01-59068.31-610263.9第三節(jié) 區(qū)域平均降水量計(jì)算常用的區(qū)域(或流域)平均降水量計(jì)算方法有：算術(shù)平均法適用于面積不大，地形起伏不大，站點(diǎn)較多且布設(shè)較均勻的流域。計(jì)算簡(jiǎn)便。泰森多邊形法適用于降雨分布不均，站點(diǎn)較少，面積不大的流域。在確定各站的權(quán)重后也很簡(jiǎn)便，且精度較好。缺點(diǎn)是在各場(chǎng)降雨中把雨量站權(quán)重視為固定，與實(shí)際情況不完全一致。等雨量線法適用于面積大、站點(diǎn)密的流域。理論上較完善，但每次降雨都必須繪制等雨量線，并計(jì)算權(quán)重，工作量大。泰森多邊形法A1A2A3A4A5A6(1)連三角形；(2)作三角形各邊的垂直平分線;(3)以交點(diǎn)連線及與流域邊界相交的垂直平分線構(gòu)成單元面積；(4)量出各單元面積，總面積ΣA=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)(5)計(jì)算單元面積權(quán)重及流域平均雨量各子塊權(quán)重i=Ai

/ΣAP=Σ

iPi

等雨量線法A2A690705040A1A3A4A5110總面積ΣA=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)各子塊權(quán)重i=Ai

/ΣAP=Σ

iPi

求積儀的使用先將待量測(cè)圖用膠帶固定在平滑的桌面上，求積儀擺放位置應(yīng)能使其到達(dá)圖上任意位置；將求積儀針頭對(duì)著待量測(cè)區(qū)域邊界上的任意一點(diǎn)作為起始點(diǎn)，讀出并記錄起始點(diǎn)的讀數(shù)Ra；移動(dòng)求積儀針頭從起始點(diǎn)沿待量測(cè)區(qū)域邊界順時(shí)針一直繞回到起始點(diǎn)，讀出并記錄此時(shí)的讀數(shù)Rb；再移動(dòng)求積儀針頭從起始點(diǎn)沿待量測(cè)區(qū)域邊界逆時(shí)針一直繞回到起始點(diǎn)，讀出并記錄此時(shí)的讀數(shù)Rc；計(jì)算求積儀繞量測(cè)區(qū)一周的讀數(shù)之差，分別為：

R1=Rb-Ra，R2=Rb-Rc，若兩者差別不大(如以10為控制)，求兩者平均作為最終讀數(shù)差R；若兩者差別大，需要重新量測(cè)；R與面積之間的換算：1cm

1cm圖紙區(qū)域的讀數(shù)差為10，即R/10相當(dāng)于圖紙1cm2面積，而圖紙1cm2相應(yīng)實(shí)際流域多少面積可根據(jù)圖的比例尺確定。比如對(duì)1:50000圖，1cm2相當(dāng)于0.25km2。第四節(jié)降水資料的一致性檢驗(yàn)和插補(bǔ)一、降水資料的一致性鑒別

由于雨量站位置、雨量計(jì)高度或軸向、儀器設(shè)備和觀測(cè)方法等的改變，會(huì)使降水量資料產(chǎn)生系統(tǒng)偏差。對(duì)系統(tǒng)偏差，可采用“雙累積分析方法”進(jìn)行分析和修正。如分析降水資料的前后一致性鄰近多站平均累積年降水量(mm)站累積年降水量(mm)85年第四節(jié)降水資料的一致性檢驗(yàn)和插補(bǔ)(續(xù))二、非一致降水資料的改正站累積年降水量(mm)鄰近多站平均累積年降水量(mm)至95年的累積雨量BC85年AKBKC說明自1985年起，站逐年測(cè)到的降水量比原來觀測(cè)條件下觀測(cè)到的降水量減小了KC/KB倍，為保持降水量資料的一致性，可將85年后觀測(cè)的雨量按KB/KC的系數(shù)進(jìn)行改正。第四節(jié)降水資料的一致性檢驗(yàn)和插補(bǔ)(續(xù))

1.算術(shù)平均法

PA=(P1+P2+…+Pn)/n

適用條件：插補(bǔ)站多年平均降水量與附近站多年平均降水量相差<10%。2.比例法

PA=(NAP1/N1+NAP2/N2+…+NAPn/Nn)/n

適用條件：插補(bǔ)站多年平均降水量與附近站多年平均降水量相差>10%。

某站大多數(shù)資料都有，部分時(shí)間因儀器故障或其它原因缺測(cè)，為保持資料的完整性，以利于水文預(yù)報(bào)或水文分析計(jì)算時(shí)使用，需要對(duì)缺測(cè)資料進(jìn)行插補(bǔ)。如A站1950年至今的雨量系列中，缺1957、1958、1961年降雨資料，需要插補(bǔ)。第四節(jié)降水資料的一致性檢驗(yàn)和插補(bǔ)(續(xù))等雨量線法對(duì)短歷時(shí)降水量，由于空間分布不均，插補(bǔ)站降水量與附近站降水量之間的相關(guān)關(guān)系較差，從等雨量線圖上內(nèi)插效果較好。90705040150110第五節(jié)影響降水的因素及我國降雨的時(shí)空分布一、影響降水的因素

1.地理位置的影響

降水低緯度地區(qū)多于高緯度地區(qū)，沿海地區(qū)多于內(nèi)陸地區(qū)。

2.氣旋、臺(tái)風(fēng)路徑的影響

常有氣旋、臺(tái)風(fēng)過境的地區(qū)降水較多。

3.地形的影響

地形主要通過強(qiáng)迫氣流抬升使降水量增多。

4.其它因素的影響第五節(jié)影響降水的因素及我國降雨的時(shí)空分布(續(xù))二、我國降水的時(shí)空分布

1.空間分布

就多年平均年降水量而言：

(a)

南方降水量多，北方降水量少，自東南向西北遞減。

臺(tái)灣、海南山地>2000mm

華南、南嶺以南1600～1800mm

江南、南嶺地區(qū)1400～1600mm

長江流域1000～1400mm

秦嶺、漢水、淮河800～1000mm

華北平原、東北500～800mm

西北地區(qū)200～500mm第五節(jié)影響降水的因素及我國降雨的時(shí)空分布(續(xù))(b)山地區(qū)降水量比平原區(qū)多泰山1040.7mm

泰安859.1mm

差數(shù)181.6mm多年平均年降水量：華山876.5mm西安566.3mm差數(shù)310.2mm廬山2528.7mm九江1406.7mm差數(shù)1122.0mm2.

時(shí)間分布4～6月長江以南地區(qū)大暴雨，華南前汛期暴雨和江南梅雨期暴雨。7～8月隨太平洋副熱帶高壓北抬西伸，江南梅雨期結(jié)束，川西、華北一帶出現(xiàn)大暴雨，且東南沿海多臺(tái)風(fēng)暴雨。9～11月，隨東北季風(fēng)的發(fā)生，雨區(qū)漸從南方撤出。1.

土壤質(zhì)地土粒分級(jí)第四章土壤水運(yùn)動(dòng)第一節(jié) 土壤的物理特性2.

土壤結(jié)構(gòu)（團(tuán)粒結(jié)構(gòu)）

粘粒粉砂細(xì)砂粗砂粒徑(微米)

1-22-2020-200200-2000大于指定粒徑的百分比1008060402020010002000粒徑(微米)粘粒重量占60%以上—粘土砂粒重量占80%以上—砂土介于兩者之間——壤土

土壤質(zhì)地分類第一節(jié) 土壤的物理特性（續(xù)）3.

土壤孔隙分類

按成因劃分為：質(zhì)地孔隙、結(jié)構(gòu)孔隙、生物孔隙按大小劃分為：無效孔隙、毛管孔隙、非毛管孔隙4.

土壤特性的定量表示

a)土壤比重

s

（土壤中固體物質(zhì)與同體積水的重量比）

b)土壤容重

0

（土壤中固體物質(zhì)重量與土塊體積之比）

c)孔隙比e（土壤中孔隙體積與固體體積之比）

d)孔隙度

p（土壤中孔隙體積與總體積之比）

p=e/(1+e)重量含水量（

）

同一土樣中水分重量占干土重量的百分比。

=(Ww

/Ws)*100%體積含水量（

）

同一土樣中水分體積占總體積的百分比。

=(Vw/V)

*100%

/

=(Vw/V)/(Ww/Ws)=Ws/V=s(土壤容重）飽和度

同一土樣中水的體積占全部孔隙體積的百分比。

S=(Vw/Vv)*100%第二節(jié) 土壤含水量第三節(jié) 土壤水分作用力及土壤水分常數(shù)一、土壤水分作用力分子力

土壤顆粒表面的分子和離子對(duì)水分的吸力。毛管力

在未充滿水的毛管孔隙中，因存在液體彎月面的表面張力，形成毛管力，作用于土壤水。重力二、土壤水分的存在形式吸濕水土粒分子從空氣中吸附的水分。約幾個(gè)分子厚度，為緊束縛水，與水文現(xiàn)象關(guān)系不大。薄膜水吸濕水外面，土粒剩余分子力所吸持的水分。為受束縛水。毛管水支持毛管水——地下水面以上受毛管力支持而存在于土壤孔隙中的水分。毛管懸著水——受毛管力支持而懸吊于土壤孔隙中的水分。第三節(jié) 土壤水分作用力及土壤水分常數(shù)(續(xù))二、土壤水分的存在形式(續(xù))重力水土壤中在重力作用下能自由移動(dòng)的水分。滲透自由重力水

超過田間持水量的滲入水分。支持重力水自由重力支持毛管水——受地下水支持而存在于毛管孔隙之中的連續(xù)水體，能傳遞靜水壓力。

相對(duì)不透水層支持重力水——由于土層中存在相對(duì)不透水層，滲透水因交界面臨時(shí)飽和而產(chǎn)生的能在重力作用下流動(dòng)的水分。第三節(jié) 土壤水分作用力及土壤水分常數(shù)(續(xù))三、土壤水分常數(shù)最大吸濕量—飽和空氣中，土壤能吸附的最大水汽量。最大分子持水量——土粒分子力所結(jié)合的最大水分量。凋萎含水量——植物無法從土壤中吸收水分，開始永久凋萎時(shí)的土壤含水率。毛管斷裂含水量——毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)開始斷裂時(shí)的土壤含水率。田間持水量——土壤中保持最大毛管懸著水時(shí)的土壤含水率。飽和含水量——土壤中所有孔隙都充滿水時(shí)的土壤含水率。第三節(jié) 土壤水分作用力及土壤水分常數(shù)(續(xù))各土壤水分常數(shù)相應(yīng)的水分存在形式與作用力風(fēng)干最大吸濕量凋萎含水量最大分子持水量毛管斷裂含水量田間持水量飽和含水量吸濕水水分存在形式薄膜水毛管水重力水結(jié)合水自由水作用力15分子力毛管力重力10000316.25個(gè)大氣壓0.30.001勢(shì)與力的關(guān)系對(duì)土壤水動(dòng)能可忽略。兩點(diǎn)之間勢(shì)的梯度相當(dāng)于作用力。土水勢(shì)的構(gòu)成基模勢(shì)——在未飽和土壤中，由于分子力和毛管力的作用而使土壤水具有的勢(shì)，稱為基模勢(shì)。基模勢(shì)為負(fù)值。壓力勢(shì)——在飽和或出現(xiàn)地面積水的土壤中，自由水面下的土壤水由于靜水壓力的作用而具有的勢(shì)，稱為壓力勢(shì)。壓力勢(shì)為正值。重力勢(shì)——由于重力作用而使土壤水具有的勢(shì)，稱為重力勢(shì)。重力勢(shì)的值與參照基面有關(guān)。第四節(jié)土水勢(shì)總土水勢(shì)非飽和土壤中，總土水勢(shì)=基模勢(shì)+重力勢(shì)在飽和土壤中，總土水勢(shì)=壓力勢(shì)+重力勢(shì)靜態(tài)平衡下土水系統(tǒng)各種勢(shì)的分布第四節(jié)土水勢(shì)（續(xù)）ABC靜態(tài)平衡表明土柱內(nèi)各點(diǎn)總勢(shì)相等。取0-0基準(zhǔn)面：A點(diǎn):

PA=HgA=0mA=0A=HB點(diǎn):

PB=0gB=HB=HmB=0C點(diǎn):

PC=0gC=H+h

C=HmC=-h考慮取1-1為基準(zhǔn)面時(shí)各點(diǎn)的勢(shì)。00hH11分析以下處于靜態(tài)平衡狀態(tài)的土柱中各點(diǎn)勢(shì)的分布：CBAZ

g

m基準(zhǔn)面45°

g(Z)=Z

m(Z)=-Z

(Z)=0分析：靜態(tài)平衡表明土柱內(nèi)各點(diǎn)總勢(shì)相等。因C點(diǎn)總勢(shì)為0，故土柱內(nèi)總勢(shì)處處為0。土壤水分特性曲線

反映基模勢(shì)(

m，通常也記為)與土壤含水率(

)間關(guān)系的曲線。同種土樣，在同一濕化（或干化）過程中：越大，分子力與毛管力越小，|

m|或|

|越小，

m或

越大。越小，分子力與毛管力越大，|

m|或|

|越大，

m或

越小。第五節(jié)土壤水分特性曲線粘土壤土砂土

m一、土壤水的連續(xù)性方程第六節(jié)土壤水運(yùn)動(dòng)方程xzy單位時(shí)間內(nèi)，流入控制體的水量-

流出控制體的水量=控制體內(nèi)土壤水的改變量二、土壤水的運(yùn)動(dòng)方程飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)方程

飽和狀態(tài)下，土壤水運(yùn)動(dòng)滿足達(dá)西定律：AB水流方向：勢(shì)高處向勢(shì)低處斷面平均流速飽和水力傳導(dǎo)度總勢(shì)梯度飽和三維水流的達(dá)西定律：實(shí)例分析U型均質(zhì)土柱，左側(cè)維持6cm水深不變，右側(cè)L點(diǎn)所在斷面保持穩(wěn)定的出流量，分析圖中各點(diǎn)的勢(shì)。38.45

24

014.4531.34

0

031.3423.35

0

023.35

P

m

g

LKJIH4236

0

6

18

18

0

0分析:因水存在穩(wěn)定流動(dòng)，故各點(diǎn)勢(shì)不等?；鶞?zhǔn)面6cm12cm24cm18cmHI

JKL27cm

非飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)方程二、土壤水的運(yùn)動(dòng)方程（續(xù)）設(shè)各項(xiàng)同性，Kx=Ky=Kz=K(

)，則：

水力傳導(dǎo)度KK=KS

=SK(

)

<SK

SKS三、飽和水流的基本微分方程四、非飽和水流的基本微分方程非飽和水流中=+Z，故：三、非飽和水流的基本微分方程（續(xù)）水平方向：垂直方向：一、下滲的物理過程

根據(jù)水分所受作用力及運(yùn)動(dòng)特征，干燥土壤在充分供水條件下的下滲分三階段：滲潤階段：主要受分子力作用，入滲水成為薄膜水，當(dāng)土壤含水量達(dá)到最大分子持水量時(shí)結(jié)束。滲漏階段：主要受毛管力、重力作用，入滲水主要成為毛管水，當(dāng)土壤含水量達(dá)到飽和含水量時(shí)結(jié)束。滲透階段：受重力作用，入滲水成為自由重力水向下滲出。第五章下滲第一節(jié) 下滲的物理過程下滲—降落到地面的雨水從土壤表面滲入土壤的過程。下滲率(f)

——單位時(shí)間、單位面積上的實(shí)際下滲量。穩(wěn)定下滲率(fc)

——處于穩(wěn)定不變時(shí)的下滲率。下滲能力(fp)

——充分供水時(shí)的下滲率。二、下滲率、下滲能力三、下滲過程中土壤含水量的垂向分布規(guī)律討論條件：積水下滲、無地下水、初始含水量均勻、供水時(shí)間長含水量(%)深度(m)飽和含水量田間持水量風(fēng)干土飽和帶過渡帶水分傳遞帶濕潤帶濕潤鋒飽和帶過渡帶水分傳遞帶濕潤帶濕潤鋒第二節(jié) 非飽和下滲理論條件

1.忽略重力；

2.供水充分、表面無積水；

3.均質(zhì)半無限土柱，初始土壤含水量分布均勻。定解問題一、忽略重力作用的下滲邊界條件初始條件方程問題求解當(dāng)D(

)=D為常數(shù)時(shí)，問題變?yōu)椋毫顈(z,t)=(z,t)-i,則：

以z為參數(shù)，將y(z,t)關(guān)于t作拉氏變換:問題求解（續(xù)）求逆變換得：拉氏變換中，象函數(shù)對(duì)應(yīng)的原函數(shù)為經(jīng)拉氏變換后問題為:解為:問題求解（續(xù)）得到原問題的解為：下滲能力曲線形狀為：fpt問題求解1.

當(dāng)D(

)=D為常數(shù)時(shí)，問題變?yōu)椋?/p>

下滲能力曲線形狀為：fpt(求解過程不展開)2.

當(dāng)D為的函數(shù)時(shí)，求解過程不展開，結(jié)論：二、考慮重力作用的下滲定解問題：Z向下為正邊界條件初始條件方程結(jié)論：fpt一、基本假定

1.半無限土柱，初始土壤含水量分布均勻。

2.地面積水深hp；

3.下滲鋒面以上是飽和的，

=

S，K=KS；

4.下滲鋒面以下為初始土壤含水量，吸力hS。第三節(jié) 飽和下滲理論

S

iABZ下滲鋒面位置二、公式推導(dǎo)fp～Z的關(guān)系充分供水條件下單位時(shí)間單位面積上入滲水量=fpZ——下滲鋒面位移。二、公式推導(dǎo)（續(xù)）z(t)的解二、公式推導(dǎo)（續(xù)）fp(t)的解

飽和下滲理論和非飽和下滲理論推得的下滲曲線均為t-1/2的函數(shù)，為下滲經(jīng)驗(yàn)公式的提出奠定了理論基礎(chǔ)。例題——習(xí)題集P13第2題第四節(jié) 下滲經(jīng)驗(yàn)公式基本思路：對(duì)在特定條件下取得的下滲資料，選配合適的函數(shù)形式，并根據(jù)曲線擬合的好壞確定其中的各項(xiàng)參數(shù)。

時(shí)間(min)ΣP(mm)ΣR(mm)F(t)(mm)00.00.00.012.50.52.025.02.03.0512.56.36.21025.113.211.91537.120.716.4……………………第四節(jié) 下滲經(jīng)驗(yàn)公式霍頓公式在獲得（t，fp）數(shù)據(jù)后，給fp(t)配以合適的線型和參數(shù)。第四節(jié) 下滲經(jīng)驗(yàn)公式（續(xù)）考斯加科夫公式第四節(jié) 下滲經(jīng)驗(yàn)公式（續(xù)）菲利浦公式第五節(jié) 降雨下滲一、均勻雨強(qiáng)時(shí)的下滲可分三種情況：(1)i>fp0，則整個(gè)下滲過程均按下滲能力下滲；(2)i<fc，則整個(gè)下滲過程均按雨強(qiáng)下滲；

fptFRfptFfpttpi關(guān)鍵：什么時(shí)候開始按fp下滲？這關(guān)系到降雨產(chǎn)流時(shí)間。(3)fc<i<fp0，則先按雨強(qiáng)下滲，后按下滲能力下滲。是tp時(shí)刻嗎？回答是“否”fpF注意：只有按fp下滲時(shí)累積下滲量F與t才有以上關(guān)系，不按fp下滲，就不能按此線由t查F。注意：不論什么情況累積下滲量F與fp都有以上關(guān)系，只要已知F

，就能按此線查出fp

。

當(dāng)tp′時(shí)刻才產(chǎn)流，tp′=面積ABCD/i。ABCDEtfptpitp′fpFFi

若fp～F已知，則直接查fp=i時(shí)的F，產(chǎn)流時(shí)刻=F/i。

按fp下滲，fp從fp0降到i的累積下滲量F=面積ABCD，即要F達(dá)到面積ABCD，i才正好等于fp。

可實(shí)際因?yàn)榘磇下滲。(0,tp)累積下滲量F=面積EBCD，故tp時(shí)刻不產(chǎn)流。fpitFR例題二、變雨強(qiáng)時(shí)的下滲fpFi1i2i3i4i5i6it假設(shè)t=0時(shí)，F(xiàn)=0，且

t=1，則：三、下滲的影響因素下滲能力方面(1)土壤的機(jī)械物理性質(zhì)，水分物理性質(zhì)；(2)下墊面條件、地形地貌；(3)人類活動(dòng)。供水方面(1)降水性質(zhì)。影響因素總的可歸納為供水和下滲能力兩個(gè)方面。四、下滲的空間分布第六章蒸散發(fā)一、封閉系統(tǒng)的水面蒸發(fā)記

t內(nèi)，逸出水面的水分子數(shù)為N，返回水面的水分子數(shù)n。

t=t0時(shí)刻，T=T0，N=n，e=eS(T0)，動(dòng)態(tài)平衡

t繼續(xù),T升高，N>n，e<eS，蒸發(fā)

t=t1時(shí)刻，T=T1，N=ne=eS(T1)，動(dòng)態(tài)平衡

t繼續(xù),T降低，N<n，e>eS，凝結(jié)

對(duì)于封閉系統(tǒng)，蒸發(fā)量?jī)H與飽和差（熱力條件）有關(guān)。第一節(jié) 水面蒸發(fā)的影響因素二、天然條件下的水面蒸發(fā)

1、動(dòng)力因素：水汽分子擴(kuò)散，空氣對(duì)流和紊動(dòng)(風(fēng)速)；第一節(jié) 水面蒸發(fā)的影響因素（續(xù)）氣壓差e

eS水面高度水汽壓氣壓差有風(fēng)時(shí)，全部時(shí)刻e

eS水面高度水汽壓無風(fēng)時(shí)，不同時(shí)刻2、熱力因素：太陽輻射、水溫、氣溫等3、其它因素：空氣濕度，水質(zhì)(含鹽度、渾濁度、色度)，水體大小、水體深淺等。一、水汽輸送法(基于空氣紊動(dòng)擴(kuò)散理論研究水面蒸發(fā))

水汽輸送通量與水汽含量在輸送方向上的梯度成正比。第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法引入水平方向切應(yīng)力的概念：

當(dāng)

與高程無關(guān)時(shí)，任意高度

=

0=u*2(u*—剪切速度)

，故：根據(jù)卡門-普朗德提出的均質(zhì)粗糙流的流速分布：風(fēng)速與糙度的函數(shù)Hs=Rn–He–H+HI–Ho若合稱(HI–Ho)為Ra，則：Hs=Rn–He–H+Ha且He=LEHIHOHs蓄熱量變化量蒸發(fā)失熱He水體傳導(dǎo)失熱H凈輻射Rn二、熱量平衡法(基于能量守恒原理研究水面蒸發(fā))

先由熱量平衡方程確定蒸發(fā)耗熱量，再除以水的蒸發(fā)潛熱。第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法（續(xù)）左式H難以確定，設(shè)H=He

(

—波溫比)，則：三、綜合法或彭曼法(將水汽輸送法與熱量平衡法相結(jié)合)第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法（續(xù)）根據(jù)水汽輸送法：根據(jù)熱量平衡法：

水量平衡法原理簡(jiǎn)單且嚴(yán)密。但因各水量平衡項(xiàng)的觀測(cè)和計(jì)算均含有誤差，最終都體現(xiàn)在蒸發(fā)量上，當(dāng)蒸發(fā)量與其它項(xiàng)相比很小時(shí)，誤差更大。水量平衡法只適用于長時(shí)段蒸發(fā)量計(jì)算。第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法（續(xù)）四、水量平衡法(基于水量平衡原理研究水面蒸發(fā))第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法（續(xù)）五、經(jīng)驗(yàn)公式法英寸英里/h0.36mm汞柱m/sm/s毫巴

一般無出流量，除非大暴雨引起蒸發(fā)器漫溢；沒有滲漏水量。故：第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法（續(xù)）六、器測(cè)法IPEt=t1t=t2常用蒸發(fā)器：

20cm、80cm、E601(直徑61.8cm)。大型蒸發(fā)池：器口面積10m2、20m2、100m2。大型蒸發(fā)池所測(cè)水面蒸發(fā)量與自然條件下水體的蒸發(fā)量接近。但蒸發(fā)器所測(cè)蒸發(fā)量須換算成天然水體蒸發(fā)量：E=kE器一、土壤蒸發(fā)率和蒸發(fā)能力土壤蒸發(fā)率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積上的土壤蒸發(fā)量(E)土壤蒸發(fā)能力：充分供水時(shí)的土壤蒸發(fā)率(Em)第三節(jié) 土壤蒸發(fā)的物理過程二、土壤蒸發(fā)的影響因素蒸發(fā)能力方面——日照、溫度、濕度、風(fēng)速等氣象因子供水條件方面——土壤含水量(在講“土壤蒸發(fā)過程”時(shí)展開)土壤孔隙地下水位溫度梯度三、土壤蒸發(fā)過程第三節(jié) 土壤蒸發(fā)的物理過程（續(xù)）(1)>田，E=Em

整個(gè)土層水分輸送通暢，供水充分，按蒸發(fā)能力蒸發(fā)，蒸發(fā)量大而穩(wěn)定。(3)<斷，E=CEm(C<<1.0)

毛管向上輸送水分的機(jī)制完全遭到破壞，水分只能以薄膜水或氣態(tài)水的形式供給蒸發(fā)，蒸發(fā)量小而穩(wěn)定。(2)斷<<田，E=f(Em,)

土層中部分毛管水?dāng)嗔?，供水不充分，隨著

的減小，連續(xù)狀態(tài)愈來愈多地遭到破壞，蒸發(fā)量急劇減小。毛管斷裂含水量(3)田間持水量(2)(1)E/Em

一、植物散發(fā)的影響因素1、氣象因素（日照、溫度、濕度、風(fēng)速等）；2、土壤含水量當(dāng)土壤含水量充分時(shí)，植物散發(fā)達(dá)到或接近散發(fā)能力。隨著土壤含水率的減少，植物散發(fā)漸減。當(dāng)土壤含水量低于凋萎含水量后，植物散發(fā)基本停止。3、植物種類和生理階段第四節(jié) 植物散發(fā)作物系數(shù)1.0

k

ksE/Em二、植物散發(fā)的規(guī)律一、流域總蒸發(fā)的影響因素根據(jù)蒸發(fā)面不同，流域蒸發(fā)包括：水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植被散發(fā)和冰雪蒸發(fā)等。通常流域內(nèi)水面和冰雪覆蓋面所占比重不大，故對(duì)絕大多數(shù)流域，總蒸發(fā)主要包括土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)。

因此，影響土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)的因素即是影響流域總蒸發(fā)的因素。綜合起來，影響因素包括：（1）氣象條件（日照、溫度、濕度、風(fēng)速等）；（2）流域內(nèi)土壤含水量；（3）流域內(nèi)土壤、植被分布；（4）地形、地貌。第五節(jié) 流域總蒸發(fā)二、流域總蒸發(fā)規(guī)律(1)Em小,

則a小，可在較長時(shí)間內(nèi)維持按蒸散發(fā)能力蒸發(fā)。(2)Em大,

則a大，略小于田，實(shí)際蒸散發(fā)量便降到蒸散發(fā)能力以下。1.0(3)(2)(1)E/Em

b

a

(1)>a，E=Em（注:

a<

田)

供水充分，蒸散發(fā)量大而穩(wěn)定。(2)b<<a，E=(

)Em（注:

b<

斷)

供水不充分，蒸散發(fā)量隨的減小而減小。(3)<b，E=CEm，C=0.05~0.10蒸散發(fā)能力0.050.150.25E/Em

1.

流域蒸散發(fā)能力的概念

充分供水條件下的流域蒸發(fā)率，是計(jì)算流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量的基礎(chǔ)。

2.

流域蒸散發(fā)能力的確定目前主要根據(jù)蒸發(fā)器觀測(cè)的水面蒸發(fā)經(jīng)折算后得到流域蒸散發(fā)能力。具體折算如下：三、流域蒸散發(fā)能力水量平衡法四、流域蒸發(fā)量計(jì)算PER思路：對(duì)閉合流域，滿足水量平衡方程：P=E+R+W在P、R、W已知的情況下，確定出E。

因

W很難確定，實(shí)用中水量平衡法只適用于W0情況下E的確定。概念性方法（三層蒸發(fā)模式）四、流域蒸發(fā)量計(jì)算（續(xù)）第八章徑流第一節(jié)徑流現(xiàn)象多數(shù)具有相當(dāng)數(shù)量和足夠強(qiáng)度的降水都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的流量過程，即：P(t)～Q(t)，但降水量P>徑流量R；P(t)、Q(t)過程形狀不一樣，P(t)尖瘦不光滑，Q(t)矮胖光滑，洪峰過程的出現(xiàn)要比降雨過程滯后；P(t)

、Q(t)過程歷時(shí)不同，P(t)時(shí)間短，Q(t)時(shí)間長；相同P(t)在不同流域產(chǎn)生的Q(t)形狀不同。第二節(jié)徑流形成過程從降雨(或融雪)到水流匯集至河流出口斷面的整個(gè)過程。流域蓄滲過程徑流形成過程坡地匯流過程河網(wǎng)匯流過程坡面匯流壤中匯流地下匯流1.流域蓄滲過程降雨P(guān)植物截留In填洼D植物散發(fā)ET下滲f蒸發(fā)E下滲f在該階段，不產(chǎn)生徑流的那部分降水稱為損失量，降雨量減損失量=產(chǎn)流量。2.坡地匯流過程降雨P(guān)植物散發(fā)ET下滲f蒸發(fā)E下滲fRsRssRgRsRsRssRg坡地匯流過程坡面匯流:水流速度快,匯流時(shí)間幾分鐘～幾小時(shí);壤中匯流:水流速度中,匯流時(shí)間幾小時(shí)～幾天;地下匯流:水流速度慢,匯流時(shí)間幾天～幾百天。3.河網(wǎng)匯流過程tQ

各種徑流成分注入河網(wǎng)后，在河網(wǎng)內(nèi)沿河槽作縱向流動(dòng)和匯集的過程。從坡地匯流注入河網(wǎng)開始，至輸送到出口斷面為止。河槽調(diào)蓄作用：漲水時(shí)，注入河網(wǎng)量>從出口斷面流出量，蓄水。落水時(shí)，注入河網(wǎng)量<從出口斷面流出量，放水。第三節(jié)河流及流域一、分水線和流域分水線：使雨水分別匯集到兩條不同的河流，起著分水作用的地形，是流域的邊界線。流域：匯集地面水和地下水由分水線所包圍的區(qū)域。二、流域的平面形狀特征

1.河系類型（扇形、羽毛型、平行狀、混合形）4.

流域形狀系數(shù)

Rf=流域面積/(流域長度)21111111122223342.河流等級(jí)3.河網(wǎng)密度流域單元面積內(nèi)干支流長度。第三節(jié)河流及流域（續(xù)）三、流域的地形起伏特征

1.河流的落差和