生態(tài)水文學(xué)筆記

目錄

第一天...........................................................................1

第二天...........................................................................9

第三天..........................................................................16

第四天..........................................................................23

第五天..........................................................................25

第六天..........................................................................28

第七天..........................................................................30

第八天..........................................................................33

復(fù)習(xí)............................................................................37

第一天

Physical自然規(guī)律的ecological生態(tài)的practical實踐的

Whatisecohydrology?大氣、地表、土壤和巖石土壤圈

中水的活動，能量如何驅(qū)動水

文。這里涉及的原則是環(huán)境科

學(xué)領(lǐng)用中都需要使用的

physical

/\--

ECOHYDROLOGY

//VT\\7\'

ecologicalpractical

o------+---6-----------o

物理上的水文學(xué)

解決如何量化各

和自然生態(tài)系統(tǒng)

種水資源的問題

的相互作用0-----------O-----------0

水文學(xué)Hydrology：水在環(huán)境中的運動和狀態(tài)。

蒸發(fā)ET=Et+Es+Ei

Interceptionloss林冠截留損失transpiration蒸騰作用soil&litterevaporation土壤和枯枝落葉

蒸發(fā)Throughfall穿透降雨storage貯存streamflow徑流stemflow樹干流watertable地下

水位impervious不透水層

o

TheEcohydrologicalSystem

幫助理解為什么會出現(xiàn)生態(tài)水文學(xué)且這個交叉學(xué)科為什么重要

▲

Whatwillyoulearn?

Source:USGSNAWQAProgram

人類活動對流域的影響：管

理降低風(fēng)險，農(nóng)業(yè)活動對流

域的不良影響等等

HurricaneMatthewandtheLumbeeRiverWatershed

還沒算進氣候變化呢，人類的需求就會隨著時間推移逐漸超

過現(xiàn)在區(qū)域能提供的總水量。

所以水資源危機不論發(fā)達還是發(fā)展中還是落后國家都一樣嚴(yán)

峻

(

9Q

)W

P

U

D

E

3

Q

3E

S-

SA

2-

10

A

-

o

a

8

6

E

3

A

V

1.流域

-流域Watershed-通過景觀上的一個點排水的土地區(qū)域。與集水區(qū)或盆地同義，盡管有時這

些術(shù)語意味著一定的規(guī)模。接收、修正、儲存和分配降水的單位面積

?分水嶺Divide——流域的邊界。分水嶺通常是不同的山脊，但它們不一定非得如此。

WatershedBasics

Watershed—anareaoflanddrainingthroughasingle

pointonthelandscape.Synonymouswithcatchmentor

basin,althoughsometimesthesetermsimplycertainscales.

aunitareaoflandthatreceives,

modifies,stores,anddistributesprecipitation

*Divide-theboundaryseparatingwatersheds.Watershed

dividesareoftendistinctridges,buttheydon'thavetobe.

流域的工作原理:收集降水、通過植被進行降雨再分配、存儲

降水

流域是有邊界的，有的很明顯，有的可能不那么明顯

Poo夕andFluxes-KeystotheWaterBalance

計口B以麻地為基準(zhǔn)

書齊呷由二離開的flux：蒸散

，水川，河加寺進入的flux：降雨

匯集、相對靜止相對動態(tài)，在不同的系統(tǒng)間運動

2.水量平衡WaterBalance：降雨量P二徑流量Rs+蒸發(fā)量ET

通量Fluxes二單位時間的數(shù)量（例如，cm/年）

水平衡方程的組成部分也可以重新排列/用于描述水平衡和流域的不同屬性

徑流比RunoffRati。（RR）=R/P,徑流比是降水、蒸散、坡度、土壤特性和土地利用/土地覆

蓋之間相互作用的函數(shù)。成為徑流的降水百分比（或分?jǐn)?shù)）

TheWaterBalance

Streamflow（Rs）=Precipitation（尸）-Evapotranspiration（ET）

RuMff依。）簡單但超級厲害的一個模型

可以用來評估氣候變化的影響、評

WaterYield（Q）估水資源（河川徑流）情況、評估蒸

散（ET）的作用

Fluxes=amountperunittime(e.g.,cmperyear)

HowdowemeasureRs?

HowdowemeasureP?

HowdowemeasureET?

Componentsofthewaterbalanceequationcanalsobe

rearranged/usedtodescribedifferentattributesofthewaterbalance

andwatershed:

RunoffRatio(RR)=Rs/P

i.e.,thepercentage(orfraction)ofprecipitationthatbecomesrunoff

Runoffratioisafunctionoftheinteractionsamongprecipitation,

evapotranspiration,slope,soilcharacteristics,andlanduse/land

cover.

where/whenwouldweexpectRRtobehigh?

where/whenwouldbeexpectRRtobelow?

Rs盡可能大:沒植被、不下滲這個比例值就接近1

Rs小:降雨全部蒸發(fā)，如小降雨或在沙漠里，這個比

例值就接近0

所以這個比例能夠反映流域里的物理和生物特點

CatchmentUnits:

E

-

N

-

8

兩者可作流

換

域面積進彳

5001000150020002600

W-E(m)

unoffUnits:

mm

yr

庫和通量（水平衡的關(guān)鍵）

質(zhì)量輸入-質(zhì)量輸出=質(zhì)量隨時間的變化

容量輸入-容量輸出=容量隨時間變化

?通量Fluxes：單位時間內(nèi)“某物”（質(zhì)量、體積、能量）的運動。

?包括降水、滲透、排放、蒸發(fā)、蒸騰等。

?水文通量:體積/時間（ft3s-l或“cfs”）或長度（或深度）/時間（mmyr-1,cmday-1）

通用水量平衡方程GeneralWaterBalance:

dV

=%+"（/）+陽/⑺一G°"）-ETQ

o.

3.滯留時間ResidenceTime

?物質(zhì)分子（水、氣體、污染物）在移動到另一個儲層（池）之前在儲層（池）中的平均時

間。

?替換儲層（池）中物質(zhì)分子總數(shù)所需的時間。

?水質(zhì)和污染問題考慮的重要變量。

?由水庫或流量大小決定：TR=V/Q

TR與V成比例，TR與"Q成比例

?大池和/或小通量增加停留時間。

4.AnApplicationtoWatershedHydrology

?作為地球化學(xué)示蹤劑的比電導(dǎo)：

河岸緩沖：

?山坡流入溪流，但在經(jīng)過河岸帶之前不能。

?河岸帶的大小相對于山坡的大小影響河岸水的周轉(zhuǎn)時間。

?河岸：山坡比率對河岸緩沖的影響

5.關(guān)鍵區(qū)域是地球的外皮

?巖石與生命相遇的區(qū)域。

?從樹頂?shù)降叵滤撞康臐B透層。

?巖石、土壤、水、空氣和生物相互作用并塑造地球表面的環(huán)境。

水和大氣中的氣體通過多孔的臨界區(qū)，生物系統(tǒng)在其表面和地下環(huán)境中茁壯成長，這些環(huán)境

隨著時間的推移受到生物群、地質(zhì)和氣候的影響。

所有這些活動都將巖石和生物量轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵地帶的中心成分一一土壤;它也創(chuàng)造了地球上最

異質(zhì)和復(fù)雜的地區(qū)之一。

TheCriticalZoneisEarth'souterskin

?ThezonewhererodemeetsItfe.

?Apermeablelayerfromthetopsofthetreestothebottomofthe

groundwater

?Anenvironmentwhererock,soil,water;air;andlivingorganisms

interactandshapetheEarth'ssurface.

WaterandatmosphericgasesmovethroughtheporousCriticalZone,andlivingsystemsthriveinitssurfaceand

subsurfaceenvironments,shapedovertimebybiota,geology,anddimate.

AllthisactivitytransformsrockandbiomassintothecentralcomponentoftheCriticalZone-soil;Italsocreatesone

ofthemostheterogenousandcomplexregionsonEarth.

總結(jié)

流域Watershed:不同大小

邊界、工作原理（收集降水、通過植被進行降雨再分配、存儲降水）

水量平衡Waterbalance

全球范圍：相對穩(wěn)定巷意：對任意的pool來說

(1)水文循環(huán)(watercycle)------PoolsandFluxes—?

局地范圍：變化明顯短時間內(nèi)dv/dt都不會是。

TheWatofBalance

★)

（2）Xa.5E.ifcStrvMT?M?(Al)?PrwfaUkon</?-E??pa?antpfatiantFO

“w)<6結(jié)木施IT時川修改)?*、漕估a

⑶RunoffRatio（8R）=Rs/P口即能大及“不下浮這個比《修就接近1

'1/Rs小妹全嘉司發(fā)址小ME在海里說個比

Mttto

所以it個比例能，反陜置城里的鋤理和生■得點

(4)滯留時間(Residencetime):specificconductanceofstreamwater

河岸帶要夠?qū)?，有效改善水質(zhì)

第二天

1.局地降水LocalPrecipitation受大氣環(huán)流和其他因素的影響:

地形

空氣溫度

鋒面運動

距離濕氣源程度

降水還需要云凝結(jié)核（CCN）的存在：

?顆粒＞10-4mm

?自然來源

?人為來源

CCN的自然來源：

?流星塵埃

?地面灰塵

?火山物質(zhì)

?煙霧

?海鹽

?陸地上的濃度為300cm-3,海洋上的濃度為100cm-3

CCN的人為來源：

?燃燒

?農(nóng)業(yè)

?云播種

?局部濃度3000-30000cm-3

2.蒸發(fā)能EnergyofEvapotranspiration

?蒸發(fā)能（Rn）

?Av蒸發(fā)潛熱（~2.450e6Jkg-1）

,P（波文比BowenRatio）：B=H/LE

波文比：表面（葉子、湖泊、土壤）不能保持凈輻射，因為它沒有體積。凈輻射產(chǎn)生的能量

必須轉(zhuǎn)移出去。CanbeusedtoestimateET

Rn=H+LE,顯熱=H,蒸發(fā)潛熱=1_￡,B（BR）=H/LE

P（BR）=（Ts-Ta）/（Es-Ea）

3.測量降水量

標(biāo)準(zhǔn)雨量計StandardRainGauge：精確測量總降水量

翻斗或稱重TippingBucketorWeighing：測量總降水量不太準(zhǔn)確，但提供時間和強度

標(biāo)準(zhǔn)雨量計：

?測量棒

?溢流罐收集器

?漏斗

?測量管

4.蒸散Evapotranspiration

潛在蒸散量

PET是指在有足夠的水分（來自降水和土壤濕度）的情況下，蒸發(fā)排放的需水量或最大需水

量。由能量（Rn）和蒸汽壓梯度（VPD）驅(qū)動。VPD=esat-eair溫度越高，空氣中所持水汽越

多

實際蒸散量（AET或ET）在給定水分限制和其他生物物理限制的情況下實際發(fā)生。

由于水量或供水限制，AET總是低于PET

PE是指如果有足夠的水（來自降水和土壤水分），蒸發(fā)所需的水量或最大量。

?潛在蒸散量

-如果地表有無限的水分用于植被和土壤蒸發(fā)，將產(chǎn)生的蒸散量.

?實際蒸散量

-水分限制和其他生物物理限制條件下實際發(fā)生的蒸散。

實際蒸散量

-水分限制和其他生物物理限制條件下實際發(fā)生的蒸散。

-當(dāng)水或運輸水的能力是一個限制因素時，小于PET。

-包括：

?土壤蒸發(fā)

?截留

?蒸騰作用

5.森林蒸散

ForestET=Et+Es+Ei

transpiration+soilevaporation+interceptionevaporation蒸騰作用+土壤蒸發(fā)+截留蒸發(fā)

所有三個組成部分都是能量、蒸汽壓梯度和冠層特征的函數(shù)，如葉面積、莖面積、凋落物或

森林地面

森林葉面積通常以葉面積指數(shù)LAI為特征

單位面積（m2）的樹葉面積（m2）

6.輻射Radiation

-蒸發(fā)蒸騰的關(guān)鍵能量項

■起源于太陽（即短波）能量，但轉(zhuǎn)換的陸地（即長波）能量也很重要。

電磁頻譜ElectromagneticSpectrum

光譜的可見部分從400納米（紫色）延伸到700納米（紅色）。

1000nm=1um

入射太陽輻射峰值約480nm（對應(yīng)于6000K的溫度。）

發(fā)射的地面輻射峰值約為10口m（對應(yīng)于289K的溫度。）

入射太陽輻射=342Wm-2（長期平均值）

ReflectedsolmrIncoiringsolariOutgoinglongirave.

radiationJradiationirsdiaion235

107叫m<342235Wm4

Reflectedby

theturface

30,

Absofbedby皿彳丁區(qū)Evapo?

-c"3丁3

7.輻射平衡RadiationBalance

?對于地球表面的任何一點，太陽和地面輻射的輸入和輸出都會產(chǎn)生能量的凈盈余或赤字:

RNet=RSol-ln+RTerra-ln-RSol-Out-RTerra-Out

■RNet凈輻射NetRadiation是地球表面某一點的可用能量。

能量平衡EnergyBalance

?在地表，凈輻射轉(zhuǎn)化為能量通量energyfluxes：

?土壤熱通量，G（土壤直接加熱）

?顯熱通量，H（大氣對流加熱）

?潛熱通量，LE（用于蒸發(fā)水的能量）

?儲存變化，AS（熱含量變化）

?通量結(jié)合起來形成能量平衡方程energybalanceequation：

RNet=H+LE+G+AS

EnergyFluxesForForests

SoilHeatFlux

能量平衡的組成部分

波文比B=H/L

有助于估算蒸散量

EB=(Rn-G-M)/(l+B)LE但是，你需要在高大的森林里建一座高塔來測量

8.葉面和樹冠leaflevel&canopy

截留Interception

?通過植被捕獲降水并隨后蒸發(fā)回大氣。

?截留率取決于植被冠層結(jié)構(gòu)、降水特征和前期條件(如上次降水后的時間)。

針葉葉子多，攔截的多；

蒸騰作用Transpiration

?水分從植物組織通過稱為氣孔的微孔蒸發(fā)到大氣中

?氣孔作為植物失水(和碳增加)的調(diào)節(jié)器，在生物和非生物刺激下擴張和收縮。開放性氣

孔、閉合性氣孔

蒸騰作用由氣孔調(diào)節(jié)和大氣對水分的需求共同控制：

-氣孔調(diào)節(jié)是通過氣孔導(dǎo)度(gs)來量化的，氣孔導(dǎo)度是指水蒸氣從葉片內(nèi)部流向大氣的能

力。

-大氣對水分的需求通過大氣水汽壓差(VPD)進行量化。

VPD=saturatedvaporpressure飽和水汽壓(es)-actualvaporpressure實際水汽壓(ea)

actualvaporpressure(vp)=RHxesat

?氣孔是葉片吸收C02和損失H20的共同途徑。

?保衛(wèi)細胞通過復(fù)雜的反饋機制控制氣孔開度或?qū)Ф龋畲笙薅鹊匚斩趸?，同時最大

限度地減少H20損失。

氣孔導(dǎo)度Stomataiconductance

通過氣孔的水蒸氣傳輸速率的測量mmolH20m-2s-1

?隨環(huán)境驅(qū)動變量變化

?因物種而異

CombiningStomataiConductanceandVPDtoComputeTranspiration:

/(Light,Temperature,Humidity,C02,SoilMoisture,species)

Additionalfactors:netradiation(i.e.availableenergy),windspeed,leaf

vs.airtemperature

一片葉子在25攝氏度時的蒸氣壓為3.167千帕（見我們的公式蒸氣壓圖）。

如果空氣溫度也在25℃,但相對濕度僅為50%,則空氣的蒸氣壓（VP）將為:

E是蒸騰速率，單位為mmolH2。m-2s-l

VPD是蒸汽壓差，單位為KPa

BP是大氣壓，單位為KPa（海平面101.3）

gsw是對水汽的電導(dǎo)，通常是總電導(dǎo)或氣孔導(dǎo)度

17.37

VP=0.50*3.167=1.58es=0.611exp

7+237.3

VPD=VPleaf-VPair=3.1674=1.584Kpa

§

E=[VPD/BP]*gsw

where:

-1

EisthetranspirationmolH2Om"s

VPDisthevaporpressureinKPa

BPisthebarometricpressureinKPa(101.3at

sealevel)

gswistheconductancetowatervapor,usuallythe

totalorstomataiconductance

Given....

AirTemperatureis20℃

LeafTemperatureis16°C(lowerthanairtemperature

becauseofevaporati^cooIing)

BP=101.3%

§

RelativeHumidityis60%

Conductance(gs)is400mmolH

What'sthetranspirationrate?

VPDisVP-VP...whichis1.818-1.403=0.415Kpa

IlCAalfaIK,

21

E=(0.415*400)/101.3=1.64mmolH20ms

大葉模型

Penman-MonteithEquation

EnergyfluxrateVohunefluxnte

.^(Rn-G)+pacp(6e)ga^(Rn-G)+paCp(6e)ga

△+7(1+%/g.)(A+7(l+Pa/ft))Lv

兒=Latentheatofyaporization.energyrequiredperunitmassofwatervaporized.(Jg-1)

Lv=Volumetriclatentheat^fv^o[lzation.Energyrequiredperwatervolumevaporized.(Lv

=2453MJm-3)QA

E-MasswaterevapotranspirationrarX^1m-2)

ETQ-watervolumeevapotransplred(mhr^y

△二Rateofchangeofsaturationspecifichumiditywit^airtemperature.(PaK-1)

2

Pn-Netirradiance(Wm-),theexternalsourceo0?^yflux

G二Groundheatflux(Wm-2),usuallydifflciilttomea^frei

二-11

cpSpecificheatcapacityofair(JkgK-)C\

二-3

padryairdensi^f(kgm)2

6e二vaporpressuredeficitorspecifichumidity(Pa)'

g二Conductivityofair.atmosphericconductance(ms-1)

aWhatdoyoudowhen

g二Conductivityofstoma,surfaceconductance(ms-1)

syouhaveacomplexforest

y-Psychrometricconstant(y-66PaK-1)withmultiplespecies?

總結(jié)

Day2（1）是什么口）怎么測/怎么算

"TopDown"

Ro-P-CT

ET=K&

Streamflow(RJRunoff

蒸散作）

潛在蒸散Penman-MonteithEquation

實際蒸散土壤蒸發(fā)，

VPD輻射平衡

截留蒸發(fā)

輻射Radiationbalance

蒸騰能量平衡

Energybalance

?波文比BowenRatio

第三天

1.測量流量

許多用于測量河流流量的方法都基于物理水文學(xué)：

河流剖面、深度和流量曲線

堰weirs

方程

ThreeImportantEquations

p—pgdHydrostaticEquation

Q=UAContinuityEquation

BernoulliEquation

(flowintermsofpressure“energy")

2.明渠Open-Channel水文學(xué)

?流體靜力學(xué)Hydrostatics

?流體動力學(xué)FluidDynamics

流體靜力學(xué)：研究靜止流體的性質(zhì)和力平衡。

流體動力學(xué)：研究控制流體運動的過程(力)。

環(huán)境中流體運動的主要來源：?重力?輻射

環(huán)境流體：?空氣?水?熔巖/巖漿?地幔?冰川，同樣的物理原理適用于所有這些流體。

SomeImportantPrinciples

牛頓第二定律NewtonsSecondLaw

Fg+Fp=massxacceleration質(zhì)量*加速度

Fg=forceduetogravity重力引起的力,Fp=forceduetopressure壓力引起的力

質(zhì)能守恒Conservationofmass/energy

Mass(orvolume)

連續(xù)性方程aContinuityEquationwQ(L/m3)=U(平均流速,單位L/m)*A(m2)=常數(shù)

energy(pressure)

P+l/2rv2+rgy=常數(shù)(H)

壓力能(大氣)Pressureenergy(atmospshere)+動能(運動)kinematicenergy(movement)+

勢自占(重力potentialenergy(gravity)=H

2.流體靜力學(xué)Hydrostatics

應(yīng)力Stress：單位面積的力

?垂直于（法向）區(qū)域的力：壓力Pressure

?與區(qū)域平行（切向）的力：剪應(yīng)力ShearStress

“靜力學(xué)”意味著靜止流體的物理性質(zhì)

粘度Viscosity（u）：描述流體在外力作用下運動阻力的物理性質(zhì)。

粘度單位：帕斯卡*秒，注：高度依賴于溫度

Viscosityofair~1.8x10-5Pa*s

Viscosityofwater~1x10-3Pa*s

Viscosityofmotoroil~250x10-3Pa*s

Viscosityoflowermantle~1000Pa*s

Viscosityofglacialice1x1013Pa*s

Viscosityofasthenosphere~1020Pa*s

Viscosity=resistancetoflow二流動阻力

P密度Density（也與溫度有關(guān)）

Densityofair~1kg/m3

Densityofice~917kg/m3

Densityofwater~1000kg/m3

Densityofquartz~2650kg/m3

Densityofmercury（Hg）~13,500km/m3r

靜水壓方程TheHydrostaticEquation：p=pgd

靜止流體：壓力隨深度線性增加；各方力量均衡。

3.流體動力學(xué)

修改移動流體的靜水壓平衡：

考慮水通過一段管道：Forcebalance：Fgs+FP=maK0

Forcebalance:Fgs+Fp=ma#0

伯努利方程BernoulliEquation

假設(shè)：1.無摩擦2.不可壓縮均質(zhì)流體3.穩(wěn)流

動能+位能（重力勢能）+壓力勢能二常數(shù)

BernoulliEquation

《+z+j

2gPg

H=常數(shù)=能量=總水頭

u=S方向的速度

z=深度或高度

U2反映了速度水頭，它是系統(tǒng)動能的表達式。

z反映了位置水頭，它是系統(tǒng)勢能的一種表述。

P壓力水頭，它反映了系統(tǒng)中的分子能量。

使我們可以用伯努利方程測量徑流streamflow

流線Streamlines：可視化流程的概念框架，流線與水流平行

連續(xù)性方程ContinuityEquation

Q=UA=constant,Q1=Q2,U1A1=U2A2

QI>--------------Q2

沿流線的速度增加（減少）伴隨著壓力和/或高程的凈減少（增加）。

利用這個方程在任一個斷面監(jiān)測流量（Discharge）

質(zhì)量守恒只是說你不能創(chuàng)造或破壞質(zhì)量。例如，在一條河流中，這意味著如果有那么多噸水

進入一條河段的起點，那么同樣數(shù)量的噸水離開該河段。

4.摩擦Friction

TheRealityofPipeFlow

“無滑移”邊界條件意味著水“粘附”在管壁上，并且在中心有一個最大流速。

結(jié)果是能量在X方向的耗散（即摩擦），摩擦導(dǎo)致X方向的水頭損失。

摩擦力的影響需要對伯努利方程進行修正，以考慮水頭損失：

1_=管道長度

。=管道直徑

￡=摩擦系數(shù)

5.層流Laminar與湍流TurbulentFlow

雷諾數(shù)ReynoldsNumber

P=水的密度

匹流速

。=管道直徑

口=水的粘度

InertialForces(velocity)

R=

*ViscousForces(friction)

6.RH=HydraulicRadius水力半徑,RH是橫截面積與濕周的比值,RH=A/Pw

濕周Pw=w+2d,其中d為平均深度，w為河流寬度

7.水流不是管道，它們是明渠，所以當(dāng)伯努利方程告訴我們一些關(guān)于水流的事情時，我們

需要修改以使物理過程適用

改裝版伯努利方程：E是相對于河床高程和流速的能量，比能量SpecificEnergy：E=H-zb

2

U1

-----卜h=E1r

能量現(xiàn)在定義為流速和總水深。

lf:Q=uA=uhw

Thendefineanothernewg二0/VI?=uh=specificdischarge

term*:

Substitutingforugives:

流量Discharge=Q=u*A=uhw,單寬流量qwHBJ流總流量/寬度=流量*深度

如果流動是穩(wěn)定的，qw隨時間變化是恒定的（穩(wěn)定流動的定義）?，F(xiàn)在方程只有兩個未知

項，h（水深）和E（比能量）。

8.堰Weirs

如果我們有一個足夠大的“駝峰”，流經(jīng)“駝峰”的水流是至關(guān)重要的（F=l）,我們可以

從駝峰上游的水位估算駝峰上方的水位

這就是堰的工作原理；設(shè)計用于在具有已知和固定尺寸（w）的明確“駝峰”和測量hweir

的儀器的“通道”中產(chǎn)生臨界流，臨界流量CriticalFlow可用于測量流量：

被稱為“寬頂堰broad-crestedweir”

當(dāng)流量達到臨界值時ho=2/3*hweir

由于hO和U0之間的獨特關(guān)系，我們可以直接計算堰后h（stage）排放量hweir：

(2Y2s、叼

UQ=[-gh^irJQ=UA0=麗”

9.天然河道流量DischargeinNaturalChannels

計算有DirectMethods,IndirectMethods

直接法1：分段法Subsections、定額曲線RatingCurve、直接測量

定額曲線

DirectMethod1:SubsectionsRatingCurve

Cwrent-nwttr帆:Mrgttne??ur?mems?r?made

bydtttfiMninQth?dMcMryetnsubwcuonotacbannel

cnmsectionandsummingthatubMctrandtschargeitoobtain

?toutdtsclurgt.

這個不能一直用，得修正

直接法2：稀釋計量：用示蹤劑測量流量的方法。對較小的溪流有效，尤其是涉水桿法失敗

A

的溪流。c

M=添加示蹤劑的質(zhì)量，Ac=穿透曲線BreakthroughCurves下的面積

稀釋流測量可用于在其他直接方法不可行的許多條件下確定流排放量。這些情況可能包括:

極高速度、極端湍流、大量碎片、非常不規(guī)則的河道幾何形狀

Chezy(late1700s):

U=CR)S%Q=CR^S^A

Manning(late1800s):

U=LR爵%0=1糕%4

間接法nn

重點：曼寧公式

出粗糙系數(shù)

(^=水力半徑

s=坡度

人=通道面積

方法比較：

Accuracy?

weir>ratingcurve>dilution>Manning

Cost?

Manning<dilution<ratingcurve<weir

Bigstreams&rivers?

Manning&ratingcurve

總結(jié):

今天的要點，學(xué)習(xí)的目的

測算深度和流量的理論依據(jù)和實際做法

ThreeImportantEquations

P=pgdHydrostaticEquation崢止的水和流動的水都適用。知道壓力就知道深度

DirectMethod1：SubsectionsDirectMethod2:DilutionGauging

DischargeinNaturalChannels

,MettKxiformeasuringdischargeusingtracers.

,Effectiveforsmallerstreams,especiallythose

wherewadingrodmethodfails.

Howdowecomputethestage/dischargerelationship

whenflowisNOTcriticalorwhenaweirinnot

practical?e-y

DirectMethods

IndirectMethodsMofnceriddal

4?aoiunderenc

IndirectMethodsWhichonetouse?

Twodifferentbutrelatedmethodsfordeterminingvelocityanddischarge：

Che2y(Ute1700s)：

U=CRJS%Q=CRJS"A

Manning(late18(Xh|:

U=LR：；S%Q=-R^A

nn

第四天

1.產(chǎn)流Runoffgeneration

水文過程線Hydrograph,分為年尺度、月尺度、日尺度

?告訴我們分水嶺（大小）如何響應(yīng)風(fēng)暴和基流baseflow的貢獻

?因土地利用、土壤和其他流域特征（如地形）而異

?洪水事件的規(guī)模和時間

?了解道路、城市化、干擾的影響

2.徑流來源

?渠道截留（CI）

?地表徑流（OF）

?地下徑流（SSF）

?基流（BF）

暴雨徑流Ro=Cl+OF+SSF+BF

渠道截留ChannelInterception

?在大多數(shù)森林流域，CI較小，因為河道面積相對于整個流域面積較小

然而，在小風(fēng)暴中，它可能是過程線上唯一觀測到的響應(yīng)

地表徑流SurfaceRunofforOverlandFlow

?由于高滲透率，地表水流通常是森林流域水流的次要組成部分，但當(dāng)土壤飽和且滲透停止

時，地表水流在壓實土壤或河流附近區(qū)域變得重要

降水強度〉入滲能力為超滲產(chǎn)流，飽和土則為蓄滿產(chǎn)流

壤中流Interflowor地下徑流SubsurfaceStormflow

滲入土壤并橫向轉(zhuǎn)移直至到達河道的降水（即未被植被冠層或土壤表面截留和蒸發(fā)）

飽和流Saturatedflow-土壤儲水量己滿

非飽和流Unsaturatedflow-土壤儲水量未滿，但由于重力（陡坡）和/或水分梯度，水分橫向

移動---達西定律Darcy'sLaw

Precipitation

AA

evapotranspiration

v

upland

riparian

stream

WaterTable--------------

-----------~---------------

Groundwaterrecharge

1

徑流能做分割，也只能分割出來基流，但不能表示來源，所以可以用同位素示蹤，使用化學(xué)

元素Specificconductance

3.可變源區(qū)VariableSourceArea

坡度Slope會影響徑流

隨著風(fēng)暴的發(fā)展，次級流域sub-watershed的不同部分會產(chǎn)生徑流

流域徑流量比取決于土壤水分儲存-徑流滯后

季節(jié)徑流比隨季節(jié)降雨量的變化而變化，但過去的降雨量比現(xiàn)在的降雨量更能預(yù)測RR。

4.對比流域Pairedwatersheds

我們?nèi)绾卫斫飧淖兘邓坎⒆罱K將其分配到徑流和補給的流域過程watershedprocesses?

一一接收、修改、儲存和分配降水的單位區(qū)域

對比流域Pairedwatersheds

?被認(rèn)為是流域過程實驗性理解的“金標(biāo)準(zhǔn)”

?20世紀(jì)60年代，美國有150多個成對森林流域?qū)嶒?研究

?森林、農(nóng)業(yè)、城市

對比流域法PairedWatershedApproach,控制變量，實現(xiàn)唯一變量

“配對”兩個大小相似的流域，土地覆蓋，基巖，土壤

安裝堰或其他流量測量裝置

在兩個流域測量一段時間的流量，以建立校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，通常至少校準(zhǔn)1-3年

決定要問的問題...“X”如何影響水流，例如:

?干擾

?森林管理

?變薄

?收獲

?土地利用變化

.物種變化（樹木、農(nóng)作物）

?河岸帶移除或拓寬

?道路

根據(jù)“參考”流域和“處理過的”流域之間的關(guān)系預(yù)測Predict預(yù)期流量

響應(yīng)Response=預(yù)測值（根據(jù)治療前參考值和治療流域之間的關(guān)系）減去治療流域的觀察值

（測量值）

第五天

1.地下水水文學(xué)GroundwaterHydrology

地下徑流GroundwaterFlow

達西定律Darcy'sLaw：地下水流由水力梯度hydraulicgradient和水流通過的材料的滲透性

permeability決定

水力梯度=地下水位坡度Ah=h2-hl

Darcy'sExperiment

Anapparatustostudygroundwaterflow(Ch.6oftextbook)

能量=水頭head,液壓水頭HydraulicHead,總水頭=勢能+動能+壓力

“dh

q=-K——

達西定律"，Kis滲透系數(shù)hydraulicconductivity,單位m/s

K=論』

K的經(jīng)驗關(guān)系：f'

N=流道彎曲度

€1=有效孔徑

Nd2=k,固有磁導(dǎo)率

specificdischarge比流量q=達西流量=水力流量hydraulicflux,q=Q/A

2.地下水流速GroundwaterVelocity

6孔隙度Porosity是孔隙空間所占體積的百分比

'T,Vv=voidvolume孔隙體積，VT=totalvolume總體積

粘土孔隙度高，但滲透系數(shù)低，所以流速隨孔隙度增加而減小

3.測量方法

滲流Vadose與含水層Aquifer的K：表面或近表面技術(shù)測量滲流區(qū)的飽和K

SlugorBail-OutMeasureAquiferK：

“slug”-迅速提高井內(nèi)水位，并測量其隨時間恢復(fù)至基線

“Bail-Out”-迅速降低井內(nèi)水位，并測量其隨時間恢復(fù)至基線

4.含水層Aquifer

?從高水頭流向低水頭。

?可以繪制液壓水頭的輪廓（等水位）。

?水流垂直于等電位線（流線）。

?水流貫穿整個含水層。

含水層的其他特征：異質(zhì)性Heterogeneity、各向同性Isotropy

5.土壤水文學(xué)SoilWaterHydrology

-非飽和帶TheUnsaturatedZone

土壤水分平衡SoilWaterBalance

?類似于水量平衡

-描述了土壤濕度隨時間的變化

de

~dtZr

1=入滲輸入，L=排水損失，￡l=植物吸收

非飽和土水力學(xué)UnsaturatedSoilHydraulics

?達西定律是垂直和橫向流動的控制方程。

?土壤體積含水量控制水頭（h）（通過影響吸力）和導(dǎo)水率（K）（通過影響彎曲度）。

?當(dāng)土壤濕潤或排水時，h和K動態(tài)變化。

土壤水能SoilWater