水文學(xué)原理必背知識(shí)點(diǎn)打印版

1、緒論一、水文學(xué)簡(jiǎn)史 英文Hydrology，來(lái)源于拉丁語(yǔ)，“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- ）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

2、，從而通過(guò)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。 水文循環(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(guò)程·· 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1) 海洋的蒸發(fā)量多于降水量；2) 大陸的降水量多于蒸發(fā)量；3) 大陸外流區(qū)輸入水汽量與輸出水量基本平衡；4) 大陸內(nèi)流區(qū)降水量與蒸發(fā)量基本相等。水文循環(huán)的作用和意義 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

3、源；4、 形成一切水文現(xiàn)象。水資源問(wèn)題Ø 原因1) 水資源量時(shí)空分布不均勻；2) 水資源分布與人口、耕地分布不相適應(yīng)；3) 水環(huán)境污染；4) 水資源浪費(fèi)。Ø 對(duì)策1) 時(shí)間和空間上的合理調(diào)配；2) 積極開(kāi)展水污染防治；3) 節(jié)約用水。9流域和水系分水線：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。 河網(wǎng)密度 流域單元面積內(nèi)干支流長(zhǎng)度流域的地形起伏特征 1. 河流的落差和比降 2. 流域平均坡度 3. 流域面積高程曲線流域自然地理及下墊面情況 1. 流域地理位置 2. 流域的土壤巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造 3.

4、 流域植被率 4. 流域湖泊率、沼澤率降水水分以各種形式從大氣到達(dá)地面統(tǒng)稱(chēng)降水。包括雨、雪、露、霜、冰雹等。降雨的類(lèi)型一、按降雨的成因分類(lèi)1. 氣旋雨隨著氣旋或低壓過(guò)境而產(chǎn)生的雨。2. 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。3. 地形雨 暖濕氣團(tuán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇山嶺障礙時(shí)，在沿山坡上升過(guò)程中逐漸變冷凝結(jié)成雨。地形雨多在迎風(fēng)坡上。4. 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(guò)程特征分類(lèi)1. 暴雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大、籠罩面積不大。

5、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。 2. 暴雨型霪雨歷時(shí)較長(zhǎng)、強(qiáng)度變化大。 影響區(qū)域洪水。3. 霪雨歷時(shí)很長(zhǎng)、強(qiáng)度小、籠罩面積大。 影響大流域洪水。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。1) 緩行冷鋒的降水與暖鋒相似；2) 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。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(guò)渡帶。 峰在空間是傾斜的

6、，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(guò)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(zhǎng)。降水要素 降水量、降水歷時(shí)和時(shí)間、降水強(qiáng)度、降水面積常用的區(qū)域(或流域)平均降水量計(jì)算方法有：1. 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。2. 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。3. 等雨量線法

7、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。 4 距離平方倒數(shù)法土壤水一、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(mǎn)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a(chǎn)) 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。b

8、) 毛管懸著水受毛管力支持而懸吊于土壤孔隙中的水分。 · 重力水 土壤中在重力作用下能自由移動(dòng)的水分。a) 滲透自由重力水 超過(guò)田間持水量的滲入水分。b) 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。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(wú)法從土壤中吸收水分，開(kāi)始永久凋萎時(shí)的土壤含水率。· 毛管斷裂

9、含水量毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)開(kāi)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(mǎn)水時(shí)的土壤含水率。土水勢(shì)的構(gòu)成1) 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(chēng)為基模勢(shì)?；?shì)為負(fù)值。2) 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(chēng)為壓力勢(shì)。壓力勢(shì)為正值。3) 重力勢(shì)由于重力作用而使土壤水具有的勢(shì)，稱(chēng)為重力勢(shì)。重力勢(shì)的值與參照基面有關(guān)。下滲下滲的物理過(guò)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(rùn)階段：主

10、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。飽和下滲理論基本假定 1. 半無(wú)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，q =qS，K=KS； 4. 下滲鋒面以下為初始土壤含水量，吸力hS。 非飽和下滲理論 1. 忽略重力； 2. 供水充分、表面無(wú)積水； 3. 均質(zhì)半無(wú)限土柱，初始土壤含水量分布均勻。 下滲的影響因素影響因素總的可歸納為供水和下滲能力兩個(gè)方面

11、· 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(lèi)活動(dòng)。 · 供水方面(1)降水性質(zhì)。 蒸發(fā)與散發(fā)土壤蒸發(fā)過(guò)程 q> q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。q斷<q< q田，E=f (Em, q) 土層中部分毛管水?dāng)嗔?，供水不充分，隨著 q 的減小，連續(xù)狀態(tài)愈來(lái)愈多地遭到破壞，蒸發(fā)量急劇減小。 q<q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。流域蒸散發(fā)的影響因素 根據(jù)蒸發(fā)面

12、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(lái)，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 。流域總蒸發(fā)規(guī)律(1) q> qa，E=Em（注: qa< q田) 供水充分，蒸散發(fā)量大而穩(wěn)定。(2) qb<q< qa，E=(aq ) Em（注: qb< q斷) 供水不充分，蒸散發(fā)量隨 q 的減小而減小。

13、(3) q< qb，E=CEm，C=0.050.10一、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(lèi)和生理階段 產(chǎn)流機(jī)制包氣帶又可劃分成三帶：(1) 懸著毛管水帶供水結(jié)束以后，在包氣帶上部存在懸著毛管水，厚度約1.0m。其水分來(lái)源于降水，消耗于蒸散發(fā)。既是降水的承受面，又是土壤的蒸發(fā)面，水分變化劇烈，另稱(chēng)為影響土層。(2) 支持毛管水帶在地下水面以上存在支持毛管水，厚度在12m左右。(3) 中間包氣帶在懸著毛管水帶

14、與支持毛管水帶之間的水分過(guò)渡帶。包氣帶的水分動(dòng)態(tài) 包氣帶的水分動(dòng)態(tài)是指包氣帶中土壤含水量及水分剖面的增長(zhǎng)與消退過(guò)程。包氣帶水分的增長(zhǎng) 包氣帶水分的增長(zhǎng)來(lái)源于上界面的降水(或灌溉)和下界面的地下水補(bǔ)給。在天然情況下，地下水的補(bǔ)給一般處于均衡狀態(tài)。故上界面降水是主要原因。水分沿垂向的增長(zhǎng)可由下滲理論描述。增長(zhǎng)量等于累積下滲量。包氣帶水分的消退 包氣帶水分的消退是由于上界面的蒸散發(fā)和下界面的內(nèi)排水補(bǔ)給。其中內(nèi)排水只有當(dāng)包氣帶存在自由重力水時(shí)才出現(xiàn)，故上界面蒸散發(fā)是主要原因。水分沿垂向的消退可采用三層蒸發(fā)模式計(jì)算。消退量等于蒸發(fā)量。包氣帶對(duì)降水的再分配作用1. 包氣帶地面對(duì)降雨的再分配作用降雨到達(dá)地面

15、以后， 一部分消耗于植物截留、蒸發(fā)、填洼等損失，剩下部分被分成兩部分：超過(guò)地面下滲能力(容量)部分留在地表，其余部分滲入地下。分配的結(jié)果是將雨水分為地面和地下兩個(gè)部分。即：當(dāng)雨強(qiáng)小于下滲能力時(shí)，降雨全部滲入地下。2土層對(duì)下滲水量的再分配作用 下滲水量(F)一部分以蒸發(fā)形式逸出地面(E)。剩余部分又被分成“土壤蓄存”和“徑流”兩個(gè)部分。 蓄存部分是指水分運(yùn)動(dòng)中為維持土壤含水量等于或小于田間持水量所需的下滲水分。 層次土壤是指土壤物理及水分物理性質(zhì)存在明顯差異的均質(zhì)土層。一般可概括為兩種典型層理：（1）上層粗下層細(xì) 一層具有較高水力傳導(dǎo)度的粗質(zhì)地土壤，位于具有較低水力傳導(dǎo)度的細(xì)質(zhì)地土壤之上。 當(dāng)供

16、水時(shí)，易在交界面形成積水，并逐漸向上回升，產(chǎn)生壓力水頭，在土層存在一定坡度時(shí)可產(chǎn)生側(cè)向水流。（2）上層細(xì)下層粗 一層具有較低水力傳導(dǎo)度的細(xì)質(zhì)地土壤，位于具有較低水力傳導(dǎo)度的粗質(zhì)地土壤之上。交界面上不產(chǎn)生積水。傳統(tǒng)觀念與實(shí)際現(xiàn)象之間的矛盾如：· i <fp時(shí)，也有地表徑流產(chǎn)生；· i <fp時(shí)，確實(shí)無(wú)地表徑流產(chǎn)生，但在出口斷面可觀測(cè)到與降水對(duì)應(yīng)的流量過(guò)程；· 對(duì)應(yīng)一次降雨形成兩個(gè)形狀不同的洪峰過(guò)程；全流域產(chǎn)流是十分罕見(jiàn)的。一、超滲地面徑流(Rs)的產(chǎn)流機(jī)制條件： (1)要有界面，即地面(下滲能力fp)； (2)要有供水，即降雨(雨強(qiáng)i)； (3)要供水大

17、于下滲，即i >fp ，rs= i fp 二、壤中流(Rss)的產(chǎn)流機(jī)制條件：(1)要有界面，存在相對(duì)不透水層，如上層A和下層B， 且下層比上層透水性差； (2)要有供水，即滲入上層的雨水(下滲率fA)； (3)要上層供水大于下層下滲，即fA >fB , i > fB ； (4)要在界面產(chǎn)生臨時(shí)飽和帶，并有側(cè)向排水條件。 rss= fA fB 三、飽和地面徑流(Rsat)的產(chǎn)流機(jī)制 條件：(1)表層土壤具有較強(qiáng)透水性，i <<fA，Rs=0； (2)要有相對(duì)不透水層； (3)要有供水，即滲入上層的雨水(下滲率fA)； (4)要上層供水大于下層下滲，即fA >

18、fB , i > fB ； (5)側(cè)向排水條件較差，界面上產(chǎn)生的臨時(shí)飽和帶不 斷上升達(dá)到地面。 rsat=i -(rss+fB)四、地下徑流(Rg)的產(chǎn)流機(jī)制 條件：(1)要有供水f； (2)包氣帶薄，地下水位高；在地下水面以上、包氣 帶 下邊界上存在支持毛管水帶； (3)整個(gè)包氣帶土壤含水量達(dá)到田間持水量。 五、回歸流(Rr)的產(chǎn)流機(jī)制 條件：(1)壤中流發(fā)育； (2)土壤飽和帶露出地面； (3)要具備有利于壤中流流出的坡度及地形。 常見(jiàn)產(chǎn)流模式· Rs型超滲產(chǎn)流型特點(diǎn)：(1)產(chǎn)流量R取決于i和fp ， R=S(i f p)i ; (2)雨止時(shí)土壤含水量仍未達(dá)到田間持水量Wm； (3)徑流成分單一。 · Rsat+Rss + Rg型蓄滿(mǎn)產(chǎn)流型特點(diǎn)：(1)產(chǎn)流時(shí)土壤含水量已達(dá)到田間持水量Wm ； (2)產(chǎn)流量R取決于降雨量P和初始土壤含水量 W0， R=R(P,W0)=P-(Wm-W0) (3)徑流成分復(fù)雜。流域產(chǎn)流流域產(chǎn)流特征通?？蓮囊韵聨追矫孢M(jìn)行分析：· 分析流域的氣候及下墊面