生態(tài)水文學(xué)筆記

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(shí)踐的

Whatisecohydrology?大氣、地表、土壤和巖石土壤圈

中水的活動(dòng)，能量如何驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(huì)出現(xiàn)生態(tài)水文學(xué)且這個(gè)交叉學(xué)科為什么重要

▲

Whatwillyoulearn?

Source:USGSNAWQAProgram

人類活動(dòng)對(duì)流域的影響：管

理降低風(fēng)險(xiǎn)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)流

域的不良影響等等

HurricaneMatthewandtheLumbeeRiverWatershed

還沒算進(jìn)氣候變化呢，人類的需求就會(huì)隨著時(shí)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(jī)不論發(fā)達(dá)還是發(fā)展中還是落后國(guó)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(gè)點(diǎn)排水的土地區(qū)域。與集水區(qū)或盆地同義，盡管有時(shí)這

些術(shù)語意味著一定的規(guī)模。接收、修正、儲(chǔ)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(jìn)行降雨再分配、存儲(chǔ)

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(jì)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(jìn)入的flux：降雨

匯集、相對(duì)靜止相對(duì)動(dòng)態(tài)，在不同的系統(tǒng)間運(yùn)動(dòng)

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(shí)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(jiǎn)單但超級(jí)厲害的一個(gè)模型

可以用來評(píng)估氣候變化的影響、評(píng)

WaterYield（Q）估水資源（河川徑流）情況、評(píng)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(gè)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(gè)比

例值就接近0

所以這個(gè)比例能夠反映流域里的物理和生物特點(diǎn)

CatchmentUnits:

E

-

N

-

8

兩者可作流

換

域面積進(jìn)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(shí)間的變化

容量輸入-容量輸出=容量隨時(shí)間變化

?通量Fluxes：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)“某物”（質(zhì)量、體積、能量）的運(yùn)動(dòng)。

?包括降水、滲透、排放、蒸發(fā)、蒸騰等。

?水文通量:體積/時(shí)間（ft3s-l或“cfs”）或長(zhǎng)度（或深度）/時(shí)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(shí)間ResidenceTime

?物質(zhì)分子（水、氣體、污染物）在移動(dòng)到另一個(gè)儲(chǔ)層（池）之前在儲(chǔ)層（池）中的平均時(shí)

間。

?替換儲(chǔ)層（池）中物質(zhì)分子總數(shù)所需的時(shí)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(shí)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(duì)于山坡的大小影響河岸水的周轉(zhuǎn)時(shí)間。

?河岸：山坡比率對(duì)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(zhǎng)，這些環(huán)境

隨著時(shí)間的推移受到生物群、地質(zhì)和氣候的影響。

所有這些活動(dòng)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(jìn)行降雨再分配、存儲(chǔ)降水）

水量平衡Waterbalance

全球范圍：相對(duì)穩(wěn)定巷意：對(duì)任意的pool來說

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

局地范圍：變化明顯短時(shí)間內(nèi)dv/dt都不會(huì)是。

TheWatofBalance

★)

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

“w)<6結(jié)木施IT時(shí)川修改)?*、漕估a

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

'1/Rs小妹全嘉司發(fā)址小ME在海里說個(gè)比

Mttto

所以it個(gè)比例能，反陜置城里的鋤理和生■得點(diǎn)

(4)滯留時(shí)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(yùn)動(dòng)

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?yàn)樗鼪]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(cè)量降水量

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

翻斗或稱重TippingBucketorWeighing：測(cè)量總降水量不太準(zhǔn)確，但提供時(shí)間和強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)雨量計(jì)：

?測(cè)量棒

?溢流罐收集器

?漏斗

?測(cè)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(dòng)。VPD=esat-eair溫度越高，空氣中所持水汽越

多

實(shí)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(shí)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(shí)際蒸散量

-水分限制和其他生物物理限制條件下實(shí)際發(fā)生的蒸散。

實(shí)際蒸散量

-水分限制和其他生物物理限制條件下實(shí)際發(fā)生的蒸散。

-當(dāng)水或運(yùn)輸水的能力是一個(gè)限制因素時(shí)，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(gè)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(xiàng)

■起源于太陽（即短波）能量，但轉(zhuǎn)換的陸地（即長(zhǎng)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(duì)應(yīng)于6000K的溫度。）

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

入射太陽輻射=342Wm-2（長(zhǎng)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(duì)于地球表面的任何一點(diǎn)，太陽和地面輻射的輸入和輸出都會(huì)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(diǎn)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(duì)流加熱）

?潛熱通量，LE（用于蒸發(fā)水的能量）

?儲(chǔ)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(cè)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(shí)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(kuò)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(duì)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(duì)水分的需求通過大氣水汽壓差(VPD)進(jìn)行量化。

VPD=saturatedvaporpressure飽和水汽壓(es)-actualvaporpressure實(shí)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(xì)胞通過復(fù)雜的反饋機(jī)制控制氣孔開度或?qū)Ф?，最大限度地吸收二氧化碳，同時(shí)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(cè)量mmolH20m-2s-1

?隨環(huán)境驅(qū)動(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)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(cè)/怎么算

"TopDown"

Ro-P-CT

ET=K&

Streamflow(RJRunoff

蒸散作）

潛在蒸散Penman-MonteithEquation

實(shí)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(cè)量流量

許多用于測(cè)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(dòng)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(dòng)力學(xué)：研究控制流體運(yùn)動(dòng)的過程(力)。

環(huán)境中流體運(yùn)動(dòng)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(dòng)能(運(yùn)動(dòng))kinematicenergy(movement)+

勢(shì)自占(重力potentialenergy(gravity)=H

2.流體靜力學(xué)Hydrostatics

應(yīng)力Stress：?jiǎn)挝幻娣e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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)

修改移動(dòng)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(dòng)能+位能（重力勢(shì)能）+壓力勢(shì)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(dòng)能的表達(dá)式。

z反映了位置水頭，它是系統(tǒng)勢(shì)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(cè)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(gè)方程在任一個(gè)斷面監(jiān)測(cè)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(jìn)入一條河段的起點(diǎn)，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(gè)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(duì)伯努利方程進(jìn)行修正，以考慮水頭損失：

1_=管道長(zhǎng)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(shí)，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(duì)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(dòng)是穩(wěn)定的，qw隨時(shí)間變化是恒定的（穩(wěn)定流動(dòng)的定義）?，F(xiàn)在方程只有兩個(gè)未知

項(xiàng)，h（水深）和E（比能量）。

8.堰Weirs

如果我們有一個(gè)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(jì)用于在具有已知和固定尺寸（w）的明確“駝峰”和測(cè)量hweir

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

被稱為“寬頂堰broad-crestedweir”

當(dāng)流量達(dá)到臨界值時(shí)ho=2/3*hweir

由于hO和U0之間的獨(dú)特關(guān)系，我們可以直接計(jì)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(jì)算有DirectMethods,IndirectMethods

直接法1：分段法Subsections、定額曲線RatingCurve、直接測(cè)量

定額曲線

DirectMethod1:SubsectionsRatingCurve

Cwrent-nwttr帆:Mrgttne??ur?mems?r?made

bydtttfiMninQth?dMcMryetnsubwcuonotacbannel

cnmsectionandsummingthatubMctrandtschargeitoobtain

?toutdtsclurgt.

這個(gè)不能一直用，得修正

直接法2：稀釋計(jì)量：用示蹤劑測(cè)量流量的方法。對(duì)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(cè)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(diǎn)：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(diǎn)，學(xué)習(xí)的目的

測(cè)算深度和流量的理論依據(jù)和實(shí)際做法

ThreeImportantEquations

P=pgdHydrostaticEquation崢止的水和流動(dòng)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?。┤绾雾憫?yīng)風(fēng)暴和基流baseflow的貢獻(xiàn)

?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(shí)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?yàn)楹拥烂娣e相對(duì)于整個(gè)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(cè)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(shí)，地表水流在壓實(shí)土壤或河流附近區(qū)域變得重要

降水強(qiáng)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(dá)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(chǔ)水量己滿

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

移動(dòng)---達(dá)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?cè)磪^(qū)VariableSourceArea

坡度Slope會(huì)影響徑流

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

流域徑流量比取決于土壤水分儲(chǔ)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(cè)RR。

4.對(duì)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(bǔ)給的流域過程watershedprocesses?

一一接收、修改、儲(chǔ)存和分配降水的單位區(qū)域

對(duì)比流域Pairedwatersheds

?被認(rèn)為是流域過程實(shí)驗(yàn)性理解的“金標(biāo)準(zhǔn)”

?20世紀(jì)60年代，美國(guó)有150多個(gè)成對(duì)森林流域?qū)嶒?yàn)/研究

?森林、農(nóng)業(yè)、城市

對(duì)比流域法PairedWatershedApproach,控制變量，實(shí)現(xiàn)唯一變量

“配對(duì)”兩個(gè)大小相似的流域，土地覆蓋，基巖，土壤

安裝堰或其他流量測(cè)量裝置

在兩個(gè)流域測(cè)量一段時(shí)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(cè)Predict預(yù)期流量

響應(yīng)Response=預(yù)測(cè)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(cè)量值）

第五天

1.地下水水文學(xué)GroundwaterHydrology

地下徑流GroundwaterFlow

達(dá)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(shì)能+動(dòng)能+壓力

“dh

q=-K——

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

K=論』

K的經(jīng)驗(yàn)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(dá)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(cè)量方法

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

SlugorBail-OutMeasureAquiferK：

“slug”-迅速提高井內(nèi)水位，并測(cè)量其隨時(shí)間恢復(fù)至基線

“Bail-Out”-迅速降低井內(nèi)水位，并測(cè)量其隨時(shí)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(gè)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(shí)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(dá)西定律是垂直和橫向流動(dòng)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(rùn)或排水時(shí)，h和K動(dòng)態(tài)變化。

土壤水能SoilWater