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1、工程水文学,武汉大学水利水电学院,第二章 水文循环与径流形成,第一节 水文循环与水量平衡一、自然界的水文循环 地球上以液态、固态和气态的形式分布于海洋、陆地、大气和生物机体中的水体构成了地球上的水圈。水圈中的各种水体通过不断蒸发、水汽输送、凝结降落、下渗、地面和地下径流的往复循环过程，称为水文循环。水文循环的范围贯穿整个水圈，向上延伸到10km左右，下至地表以下平均1km深处。,大循环：海陆之间的水分交换过程，又称为外循环。小循环：海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后，以降水的形式落到海洋里，或陆地上的水经蒸发凝结又降落到陆地上，又称为内循环。前者称为海洋小循环，后者称为陆地小循环。水文循环是地球
2、上最重要、最活跃的物质循环之一。正是由于自然界的水文循环，才形成永无终止千变万化的水文现象。水文循环也是水资源具有再生性的原因。,二、地球上的水量平衡 水量平衡原理：在水文循环过程中，对任一区域、任一时段进入水量与输出水量之差额必等于其蓄水量的变化量。水量平衡方程：,I、O给定时段内输入、输出该地区的总水量 S时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。,若以地球的整个大陆作为研究范围，其水量平衡方程为：,若以海洋为研究对象，其水量平衡方程为：,Sc大陆在研究时段内蓄水量的变化量So海洋在研究时段内蓄水量的变化量,对多年平均情况，Sc、So 趋于零。所以：,合并得：,或,全球多年平均降水量等于多年平均
3、蒸发量，为1130mm,第二节 河流与流域一、河流（一）河流的形成与分段 地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集成河流。河谷、河槽或河床。上游、下游、左岸、右岸。分段：沿水流方向，自高向低可分为河源、上游、中游、下游和河口五段。外流河、内流河或内陆河。,（二）河流的基本特征 1.河流的长度 自河源沿主河道至河口的距离称为河长（km）。2.河流的断面：横断面 中泓线 纵断面,3.河道纵比降：任意河段两端（水面或水底）的高差h称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降。水面比降、河底比降,二、水系及河流地貌定律 斯特拉勒河流分级法：河流地貌定律：河数律 河长律 面积律 河流比降律,流域（一
4、）流域 汇集地面水和地下水的区域 即分水线所包围的区域,（二）流域基本特征 流域面积（F，km2）河网密度（L/F，km/km2）流域长度（L）和平均宽度（M）流域形状系数（M/L）（扇状流域、羽状流域）流域平均高度和平均坡度 流域自然地理特征（位置、气候、下垫面）,第三节 降水,形式：雨、雪、霰、雹、露、霜等特征要素：降水量（mm)降水历时(min，h，d)降水强度(mm/h，mm/d)降水面积(km2)暴雨中心,与降水有关的气象因素 降水发生在大气中的对流层，对流层是地球大气中最底的一层。对流层的特点：1.气温随高度的增加而降低 2.具有强烈的上升和下降的气流 3.受地表差异影响，对流层温
5、度、湿度水平分布 不均匀。对流层又可分三部分：下层（地面-1.5km）中层（1.5km-6km）上层（6km-对流层顶部）,对流层中与降水有关的主要气象因素有：气温、气压、风、湿度、云、蒸发降水的形成与分类（一）降水的形成 水汽、上升运动和冷却凝结三因素（二）降水的分类 1.对流雨 降雨强度大，历时短、雨区较小,地形雨,锋面雨,气旋雨（1）温带气旋雨,（2）热带气旋雨,影响我国降水（暴雨）的主要天气系统 高空槽 锋面气旋 低涡 切变线 静止锋 锋区与降雨 副热带高压 热带风暴（台风）,四、降水量观测（一）器测法 1.雨量器 分辨率0.1mm。两段制观测，即每日8时及20时各观测一次。雨季增加观
6、测段次。每日8时至次日8时降水量为当日降水量。,2.自计式（1）虹吸式分辨率：0.1mm降雨强度适用范围：0.014.0mm/min,（2）翻斗式 分辨率：0.1mm 降雨强度适用 范围：4.0mm/min以内（3）称重式 记录降水时全部降水的重量。优点在于能够记录雪、冰雹及雨雪混合降水。,（二）雷达探测 气象雷达是利用云、雨、雪等对无线电波的反射现象来发现目标的。有效范围：40200km。（三）气象卫星云图 极轨卫星 地球静止卫星：可见光云图 红外云图,第四节 土壤水、下渗与地下水,陆地上的三种水体：地表水、土壤水、地下水,一、包气带和饱和带包气带：土壤颗粒、水分、空气三相系统饱和带：土壤颗
7、粒、水分二相系统,二、土壤水 包气带中的水称为土壤水。水分变化剧烈，是水分通道，联系降雨、下渗、蒸发与径流的纽带。（一）土壤水分存在形式：1.吸湿水 2.薄膜水 3.毛管水（1）支持毛管水（毛管上升水）（2）毛管悬着水 4.重力水,（二）土壤含水量和水分常数1.土壤含水量（率）一定量的土壤中所含水分的数量（mm）。土壤重量含水率、土壤容积含水率2.土壤水分常数（1）最大吸湿量（2）最大分子持水量（3）凋萎含水量（凋萎系数）（4）毛管断裂含水量（5）田间持水量（6）饱和含水量,（三）土壤水分分布特征,三、下渗（一）下渗的物理过程1.渗湿阶段分子力作用，土壤颗粒吸收成薄膜水。2.渗漏阶段毛管力、重
8、力作用，水分向下运动，水分逐渐饱和。3.渗透阶段 重力作用，水分饱和。,饱和水流,非饱和水流,（二）下渗率和下渗能力单位时间内渗入单位面积土壤中的水量记为：f（mm/min，mm/h）霍顿下渗公式：f0：起始下渗率fc：稳定下渗率：系数,（三）自然条件下的下渗过程1.下渗与雨强的关系（1）i1fp（2）i2fc（3）fci3fp,2.下渗的空间分布（1）流域中土壤性质的空间分布不同（2）流域内土壤含水量空间分布不同（3）降雨在时间空间上分布不均匀（4）流域内各处地下水位高低不一,（四）下渗实验与分析1.直接测定法（1）注水法：同心环下渗仪（2）人工降雨法 2.水文分析法：流域水量平衡方程分析,
9、四、地下水（一）类型：包气带水、潜水、承压水（二）地下水特征：,第五节 蒸散发,蒸散发是水文循环的重要环节。对径流形成来说，蒸散发则是一种损失。蒸发：水由液态或固态转化为气态的过程；散发或蒸腾：被植物根系吸收的水分，经由植物的茎叶散逸到大气的过程。水面蒸发 土壤蒸发陆面蒸发 植物散发,流域总蒸发或流域蒸散发,蒸发率：单位时间内的蒸发量 充分供水、不充分供水两种情况可能最大蒸发率或蒸发能力（EM)：在充分供水的条件下，某一蒸发面的蒸发量，即同一气象条件下可能达到的最大蒸发率。,水面蒸发的观测1.器测法：水文部门普遍采用E601蒸发器。每日8时观测一次，得日蒸发量；月蒸发量年蒸发量折算系数：K=E
10、池/E器,2.间接计算法利用气象水文观测资料间接推算蒸发量：水汽输送法、热量平衡法、彭曼法、水量平衡法、经验公式法等。彭曼水面蒸发公式：,土壤蒸发（一）土壤蒸发过程三个阶段：第一阶段：土壤充分湿润，供水充足E接近最大蒸发能力EM；第二阶段：土壤水分减少，WW田，供水条件变差，E逐渐减小；E=W/W田EM第三阶段：WW断，水分运动十分缓慢，蒸发率很小。,（二）土壤蒸发观测1.器测法；500型2.间接计算法,流域总蒸发 包括水面蒸发、土壤蒸发、植物截留蒸发及植物散发。确定方法：1.单项计算，加权求和，例如面积加权 E=F水/F总E水+F土/F总E土 2.水量平衡法或蒸发模式计算法.,模式计算法1.
11、一层模式 E=W/W田EM 2.二层模式上层：E上=EM 下层：E下=W下/W田EM剩 3.三层模式上层：E上=EM 下层：E下=W下/W田EM剩深层：量小且稳定，（1/51/10）EM,第六节 径流,降水形成的，沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。地面径流或地表径流 地下径流 河川径流 融雪径流 降雨径流,一、径流的形成过程 流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程，称为径流形成过程。1.产流过程：降雨扣除损失成为净雨的过程 降雨扣除损失后的雨量称为净雨，净雨和它形成的径流在数量上是相等的。但二者的过程却完全不同，净雨是径流的来源，而径流则是净雨汇流的结果
12、；净雨在降雨结束时就停止了，而径流却要延长很长时间。地面净雨地面径流 表层流净雨表层流或壤中流 地下净雨地下径流,地面径流,总径流过程,2.汇流过程：净雨沿坡面从地面和地下汇入河网，再沿河网汇集到流域出口断面的过程 坡地汇流：坡面漫流，流程历时较短，大雨时是构成河流流量的主要来源；表层流径流，由土壤孔隙流入河网，流程历时较坡面漫流长，对历时较长的暴雨，也是构成河流流量的主要来源。坡地地下汇流，地下水补给河流，构成河流的基流。河网汇流：从支流到干流，从上游到下游，流域出口断面 河槽调蓄作用 降雨损失，进入河网的水量小于降雨量；汇流工程，径流过程比降雨过程变化缓慢。,二、径流的表示方法和度量单位
13、河川径流在一年内和多年期间的变化特性，称为径流情势。年内变化或年内分配，年际变化1.流量（Q）：m3/s，洪峰流量Qm，日平均流量.2.径流量（W）：时段T内通过河流某一断面的总水量，m3、万m33.径流深（R）：将径流量平铺在整个流域面积上所得的水层深度，mm 4.径流模数（M）：流域出口断面流量与流域面积之比值，L/(skm2)洪峰流量模数，多年平均流量模数5.径流系数（）径流深与流域平均降雨量的比，1,一场降雨的净雨和径流在数量上相等，但有何区别？为什么对于较大的流域，在降雨和坡面漫流终止后，洪水过程还会延续很长时间？某流域面积1000km2，流域多年平均降雨量1400mm，多年平均流量20m3/s，问该流域多年平均蒸发量为多少？若修建一水库，水库面积为100km2，当地实测蒸发器读数的多年平均值为2000mm，蒸发器折算系数为0.8，问建库后流域多年平均流量是多少？,
