水文学原理复习

水文学原理复习 1 简述水文学的研究任务 水文学 广义地说就是研究地球与水的科学 包括它的性质 现象和分布 水文学是地球物理学和自然地理学的分支学科 研究存在于大气层中 地球表面和地壳内 部各种形态水在水量和水质上的运动 变化 分布 以及与环境和人类活动之间相互的联 系和作用 是关于地球上水的起源 存在 分布 循环 运动等变化规律 以及运用这些 规律为人类服务的知识体系 2 水文现象的基本特点 时程变化上的周期性与随机性 地区上的相似性与特殊性 周期性 由于地球的自转和公转 昼夜 四季 海陆分布 以及一定的大气环境 季风区 域等 使水文现象在时程变化上形成一定的周期性 随机性 因为影响水文现象的因素众多 各因素本身在时间上不断地发生变化 所以受其 控制的水文现象也处于不断变化之中 它们在时程上和数量上的变化过程 伴随周期性出 现的同时 也存在着不重复性的特点 这就是所谓随机性 相似性 有些流域所处的地理位置 纬度或离海洋远近等 相似 气候与地理条件相似 因 而所产生的水文现象在一定程度上有一定的相似性 即具有所谓地带性 特殊性 不同流域虽所处的地理位置 气侯条件相似 但由于下垫面条件差异 而产生不 同的水文变化规律 3 水文现象的研究方法有那些 成因分析法 数理统计法 地理综合法 成因分析法 按基本站网或室内外实验资料 从具体实际出发 研究水文现象的形成过程 揭示水文现象的本质及其相互关系 寻求其成因规律及各因素之间的内在联系 建立水文 现象各要素与影响各要素变化的定性和定量关系 确定性的水文模型也属此类方法 数理统计法 基于水文现象特征值的出现具有随机性 以概率理论为基础 根据长期的水 文观测资料 运用数理统计方法 求得水文现象特征值的统计规律 或对主要水文现象与 其影响因素之间进行相关分析 求出一定得经验关系以供应用 也是另一种统计规律 随 机模型即属此类方法 地理综合法 从气侯要素及其他景观要素的分布具有地区性得特点出发 求出各测站水文 要素的分类地区特征值 建立地区经验公式 绘制各种特征值等值线图等 以分析水文现 象的地区特征 揭示水文地区规律 4 全球水资源总量是多少 广义的水资源概念 地球上一切形式的水 地球上的总水量为 13 86 108km3 狭义的水资源概念 每年可更新和恢复的那部分动态淡水量 全球每年的水资源量约为 4 7 万立方公里 5 中国水资源及其特征 降水总量 多年平均降水总量 6 2 万亿 m 地区分布不均匀 河川径流量 降水量中约有 56 通过地面蒸发返回大气 其余 44 形成径流 全国河川径流 量为 2 7 万亿 m 土壤水通量 土壤水通量 4 2 万亿 m 其中 16 通过重力作用补给地下含水层 地下水资源量 全国地下水资源量为 8288 亿 m 中国水资源特征 1 总量大 人均少 水资源总量为 2 8 万亿 m3 其中地表水 2 7 万亿 m3 地下水 0 83 万亿 m3 重复计算 0 73 万亿 m3 在全球排名第 6 人均水资源 2200 m3 只占世界人均水资源量的 1 4 2 地区分布不均 水土资源不匹配 东南向西北递减 多年平均降水量 800mm 400mm 和 200mm 等值线 为我国降水分布区的重 要分界线 前为湿润区与半湿润区分界线 中为半湿润区与半干旱区的分界线 后为半干 旱与干旱区的分界线 水 土资源的区域分布条件不相匹配 南方片 人多 地少 经济发达 为水资源丰富的地区 长江流域及其以南地区人口占 了中国的 53 6 耕地面积占全国的 34 7 但是水资源却占了 80 4 北方片 人多 地多 经济相对发达 为全国水资源最为缺乏的地区 北方 不包括内陆 河 人口占 44 3 耕地面积占 59 6 水资源只有 14 5 内陆河片 人少 地多 经济欠发达 生态环境脆弱 生态环境需水量大 水资源开发 利用受到限制 3 年际年内变化大 降水量的年内分配 降水受东南季风和西南季风的影响 雨季随东南季风和西南季风的进 退而变化 年内分配不均是造成我国水旱灾害频发的主要原因之一 长江以南地区 雨季 一般为 3 8 月或 4 9 月 汛期连续最大四个月雨量约占全年雨量的 50 60 华北和东 北地区 雨季为 6 9 月 汛期连续最大四个月降水量可占全年降水量的 70 80 为年 内分配最为不均匀地区 降水量的年际变化 中国降水量的年际变化大于世界同纬度的年际 国内各地区历年最大 年降水深和历年最小降水深之比值 西北地区大于 8 华北地区为 4 6 东北地区为 3 4 南方为 2 3 西南地区小于 2 降水量年际变化大 同样加剧水旱灾害频繁发生 4 生态环境用水问题突出 水土流失严重 河流高含沙量 水库淤积 河湖萎缩 内陆河流生态环境用水量大 加剧 用水竞争 6 什么是水危机 水资源缺乏 水生态环境恶化和因缺水引发的冲突 是构成当代严重威胁人类生存和发展 的水危机三大方面 7 水文循环 地球上的水在太阳辐射和重力作用下 通过蒸发 水汽输送 凝结降水 下渗及径流等环 节 进行的周而复始的变换地理位置和物理形态的运动过程 又称 水分循环 水循环 8 大循环和小循环 水分大循环是发生于全球海洋与陆地之间的水分子交换过程 由海洋上蒸发的水汽 被汽 流带到大陆上空 遇冷凝结而形成降水 降水至地面后 一部分蒸发直接返回空中 其余 部分都经地面和地下注入海洋 由于此水分交换广及及全球 故名大循环 水分小循环是指陆地上的水分经蒸发 凝结作用又降落到陆地上 或海洋面蒸发的水汽在 空中凝结后 又以降水形式降落在海洋中 前者又可称为内陆小循环 后者称海洋小循环 9 简述水文循环的影响因素有那些 气象因素 如风向 风速 温度 湿度等 自然地理条件 如地形 地质 土壤 植被等 人类活动 包括水利措施和农业措施等 地理位置 10 简述水文循环的作用和意义 直接影响气侯的变化 形成江河 湖 沼等水体及各种地貌 造成巨大的水利资源 形成一切水文现象 11 水量平衡 所谓水量平衡 是指任意选择的区域 或水体 在任意时段内 其收入的水量与支出的之 间差额必等于该时段区域 或水体 内蓄水的变化量 即水在循环过程中 从总体上说平衡 12 写出通用水量平衡方程式 根据物质不灭定律 水量平衡原理的概念就是对于任一区域在给定的时段内 各种输入量 等于输出量与区域内储水量变化之和 根据此原理可列出水量平衡方程 I O W2 W1 O W 如果时段人流量以时段平均人流量 率 Q 表示 时段出流量以平均出流量 率 q 表示 则 水量平衡方程式亦可写作 Q q dW dt 13 降水强度 简称雨强 指单位时间内的降水量 以毫米 分或毫米 时计 在实际工作中常根据雨强 进行分级 常用分级标准如下表所示 14 计算区域面平均雨量常有哪些方法 1 算术平均法 此法是以所研究的区域内各雨量站同时期的降水量相加 再除以站数 n 后 得出的算术平均值作为该区域的平均降水量 即 此法简单易行 适合于区域内地形起伏不大 雨量站网稠密且分布较均匀的地区 2 垂直平分法 此法又称太森多边形法 方法原理是在图上将相邻雨量站用直线连结而 nP 321 infFffP1321 成若干个三角形 而后对各连线作垂直平分线 连接这些垂线的交点 得若干个多边形 各个多边形内各有一个雨量站 即以该多边形面积 fi 作为该雨量站所控制的面积 则区 域平均降水量可按面积加权法求得 式中 f1 f2 f3 fn 为各多边形面积 此法应用比较广泛 适用于雨量站分布不均匀的地区 其缺点是把各雨量站所控制的面积 在不同的降水过程中都视作固定不变 这与实际降水情况不符 3 等雨量线法 此法适用于面积较大 地形变化显著而有足够数量雨量站的地区 其具 体方法是先绘制出等雨量线 再用求积仪或其它方法量得各相邻等雨量线间的面积 fi 乘 以两等雨量线间的平均雨深 Pi 得出该面积上的降水量 而后将各部分面积上降水总量相 加 再除以全面积即得出区域平均降水量 即 式中 n 为等雨量线间面积块数 F 为区域面积 等雨量线法考虑了降水在空间上的分布情况 理论上较充分 计算精确度较高 并有利于 分析流域产流 汇流过程 缺点是对雨量站的数量和代表性有较高的要求 在实际应用上 受到一定限制 15 流域蒸发能力 和水面蒸发 蒸发因蒸发面的不同 可分为水面蒸发 土壤蒸发和植物散发等 其中土壤蒸发和植物散 发合称为陆面蒸发 流域 区域 上各部分蒸发和散发的总和 称为流域 区域 总蒸发 水面蒸发是在充分供水条件下的蒸发 16 简述土壤蒸发的各个阶段 土壤蒸发是发生在土壤孔隙中的水的蒸发现象 根据土壤供水条件的差别以及蒸发率的变 化 可将土壤的干化过程划分为如下三个阶段 1 定常蒸发率阶段 在充分供水条件下 水通过毛管作用 源源不断地输送到土壤表层 供蒸发之用 蒸发快速进行 蒸发率相对稳定 其蒸发量等于或近似于相同气象条件下的 水面蒸发 在此阶段 土壤蒸发主要受气象条件的影响 2 蒸发率下降阶段 由于蒸发不断耗水 土壤中的水逐渐减少 当降到某一临界值 W 田 以后 其值相当于土壤田间持水量 土壤的供水能力 不能满足蒸发需要 蒸发率将随着 土壤含水量的减少而减小 于是土壤蒸发进入蒸发率明显下降阶段 在此阶段 由于供水 不足 毛管水上升能力达不到表土 土壤水主要以薄膜水的形式 由水膜厚的地方向水膜 薄的地方运动 所以蒸发速度明显低于第一阶段 其蒸发量的大小主要决定于土壤含水量 气象因素则退居次要地位 3 蒸发率微弱阶段 当土壤含水量逐步降低到第二个临界点 W 凋 其值相当于植物无法 从土壤中吸收水而开始凋萎枯死时的土壤含水量 称凋萎系数 土壤蒸发便进入蒸发率微 弱阶段 在此阶段内土壤水由底层向土面的薄膜运动亦基本停止 土壤液体水供应中断 只能依靠下层水汽化向外扩散 此时土壤蒸发在较深的土层中进行 其汽化扩散的速度主 要与上下层水汽压梯度及水汽所通过的路径长短和弯曲程度有关 并随汽化层的不断向下 延伸 蒸发愈来愈弱 17 下渗能力和稳定下渗 下渗能力 fp 又称下渗容量 指在充分供水条件下的下渗率 稳定下渗率 fc 简称 稳渗 通常在下渗最初阶段 下渗率具有较大的数值 称为初渗 f0 其后随着下渗作用的不断进行 土壤含水量的增加 下渗率逐步递减 递减的速率 niPfF1 也是先快后慢 当下渗锋面推进到一定深度后 下渗率趋于稳定的常值 此时下渗率称为 稳定下渗率 18 写出 Horton 下渗公式 f fc f0 fc e t 式中 f c为稳定下渗率 f 0为初始下渗率 为常数 下渗曲线的递减参数 霍顿公式反映了下渗强度随时间递减规律 并最终趋于稳定下渗 所以下渗过程是个消退 过程 消退速率为 df dt 由于下渗过程中 f 逐步减小 所以 df dt 为负值 据此可得 df dt f f 0 对上式进行积分得 ln f f 0 t c 但下渗初始时 f f 0 所以 f f c f0 fc e t 霍顿公式又可改写为 f f 0e t fc 1 e t f1 f2 19 径流系数 径流模数 径流系数 径流系数 是某一时段的径流深度 R 与相应的降水深度 P 之比值 计算式为 R P 因为 R P 故 fp Fi Ds 则 Rs 0 Rg 0 当 i fp Fi0 Rg 0 当 iDs 则 Rs 0 Rg 0 当 i fp Fi Ds 则 Rs 0 Rg 0 2 认为径流过程是由两种径流成分所组成 3 认为一旦降雨强度超过下渗能力 则在全流域产生地面径流 25 霍顿传统产流观念的意义 尽管流域具有较大的下渗能力 但当降雨强度小于下渗能力时 即 i fp 却有地面径流 发生 产生一次对应的洪水过程 尽管流域具有较大的下渗能力 当降雨强度小于下渗能力时 i fp 确实在地面上没有 产生径流 但是在出口断面却观测到与地面径流过程相似的涨洪过程 对应一次降雨 却出现形状有别的两个洪峰过程 一前一后 一个峰形尖瘦 一个峰形 矮胖 有的流域 在某个时期 主要是湿润季节 对任何微小的降雨 即使其降雨强度 i fc 或略大于 fc 都有极为敏感的反映 在流量过程线上产生对应的起伏变化 尽管流域内并不存在着地下水层 但其低水流量长流不息 可以持续很久 全流域产流的现象是极罕见的 实际观测资料表明 对于某些流域 产流面积竟不超过 5 对于融雪径流 其最大产流面积也只有 84 左右 26 论述饱和产流机制 1 在表层土壤具有较强透水性情况下的地面产流机制 这里所谓的较强是相对的 即指 在天然情况下 绝大多数的暴雨降雨强度都不能满足表层土壤的下渗能力 因此 在绝大 多数情况下不具备产生超渗地面径流的条件 即 i fA rs 0 2 当 i f b的情况出现时 这时首先具备了壤中径流的产生条件 即在 A B 界 面上产生临时饱和带 它随积水的增加 最终将达及地面 此时 后继的降雨所形成的积 水将不再是壤中流 而是以地面径流的形式出现 这种地面径流称为饱和地面径流 3 饱和地面径流生成的重要特征 控制地面径流发生的并不是上层土层本身的界面和下 渗能力 而是其下相对不透水层的界面和下渗能力以及上层土层本身达到全层饱和的蓄水 量 4 水量平衡原理为 27 论述超渗产流机制 1 超渗地面产流机制是指供水与下渗矛盾发生于包气带上界面 地面 的产流机制 地面径 流的形成过程是在降雨 植物截留 填洼 雨期蒸发及下渗等几个过程组合下的发展过程 它们都是在相应的作用力下垂向运行的发展过程 自降雨开始至任一时刻的产流过程可借 助于下列方程来表达 2 超渗地面径流的产生条件 要有供水 它是一个必要条件 要有一个界面 即地面 它是包气带的上界面 也是一个必要条件 要降雨强度大于下渗能力 它是产流的充分条件 tsatstbt drrdfiWt 0000 ttdttnts fSediR 00000 i 28 试述包气带在降雨产流中的作用 首先 当雨水降落于地面时 就要进行第一次分配 决定这种分配的是下渗能力和雨强之 比 其次 当雨水渗入土壤后 在包气带很厚的地区 就成为包气带的滞蓄量 在地下水位较 高的地区 滞蓄量将在包气带内部又要进行一次分配 决定这种分配的是包气带的缺水量 和下渗水量之比 29 流域下渗能力面积分配曲线 所谓流域下渗能力面积分配曲线 是指流域中下渗能力等于或小于某一给定降雨强度时的 面积分配曲线 它常以相应面积与总面积的比值来表示 30 流域蓄水容量面积分配曲线 当产流面积的形成是以包气带含水量达到饱和为前提条件时 则一次降雨过程中产流面积 的增长将是包气带蓄水量的函数 流域中每一单元面积的包气带都具有一个最大蓄水量值 将流域中包气带最大蓄水量等于或小于某一给定降雨量的面积按总面积比进行统计 绘成 曲线 即可得出流域蓄水容量面积分配曲线 31 什么叫蓄满产流 蓄满产流 是指在士壤缺水量未满足以前不产生径流 而在土壤 缺水量满足以后则全部产生径流 蓄满产流以满足包气带缺水量为产流的控制条件 降雨强度不是这些地区产流的主要影响 因素 在流域全面蓄满的情况下 产流量可用简单的水量平衡方程式 表示 32 流域最大损失量 流域最大损失量 Wm 可以理解为一定入渗深度的最大 最小土壤蓄水量之差 或影响土层 的田间持水量和凋萎系数之差值来估算 所以在有土壤含水量观测资料的地区 可以根据 入渗锋面深度 h 与该土层的土壤含水量资料 用下式近似地计算 33 流域汇流时间 落在流域上的降水质点汇集到流域出口断面所经历的时间称为流域汇流时间 34 流域滞时 有些水文学者认为流域滞时是一个比最大流域汇流时间更有意义的术语 它的定义是 EWPRm 0 凋田 h VLK0 K v Q v I 如果流域各处流速变化不大 则流域滞时大体相当于流域平均汇流时间 并可按下式估算 35 简述流域调蓄作用 在流域汇流过程中 随着洪水的涨落所呈现出的流域蓄水量增加与减少的现象称为流域调 蓄作用 造成流域调蓄作用的物理原因 降水并非从一个地点注人流域 实际上由于流域各处水力条件 如 糙率 坡度 不同 流域各处水质点的速度也将不同 换言之 流域上的流速分布是不均匀的 36 流域汇流曲线 M A 维里加诺夫从动等流时线概念出发 推导的坡面径流成因公式 不仅适用于坡 面汇流 也适用于流域汇流 其公式为 上式表明 不同时刻 t 注入河槽的流量 Q t 是不同的 它是由各个 相应的等流时线面 积上 时刻的净雨量所组成 在汇流理论中称为汇流曲线 所以要用径流成因公式计算 t 出某次洪水的出流过程 就必须先求出汇流曲线 如单位线 瞬时单位线 等流时线等 37 等流时线的基本假定 等流时线法把水体视作刚体 把它的运动视作刚体位移 所以此法是用流域面积分配曲线 代表流域汇流曲线 38 等流时线 所谓等流时线乃是经历一定汇流时间后 能同时到达出口断面的诸水流质点的连接线 39 单位线 在一个特定的流域上 单位时段内均匀分布的单位净雨量所形成的流域出口站的地面径流 dFItQt 过程线 叫单位线 40 单位线的基本假定 1 单位时段内净雨深不同 但它所形成的地面径流过程的总历时 即所谓底长 还是相同的 2 如果单位时段内净雨深不是一个单位 而是 n 个单位 那么它形 成的地面径流过程线的流量值则为单位线的 n 倍 3 如果净雨历时不是一个时段 而是 m 个时段 那么各时段净雨量 所形成的出流量过程之间互不干扰 出口断面的流量 等于各时段 净雨量所形成的流量之和 以上三个假定 概括起来就是把流域视为线性系统 符合倍比迭加 原理 41 单位线的三要素 用来控制单位线形状的指标称为单位线要素 一般选定的要素是单位线洪峰流量 qm 洪峰 滞时 TP 和单位线总历时 底长 TD 如图所示 其中以 TP qm 是主要的单位线要素 42 单位线推求流域出口断面过程 13231 3 21 1 54321 321 qIqIQqIFt 为 单 位 线记 单 位 时 间 流 量 为 43 什么叫净雨 一次降雨后扣除各种损失后的雨量 等于径流量 44 流域最大损失量 流域上一次降雨的最大损失量一般 流域上土壤蓄水容量 45 解决中国水问题的途径 一 立足水资源节约 着力推进节水型社会建设 按照国家建设资源节约型社会的目标要 求 坚持把节水型社会建设放在突出位置 着力建立节水型经济体系 重点抓好农业节水 调整农业种植结构 大力发展节水 高效作物 对现有灌区进行续建配套和节水改造 推 广先进节水灌溉技术 降低灌溉定额 提高用水效益 实行城市全面节水 合理调整水价 限制发展高耗水行业和产业 促进污水回用 提高水的重复利用率 二 改善水资源环境 着力开展水资源生态保护和建设 对流域上游 逐步减少人类开发 活动的影响 实施退耕还林还草 以有效恢复山区植被 涵养水源 对流域中游 加强水 资源保护和建设 限制高污染行业发展 提高污水处理回用率 治理水污染 保障良好水 质 对流域下游 特别是内陆河北部尾闾地区 实施生态移民 退耕还荒还水 封育保护 恢复荒漠植被 促进整体绿洲的稳定 三 优化水资源配置 着力建设区域水资源调配工程 解决水资源时空分布不均 必须优 化配置水资源 建设一批区域性水资源调配工程 四 扩大水资源利用总量 着力实施跨流域调水工程