工程水文学第二章课件

第一节水循环及水量平衡一、水循环自然界中的水从形态上（固、液、汽）、位置上（地面、地下、空中）不断地、周而复始地变化过程构成了水循环。（图示）1、概念地球上各种形态的水，在太阳辐射、重力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程，称为水循环。地球上各类水体，通过水循环形成了一个连续而统一的整体。•2、成因•水分循环的产生有其内因和外因。•内因是水的“三态”变化。•外因是太阳辐射和地心引力。太阳辐射分布的不均匀性和海陆的热力性质的差异，造成空气的流动，为水汽的移动创造了条件。地心引力（重力）则促使水从高处向低处流动。从而实现了水分循环。水循环过程图3、水循环类型根据其路径和规模分为：大循环（又称外循环、海陆间循环）小循环（又称内部循环，包括海洋小循环和陆地小循环）。大陆海洋水汽输送径流输送蒸发海陆间循环：是指海洋水与陆地水之间通过一系列过程所进行的相互转换运动。这种循环又称为大循环。意义：使得陆地上的水不断得到补充，水资源得以再生。海洋蒸发降水蒸腾蒸腾蒸腾蒸腾蒸腾蒸腾蒸腾蒸腾蒸发陆地蒸发4、水循环机理水循环服从质量守恒规律。水循环的基本动力是太阳辐射和重力作用。水循环遍及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈，同时通过无数条路线实现循环。从全球看，水循环是个闭合系统，从局部地区看水循环是开放系统。5、水循环意义水分循环有如自然地理环境的“血液循环”，它沟通了各基本圈层的物质交换，促使各种联系的发生。水循环不仅形成统一的水圈，而且将四大圈层联系起来，深刻影响着地球表层结构的形成、演化与发展。地球上的水循环是巨大的物质和能量流动，是具有全球意义的能量传输过程。水循环是海陆间联系的主要纽带。从而实现海陆之间的相互作用。水循环不断塑造地表形态。流水的冲刷、侵蚀、搬运和堆积作用，溶蚀作用。由于存在水循环，水才能周而复始的被重新利用，成为可再生资源。水又是造成洪、涝、旱等自然灾害的主要原因。•1、定义：某一地区在某一时段内，其收入水量和支出水量的差额，等于该地区的蓄水变量。二、水量平衡2、水量平衡方程：通用水量平衡方程:I-Q=ΔS全球水量平衡方程：P全球=E全球说明全球多年平均降水量等于全球多年平均蒸发量，在水循环过程中，全球水量基本不变。a.海洋水量平衡方程P海+R-E海=S海多年平均S海=0，P海+R-E海=0（对整个海洋适用）式中，P海、E海和R分别为海洋上任意时段降水量、蒸发量和入海径流量；P海、E海和R分别为海洋上多年平均降水量、蒸发量和入海径流量，S海为海洋蓄水变化量。b.陆地水量平衡方程外流区水量平衡方程P外-E外-R地表-R地下=S外多年平均P外-R-E外=0式中，P外、E外、R地表、R地下、S外分别为外流区任意时段内降水量、蒸发量、入海的地表和地下径流量及蓄水变化量；P外、R、E外分别为外流区多年平均降水量、蒸发量和径流量。内流区水平衡方程（水循环系统基本闭合，内流区的降水全部转化为蒸发，没有水量入海。）多年平均P内=E内式中，P内、E内分别为内流区多年平均降水量和蒸发量。陆地水平衡方程：（P外+P内）-（E外+E内）=RP陆-E陆=R第二节河流和流域一、概述1、河流：沿连续延伸的凹处流动的天然水体。由水与河槽两个要素构成。（矛盾统一体）2、河流分段：一条河流沿水流方向，自高向低可分为河源、上游、中游、下游和河口五段。河源是河流的发源地，多为泉水、溪涧、冰川、湖泊或沼泽等。河口是河流的终点，即河流注入海洋或内陆湖泊的地方。•3、河流分级：干流：从河源到河口，水量最集中，河长最大的水流称作干流。水系中直接流入海洋、湖泊的河流称为干流，流入干流的河流称为支流。干流是水系中最高级别的河流。一级支流：直接入干流的水流；（不考虑河长与水量）二级支流：直接入一级支流的水流。4、河流的左右岸：面向下游．左边的河岸称为左岸，右边的河岸称为右岸。5、河系（水系）：脉络相通的大小河流及湖泊、沼泽等水体所构成的脉络相通的水流系统称为水系、河系或河网．如图所示。流域与水系示意图1、2、3一河流的级别6、流域：河流的集水区域称为流域。指汇集地面水和地下水的区域，也就是分水线包围的区域。分水线：流域的周界线，有地面、地下之分。闭合流域：当地面分水线与地下分水线相重合，且河道下切较深，能全部汇集本流域地下水的流域称为闭合流域，否则为非闭合流域。一般将大、中流域当作闭合流域。不闭合流域二、河流及流域的主要特征1、河流长度L（km）：自河源沿主河道至河口的距离称为河流长度，简称河长，以km计。可在适当比例尺的地形图上量得；2、河流横断面：分单式断面和复式断面；3、河道纵比降J：任意河段两端(水面或河底)的高差△h称为落差，单位河长的落差称为河道纵比降，简称比降，用小数或干分数表示。常用的比降有水面比降和河底比降。河流沿程各河段的比降都不相同，一般自河源向河口逐渐减小。水面比降随水位的变化而变化，河底比降则较稳定。当河段纵断面近于直线时．比降按下式计算；式中J——河段的比降；h1、h0——河段上、下断面水面或河底高程，mL——河段长度；m。式中h0,…,hn——自下游到上游沿程各点河底高程、l1,…,ln——相邻两点间的距离。m；L——河段的全长．m。（简介推导）如果纵剖面呈曲线形，则用折线逼近。4、河网密度：流域内河流干支流总长度与流域面积的比值称为河网密度，以km／km2计。即流域平均单位面积上的河流长度。表示流域内河网疏密程度，反映流域汇流能力。密，汇流强；疏，弱。5、流域面积：流域分水线包围区域的平面投影面积，称为流域面积，记为F，以km2计。可在适当比例尺的地形图上勾绘出流域分水线．量出其流域面积。反映流域大小，是流域的主要几何特征。6、流域的长度和平均宽度流域长度就是流域轴长。以流域出口为中心向河源方向作一组不同半径的同心圆，在每个固与流域分水线相交处作割线，各割线中点的连线的长度即为流域的长度，以km计。流域面积与流域长度之比称为流域平均宽度，以km计。7、流域的平均高度和平均坡度将流域地形图划分为100个以上的正方格，依次定出每个方格交叉点上的高程以及与等高线正交方向的坡度，取其平均值即为流域的平均高度和平均坡度。8、流域自然地理特征包括流域的地理位置、气候特征、下垫面条件等。(1)流域的地理位置。流域的地理位置以流域所处的经纬度来表示，它可以反映流域所处的气候带，说明流域距离海洋的远近，反映水文循环的强弱。(2)流域的气候特征。包括降水、蒸发、湿度、气温、气压、风等要素。它们是河流形成和发展的主要影响因素，也是决定流域水文特征的重要因素。(3)流域的下垫面条件。下垫面指流域的地形、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽等情况，这些要素以及上述河道特征、流域特征都反映了每一水系形成过程的具体条件，并影响径流的变化规律。在天然情况下，水文循环中的水量，水质在时间上和地区上的分布与人类的需求是不相适应的。为了解决这一矛盾，长期以来人类采取了许多措施，如兴修水利、植树造林、水土保持、城市化等措施来改造自然以满足人类的需要。人类的这些活动，在一定程度上改变了流域的下垫面条件从而引起水文特征的变化。因此，当研究河流及径流的动态特性时，需对流域的自然地理特征及其变化状况进行专门的研究。第三节降水•一、降水的成因•降水是指液态或固态的水汽凝结物从云中降落到地面的现象，如雨、雪、霰、雹、露、霜等等，其中以雨、雪为主。降水是水文循环中最活跃的因子，它是一种水文要素，也是一种气象要素。•成因:自海洋、河湖、水库、潮湿土壤及植物叶面等蒸发出来的水汽进入大气后，由于分子本身的扩散和气流的传输作用分散于大气中。空气中的水汽含量有一定的限度，在一定温度下空气中最大的水汽含量称为饱和湿度。如果空气中的水汽量达到了饱和或过饱和。多余的水汽就要发生凝结。如果地面有团湿热未饱和空气，在某种外力作用下上升、上升高度越高、气压越低。因此，在上升过程中，这团空气的体积就要膨胀．在与外界没有发生热量交换、即绝热条件下，体积膨胀的结果必然导致气团温度下降。这种现象称为动力冷却。当气团上升到一定高度，温度降到其露点温度时，这团空气就达到了饱和状态，再上升就会过饱和而发生凝结形成云滴。云滴在上升过程中不断凝聚，相互碰撞，合并增大。—旦云滴不能被上升气流所顶托时，在重力作用下降落到地面成为降水。必备条件：①充足的水汽②上升运动③凝结核二、降雨的分类按空气抬升的原因降雨可分为：对流雨降雨的分类气旋雨地形雨锋面雨⑴对流雨因地表局部受热．气温向上递减率过大．大气稳定性降低，下层空气膨胀上升与上层空气形成对流运动。上升的空气形成动力冷却而致雨称为对流雨。因对流上升速度快，形成的云多为垂直发展的积状云。降雨强度大，历时短。雨区较小。对流雨特点：对流雨多发生在夏季酷热的午后，一般降雨强度大、范围小、历时短。(2)地形雨空气在运移过程中，遇山脉的阻挡．气流被迫沿迎风坡上升，由于动力冷却而成云致雨称为地形雨。此外，山脉的形状对降雨也有影响。如喇叭口、马蹄形的地形，若它们的开口朝向气流来向，则易使气流辐合上升．产生较大的降雨．如图2—11所示。地形雨的降雨特性．因空气本身温湿特性，运行速度以及地形特点而异，差别较大。地形雨特点：地形雨多集中在迎风坡，背风坡雨量较少。(3)锋面雨：在了解锋面雨之前，首先要学习几个概念：气团：指一定范围（大范围，水平几百KM至几千KM，垂直范围几KM至几十KM）相对比较均匀的大团空气称为气团。按热力性质可分为暖气团和冷气团。锋面：两个温湿特性不同的气团相遇时，在其接触区由于性质不同来不及混合而形成一个不连续面．称为锋面。所谓不连续面实际上是一个过渡带，所以又称为锋区。（因过渡带的水平尺度与大范围气团尺度相比很小，可以看作一个“面”）锋面的长度从几百公里到几千公里不等。伸展高度，低的离地1—2km．高的可达10km以上。由于冷暖空气密度不同、暖空气总是位于冷空气上方。在地转偏向力的作用下，锋面向冷空气一侧倾斜，冷气团总是楔入暖气团下部．暖空气沿锋面上升。由于锋面两侧温度、湿度、气压等气象要素有明显的差别．因此，锋面附近常伴有云、雨、大风等天气现象。锋面活动产生的降水统称锋面雨。锋线：锋面与地面的交线称为锋线。锋：锋面与锋线的统称。基本概念：气团：温度、湿度、气压等物理性质比较均匀、相似的大团空气。根据温度特征分为冷气团和暖气团，根据湿度特征分为海洋气团和大陆气团锋面：冷暖气团的交界面。类型：冷锋：冷气团主动向暖气团移动的锋。暖锋：暖气团主动向冷气团移动而形成的锋。准静止锋：势力相当，两个气团僵持在一起形成的锋。锋面随冷暖气团的移动而移动。根据锋面两侧冷暖气团的移动方向及结构的不同，可将锋分为冷锋、暖锋、静止锋和锢囚锋。由于锋面活动产生的降水统称锋面雨。锋面雨比较常见，常伴有大风，雨面大，历时较长，雨量较大。与锋相对应，锋面雨就可以分为冷锋雨、暖锋雨、静止锋雨和锢囚锋雨。(1)冷锋雨：冷气团起主导作用，或是因其移动缓慢而迫使暖空气沿锋面上升，或是因其移动速度快，迫使暖气团产生强烈的上升运动，推动锋面向暖气团一侧移动，这种锋称为冷锋。如图a所示，它所形成的雨为冷锋雨。冷锋雨是影响我国天气的最重要天气系统之一。特点：降雨强度大，历时较短，雨区窄，一般仅数10km。(2)暖锋雨：暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧移动，这种锋称为暖锋。这时形成的雨叫暖锋雨。特点：降雨强度不大，但历时较长。在夏季．当暖气团不稳定时，也可出现积雨云和雷阵雨天气。(3)准静止锋雨：冷暖气团势均力敌，在某一地区停滞少动或来回摆动的锋称为准静止锋。简称静止锋，如图2—12(C)。这时形成的雨叫准静止锋雨。特点：降雨强度小，但持续时间长，可达10天或半月，甚至一个月。(4)锢囚锋雨：当三种热力性质不同的气团相遇，如冷锋追上暖锋或两条冷锋相遇，暖空气被抬离地面，锢囚在高空，称为锢囚锋，如图2—12(D)。这时形成的雨叫锢囚锋雨。由于锢囚锋是两条移动的锋相遇合并而成，所以它不仅保留了原来锋面的降水特性，而且锢囚后暖空气被拾升到