水文学原理(1-3章)

课程介绍一、水文学原理的主要内容1.各种水体的形成、演变；2.水体形成的成因、演变的规律；3.研究水体形成成因、演变规律的方法。二、学习目的1.掌握水文现象的基本规律和研究方法；2.本课程为专业基础课，为后继课程的学习做准备。三、主要参考书1.山坡水文学，刘新仁译2.径流形成原理，芮孝芳编著3.土壤和水—物理原理和过程，D·希勒尔著华孟译4.普通水文学，邓绶林编著5.工程水文学，（美）林斯莱著6.城市水文学，朱元甡、金光炎著第一章绪论第一节水文学的内容和任务一、水文学的定义研究水的科学，核心——水文循环。广义水文学按分布划分海洋水文学陆地水文学水文气象学地表水水文学土壤水水文学地下水水文学河川水文学湖泊水文学冰川水文学河口水文学按应用分环境水文学、农业水文学、城市水文学······1.水文测验(或水文信息采集)2.水文预报3.水文水利计算二、传统水文学的内容一、水文学简史英文Hydrology，来源于拉丁语，“水的知识”。经历了四个发展时期：1.萌芽期（公元1600年之前）2.奠基时期（公元1600-1900年）3.实践时期（1900-1950年）4.现代化时期（1950年-）二、中国水文学的发展第二节水文学的发展一、水文现象的基本特点1.时程变化上的周期性与随机性2.空间变化上的相似性与特殊性第三节水文现象的基本特点及研究方法老海坝九龙港天生港十二圩港口西界港口东界港口六干河口农场水闸6#七干河口望虞河口福山新塘海洋泾口5#任港姚港4#2#3#南通节制闸黄泥山1#营船港局部模型上边界（军用码头）新开港闸四号坝常浒河口徐六径水山码头汇丰码头测流平台13#徐六径塘口金泾塘口7#8#9#10#11#12#团结闸新江海河海门港局部模型下边界（白茆河口）新泾河钱泾口青龙港七浦河七丫口杨林口马桥荡茜口鹿鸣泾口圩角港浪港崇头沙长青沙通沙沙洪北横港沙沙州铁黄沙狼山沙新开沙新通海沙小白茆沙茆沙白永隆崇明000000000-50-50-50-50-50-50-50-50-50-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-10-10-10-10-10-10-10-10-10000000000-30-30-30-30-30-30-30-30-30-40-40-40-40-40-40-40-40-40000000000000000000000000000000000000-20-20-20-20-20-20-20-20-20-30-30-30-30-30-30-30-30-30-10-10-10-10-10-10-10-10-10-20-20-20-20-20-20-20-20-20-10-10-10-10-10-10-10-10-10000000000-20-20-20-20-20-20-20-20-20-10-10-10-10-10-10-10-10-10-30-30-30-30-30-30-30-30-30-20-20-20-20-20-20-20-20-20000000000-10-10-10-10-10-10-10-10-10-30-30-30-30-30-30-30-30-30-10-10-10-10-10-10-10-10-10000000000-10-10-10-10-10-10-10-10-10000000000000000000000000000000000000-10-10-10-10-10-10-10-10-10000000000-10-10-10-10-10-10-10-10-10-30-30-30-30-30-30-30-30-30000000000-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-20-10-10-10-10-10-10-10-10-10-30-30-30-30-30-30-30-30-30000000000000000000000000000-20-20-20-20-20-20-20-20-20-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-40-40-40-40-40-40-40-40-40-20-20-20-20-20-20-20-20-20-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-20-20-20-20-20-20-20-20-20-10-10-10-10-10-10-10-10-10000000000000000000000000000000000000000000000-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-20-20-20-20-20-20-20-20-20-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-30-40-40-40-40-40-40-40-40-40-40-40-40-40-40-40-40-40-40000000000-10-10-10-10-10-10-10-10-10000000000000000000-20-20-20-20-20-20-20-20-20-30-30-30-30-30-30-30-30-30-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-20-20-20-20-20-20-20-20-20测流断面及垂线潮位站临时潮位站杨林天生港日潮位变化过程线-0.500.000.501.001.502.002.503.000510152025时间(1997-9-100:00—23:00)潮位(米)天生港杨林年最大流量变化过程200004000060000800001000001200001940196019802000时间(年)年最大流量(m3/s)长江大通站年降水量变化过程0.0500.01000.01500.02000.02500.0195019601970198019902000时间(年)年降水量(mm)江淮之间面雨量二、水文现象的研究方法成因分析法以质量守恒、能量(动量)守恒等定理为基础，揭示水文现象运动变化的机理、规律。数理统计法水文现象具有随机性，从而以概率理论为基础，研究水文现象特征值的统计规律。地理综合法水文现象具有地区性，从而通过建立地区经验公式、绘制各种特征值等值线图，揭示水文特征值的地区规律。第四节自然界的水循环水文循环的原因（外因、内因）水的不断蒸发、输送、凝结、降落、产流、汇流的往复循环过程降水P蒸发E地表径流RSEP陆地基岩下渗F海洋包气带地下径流Rg壤中流RSS蒸腾ET第四节自然界的水循环（续）大循环和小循环大循环：海洋→大气→大陆→海洋（纵向+横向）小循环：海洋→大气→海洋（海洋小循环）大陆→大气→大陆（内陆小循环）水文循环的规律1)海洋的蒸发量多于降水量；2)大陆的降水量多于蒸发量；3)大陆外流区输入水汽量与输出水量基本平衡；4)大陆内流区降水量与蒸发量基本相等。第四节自然界的水循环（续）水文循环的作用和意义地球上总水量13.86亿Km3，参与循环的约57.7万Km3，占0.0416%。1、调节气候；2、塑造了地球表面；3、形成了巨大的水利资源；4、形成一切水文现象。第五节地球上的水资源水资源的概念（广义水资源、狭义水资源）地球上水的分布13.86亿km3淡水2.53%咸水97.47%13.86亿km3海洋96.5%陆地3.5%生物水0.003%3500万km3淡水永冻土层水0.86%冰川雪盖68.7%地下水30.1%淡水湖0.26%土壤水0.05%大气水0.04%河水0.006%12345678第五节地球上的水资源(续）水资源问题原因1)水资源量时空分布不均匀；2)水资源分布与人口、耕地分布不相适应；3)水环境污染；4)水资源浪费。对策1)时间和空间上的合理调配；2)积极开展水污染防治；3)节约用水。第二章水文现象及过程的物理基础第一节水的物理性质1)水是仅次于空气的最活跃的物质之一；2)水有三态变化，是自然界水文循环的基础；3)同其他氢化物相比，水有特别高的溶点和沸点；4)水有特别大的比热和蒸发潜热；5)水有反常的密度变化（4C时密度最大）；6)水有较大的表面张力；7)水是各种盐类很好的溶剂；8)水具有几乎不可压缩性。第二节水文平衡一、水量平衡1.通用水量平衡方程wIOI－O＝±WRrEcPxEbqaR´rRgR´gI=Px+Ec+Rr+RgO=Eb+qa+R´r+R´gPx+Ec+Rr+Rg=Eb+qa+R´r+R´g±W令E=Eb-Ec，Rr+Rg=RI，R´r+R´g=RO则Px+RI=E+qa+RO±W一、水量平衡（续）2.河流流域水量平衡方程（1）闭合流域（没有流域来水）的水量平衡方程记Px=P，RI=0，qa=0，RO=R：某时段：P=E+R±W多年平均：P=R+E（2）不闭合流域（有外流域来水）的水量平衡方程某时段：P=RO-RI+E±W3.全球水量平衡方程一、水量平衡（续）时段：Pl=El+R±W大陆多年平均：Pl=El+R时段：Ps=Es-R±W海洋多年平均：Ps=Es-R343434343434107.57109.11108.45107.57102.7105.50kmPkmPkmPkmEkmEkmElsls全球多年平均：P=E二、热量平衡（续）1.通用热量平衡方程SSISOSI－SO＝±S2.蓄水体热量平衡方程Hn=HI+H+Rn+Rat-Ho-He-Rb若时段较长HI=Ho，则：Hn=Rn+Rat+H-He-Rb其中：He=LEHIH0Hn蓄热量变化量蒸发失热He感应热H太阳辐射Rn大气辐射Rat水体长波辐射Rb第三节水文混合（放入第四章土壤水中讲）第一节降雨的类型一、按降雨的成因分类第三章降水1.气旋雨——随着气旋或低压过境而产生的雨。气旋雨非锋面雨锋面雨暖锋雨冷锋雨非锋面雨—气压向低压区辐合引起气流上升产生降雨。水分以各种形式从大气到达地面统称降水。包括雨、雪、露、霜、冰雹等。气团——物理属性水平分布比较均匀的大范围空气团。峰面——两种性质不同的气团之间狭窄而倾斜的过渡带。峰在空间是倾斜的，且向冷空气一侧倾斜。暖锋雨：冷暖气团相遇时，暖湿气团推动锋面向冷气团一侧移动。峰后暖空气一方面向冷空气方向推进，同时又沿锋面缓慢上升，在上升过程中冷却而产生降雨。因暖锋坡度很小，一般为1:150，故暖锋雨降雨面积大、雨强小、历时长。锋面雨的形成暖锋雨的形成示意图冷气团暖气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团暖气团冷气团冷锋雨的形成冷锋雨：冷暖气团相遇时，冷燥气团楔入到暖湿气团之下，使暖湿气团上升冷却而产生降雨。根据移动速度可分为缓