水文学基础知识

第一讲水文水资源基础第一讲水文水资源基础1第一讲水文水资源基础主要内容一、水文循环与水量平衡二、降雨、蒸发三、入渗、土壤水、地下水四、河川径流2第一讲水文水资源基础一、水文循环及水量平衡•水文学：研究地球上江河、湖泊、冰川、地下水和海洋等各种水体的存在数量、分布及变化规律的科学。与气象学、地理学、生态环境学等关系密切。3第一讲水文水资源基础1.1水文循环：（1）地球上水的存在形式：汽态、液态、固态（2）存在位置：空气中、地表、地下、生物体内4第一讲水文水资源基础•水文循环的概念：地球表面的广大水体，在太阳辐射作用下蒸发变成水汽，上升到空中，被气流带动输送到各地，在这过程中，水汽遇冷凝结，以降水的形式降落到地面和海洋，降至地面的那部分水，再从河道或渗入地下以地下水形式补给河流流入海洋。水分这种往返循环、不断转移交替的现象称为水文循环或水循环。5第一讲水文水资源基础6水循环示意图第一讲水文水资源基础7水循环的外因：太阳辐射能和地球引力的存在水循环的内因：水物理三态(气、液、固)之间的相互转化第一讲水文水资源基础自然界水循环据其规模及涉及的地域可分为：大循环/小循环8海洋上空大陆上空海洋地下陆面降水蒸发返回大气地面径流海洋蒸发降水气流输运大循环：小循环：地下径流汇入河川第一讲水文水资源基础水文循环的意义：9①直接影响气候变化：②改变地表形态：③造成再生资源：④负面影响：干旱，洪涝灾害第一讲水文水资源基础（2）河流流域的水量平衡10河流流域的定义：河流某断面以上，汇集地表水和地下水的区域（称做地面集水区和地下集水区）统称做河流在该断面以上的流域。由分水线包围的集水区域。第一讲水文水资源基础非闭合流域/闭合流域：11★非闭合流域：若地面分水线与地下分水线在位置上不完全重合，即地面和地下集水区不相重合常称这种流域为非闭合流域。★闭合流域：若流域的地面水和地下水分水线在位置上重合，即地面和地下集水区相重合，则称这种流域为闭合流域。第一讲水文水资源基础二、降水与蒸发2.1降水：是指液态或固态的水汽凝结物，从天空下降至地面而成的液态水或固态水的现象。降水是气象要素之一，也是水循环中重要的一个环节。12第一讲水文水资源基础（1）降水的各种形态：13①雨从云中降落下来的液态水滴,其直径一般为0.5～6毫米。小雨滴呈球形，直径在1毫米以上的雨滴呈扁球形，雨滴越大，形状越扁平。②雪由较大的冰晶（即雪晶）组成。雪晶一般大于0.3毫米，其基本形状为六角形。第一讲水文水资源基础14③霰又称雪珠或软雹，是白色不透明的圆锥形或球形的颗粒状固态降水。直径约2～5毫米，下降时常呈阵性，触及硬地时常反跳。它是由各自冻结的小云滴组合在一起而成的，密度小而松脆易碎。④雹又称冰雹或雹块，从对流云中产生的球状、锥状、椭球状或形状不规则的坚硬固态降水，直径约2～50毫米。第一讲水文水资源基础（2）降水的成因：15①大气中存在水分，即水汽；②降温，降至露点温度以下，或空气冷却③大气中存在吸水性的微粒(凝结核)露点：空气中水汽达到饱和时的温度。当大气温度下降到露点以下时，则形成了水汽凝结的必要条件。大气凝结核：指飘浮在大气中的尘粒，其直径约10-3~10μm。大气凝结核由固态物质、溶液滴或两者的混合物组成，其化学成分很复杂，最常见的是氯、氮、碳、镁、钠、钙等化合物。第一讲水文水资源基础（3）降雨的分类及其特性按气流上升运动的原因，常把降雨分成四种类型：16•对流雨•地形雨•锋面雨•气旋雨第一讲水文水资源基础1）对流雨：17对流雨(亦称对流性降水)发生的条件：地面受辐射温度升高，下层暖湿空气膨胀上升，则暖湿空气在上升过程中形成绝热冷却，水汽则会凝结成云（淡积云浓积云积雨云），形成降雨。第一讲水文水资源基础对流雨发生的特点：18对流雨是在大气不稳定的条件下产生的，多发生在夏季酷热的午后；其水平尺度很小(0.1～50公里)，降雨历时较短（几十分钟），形成阵性降水，常称阵雨。降水强度的变化很大。对流性降水常伴有雷暴（伴有闪电和雷声），称为雷阵雨。第一讲水文水资源基础2）地形雨19地形雨形成示意图山脉暖湿空气在运移过程中，因受地形（如山脉等）影响而被抬升，则由于动力冷却而形成的雨。地形雨发生的条件：第一讲水文水资源基础20因气流（空气）的湿度、温度、抬升速度及地形特点的差异而不同。地形作用一般使山的迎风面的降水量大，而背风面降水量减少。地形雨的特点：第一讲水文水资源基础3）锋面雨:21由于不同性质的气团相遇所形成的雨称为锋面雨。•气团：物理属性（物理属性主要是温度、湿度、大气静力稳定度等物理量）在水平方向差异很小的空气质点群体。其水平范围可达几百万平方公里，铅直厚度可达几公里至十几公里。第一讲水文水资源基础气团的分类：22按气团的热力性质不同,可划分为：冷气团(比其所经下垫面冷)和暖气团（比其所经下垫面暖）;按湿度特征的差异可分为：干气团和湿气团；第一讲水文水资源基础23按其静力稳定度的区别可分为稳定气团和不稳定气团；按气团的发源地的不同常分为极地气团和热带气团两大类，再按发源地带的海陆差别，这些气团还可划分为一些亚类。第一讲水文水资源基础在北半球的主要气团有：24北冰洋气团：形成于北极的北冰洋，空气极寒且干燥。极地气团：形成于除北极的北冰洋以外的中、高纬度地区，比较寒冷，其中形成于大陆上的有极地大陆气团、西伯利亚气团；形成于海洋上的有极地海洋气团。第一讲水文水资源基础25赤道气团：形成于赤道海洋上，既热又很潮湿，有时难以将它和热带海洋气团相区别。热带气团：形成于热带、副热带的暖气团。其中形成于大陆上的，称为热带大陆气团；形成于海洋上的称为热带海洋气团。第一讲水文水资源基础•锋面：26温度或密度差异很大的两个气团相遇，接触区形成一过渡带，简称锋面。锋面是倾斜的，坡度很小，一般约为1/100，冷气团在下，暖气团在上。锋面的铅直厚度约1公里，水平宽度在近地面约数十公里，其高度可达400公里以上（延伸到对流层顶），锋的水平范围可延伸数百公里甚至数千公里。第一讲水文水资源基础27•锋线：锋面与地面交线称为地面锋线，也简称为锋。锋线锋面冷气团暖气团地面第一讲水文水资源基础暖锋雨28暖锋：冷暖气团相遇时，暖气团较强起主导作用，暖气团推动锋面向冷气团一侧移动。暖锋雨示意图水文气象学将锋面二侧冷暖气团移动方向的不同，所形成的锋面雨分成以下几种类型：第一讲水文水资源基础29暖锋雨的特点：雨区位于锋线前方；降雨强度较小(锋面坡度小，介于1/100~1/300，暖湿气团上升缓慢）；云和降雨区面积较大。第一讲水文水资源基础冷锋雨:30冷暖气团相遇时，冷气团较强起主导作用，冷气团推动锋面向暖气团一侧移动。根据冷锋推移速度的不同，又分为慢行冷锋和急行冷锋两种：第一讲水文水资源基础31缓行冷锋：•云和雨区分布及降雨强度与暖锋雨相仿；•雨区位于锋线后方。缓行冷锋雨特点：冷锋运移速度较慢缓行冷锋雨示意图第一讲水文水资源基础急行冷锋：32冷锋运移速度较快，使得暖湿气团产生剧烈的上升运动，锋面坡度较陡，介于1/40~1/80（41～820）。•降雨在锋线附近，降雨强度大•历时短、雨区窄急行冷锋雨特点：急行冷锋雨示意图第一讲水文水资源基础准静止锋:33当冷暖锋面势均力敌，则锋面在一定地区来回摆动，称为准静止锋。或指移动很缓慢呈准静止状态的锋。准静止锋雨示意图第一讲水文水资源基础34准静止锋雨的特点：降雨持续时间较长降雨强度比较小雨区比暖锋雨更广如江淮一带6、7月的常出现的阴雨天气即为典型的准静止锋雨。第一讲水文水资源基础锢囚锋：35当有三种冷暖性质不同的气团（如暖气团、较冷气团、更冷气团）相遇时，便会产生两个锋面，此两锋面相遇并逐渐合并起来，原来暖气团被迫抬离地面，锢囚在高空，这样形成的锋称作锢囚锋。图中：—冷气团—暖气团—更冷气团(1)(4)(2)(3)锢囚锋形成示意图第一讲水文水资源基础4）气旋雨36气旋：北（南）半球，由于地球离心力、偏向力及摩擦力的共同作用下，大气中水平气流呈逆（顺）时针旋转的大型涡旋。在同高度上，气旋中心的气压比四周低，又称低压。小气旋水平尺度为几百公里，大的可达三四千公里，气旋中，天气常发生剧烈的变化，是人们最关心和最早研究的天气系统。第一讲水文水资源基础气旋区气流运动特点：37气旋平面图低气压区气旋立面图低气压区在低气压中心区，气流从四周向中心辐合，垂直方向上运动是上升的，即暖湿气流辐合上升，在水平面上温度和湿度变化很大，故常常有凝结降水现象。可出现大范围降雨和大风的天气现象，称为气旋雨第一讲水文水资源基础气旋按其生成的地理位置不同，可分为热带气旋和温带气旋38•热带气旋发生在热带海洋上强烈的气旋性涡旋，即所谓的台风。风的水平尺度约几百公里至上千公里，铅直尺度可从地面直达平流层低层，是一种深厚的天气系统。台风中心气压很低，一般在990～870百帕（1hpa=1dyn/cm2)之间，中心附近地面最大风速一般为30～50米/秒，有时可超过80米/秒。第一讲水文水资源基础98长江流域大洪水起因：39与发生在1997.5～1998.5上世纪最强的厄尔尼诺现象有关;冷暖空气频繁交绥于长江流域，造成二度梅雨（6.11～7.3和7.16～31）1998年长江流域降雨天气图第一讲水文水资源基础热带气旋的危害：40强风引起的巨大海浪，可对海洋船舶造成很大破坏；当台风移近海岸时，狂风可引起大范围巨大的海潮（风暴潮）。台风中心经过的地区常有大暴雨或特大暴雨，日雨量可高达1000毫米以上，造成大范围洪涝。它是重要天气系统之一，一些河流特大洪水均与热带气旋有关。1983年9月6日第9号台风的彩色增强显示卫星云图第一讲水文水资源基础按热带气旋地面中心附近风速大小，可分为：41风速平均风力分类10.8～17.1m/s6～8级热带低气压17.2～32.7m/s8～9级热带风暴10～11级强热带风暴32.7m/s12级台风（按中国气象部门规定分类）第一讲水文水资源基础•温带气旋雨（锋面气旋）42锋面气旋是由锋面的波动产生的，多发生于温带的极地气团和热带气团的交界面之上，这种波动也称气旋波。温带地区的降水大部分同锋面气旋有关，气旋活动的频次、强弱对人类最密集的温带地区的经济和社会活动有重要的影响，因此它是最受重视的天气系统之一。第一讲水文水资源基础温带气旋的特点：43温带气旋主要出现在中、高纬度地区。温带气旋范围大，风区长，在海上形成大风、降水和雷暴等危险天气和巨浪，在冬季有时也能引导冷空气南下，形成寒潮天气。第一讲水文水资源基础44影响中国近海的温带气旋（主要发生在两个地区）：①从中国长江中下游到日本南部海上，命名为江淮气旋和东海气旋②从蒙古中部到中国东北的大兴安岭东侧，命名为蒙古气旋和黄河气旋第一讲水文水资源基础(4)降雨的观测按降雨强度大小，降雨可分为暴雨、大雨、中雨、小雨四种：451)暴雨(50mm/24h)暴雨：50~100大暴雨：100~200特大暴雨：2002)大雨：25~50mm/24h3)中雨：10~25mm/24h4)小雨：10mm/24h第一讲水文水资源基础4620cm雨量器现场图1、雨量器承雨器；漏斗；储水瓶；雨量杯观测降雨量的常用仪器有：雨量器自记雨量计70cm20cm雨量器示意图第一讲水文水资源基础2、自记雨量计：虹吸式/翻斗式47虹吸式自计雨量计图虹吸式自计雨量计构造图第一讲水文水资源基础（5）降雨的特性分析48由于雨量观测站观测到的降雨量仅代表其周围小范围内的降水量，故称为点降水量。点降水量：第一讲水文水资源基础点降雨特性可用以下几个特征值描述:49降雨量为一定时段内降落到地面上的总雨量(mm)降雨历时一次降雨所经历的时间(天或小时)；降雨强度为单位时间内的降雨量(mm/min或mm/h)；第一讲水文水资源基础50降雨面积指降雨笼罩的水平面上的面积，其反映雨区的大小；降雨中心指降雨面积上降雨量最为集中且范围较小的局部地(区)点。第一讲水文水资源