《工程水文學(xué)》水文循環(huán)與徑流形成.ppt

工程水文學(xué),武漢大學(xué)水利水電學(xué)院,第二章 水文循環(huán)與徑流形成,第一節(jié) 水文循環(huán)與水量平衡 一、自然界的水文循環(huán) 地球上以液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)的形式分布于海洋、陸地、大氣和生物機(jī)體中的水體構(gòu)成了地球上的水圈。 水圈中的各種水體通過不斷蒸發(fā)、水汽輸送、凝結(jié)降落、下滲、地面和地下徑流的往復(fù)循環(huán)過程，稱為水文循環(huán)。 水文循環(huán)的范圍貫穿整個(gè)水圈，向上延伸到10km左右，下至地表以下平均1km深處。,大循環(huán)：海陸之間的水分交換過程，又稱為外循環(huán)。 小循環(huán)：海洋上蒸發(fā)的水汽在海洋上空凝結(jié)后，以降水的形式落到海洋里，或陸地上的水經(jīng)蒸發(fā)凝結(jié)又降落到陸地上，又稱為內(nèi)循環(huán)。前者稱為海洋小循環(huán)，后者稱為陸地小循環(huán)。 水文循環(huán)是地球上最重要、最活躍的物質(zhì)循環(huán)之一。正是由于自然界的水文循環(huán)，才形成永無終止千變?nèi)f化的水文現(xiàn)象。 水文循環(huán)也是水資源具有再生性的原因。,二、地球上的水量平衡 水量平衡原理：在水文循環(huán)過程中，對(duì)任一區(qū)域、任一時(shí)段進(jìn)入水量與輸出水量之差額必等于其蓄水量的變化量。 水量平衡方程：,I、O給定時(shí)段內(nèi)輸入、輸出該地區(qū)的總水量 S時(shí)段內(nèi)區(qū)域蓄水量的變化量，可正可負(fù)。,若以地球的整個(gè)大陸作為研究范圍，其水量平衡方程為：,若以海洋為研究對(duì)象，其水量平衡方程為：,Sc大陸在研究時(shí)段內(nèi)蓄水量的變化量 So海洋在研究時(shí)段內(nèi)蓄水量的變化量,對(duì)多年平均情況， Sc 、So 趨于零。所以：,合并得：,或,全球多年平均降水量等于多年平均蒸發(fā)量，為1130mm,第二節(jié) 河流與流域 一、河流 （一）河流的形成與分段 地面徑流長期侵蝕地面，沖成溝壑，形成溪流，最后匯集成河流。 河谷、河槽或河床。 上游、下游、左岸、右岸。 分段：沿水流方向，自高向低可分為河源、上游、中游、下游和河口五段。 外流河、內(nèi)流河或內(nèi)陸河。,（二）河流的基本特征 1. 河流的長度 自河源沿主河道至河口的距離稱為河長（km）。 2. 河流的斷面： 橫斷面 中泓線 縱斷面,3. 河道縱比降： 任意河段兩端（水面或水底）的高差h稱為落差，單位河長的落差稱為河道縱比降。 水面比降、河底比降,二、水系及河流地貌定律 斯特拉勒河流分級(jí)法： 河流地貌定律： 河數(shù)律 河長律 面積律 河流比降律,流域 （一）流域 匯集地面水和地下水的區(qū)域 即分水線所包圍的區(qū)域,（二）流域基本特征 流域面積（F，km2） 河網(wǎng)密度（L/F，km/km2） 流域長度（L）和平均寬度（M） 流域形狀系數(shù)（M/L） （扇狀流域、羽狀流域） 流域平均高度和平均坡度 流域自然地理特征 （位置、氣候、下墊面）,第三節(jié) 降水,形式： 雨、雪、霰、雹、露、霜等 特征要素： 降水量（mm) 降水歷時(shí)(min，h，d) 降水強(qiáng)度(mm/h，mm/d) 降水面積(km2) 暴雨中心,與降水有關(guān)的氣象因素 降水發(fā)生在大氣中的對(duì)流層，對(duì)流層是地球大氣中最底的一層。 對(duì)流層的特點(diǎn)： 1. 氣溫隨高度的增加而降低 2. 具有強(qiáng)烈的上升和下降的氣流 3. 受地表差異影響，對(duì)流層溫度、濕度水平分布 不均勻。 對(duì)流層又可分三部分：下層（地面-1.5km） 中層（1.5km-6km） 上層（6km-對(duì)流層頂部）,對(duì)流層中與降水有關(guān)的主要?dú)庀笠蛩赜校?氣溫、氣壓、風(fēng)、濕度、云、蒸發(fā) 降水的形成與分類 （一）降水的形成 水汽、上升運(yùn)動(dòng)和冷卻凝結(jié)三因素 （二）降水的分類 1. 對(duì)流雨 降雨強(qiáng)度大，歷時(shí)短、雨區(qū)較小,地形雨,鋒面雨,氣旋雨 （1）溫帶氣旋雨,（2）熱帶氣旋雨,影響我國降水（暴雨）的主要天氣系統(tǒng) 高空槽 鋒面氣旋 低渦 切變線 靜止鋒 鋒區(qū)與降雨 副熱帶高壓 熱帶風(fēng)暴（臺(tái)風(fēng)）,四、降水量觀測(cè) （一）器測(cè)法 1. 雨量器 分辨率0.1mm。兩段制觀測(cè)，即每日8時(shí)及20時(shí)各觀測(cè)一次。雨季增加觀測(cè)段次。 每日8時(shí)至次日8時(shí)降水量為當(dāng)日降水量。,2. 自計(jì)式 （1）虹吸式 分辨率：0.1mm 降雨強(qiáng)度適用 范圍： 0.014.0mm/min,（2）翻斗式 分辨率：0.1mm 降雨強(qiáng)度適用 范圍： 4.0mm/min以內(nèi) （3）稱重式 記錄降水時(shí)全部降水的重量。優(yōu)點(diǎn)在于能夠記錄雪、冰雹及雨雪混合降水。,（二）雷達(dá)探測(cè) 氣象雷達(dá)是利用云、雨、雪等對(duì)無線電波的反射現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的。 有效范圍：40200km。 （三）氣象衛(wèi)星云圖 極軌衛(wèi)星 地球靜止衛(wèi)星：可見光云圖 紅外云圖,第四節(jié) 土壤水、下滲與地下水,陸地上的三種水體： 地表水、土壤水、地下水,一、包氣帶和飽和帶 包氣帶：土壤顆粒、水分、空氣三相系統(tǒng) 飽和帶：土壤顆粒、水分二相系統(tǒng),二、土壤水 包氣帶中的水稱為土壤水。水分變化劇烈，是水分通道，聯(lián)系降雨、下滲、蒸發(fā)與徑流的紐帶。 （一）土壤水分存在形式： 1. 吸濕水 2. 薄膜水 3. 毛管水 （1）支持毛管水（毛管上升水） （2）毛管懸著水 4.重力水,（二）土壤含水量和水分常數(shù) 1. 土壤含水量（率） 一定量的土壤中所含水分的數(shù)量（mm）。 土壤重量含水率、土壤容積含水率 2. 土壤水分常數(shù) （1）最大吸濕量 （2）最大分子持水量 （3）凋萎含水量（凋萎系數(shù)） （4）毛管斷裂含水量 （5）田間持水量 （6）飽和含水量,（三）土壤水分分布特征,三、下滲 （一）下滲的物理過程 1. 滲濕階段 分子力作用，土壤顆粒吸收成薄膜水。 2. 滲漏階段 毛管力、重力作用，水分向下運(yùn)動(dòng)，水分逐漸飽和。 3. 滲透階段 重力作用，水分飽和。,飽和水流,非飽和水流,（二）下滲率和下滲能力 單位時(shí)間內(nèi)滲入單位面積土壤中的水量 記為：f （mm/min，mm/h） 霍頓下滲公式： f0：起始下滲率 fc：穩(wěn)定下滲率 ：系數(shù),（三）自然條件下的下滲過程 1. 下滲與雨強(qiáng)的關(guān)系 （1）i1fp （2）i2fc （3）fci3fp,2. 下滲的空間分布 （1）流域中土壤性質(zhì)的空間分布不同 （2）流域內(nèi)土壤含水量空間分布不同 （3）降雨在時(shí)間空間上分布不均勻 （4）流域內(nèi)各處地下水位高低不一,（四）下滲實(shí)驗(yàn)與分析 1. 直接測(cè)定法 （1）注水法：同心環(huán)下滲儀 （2）人工降雨法 2. 水文分析法：流域水量平衡方程分析,四、地下水 （一）類型：包氣帶水、潛水、承壓水 （二）地下水特征：,第五節(jié) 蒸散發(fā),蒸散發(fā)是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。 對(duì)徑流形成來說，蒸散發(fā)則是一種損失。 蒸發(fā)：水由液態(tài)或固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程； 散發(fā)或蒸騰：被植物根系吸收的水分，經(jīng)由植物的莖葉散逸到大氣的過程。 水面蒸發(fā) 土壤蒸發(fā) 陸面蒸發(fā) 植物散發(fā),流域總蒸發(fā)或流域蒸散發(fā),蒸發(fā)率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的蒸發(fā)量 充分供水、不充分供水兩種情況 可能最大蒸發(fā)率或蒸發(fā)能力（EM)： 在充分供水的條件下，某一蒸發(fā)面的蒸發(fā)量，即同一氣象條件下可能達(dá)到的最大蒸發(fā)率。,水面蒸發(fā)的觀測(cè) 1. 器測(cè)法： 水文部門普遍采用 E601蒸發(fā)器。 每日8時(shí)觀測(cè)一次， 得日蒸發(fā)量； 月蒸發(fā)量 年蒸發(fā)量 折算系數(shù)：K=E池/E器,2. 間接計(jì)算法 利用氣象水文觀測(cè)資料間接推算蒸發(fā)量： 水汽輸送法、熱量平衡法、彭曼法、水量平衡法、經(jīng)驗(yàn)公式法等。 彭曼水面蒸發(fā)公式：,土壤蒸發(fā) （一）土壤蒸發(fā)過程 三個(gè)階段： 第一階段：土壤充分濕潤， 供水充足E接近最大蒸發(fā)能力EM； 第二階段：土壤水分減少，WW田，供水條件變差，E逐漸減??； E=W/W田EM 第三階段：WW斷，水分運(yùn)動(dòng)十分緩慢，蒸發(fā)率很小。,（二）土壤蒸發(fā)觀測(cè) 1. 器測(cè)法； 500型 2. 間接計(jì)算法,流域總蒸發(fā) 包括水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植物截留蒸發(fā)及植物散發(fā)。 確定方法： 1. 單項(xiàng)計(jì)算，加權(quán)求和，例如面積加權(quán) E=F水/F總E水+F土/F總E土 2.水量平衡法或蒸發(fā)模式計(jì)算法.,模式計(jì)算法 1. 一層模式 E=W/W田EM 2. 二層模式 上層：E上=EM 下層： E下=W下/W田EM剩 3. 三層模式 上層：E上=EM 下層： E下=W下/W田EM剩 深層：量小且穩(wěn)定，（1/51/10）EM 0.3-1.0mm/d,第六節(jié) 徑流,降水形成的，沿著流域地面和地下向河川、湖泊、水庫、洼地等流動(dòng)的水流。 地面徑流或地表徑流 地下徑流 河川徑流 融雪徑流 降雨徑流,一、徑流的形成過程 流域內(nèi)，自降雨開始到水流匯集到流域出口斷面的整個(gè)物理過程，稱為徑流形成過程。 1. 產(chǎn)流過程 ：降雨扣除損失成為凈雨的過程 降雨扣除損失后的雨量稱為凈雨，凈雨和它形成的徑流在數(shù)量上是相等的。 但二者的過程卻完全不同，凈雨是徑流的來源，而徑流則是凈雨匯流的結(jié)果；凈雨在降雨結(jié)束時(shí)就停止了，而徑流卻要延長很長時(shí)間。 地面凈雨地面徑流 表層流凈雨表層流或壤中流 地下凈雨地下徑流,地面徑流,總徑流過程,2.匯流過程：凈雨沿坡面從地面和地下匯入河網(wǎng)，再沿河網(wǎng)匯集到流域出口斷面的過程 坡地匯流： 坡面漫流，流程歷時(shí)較短，大雨時(shí)是構(gòu)成河流流量的主要來源； 表層流徑流，由土壤孔隙流入河網(wǎng)，流程歷時(shí)較坡面漫流長，對(duì)歷時(shí)較長的暴雨，也是構(gòu)成河流流量的主要來源。 坡地地下匯流，地下水補(bǔ)給河流，構(gòu)成河流的基流。 河網(wǎng)匯流： 從支流到干流，從上游到下游，流域出口斷面 河槽調(diào)蓄作用 降雨損失，進(jìn)入河網(wǎng)的水量小于降雨量； 匯流工程，徑流過程比降雨過程變化緩慢。,二、徑流的表示方法和度量單位 河川徑流在一年內(nèi)和多年期間的變化特性，稱為徑流情勢(shì)。 年內(nèi)變化或年內(nèi)分配，年際變化 1. 流量（ Q） ：m3/s，洪峰流量Qm，日平均流量. 2. 徑流量（W）： 時(shí)段T內(nèi)通過河流某一斷面的總水量，m3、萬m3 3. 徑流深（R）： 將徑流量平鋪在整個(gè)流域面積上所得的水層深度，mm 4.徑流模數(shù)（M）： 流域出口斷面流量與流域面積之比值，L/(skm2) 洪峰流量模數(shù)，多年平均流量模數(shù) 5. 徑流