水文学提纲1.docx
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水文学提纲1
水文学提纲
考试题型
选择题，10题，每题1分，共计10分；
名词解释，5题，每题2分，共计10分；
简答题，4题，每题5分，共计20分；
计算题，3题，每题10分，共计30分；
综述题，2题，每题15分，共计30分。
1.水文学：
主要是研究地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系。
2.水文循环：
地球上的水在太阳辐射和地心引力等的作用下，不断因蒸发而生成水汽进入大气，再由气流的水平输送和上升凝结形成降水，落回地面或者海洋。
落回地面的雨水，一部分蒸发返回大气，另一部分以地表径流及入渗进入土壤以地下径流的形式注入海洋。
自然界中这种水分以蒸发﹑降水、入渗和径流等方式进行周而复始的运动过程，称为水文（分）循环。
1.全球水文循环：
水在陆地，海洋，大气之间的迁移。
2.陆地水文循环：
地表水和地下水的运动，运动过程中伴随着与地球表面物质相互反应的物理和化学作用，且受进行的生物过程的影响。
（Thelandphaseofthehydrologiccycle:
Themovementofwateronandunderthelandsurface,physicalandchemicalinteractionswithearthmaterialsaccompanyingthatmovement,andthebiologicalprocessesthatconductofaffectthatmovement.）
3.连续性方程ContinuityEquation
流进（I）–流出（O）=储存量的变化量（ΔS）
Volin（进入的体积）–Volout（出去的体积）=ΔS（mass体积、容积）
Flowin（进入的流速）–Flowout（出去的流速）=ΔS/Δt（rate速率）
Inputs（I）
Precipitation（P）降水
Groundwaterin（Gin）进入的地表水
Outputs（O）
Evapotranspiration（ET）蒸散发
Groundwaterout（Gout）流出的地表水
Riverdischarge（Q）河水排放量
Storage（S）
Groundwater-Rivers-Lakes地表水-河流-湖泊
4.水量平衡WaterBalance
ΔS=P+Gin–（Q+ET+Gout）
5.径流系数runoffcoefficient（C）
Excessintensity净雨
Abstractions初始损失
EX（第二次作业第五题）：
初始损失和净雨包括哪些组成部分？
对其包括的水文循环环节进行简要叙述。
初始损失=雨期蒸发+植物截留+填洼+下渗损失
净雨包括降雨扣除径流损失后的雨量，即净雨=降雨—初始损失
植物截留即是雨水被植物茎叶拦截，滞留在植物枝叶上的现象，其截留的雨水水分在雨后将以蒸发的形式返回空中；
填洼即流域内坡面上流动的水流向坡面上的洼地汇集，并积蓄于洼地的现象，其洪积蓄的雨水水分在雨后也将以蒸发的形式返回空中；
下渗损失即流域坡面上的降雨渗入地下的水量中，不能成为径流那部分水量，这部分水量暂时蓄存在流域地下的土壤孔隙或岩石缝隙中，雨后仍将以蒸发的形式返回空中。
不同地区的径流系数：
EX.一个城市分区如下，求出这个地区的（平均）径流系数：
土地类型
面积
单个家庭
30公顷
商业地区
3公顷
公园
7公顷
解：
从表中查得各个分区的径流系数：
如家庭地区的C=0.4；商业地区的C=0.6；公园的C=0.15。
从而得到：
集水径流时间
1.汇流时间（TOC：
timeofconcentration）：
流域上最远点的净雨流到出口的历时。
要求流域所有部分同时汇聚成出口流量的时间。
汇流时间代表了集水区水力反应时间。
浅水方程：
（ShallowFlowEquation）
式中：
V—速度，m/s（ft/s）；
S—坡度，m/m（ft/ft）；
k—土地覆盖的无量纲系数；（查表）
a—国际制单位中等于一个常数，10.
曼宁公式
式中：
V—速度，m/s；
n—曼宁粗糙系数；
R—水力半径，m；
S—坡度，m/m；
a—常数，在中国等于1.0。
2.对比计算开发前后的TOC
（总汇流时间）（作业参考，一样的步骤）
开发前河流/水道：
视为矩形：
宽B=5m;高D=2m
对地表的径流：
采用浅水方程：
解：
A-B段:
forhaymeadow：
k=0.076,S=1.1%
VA-B=akS0.5=10*0.076*（1.1/100）^0.5=0.080m/s
tA-B=LA-B/vA-B=200/0.080=2509.1s
B-C段:
forshortgrasspasture：
k=0.213,S=0.8%
VB-C=akS0.5=10*0.213*（0.8/100）^0.5=0.191m/s
tB-C=LB-C/vB-C=1500/0.191=7873.5s
C-D段:
forcultivatedstraightrow：
k=0.274,S=0.6%
VC-D=akS0.5=10*0.274*（0.6/100）^0.5=0.212m/s
tC-D=LC-D/vC-D=600/0.194=2827.0s
对于河流和水道：
采用曼宁方程：
D-E段:
forDensegrasslinedstreamflow：
a=1.49,n=0.240,S=0.7%
水力半径=面积/湿周，即R=（5x2）/（5+2x2）=10/9
VD-E=a/nR2/3S0.5=（1.49/0.240）
（10/9）^2/3
（0.7/100）^0.5=0.56m/s
tD-E=LD-E/vD-E=1500/0.56=2692.0s
tT=tA-B+tB-C+tC-D+tD-E
=2509.1+7873.5+2827.0+2692.0
=15901.5s=4.42hr
水汽WaterVapor
我们通过相对湿度（f，RelativeHumidity）来考虑大气的局部饱和。
图中：
criticalpoint:
临界点。
1.水汽压/Watervapor（e）：
大气中水汽所具有的压力。
2.饱和水汽压（es）：
在一定温度下，空气中所容纳的水汽含量最大值为饱和水汽含量，对应的压力为饱和水汽压。
3.相对湿度（RH，RelativeHumidity）：
同温度下，实际水汽压与饱和水汽压的比值。
4.露点（或霜点）温度：
dewtemperature。
露点温度指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。
EX.降雨形成的必备条件包括哪些？
降雨类型有哪些，阐述厦门有哪几种类型的降水，以实例说明。
1.空气饱和时，气温继续下降；
2.有凝结核；
3.水滴增大到能降落到地面。
四种降雨：
1.地形雨
潮湿气流受到山地阻挡，被迫沿迎风坡上升，温度降低，空气中的水汽凝結而降水，称为地形雨。
气流越过山顶，沿背风坡向下流动，則形成增温、干燥等现象，有些地方还出现干热的焚风。
像厦门有些高度的山脉“天马山”就会形成局部地形雨。
2.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导致的降雨称为对流雨。
对流雨一般强度大，历时短，雨区比较小。
如厦门，有时候会局部下阵雨，有时只是岛外下大的阵雨，而岛内几乎没雨。
3.锋面雨
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。
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。
有冷锋（冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移动，这种锋称为冷锋）和暖锋（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）。
锋面雨也是厦门夏季降雨的主要类型，来自东南方向的暖湿气流遇到干冷空气形成较长时间的降雨，也即是厦门每年4，5月份的梅雨。
4.气旋雨（台风雨）
在热带洋面出现的热带气旋，其降雨主要是由海上潮湿空气的强烈辐合上升作用而形成，称为台风雨。
热带气旋的范围较温带气旋小，但云层浓密，且环绕在低气压中心的气流强盛，带来狂风暴雨，经常造成灾害。
热带气旋在东亚地区称为台风，在美洲地区则为飓风。
像厦门经常会遇到台风季随着气旋或低压过境而产生的台风雨。
台风经常登陆和经过的地方，容易形成暴雨和大雨。
降雨强度（i，RainfallIntensity）：
单位时间的降雨量，以mm/hr计，即降雨深度/降雨历时。
降雨量过程线图（Hyetograph）：
。
以时段降雨量为纵坐标，时间为横坐标绘制而成的柱状图，它表示时段降雨量的变化过程。
也是一次单独降雨事件的降雨分布图，通常提供每降雨时间的降雨深度。
累积降雨量图（AccumulatedRainfall）：
以横坐标为时间，以降雨开始到该时刻的累积降雨量为纵坐标绘制而成的柱状图。
也是一次单独降雨事件的累积降雨分布图，通常提供每降雨时间的累积降雨深度。
降雨历时（RainfallDuration）：
从降雨开始到结束的这段时间。
为了帮助我们理解降雨，假设在降雨历时期间，降雨强度是一个常量。
降雨频率（rainfallFrequency，f）：
指定年数的时期内，某些巨大的或更大降水发生的次数。
频率的值以百分比的形式表示上述降雨的发生概率。
重现期（ReturnPeriodorReoccurrenceInterval）：
频率的倒数，通常用来描述一次稀有的降雨事件。
比如，以25年一遇的暴风雨降雨事件为例，这一事件是罕见的，很可能25年只发生一次，即这次降雨事件有一个百分之4的概率（频率）在任何给定的一年的
发生。
厦门IDFcurve（intensitydurationfrequency曲线
可以从IDF曲线发现一个特定区域的雨量深度和持续时间，但他们是有限的，因为他们无法解释当地降雨的空间变化性。
等雨量线图（IsohyetalMaps）：
对于面积较大的区域或流域，为了表示次、日、月、年降雨量的平面分布情况绘制的图形，作法与等高线相似，首先将流域内各站雨量标注在相应位置上，然后根据其数值分布情况勾绘等值线，称其为等雨量线，按各时段顺序雨量绘制的由等雨量线构成的图形称为等雨量线图。
Ex.1.以厦门（或福建省）为例，结合水循环和水量平衡的概念，绘制厦门市水循环图，并列出其水量平衡方程。
2.中国现在面临的水问题包括哪些？
这些水问题与你们目前所学环境工程专业知识的有哪些关联？
举例说明。
☐4.根据曼宁公式，以及下面图表提供的信息，计算流域汇流时间（totalofconcentration）。
其中曼宁公式见ppt，α取值1.49。
河段
汇流特征描述
坡度/%
长度/m
流速/m.s-1
A-B
坡面径流（浅层流）
1.6
3200
0.7
B-C
坡面径流（森林）
1.3
780
0.2
C-D
河道径流（n=0.014,D=0.6m）
1.3
1200
？
D-E
长方形明渠（n=0.020,B=1.5m,D=0.8m）
0.4
1000
？
植物截留（Canopyinterception）降雨被植物枝叶拦截并滞留在植物枝叶上的现象。
植物单位投影面积上的截留量记为I，简称截留量。
降雨过程中:
①一部分穿过枝叶间隙落入地面，成为穿过林冠的降雨，为穿透雨（Throughfall）;②另一部分沿枝干流达地面，为树干径流（Stemflow）；③只有存留在枝叶上的部分才成为植物截留。
填洼（Depressiondetention/Storage）指坡面流水或降水在流域内大小坑洼停蓄起来的现象。
土壤（Soil）陆地表面由矿物质、有机物质、水、空气和生物组成，具有肥力，能生长植物的未固结层。
土壤水（Soilmoisture）:
土壤中各种形态水分的总称。
土壤的质地（Soiltexture）:
指土壤中所含的团体颗粒（solidparticles）的大小,即粒径大小（thesizeofsoilparticles）。
一般将土壤中的固体颗粒的粒径分成三种粒径范围：
砂粒（sand）、粉粒（silt）和粘粒（clay）。
土壤物理常用指标
土壤容重：
自然条件下，单位土体体积的干土重量（g/cm3）
孔隙度（率）：
土壤孔隙体积与土壤总体积之比，一般0.3～0.6
1.土壤水分的作用力
2.土壤含水量及水分常数
最大分子持水量（植物很难利用），由分子吸附力所能保持的最大水量，包括全部吸湿水和膜状水。
凋萎含水量:
植物因缺水而开始出现永久凋萎特征时的土壤含水量，包括全部吸湿水和部分膜状水，是作物生长和发育最低的水分极限。
田间持水量:
土壤充分饱水后，在重力作用下自然疏干而充分排水后，依靠“毛管力”和分子吸附力所保留的水分含量。
这部分水量是不会在重力作用下流走的最大含水量。
毛管断裂含水量:
又称临界含水量，湿润土壤在根系吸收及蒸发过程中逐渐失去水分的进程中，土壤孔隙网络中，较粗毛管悬着水的连续状态开始断裂，而较细毛管孔隙中水分保持连续时的土壤含水量。
下渗的几个基本概念
1.土壤水分剖面（Soilwaterprofile）：
土壤含水率随深度方向的变化曲线，又称土壤含水率垂向分布
2.下渗（Infiltration）:
水分透过土壤层面沿垂直和水平方向渗入土壤的运动过程。
3.下渗率f（Infiltrationrate）:
单位时间通过单位面积的土壤层面渗入到土壤中的水量（mm/min,mm/h）。
4.下渗能力/容量（Infiltrationcapacity）:
供水充分条件下的下渗率。
下渗曲线（Infiltrationcurve）:
下渗能力随时间变化的曲线。
累积下渗曲线（Cumulativeinfiltrationcurve）:
按下渗能力下渗到土壤中的总水量与该时间的关系曲线。
下渗的物理过程:
下渗过程按水分所受的作用力及运动特征，可分为三个阶段渗润阶段、渗漏阶段、渗透阶段。
第一阶段为渗润阶段。
这阶段土壤含水量较小，下渗容量较大，下渗容量随时间递减迅速。
分子力
第二阶段为渗漏阶段。
这阶段，由于土壤含水量不断增加，下渗容量明显减小，下渗容量随时间递减变得缓慢。
毛管力
第三阶段为渗透阶段。
在这一阶段，土壤含水量达到了田间持水量以上，下渗容量变得稳定，达到下渗容量的最小值，和为稳定下渗。
重力
Ex.、已知某地土壤累积下渗能力曲线及某次降雨的累积雨量曲线如图，累积下渗能力曲线F（t）=36t0.5+0.4t,累积降雨量曲线为P（t）=9.4t
（1）求该地的下渗能力曲线f（t）及该次降雨强度过程
（2）由该次降雨求出产流开始的时间
（3）在累积下渗能力和累积降雨图上绘出累积下渗量曲线。
解
（1）f（t）=dF（t）/dt=18t-0.5+0.4
I（t）=dP（t）/dt=9.4（mm/分钟）
（2）F（t）=P（t）
36t0.5+0.4t=9.4tt=16分
蒸发现象及其控制条件
蒸发：
水分子从物体表面向大气逸散的现象称为蒸发。
如果相对湿度=100%，蒸发=冷凝，则水汽压=饱和水汽压；
蒸发面为水面，当蒸发量>冷凝量，水分从水面逸散到空气。
蒸发率：
单位时间从单位面积蒸发面逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值称为蒸发率；单位mm/d。
蒸发率E=（Vaporisation-Condensation）/（A·t）
蒸发能力：
供水充分条件下，单位时间从单位面积蒸发面逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值称为蒸发能力。
对比：
单位时间通过单位面积土壤层面下渗的土壤水量是下渗率；供水充分情况下，为下渗能力/容量。
蒸发分类：
根据蒸发面进行划分
土壤蒸发过程：
失去水分土壤干化的过程（对比：
渗润、渗漏和渗透）
流域蒸散发的影响因素：
影响土壤蒸发和植物散发的因素即是影响流域总蒸发的因素。
综合起来，影响因素包括：
（1）气象条件（日照、温度、湿度、风速等）；
（2）流域内土壤含水量；
（3）流域内土壤、植被分布；
（4）地形、地貌。
三角流量图TriangularHydrograph
当降雨历时=集水流域的汇流时间时，出现最高的流量。
洪峰径流量：
式中：
Q—洪峰流量，m3/s（ft3/s）;
i—降雨强度，mm/h；
A—流域面积，ha公顷；
C—径流系数；
a—单位换算系数，国际制时等于360.
峰值径流衰减PeakRunoffAttenuation
发展带来的影响：
VS=超出的径流量
最长的降雨历时导致了最大的降雨深度。
我们怎样减少洪峰流量？
我们储存或者滞后额外的降雨径流。
I=O时，保持一个恒定的存储量。
Ex1.如下表，已知一流域开发前后不同土地利用类型的分布面积和径流系数，求开发前后的流域径流系数。
类型
径流系数
开发前面积/106m2
开发后面积/106m2
林地
0.15
55
10
草地
0.2
30
15
耕地
0.22
10
10
建筑用地
0.95
5
65
答：
采用面积权重法计算流域开发前后的径流系数C，总面积A；
A=55+30+10+5=10+15+10+65=100（106m2）
开发前（Beforedevelopment）
Cb=（0.15
55+0.2
30+0.22
10+0.95
5）/100=0.212
开发后（Afterdevelopment）
Ca=（0.15
10+0.2
15+0.22
10+0.95
65）/100=0.685
特别注意：
径流系数C是无量纲的，标准为R/P（径流/降水）。
2.对比计算开发前后的TOC（总汇流时间）
开发前Stream/Channel:
Rectangular矩形（Bottom宽=5m，深=2m）
3.假定有一流域，其开发前后的径流系数和总汇流时间如题1和题2的计算结果，基于各位同学手上的厦门市IDF图，求流域开发前后保证率100%（1年一遇）、25%（5年一遇）、4%（20年一遇）和1%（100年一遇）的设计降雨强度（rainfallintensity）、设计洪水强度（peakdischargerate）和设计洪水总量（totalrunoffvolume）。
并绘制三角流量图（triangularhydrograph），将开发前后的三角流量图绘制于一张图上。
计算步骤如下：
（1）根据计算换得的总汇流时间，查询IDF图，获得不同保证率（1、5、20和100yr一遇）对应的降雨强度，这个强度即为不同保证率下的设计暴雨强度。
（2）根据径流计算公式Q=CIA，根据以计算获得C、A和查询IDF图获得的I，即可获得Q值，Q为设计洪水。
特别注意，单位的转换，教学PPT中展示α为单位换算系数。
（3）设计洪水总量W=Q*D，D=TOC，洪水总量相当计算三角流量图的面积。
根据题1和2计算结果，Cb=0.212,Ca=0.685；TOCb=4.42hr,TOCa=1.28hr
计算结果见下图和下表，
4.根据题1、2和3的计算结果，并查阅相关资料，阐述土地利用变化（城市化）对水循环过程的影响，并思考计算不同保证率的用意。
答：
城市化最大特征之一就是原有的透水地区（农田，森林，草地）不断被混凝土建筑物及沥青路面所取代，减少了雨水向下的渗漏，增加了地表径流流速，致使地表总径流量和峰值流量增加，滞后时间（径流量落后于降雨量的时间）缩短。
同时，绿地面积迅速减少，不透水面积增加，降水对地下水的补给量减少，使得地表及树木的水分蒸发和蒸腾作用相应减弱。
另外，城市化对蒸发量有影响，大气中水蒸气的多少对降雨有影响，所以城市会出现热岛效应。
水利工程在多年期间能使规定的任务要求得到满足的程度，以百分数计。
其概念与水文数理统计上的频率相同。
例如某工程供水保证率为75％，即表示该工程就长期平均而言，100年中有75年可保证正常供水,而不是每100年中一定能（或只能）有75年保证正常供水。
水利规划中对各项任务要求一般都要选定某一设计保证率作为规划标准，并据以决定工程的规模。
表达的方法因任务而异。
防洪、除涝等属于对水灾的控制，其保证率多以通过措施可使防护对象不受洪、涝危害的某一重现期的洪水或暴雨表示。
灌溉、发电、航运、供水等均属对水资源的利用，其保证率则是以通过措施能满足有关用水要求不受破坏的机遇表示。
设计保证率的选定是国家在一定时期中技术政策和经济政策的具体体现。
保证率越高，付出的代价越大，承受的风险越小；保证率越低，付出的代价越小,但所需承受的风险势必越大。
通常,各项任务的设计保证率都要在规划中根据其重要性、特点，结合国家或地区的经济状况和有关工程的自然条件，通过技术经济论证最终选定。
洪水类型
1.降雨历时很长，具有很大的体积。
对于stream来说，流量（lowrate）很低，不会影响到周围用户。
而对于lake来讲，主要是一个体积量，当V很大时，可能超出固定的体积，对周围居民产生影响。
2.降雨历时很短，具有较小的体积。
对于stream来说，流量（highrate）很高，影响到周围用户。
而对于lake来讲，主要是一个体积量，当V较小时，对周围居民影响不大。
我们怎么知道哪一个是影响最坏的降雨历时？
我们需要储存多少径流量？
尺度的变化：
AccumulatedInflowCurve=CA
AccumulatedRainfallCurve
既然我们有了储存体积，我们怎么限制流量的大小？
此时，Lake不是封闭的整体，它有一个出流量。
当城市发展，随着径流量大小的改变，出流量也随之改变。
这里提供一个强度的计算公式（了解），系数已经给定，带入时间到公式中计算。
降雨深度RainfallDepth（P）：
累积降雨深度（mm）作为降雨历时的函数。
AIC的斜率（坡度）SAIC作为降雨历时的函数：
举例：
从lake流出量为Q=0.3m3/s（作为径流体积的斜率及是SAIC的值）
把Discharge的斜率直线与SAIC直线相切，找到0.03对应的点，再向左读出径流体积的值，大概是25022，若给出排出量是多少，可以通过相减算出存储量是多少。
流量流出构造：
堰：
孔口：
孔口流量OrificeDischarge，
这里取0.62
EX.1.池子的面积2公顷，排出结构为孔口的设计。
池子深度Dp=V/Ap,Ap为池子的面积；V为池子的体积（按20页表格的计算结果来算）。
.2.池子的面积5公顷，排出结构为堰的设计。
C取0.397
敞开流域举例：
已知：
流域面积=75ha;径流系数=0.615；流域排出流量0.128m3/s
求：
储存体积V；2年和100年重现期的结果。
作业1：
1.以厦门（或福建省）为例，结
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