水文与水资源学期末复习资料

水文与水资源学期末复习资料

一、绪论

1 什么叫做水文学？

o水文学是研究地球上水的性质、分布、循环、运动变化规律及其与地理环境、人类社会之间相互关系的科学。

•研究对象：地球上的水

•（1）水本身性质

•（2）水与地理环境、人类的联系

o水文学的特点：一方面，具有自然属性，属于地球科学的范畴；另一方面，又具有社会属性，属于应用科学的范畴。

水文学

地球物理水文学地理水文学

工程水文学

2 地理水文研究的特点

宏观性：水体运动变化的自然规律、总体演化趋势；

综合性：与其它自然地理因素间的相互影响研究；

区域性：各水体的区域差异性。

3 水文现象的主要特点

•水文现象：水循环过程中，水的存在和运动的各种形态。

o水循环永无止尽，水文现象在空间或时间上存在一定的因果关系。

o水文现象在时间上既有周期性又有随机性。

o水文现象在地区分布上既存在相似性，又存在特殊性。

确定性不确定性

第一章地球上谁的性质与分布

4 水的物理性质

o大热容量：所有固体和液体中热容量最大的物质

o潜热：水在固、液、汽三态转化中吸收或放出的热量。

o显热：物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量。

o水的大热容量和潜热性质对调节地球上的热量变化具有重要作用:使冬季不致过冷，夏季不致过热；低纬度地区不至过热，高纬度地区不至过冷。

o水温特征：海水、河水、湖泊、水库、地下水

5 各水体的化学组成及特点

•降水

o矿化度最低。呈弱酸性，对于各种可溶性盐类远未饱和。

o当雨雪中饱和的CO2达到电离平衡时，其pH值为5.6，故显酸性。大气降水的pH值小于5.6即为酸雨

海水

海水的盐度：单位质量海水中所含溶解物质的质量。

o绝对盐度：海水中溶解物质的质量与海水质量的比值

o河水

河水的水化学属性几乎完全取决于补给水源的性质及比例。

o河水化学组成的时间变化明显

湖水

矿化度差异：淡水湖（＜1克/升）、微咸水湖（1-24.7克/升）、咸水湖（24.7-35克/升）、盐湖（＞35克/升）。

地下水

地下水的化学成分的时间变化极为缓慢。

6 水资源

•广义水资源

o世界上一切水体，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、土壤水、地下水及大气中的水分

•狭义水资源

指在一定时期内，能被人类直接或间接开发利用的那一部分动态水体

7 水资源的特性

•可再生性

o水循环过程具有无限性的特点，水资源具有可再生性。但这种可更新的水量又是有限的。

•时空分布的不均匀性

o年内与年际变化大；地区分布不均衡

•利用的广泛性和不可代替性

•利与害的两重性

8 如何理解水资源

.水资源是指全球水量中可为人类生存、发展所利用的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量。

.最能反映水资源数量和特征的是年降水量和河流的年径流量。

9 我国水资源条件和问题

•水资源总量不少，但人均、亩均水量较少

•水资源的地区分布很不均匀，与人口、耕地的分布不相适应

•水量的年内、年际变化大，水旱灾害频繁

•水土流失和泥沙淤积严重，破坏了生态平衡，增加了江河防洪困难，降低了水利工程效益。

•地下水过量开采现象严重

•水污染现象严重，大量河流、湖泊水质恶化

第二章

地球上的水循环

10 补充概念

•分水线：山峰、山脊和鞍部的连线称为分水线

•流域：地面分水线包围的区域称为流域

•水系：流域中大大小小河流交汇形成的树枝状或网状结构称为水系，也称河系

闭合流域与非闭合流域

11 水系的几何特征

•河流长度：河流的长度是指从其起始断面，沿河流中心线至终断面的距离（km)。

•流域面积：分水线包围区域的平面投影面积。

•河道比降：河段上相邻两断面河底的高程差与该两断面间中心线的长度的比值。

•J=(Z1-Z2)/L

(‰)

12 水循环基本过程

水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，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。

13 水循环机理

•水循环的基本动力

o太阳辐射与重力作用

o水循环的前提条件：水在常温常压下液态、气态、固态的三相变化

o水循环的制约因素：地理纬度、海陆分布、地貌形态等制约了水循环的路径、规模与强度

14 水体的更替周期

o指水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新一次所需的时间。通常用下式来估算式中，T为更替周期；W为水体总贮水量；ΔW为水体年平均参与水循环的活动量

o水体的更替周期是反映水循环强度的重要指标，亦是反映水体水资源可利用率的基本参数。

o循环速度愈快，周期愈短，可开发利用的水量就愈大。

15 水循环与全球气候

•水循环一方面受到全球气候变化的影响，另一方面它又制约了全球气候。

水循环通过对地表太阳辐射能的重新再分配• 如果没有热平流来调节高低纬度之间的这种热量分配的不均状态

o水循环的强弱及其路径，会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征。在这方面，海洋环流系统的气候效应表现得最为强烈。

16 水量平衡

•定义

o是指任意选择的区域（或水体），在任意时段内，其收入的水量与支出的水量之间差额必等于该时段区域（或水体）内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说收支平衡。

水量平衡与水循环的关系：

水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现，是水循环持续不断的基本前提。水循环是地球上客观存在的自然现象，水量平衡是水循环内在的规律

•水量平衡方程式的通式

式中收入项I和支出项Q，可视具体情况进一步细分。其简繁程度与所研究的对象以及时段长短有关。

例如，对于多年平均来说，Δs→0，可忽略不计；但对于短时段水量平衡方程式而言，蓄水变化量Δs不可忽略

水量平衡方程式是水循环的数学表达式

17 全球水量平衡方程

32陆地多年平均：P陆-R

=

E陆

海洋多年平均：P海+R

=

E海

全球多年平均：P全球=

E全球

E/P为多年平均蒸发系数

R/P为多年平均径流系数

18作业

•结合水循环示意图，分别写出鄱阳湖及鄱阳湖流域的水量平衡方程，并注明方程中各符号的含义。

19 水面蒸发

•水面的水分从液态转化为气态逸出水面的过程。

•水面蒸发是充分供水条件下的蒸发，即某一地区最大的可能蒸发量，也称为潜在蒸发或蒸发能力。水面蒸发的大小受气象条件的控制

•蒸发过程是水分子交换过程，也是能量的交换过程

20 影响蒸发的因素

蒸发供水条件

动力学及热力学因素

土壤特性

21水汽输送

•水汽输送是指，大气中水分因扩散而由一地向另一地运移，或由低空输送到高空的过程。

对沿途的降水有重大的影响。

22区域水汽平衡

水量平衡方程

多年平均

23我国水汽输送基本特点

•存在三个基本的水汽来源，三条输出入路径，并有明显的季节变化。

o西北水汽流自西北方向入境，于东南方向出境，大致呈纬向分布，冬季直达长江，夏季退居黄河以北；

o南海气流自广东、福建沿海登陆北上，至长江中下游地区偏转，并由长江口附近出境，夏季可深入华北平原，冬季退缩到北纬25°以南地区，水汽流呈明显的经向分布，由于水汽含量丰沛，所以输送通量值大；

o孟加拉湾水汽流通常自北部湾入境，流向广西、云南，继而折向东北方向，并在贵阳-长沙一线与南海水汽流汇合，而后亦进入长江中下游地区，然后出海，全年中春季强盛，冬季限于华南沿海。

24 降水

•降水是水循环过程的最基本环节，是水量平衡方程中的基本参数，决定一个区域水资源的多少。

•形成降水的必要条件是水汽和冷却凝结。空气的垂直上升运动是促使水汽冷却凝结的主要条件。

25垂直平分法（太森多边形法）

•适用于雨量站分布不均匀的地区。其缺点是把各雨量站所控制的面积在不同的降水过程中都视作固定不变，这与实际降水情况不符。

26 面降水的计算

•把实测的点降水量转化为全区域的降水量

o算术平均法

o垂直平分法（太森多边形法）

o等雨量线法

o客观运行法

27 下渗（Infiltration）

•下渗又称入渗，是指水从地表渗入土壤和地下的运动过程。

28下渗阶段的划分

渗润阶段：下渗水主要受分子力作用，土壤水以薄膜水的形式存在开始下渗率很大

渗漏阶段:随着土壤含水率的不断增大，分子作用力渐由毛管力和重力作用取代，直到基本达到饱和为止。这一阶段下渗率迅速递减。

渗透阶段：当土壤孔隙被水充满达到饱和时，水在重力作用下运行，属饱和水流运动。下渗率维持稳定。

29 影响下渗的因素

•土壤特性的影响

o土壤的透水性能和前期含水量

o有机质含量

o下渗率随雨强增大而增大；

•降水特性的影响

o强雨点击碎土粒，充填土壤空隙，减小下渗率

•流域植被、地形的影响

o影响下渗时间；植被根系增加裂隙

•人类活动的影响

30 径流的表示方法

•流量Q，m3/s

o

单位时间内通过某一断面的水量

•径流总量W，m3

o

T时段内通过某一断面的总水量。W=QT

•径流深度R，mm

o

指将径流总量平铺在整个流域面积上所求得的水层深度。R=W/F=QT/F

•径流模数M，L/s·km2

o流域出口断面流量与流域面积F的比值；流域内单位面积单位时间内的产生的径流量。M=Q/F

•径流系数α，无单位比值

o某一时段的径流深及与相应的降水量之比值。

oα=R/P

作业

•鄱阳湖湖口以上集水面积162225km2，多年平均流量4810m3/s，多年平均降水量1620mm。试求鄱阳湖流域多年平均年径流量、多年平均年径流深、多年平均年径流模数、多年平均年径流系数。

31径流形成过程、•径流形成过程实质上是水在流域的再分配与运行过程。

o产流过程中水以垂向运行为主，它构成降雨在流域空间上的再分配过程，是构成不同产流机制和形成不同径流成分的基本过程。

o汇流过程中水以水平侧向运行为主，水平运行机制是构成降雨过程在时程上再分配的过程，是构成流域汇流过程的基本机制。

32 影响径流的因素

•气候因素

•流域下垫面因素

•人类活动因素

第三章

陆地表面水的组成与运动

33流域产流理论

•产流机制

o水在沿土层的垂向运行中，供水与下渗矛盾在一定介质分界面上的发展机理和过程，称为产流机制。

o不同的供水条件和不同的介质条件，出现不同的产流机制，呈现不同的径流特征

34 壤中径流的产生条件

要有供水、即上层有下渗水；

下层土壤的下渗能力比上层小；

降水的供水强度要大于下层土壤下渗强度；

具有产生侧向流动的动力条件，即坡度及水流归槽条件。

35 流域产流的界面

地面径流

壤中流

地下径流

超渗地面径流

饱和地面径流

供水与下渗矛盾在一定界面上的发展

36 水情要素

•水情要素是用以表达河流水文情势变化的主要尺度。

•它包括水位、流速、流量等。充分掌握水情要素资料，是研究河流水文的重要基础。

水位

•指水体的自由水面高出某一基面以上的高程。

流量

•单位时间内流经某一过水断面的水量，通常用Q表示，单位是立米/秒。

37 年径流量

•一个年度内通过河流某断面的水量，称为该断面以上流域的年径流量。

•实测各年径流量的平均值，称为多年平均径流量。

•实测资料年数增加到无限大时，多年平均流量将趋于一个稳定的数值，此称为正常年径流量。

o可以用年平均流量Q（m3/s）或年径流总量W（m3）表示，也可以用年径流深R（mm）及径流模数M（L/s·km2）表示

38正常年径流量的推求

•资料充分时

o一般要求实测资料超过30年；算术平均法

•资料不足时

o利用参证变量的相关分析法延展资料系列

•利用相邻流域的年径流量；

•利用降水量

•缺乏实测资料时

o等值线法

o水文比拟法：利用参证流域的水文特征值

资料不足时

o参证变量

•与计算站年径流量密切相关的水文要素

•相邻测站或流域的年径流量

•计算站的年降水量

o等值线法

•利用较大范围已有的水文特征值等值线图

o水文比拟法

•利用参证流域的水文特征值，要求参证流域与研究流域气候、自然条件相似

39 保证率：获得保证的年份数占计算总年数的百分比

通常以P＜25％为丰水年；P＞75％为枯水年；

25％＜P＜75％为平水年。

40 洪水

•暴雨洪水在出口断面上的响应，也可以通过流量过程线表达，称之为洪水过程线

基流（baseflow）：河川流量中基本稳定的部分，主要来自地下水补给，有时也包括来自湖泊和冰川的补给。

41 枯水

•枯水是河流断面上较小流量的总称

o当月平均水量占全年水量的比例小于5％时，则属于枯水期

o枯水期河道的水量完全依赖于流域蓄水量的补给

o流域蓄水量包括地面蓄水量和地下蓄水量、枯水径流主要依靠地下水蓄水量。

42 河水的运动

•河水运动过程中的受力

o重力；地转偏向力；惯性离心力；机械摩擦力

物体随地球自转而产生相对运动北半球物体的运动向右偏，南半球向左偏,北半球河流右岸冲刷严重

43 洪水波

BD：波峰

AC：波长；BC：波前；AB：波后

附加比降：洪水波水面相对于稳定流水面的比降。波前为正，波后为负

44 泥沙的分类

•按泥沙在水中的运动状态，分为：

o推移质（底沙）：粒径较粗，不能悬浮在水中，只能在离床面不远的范围内，沿着河底跃移、滚动或滑动

o悬移质（悬沙）：粒径较小，在紊动扩散作用下，可以悬浮在水流中

45与推移质运动相关的河流流速定义

•起动流速

o使泥沙开始起动的水流流速。

o最小的起动流速发生在粒径为0.2mm处

•止动流速

o泥沙停止运动时的水流流速。

o起动流速一般为止动流速的1.2-1.4倍

•扬动流速

o泥沙开始悬浮时的水流流速。

o一般来说，扬动流速大于起动流速，对细颗粒，扬动流速可能小于起动流速

46冰川的形成雪的沉积

粒雪化

o多角的雪花晶体圆化，形成圆球状的雪粒

o松散的雪粒变成比较坚实的固结雪粒和聚合雪粒，使积雪的厚度变薄

成冰作用

o重结晶过程：冷型，暖型

o粒雪变成冰川冰

47 冰川的类型

•按冰川形态和运动特性划分

o大陆冰盖：补给区占优势，面积大，冰层巨厚，分布不受下伏地形限制；分布在南极和格陵兰

o山岳冰川：运动占优势、积累与消融大致平衡。散布于高山地区，其规模与厚度远不及大陆冰盖。山岳冰川的运动基本上受下伏地形控制。

•按冰川发育的水热条件和物理性质划分

o大陆型冰川：受大陆性气候影响大，降雨量少，冰雪累积和消融的速度慢，冰川运动相对较弱。如西藏中部和北部、喜马拉雅山脉北坡、青海和甘肃等内陆地区的冰川。

o海洋型冰川：受海洋性气候影响大，冰川恒温层的温度接近零度，活动性强，地貌作用也较强。如：欧洲的阿尔卑斯、我国的西藏东南部与横断山系的冰川。

48湖泊与水库

•湖泊：陆地上洼地积水形成的水域宽阔、水量交换相对缓慢的水体。

•水库：人们按照一定的目的，在河道上建坝或堤堰创造蓄水条件而形成的人工湖泊。

49 湖泊类型

•湖盆的成因分类

o构造湖、火山湖、堰塞湖；河成湖（牛轭湖）、冰川湖、海成湖（潟湖）、风成湖、溶蚀湖等。

•按湖水补排情况分类

o吞吐湖和闭口湖；外流湖与内陆湖

•按湖水矿化度分类

o淡水湖、微咸水湖、咸水湖及盐水湖

•按湖水营养物质分类

o贫营养湖、中营养湖、富营养

50 水位与库容

•设计最低水位：死库容与死水位

o死水位是根据发电最小水头和灌溉最低水位确定，并考虑漏水的淤积情况

o死库容以下的库容不能用以调节水量

o除特别干旱的年份，不动用死库容中的水

•兴利库容(有效库容)与设计蓄水位

o满足灌溉、发电等需要而设计的库容

•防洪库容、设计洪水位、校核洪水位和汛前限制水位

入海河口水文

潮区界：潮汐影响的上限，潮差为零潮流界：涨潮流上溯的上界，也是涨潮流速为零处

口门

水下三角洲前缘

第四章

海洋的结构与海水的运动

51波浪

•每个水质点作周期性运动，所有的水质点相继振动，引起水面呈周期性起伏。

•水质点在其平衡位置作近似的圆周运动，引起波形的传播。

•波浪的传播，并不是水质点的向前移动，而仅是波形的传递。

52潮汐

•潮汐现象是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动

•习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。

•因月球距地球比太阳近，月球的引潮力之比是太阳引潮力的2.17倍。

•朔、望日（农历初一、十五）时，月、日、地三个天体中心大致位于同一直线上，由于月球和太阳的引潮力迭加，形成大潮。

•上、下弦（即初八、二十三）时，月、日、地三者的位置形成直角，月、日的引潮力相互抵消一部分，故这时合成的引潮力最小，形成小潮。

53 潮汐的引潮力

•引潮力=万有引力+惯性离心力

oA点：引力大于离心力，涨潮方向指向月球

oB点：离心力大于引力，涨潮方向背向月球

54 洋流

•洋流又称海流，即“海洋中河流“，是指海洋中具有相对稳定的流速和流向的海水，从一个海区水平地或垂直地向另一海区大规模的非周期性的运动。

•洋流的成因主要有大气运动、密度差异、陆地的形状和地球自转产生的地转偏向力等。

55 洋流的分类

•按成因分类

o风海流：亦称吹送流，在风力作用下形成的。

o密度流：在密度差异作用下引起。

o补偿流：因为海水挤压或分散引起。补偿流可以在水平方向上发生，也可在垂直方向上发生。

•按冷暖性质分类

o暖流：本身水温比周围水温高。

o寒流：本身水温比周围水温低。

•按地理位置分类

o赤道流、大洋流、极地流及沿岸流等

赤道流到达大洋西岸（即大陆东岸）向南北方向分流(暖流)，在北太平洋往北形成黑潮（日本暖流）；在南太平洋往南形成东澳大利亚洋流；在北大西洋形成墨西哥湾流；在南大西洋形成巴西洋流；在南印度洋形成莫桑比克洋流。

西风漂流遇大陆后分成南（寒流）北（暖流）两支，其中寒流形成了大洋中的反气旋型环流系统。属于这类寒流的有：北太平洋的加利福尼亚寒流，南太平洋的秘鲁寒流；北大西洋的加那利寒流，南大西洋的本格拉寒流；南印度洋的西澳大利亚寒流等。

56 大洋深层环流

•大洋浅层环流

o主要驱动力为风

•大洋深层环流

o主要驱动力为海水温度和盐分差异引起的密度差异

o当极地海水冻结时，大部分海盐被析出，使得紧靠着海冰下面的水寒冷且高盐。深层洋流就起因于这种高密度海水下沉形成的底层水。

o作用：驱动海洋中的物质循环；通过海-气相互作用影响地球上的气候。

57 厄尔尼诺

信风减弱，西太平洋暖的海水迅速向东延伸，海温在太平洋西侧下降，东侧上升，形成厄尔尼诺。

正常年份

赤道太平洋海面盛行偏东风（称信风），大洋东侧表层暖的海水被输送到西太平洋，西太平洋水位不断上升，热量也不断积蓄，使得西部海平面通常比东部偏高40厘米，年平均海温西部约为29℃。

第五章

地下水的结构与运动

58 地下水是存在于地表以下岩（土）层空隙中的各种不同形式水的统称。

59地下水的储存空间――含水介质

•松散岩石中的孔隙

o孔隙度：孔隙体积与包括孔隙在内的岩土体积之比

•坚硬岩石中的裂隙

o裂隙率：裂隙体积与包括裂隙在内的岩土体积之比

•可溶性岩石中的岩溶

o岩溶率：溶隙体积与包括溶隙在内的岩土体积之比

60 含水介质的水理性质

•与水分的贮存、运移有关的岩石性质

•包括岩土的容水性、持水性、给水性、贮水性、透水性及毛细性等

o容水性：在常压下岩土空隙能够容纳一定水量的性能；

容水度：岩土容纳水的最大体积与岩土总体积之比容水度孔隙度

容水度≤

孔隙度

与水分的贮容、运移有关的岩石性质

o持水性：岩土在重力作用下，依靠分子力和毛管力仍然保持一定水分的能力

持水度：饱水岩土经重力排水后所保持水的体积和岩土总体积之比

o给水性：饱水岩土在重力作用下能自由排出水的性能；

给水度：饱水岩土在重力作用下，能自由排出水的体积和岩土总体积之比

61 地下水类型

•按地下水的埋藏条件分

o包气带水；潜水；承压水

•按含水介质类型分

o孔隙水；裂隙水；岩溶水

63 潜水与承压水定义

•潜水

o饱水带中自地表向下第一个具有自由水面的含水层中的重力水

•承压水

o充满于两个稳定隔水层间的含水层中的地下水

64 潜水与承压水特征

•潜水

o潜水面上没有稳定的隔水层，通过包气带中的孔隙与大气相连通，潜水面上任一点的压强等于大气压强，不承受静水压力。

o一般情况下，潜水分布区与补给区基本一致

o通过包气带与地表水及大气圈之间存在密切联系，受外界气象、水文因素的影响，动态变化比较大，呈现明显的季节变化。

•承压水

o由于存在隔水层顶板而承受静水压力

o承压水的分布区与补给区不一致

o受外界的影响相对要小，动态变化相对稳定

o水质类型多样

孔隙水

•埋藏于松散沉积物颗粒构成的孔隙网络中的重力水。

o孔隙水既可以是承压的，也可以是非承压的。

o水量在空间分布上相对均匀，连续性好

o一般为层状分布，同一含水层中的孔隙水具有密切的水力联系，具有统一连续的地下水面

66裂隙水的特点

•与孔隙水相比，裂隙水具有以下特点

o裂隙水埋藏与分布极不均匀

o裂隙水的动力性质比较复杂

o基岩裂隙的发育具有明显的分带性，通常由地表向下随着深度的增加，裂隙率迅速递减

67 岩溶水的特点

•分布的不均匀性

o岩溶空隙的空间不均匀；透水性差异

•地下径流动态不稳定

o层流与紊流共存；

o局部流向与整体流向常不一致

•地表径流与地下径流，无压流与有压流相互转化

•岩溶地区的地下水分水线与地表水分水线一般不相重合68达西定律

•实验过程中水头始终保持不变

Q

：渗透流量：A过水断面面积

H：水头损失：

L

:水力梯度：K:渗透系数

第六章

人类活动的水文效应

69 水文效应

o由于自然或人为因素，使地理环境发生改变，从而引起水循环要素、过程、水文情势发生变化

•人类活动的水文效应

o直接影响：人类活动使水循环要素的量或质、时空分布直接发生变化，如兴建水库、跨流域引水工程、作物灌溉、城市供水或排水等

o间接影响：人类活动通过改变下垫面状况、局地气候，以间接方式影响水循环各要素。例如植树造林、发展农业、城市化等。

71 水体自净能力

•废水或污染物进入水体后，主要产生两个相关联的过程：一是水质恶化过程；二是水体净化过程。

•水体自净

o广义的定义指受污染的水体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低，并恢复到污染前的水平

o狭义的定义指水体中的微生物氧化分解有机物而使得水体得以净化的过程

72 水环境容量

•水环境容量是一定水体在规定水质目标下所能容纳污染物的量

o水环境容量大小与水体特征、污染物特性及水质目标有关

o针对不同的污染物有不同的水环境容量

o水环境容量是污染物总量控制的关键参数，是水资源利用规划的主要约束条件，也是水体在一定区域范围内环境目标管理的基本依据。