水文学复习资料

第一章 地球上的水分循环和水量平衡

第一节 地球上的水分循环

一、地球上水的分布

地 球 的 水 量 估 计

二、水分循环(the hydrological cycle) （一）水分循环及其成因 1.水分循环的概念

水圈中各种水体通过不断蒸发，水汽输送，凝结，降落，下渗，地面和地下径流的往复循环过程，如图所示，称为水分循环。

水文循环贯穿整个水圈，上至10km，下至地表以下1km左右也正是水的循环运动,使得人类永续用水；生活，发电，工业。农业等。因此，研究水循环是水文学的重要内容，也是核心内容。

2.水循环的基本过程

整个水分循环过程包括了蒸发、降水、径流3个阶段和水分蒸发、水汽输送、凝结降水、水分下渗、径流5个环节。

① 降水（Precipitation）：大气中水汽凝结后以液态水或固态水降落到地面的现象。如雨、雪、雾、雹、霰等。

② 蒸发（Evaporation）：水分子从水面、冰雪面或其它含水物质表面以水汽形式逸出的现象。包括截留蒸发、地面蒸发、叶面蒸发、水面蒸发等。

③ 径流（Runoff）：陆地上的降水由地面和地下汇流到河流、湖库、沼泽、海洋、含水层或沙漠的水流。包括地面径流和地下径流。 ④ 渗流（Seepage flow）：水从地表渗入地下及在地下流动的现象。 3.水分循环原因

内因是水的“三态”变化。在一定条件下，水的气态、液态、固态可以相互转化。这使水分循环过程的转移、交换成为可能。 外因是太阳辐射和地心引力。

太阳辐射的热力作用为水的“三态”转化提供了条件；太阳辐射分布的不均匀性和海陆的热力性质的差异，造成空气的流动，为水汽的移动创造了条件。 地心引力（重力）则促使水从高处向低处流动。从而实现了水分循环。

（二）水分循环类型

地球上的水分循环，根据其路径和规模的不同，可分为大循环和小循环。 1．大循环

海陆之间的水分交换过程，称为大循环，也称海陆间循环。它是由许多小循环组成的复杂的水分循环过程。 2．小循环

小循环是指水仅在局部地区（海洋或陆地）内完成的循环过程。小循环可分为海洋小循环和陆地小循环。

(三)水循环周期

大气中总含水量约1.29×105亿m3

全球年降水总量约5.77×106亿m3

大气中的水汽平均每年转化成降水44次（ 5.77×106亿m3 /1.29×105亿m3）,即大气中的水汽每8天更新1次；

全球河流总储水量约2.12×104亿m3

河流年径流量约4.7×105亿m3

全球的河水每年更新22次(4.7×105亿m3/ 2.12×104亿m3)也即河水每16天多更新一次

（四）水分循环的地理意义

1.水文循环与地球圈层构造

2.水循环与全球气候

（1）水循环是大气系统能量的传输、储存、和转化者; （2）水循环促进全球水热平衡；

（3）水循环的强弱与路径影响到各地的天气过程 3.水循环与地貌形态及地壳运动 4.水循环与生态平衡

(1)水是生命之源，是生物有机体的基本组成物质；

（2）水文循环是制约一个地区生态环境平衡或失调的关键，是影响生物有机体活动旺盛、枯萎的主要因子。 5.水循环与水资源开发利用

水循环----水资源可再生---永续利用---水资源可持续利用（区别于“取之不尽，用之不竭”） 可利用的水资源量是有限的---------必须重视水资源的合理利用与保护；

只有开发利用的强度不超过水循环更新速度，并控制水污染的条件下，水才能永续利用。 水资源是有限的，而水资源需求量不断增加，且水污染日趋严重，应如何解决这一矛盾？

研究水文循环的目的，在于认识它的基本规律，揭示其内在联系，这对合理开发和利用水资源，抵御洪旱灾害，改造自然，利用自然都有重要的意义。 6.水循环与水文现象以及水文学科的发展 7.

第二节 水量平衡

一、概述

所谓水量平衡，是指任一区域(如一个流域)在任一时段（如一年）内，其收入水量与支出水量之差额等于区域内蓄水变量。

w入-w出＝?S

w入

w出

式中： 叫为收入水量； 为支出水量； 以为蓄水变量。在多水期为量增加；在少水期 为负值，表示蓄水量减少；多年平均水量即为：

?S

?S

?S

水平衡原理示意图 图A 图B

正值，表示蓄水

解:

(1)根据绘制的等雨量线图量算出各相邻等雨量线间的流域面积．按该法计算流域平均雨量： sum(piFi)/F=1/9000(170*500+150*1500+130*3000+110*4000)=126.7 4）客观运行法

区域平均降水量的计算公式为：

式中Pj为第j个格点雨量；nj为参加第j个格点的雨量计算的雨量站站数；Pi为参加j点计算的各雨量站的降雨量，N为格点数；

?

第六节 下渗

下渗又称入渗，是指水从地表渗入土壤和地下的运动过程。下渗是将地表水与地下水、土壤水联系起来的纽带，是径流形成过程、水循环过程的重要环节。

一、下渗的物理过程

（一）下渗过程的阶段划分

整个下渗的物理过程按照作用力的组合变化及其运动特征，可划分如下3个阶段： 1.渗润阶段 :降水初期，若土壤干燥，下渗水主要受分子力作用，被土粒所吸附形成吸湿水，进而形成薄膜水，当土壤含水量达到岩土最大分子持水量时，开始向下一阶段过渡。 2.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，水在岩土孔隙中作不稳定流动，并逐渐充填土壤孔隙，直到基本达到饱和为止，下渗过程向第三阶段过渡。

3.渗透阶段: 在土壤孔隙被水充满达到饱和状态时，水分主要受重力作用呈稳定流动。

上述3个阶段并无截然的分界，特别是在土层较厚的情况下，3个阶段可能同时交错进行。此外，亦有的将渗润与渗漏阶段结合起来，统称渗漏，渗漏的特点是非饱和水流运动，而渗透则属于饱和水流运动。

（二）下渗水的垂向分布

包德曼（Bodman）和考尔曼（Colman）通过实验发现，在积水条件下（保持5毫米水深），下渗水在土体中的垂向分布，大致可划分为4个带。它们具体反映了下渗水的垂向运动特征。

1.饱和带 位于土壤表层。供水充足，土壤含水量处于饱和状态，厚度不超过1.5厘米。 2.过渡带 在饱和带之下，土壤含水量随深度的增加急剧减少，形成一个水的过渡带。过渡带一般在5厘米左右。

3.水分传递带 位于过渡带之下，土壤含水量沿垂线均匀分布，大致为饱和含水量的60—80％左右。带内水分的传递运行主要靠重力作用，在均质土中，带内水分下渗率接近于一个常值。

4.湿润带（润湿带） 水分传递带之下，则是一个含水量随深度迅速递减的水分带，称湿润带。湿润带的末端称为湿润锋面，锋面两边土壤含水量突变。此锋面是上部湿土与下层干土之间的界面。

随着下渗历时的延长，湿润锋面向土层深处延伸，直至与地下潜水面上的毛管水上升带相衔接。

（三）下渗要素

为了定量研究水的下渗的物理过程，经常要运用到下渗率和下渗能力等要素。

1.下渗率f（又称下渗强度）。是指单位面积上单位时间内渗入土壤中水量，常用毫米/分或毫米/小时计。 2.下渗能力fp，（又称下渗容量）。指在充分供水条件下的下渗率。 3.稳定下渗率fc，简称“稳渗”。通常在下渗最初阶段，下渗率具有较大的数值，称为初渗（f0），其后当下渗锋面推进到一定深度后，下渗率趋于稳定的常值。此时下渗率称为“稳定下渗率”。这个过程可用下渗曲线表示，图上的累积下渗（F）曲线，则是下渗量随时间的增长过程。累积曲线上任一点的坡度，表示该时刻的下渗率，即

2-60

二、下渗经验公式

?

霍顿公式（1940）

式中，fc为稳定下渗率；f为初始下渗率，β为常数，下渗曲线的递减参数。

霍顿公式反映了下渗强度随时间递减规律，并最终趋于稳定下渗。所以下渗过程是一个消退过程。消退的速率为 df/dt。

参数f0、fc、 β必须根据实测入渗资料确定。下表给出了一般参数估计值。 Horton入渗模型参数估计 土壤与覆盖 标准农田（裸土） 标准农田（草皮） 泥炭地 细砂质粘土（裸土） 细砂质粘土（草皮）

f0 mm/h 280 900 325 210 670 fc mm/h 6~220 20~290 2~29 2~25 10~30 β L/min 1.6 0.8 1.8 2 1.4 根据上式还可进一步导出表达下渗累积曲线的公式：

三、影响下渗的因素(P79 )

（一）土壤特性的影响 （二）降水特性的影响

（三）流域植被、地形条件的影响 （四）人类活动的影响

第七节 径流

径流特征值

最常用的径流特征值有：

1、流量Q ：指单位时间内通过某一横断面的水量，常用单位为m3/s。 2、径流总量W 径流总量是指在一定时段内通过河流某一横断面的总水量（一般指出口断面）。计算式为： W = QT ?

3、径流深度R：指单位流域面积上的径流总量。也即是把径流总量平铺在整个流域面积上所得到的水层深度，常用单位为毫米（mm）。其计算式为：

? ?

式中：W为径流总量（m3）；F为流域面积（km2）；1/1000为单位换算系数。

R??

WF?11000 4、径流系数。径流系数是指任一时段的径流深度（或径流总量）与该时段的降水量（或降水总量）之比值。其计算式为： ? ? ? 式中：R为径流深度（mm）；P为降水量（mm） ?

?RP 5、 径流模数：指单位流域面积上产生的流量。常用单位为dm3 / s· km2或m3/a·km2)，其计算式为：

m?

QF?1000 式中；Q为流量（m3/s）；F为流域面积（km2）。 径流模数与径流径流深度间的关系(P157)

R?31.5m或 m?131.5R

6、模比系数K： 模比系数又称径流变率，是指某一时段径流值（mi，Qi或Ri等），与同期的多年平均径流值（m0，Q0或R0等）之比。其计算式为： 式中，m，Q，R含义同上。 Ki?mim0?QiQ0?RiR0

径流特征值之间的转换。

?

解：W=QT=3.11*365*24*60*60=3.11*31.54*106=9809*104 M=Q*103/F=3.11*103/132=28.56(l/s.km2) R=W/(F*103)=9809*104/(132*103)=749(mm) A=R/P=743/912=0.815

已知某站集水面积F=132km2,多年平均流量Q=3.11m3/s,多年平均降雨量P=912mm,求算相应的W、M、R、a

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