水文学与水文地质学.docx

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水文学与水文地质学

水文学与水文地质学

第一章

1、水文学概念:

水文学就是研究自然界中各种水体的形成、分布、循环与与环境相互作用的一门科学。

2、水文循环

（1）水的这种既无明确的“开端”,有无明确的“终了”的无休止的循环运动过程称为水文循环。

（2）水分由海洋输送到大陆又回到海洋的循环称为大循环或外循环。

水分在陆地内部或海洋内部的循环称为小循环或内循环。

为区分这两种小循环,将前者叫做陆地小循环,后者叫做海洋小循环。

（3）内因——水的三态在常温条件下的相互转化

外因——太阳辐射与地心引力

（4）四个环节:

水分蒸发—水汽输送—凝结降水—径流

3、水文循环的时空分布变化特点（简答—扩展）

（1）水循环永无止境

（2）水文现象在时间上既有具周期性又具有随机性

（3）水文现象在地区分布上既具有相似性又具有特殊性

4、水量平衡原理概念:

水量平衡就是指在自然水循环过程中,任意区域在一定时间内,输入水量与输出水量之差等于该区域的蓄水变化量。

第二章

1、河流基本特征（瞧透书P15—P17、小题）

（1）河流长度（L）

自河源沿主河道至河口的长度。

深泓线（中泓线）:

河槽中沿流向各最大水深点的连线。

（2）河流的弯曲系数（Φ）

河流的弯曲系数等于河流长度与河源到河口之间的直线距离之比。

（3）河槽特征

1）河流的断面

河流横断面

河谷

河槽:

基本河槽洪水河槽

过水断面

河流的纵断面

2）河流平面形态

（4）河流纵比降（J）

河流纵比降指任意河段首尾两端的高程差与其长度之比

河段纵断面近于直线:

J=（Z1-Z2）/L

河段纵断面呈折线:

J=[（Z0+Z1）L1+（Z1+Z2）L2+…+（Zn-1+Zn）Ln-2Z0L]/L2

（5）河流分段

一条河流按照河段不同的特征,沿水流方向可划分为河源、上游、中游、下游与河口5段。

2、流域的概念:

流域就是指汇集地表径流与地下径流的区域,就是相对河流的某一端面而言。

闭合流域的概念:

当流域的地面分水线与地下分水线相重合,则地面与地下集水区域也相重合,相邻的流域不发生水量交换,此种流域称为闭合流域。

非闭合流域的概念:

由于地质构造等原因,当地面分水线与地下分水线并不完全重合,此时邻近两个流域会发生水量交换,此种流域称为非闭合流域。

（了解上面三个流域间的相互关系P18）

3、流域的几何要素（瞧书P19—P20、小题）

（1）流域面积（F）单位:

km2

分水线所包围的面积

流域面积效应:

流域面积大小对河流水质的影响

（2）流域长度（l）与平均宽度（B）单位km

B=F/l

（3）流域形状系数（K）

K=B/l

（4）河网密度（D）单位km/km2

D=∑L/F

（5）流域的自然地理特征:

地理位置、地形、植被覆盖、土壤、地质构造、沼泽与湖泊等。

4、降水三要素包括降水量、降水历时与降水强度。

降水量（h）:

指一定时段内降落在某一面积上的总水量。

单位:

mm

降水历时（t）:

即降水所经历的时间。

单位:

年、月、日、时

（某一降水量必须同时指明历时与区域）

降水强度（i）:

单位时间的降水量,简称雨强。

单位:

mm/min或mm/h

（根据雨强可对降水分级）

5、观测降雨量的仪器:

雨量器、自记雨量计

6、降水特征的表示方法

依据降水观测资料,可以整理出常用的降水过程线、降水累积曲线与等雨量线来反映降水的空间分布与时间变化规律。

7、流域平均降水量常用的方法有:

算术平均法、等雨量线法与泰森多边形法等3种。

（P23各自的概念及公式）

8、下渗（瞧P23—P24、小题）

（一次降雨的主要损失量）

下渗就是指水从地表渗入土壤与地下水的运动过程。

下渗强度（下渗率）:

单位时间内下渗的水量,单位mm/h

供水充分时:

下渗率称为下渗力（下渗容量）

供水不充分时:

下渗率﹤下渗能力

9、河川径流量的表示方法（简答）

（1）流量（Q）

流量指单位时间内通过河流某一过水断面的水量,常用单位为m3/s。

流量可分为瞬时流量、日平均流量、月平均流量、年平均流量、多年平均流量。

流量随时间变化过程,可用流量过程线表示。

（2）径流总量（W）

径流总量指在一定时段内通过河流某一过水断面的总水量,常用单位m3,108m3

径流总量等于计算时段总秒数T乘以该时段的平均流量即W=QT

（3）径流深度（Y）

径流深度指将计算时段内的径流总量均匀地铺在控制断面以上整个流域面积F（km2）上,所得平均水层深度,常用单位mm。

（4）径流模数（M）

径流模数指单位流域面积F（km2）上平均产生的流量,常用单位为L/（s、km2）。

公式:

（5）径流系数（α）

径流系数指流域上,同一时段的径流深度与降雨量之比值。

无量纲

即:

a<1,它的多年平均值就是一个稳定的数值,就是具有一定的区域性。

10、产流过程与初期损失（Io）（书P26—P27）

初损:

产流前的损失

净雨量:

一次降雨所形成的地表径流量等于降雨量扣除损失量。

产流过程:

降雨扣除损失形成净雨的过程。

注意:

净雨与它形成的径流在数量上就是相等的,然而二者的过程完全不同,径流的来源就是净雨,净雨的汇流结果就是径流;当降雨停止时,净雨随之停止,而径流要延续很长时间（书P27图2-13）

11、河川径流的影响因素（简答）

（1）气象条件

（2）地理位置与地形

（3）地表植被覆盖

（4）面积与形状

（5）土壤地质

（6）湖泊与沼泽

（7）人类活动因素

12、水文测验:

系统地收集与整理水文资料的全部技术过程。

13、水位（H）:

河流某时刻在某断面的自由水面相对于某一基面的高程,称为该时刻此断面的水位,单位为m。

观读水位的设备:

水尺与自记水位计。

14、流量测验（论述）

流量测验的依据:

Q=ωv,流量测验包括过水断面测量、流速测量与流量计算三部分。

（1）断面测量

大断面—河道断面扩展至历年最高水位以上0、5-1、0m的断面。

（水上、水下）

水道断面测量步骤:

1）河底高程测量

2）起点距测量

3）绘制过水断面

（2）流速测量与流量计算

步骤:

1）在断面上选定测速垂线n条,各垂线上选定的3个测点分别位于水面以下0、2H、0、6H、0、8H;

2）用流速仪测各点流速,取算术平均值计算各垂线平均流速

3）以测速垂线为界,计算部分面积

4）计算各面积上的平均流速

5）计算断面流量

15、水位—流量关系曲线的延长

一般情况,要求高水部分延长不应超过当年实测流量所占水位变幅的30%。

地水部分延长不应超过当年实测流量所占水位变幅的10%

高水延长的三个方法:

水位—面积、水位—流速关系曲线法与断面特征法。

断流水位就就是流量等于零时所对应的水位。

第三章

1、水文统计分析的任务就就是以实测水文系列资料为样本,应用数理统计方法,对未来可能发生的水文情势作出概率预估（且考虑抽样误差）,确定合理的工程设计值,以满足工程设计与运行决策的需要。

2、水文统计对水文资料的要求:

可靠性、一致性、代表性

3、样本的特征在一定程度上可代表总体特征---水文统计的基本依据★

用样本来推求总体必然存在抽样误差。

4、累积频率:

指等量值与超量值累积出现的次数（m）与总观测次数（n）的比值。

以百分数或小数表示。

％

5、重现期（简答）

重现期指在长时期内随机事件重复出现的平均间隔时间,称为多少年出现一次,又称为多少年一遇。

根据所研究问题的性质不同,频率与重现期的关系有两种表示方法。

（1）研究洪峰流量、洪水位、暴雨等最大值问题时,一般设计频率P<50%,有

（2）研究枯水流量、枯水位等最小值问题就是,为了保证灌溉、发电、给水等用水需要,一般设计频率P>50%,有

6、统计参数（简答）

常用的统计参数包括均值、均方差、变差系数、偏态系数。

（1）均值:

表示系列中变量的平均情况,表示系列数值的水平,就是系列数值的分布中心。

设某水文变量的观测系列（样本）为x1,x2,……,xn,其总项数为n,则其均值为:

（2）均方差:

反映系列的绝对离散程度。

均方差越大,说明系列数值在均值两旁的分布越分散,系列数值的变化幅度越大。

总体均方差:

（3）变差系数（Cv）:

表示的就是系列数值的相对离散程度

变差系数:

一个系列的均方差与其均值之比。

（无量纲）

总体上Cv值就是南方小,北方大;沿海小,内陆大;平原小,山区大。

（4）偏态系数（Cs）:

用来说明以均值为中心的随机变量分布就是否对称的特征。

变差系数反映系列的离散程度,但它不能反映系列在均值两边的对称特征。

Cs=0对称系列Cs>0正偏Cs<0负偏

7、通常实际工作中,并不计算Cs,而就是按照Cs与Cv的经验关系,首先给定Cs的初始值,然后再做调整。

适线:

Cs=（2~4）Cv

8、经验频率计算公式

（1）海森公式

%

（2）中值公式

%

（3）维泊尔公式（数学期望公式）

%

P——≥Xi的经验频率

m——水文变量从大至小排列的序号

n——样本的容量,即观测的总项数

我国水文计算规范规定,水文频率计算中都采用数学期望公式求解经验频率,用以近似估计总体的频率。

9、经验频率曲线的延长（为什么、简答P56）

10、皮尔逊Ⅲ型曲线比较符合水文随机变量的分布,我国基本上都就是采用此理论线型

11、P-Ⅲ型频率密度分配曲线的复杂数学方程式经过积分后的累积频率曲线方程式:

对应于P的水文特征值:

从而由一系列P值及其对应的Xp值,便可绘制出一条与确定了的统计参数

Cv,Cs相对应的理论频率曲线。

12、统计参数对理论频率曲线的影响（瞧书P60—P61、小题,主要就是b图）

（1）均值对理论频率曲线的影响

（2）Cv对频率理论曲线的影响

（3）Cs对频率理论曲线的影响

13、目估适线法（简答）

目估适线法的基本步骤如下:

（1）

绘制经验点子。

利用已有的实测资料,在机率格纸上点绘出经验点子。

（2）初估参数。

根据实测资料计算统计参数

、Cv,并决定Cs对Cv的倍数。

（3）选定某种理论线型。

我国常用皮尔逊Ⅲ型曲线。

（4）

计算理论频率曲线。

计算后在机率格纸上点绘出一条理论频率曲线。

（5）目估适线。

确定吻合程度,进一步改变

、Cs、Cv值,直至吻合。

第四章

1、河川径流水文情势特征:

主要指河川径流的年际变化与年内分配、洪水与枯水等特征。

表达这些河流水文情势变化特征的主要尺度就是水情要素,它包括年径流量、年正常径流量、洪水流量与水位、枯水流量与水位等。

2、年径流特性（简答）

（1）径流过程不重复

（2）年际间变化大

平水年

丰水年

枯水年

（3）多年变化中有丰水年组与枯水年组交替出现的现象

3、具有长期实测资料的设计年径流量分析计算（论述、小题）

（1）资料审查

1）可靠性审查

2）一致性审查

还原计算:

3）代表性审查

通常以代表性良好的N年参证长系列为依据,来审查与检验相对短系列的代表性。

设计站:

1955-1984年共30年的径流系列资料（设计变量）

参证站:

1925-1995年共71年的径流系列资料（参证变量）

A、当同步短系列代表性好时（参证站中与设计站同步的短系列参数与参证站长系列相近）:

参证站:

1925-1995:

参证站:

1955-1984:

B、当同步短系列代表性不好时:

1950-19791960-1989

（2）

设计年径流量的计算

1）依据维泊尔公式计算经验频率

2）估算实测年径流量系列的统计参数:

CvCs,绘制经验频率点据与理论频率曲线适线

3）从年径流量频率曲线上求出符合设计频率的各种设计年径流量

（3）成果合理性验证

依据:

水量平衡原理与地区分布原理

4、具有短期实测资料的设计年径流量计算（简答）

首先插补延长缺测的数据,然后推算设计年径流量（与长资料系列方法相同）

插补延长资料系列的分析方法:

（1）利用本站水位---流量关系展延

（2）利用参证站水位或径流关系展延

对参证站选择要求有一定要求

实际工作,多用年径流深度Y或年径流模数M进行相关分析

（3）利用降雨量资料展延

注意:

1）湿润与干旱地区

2）流域面积大、小

3）利用季、月降雨量与季、月径流量关系

5、缺乏实测资料的设计年径流量计算（简答——第一段P88）

通过间接方法估算设计年径流量的三个参数,应用公式:

6、设计代表年法

不同的工程选择代表年就是不同的。

对于水力发电工程,通常要选丰水年、平水年、枯水年三个代表年;对于城镇给水工程与农业灌溉工程,只选枯水年。

其中给水工程选择代表年应遵循的原则:

1）代表年的年径流量与设计年径流量相接近;

2）对工程不利原则,即枯水期长、枯水流量小且需水量大、年内分配不均匀。

7、水库特征水位与相应库容（简答P97）

特征水位:

反映水库工作状态的水位

死水位与死库容

正常蓄水位与兴利库容

防洪限制水位与共用库容

设计洪水位与设计调洪库容

校核洪水位与校核调洪库容

8、洪水三要素:

洪峰流量、洪水总量、洪水过程线

9、设计洪水概念:

在选定各种工程或非工程防洪措施的布设方案以及设计每项防洪工程的规模尺寸时,以某一标准的洪水作为防御对象,使工程遇到不超过这种标准的洪水时不会被破坏。

工程规划设计中所依据的一定标准的洪水,即为设计洪水。

10、设计洪水标准与可能最大降水（P100）

正常运用标准——设计标准----设计洪水,不超过这种标准的洪水来临时,水库枢纽一切工作维持正常状态。

非常运用标准——校核标准----校核洪水,这种标准的洪水来临时,水库枢纽的某些正常工作可以暂时破坏,次要建筑物允许损毁,但主要建筑物必须确保安全。

可能最大洪水（PMF）

可能最大降水（PMP）

11、设计洪水计算的基本方法（书P101、小题）

（1）由流量资料推求设计洪水

（2）由暴雨资料推求设计洪水

（3）地区综合经验公式推求设计洪水

（4）由可能最大降水（PMP）推求设计洪水

12、在保证样本的可靠性与一致性前提下,样本容量越大越能代表总体。

13、对于洪峰流量,我国规定采用年最大值法选样,即从所掌握的n年资料中,每年只选取一个最大的瞬时洪峰流量组成洪峰流量系列,这就是水文频率分析中最常用的样本系列。

14、特大历史洪水在频率分析中的意义（P104、简答）

将历史洪水考虑进去,把样本资料系列年数增加至调查期的长度,也就相当于展延了系列,所得到的成果就比较稳定,提高了设计洪水的计算质量。

15、样本组成

不用年最小瞬时流量（或水位）系列作为分析对象,根据工程实际需要取日、旬、月等最小平均枯水流量系列作样本。

第五章

1、点雨量资料整理的具体步骤（简答）

（1）根据雨量站自记雨量计记录,选出每场暴雨。

（2）整理出每场暴雨的暴雨强度i与降雨历时t关系计算表。

一般按降雨历时5、10、15、20、30、45、60、90、120min进行摘录与统计,集水面积较小时,一般可不计算历时90、120min的暴雨强度;在一次降雨中,若中途降雨强度低于0、1mm/min（包括降雨停歇）的持续时间超过120min时,分为两场降雨统计。

（3）在历年整理出的各场暴雨i-t计算表基础上,整理出i-t-T关系表。

据自记雨量计记录推求短历时的暴雨强度公式时,通常要求记录年数

;若仅有10年或略长于10年时,自记雨量计的记录要保持持续。

整理i-t-T关系表的具体步骤:

首先（选样,年多个样本法）按不同降雨历时t,将历年的i值不论年序从大到小排列,各历时值的个数s=（3-5）n,且要求s>40个

其次（频率计算）对各历时的i系列作频率计算,统计等量超量值的累积频数m,计算出的频率为次频率p’=m/s（%）

再次（绘图）以历时t为参数,根据整理出的i-t-p’数据,在同一张概率纸上,以i为纵坐标、p’为横坐标,绘制各历时的i-p’曲线

最后（整理关系表）在横坐标上选定若干次频率p’,将其转换为年重现期T,要求取T=0、25a,0、33a,0、5a,1a,2a,3a,5a,10a等年对应的不同历时i值,制成i-t-T关系表

2、暴雨强度公式

在双对数坐标系中,以T为参数,取t为横坐标,i为纵坐标

1）若i-t呈直线,则

式中i——任一时段t内的最大平均降雨强度（mm/min）;

t——暴雨历时（min）;

n——暴雨衰减指数;

A——一次暴雨过程中最大1h暴雨的平均强度,也称为雨力（mm/min或mm/h）

2）若i-t呈曲线,则

其中:

b、n、A为地方性暴雨参数,b为时间参数,n为暴雨衰减指数,A为雨力

3）A为一次暴雨过程中最大1h暴雨的平均强度,亦称为雨力,此值随地区与重现期而变。

雨力A与重现期T的关系

式中,

、C为地方性参数

3、等流时线概念:

指将流域上汇流时间相等点连成的线,即每条线上的各水质点在一定时间τ同时到达出流断面。

4、流域汇流时间（τ）:

指净雨从流域最远点至其出口断面所经历的时间,又称为流域最大汇流时间。

5、不同净雨历时对流量过程与洪峰的影响（P135、小题）

为讨论问题方便,设流域此次降雨为均匀降雨,且h1=h2=h3,这样:

（1）净雨历时小于流域汇流时间（tc<τ）时,流域出口端面的洪峰流量就是由部分面积上的全部净雨形成的,有

即洪峰流量出现在第四时段末,由流域最大共时径流面积（

）上的全部净雨汇集而成的,这种情况称为部分汇流造峰。

（2）净雨历时等于流域汇流时间（tc=τ）时,洪峰流量就是由全部流域面积（F）上的全部净雨构成的,即称为全面汇流造峰,表示为

（3）净雨历时大于流域汇流时间（tc>τ）时,洪峰流量就是由全部流域面积（F）上的部分净雨构成的,Qm值与tc=τ时求得的洪峰流量相同,但就是多延续了tc-τ的时段。

（4）对上面任何一种情况的发生,地面径流总历时

都等于

与τ之与。

总:

就暴雨洪水而言,从工程最不利角度考虑,依据等流时线原理以全面汇流造峰的情形考虑,即有流域出口端面最大洪峰流量的公式形式为净雨强度（i）与流域面积（F）之乘积,即（全面汇流造峰时洪峰流量最大）

第六章

1、水文地质学

研究对象:

地下水

研究内容:

地下水在周围环境影响下,数量与质量在时间与空间上的变化规律,以及如何应用这一规律有效地利用与调控地下水。

第七章

1、内动力地质作用:

促使岩石圈的岩层发生褶皱与断裂,形成海洋与大陆、高山与盆地以及地区性地面起伏。

外动力地质作用:

对地面的起伏加以改造,总趋势就是削高填低,使地面准平面化,同时造就表生的矿物与沉积岩。

2、地质年代与地层年代

地质时代:

代、纪、世

地层单位:

界、系、统

3、岩层的产状要素就是指确定岩层产状的三个数值即走向、倾向、倾角。

4、断裂构造:

地壳中的岩石（岩层或岩体）,特别就是脆性较大与靠近地表的岩石,在受力情况下容易产生断裂与错动,总称为断裂构造。

根据断裂岩块相对位移的程度,把断裂构造分为节理与断层两大类。

5、地层接触关系（P190、简答）

地层的接触关系分为:

整合接触、不整合接触（平行不整合、角度不整合）

第八章

1、空隙可分为三种类型:

孔隙、裂隙与溶隙。

（1）孔隙:

指松散岩石中颗粒与颗粒集合体之间的空隙。

孔隙体积的多少用孔隙度来表示。

孔隙度（n）:

孔隙体积（Vn）与包括孔隙体积在内的岩石体积V之比,可用小数或百分数表示。

n=Vn/V（孔隙度代表性好）

影响孔隙度的主要因素:

颗粒的排列方式、分选程度、颗粒形状、胶结程度。

孔隙中最细小的部分---孔喉对水流的运动影响最大。

（2）裂隙:

坚硬岩石包括沉积岩、岩浆岩与变质岩中。

裂隙的发育程度用裂隙率来表示。

裂隙率（Kr）:

裂隙体积（Vr）与包括裂隙体积在内的岩石体积V之比。

Kr=Vr/V（裂隙发育不均匀,裂隙率代表性比孔隙度差）

（3）溶隙:

可溶性沉积岩（如岩盐、石膏、石灰岩、白云岩等）在地下水的溶蚀作用下产生的空洞。

溶隙体积的大小用岩溶率来表示。

岩溶率（Kk）:

溶隙（穴）体积（Vk）与包括溶隙体积在内的岩石体积V之比。

Kk=Vk/V（溶隙规模相差悬殊,发育不均匀。

岩溶率代表性更差）

（4）岩石中的空隙,必须连通起来才能成为地下水有效的储容空间与运移通道。

孔隙:

分布均匀,连通性好,各个方向上孔隙通道比较接近,地下水分布与流动较为均匀。

裂隙:

方向性强,分布范围有限,裂隙宽窄不一、长度不等,只有不同方向的裂隙相互连通,才能构成一定范围内的裂隙通道,具备储容地下水的功能。

溶隙（穴）:

大小悬殊、分布极不均匀。

地下水分布极不均匀。

2、岩石的水理性质指水进入岩石空隙后,岩石空隙所表现出的与地下水存储、运移有关的一些物理性质。

岩石的水理性质有容水性、持水性、给水性、透水性。

（1）岩石容水度可能会小于或大于空隙度,理论上两者应相等。

（2）岩石的持水度与颗粒大小有密切关系。

大空隙岩石持水度很小。

细颗粒岩土中的细颗粒具有较大的比表面积,结合水与毛细水较多,水不容易在重力作用下完全释出,具有较大的持水度。

（3）岩石中空隙的多少、空隙大小及地层结构对给水度影响很大。

大孔隙的砂砾石层给水能力强。

细颗粒土层虽然含水量较大,但其中靠重力作用释放的水量较少,持水性强,给水能力较弱。

容水度、持水度与给水度的关系:

给水度的最大值（μ）=容水度（Wn）-持水度（Wm）

（4）渗透系数

透水好坏的主控因素:

空隙大小;其次:

空隙多少;另外:

孔隙连通性。

空隙的直径愈大,重力水占有比例愈大,透水性愈好;空隙直径愈小,有效空隙度相应也小,结合水与毛细水等占有比例愈大,透水性愈差。

在孔隙大小相等的条件下,孔隙度愈大,孔隙连通性愈好,透水性就愈好。

岩石的透水能力不仅取决于平均孔隙直径,而在很大程度上取决于最小孔隙直径。

3、含水层、透水层、隔水层与弱透水层（论述）

（1）饱水带中岩石根据其透水性与给水性分为:

1）含水层:

能透过并给出相当水量的岩层。

自然界中,砾卵石层、砂层、粉砂层、裂隙与岩溶发育的地层都可以构成含水层。

2）透水层:

只就是透水而不储存水的岩层。

3）隔水层:

不能透过也不能给出水量的岩层。

粘土层、亚粘土层以及完整的致密岩石层属于隔水层。

4）弱透水层:

含水层与隔水层之间,允许水以很低的流速通过,就是一个半承压地层。

（2）含水层的形成应具备三个条件:

1）岩层应具有储存重力水的空间

2）岩层具备储存地下水的地质结构

3）具有充足的补给水源

（3）含水层与隔水层之间没有严格的界限（举例）

1）粗砂层

2）泥质粉砂

3）粘土层

4、按照地下水埋藏条件可将地下水分为包气带水、潜水与承压水。

按照含水介质类型可将地下水分为孔隙水、裂隙水与岩溶水。

5、上层滞水:

就是存在于包气带中局部隔水层之上的重力水。

6、潜水（简答P206）

潜水就是埋藏于地表以下、第一个稳定隔水层以上且具有自由水面的含水层中的重力水。

潜水要素:

潜水面、含水层厚度、潜水埋藏深度、潜水位。

潜水基本特征:

1）补给区与分布区一