水文学全套课件优质PPT.ppt
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（2）分类1）大循环：
大区域（领域）内的循环，也称外循环。
2）小循环：
小区域（领域）内的循环，也称内循环。
（3）意义水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一。
认识它的基本客观规律，了解其各影响因素间的内在联系，对合理开发和利用水资源，抗御洪旱灾害，改造自然，利用自然都有十分重要的意义。
水汽输送,蒸发,降水,蒸发,降水,植物蒸腾,湖,地表径流,地下径流,海洋,蒸发,降水,1.1.3水资源简况
（1）水资源储量,世界前10名水资源占有国家,各地区人均水资源量,Aridity,中国缺水地区分布情况,
（2）水资源与水文循环的关系地球表层可供人类利用的水称为水资源。
包括水量、水质、水能资源和水域。
水文循环供给陆地源源不断的降水、径流，某一区域多年平均的年降水量或年径流量，即该地区的水资源量，因此水文循环的变化将引起水资源的变化。
各级水文部门根据水文、水质观测资料通过水文学分析计算进行水资源评价（包括水环境质量）工作。
1.2水文学的研究领域及发展1.2.1水文学的研究领域
（1）水文学定义研究水存在于地球上的大气层中和地球表面以及地壳内的各种现象的发生和发展规律及其内在联系的学科。
包括水体的形成、循环和分布，水体的化学成分，生物、物理性质以及它们对环境的效应等。
（2）研究领域（分类）水文学主要研究陆地表面的河流、湖泊、沼泽、冰川等，以后逐渐扩展到地下水、土壤水、大气水和海洋水。
1）传统水文学按研究的水体来进行划分：
河流水文学湖泊水文学沼泽水文冰川水文学海洋水文学地下水水文学土壤水文学大气水文学2）由水文学采用的实验方法，派生出三个分支学科：
水文测验学水文调查水文实验,3）由水文研究内容分为：
水文学原理水文预报水文分析与计算水文地理学河流动力学4）作为应用科学，水文学分为：
工程水文学农业水文学土壤水文学森林水文学城市水文学,5）随新科学、新技术的发展和引进，出现新分支：
随机水文学模糊水文学灰色系统水文学遥感水文学同位素水文学,1.2.2水文学的发展水文学经历了由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理论的发展过程。
（1）20世纪以前是水文学的萌芽和奠基阶段1）萌芽时期（公元1400年以前）这一时期中国的水文知识居于世界领先地位，如：
公元前239年的吕氏春秋；
2000年前建成的都江堰；
公元527年的水经注,2）奠基时期（公元14001900年）该时期，西欧的产业革命促进了水利事业的发展，在水文观测方面，发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等，系统的水文测验为水文定量计算及预报奠定了坚实基础。
（2）20世纪初至50年代，是应用水文学兴起阶段进入20世纪，大规模的水利水电建设蓬勃发展，需要科学的水文计算和水文预报，使应用水文学迅速发展起来。
美国1900年J.A.塞登提出著名的塞登定律；
1924年H.A.福斯特建立了P-水文频率曲线计算方法；
1932年L.R.K.谢尔曼提出单位线法1935年G.T.麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算法。
这一时期我国水文学发展则比较落后。
（3）20世纪60年代以来，是水文学的变革和发展阶段，也是进入现代水文学的一个新阶段随着计算机、遥感、遥测等高新技术的应用，使水文学发展进入了一个新时代，流域数学模型、水资源学、水环境学、随机水文学相继形成。
1.2.3本课程的学习内容,
（1）内容主要涉及工程水文学的范畴。
以叙述和研究从降水到径流入海的过程中，关于河川径流的运动规律，量测方法以及在给排水工程中的应用等问题。
（2）目的1）为今后专业方向课的学习打基础；
2）通过认识和熟练运用水文规律、合理规划、开发、节约水资源。
（3）要求认真学习水文的经验和规律、掌握量测和统计分析方法。
1.3水文学与给水排水工程专业的关系,1.3.1给水工程主要与取水工程有关：
（1）水量丰沛时：
了解水位、泥沙及冰凌情况,
（2）水量不足时以丰补欠，进行水量引取、蓄放和调节,密云水库,大型的水量引取工程：
西安的黑河引水工程；
北京的东水西调；
引滦入津；
引黄保泉（黄河济南）引黄济青（黄河青岛）,1.3.2排水工程
（1）雨水排泄
（2）洪水防御,2006年7月韶关铁路成为河道,水中熄火的车辆,2006年7月韶关体育馆陷入汪洋,1.4水文现象的特性,1.4.1水文现象时程变化的周期性与随机性的对立统一
（1）周期性的体现
（2）随机性的体现（3）二者对立统一1.4.2水文现象地区分布的相似性与特殊性的对立统一
（1）相似性的体现
（2）特殊性的体现（3）二者对立统一小结：
（1）由水文现象具有时程上的随机性和地区上的特殊性，需要对各个不同流域的各种水文现象进行年复一年的长期观测，积累资料，进行统计，分析其变化规律。
（2）由水文现象具有地区上的相似性，可有目的选择代表性的河流进行观测，并移用其成果于相似地区。
1.5水文现象的研究方法,以实际观测资料为依据，对水文现象进行分析研究。
按不同目的要求，水文学常用的分析方法可归纳为：
成因分析法、数理统计法、地理综合法。
（1）成因分析法：
由观测资料，从物理成因上研究水文变化规律，只定性分析，在定量上不能满足工程设计要求。
（2）数理统计法：
运用概率统计理论对长期观测的资料进行统计计算，以寻求其规律性。
（3）地理综合法：
由地区经验公式和等值线图分析，揭示水文现象的地区分布规律。
小结：
在解决实际问题时，上述三种方法常同时使用，它们是相辅相成、互为补充。
我国已初步形成一种具有自己特点的研究方法，概括为“多种方法，综合分析，合理选定”的原则。
本章总结,理解和掌握水文现象的四种运动形式；
理解和掌握水文循环的概念、类型；
了解其意义和水资源的关系；
理解水文学的概念和研究领域；
了解其发展状况；
了解水文学与给水排水工程专业的关系；
理解和掌握水文现象的特性及研究方法。
第二章水文学的一般概念与水文测验,内容：
2.1河流和流域2.2河川径流及其表示方法2.3河川径流形成过程及影响径流的因素2.4流域水量平衡2.5水文资料的观测方法与收集2.6水位与流量关系曲线重点：
河川径流的形成过程、影响因素、表示方法；
平原河流的特征；
水位与流量关系曲线绘制及延长断面特性法。
难点：
径流模数和径流深度的概念和计算；
断面特性法延长水位与流量关系曲线,2.1河流和流域2.1.1干流及支流,
（1）干流（Mainstream）在水系中汇集全流域径流的河流，例如：
黄河、长江。
（2）支流（Tributary）流入一较大河流或湖泊的河流。
支流是分级的：
一级支流（注入干流的支流）；
二级支流（注入一级支流的支流）；
三级支流（注入一级支流的支流）；
四级支流（注入一级支流的支流）,（3）河网（HydrographicNet）由河流的干流和各级支流，流域内湖泊、沼泽或地下暗河形成构成脉络相通一个系统，称为河系或水系。
2.1.2河长及弯曲系数
（1）河长（RiverLength）1）定义：
河流源头至河口或测站断面沿河槽中泓线或轴线量取的距离。
中泓线?
深泓线?
中泓线：
河道中各横断面水流最大流速点的连线。
深泓线（溪线）：
河道中各横断面最大水深点的连线。
2）作用：
河流特性的基本参数，可确定落差、比降和能量。
（2）弯曲系数（Tortuosity）1）定义：
沿河流中泓线两点间的实际长度与其直线距离的比值。
2）特性：
任何河段都有它的弯曲系数；
它可反映河流流经地的地质地貌特征。
L1,L2,2.1.3河槽基本特征
（1）河流的平面形态1）平原河流特点：
在环流、泥沙的冲刷和淤积作用下，蜿蜒曲折形态，即深槽、浅槽沿水流方向交替出现，呈规律性。
专业术语：
凹岸、凸岸、左岸、右岸、深槽、浅槽,2）山区河流大多为岩石河床，异常复杂，无规律可循。
（2）河流的纵断面1）定义：
河流从上游至下游沿深泓线所切取的河床和自由水面间的剖面。
2）作用：
绘制河流纵断面图，见右图。
反映河底纵坡和落差的分布，可推算水流特性、估计水能储量。
第3章水文学统计基本原理与方法,内容：
3.1水文统计的意义及基本概念3.2频率和概率3.3经验频率曲线3.4随机变量的统计参数3.5理论频率曲线3.6抽样误差3.7水文频率分析方法3.8相关分析重点：
水文频率及水文相关分析等水文统计基本知识；
水文频率及水文相关分析等水文统计计算。
水文频率及水文相关分析等水文统计计算,3.1水文统计的意义及基本概念,3.1.1水文统计的意义水文现象具有必然性、偶然性（随机性）；
利用概率论和数理统计的理论和方法，研究和分析水文的随机现象（已经观测到的水文现象），找出水文现象的统计规律性；
以此为基础，对水文现象未来可能的长期变化做出概率意义下的定量预估，以满足工程规划、设计、施工以及运营期间的需要。
3.1.2事件,随机试验：
对随机现象的观测；
事件：
随机试验的结果。
包括：
1）必然事件：
在一定能够的条件组合下，必然会发生的事情。
2）不可能是件：
在一定的条件组合下，一定不可能发生的事情。
3）随机事件：
在一定的条件组合下，可能发生也可能不发生的事件。
随机变量：
受随机因素影响，遵循统计规律的变量。
通俗地讲，指在随机试验中测量到的数量。
对于水文现象而言，指某种水文特征值，如某地区流域出口的年径流量和洪峰流量等。
分：
连续性随机变量，如水位、流量；
离散性随机变量，如投掷硬币的正反面。
总体：
随机变量所能取值的全体，分有限和无限总体。
样本：
从总体中随机抽取出的一组观测值。
样本容量：
样本中所汉随机变量的项数。
3.1.3总体、样本、样本容量,3.1.3数理统计法对水文资料的要求,检查资料的可靠性；
检查资料的一致性；
检查资料的代表性；
检查资料的随机性；
检查资料的独立性,3.2.1概率和频率频率指在具体重复的实验中，某随机事件A出现的次数（频数）m与试验总次数n的比值，即：
3.2频率和概率,反应随机事件各种结果的数量。
概率：
概率是指随即事件在客观上出现的可能性。
可分为事先概率和事后概率。
（2）概率概率是指随即事件在客观上出现的可能性，即该事件的发生率，亦称为机率。
根据事件出现的可能性是能够预先估计出来，可分为事先概率和事后概率：
事先概率：
试验之前某随机事件出现的可能性可以预先估计出来，如1）投硬币出现正面和反面的机率；
2）投掷骰子出现某一个点子的概率事后概率：
随机事件出现的可能性不能在试验之前预先估计出来，必须通过大量的重复试验之后才能估计出它出现的可能性。
如：
1）河流决堤的机率；
2）河流出现大型污染事件的机率,例,袋中有手感完全相同的20个白球和10个黑球，问：
摸出白球和黑球的概率各是多少？
摸出白或黑求的概率是多少？
摸出红球的概率是多少？
概率的基本性质：
1）P（A）=1，A属于必然事件；
2）P（A）=0，A属于不可能事件；
3）0P（A）1，A属于随机事件；
（3）频率与概率的关系,频率是经验值，概率是经验值；
可以通过实测样本的频率分析来推论事件总体概率特性；
样本容量越大，结果越准确；
对于水文现象，只能采用有限的多年实测水文资料组成样本系列，推求频率作为概率的近似值。
3.2.2概率运算定律,
（1）概率相加定理互斥事件：
在一次试验中，只有一个事件发生，其余事件均不能发生，这类事件称为互斥事件；
概率相加定理：
互斥的各事件中，至少有一个发生的概率等于各个事件发生的概率总和。
例,袋中有手感完全相同的20个白球和10个黑球，问：
例,某测站有40年的实测枯水位记录，各种水位出现的频率如表3.2所示，试确定水位H2.0m和H2.7m的概率？
某站水位频率计算表3.2,注：
表中水位为相对高程。
第4章径流及洪、枯径流,内容：
4.1概述4.2设计年径流量4.3设计年径流量的年内分配4.4设计洪水流量和水位4.5设计枯水流量和水位重点：
洪水资料的选择、审查和插补延长方法；
特大洪水处理；
不连续系列及统计参数确定，频率计算；
洪峰洪量频率计算，设计成果的合理性分析难点：
设计洪峰流量计算；
不连续系列统计参数确定,4.1概述,河川径流在时间上的变化有一个以年为循环的特征；
一年内通过某一断面的水量，称为该断面流域以上的年径流量，也可以用年平均流量Q表示，也可以用年径流深度Y、年径流模数M或年径流总量W表示；
年径流量的多年平均值叫做多年平均径流量，它表明河流在天然的情况下，蕴藏的水资源的数量，是开发河流水力资源的重要依据；
闭合流域内多年平均径流量的大小完全取决于降水和蒸发两大气候因素；
年径流量由洪水期和枯水期组成，这种季节的径流量的交替变化称为年内变化或者年内分配；
年内径流变化往往对工农业的用水需求很不一致，从而影响取水工程。
分析年内径流变化，特别是洪、枯径流变化对于解决取水需求之间的矛盾至关重要。
4.2设计年径流量4.2.1年径流变化特点和分析方法,特点：
河川逐年的年径流量的数值各不相同，且相邻年份的年径流量之间也不存在密切关系；
年径流的年际变化带有明显的随机性。
分析方法：
采用数理统计法；
寻求年径流量在一定年限的实测资料中所呈现出的统计规律。
4.2.2具有长期实测资料时设计年径流量的推算,具有20年以上连续实测年径流资料者可称为具有长期实测年径流资料。
年径流量的计算径流资料审查审查资料的可靠性可通过上、下游测站资料的对照或者运用水量平衡来复核。
审查资料的一致性一致性：
组成系列的每年资料具有同一的成因条件；
人类活动往往会破坏资料的一致性，如兴修水利措施；
对于物理成因明显不一致的系列，必须对其进行一致性修正后才可运用数理统计方法进行频率分析；
将年径流资料修正到流域被大规模治理前的接近天然状态的水平，称为还原计算：
还原水量：
审查资料的代表性年径流量推求的基本出发点：
n年实测年径流系列和未来工程运行l年的年径流系列分别是总体的样本；
以n年实测年径流系列求得样本分布Fn（x），以推求总体分布F（x），并用它来预估未来l年的年径流系列Fl（x），必然存在一定的抽样误差；
代表性：
现有n年实测资料组成的特定样本系列和总体接近。
样本的代表性取决于抽样误差的大小；
由于水文系列的总体不可能取得，若仅有n个样本系列，无法检验其代表性，通常只能通过与临近相似流域交长期系列作比较来间接衡量：
参证站长系列比短系列的代表性好，可用长系列为基础来检验短系列的代表性；
气候相同的区域内，参证站与设计站年径流的时序变化具有同步性（同枯或同丰）。
可把参证站的代表期直接移用于设计站。
频率计算计算三个统计参数（平均值、变差系数、偏态系数）；
绘制年径流量频率曲线；
从曲线上求出符合设计频率的各种设计年径流量成果合理性分析主要是对多年评价径流量、年径流变差系数、偏态系数进行合理性评价；
一般借助水量平衡原理和地理分布规律来进行。
4.2.3资料不足情况下设计年径流量的推算,利用径流资料展延系列利用年径流量之间的关系直接找出设计站与参证站相同年份流量之间的关系（多用年径流模数M或年径流深度R进行相关分析）；
进行图解分析，点绘相关图，目估定出平均关系图；
求出设计站径流展延后的N年展延系列，在进行频率分析。
利用降水资料展延径流系列降水量的记载往往较径流资料为长；
当缺乏具有长期资料的参证站时，可考虑利用降雨与径流建立相关关系以展延径流系列；
在气候湿润、雨量丰沛地区，径流量和降雨关系密切；
对于气候干旱、降雨绝大部分消耗于蒸发，关系不密切。
可用各年汛期降雨量占全年降雨量的比例作参数，对不同参数值分布做出平均线，可改进相关成果。
既考虑了降水的年内分配，也间接的考虑了蒸发作用。
第5章降水资料的收集与整理,内容：
5.1降水5.2降水分布5.3点雨量资料的整理5.4暴雨强度公式的推求5.5可能最大降水简介重点：
降水的特征、三要素；
流域平均降雨量（面雨量）的计算；
雨量资料Tit的关系；
最小二乘法推求暴雨强度公式难点：
最小二乘法推求暴雨强度公式,5.1降水,形式：
降雨降雪露、霜、雹、霰降水是水文循环的重要环节；
水文学中研究降水的意义：
城市及厂矿的雨水排除系统防洪设计推求设计流量推求设计洪水探索降水量在地区和时间上的分布规律,5.1.1降水的观测,降水量：
降落在不透水平面上的雨水（或融化后的雪水）的深度，以mm计。
降水量的观测方法：
器测法一般采用定时分段观测制；
把24h分成几个时段进行，以8时作为日分界点,自记雨量计可确定出降雨的起迄时间、雨量大小、降雨强度的变化过程；
储存推求降雨强度和确定暴雨公式的资料；
应与雨量器同时进行观测，便于校核。
雷达探测根据探测到的降水回波位置、移动方向、移动速度和变化趋势，预报探测范围内的降水、强度及开始和终止时刻；
有效探测范围40-200km,气象卫星云图可见光云图：
反映云的反照率反照率强的云，云图上亮度大，颜色白；
反照率弱的云，亮度弱，颜色暗红外云图：
反映云顶的高度和温度云层温度越高，高度越低，红外辐射越强,5.1.2降水的特征,降水的特征降水量降水历时降水强度降水面积暴雨中心降水强度：
单位时间内的降水量称为降水强度或雨率，以mm/min或mm/h计。
平均降水强度：
在t降水历时内降水量的降雨量P，即：
瞬时降水强度：
第6章小流域暴雨洪峰流量的计算,内容：
6.1小流域暴雨洪水计算的特点6.2设计净雨量的推求6.3流域汇流6.4暴雨洪峰流量的推理公式6.5地区性经验公式及水文手册的应用重点：
下渗曲线与下渗累积曲线；
等流时线原理；
暴雨洪峰流量的推理公式；
6.1小流域暴雨洪水计算的特点,小流域暴雨洪水的应用范围：
小流域面积上的排水建筑物；
城市厂矿中的排水管渠；
厂矿地区的排洪渠道；
铁路和公路的桥梁和涵洞；
立体交叉道路的排水渠道；
广大农村中众多小型水库的溢洪道,小流域设计洪水计算的特点：
缺乏暴雨和流量资料拟定计算方法可以作适当简化计算方法应力求简便,使基层工作者易于掌握计算小流域暴雨洪峰流量的公式有：
推理公式法经验公式法综合单位线法水文模型法,推理公式也称半理论半经验公式,着重推求设计洪峰流量。
以暴雨形成洪水的成因分析为基础,考虑影响洪峰流量的主要因素,建立理论模式,并利用实测资料求得参数。
其计算成果有较好的精度。
地区经验公式只推求洪峰设计流量，它是建立在某地区和邻近地区的实测洪水和调查洪水资料的基础上，探求地区暴雨洪水经验性的规律，使用上有一定的局限性。
推导计算公式时，重点分析：
1）暴雨强度2）暴雨损失3）流域汇流,6.2设计净雨量的推求,6.2.1暴雨损失及分类暴雨损失：
降雨过程中由于植物截流、蒸发、填洼和下渗而损失的水量。
植物截流：
降雨发生后，部分雨水首先被植物的叶茎拦截，其拦截量对一次降雨影响不大。
蒸发量：
本次降雨落到地面然后蒸发或在洼地蓄水体表面上蒸发的那部分水量，可忽略不计。
填洼：
雨水被地面凹坑或洼地拦蓄的现象，在一般地形下，损失不大，但如果地形特殊或有大量人工蓄水工程，填洼量要另行考虑。
下渗：
雨水从地面渗入土壤中的现象，是降雨损失中的主要因素。
净雨量：
暴雨量扣除损失量，也就是地表径流量。
6.2.2下渗下渗的物理过程按水分所受的力和运动特征，下渗可分三个阶段：
渗润阶段：
水分主要受分子力的作用，被土壤颗粒吸收。
渗漏阶段：
水分主要在毛管力和重力作用下，沿土壤空隙向下作不稳定流动，并逐步充填土壤空隙直至饱和。
此时毛管力消失。
渗透阶段：
水分在重力作用下成稳定流动。
下渗曲线与下渗量累积曲线下渗率（下渗强度）：
单位时间内渗入单位面积土壤中的水量,记为f，以mm/min或mm/h计。
下渗能力：
在一定下垫面条件下，有充分供水时的下渗率。
（1）下渗曲线：
下渗能力随时间的变化过程线，该曲线上f0为初始下渗率。
第7章城市降雨径流,内容：
7.1城市化与城市水文过程7.2城市化与城市暴雨径流7.3城市水文资料的收集7.4城市设计暴雨7.5城市降雨径流的水质特性7.6城市降雨径流的水质控制重点：
城市暴雨径流的特点暴雨径流水质的特点城市化对降雨径流的影响城市径流水质控制的基本原则,7.1城市化与城市水文过程城市化的发展对水环境所产生的直接或间接影响,主要表现为三个城市水文问题,即城市水源资源紧缺、水质污染控制和洪水控制问题（图7.1）。
图7.1城市化对城市水文过程的影响,城市水源紧缺随着人口增加，对水的需求量也就随之增大，产生了一个寻求充足水源这一水文第一重要的问题。
洪水控制问题城市污水增多、降雨的径流量变大和流速的增大，使短时间内的大流量径流发生，不可避免地要使洪峰流量增大，从而引起了洪水控制问题。
水质污染控制问题城市化扩大时，枯水流量减小，城市污水的增加及雨水径流水质恶化，引起水源水质恶化。
另外，固态及液态致病污染物的处置对地下水水质也可能产生不利影响，产生了水质污染控制问题。
7.2城市化与城市暴雨径流,7.2.1城市化过程农村阶段：
土地处在耕作或放牧状况。
早期城市：
大量修建城市型房屋，但仍有相当部分土地被原有植物所覆盖。
中期城市：
住房、商贸中心、学校、工厂等建筑物大规模地发展和建设阶段。
后期城市：
使已残留很少的原有植物缩减为零，地面完全由人工建筑和一些其他设施所覆盖。
7.2.2城市暴雨径流特点城市化的程度的提高，直接改变了城市的暴雨径流形成条件，使其水文情势发生变化暴雨径流总量增大，洪峰流量增高，出现时间提前。
河道中水流流速加大，径流过程中悬浮固体及污染物浓度提高。
发生这些现象的原因可从两个方面来分析：
不透水面积增加城市化的进程，增加了城市的不透水表面，使相当部分的流域为不透水表面所覆盖，如屋顶、街道、人行道、车站、停车场等。
不透水区域的下渗几乎为零，洼地蓄水大量减少，造成产流速度和径流量都大大增加。
汇流时间缩短排水管渠系统的完善，如设置道路边沟、密布雨水管网和排洪沟等，增加了汇流的水力效率。
导致径流量和洪峰流量加大，出现洪,洪峰流量的时间提前（图7.2）。
图7.2相同暴雨及滞洪条件下城市
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