第一讲水文水资源基础.

三个层次：掌握：理解准确、透彻的基础上，能熟练自如地运用并分析解决实际问题；熟悉：能说明其要点，并解决实际问题；了解：概略知道其原理及应用范畴。2第一讲水文水资源基础（上）清华大学水利系唐莉华2005年7月10日第一讲水文水资源基础3主要内容一、水文循环与水量平衡二、降雨、蒸发三、入渗、土壤水、地下水四、河川径流五、水文测验与水文资料整编六、水文统计第一讲水文水资源基础4一、水文循环及水量平衡水文学：研究地球上江河、湖泊、冰川、地下水和海洋等各种水体的存在数量、分布及变化规律的科学。与气象学、地理学、生态环境学等关系密切。第一讲水文水资源基础51.1水文循环：（1）地球上水的存在形式：汽态、液态、固态（2）存在位置：空气中、地表、地下、生物体内第一讲水文水资源基础6水文循环的概念：地球表面的广大水体，在太阳辐射作用下蒸发变成水汽，上升到空中，被气流带动输送到各地，在这过程中，水汽遇冷凝结，以降水的形式降落到地面和海洋，降至地面的那部分水，再从河道或渗入地下以地下水形式补给河流流入海洋。水分这种往返循环、不断转移交替的现象称为水文循环或水循环。第一讲水文水资源基础7水循环的外因：太阳辐射能和地球引力的存在水循环的内因：水物理三态(气、液、固)之间的相互转化自然界水循环据其规模及涉及的地域可分为：大循环：海洋和陆地之间的水分循环小循环：海洋内或者陆地内的水分循环第一讲水文水资源基础8水文循环的意义：①直接影响气候变化：②改变地表形态：③造成再生资源：④负面影响：干旱，洪涝灾害第一讲水文水资源基础91.2水量平衡：指地球任一区域(可以是某个流域、湖泊、沼泽、海洋或某个地区，也可以是整个地球)，在一定时段内(时段可以是日、月，也可以是一年、数十年或更长的时间)，收入的水量与支出的水量之差等于该区域内的蓄水变量(蓄水变量指时段始末区域内蓄水量之差)。水量平衡是水文循环的定量描述，是质量守恒定律在水文循环中的特定表现形式。第一讲水文水资源基础10式中:I—给定时段内输入研究区域的总水量；O—给定时段内输出研究区域的总水量；△W—时段内研究区域蓄水量的变化量。上式中各变量的单位：km3或mmI－O=△W水量平衡方程：第一讲水文水资源基础11•若以地球陆地为研究水量平衡对象，某时段△t内的水量平衡方程可写成：△Wc=Pc－R－Ec式中:Ec：在时段内陆地的蒸发量；Pc：在时段内陆地的降水量；R：时段内由陆地流入海洋的径流量；△Wc：在时段内陆地蓄水量的变化量。（1）地球上的水量平衡第一讲水文水资源基础12•若以海洋为研究水量平衡对象，某时段△t内的水量平衡方程可写成：△Ws=Ps＋R－Es式中:Es：海洋在时段内的蒸发量；Ps：海洋在时段内的降水量；R：时段内由陆地流入海洋的径流量；△Ws：海洋在该时段内蓄水量的变化量。第一讲水文水资源基础13上二式相加得：scscPPEE即全球多年平均水量平衡为：蒸发＝降水PERPEcc—陆地水量平衡方程RPEss—海洋水量平衡方程在多年平均的情况下，△Wc→0，△Ws→0，则第一讲水文水资源基础14河流流域的定义：河流某断面以上，汇集地表水和地下水的区域（称做地面集水区和地下集水区）统称做河流在该断面以上的流域。由分水线包围的集水区域。（2）河流流域的水量平衡第一讲水文水资源基础15非闭合流域/闭合流域：★非闭合流域：若地面分水线与地下分水线在位置上不完全重合，即地面和地下集水区不相重合常称这种流域为非闭合流域。★闭合流域：若流域的地面水和地下水分水线在位置上重合，即地面和地下集水区相重合，则称这种流域为闭合流域。第一讲水文水资源基础16P+RGI=E+RSO+RGO+q+△W式中:P：流域给定时段的降雨量；E：净蒸发量；对于不闭合流域，其水量平衡方程为：△W：时段初及时段末流域蓄水量的变化量。q：给定时段内流域内工农业及生活净用水量；RGO：给定时段内从地下流出的水量；RSO：给定时段内从地面流出的水量；RGI：给定时段内从地下水流入的水量；第一讲水文水资源基础17P=E+R+△W闭合流域水量平衡方程为：对于闭合流域:在方程P+RGI=E+RSO+RGO+q+△W中RGI=0，如果q较小，则可取q=0，合并RSO+RGO=R第一讲水文水资源基础18REP式中:：流域内多年平均降水量；：流域内多年平均径流量；：流域内多年平均蒸发量。PER对于多年平均的情况，闭合流域的水量平衡方程式为：第一讲水文水资源基础191PEPR令PR0～多年平均径流系数，其反映流域降雨量转换成径流量的比例系数。PE0～多年平均蒸发系数,其反映流域降雨量转换成蒸发量的比例系数。将式两边除以，则该式变成REPP因此，0、0用以反映流域气候地理特性。如湿润地区：00.5;半干旱地区：00.3;干旱地区:00.1第一讲水文水资源基础20二、降水与蒸发2.1降水：是指液态或固态的水汽凝结物，从天空下降至地面而成的液态水或固态水的现象。降水是气象要素之一，也是水循环中重要的一个环节。(1)降水的各种形态①雨②雪③霰④雹第一讲水文水资源基础21（2）降水的成因：①大气中存在水分，即水汽；②降温，降至露点温度以下，或空气冷却③大气中存在吸水性的微粒(凝结核)露点：空气中水汽达到饱和时的温度。当大气温度下降到露点以下时，则形成了水汽凝结的必要条件。大气凝结核：指飘浮在大气中的尘粒，其直径约10-3~10μm。大气凝结核由固态物质、溶液滴或两者的混合物组成，其化学成分很复杂，最常见的是氯、氮、碳、镁、钠、钙等化合物。第一讲水文水资源基础22（3）降雨的分类及其特性按气流上升运动的原因，常把降雨分成四种类型：•对流雨:•地形雨:•锋面雨:•气旋雨:第一讲水文水资源基础23对流雨(亦称对流性降水)发生的条件：地面受辐射温度升高，下层暖湿空气膨胀上升，则暖湿空气在上升过程中形成绝热冷却，水汽则会凝结成云（淡积云浓积云积雨云），形成降雨。1）对流雨：第一讲水文水资源基础24对流雨发生的特点：对流雨是在大气不稳定的条件下产生的，多发生在夏季酷热的午后；其水平尺度很小(0.1～50公里)，降雨历时较短（几十分钟），形成阵性降水，常称阵雨。降水强度的变化很大。对流性降水常伴有雷暴（伴有闪电和雷声），称为雷阵雨。第一讲水文水资源基础25暖湿空气在运移过程中，因受地形（如山脉等）影响而被抬升，则由于动力冷却而形成的雨。地形雨发生的条件和特点：2）地形雨因气流（空气）的湿度、温度、抬升速度及地形特点的差异而不同。地形作用一般使山的迎风面的降水量大，而背风面降水量减少。第一讲水文水资源基础26由于不同性质的气团相遇所形成的雨称为锋面雨。•气团：物理属性（物理属性主要是温度、湿度、大气静力稳定度等物理量）在水平方向差异很小的空气质点群体。其水平范围可达几百万平方公里，铅直厚度可达几公里至十几公里。3）锋面雨:第一讲水文水资源基础27气团的分类：按气团的热力性质不同,可划分为：冷气团(比其所经下垫面冷)和暖气团（比其所经下垫面暖）;按湿度特征的差异可分为：干气团和湿气团；第一讲水文水资源基础28按其静力稳定度的区别可分为稳定气团和不稳定气团；按气团的发源地的不同常分为极地气团和热带气团两大类，再按发源地带的海陆差别，这些气团还可划分为一些亚类。第一讲水文水资源基础29在北半球的主要气团有：北冰洋气团：形成于北极的北冰洋，空气极寒且干燥。极地气团：形成于除北极的北冰洋以外的中、高纬度地区，比较寒冷，其中形成于大陆上的有极地大陆气团、西伯利亚气团；形成于海洋上的有极地海洋气团。第一讲水文水资源基础30赤道气团：形成于赤道海洋上，既热又很潮湿，有时难以将它和热带海洋气团相区别。热带气团：形成于热带、副热带的暖气团。其中形成于大陆上的，称为热带大陆气团；形成于海洋上的称为热带海洋气团。第一讲水文水资源基础31•锋面：温度或密度差异很大的两个气团相遇，接触区形成一过渡带，简称锋面。锋面是倾斜的，坡度很小，一般约为1/100，冷气团在下，暖气团在上。锋面的铅直厚度约1公里，水平宽度在近地面约数十公里，其高度可达400公里以上（延伸到对流层顶），锋的水平范围可延伸数百公里甚至数千公里。•锋线：锋面与地面交线称为地面锋线，也简称为锋。第一讲水文水资源基础32暖锋雨暖锋：冷暖气团相遇时，暖气团较强起主导作用，暖气团推动锋面向冷气团一侧移动。特点：(1)雨区位于锋线前方；(2)降雨强度较小(锋面坡度小，介于1/100~1/300，暖湿气团上升缓慢）；(3)云和降雨区面积较大。水文气象学将锋面二侧冷暖气团移动方向的不同，所形成的锋面雨分成以下几种类型：第一讲水文水资源基础33冷锋雨:冷暖气团相遇时，冷气团较强起主导作用，冷气团推动锋面向暖气团一侧移动。根据冷锋推移速度的不同，又分为慢行冷锋和急行冷锋两种：慢行冷锋:冷锋运移速度较慢慢行冷锋特点：•云和雨区分布及降雨强度与暖锋雨相仿；•雨区位于锋线后方。第一讲水文水资源基础34冷锋运移速度较快，使得暖湿气团产生剧烈的上升运动，锋面坡度较陡，介于1/40~1/80（41～820）。急行冷锋雨特点：•降雨在锋线附近，降雨强度大•历时短、雨区窄急行冷锋：第一讲水文水资源基础35当冷暖锋面势均力敌，则锋面在一定地区来回摆动，称为准静止锋。或指移动很缓慢呈准静止状态的锋。准静止锋:准静止锋雨的特点：降雨持续时间较长降雨强度比较小雨区比暖锋雨更广如江淮一带6、7月的常出现的阴雨天气即为典型的准静止锋雨。第一讲水文水资源基础36当有三种冷暖性质不同的气团（如暖气团、较冷气团、更冷气团）相遇时，便会产生两个锋面，此两锋面相遇并逐渐合并起来，原来暖气团被迫抬离地面，锢囚在高空，这样形成的锋称作锢囚锋。锢囚锋：第一讲水文水资源基础37气旋：北（南）半球，由于地球离心力、偏向力及摩擦力的共同作用下，大气中水平气流呈逆（顺）时针旋转的大型涡旋。在同高度上，气旋中心的气压比四周低，又称低压。在低气压中心区，气流从四周向中心辐合，垂直方向上运动是上升的，即暖湿气流辐合上升，在水平面上温度和湿度变化很大，故常常有凝结降水现象。可出现大范围降雨和大风的天气现象，称为气旋雨。4）气旋雨第一讲水文水资源基础38•热带气旋发生在热带海洋上强烈的气旋性涡旋，即所谓的台风。风的水平尺度约几百公里至上千公里，铅直尺度可从地面直达平流层低层，是一种深厚的天气系统。台风中心气压很低，一般在990～870百帕（1hpa=1dyn/cm2)之间，中心附近地面最大风速一般为30～50米/秒，有时可超过80米/秒。气旋按其生成的地理位置不同，可分为热带气旋和温带气旋第一讲水文水资源基础39热带气旋的危害：强风引起的巨大海浪，可对海洋船舶造成很大破坏；当台风移近海岸时，狂风可引起大范围巨大的海潮（风暴潮）。台风中心经过的地区常有大暴雨或特大暴雨，日雨量可高达1000毫米以上，造成大范围洪涝。它是重要天气系统之一，一些河流特大洪水均与热带气旋有关。第一讲水文水资源基础40风速平均风力分类10.8～17.1m/s6～8级热带低气压17.2～32.7m/s8～9级热带风暴10～11级强热带风暴32.7m/s12级台风（按中国气象部门规定分类）按热带气旋地面中心附近风速大小，可分为：第一讲水文水资源基础41•温带气旋雨（锋面气旋）锋面气旋是由锋面的波动产生的，多发生于温带的极地气团和热带气团的交界面之上，这种波动也称气旋波。温带地区的降水大部分同锋面气旋有关，气旋活动的频次、强弱对人类最密集的温带地区的经济和社会活动有重要的影响，因此它是最受重视的天气系统之一。第一讲水文水资源基础42温带气旋主要出现在中、高纬度地区。温带气旋范围大，风区长，在海上形成大风、降水和雷暴等危险天气和巨浪，在冬季有时也能引导冷空气南下，形成寒潮天气。温带气旋的特点：第一讲水文水资源基础43影响中国近海的温带气旋（主要发生在两个地区）：①从中国长江中下游到日本南部海上，命名为江淮气旋和东海气旋