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：水文学是研究自然界中各种水体的形成、分布、循环和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——太阳辐射和地心引力（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（看透书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、下游和河口5段。2、流域的概念：流域是指汇集地表径流和地下径流的区域，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，则地面和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（看书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kmB=F/l（3）流域形状系数(K)K=B/l（4）河网密度(D)单位km/km2D=∑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、降水历时和降水强度。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和区域）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、降水累积曲线和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、等雨量线法和泰森多边形法等3种。（P23各自的概念及公式）8、下渗（看P23—P24、小题）（一次降雨的主要损失量）下渗是指水从地表渗入土壤和地下水的运动过程。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。FWY10001（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:FQM1000（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:XYaa1，它的多年平均值是一个稳定的数值，是具有一定的区域性。10、产流过程和初期损失（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是相等的，然而二者的过程完全不同，径流的来源是净雨，净雨的汇流结果是径流；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）地理位置和地形（3）地表植被覆盖（4）面积和形状（5）土壤地质（6）湖泊与沼泽（7）人类活动因素12、水文测验：系统地收集和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：水尺和自记水位计。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—流速关系曲线法和断面特征法。断流水位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，以满足工程设计和运行决策的需要。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：指等量值和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。100nmxXPi％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P50%，有iixxPxxT1（2）研究枯水流量、枯水位等最小值问题是，为了保证灌溉、发电、给水等用水需要，一般设计频率P50%，有iixxPxxT116、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，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：niinxnnxxxx1211nxxi2)(（3）变差系数（Cv）：表示的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Cs0正偏Cs0负偏7、通常实际工作中，并不计算Cs，而是按照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）Cv8、经验频率计算公式（1）海森公式1005.0nmxXPi%（2）中值公式1004.03.0nmxXPi%（3）维泊尔公式（数学期望公式）1001)(nmxXPi%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X，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（看书P60—P61、小题，主要是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。nnxxxkxCiiV22)1()(1313313)1(vniiniisnCKnxxC)1(pVpCXX)1(pVpCK（2）初估参数。根据实测资料计算统计参数X、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X、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、洪水和枯水等特征。表达这些河流水文情势变化特征的主要尺度是水情要素，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和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，来审查和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：YCvCs，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)1(pVpCXX还原实测天然＋引水损失工业农业还原＋＋＋调蓄生活CvxxCv%1001nmp依据：水量平衡原理和地区分布原理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）湿润和干旱地区2）流域面积大、小3）利用季、月