水文學(xué)原理課件

水文學(xué)原理第一章緒論第一節(jié)水文學(xué)的內(nèi)容和任務(wù)一、水文學(xué)的定義研究水的科學(xué)，核心——水文迴圈。廣義水文學(xué)按分佈劃分海洋水文學(xué)陸地水文學(xué)水文氣象學(xué)地表水水文學(xué)土壤水水文學(xué)地下水水文學(xué)河川水文學(xué)湖泊水文學(xué)冰川水文學(xué)河口水文學(xué)按應(yīng)用分環(huán)境水文學(xué)、農(nóng)業(yè)水文學(xué)、城市水文學(xué)······1.水文測(cè)驗(yàn)(或水文資訊採(cǎi)集)2.水文預(yù)報(bào)3.水文水利計(jì)算

二、傳統(tǒng)水文學(xué)的內(nèi)容一、水文學(xué)簡(jiǎn)史

英文Hydrology，來(lái)源於拉丁語(yǔ)，“水的知識(shí)”。經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展時(shí)期：

1.萌芽期（西元1600年之前）

2.奠基時(shí)期（西元1600-1900年）

3.實(shí)踐時(shí)期（1900-1950年）

4.現(xiàn)代化時(shí)期（1950年-）二、中國(guó)水文學(xué)的發(fā)展第二節(jié)水文學(xué)的發(fā)展一、水文現(xiàn)象的基本特點(diǎn)1.時(shí)程變化上的週期性與隨機(jī)性2.空間變化上的相似性與特殊性第三節(jié)水文現(xiàn)象的基本特點(diǎn)及研究方法楊林天生港日潮位變化過(guò)程線年最大流量變化過(guò)程年降水量變化過(guò)程二、水文現(xiàn)象的研究方法成因分析法以品質(zhì)守恆、能量(動(dòng)量)守恆等定理為基礎(chǔ)，揭示水文現(xiàn)象運(yùn)動(dòng)變化的機(jī)理、規(guī)律。數(shù)理統(tǒng)計(jì)法水文現(xiàn)象具有隨機(jī)性，從而以概率理論為基礎(chǔ)，研究水文現(xiàn)象特徵值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。地理綜合法水文現(xiàn)象具有地區(qū)性，從而通過(guò)建立地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式、繪製各種特徵值等值線圖，揭示水文特徵值的地區(qū)規(guī)律。第二章水文迴圈第一節(jié)水的奇異物理性質(zhì)水是僅次於空氣的最活躍的物質(zhì)之一；水有三態(tài)變化，是自然界水文迴圈的基礎(chǔ)；同其他氫化物相比，水有特別高的溶點(diǎn)和沸點(diǎn)；水有特別大的比熱和蒸發(fā)潛熱；水有反常的密度變化（4C時(shí)密度最大）；水有較大的表面張力；水是各種鹽類很好的溶劑；水具有幾乎不可壓縮性。第二節(jié)水文迴圈現(xiàn)象水文迴圈的原因（外因、內(nèi)因）水的不斷蒸發(fā)、輸送、凝結(jié)、降落、產(chǎn)流、匯流的往復(fù)迴圈過(guò)程降水P蒸發(fā)E地表徑流RSEP陸地基巖下滲F海洋包氣帶地下徑流Rg壤中流RSS蒸騰ET第二節(jié)水文迴圈現(xiàn)象（續(xù)）大循環(huán)和小迴圈大循環(huán)：海洋→大氣→大陸→海洋（縱向+橫向）

小循環(huán)：海洋→大氣→海洋（海洋小迴圈）

大陸→大氣→大陸（內(nèi)陸小迴圈）水文迴圈的規(guī)律海洋的蒸發(fā)量多於降水量；大陸的降水量多於蒸發(fā)量；大陸外流區(qū)輸入水汽量與輸出水量基本平衡；大陸內(nèi)流區(qū)降水量與蒸發(fā)量基本相等。第二節(jié)水文迴圈現(xiàn)象（續(xù)）水文迴圈的作用和意義

地球上總水量13.86億Km3，參與迴圈的約57.7萬(wàn)Km3，占0.0416%。

1、調(diào)節(jié)氣候；

2、塑造了地球表面；

3、形成了巨大的水利資源；

4、形成一切水文現(xiàn)象。第三節(jié)地球系統(tǒng)中的水及水準(zhǔn)衡水資源的概念（廣義水資源、狹義水資源）地球上水的分佈13.86億km3淡水2.53%鹹水97.47%13.86億km3海洋96.5%陸地3.5%生物水0.003%3500萬(wàn)km3淡水永凍土層水0.86%冰川雪蓋68.7%地下水30.1%淡水湖0.26%土壤水0.05%大氣水0.04%河水0.006%第三節(jié)地球系統(tǒng)中的水及水準(zhǔn)衡（續(xù)）水資源問(wèn)題原因水資源量時(shí)空分佈不均勻；水資源分佈與人口、耕地分佈不相適應(yīng)；水環(huán)境污染；水資源浪費(fèi)。對(duì)策時(shí)間和空間上的合理調(diào)配；積極開展水污染防治；節(jié)約用水。一、水量平衡1.

通用水量平衡方程

wIOI－O＝±

WRrEcPxEbqaR′rRgR′gI=Px+Ec+Rr+RgO=Eb+qa

+R′r+R′g

Px+Ec+Rr+Rg=Eb+qa+R′r+R′g±

W令E=Eb-Ec

，Rr+Rg=RI，R′r+R′g=RO

則

Px+RI

=E+qa+RO±

W第三節(jié)地球系統(tǒng)中的水及水準(zhǔn)衡（續(xù)）一、水量平衡（續(xù)）2.河流流域水量平衡方程（1）閉合流域（沒(méi)有流域來(lái)水）的水量平衡方程記Px=P，RI=0，qa=0，RO=R：某時(shí)段：P=E+R±

W多年平均：P=R+E（2）不閉合流域（有外流域來(lái)水）的水量平衡方程某時(shí)段：P=RO

-RI+E±

W3.

全球水量平衡方程一、水量平衡（續(xù)）時(shí)段：Pl=El+R±

W大陸多年平均：Pl=El+R時(shí)段：Ps=Es-R±

W海洋多年平均：Ps=Es-R全球多年平均：P=E二、熱量平衡（續(xù)）1.

通用熱量平衡方程

SSISOSI－SO＝±

S2.

蓄水體熱量平衡方程Hn=HI+H+Rn+

Rat-Ho-He-Rb若時(shí)段較長(zhǎng)HI=Ho，則：Hn=Rn+Rat+H-He-Rb其中：He=LEHIH0Hn蓄熱量變化量蒸發(fā)失熱He感應(yīng)熱H太陽(yáng)輻射Rn大氣輻射Rat水體長(zhǎng)波輻射Rb第一節(jié)基本概念分水線：使雨水分別彙集到兩條不同的河流，起著分水作用的地形，是流域的邊界線。流域：彙集地面水和地下水由分水線所包圍的區(qū)域。4.

流域形狀係數(shù)

Rf=流域面積/(流域長(zhǎng)度)21111111122223342.河流等級(jí)3.河網(wǎng)密度流域單元面積內(nèi)干支流長(zhǎng)度。1.河系類型（扇形、羽毛型、平行狀、混合形）第二節(jié)流域特徵一、流域的平面形狀特徵第三章

流域和水系第二節(jié)流域特徵（續(xù)）二、流域的地形起伏特徵

1.河流的落差和比降

2.流域平均坡度

3.流域面積～高程曲線三、流域自然地理及下墊面情況

1.流域地理位置

2.流域的土壤巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造

3.流域植被率

4.流域湖泊率、沼澤率第四章

降水一、按降雨的成因分類氣旋雨——隨著氣旋或低壓過(guò)境而產(chǎn)生的雨。氣旋雨非鋒面雨鋒面雨暖鋒雨冷鋒雨非鋒面雨—?dú)鈮合虻蛪簠^(qū)輻合引起氣流上升產(chǎn)生降雨。水分以各種形式從大氣到達(dá)地面統(tǒng)稱降水。包括雨、雪、露、霜、冰雹等。第一節(jié)降雨的類型氣團(tuán)——物理屬性水準(zhǔn)分佈比較均勻的大範(fàn)圍空氣團(tuán)。峰面——兩種性質(zhì)不同的氣團(tuán)之間狹窄而傾斜的過(guò)渡帶。峰在空間是傾斜的，且向冷空氣一側(cè)傾斜。暖鋒雨：冷暖氣團(tuán)相遇時(shí)，暖濕氣團(tuán)推動(dòng)鋒面向冷氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)。峰後暖空氣一方面向冷空氣方向推進(jìn)，同時(shí)又沿鋒面緩慢上升，在上升過(guò)程中冷卻而產(chǎn)生降雨。因暖鋒坡度很小，一般為1:150，故暖鋒雨降雨面積大、雨強(qiáng)小、歷時(shí)長(zhǎng)。鋒面雨的形成暖鋒雨的形成示意圖冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)冷鋒雨的形成冷鋒雨：冷暖氣團(tuán)相遇時(shí)，冷燥氣團(tuán)楔入到暖濕氣團(tuán)之下，使暖濕氣團(tuán)上升冷卻而產(chǎn)生降雨。根據(jù)移動(dòng)速度可分為緩行冷鋒和急型冷鋒。緩行冷鋒的降水與暖鋒相似；急行冷鋒移動(dòng)較快，坡度較大，約為1:70，故降水範(fàn)圍小、雨強(qiáng)大、歷時(shí)短。冷鋒雨的形成示意圖冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)冷氣團(tuán)暖氣團(tuán)緩行冷鋒急行冷鋒暖氣團(tuán)暖氣團(tuán)暖氣團(tuán)暖氣團(tuán)對(duì)流雨

地面受熱升溫，下層空氣膨脹上升和上層空氣形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)。下層暖濕空氣上升到高空遇冷凝結(jié)形成降雨。多發(fā)生在夏季午後，強(qiáng)度大、面積小、歷時(shí)短。地形雨

暖濕氣團(tuán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇山嶺障礙時(shí)，在沿山坡上升過(guò)程中逐漸變冷凝結(jié)成雨。地形雨多在迎風(fēng)坡上。颱風(fēng)雨

由熱帶海洋上的風(fēng)暴帶到大陸的雨。災(zāi)害性天氣，常發(fā)生在浙、閩、粵、臺(tái)灣等沿海省份。二、按降雨強(qiáng)度及過(guò)程特徵分類暴雨——?dú)v時(shí)短、強(qiáng)度大、籠罩面積不大。

氣象方面規(guī)定：日降雨量>50mm——暴雨；日降雨量>100mm——大暴雨；日降雨量>200mm——特大暴雨。主要影響小流域洪水。暴雨型霪雨——?dú)v時(shí)較長(zhǎng)、強(qiáng)度變化大。影響區(qū)域洪水。霪雨——?dú)v時(shí)很長(zhǎng)、強(qiáng)度小、籠罩面積大。影響大流域洪水。降水要素降水量、降水歷時(shí)和時(shí)間、降水強(qiáng)度、降水面積降水量過(guò)程線降水量累積曲線降水強(qiáng)度與歷時(shí)曲線等雨量線平均深度與面積曲線第二節(jié) 降水要素及其時(shí)空變化表示方法時(shí)間時(shí)段降雨累積降雨13:420014:0011.511.514:3033.545.015:3431.976.917:001.678.518:102.280.7時(shí)間累積降雨時(shí)段降雨13:000014:0011.511.515:0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2時(shí)間累積降雨時(shí)段降雨13:000014:0011.511.515:0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2曆時(shí)累積降雨雨強(qiáng)148.548.5265.532.8377.025.7478.519.6580.716.1680.713.4等雨量線的做法類似於地形圖等高線的做法。等雨量所表示的降水分佈與實(shí)際降水分佈的符合程度取決於：

(1)雨量站位置(是否為雨情控制點(diǎn))；(2)雨量站數(shù)目某流域內(nèi)有7個(gè)雨量站，根據(jù)各站6小時(shí)雨量資料繪出其等雨量線。90705040110120809865624736A2A690705040A1A3A4A512011036分塊面積(km2)平均雨深(mm)1412021210032180423605304561236分塊累積面積平均雨深(mm)14120.01-216105.01-33790.81-46079.01-59068.31-610263.9第三節(jié) 區(qū)域平均降水量計(jì)算方法常用的區(qū)域(或流域)平均降水量計(jì)算方法有：算術(shù)平均法適用於面積不大，地形起伏不大，站點(diǎn)較多且佈設(shè)較均勻的流域。計(jì)算簡(jiǎn)便。泰森多邊形法適用於降雨分佈不均，站點(diǎn)較少，面積不大的流域。在確定各站的權(quán)重後也很簡(jiǎn)便，且精度較好。缺點(diǎn)是在各場(chǎng)降雨中把雨量站權(quán)重視為固定，與實(shí)際情況不完全一致。等雨量線法適用於面積大、站點(diǎn)密的流域。理論上較完善，但每次降雨都必須繪製等雨量線，並計(jì)算權(quán)重，工作量大。泰森多邊形法A1A2A3A4A5A6(1)連三角形；(2)作三角形各邊的垂直平分線;(3)以交點(diǎn)連線及與流域邊界相交的垂直平分線構(gòu)成單元面積；(4)量出各單元面積，總面積ΣA=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)(5)計(jì)算單元面積權(quán)重及流域平均雨量各子塊權(quán)重

i=Ai

/ΣAP=Σ

iPi

等雨量線法A2A690705040A1A3A4A5110總面積ΣA=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)各子塊權(quán)重

i=Ai

/ΣAP=Σ

iPi

第四節(jié)降水資料的一致性檢驗(yàn)和插補(bǔ)一、降水資料的一致性鑒別

由於雨量站位置、雨量計(jì)高度或軸向、儀器設(shè)備和觀測(cè)方法等的改變，會(huì)使降水量資料產(chǎn)生系統(tǒng)偏差。對(duì)系統(tǒng)偏差，可採(cǎi)用“雙累積分析方法”進(jìn)行分析和修正。如分析降水資料的前後一致性鄰近多站平均累積年降水量(mm)站累積年降水量(mm)85年第四節(jié)降水資料的一致性檢驗(yàn)和插補(bǔ)(續(xù))二、非一致降水資料的改正站累積年降水量(mm)鄰近多站平均累積年降水量(mm)至95年的累積雨量BC85年AKBKC說(shuō)明自1985年起，站逐年測(cè)到的降水量比原來(lái)觀測(cè)條件下觀測(cè)到的降水量減小了KC/KB倍，為保持降水量資料的一致性，可將85年後觀測(cè)的雨量按KB/KC的係數(shù)進(jìn)行改正。第四節(jié)降水資料的一致性檢驗(yàn)和插補(bǔ)(續(xù))

1.算術(shù)平均法

PA=(P1+P2+…+Pn)/n

適用條件：插補(bǔ)站多年平均降水量與附近站多年平均降水量相差<10%。2.比例法

PA=(NAP1/N1+NAP2/N2+…+NAPn/Nn)/n

適用條件：插補(bǔ)站多年平均降水量與附近站多年平均降水量相差>10%。

某站大多數(shù)資料都有，部分時(shí)間因儀器故障或其他原因缺測(cè)，為保持資料的完整性，以利於水文預(yù)報(bào)或水文分析計(jì)算時(shí)使用，需要對(duì)缺測(cè)資料進(jìn)行插補(bǔ)。如A站1950年至今的雨量系列中，缺1957、1958、1961年降雨資料，需要插補(bǔ)。第四節(jié)降水資料的一致性檢驗(yàn)和插補(bǔ)(續(xù))等雨量線法對(duì)短歷時(shí)降水量，由於空間分佈不均，插補(bǔ)站降水量與附近站降水量之間的相關(guān)關(guān)係較差，從等雨量線圖上內(nèi)插效果較好。907050401501101.

土壤質(zhì)地土粒分級(jí)第五章土壤水第一節(jié) 土壤的物理特性2.

土壤結(jié)構(gòu)（糰粒結(jié)構(gòu)）

粘粒粉砂細(xì)砂粗砂粒徑(微米)

1-22-2020-200200-2000大於指定粒徑的百分比1008060402020010002000粒徑(微米)粘粒重量占60%以上—粘土砂粒重量占80%以上—砂土介於兩者之間——壤土

土壤質(zhì)地分類第一節(jié) 土壤的物理特性（續(xù)）3.

土壤孔隙分類

按成因劃分為：質(zhì)地孔隙、結(jié)構(gòu)孔隙、生物孔隙按大小劃分為：無(wú)效孔隙、毛管孔隙、非毛管孔隙4.

土壤特性的定量表示

a)土壤比重

s

（土壤中固體物質(zhì)與同體積水的重量比）

b)土壤容重

0

（土壤中固體物質(zhì)重量與土塊體積之比）

c)孔隙比e（土壤中孔隙體積與固體體積之比）

d)孔隙度

p（土壤中孔隙體積與總體積之比）

p=e/(1+e)重量含水量（

）

同一土樣中水分重量占幹土重量的百分比。

=(Ww

/Ws)*100%體積含水量（

）

同一土樣中水分體積占總體積的百分比。

=(Vw/V)

*100%

/

=(Vw/V)/(Ww/Ws)=Ws/V=s(土壤容重）飽和度

同一土樣中水的體積占全部孔隙體積的百分比。

S=(Vw/Vv)*100%第二節(jié) 土壤含水量第三節(jié) 土壤水分作用力及土壤水分常數(shù)一、土壤水分作用力分子力

土壤顆粒表面的分子和離子對(duì)水分的吸力。毛管力

在未充滿水的毛管孔隙中，因存在液體彎月面的表面張力，形成毛管力，作用於土壤水。重力二、土壤水分的存在形式吸濕水土粒分子從空氣中吸附的水分。約幾個(gè)分子厚度，為緊束縛水，與水文現(xiàn)象關(guān)係不大。薄膜水吸濕水外面，土粒剩餘分子力所吸持的水分。為受束縛水。毛管水支持毛管水——地下水面以上受毛管力支持而存在於土壤孔隙中的水分。毛管懸著水——受毛管力支持而懸吊於土壤孔隙中的水分。第三節(jié) 土壤水分作用力及土壤水分常數(shù)(續(xù))二、土壤水分的存在形式(續(xù))重力水土壤中在重力作用下能自由移動(dòng)的水分。滲透自由重力水

超過(guò)田間持水量的滲入水分。支持重力水自由重力支持毛管水——受地下水支持而存在於毛管孔隙之中的連續(xù)水體，能傳遞靜水壓力。

相對(duì)不透水層支持重力水——由於土層中存在相對(duì)不透水層，滲透水因交界面臨時(shí)飽和而產(chǎn)生的能在重力作用下流動(dòng)的水分。第三節(jié) 土壤水分作用力及土壤水分常數(shù)(續(xù))三、土壤水分常數(shù)最大吸濕量—飽和空氣中，土壤能吸附的最大水汽量。最大分子持水量——土粒分子力所結(jié)合的最大水分量。凋萎含水量——植物無(wú)法從土壤中吸收水分，開始永久凋萎時(shí)的土壤含水率。毛管斷裂含水量——毛管懸著水的連續(xù)狀態(tài)開始斷裂時(shí)的土壤含水率。田間持水量——土壤中保持最大毛管懸著水時(shí)的土壤含水率。飽和含水量——土壤中所有孔隙都充滿水時(shí)的土壤含水率。第三節(jié) 土壤水分作用力及土壤水分常數(shù)(續(xù))各土壤水分常數(shù)相應(yīng)的水分存在形式與作用力風(fēng)乾最大吸濕量凋萎含水量最大分子持水量毛管斷裂含水量田間持水量飽和含水量吸濕水水分存在形式薄膜水毛管水重力水結(jié)合水自由水作用力15分子力毛管力重力10000316.25個(gè)大氣壓0.30.001勢(shì)與力的關(guān)係對(duì)土壤水動(dòng)能可忽略。兩點(diǎn)之間勢(shì)的梯度相當(dāng)於作用力。土水勢(shì)的構(gòu)成基模勢(shì)——在未飽和土壤中，由於分子力和毛管力的作用而使土壤水具有的勢(shì)，稱為基模勢(shì)?；?shì)為負(fù)值。壓力勢(shì)——在飽和或出現(xiàn)地面積水的土壤中，自由水面下的土壤水由於靜水壓力的作用而具有的勢(shì)，稱為壓力勢(shì)。壓力勢(shì)為正值。重力勢(shì)——由於重力作用而使土壤水具有的勢(shì)，稱為重力勢(shì)。重力勢(shì)的值與參照基面有關(guān)。第四節(jié)土壤水的能量狀態(tài)總土水勢(shì)非飽和土壤中，總土水勢(shì)=基模勢(shì)+重力勢(shì)在飽和土壤中，總土水勢(shì)=壓力勢(shì)+重力勢(shì)靜態(tài)平衡下土水系統(tǒng)各種勢(shì)的分佈第四節(jié)土壤水的能量狀態(tài)（續(xù)）ABC靜態(tài)平衡表明土柱內(nèi)各點(diǎn)總勢(shì)相等。取0-0基準(zhǔn)面：A點(diǎn):

PA=HgA=0mA=0A=HB點(diǎn):

PB=0gB=HB=HmB=0C點(diǎn):

PC=0gC=H+h

C=HmC=-h考慮取1-1為基準(zhǔn)面時(shí)各點(diǎn)的勢(shì)。00hH11分析以下處?kù)鹅o態(tài)平衡狀態(tài)的土柱中各點(diǎn)勢(shì)的分佈：CBAZ

g

m基準(zhǔn)面45°

g(Z)=Z

m(Z)=-Z

(Z)=0分析：靜態(tài)平衡表明土柱內(nèi)各點(diǎn)總勢(shì)相等。因C點(diǎn)總勢(shì)為0，故土柱內(nèi)總勢(shì)處處為0。土壤水分特性曲線

反映基模勢(shì)(

m，通常也記為)與土壤含水率(

)間關(guān)係的曲線。同種土樣，在同一濕化（或幹化）過(guò)程中：越大，分子力與毛管力越小，|

m|或|

|越小，

m或

越大。越小，分子力與毛管力越大，|

m|或|

|越大，

m或

越小。粘土壤土砂土

m第四節(jié)土壤水的能量狀態(tài)（續(xù)）一、土壤水的連續(xù)性方程第五節(jié)土壤水運(yùn)動(dòng)的控制方程xzy單位時(shí)間內(nèi)，流入控制體的水量-

流出控制體的水量=控制體內(nèi)土壤水的改變量二、土壤水的運(yùn)動(dòng)方程飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)方程

飽和狀態(tài)下，土壤水運(yùn)動(dòng)滿足達(dá)西定律：AB水流方向：勢(shì)高處向勢(shì)低處斷面平均流速飽和水力傳導(dǎo)度總勢(shì)梯度飽和三維水流的達(dá)西定律：實(shí)例分析U型均質(zhì)土柱，左側(cè)維持6cm水深不變，右側(cè)L點(diǎn)所在斷面保持穩(wěn)定的出流量，分析圖中各點(diǎn)的勢(shì)。38.4524014.4531.340031.3423.350023.35

P

m

g

LKJIH423606181800分析:因水存在穩(wěn)定流動(dòng)，故各點(diǎn)勢(shì)不等?；鶞?zhǔn)面6cm12cm24cm18cmHIJKL27cm

非飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)方程二、土壤水的運(yùn)動(dòng)方程（續(xù)）設(shè)各項(xiàng)同性，Kx=Ky=Kz=K(

)，則：

水力傳導(dǎo)度KK=KS

=SK(

)

<SK

SKS三、飽和水流的基本微分方程四、非飽和水流的基本微分方程非飽和水流中=+Z，故：三、非飽和水流的基本微分方程（續(xù)）水準(zhǔn)方向：垂直方向：一、下滲的物理過(guò)程

根據(jù)水分所受作用力及運(yùn)動(dòng)特徵，乾燥土壤在充分供水條件下的下滲分三階段：滲潤(rùn)階段：主要受分子力作用，入滲水成為薄膜水，當(dāng)土壤含水量達(dá)到最大分子持水量時(shí)結(jié)束。滲漏階段：主要受毛管力、重力作用，入滲水主要成為毛管水，當(dāng)土壤含水量達(dá)到飽和含水量時(shí)結(jié)束。滲透階段：受重力作用，入滲水成為自由重力水向下滲出。第六章下滲第一節(jié) 下滲的物理過(guò)程下滲—降落到地面的雨水從土壤表面滲入土壤的過(guò)程。下滲率(f)

——單位時(shí)間、單位面積上的實(shí)際下滲量。穩(wěn)定下滲率(fc)

——處?kù)斗€(wěn)定不變時(shí)的下滲率。下滲能力(fp)

——充分供水時(shí)的下滲率。二、下滲率、下滲能力三、下滲過(guò)程中土壤含水量的垂向分佈規(guī)律討論條件：積水下滲、無(wú)地下水、初始含水量均勻、供水時(shí)間長(zhǎng)含水量(%)深度(m)飽和含水量田間持水量風(fēng)乾土飽和帶過(guò)渡帶水分傳遞帶濕潤(rùn)帶濕潤(rùn)鋒飽和帶過(guò)渡帶水分傳遞帶濕潤(rùn)帶濕潤(rùn)鋒第二節(jié) 非飽和下滲理論條件

1.忽略重力；

2.供水充分、表面無(wú)積水；

3.均質(zhì)半無(wú)限土柱，初始土壤含水量分佈均勻。定解問(wèn)題一、忽略重力作用的下滲邊界條件初始條件方程問(wèn)題求解當(dāng)D(

)=D為常數(shù)時(shí)，問(wèn)題變?yōu)椋毫顈(z,t)=(z,t)-

i,則：

以z為參數(shù)，將y(z,t)關(guān)於t作拉氏變換:問(wèn)題求解（續(xù)）求逆變換得：拉氏變換中，象函數(shù)對(duì)應(yīng)的原函數(shù)為經(jīng)拉氏變換後問(wèn)題為:解為:問(wèn)題求解（續(xù)）得到原問(wèn)題的解為：下滲能力曲線形狀為：fpt問(wèn)題求解1.

當(dāng)D(

)=D為常數(shù)時(shí)，問(wèn)題變?yōu)椋?/p>

下滲能力曲線形狀為：fpt(求解過(guò)程不展開)2.

當(dāng)D為的函數(shù)時(shí)，求解過(guò)程不展開，結(jié)論：二、考慮重力作用的下滲定解問(wèn)題：Z向下為正邊界條件初始條件方程結(jié)論：fpt一、基本假定

1.半無(wú)限土柱，初始土壤含水量分佈均勻。

2.地面積水深hp；

3.下滲鋒面以上是飽和的，

=

S，K=KS；

4.下滲鋒面以下為初始土壤含水量，吸力hS。第三節(jié) 飽和下滲理論

S

iABZ下滲鋒面位置二、公式推導(dǎo)fp～Z的關(guān)係充分供水條件下單位時(shí)間單位面積上入滲水量=fpZ——下滲鋒面位移。二、公式推導(dǎo)（續(xù)）z(t)的解二、公式推導(dǎo)（續(xù)）fp(t)的解

飽和下滲理論和非飽和下滲理論推得的下滲曲線均為t-1/2的函數(shù)，為下滲經(jīng)驗(yàn)公式的提出奠定了理論基礎(chǔ)。例題——習(xí)題集P13第2題第四節(jié) 經(jīng)驗(yàn)下滲曲線基本思路：對(duì)在特定條件下取得的下滲資料，選配合適的函數(shù)形式，並根據(jù)曲線擬合的好壞確定其中的各項(xiàng)參數(shù)。

時(shí)間(min)ΣP(mm)ΣR(mm)F(t)(mm)00.00.00.012.50.52.025.02.03.0512.56.36.21025.113.211.91537.120.716.4……………………第四節(jié) 經(jīng)驗(yàn)下滲曲線（續(xù)）霍頓公式在獲得（t，fp）數(shù)據(jù)後，給fp(t)配以合適的線型和參數(shù)。第四節(jié) 經(jīng)驗(yàn)下滲曲線（續(xù)）考斯加科夫公式第四節(jié) 經(jīng)驗(yàn)下滲曲線（續(xù)）菲利浦公式第五節(jié) 天然條件下的下滲一、均勻雨強(qiáng)時(shí)的下滲可分三種情況：(1)i>fp0，則整個(gè)下滲過(guò)程均按下滲能力下滲；(2)i<fc，則整個(gè)下滲過(guò)程均按雨強(qiáng)下滲；

fptFRfptFfpttpi關(guān)鍵：什麼時(shí)候開始按fp下滲？這關(guān)係到降雨產(chǎn)流時(shí)間。(3)fc<i<fp0，則先按雨強(qiáng)下滲，後按下滲能力下滲。是tp時(shí)刻嗎？回答是“否”fpF注意：只有按fp下滲時(shí)累積下滲量F與t才有以上關(guān)係，不按fp下滲，就不能按此線由t查F。注意：不論什麼情況累積下滲量F與fp都有以上關(guān)係，只要已知F

，就能按此線查出fp

。

當(dāng)tp′時(shí)刻才產(chǎn)流，tp′=面積ABCD/i。ABCDEtfptpitp′fpFFi

若fp～F已知，則直接查fp=i時(shí)的F，產(chǎn)流時(shí)刻=F/i。

按fp下滲，fp從fp0降到i的累積下滲量F=面積ABCD，即要F達(dá)到面積ABCD，i才正好等於fp。

可實(shí)際因?yàn)榘磇下滲。(0,tp)累積下滲量F=面積EBCD，故tp時(shí)刻不產(chǎn)流。fpitFR例題二、變雨強(qiáng)時(shí)的下滲fpFi1i2i3i4i5i6it假設(shè)t=0時(shí)，F(xiàn)=0，且

t=1，則：三、下滲的影響因素下滲能力方面(1)土壤的機(jī)械物理性質(zhì)，水分物理性質(zhì)；(2)下墊麵條件、地形地貌；(3)人類活動(dòng)。供水方面(1)降水性質(zhì)。影響因素總的可歸納為供水和下滲能力兩個(gè)方面。四、下滲的空間分佈第七章蒸發(fā)與散發(fā)一、封閉系統(tǒng)的水面蒸發(fā)記

t內(nèi)，逸出水面的水分子數(shù)為N，返回水面的水分子數(shù)n。

t=t0時(shí)刻，T=T0，N=n，e=eS(T0)，動(dòng)態(tài)平衡

t繼續(xù),T升高，N>n，e<eS，蒸發(fā)

t=t1時(shí)刻，T=T1，N=ne=eS(T1)，動(dòng)態(tài)平衡

t繼續(xù),T降低，N<n，e>eS，凝結(jié)

對(duì)於封閉系統(tǒng)，蒸發(fā)量?jī)H與飽和差（熱力條件）有關(guān)。第一節(jié) 蒸發(fā)現(xiàn)象及其控制條件二、天然條件下的水面蒸發(fā)

1、動(dòng)力因素：水汽分子擴(kuò)散，空氣對(duì)流和紊動(dòng)(風(fēng)速)；第一節(jié) 蒸發(fā)現(xiàn)象及其控制條件（續(xù)）氣壓差e

eS水面高度水汽壓氣壓差有風(fēng)時(shí)，全部時(shí)刻e

eS水面高度水汽壓無(wú)風(fēng)時(shí)，不同時(shí)刻2、熱力因素：太陽(yáng)輻射、水溫、氣溫等3、其他因素：空氣濕度，水質(zhì)(含鹽度、渾濁度、色度)，水體大小、水體深淺等。一、水汽輸送法(基於空氣紊動(dòng)擴(kuò)散理論研究水面蒸發(fā))

水汽輸送通量與水汽含量在輸送方向上的梯度成正比。第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法引入水準(zhǔn)方向切應(yīng)力的概念：

當(dāng)

與高程無(wú)關(guān)時(shí)，任意高度

=

0=u*2(u*—剪切速度)

，故：根據(jù)卡門-普朗德提出的均質(zhì)粗糙流的流速分佈：風(fēng)速與糙度的函數(shù)Hs=Rn–He–H+HI–Ho若合稱(HI–Ho)為Ra，則：Hs=Rn–He–H+Ha且He=LEHIHOHs蓄熱量變化量蒸發(fā)失熱He水體傳導(dǎo)失熱H淨(jìng)輻射Rn二、熱量平衡法(基於能量守恆原理研究水面蒸發(fā))

先由熱量平衡方程確定蒸發(fā)耗熱量，再除以水的蒸發(fā)潛熱。第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法（續(xù)）左式H難以確定，設(shè)H=

He

(

—波溫比)，則：三、綜合法或彭曼法(將水汽輸送法與熱量平衡法相結(jié)合)第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法（續(xù)）根據(jù)水汽輸送法：根據(jù)熱量平衡法：

水量平衡法原理簡(jiǎn)單且嚴(yán)密。但因各水量平衡項(xiàng)的觀測(cè)和計(jì)算均含有誤差，最終都體現(xiàn)在蒸發(fā)量上，當(dāng)蒸發(fā)量與其它項(xiàng)相比很小時(shí)，誤差更大。水量平衡法只適用於長(zhǎng)時(shí)段蒸發(fā)量計(jì)算。第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法（續(xù)）四、水量平衡法(基於水量平衡原理研究水面蒸發(fā))第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法（續(xù)）五、經(jīng)驗(yàn)公式法英寸英里/h0.36mm汞柱m/sm/s毫巴

一般無(wú)出流量，除非大暴雨引起蒸發(fā)器漫溢；沒(méi)有滲漏水量。故：第二節(jié) 確定水面蒸發(fā)的途徑和方法（續(xù)）六、器測(cè)法IPEt=t1t=t2常用蒸發(fā)器：

20cm、80cm、E601(直徑61.8cm)。大型蒸發(fā)池：器口面積10m2、20m2、100m2。大型蒸發(fā)池所測(cè)水面蒸發(fā)量與自然條件下水體的蒸發(fā)量接近。但蒸發(fā)器所測(cè)蒸發(fā)量須換算成天然水體蒸發(fā)量：E=kE器一、土壤蒸發(fā)率和蒸發(fā)能力土壤蒸發(fā)率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積上的土壤蒸發(fā)量(E)土壤蒸發(fā)能力：充分供水時(shí)的土壤蒸發(fā)率(Em)第三節(jié) 土壤蒸發(fā)二、土壤蒸發(fā)的影響因素蒸發(fā)能力方面——日照、溫度、濕度、風(fēng)速等氣象因數(shù)供水條件方面——土壤含水量(在講“土壤蒸發(fā)過(guò)程”時(shí)展開)土壤孔隙地下水位溫度梯度三、土壤蒸發(fā)過(guò)程第三節(jié) 土壤蒸發(fā)（續(xù)）(1)>田，E=Em

整個(gè)土層水分輸送通暢，供水充分，按蒸發(fā)能力蒸發(fā)，蒸發(fā)量大而穩(wěn)定。(3)<斷，E=CEm(C<<1.0)

毛管向上輸送水分的機(jī)制完全遭到破壞，水分只能以薄膜水或氣態(tài)水的形式供給蒸發(fā)，蒸發(fā)量小而穩(wěn)定。(2)斷<<田，E=f(Em,)

土層中部分毛管水?dāng)嗔?，供水不充分，隨著

的減小，連續(xù)狀態(tài)愈來(lái)愈多地遭到破壞，蒸發(fā)量急劇減小。毛管斷裂含水量(3)田間持水量(2)(1)E/Em

一、植物散發(fā)的影響因素1、氣象因素（日照、溫度、濕度、風(fēng)速等）；2、土壤含水量當(dāng)土壤含水量充分時(shí)，植物散發(fā)達(dá)到或接近散發(fā)能力。隨著土壤含水率的減少，植物散發(fā)漸減。當(dāng)土壤含水量低於凋萎含水量後，植物散發(fā)基本停止。3、植物種類和生理階段第四節(jié) 植物散發(fā)作物係數(shù)1.0

k

ksE/Em二、植物散發(fā)的規(guī)律一、流域蒸散發(fā)的影響因素根據(jù)蒸發(fā)面不同，流域蒸發(fā)包括：水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植被散發(fā)和冰雪蒸發(fā)等。通常流域內(nèi)水面和冰雪覆蓋面所占比重不大，故對(duì)絕大多數(shù)流域，總蒸發(fā)主要包括土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)。

因此，影響土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)的因素即是影響流域總蒸發(fā)的因素。綜合起來(lái)，影響因素包括：（1）氣象條件（日照、溫度、濕度、風(fēng)速等）；（2）流域內(nèi)土壤含水量；（3）流域內(nèi)土壤、植被分佈；（4）地形、地貌。第五節(jié) 流域蒸散發(fā)二、流域總蒸發(fā)規(guī)律(1)Em小,

則a小，可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持按蒸散發(fā)能力蒸發(fā)。(2)Em大,

則a大，略小於田，實(shí)際蒸散發(fā)量便降到蒸散發(fā)能力以下。1.0(3)(2)(1)E/Em

b

a

(1)>a，E=Em（注:

a<

田)

供水充分，蒸散發(fā)量大而穩(wěn)定。(2)b<<a，E=(

)Em（注:

b<

斷)

供水不充分，蒸散發(fā)量隨的減小而減小。(3)<b，E=CEm，C=0.05~0.10蒸散發(fā)能力0.050.150.25E/Em

1.

流域蒸散發(fā)能力的概念

充分供水條件下的流域蒸發(fā)率，是計(jì)算流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量的基礎(chǔ)。

2.

流域蒸散發(fā)能力的確定目前主要根據(jù)蒸發(fā)器觀測(cè)的水面蒸發(fā)經(jīng)折算後得到流域蒸散發(fā)能力。具體折算如下：三、流域蒸散發(fā)能力水量平衡法四、流域蒸發(fā)量計(jì)算PER思路：對(duì)閉合流域，滿足水量平衡方程：P=E+R+W在P、R、W已知的情況下，確定出E。

因

W很難確定，實(shí)用中水量平衡法只適用於W0情況下E的確定。概念性方法（三層蒸發(fā)模式）四、流域蒸發(fā)量計(jì)算（續(xù)）第八章產(chǎn)流機(jī)制第一節(jié)截流與填窪流域蓄滲過(guò)程徑流形成過(guò)程坡地匯流過(guò)程河網(wǎng)匯流過(guò)程坡面匯流壤中匯流地下匯流降雨P(guān)植物截留In填窪D植物散發(fā)ET下滲f蒸發(fā)E下滲f在該階段，不產(chǎn)生徑流的那部分降水稱為損失量，降雨量減損失量=產(chǎn)流量。

在流域上沿深度方向取一剖面，以地下水面為界可把土柱劃分成兩個(gè)含水帶。地下水面以下的飽和帶和地下水面以上的包氣帶。當(dāng)土柱中不存在地下水面時(shí)，就不存在飽和帶，不透水基巖以上的整個(gè)土層全屬包氣帶。當(dāng)不透水基巖露出地面時(shí)，就不存在包氣帶。第二節(jié)包氣帶及其結(jié)構(gòu)飽和帶包氣帶地下水位(1)

懸著毛管水帶—供水結(jié)束以後，在包氣帶上部存在懸著毛管水，厚度約1.0m。其水分來(lái)源於降水，消耗於蒸散發(fā)。既是降水的承受面，又是土壤的蒸發(fā)面，水分變化劇烈，另稱為影響土層。(2)

支持毛管水帶—在地下水面以上存在支持毛管水，厚度在1～2m左右。(3)

中間包氣帶—在懸著毛管水帶與支持毛管水帶之間的水分過(guò)渡帶。支持毛管水帶懸著毛管水帶中間包氣帶Z

包氣帶又可劃分成三帶：一、包氣帶的水分動(dòng)態(tài)

包氣帶的水分動(dòng)態(tài)是指包氣帶中土壤含水量及水分剖面的增長(zhǎng)與消退過(guò)程。1.包氣帶水分的增長(zhǎng)

包氣帶水分的增長(zhǎng)來(lái)源於上介面的降水(或灌溉)和下介面的地下水補(bǔ)給。在天然情況下，地下水的補(bǔ)給一般處?kù)毒鉅顟B(tài)。故上介面降水是主要原因。水分沿垂向的增長(zhǎng)可由下滲理論描述。增長(zhǎng)量等於累積下滲量。

深度第三節(jié)包氣帶的水分動(dòng)態(tài)及對(duì)降水的再分配作用2.包氣帶水分的消退

包氣帶水分的消退是由於上介面的蒸散發(fā)和下介面的內(nèi)排水補(bǔ)給。其中內(nèi)排水只有當(dāng)包氣帶存在自由重力水時(shí)才出現(xiàn)，故上介面蒸散發(fā)是主要原因。水分沿垂向的消退可採(cǎi)用三層蒸發(fā)模式計(jì)算。消退量等於蒸發(fā)量。深度

包氣帶中孔隙和裂隙等具有吸收、儲(chǔ)存和輸送水分的功能。1.包氣帶地面對(duì)降雨的再分配作用降雨到達(dá)地面以後，一部分消耗於植物截留、蒸發(fā)、填窪等損失，剩下部分被分成兩部分：超過(guò)地面下滲能力(容量)部分留在地表，其餘部分滲入地下。分配的結(jié)果是將雨水分為地面和地下兩個(gè)部分。即：P當(dāng)雨強(qiáng)小於下滲能力時(shí)，降雨全部滲入地下。RsF二、包氣帶對(duì)降水的再分配作用二、包氣帶對(duì)降水的再分配作用（續(xù)）2.土層對(duì)下滲水量的再分配作用下滲水量(F)一部分以蒸發(fā)形式逸出地面(E)。剩餘部分又被分成“土壤蓄存”和“徑流”兩個(gè)部分。蓄存部分是指水分運(yùn)動(dòng)中為維持土壤含水量等於或小於田間持水量所需的下滲水分。

特殊地，當(dāng)包氣帶的起始土壤含水量為最大分子持水量

a(z)，終止土壤含水量為田間持水量

f(z)時(shí)，S=包氣帶的最大蓄水容量SM。記Wf為包氣帶達(dá)到田間持水量時(shí)的土壤含水量(mm)，W0為包氣帶初始土壤含水量(mm)，Wt為時(shí)段末包氣帶含水量(mm)，即：

產(chǎn)生徑流部分是指土壤含水量超過(guò)田間持水量以後，以自由重力水形式運(yùn)行的部分。記一次降雨中包氣帶的輸水量為Tp，則：若F-E>Wf-W0，蓄存部分S=Wf-W0若F-E<Wf-W0，蓄存部分S=Wt-W0層次土壤中的下滲水流運(yùn)動(dòng)

層次土壤是指土壤物理及水分物理性質(zhì)存在明顯差異的均質(zhì)土層。一般可概括為兩種典型層理：（1）上層粗下層細(xì)一層具有較高水力傳導(dǎo)度的粗質(zhì)地土壤，位於具有較低水力傳導(dǎo)度的細(xì)質(zhì)地土壤之上。當(dāng)供水時(shí)，易在交界面形成積水，並逐漸向上回升，產(chǎn)生壓力水頭，在土層存在一定坡度時(shí)可產(chǎn)生側(cè)向水流。（2）上層細(xì)下層粗一層具有較低水力傳導(dǎo)度的細(xì)質(zhì)地土壤，位於具有較低水力傳導(dǎo)度的粗質(zhì)地土壤之上。交界面上不產(chǎn)生積水。自然界中的層次性土壤更多的是沿深逐漸變實(shí)的非均質(zhì)土壤。對(duì)層次性土壤：EF補(bǔ)充包氣帶缺水成為自由重力水側(cè)向流出量(Rss)深層下滲量(Rg)兩次分配中的優(yōu)先順序：第一次分配：降雨首先滿足下滲，來(lái)不及下滲時(shí)才有超滲徑流。第二次分配：下滲量首先滿足土壤蓄水，蓄足後才有自由重力水。三、包氣帶的水量平衡方程

包氣帶中水分的增長(zhǎng)、消退及各種分配間的定量關(guān)係可借助水量平衡方程來(lái)描述。以上F值可由地面以上大氣系統(tǒng)的水量平衡方程求出：EAEBECEDFFAFBFCA層C層B層Rss,ARss,BRss,C

在天然流域中，由於氣候、地形地貌、植被、地質(zhì)構(gòu)造、土壤、地下水埋深等因素的作用與影響，各處包氣帶的厚度是不同的。以包氣帶厚度為縱坐標(biāo)，以流域中包氣帶小於等於該厚度的面積占全部面積的百分比為橫坐標(biāo)，得出流域包氣帶的分佈曲線。流域包氣帶的分佈曲線間接反映了流域包氣帶蓄水能力的分佈特徵。產(chǎn)流過(guò)程是以包氣帶為核心的、對(duì)降雨的再分配過(guò)程。第四節(jié)產(chǎn)流的基本物理?xiàng)l件一、霍頓產(chǎn)流觀念1.把徑流劃分成二類條件，四種情況：

i

fpF>Ds則：Rs>0Rg

>0

i

fpF<Ds則：Rs

>0Rg

=0

i<fpF>Ds則：Rs

=0Rg

>0

i<fpF<Ds則：Rs

=0Rg

=02.認(rèn)為地面將降雨分成地表和地下兩種徑流成分；3.認(rèn)為產(chǎn)流是同步的，即只要i

fp，就全流域產(chǎn)流。ifpRsWMWDsF——累積下滲量(mm)Ds——流域缺水量(mm)Rg第四節(jié)產(chǎn)流的基本物理?xiàng)l件（續(xù)）二、傳統(tǒng)觀念與實(shí)際現(xiàn)象之間的矛盾如：i<fp時(shí)，也有地表徑流產(chǎn)生；i<fp時(shí)，確實(shí)無(wú)地表徑流產(chǎn)生，但在出口斷面可觀測(cè)到與降水對(duì)應(yīng)的流量過(guò)程；對(duì)應(yīng)一次降雨形成兩個(gè)形狀不同的洪峰過(guò)程；全流域產(chǎn)流是十分罕見(jiàn)的。根據(jù)上述矛盾提出疑問(wèn)：徑流成分是否只有2種？徑流產(chǎn)生的條件是否只有4種？既然不是全流域產(chǎn)流，應(yīng)該怎樣描述流域產(chǎn)流？第四節(jié)產(chǎn)流的基本物理?xiàng)l件（續(xù)）一、超滲地面徑流(Rs)的產(chǎn)流機(jī)制ifp條件：(1)要有介面，即地面(下滲能力fp)；

(2)要有供水，即降雨(雨強(qiáng)i)；

(3)要供水大於下滲，即i>fp

，rs=i–fp地面徑流產(chǎn)流率第四節(jié)產(chǎn)流的基本物理?xiàng)l件（續(xù)）二、壤中流(Rss)的產(chǎn)流機(jī)制fAfB條件：(1)要有介面，存在相對(duì)不透水層，如上層A和下層B，且下層比上層透水性差；

(2)要有供水，即滲入上層的雨水(下滲率fA)；

(3)要上層供水大於下層下滲，即fA

>fB,i>

fB；

(4)要在介面產(chǎn)生臨時(shí)飽和帶，並有側(cè)向排水條件。

rss=fA

–fB壤中徑流產(chǎn)流率第四節(jié)產(chǎn)流的基本物理?xiàng)l件（續(xù)）三、飽和地面徑流(Rsat)的產(chǎn)流機(jī)制條件：(1)表層土壤具有較強(qiáng)透水性，i<<fA，Rs=0；

(2)要有相對(duì)不透水層；

(3)要有供水，即滲入上層的雨水(下滲率fA)；

(4)要上層供水大於下層下滲，即fA

>fB,i>

fB；

(5)側(cè)向排水條件較差，介面上產(chǎn)生的臨時(shí)飽和帶不斷上升達(dá)到地面。

rsat=i-(rss+fB)fAfBi第四節(jié)產(chǎn)流的基本物理?xiàng)l件（續(xù)）四、地下徑流(Rg)的產(chǎn)流機(jī)制條件：(1)要有供水f；

(2)包氣帶薄，地下水位高；在地下水面以上、包氣帶下邊界上存在支持毛管水帶；

(3)整個(gè)包氣帶土壤含水量達(dá)到田間持水量。

第四節(jié)產(chǎn)流的基本物理?xiàng)l件（續(xù)）五、回歸流(Rr)的產(chǎn)流機(jī)制條件：(1)壤中流發(fā)育；

(2)土壤飽和帶露出地面；

(3)要具備有利於壤中流流出的坡度及地形。

相對(duì)不透水層第四節(jié)產(chǎn)流的基本物理?xiàng)l件（續(xù)）穩(wěn)定狀態(tài)下，fcKsi1雨強(qiáng)下，AB、BC介面均可能產(chǎn)生壤中流；i2雨強(qiáng)下，BC介面可能產(chǎn)生壤中流；i3雨強(qiáng)下，AB、BC介面均不可能產(chǎn)生壤中流。KsZi1i2i3A層B層C層(1)KB<i<KA，可能有Rss；(2)KB<KA<i，可能有Rs、Rss和Rsat發(fā)生；(3)KA<KB

且KA<i，可能有Rs發(fā)生。KAKBiKB1.01.0(1)(2)(3)AB第五節(jié)組合產(chǎn)流的類型和基本產(chǎn)流模式一、基本產(chǎn)流模式Rs型主要發(fā)生在地下水埋深大，包氣帶厚且透水性差的地區(qū)；雨強(qiáng)相對(duì)較大。由於包氣帶結(jié)構(gòu)的複雜性和降雨特性的多變性，實(shí)際發(fā)生的大多是幾種產(chǎn)流機(jī)制的組合。產(chǎn)流機(jī)制的組合——產(chǎn)流模式。Rs+Rss型主要發(fā)生在包氣帶厚，有相對(duì)不透水界面，上層透水性差，下層更差的地區(qū)；雨強(qiáng)相對(duì)較大。

Rsat+Rss型主要發(fā)生在包氣帶厚，但近地表有相對(duì)不透水界面，上層透水性極好，下層透水性很差的地區(qū)；雨強(qiáng)幾乎不超過(guò)地面下滲能力。一、基本產(chǎn)流模式（續(xù)）Rs+Rg型主要發(fā)生在包氣帶中等厚，土層均質(zhì)且透水性一般偏差，包氣帶下有地下水的地區(qū)；降雨歷時(shí)較長(zhǎng)。Rss+Rg型主要發(fā)生在包氣帶中等厚，但相對(duì)不透水界面較深，上層透水性極好，下層透水性略次，包氣帶下有地下水的地區(qū)；雨強(qiáng)幾乎不超過(guò)地面下滲能力。Rss型主要發(fā)生在包氣帶中等厚，但相對(duì)不透水界面較深，上層透水性極好，下層透水性很差的地區(qū)；雨強(qiáng)幾乎不超過(guò)地面下滲能力。一、基本產(chǎn)流模式（續(xù)）Rs+Rss+Rg型主要發(fā)生在包氣帶中等厚，存在相對(duì)不透水界面，上層透水性差，下層透水性更差，包氣帶下有地下水的地區(qū)；雨強(qiáng)大，降雨歷時(shí)長(zhǎng)。Rsat+Rss+Rg型主要發(fā)生在包氣帶中等厚，近地表有相對(duì)不透水界面，上層透水性極好，下層透水性很差，包氣帶下有地下水的地區(qū)；雨強(qiáng)小，降雨歷時(shí)長(zhǎng)。Rg型主要發(fā)生在包氣帶中等厚，土層均質(zhì)且透水性極好，包氣帶下有地下水的地區(qū)；雨強(qiáng)幾乎不超過(guò)地面下滲能力，降雨歷時(shí)長(zhǎng)。二、常見(jiàn)產(chǎn)流模式Rs型——超滲產(chǎn)流型特點(diǎn)：(1)產(chǎn)流量R取決於i和fp

，R=

(i–fp)i;

(2)雨止時(shí)土壤含水量仍未達(dá)到田間持水量Wm；

(3)徑流成分單一。Rsat+Rss+Rg型——蓄滿產(chǎn)流型特點(diǎn)：(1)產(chǎn)流時(shí)土壤含水量已達(dá)到田間持水量Wm

；

(2)產(chǎn)流量R取決於降雨量P和初始土壤含水量W0，

R=R(P,W0)=P-(Wm-W0)

(3)徑流成分複雜。二、常見(jiàn)產(chǎn)流模式（續(xù)）Rs型

Rsat+Rss+Rg型——轉(zhuǎn)換型對(duì)於一個(gè)固定地點(diǎn)(或流域)，其產(chǎn)流模式並不是一層不變的，在不同的供水和下墊面水分情況下，產(chǎn)流模式可以發(fā)生轉(zhuǎn)換。條件：主要發(fā)生在包氣帶中等厚度，近地表有相對(duì)不透水介面，土層透水性中等，降雨量變化幅度大，地下水位變幅較大的地區(qū)。特點(diǎn)：乾旱期：初始土壤含水量W0小，地下水埋深大——Rs型濕潤(rùn)期：初始土壤含水量W0大，地下水埋深淺——

Rsat+Rss+Rg型一、洪水波特徵的描述幾何特徵（波長(zhǎng)、波高、附加比降）相應(yīng)流量、相應(yīng)水位波速波體上某一位相點(diǎn)沿河道的運(yùn)動(dòng)速度—該位相的波速。Ck=dx/dt傳播時(shí)間

洪水波上任一位相的水位或流量出現(xiàn)在距離L的下斷面的時(shí)差。第十章地表水流第一節(jié)河道洪水波

當(dāng)河段中無(wú)旁側(cè)入流時(shí)，河段上、下兩個(gè)斷面的流量過(guò)程線一般有以下差異：洪水波上任一位相的流量，在河段下斷面的出現(xiàn)時(shí)間總是遲於上斷面的出現(xiàn)時(shí)間?！樗ǖ耐埔啤：佣蜗聰嗝媪髁窟^(guò)程線的形狀一般要比上斷面的低平矮胖一些?！樗ǖ奶够冃巍Ｏ鄳?yīng)流量的改變量相應(yīng)流量的波速二、洪水波的運(yùn)動(dòng)洪水運(yùn)動(dòng)的要素H、Q、斷面面積A、平均流速V：Q=Q(x,t)或H=H(x,t)一、明渠緩變不均勻流水力要素H、V、Q等隨時(shí)間變化；水流流線彎曲程度小，大致互相平行；動(dòng)水壓力分佈大致與靜水壓力分佈相同。第二節(jié)聖維南方程組二、連續(xù)方程原理：在不考慮旁側(cè)入流的情況下，上斷面入流量-下斷面出流量=河段蓄水量的改變量

洪水波運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e隨時(shí)間的變化與流量沿河長(zhǎng)的變化是相互抵償?shù)?。壓力三、?dòng)力方程原理:水流元素運(yùn)動(dòng)方向總動(dòng)量變化=沿水流方向作用力的合力。重力阻力局地動(dòng)量變化

由於洪水波情況下，流速V既是時(shí)間t的函數(shù)又是河長(zhǎng)x的函數(shù)，水流元素的動(dòng)量變化包括局地動(dòng)量變化和遷移動(dòng)量變化。遷移動(dòng)量變化附加比降項(xiàng)慣性項(xiàng)重力項(xiàng)摩阻項(xiàng)四、初始條件與邊界條件聖維南方程組是對(duì)河道洪水波運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述，連續(xù)性方程和動(dòng)力方程中一共包含Q、A、V、y四個(gè)未知數(shù)，因A=A(y)，Q=AV，實(shí)際上只有兩個(gè)未知數(shù)：（Q、y）

或（V、y）。對(duì)聖維南方程組求解方法的研究是河道洪水波運(yùn)動(dòng)研究的核心。1.初始條件在河道洪水波運(yùn)動(dòng)研究中，通常採(cǎi)用的初始條件是穩(wěn)定流條件。Q(x，0)=Q0(x)，對(duì)棱柱形河道，Q(x,0)=Q02.邊界條件

上邊界條件：取河段上游端的流量過(guò)程線。Q(0，t)=I(t)

下邊界條件：自由下邊界，Q(

，t)=Q0；下端受洪水頂托，Q(L，t)=f[H(L，t)，dH/dt]當(dāng)下遊端水位流量關(guān)係不受水位漲率影響時(shí)：Q(L,t)=f[H(L,t)]。第三節(jié)洪水波類型及其特徵

按動(dòng)力方程中各項(xiàng)力的對(duì)比關(guān)係，洪水波可分成四類：運(yùn)動(dòng)波、擴(kuò)散波、慣性波和動(dòng)力波。洪水波慣性項(xiàng)附加比降項(xiàng)摩阻項(xiàng)河底比降項(xiàng)運(yùn)動(dòng)波擴(kuò)散波慣性波動(dòng)力波一、運(yùn)動(dòng)波（可忽略慣性項(xiàng)和附加比降項(xiàng)）

表明運(yùn)動(dòng)波總是向下遊方向傳播，Ck=dQ/dA；洪水波運(yùn)動(dòng)方向，任何一個(gè)相應(yīng)流量在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都不發(fā)生變化。

運(yùn)動(dòng)波是一種沒(méi)有坦化現(xiàn)象的洪水波，但有可能產(chǎn)生變形。如果波速Ck不隨水深或流量而變，則不變形。但由於波體中各點(diǎn)的水深不同，而波速與水深成正比，對(duì)向下遊傳播的洪水波，波峰點(diǎn)的波速大於波前或波後任意點(diǎn)的波速，使得洪水波在傳播過(guò)程中，波前長(zhǎng)度不斷減小，變陡；波後的長(zhǎng)度不斷增加。

運(yùn)動(dòng)波的波速一般大於同流量下的斷面平均流速。二、擴(kuò)散波（可忽略慣性項(xiàng)）1、擴(kuò)散波水位流量關(guān)係QH2、擴(kuò)散波方程

3、擴(kuò)散波的傳播與衰減xx++__xADBC第四節(jié)槽蓄原理和槽蓄方程一、河段水量平衡方程式I(t)O(t)Qt二、河槽的調(diào)蓄作用三、槽蓄方程

河段的蓄量與河段中的水位沿程分佈有關(guān)，而河段中每一斷面的水位與流量又存在一定的關(guān)係。故河段槽蓄量是流量沿程分佈和斷面水位流量關(guān)係的函數(shù)。

穩(wěn)定流，河段槽蓄量與河段中的穩(wěn)定流量呈單一關(guān)係。在非穩(wěn)定流中，設(shè)河段的水面線為直線，當(dāng)河段中斷面水位保持不變時(shí)，河段槽蓄量即保持不變。由於附加比降的影響河段槽蓄量與河段下斷面流量可能存在三種情況：（1）下斷面漲洪時(shí)的流量>落洪時(shí)的流量，以W為橫標(biāo)，Q為縱標(biāo)，W～Q為順時(shí)針繩套關(guān)係；（2）下斷面漲洪時(shí)的流量>落洪時(shí)的流量；以W為橫標(biāo)，O為縱標(biāo)，W～Q為單值關(guān)係；（3）下斷面漲洪時(shí)的流量<落洪時(shí)的流量；以W為橫標(biāo)，O為縱標(biāo)，W～Q為逆時(shí)針繩套關(guān)係。四、特徵河長(zhǎng)代表穩(wěn)定流水面線代表漲洪時(shí)水面線代表落洪時(shí)水面線漲洪時(shí)：在中斷面水位保持不變的情況下，下斷面水位比穩(wěn)定流時(shí)降低，可使下斷面流量減??；但此時(shí)水面比降比穩(wěn)定流時(shí)增加了i

，又可使下斷面流量增大。

水位引起的Q與河段長(zhǎng)有關(guān)。特徵河長(zhǎng)就是使下斷面由水位引起的Q正好與由附加比降引起的Q抵消時(shí)的河長(zhǎng)。1、概念i

落洪時(shí)：在中斷面水位保持不變的情況下，下斷面水位比穩(wěn)定流時(shí)升高，可使下斷面流量增大；但此時(shí)水面比降比穩(wěn)定流時(shí)減小了i

，又可使下斷面流量減小。2、特徵河長(zhǎng)的計(jì)算公式3、不同河長(zhǎng)時(shí)(L>l，L=l，L<l)的W～Q關(guān)係分析漲洪時(shí)，水位變化引起的Q的減小量>附加比降引起的Q的增大量，使下斷面流量小於穩(wěn)定流時(shí)的流量。落洪時(shí)，水位變化引起的Q的增大量>附加比降引起的Q的減小量，使下斷面流量大於穩(wěn)定流時(shí)的流量。L>l的情形：i

lLWQ逆時(shí)針繩套WQ先出現(xiàn)河段最大蓄量，後出現(xiàn)下斷面最大流量。I(t)O(t)QtL>l的情形：逆時(shí)針繩套3、不同河長(zhǎng)時(shí)(L>l，L=l，L<l)的W～Q關(guān)係分析漲洪時(shí)，水位變化引起的Q的減小量<附加比降引起的Q的增大量，使下斷面流量大於穩(wěn)定流時(shí)的流量。落洪時(shí)，水位變化引起的Q的增大量<附加比降引起的Q的減小量，使下斷面流量小於穩(wěn)定流時(shí)的流量。L<l的情形：i

lL順時(shí)針繩套WQQ先出現(xiàn)下斷面最大流量，後出現(xiàn)河段最大蓄量。I(t)O(t)QtL<l的情形：W順時(shí)針繩套WQ河段最大蓄量與下斷面最大流量同時(shí)出現(xiàn)。通常假定W=KQ，K—槽蓄係數(shù)，性質(zhì)上相當(dāng)於河段傳播時(shí)間。I(t)O(t)QtL=l的情形：第五節(jié)枯水及退水規(guī)律

枯水是河流斷面上較小流量的總稱?？菁舅康难a(bǔ)給完全依賴於流域蓄水量。（1）枯季徑流的影響因素

a.

流域蓄水量的影響前期氣象條件、水文地質(zhì)條件、湖泊率、沼澤率、植被率等

b.

河流本身的特性流域面積、河床下切深度、河網(wǎng)密度等（2）退水規(guī)律退水段：地面徑流完全停止，流域蓄水量的補(bǔ)給=0，全部靠流域之前持有的蓄水量補(bǔ)給徑流的時(shí)段。1.

退水規(guī)律QtQ=Q(H)W=W(H)Q=Q(W)因流域中的水位很難描述，故建立蓄量與出流量之間的關(guān)係，將流域視為一個(gè)蓄水體，並將其概化成線性水庫(kù)，即:W=KQ由水量平衡方程式：I-Q=dW/dtI=0-Q=dW/dtW=KQ-Q=dW/dtQ0—退水開始時(shí)流量K—滯(蓄)水系數(shù)。K越大，徑流消退得越慢。WHQ2.

標(biāo)準(zhǔn)退水曲線

步驟：

(1)採(cǎi)用相同的縱橫比例尺點(diǎn)繪各次洪水過(guò)程;(2)取一張透明紙，蒙在退水過(guò)程線上，描出一次洪水退水過(guò)程；

(3)以此線為基礎(chǔ)，沿橫坐標(biāo)左右移動(dòng)，描出各次洪水的退水過(guò)程，要求使各次洪水的尾部完全重合；

(4)取各次退水的下包線作為流域標(biāo)準(zhǔn)退水曲線；

(5)確定蓄水係數(shù)K(或

=1/K）;lnQt直線斜率=-

a.圖解法確定K(或

)2.

標(biāo)準(zhǔn)退水曲線（續(xù)）b.分析法確定K(或

)

從洪水退水段上摘取Q0，Q1，Q2

……Qn(取

t=1d)確定了K(或

)後，即可進(jìn)行退水段流量預(yù)報(bào)。3.

徑流成分的劃分(1)

不同徑流成分的退水規(guī)律

V

K

地表大小大壤中中中中地下小大小lnQt地表壤中地下(2)

徑流成分的劃分

a.直線分割法按起漲流量Q0平行於橫坐標(biāo)軸畫直線，取其與退水段的交點(diǎn)作為地表徑流結(jié)束點(diǎn)。tQABtQABb.

斜線分割法將起漲點(diǎn)與直接徑流終止點(diǎn)相連(直接徑流終止點(diǎn)的確定)。第一節(jié)線性擴(kuò)散波演算法一、定解問(wèn)題的構(gòu)成二、入流過(guò)程的處理求上述定解問(wèn)題的解，首先必須解決上斷面入流過(guò)程的數(shù)學(xué)描述問(wèn)題。設(shè)法使用簡(jiǎn)單函數(shù)的組合來(lái)逼近實(shí)際的入流過(guò)程。

1.簡(jiǎn)單入流函數(shù)

(1)單位入流H(t)

(2)延遲單位入流H(t-a)第十一章洪水演算(3)單位矩形入流Iab(t)(4)單位暫態(tài)脈衝入流

(t)2.複雜入流的概化I(t)t三、基本解1、單位入流所形成的出流過(guò)程——S曲線此時(shí)Q(0,t)=H(t),應(yīng)用拉普拉斯變化解法導(dǎo)得S(x,t)見(jiàn)P102

S(x,t)具有以下性質(zhì)：t=0時(shí)，S(x,t)=0

t

無(wú)窮大，S(x,t)

1三、基本解（續(xù)）2、單位矩形入流所形成的出流過(guò)程——時(shí)段單位線u(t,x,t)

此時(shí)Q(0,t)=I01(t),因I01(t)=H(t)-H(t-1),按照疊加原理：u(t,x,t)=S(x,t)-S(x,t-t)u(t,x,t)具有以下性質(zhì)：

(水量平衡原理)三、基本解（續(xù)）3、單位暫態(tài)脈衝入流所形成的出流過(guò)程——暫態(tài)單位線u(x,t)

此時(shí)Q(0,t)=

(t),應(yīng)用拉普拉斯變化解法導(dǎo)得u(x,t)見(jiàn)P103u(x,t)具有以下性質(zhì)：說(shuō)明：當(dāng)上斷面有一個(gè)簡(jiǎn)單入流(如單位入流、單位矩形入流、單位暫態(tài)脈衝入流)輸入時(shí)，下游沿程每個(gè)斷面都有一條相應(yīng)的S曲線、時(shí)段單位線、暫態(tài)單位線，當(dāng)x確定時(shí)，S曲線、時(shí)段單位線、暫態(tài)單位線只隨t變。三、基本解（續(xù)）3、單位入流所形成的出流過(guò)程——暫態(tài)單位線u(x,t)

此時(shí)Q(0,t)=

(t),應(yīng)用拉普拉斯變化解法導(dǎo)得u(x,t)見(jiàn)P103u(x,t)具有以下性質(zhì)：四、出流過(guò)程的計(jì)算

1、線性系統(tǒng)的定義（符合倍比性和疊加性）

2、複雜入流的出流過(guò)程第二節(jié)線性運(yùn)動(dòng)波演算法txjx(j+1)x(n+1)tnt-txjx(j+1)x(n+1)tnt參數(shù)確定（K與X）：特徵河長(zhǎng)空間步長(zhǎng)空間步長(zhǎng)波速第三節(jié)線性特徵河長(zhǎng)連續(xù)演算法一、基本微分方程的建立

消去所有中間變數(shù)O1,O2…ON-1,得到N階常微分方程。當(dāng)各單元河段的槽蓄係數(shù)均不隨時(shí)間變化時(shí)，微分方程是線性的。二、河段匯流曲線二、河段匯流曲線（續(xù)）三、參數(shù)的確定先求出特徵河長(zhǎng)l，河段數(shù)N=L/lKl——洪水波在特徵河長(zhǎng)內(nèi)的傳播時(shí)間。對(duì)應(yīng)每個(gè)t，代入Kl和N就可以計(jì)算S(t)，進(jìn)而得到u(t，t)。教材P117例題，佈置習(xí)題冊(cè)河道匯流部分的習(xí)題。第十二章流域產(chǎn)流

一個(gè)大流域是由許多小流域構(gòu)成的，而小流域又是由更小的集水