因怕忘却自己的身份,写此文谨记之。

绪论

研究对象当然是地球上的水(资源),更多侧重于陆地上的水。由地表水循环所引申出的水量平衡是水文学中的一个重要的概念(其本质是质量守恒和能量守恒)。

我国水资源特征

  1. 总量丰富,人均匮乏;
  2. 天然来水时空分布不均,年际、年内分配不均;
  3. 水土流失问题和水污染问题严重;
  4. 水能资源丰富(世界第一),但开发有限。

水文

水文指的是自然界中水的变化、运动等的各种现象,文作自然界“现象”讲。水文也有其基本特点:

  1. 时程变化上的周期性与随机性;
  2. 空间变化上的相似性与特殊性。

水文要素包括各种水文变量的水文现象。降水蒸发径流是水文循环的基本要素。同时,水位、流速、流量、水温、含沙量、冰凌和水质等也列为水文要素。

工程水文学

工程水文学是由于需要解决水灾害和水资源开发利用中出现的一系列工程上的问题而诞生的学科,根据工程规划设计、施工建设和经营管理的三个常规阶段有不同的要求。

工程水文学的主要内容包括:

  • 水文测验(水文信息采集与处理)
  • 降雨径流关系分析
  • 水文分析与计算
  • 水文预报

研究工程水文的方法主要有:

  • 成因分析法:研究水文过程机理,定量分析水文现象与影响因素的关系,建立相应数学物理方程求解,例如降雨径流的定量关系;
  • 地理综合法:根据水文的地区性分析水文要素的地理分布规律,利用现有的水文资料建立地区性经验公式(葵花宝典),绘制水文特征等值线图。
  • 数理统计法:以概率论和统计学为基础,通过大量历史资料分析水文现象的统计规律,以概率的角度定量预估设计地点未来的水文情势,例如频率分析

径流

降水落到地面后,除了下渗、蒸发等损失外,在重力的作用下沿着一定方向和路径流动,称为地面径流

降雨或融雪形成的径流从它形成的地点沿坡地向河槽的汇集,形成坡面径流,径流过程称为坡面汇流;各种成分的径流经坡面汇流之后注入河网,最后流出流域出口断面,称为河网汇流

基本知识

降水

降水包括降雨降雪,其本质是空气中的水汽量达到饱和或过饱和后多余的水汽发生凝结,最终在重力的作用下降落至地面。降水也由一些基本要素表示:降水量降水历时、降水强度(雨强)、降水面积、暴雨中心等。与降水有关的主要气象要素包括气温气压湿度、云等。

根据空气抬升形成动力冷却的原因,将雨分为对流雨、地形雨、锋面雨()和气旋雨等。

河流

地面径流长期腐蚀地面,冲成沟壑,最后汇集成河流。河流也有其基本特征:河长、河流的平面形态、河流断面(横、纵断面)、河道纵比降等。

河流的各种干支流和湖泊等构成的脉络相连的系统称为水系。为了进一步区别,常用河流分级法进行分级。

流域

汇集地表水和地下水的区域称为流域。流域也有基本要素:流域面积、河网密度、形状系数等。

下渗

地表水土壤水地下水是陆地上普遍存在的三种水体。下渗和土壤水运动也是径流形成的基本环节。土壤根据含水的情况又从上至下分为包气带饱和带。土壤水由于所受作用力的不同有吸湿水薄膜水毛管水重力水四种不同的存在形式。

水文学中常用的土壤水分常数包括:

  • 最大吸湿量
  • 最大分子持水量
  • 凋萎含水量
  • 毛管断裂含水量
  • 田间持水量
  • 饱和含水量

下渗是指降落到地面的雨水从地表渗入土壤中的运动过程,可分为渗润渗漏渗透三个阶段。研究下渗问题时,下渗能力和雨强的关系需要予以考虑。

埋藏在地表以下各种状态的水称为地表水(广义),分为包气带水潜水承压水三类。

蒸散发

降水的逆过程。分为水面蒸发土壤蒸发植被蒸发(植物截留蒸发和植物散发)。一般情况下,蒸发面上的蒸发量只能小于或等于蒸发能力。

流域总蒸发的估算常通过流域多年平均水量平衡方程计算: $$ \overline{E}=\overline{P}-\overline{R} $$

产流

流域产流过程实际上是降水扣除损失的过程。降水量扣除损失后的雨量就是净雨量和径流量相等

降水除了少量直接落到河流上成为径流外,一部分会由于植物截留而最终消耗于蒸散发,一部分会积蓄于地面上的坑洼(填洼,进而产生地表径流),落到土壤中的降水在土壤中下渗,再根据土壤下渗能力和雨强的关系可以得到地表径流、壤中流和地下径流。

下渗到土壤中的降水首先被土壤颗粒吸收,成为包气带土壤水,使土壤含水量不断增加,当土壤含水量达到田间持水量后再向深处下渗到饱和带,使地下水水位抬升,形成地下径流,并沿水力坡度方向补给河流,或以泉水露出地表。

汇流

径流就是净雨汇流的结果。净雨沿着坡面从地面和地下汇入河网,然后再沿着河网汇集到出口断面,这一过程称为流域的汇流过程,分为坡地汇流和河网汇流。

径流常用流量(瞬时)、径流量(时段$T$内)、径流深、流量模数、径流模数等来表示。

水文信息采集与处理

测站和站网

在流域某一地点对所需的水文要素作系统观测,这些地点就是测站,一个流域多个测站组成的体系称为站网

水文测站一般布设基线水准点和包括基本水尺断面、测流断面、上下比降断面在内的各种断面

观测的内容主要为:

  • 降水观测
  • 水位观测
  • 流量(流速)观测
  • 泥沙测验
  • 地下水监测
  • 水质监测

水文调查

为了补充测站和站网的资料,需要对当地历史资料进行水文调查,调查的内容可分为流域调查、水量调查、洪水与暴雨调查等。

水文信息的处理

水文信息的加工处理即资料整编,又称撰写开源式葵花宝典1。主要为水位流量关系曲线。

  1. 稳定水位流量关系曲线(单值函数关系)
  2. 不稳定水位流量关系曲线(绳套曲线)

流域径流计算

产流阶段是指降水经过各种损失扣除之后得到净雨的过程;汇流阶段是净雨沿地面和地下汇入河网并经河网汇集到出口断面的过程。

降雨径流计算

流域降雨量

全流域降雨量根据流域内各雨量站的数据进行估算,常用的方法有算术平均法泰森多边形法和等雨量线法等。

雨/流量过程线

雨量过程线主要包括降雨强度过程线和累计雨量过程线,二者可以互相转换。

流域出口流量过程线除了本次降雨形成的径流外,往往还包括前期降雨径流中没有退完的水量,计算径流时要减去这些水量。流域蓄水量的消退过程线称为退水曲线: $$ Q_t=Q_0 e^{-t/k} $$ 对流量过程线的分割又叫做水源划分,常用斜线分割法,从流量的起涨点到地面径流的终止点之间连成一条线,上部为地面径流,下部为地下径流。

土壤含水量

根据水量平衡方程计算: $$ W_{t+1} = W_t + P_t - E_t - R_t $$ 根据土壤的性质,流域蓄水容量有上限。在进行计算时,需要设定流域的初始含水量,但是在实践中常采用前期影响雨量来代替土壤含水量。

土壤含水量还和流域蒸发量有关,而流域蒸发量主要决定于气象要素及土壤湿度,在不同的情况下可以用流域蒸发能力土壤含水量来表征。流域蒸发量的计算模式有三种,对流域蓄水容量的分层分为一层蒸发模式、二层蒸发模式和三层蒸发模式

蓄满产流模式

湿润地区,由于雨量充沛、地下水位较高,包气带较薄等原因,土壤含水量很容易达到流域蓄水容量2,流域蓄满水后产生地面径流,称为蓄满产流

蓄满产流一般采用蓄满产流模型计算(新安江模型)。

超渗产流模式

干旱和半干旱地区,降雨量小,地下水埋藏很深,当雨强大于下渗强度时才产生地面径流,称为超渗产流

超渗产流通常采用下渗曲线法初损后损法等进行计算。

流域汇流计算

等流时线法

假定流域中任一地点的雨水流速都相同,则任一地点净雨水质点流达出口断面的时间就取决于它与出口断面的距离。据这一假定,将流域内汇流时间相等的点连接起来,称为等流时线

单位线法

单位时段内给定流域上、 时空分布均匀的一次单位净雨量在流域出口断面所形成的地面径流过程线,称为单位线

单位线法又分为时段单位线法和瞬时单位线法。

但是我到现在都还不知道单位线到底是什么……

线型水库法

线型水库是指水库的蓄水量与出流量之间的关系为线性函数。流域地下水的贮水结构近似为一个线型水库。

河道汇流计算

在没有区间入流的情况下,河段流量演算满足河段水量平衡方程槽蓄方程,前者反映河段进出流量和蓄水量之间的关系;后者反映河段蓄水量和流量之间的关系。

马斯京根法

马斯京根是美国的一条河。马斯京根法在槽蓄方程中设置了一个流量比重因素,再联立水量平衡方程计算。

线性回归法

略。

水文预报

水文预报主要是根据已知信息对未来一定时期内的水文情势作出定性或者定量的预报,通常预报的水文要素有流量、水位、冰情和旱情。其中洪水预报的预见期就是洪水能提前预测的时期。

短期洪水预报

降雨径流预报

预见期就是指洪水的平均汇流时间。降雨径流的计算通常分为四步:

  • 蒸散发计算
  • 产流计算
  • 水源划分
  • 汇流计算

河段洪水预报

常用方法有相应水位法、合成流量法。

实时洪水预报

略。

施工洪水预报

略。

枯水预报

略。

精度评定

误差指标

采用绝对误差、相对误差和确定性系数

许可误差

指误差允许的范围。

精度评定

根据合格率($QR$)或者精度等级表确定。

水文统计

水文频率计算包括分布线型参数估计

目估适线法

我国水文计算中常用P-III型曲线。参数估计方法采用矩法或者适线法(配线法)。

适线法中,经验频率的估计常采用期望公式: $$ P=\frac{m}{n+1} $$ 重现期($T$)是指在许多实验中,某一事件重复出现 的时间间隔的平均数。频率和重现期有两种表示方法:

  • 暴雨洪水。$P<50%$,$T=1/P$;
  • 枯水。$P>50%$,$T=1/(1-P)$;

相关分析

相关分析就是研究两个或者多个变量之间的关系。两种变量之间的关系一般有三种情况:

  • 完全相关(函数关系)
  • 零相关(没有关系)
  • 相关关系(介于完全相关和零相关之间)

设计年径流分析及径流随机模拟

在不同的给定水文资料的前提下对径流的分析与模拟。

具有长期实测径流资料

三性审查

  • 可靠性:对测验方法、采集成果、处理方法和处理成果审查;
  • 一致性:气候条件和下垫面条件的稳定性是否被破坏。
  • 代表性:样本的分布参数是否和总体的分布参数接近。

  1. 即地区水文学资料的葵花宝典,该资料的作者对当地河流的几十年的管理和观测整理出来的除了自己别人看不懂的水文资料,由熊立华老师于《流域水文模型》课程中提出。 [return]
  2. 详见流域蓄水容量曲线[return]