环境水文学Chapter9.ppt
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水文学原理(九 地表水流)
i0
i
i i0 i
i较小
涨洪段（波前），i 是正的，落洪段（波后） i是负的.
7
1-2 Flood wave characteristics
3) 相应流量与相应水位
(Corresponding discharge (water levels, stages))
洪水波轮廓线（水面线）上某一位相的流量称为相应流量，某一 位相水位称为相应水位. 峰值的位相最重要.相应于洪峰位相的流量或水位称为相应洪峰 流量或相应洪峰水位.
8
1-2 Flood wave characteristics
4) 波速(Wave velocity)
洪水波的运动速度。 相应流量或相应水位的传播速度。
9
1-3 Movement of flood wave
在某一固定断面，可以测得Q t 和 H t 过程。
为了比较洪水过程随河长的变化，可以在河段内设置上、下两 个断面，进行 Q, H 观测，得 Q上（H上）-t 和 Q下（H下）-t。
13
Part 2 Kinematic wave and Diffusion wave
A
洪水运动的水力学描述 (Hydraulic description of flood wave movement)
B
洪水波的分类 (Classification of flood wave)
C
运动波及其特征 (Kinematic wave)
I(t) O(t)
t
10
1-3 Movement of flood wave
在某一固定断面，可以测得Q t 和 H t 过程。
为了比较洪水过程随河长的变化，可以在河段内设置上、下两 个断面，进行 Q, H 观测，得 Q上（H上）-t 和 Q下（H下）-t。
09水文学3
水循环示意图
§2.1 地球上的水循环
二、水循环的基本环节及循环机制（原因）
•基本环节——
蒸发 输送 降水 下渗 径流
§2.1 地球上的水循环
二、水循环的基本环节及机制（原因） •循环机制——
外因： 太阳辐射、地球引力（重力作用）
内因： 水的三相转化（自然温压条件下）
§2.1 地球上的水分循环
§2.2 地球上的水量平衡
三、水量平衡方程： （3个）
（一）通用水量平衡方程 （二）全球水量平衡方程 （三）流域水量平衡方程
（P48~51）
三、水量平衡方程：
（一）通用水量平衡方程 根据水量平衡原理（I-Q=ΔS），可列出任意研究 区域的水量平衡方程式：
P+R上入+R下入-E- R上出- R下出 –q = S2-S1（ΔS） 式中：
◆从水循环的意义和水的实际利用来分析， 水资源是否“取之不尽、用之不竭”？ ◆人类对自然水循环过程的影响？
*人类对自然水循环的影响(径流)——
二元水循环——自然水循环、人类社会水循环
*“人类社会水循环”与“自然水循环”的关系 “人类社会的水循环”是指人在生产生活过程中不 断地取水、用水和排水而产生的人为水循环过程。它依 附于自然水循环而存在，是自然水循环的组成部分，或 是一个环节、分支（如同蒸发、下渗等环节），它不是 一个独立的水循环过程。 水的“自然循环”和“社会循环”（二元水循环） 是交织在一起的，水的社会循环依赖于自然循环而存在， 同时又严重干扰自然界的水循环。处理不好，会产生一 系列水问题与生态环境问题。从“天人合一”和“人与 自然协调发展”的角度出发，应当将水循环研究纳入到 “天然-人工”这个更为完整的水循环体系中。
§2.2 地球上的水量平衡
水文学原理 ppt课件
海洋水文学 水文气象学
陆地水文学
地表水水文学 土壤水水文学
地下水水文学
河川水文学 湖泊水文学 冰川水文学 河口水文学
按应用分 环境水文学、农业水文学、城市水文学······
水文学
研究对象 研究内容 研究方法 研究意义 发展史
一、水文学及其研究对象
• 1、பைடு நூலகம்文学
International association of hydrological sciences
– 国际水文科学协会（IAHS）：研究地球上水文循环和大陆上各种水，
如地下水和地下水，雪和冰川及其物理的、化学的和生物学的变化过
程；各类形态的水与气候及其他物理的和地理的因素间的关系，以及
它们之间的相互作用；研究侵蚀和泥沙同水文循环的关系；检验在水
资源管理和利用中的水文问题；以及在人类活动影响下水的变化。
– 中国大百科全书：水文科学是地球上水的起源、存在、分布、循环、 运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系，水圈同大气 圈、岩石圈和生物圈等自然圈层的关系也是水文科学的研究领域。
第八章 产流机制
第三章 流域和水系 第十章 地表水流
第四章 降 水
第十一章 洪水演算
第五章 土 壤 水 第六章 下 渗
第十二章 流域产流 第十三章 流域汇流
三、研究方法
• 1、水文现象的特点
• 水文现象：水在循环过程中的存在和运动形态。
• 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
应用范围
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、生态水文学等
工作方式 水文测验学、水文调查学、水文实验学
研究地域 区域水文学、全球尺度水文学（大尺度水文学）
《水文学原理》课件
水文学在水利工程中的应用
水利工程规划
水文学为水利工程提供基础数据 ，如流域的径流量、水位、流速 等，帮助规划者评估工程对流域
水文环境的影响。
洪水预测与管理
水文学通过分析历史洪水数据， 预测未来洪水趋势，为洪水预警
和防洪减灾提供科学依据。
水资源评价与开发
水文学研究流域的水资源量、分 布和变化规律，为水资源评价、 开发利用和保护提供重要依据。
意义
水循环是地球上水圈和大气圈相互作用的产物，是地球上水的重要运动和循环过 程，对地球表面的气候、生态系统和人类生活等方面都有重要影响。
水循环的环节与过程
环节
水循环包括蒸发、降水、径流等环节 。
过程
水从海洋蒸发后形成水汽，通过气流 输送到陆地，在陆地形成降水，再通 过地表径流和地下水等方式回到海洋 ，完成一个循环。
水文学观测的现代技术
遥感技术
利用卫星或飞机搭载的 遥感设备，对大面积水 体进行快速、准确的观
测。
自动监测技术
利用传感器、数据采集 器等设备，对水体各项
参数进行实时监测。
GIS技术
利用地理信息系统，对 水文学数据进行空间分
析和管理。
数学模型
利用数学模型模拟水文 学过程，预测水文学变
化趋势。
水文学观测数据的处理与分析
河流、湖泊、地下水等水体类型与特征
河流
地下水
河流是流动的水体，由雨水、融雪等 补给，具有水位、流量、流速等特征 ，是水循环的重要环节。
地下水是储存在地下的水体，主要由 降水、地表水渗透形成，具有水位、 水质、储量等特征，是重要的水资源 之一。
湖泊
湖泊是静止的水体，主要由河流、地 下水等补给，具有水深、水质、湖岸 线长度等特征，对周边生态环境有重 要影响。
水文学水文学的一般概念与水文测验PPT课件
水位－面积－流速 关系延长法
水力学公式 延长法
史蒂文森法
第45页/共50页
1）水位—面积－流速关系延长法 当需要延长的水位变幅小于总水位变幅的20％时，可
按曲线相关分析的趋势外延。
先根据本年实测大断面，绘出H-A关系曲线
延长高水位的H-V曲线
根据任一高水位值，由上述两条的延长部分查出相应的A,V值， 距Q=A·V算出延长的流量，就可将H-Q关系曲线延长
第3页/共50页
深泓线(溪线)：河 道中各横断面最大 水深点的连线。
中泓线：河道中各横断面水 流最大流速点的连线。
第4页/共50页
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。
观测水位设备
水尺
自记水位计
第25页/共50页
水位观测资料的整理
日、月、年 平均水位计算
编制“逐日平均 水位表”
绘制日平均水位 过程线与日平均 水位历时曲线
第26页/共50页
日平均水位法
1）算术平均法 2）面积包围法
H
1 n
n i 1
Hi
H
1 2 24
H 0 a
H1a b
H2 b c
Hn1m nH nn
Vmax h0.2H Vmid h0.6H
第37页/共50页
第38页/共50页
✓ 测流原理
实际工作中用实测断面面积和实测流速来推算
n
Q vi • Ai i 1
第39页/共50页
流速仪实测流速的方法
第40页/共50页
2.6 水位—流量关系曲线 水位—流量关系曲线的绘制
水力学公式 延长法
史蒂文森法
第45页/共50页
1）水位—面积－流速关系延长法 当需要延长的水位变幅小于总水位变幅的20％时，可
按曲线相关分析的趋势外延。
先根据本年实测大断面，绘出H-A关系曲线
延长高水位的H-V曲线
根据任一高水位值，由上述两条的延长部分查出相应的A,V值， 距Q=A·V算出延长的流量，就可将H-Q关系曲线延长
第3页/共50页
深泓线(溪线)：河 道中各横断面最大 水深点的连线。
中泓线：河道中各横断面水 流最大流速点的连线。
第4页/共50页
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。
观测水位设备
水尺
自记水位计
第25页/共50页
水位观测资料的整理
日、月、年 平均水位计算
编制“逐日平均 水位表”
绘制日平均水位 过程线与日平均 水位历时曲线
第26页/共50页
日平均水位法
1）算术平均法 2）面积包围法
H
1 n
n i 1
Hi
H
1 2 24
H 0 a
H1a b
H2 b c
Hn1m nH nn
Vmax h0.2H Vmid h0.6H
第37页/共50页
第38页/共50页
✓ 测流原理
实际工作中用实测断面面积和实测流速来推算
n
Q vi • Ai i 1
第39页/共50页
流速仪实测流速的方法
第40页/共50页
2.6 水位—流量关系曲线 水位—流量关系曲线的绘制
环境水文学
湿地植物种 植开发利用
湿地生态旅 游业的发展
Part Five 湿地对环境的影响
净化环境：以物理的吸附作用、生物的降解作用和化学合成与分解；
蓄积水资源，提供水资源；
调节气候：吸附CO2、SO2等气体，固定碳，释放氧气 消除城市热岛效应；
降低光污染，吸收噪音；
良好的生态系统，增加生物多样性，促进环境的稳定； 筛选改良物种，保存了良好的基因特性；
溶解氧； 潮汐波；生物量； 碎屑；营养物循环
增加湖泊的深度和广度； 减少点源、非点源污染； 迁移富营养沉积物； 消除过多草类；生物调控 疏浚河道；切断污染源 增加非点源污染净化带 防止侵蚀沉积
禁止矿物开采；严禁滥伐 控制不合理建设；减少废物堆积
河流、河缘湿 地
红树林湿地
THANK YOU FOR WATCHING
湿地类型
低位沼泽
恢复的表现指标
恢复策略
减少营养物输入；恢复高地下水 水文（水藻、水温、水周期）； 位 营养物（N、P）； 草皮迁移；割草及清除灌丛 动物（珍稀及濒危动物）；生物量； 恢复对富含Ca、Fe地下水的排 植被（盖度、优势种） 泄
湖泊
富营养化； 溶解氧； 水质； 沉积物毒性； 鱼体化学品含量；外来物种 河水水质；混浊度 鱼类毒性；沉积物
Part Six 湿地恢复措施
① 提高地下水位来养护沼泽，改善水 禽栖息地
② 增加湖泊的深度和广度以扩大湖容， 增加鱼的产量，增强调蓄功能 ③ 迁移湖泊、河流中的富营养沉积物 以及有毒物质以净化水质
④ 恢复泛滥平原的结构和功能以利于 蓄纳洪水，提供野生生物栖息地以及 户外娱乐区
Part Six典型的湿地类型及其恢复方式
带，带有静止或流动、或为
水文学与水文地质学(
2021/12/18
5
水文的四大表现形式：
降水 渗流
蒸发 径流
（1）降水 ——指 雨 、 雪 、 雾 、雹、 霰。
降水的形式
下雪前降落 的小冰粒
（2）蒸发
截流蒸发
指：
地面蒸发
叶面蒸发
2021/12/18
水面蒸发
海洋蒸发
水上升为水 汽的五种
形式。
7
（3）渗流
包含
入渗 地表水经过土壤表面进入土壤的过程。
c) 涨水时河道螺旋流：涨水时，河中央上涨较快，断面呈中高岸低的
“水2拱02”1/12形/18，且呈两螺旋流。
39
2> 造成的后果：
2021/12/18
在过水断面上形成一封闭 的环流，与纵向水流结合 形成漩涡流，从而将冲刷 凹岸，淤积凸岸，影响取
水口位置的选择。
40
四、河流的分段 1、河流 —— 江、河、溪、沟统称河流。
流域面积小，径流相对剧烈 流域面积大，径流相对平缓
2021/12/18
67
（5）流域的植物被覆—— 由于植物被覆截留降水，从而将会延缓坡地漫流 的速度，增加渗流，减少蒸发。
（6）土壤及地质构造——
影响下渗，地下水对河流的补给，流域地表 的冲刷等。
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（7）湖泊和沼泽——
可以通过蓄水作用，调节径流变化，特别是蒸 发影响径流量的大小。
我国的河流大多以此为主。
（2）融雪径流Biblioteka 局部地区或地段的河流以此为主。
如：青海、 新疆
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62
二、影响径流的主要因素
1、各种自然地理因素对其的影响
（1）气候因素
水文学基础知识ppt课件
❖ 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。
19
第一讲
水文水资源基础 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
3）锋面雨:
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。
14
第一讲
水文水资源基础 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
（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
15
第一讲
水文水资源基础 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
4
第一讲
水文水资源基础 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
水循环示意图
5
第一讲
水文水资源基础 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
水循环的外因： 太阳辐射能和地球引力的存在
急行冷锋：
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
急行冷锋雨示意图
19
第一讲
水文水资源基础 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
3）锋面雨:
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。
14
第一讲
水文水资源基础 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
（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
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第一讲
水文水资源基础 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
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第一讲
水文水资源基础 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
水循环示意图
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第一讲
水文水资源基础 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
水循环的外因： 太阳辐射能和地球引力的存在
急行冷锋：
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
急行冷锋雨示意图
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June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
7
Mean/Variance• Meanx1 nn i 1
xi
• Variance
•
Standard
s2 1
n 1
deviation
n i 1
( xi
x)2
s
• Coefficient of variation
cV
Principle of Hydrology, BNU
10
Normal Distribution
• Normal distribution
f (x)
1
e
(
x )2 2 2
2
• Standard normal distribution
f (z)
1
z2
e2
2
June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
PX x1 or f (x)
June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
5
Cumulative Distribution Function
• Definition (CDF)
– A graph of the probability that any outcome in X is less than or equal to a stated, limiting value x.
• Discrete variables
– Random variables that are restricted to specific, incremental values
June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
4
Probability Distribution
June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
9
Continuous Probability Distribution
• Normal distribution • Lognormal distribution • Gamma distribution
June 11, 2009
• Definition
– A graph of probability in which random variables, either continuous or discrete, are characterized by the distribution of probabilities attached to the specific values that the variable may take on.
– Runoff
–…
June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
3
Continuous/Discrete Random Variables
• Continuous variables
– Random variables that may take on all values in the range of occurrence, including figures differing only by an infinitesimal amount
F(x) PX x
June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
6
Statistics
• Mean • Variance/standard deviation • Coefficient of variation • Skewness/Cofficient of skewness
hydrology • Probability distribution applied to
hydrology • Frequency analysis • Pearson Type III method
June 11, 2009
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2
Random Variables
• Pearson III distribution has been widely used in the flood design in China
June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
13
Frequency Analysis
• Definition
– The frequency of a hydrologic event is the probability that some value of a discrete variable will occur or some value of continuous variable will be equaled or exceeded in any given year
• Definition
– A variable that demonstrates variability that is not sufficiently explained by analytical measures of physical processes
• Examples
– Precipitation
s x
June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
8
Coefficient of Skewness
Cs
n (n 1)(n 2)s3
n
( xi
i 1
x)3
• For symmetrical distribution: Cs=0 • For right skewness: Cs>0 • For left skewness: Cs<0
11
Lognormal Distribution
f
(y)
1
x y
2
exp
(
y y 2 y 2
)2
y ln(x)
June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
12
Pearson III Distribution
f
(x)
( )
(x
a ) e 1 ( xa0 ) 0
Chapter 9 Statistical Methods
and Frequency Analysis
Prof. Zongxue XU
June 11, 2009
Principle of Hydrology, BNU
1
Objectives
• Probability, frequency, return period • Probability theory applied to