《地理科学师范专业课重点整理》吃香蕉不扒香蕉皮

5、水文学 水文学重点

　　水文学：水文学是研究地球上水的性质、分布、循环、运动变化规律及其地理环境、人类社会之间相互关系的科学。
　　水文学的特点：一方面具有自然属性，属于地球科学的范畴。另一方面又具有社会属性，属于应用科学的范畴
　　地理水文学研究的特点：
　　宏观性：水体运动变化的自然规律、总体演化趋势；
　　综合性：与其它自然地理因素间的相互影响研究；
　　区域性：各水体的区域差异性
　　水文现象：水循环过程中，水的存在和运动的各种形态。
　　水文现象的主要特点：1.水循环永无止尽，水文现象在空间或时间上存在一定的因果关系2.水文现象在时间上既有周期性又有随机性3.水文现象在地区分布上既存在相似性，又存在特殊性。
　　水的热学性质：
　　大热容量：所有固体和液体中热容量最大的物质
　　潜热：水在固、液、汽三态转化中吸收或放出的热量。
　　显热：物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量。
　　水的大热容量和潜热性质对调节地球上的热量变化具有重要作用:使冬季不致过冷，夏季不致过热；低纬度地区不至过热，高纬度地区不至过冷。
　　各水体的化学组成及特点：
　　降水：矿化度最低。呈弱酸性（对各种可溶盐类远未饱和，故降落到地面便具有能使各种元素进入水中的能力）
　　海水：
　　海水组成的恒定性：主要元素12种，含量占全部海水化学元素99.8～99.9%，其比例几乎不变。
　　海水的盐度定义：单位质量海水中所含溶解物质的质量。
　　绝对盐度：海水中溶解物质的质量与海水质量的比值。
　　海水盐度分布特征：海洋表面盐度分布的总趋势是从亚热带海区向高、低纬递减，呈鞍形。
　　河水
　　循环更替速度快；矿化作用很有限
　　湖水
　　湖水化学成分差异：湖泊的形态和规模、吞吐状况及所处的地理环境，造成了湖水化学成分及其动态的特殊性。
　　生物作用：湖中生物作用强烈，有不同程度的富营养化的趋势。
　　地下水
　　地下水化学组成类型多，地区性差异大。地下水充填于岩石、土壤空隙中，循环交替缓慢。矿化度变化范围大，从淡水直到盐水。化学成分随时间变化极为缓慢
　　水资源学：研究水资源的产生、循环规律和开发利用及管理
　　大洋东西两侧，水温分布有明显差异；海水水温的水平梯度冬季大于夏季
　　水资源的含义：指全球水量中可以为人类生存、发展所利用的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量。
　　最能反映水资源数量和特征的是年降水量和河流的年径流量。
　　区域水资源总量为当地降水形成的地表水和地下水的总和
　　=地表水资源量 + 地下水资源量 - 重复量
　　水资源的特性：1.可再生性及其有限性：水循环过程具有无限性的特点，水资源具有可再生性。但这种可再生的水量又是有限的2.时空分布的不均匀性：年内与年际变化大；地区分布不均衡3.利用的广泛性和不可替代性4.利与害的两重性
　　??我国水资源条件和问题：1.水资源总量不少，但是人均、亩均水量较少2.水资源的地区分布很不均匀，与人口、耕地分布不相适应3.水资源的年内、年际变化大，水旱灾害频繁4.水土流失和泥沙淤积严重，破坏了生态平衡，增加了江河防洪困难，降低了水利工程效益5.地下水过度开采现象严重6.水污染现象严重，大量河流、湖泊水质恶化
　　流域：地面分水线包围的区域称为流域
　　分水线：山峰、山脊和鞍部的连线称为分水线
　　水系：流域中大大小小河流交汇形成的树枝状和网状结构称为水系
　　河流长度：河流的长度是指从其起始断面，沿河流中心线至终断面的距离
　　流域面积：分水线包围的区域的平面投影面积
　　河流比降：河段上相邻两断面河流的高程差与两断面间中心线的长度的比值。J=(Z1-Z2)/L (‰)
　　水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下滲以及径流等环节，不断地发生象态转换和周而复始运动的过程。
　　水循环是水文现象的根源
　　水循环的基本动力：太阳辐射与重力作用
　　水循环的前提条件：水在常温常压下液态、气态、固态的三相变化
　　水循环的制约因素：地理纬度、海陆分布、地貌形态等制约了水循环的路径、规模与强度。
　　水循环与全球气候：
　　水循环一方面受到全球气候变化的影响，另一方面它又制约了全球气候1.水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者2.水循环能够对地表太阳辐射能重新再分配，调节高低纬度之间等热浪分配不均状态3.水循环的强弱及其路径，会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征。在这方面，海洋环流系统的气候效应表现得最为强烈）
　　水体的更替周期
　　指水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新一次所需的时间。通常用下式来估算T=W/ΔW
　　式中，T为更替周期；W为水体总贮水量；ΔW为水体年平均参与水循环的活动量
　　水体的更替周期是反映水循环强度的重要指标，亦是反映水体水资源可利用率的基本参数。
　　循环速度愈快，周期愈短，可开发利用的水量就愈大。
　　??水量平衡：是指任何选择的区域（或水体），在任意时段内，其收入的水量与支出的水量之间差额必等于该时段区域（或水体）内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说收支平衡。
　　??水量平衡与水循环的关系：1.水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现，是水循环持续不断的基本前提2.水循环是地球上客观存在的自然现象，水量平衡是水循环内在的规律
　　??水量平衡的研究意义：1.定量地揭示水循环过程与全球地理环境、自然生态系统以及人类社会之间的相互联系、相互制约的关系2.研究水循环系统内在结构和运行机制3.水资源现状评价与供需预测工作的核心4.为河流规划提供基本设计参数
　　水量平衡方程式的通式
　　I?Q=ds/dt

　　蒸发：水由液体状态转变成气体状态的过程
　　水面蒸发：
　　是充分供水条件下的蒸发，即某一地区最大的可能蒸发量，也称为潜在蒸发或蒸发能力。水面蒸发的大小受气象条件的控制。
　　??土壤感化过程：1.定常蒸发率阶段：在充分供水条件下，增发快速进行，蒸发率相对稳定，蒸发量类似于水面蒸发2.蒸发率下降阶段：由于供水不足，蒸发速度明显低于第一阶段，蒸发量大小取决于土壤含水量3.蒸发率微弱阶段：土壤蒸发在较深的土层中进行，随着汽层的逐渐下降，蒸发越来越弱

　　田间持水量：指在含水量饱和的土壤中，允许水分充分下滲并防止其水分蒸发，经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤含水量
　　凋萎系数：植物开始发生永久凋萎的土壤含水量
　　土壤蒸发：发生在土壤孔隙中的水的蒸发现象。
　　水汽输送
　　是指大气中水分因扩散而由一地向另一地运移，或由低空输送到高空的过程。对沿途降水有重大影响
　　我国存在三个基本的水汽来源，三条输出入路径，并有明显的季节变化。西北水汽流、孟加拉湾水汽流、南海水汽流
　　降水
　　降水是水循环过程的最基本环节，是水量平衡方程中的基本参数，决定一个区域水资源的多少。
　　形成降水必要条件是水汽和冷却凝结。空气的垂直上升运动是促使水汽冷却凝结的主要条件。
　　面降水的计算：（理解以下三种计算方法、优缺点）
　　??算术平均法：简单易行，适合区域内地形起伏不大，雨量站网稠密且分布较均匀的地区
　　??垂直平分法：适用于雨量站分布不均匀的地区。其缺点是把各雨量站所控制的面积在不同的降水过程总都视作固定不变，这与实际降水情况不符
　　??等雨量线法：适用于面积较大，地形变化显著而有足够数量雨量站的地区，计算精确度较高，并且有利于分析流域产流、汇流过程。缺点是对雨量站的数量和代表性有较高的要求，在实际应用上受到一定限制。
　　??客观运行法
　　下滲：水从地表滲入土壤和地下的运动过程。
　　下滲率：又称下滲强度，单位面积上单位时间内滲入土壤中的水量
　　下滲能力：又蹭下滲容量，充分供水条件下的下滲率
　　稳定下滲率：下滲率趋于稳定的常值
　　影响下滲的因素：1.土壤特性的影响（土壤的透水性能、前期含水量、有机质含量）2.降水特性的影响（下滲率随雨强增大而增大、强雨点击碎土粒，充填土壤空隙，减小下滲率）3.流域植被、地形的影响（影响下滲时间，植被根系增加裂隙）4.人类活动的影响
　　下渗阶段的划分：（土壤含水量由小到大）
　　渗润阶段：下渗水主要受分子力作用，土壤水以薄膜水的形式存在。始下渗率很大
　　渗漏阶段: 随着土壤含水率的不断增大，分子作用力渐由毛管力和重力作用取代，直到基本达到饱和为止。这一阶段下渗率迅速递减。
　　渗透阶段：当土壤孔隙被水充满达到饱和时，水在重力作用下运行，属饱和水流运动。下渗率维持稳定
　　径流：流域的降水，由地面和地下汇入河网，流出流域出口断面的水流，称为径流。
　　流量：单位时间内通过某一断面的水量（Q)
　　径流总量：T时间内通过某一断面的总水量(W=QT）
　　径流深度：将径流总量平铺在整个流域面积上所求得的水层深度（R=W/F=QT/F)
　　径流模数：流域出口断面流量与流域面积F的比值；流域内单位面积单位时间产生的径流量（M=Q/F)
　　径流系数：某一时段的径流深及与相应的降水量之比值（a=R/P)
　　径流形成过程
　　产流过程中水以垂向运行为主，它构成降雨在流域空间上的再分配过程，是构成不同产流机制和形成不同径流成分的基本过程。流域中各种径流成分的生成过程，也是流域下垫面对降水再分配过程
　　汇流过程中水以水平侧向运行为主，水平运行机制是构成降雨过程在时程上再分配的过程，是构成流域汇流过程的基本机制。流域上各处产生的各种成分的径流，经坡地到溪沟、河系，直到流域出口的过程。

　　产流机制
　　水在沿土层的垂向运行中，供水与下渗矛盾在一定介质分界面上的发展机理和过程，称为产流机制。不同的供水条件和不同的介质条件，出现不同的产流机制，呈现不同的径流特征。
　　1.超滲地面径流的产流机制：指洪水与下滲矛盾发生在包气带上界面的产流机制，降雨强度大于下滲率是产生超滲地面径流的充分条件2.壤中径流的产流机制：壤中径流发生于非均质或层次性土壤中的透水层与相对不透水层界面上。下层土壤的下滲能力比上层小，且降水的强度大于下层土壤下滲强度，并有产生侧向流动的动力条件，随着降水的进行将逐渐形成临时饱和水带，形成壤中径流3.饱和地面径流的产流机制：在表层土壤具有较强透水性情况下的地面产流机制，如果供水充分，这个临时饱和水带会随着降雨的继续不断向上发展，最终到达地面。于是后继降水一部分积聚在地面，而形成地面径流。称为饱和地面径流。4.地下径流的产流机制：包气带较薄、地下水位较高的地下水产流机制，其产流条件与壤中径流相同，只是其界面为包气带的下界面。
　　壤中径流产生的条件：
　　要有供水、即上层有下渗水；下层土壤的下渗能力比上层小；降水的供水强度要大于下层土壤下渗强度；具有产生侧向流动的动力条件，即坡度及水流归槽条件。
　　影响径流的因素：1.气候因素2.流域下垫面因素3.人类活动因素
　　超滲产流：1.决定于降水强度，而与降雨量大小关系不大2.其径流量与产流面积并不随降雨的继续而增长，而是有增有减
　　饱和产流（蓄满产流）：1.决定于降水量的大小和土壤雨前含水量，而与雨强无关2.先满足包气带最大蓄水容量的地方先产流；一次降水过程中，随着降雨的继续，产流面积不断增大，产流量也相应增大3.同一降雨量，包气带起蓄水量大，则产流大，产流量也大，反之产流量也小

　　流域水文模型分类：
　　按反映水文运动物理规律的科学性和复杂性程度分：
　　系统模型(黑箱模型)、概念性模型（灰箱模型）、物理模型（白箱模型）
　　按反映水流运动的空间变化能力分：集总式模型、分布式模型
　　河流水情：河川径流的分布与变化，洪水、枯水的特征等
　　水情要素：水位（指水体的自由水面高出某一基面以上的高程）、流速（河流中水质点在单位时间内移动的距离）、流量（单位时间内流经某一过水断面的水量）等
　　年径流量：一个年度内通过河流某断面的水量，称为该断面以上流域的年径流量。
　　多年平均径流量：实测各年径流量的平均值，称为多年平均径流量。
　　正常年径流量：实测资料年数增加到无限大时，多年平均流量将趋于一个稳定的数值，此称为正常年径流量（可以用年平均流量Q、年径流总量W、年径流深R、径流模数M表示）。
　　河水的运动状态：层流、紊流
　　??正常年径流量的推求：1.资料充分时：用算术平均法2.资料不足时，利用参证变量（相邻流域的年径流量、降水量）的相关分析法延展资料系列3.缺乏实测资料时：等值线法或水文比拟法（利用参证流域的水文特征值）
　　水温比拟法：以流域间的相似性为基础，将相似流域的水文资料移用到研究流域的方法。利用参证流域的水文特征值，要求参证流域与研究流域气候、自然条件相似
　　参证变量：1.与计算站年径流量密切相关的水文要素2.相邻测站或流域的年径流量3.计算站的年降水量
　　年径流量的多年变化过程：
　　河流各年年径流量的丰、枯情况，可按照一定保证率（P）的年径流标准划分。
　　保证率：指大于某一界限值的累积概率值。在工程上，以工程可以正常运行的年数占总年数的百分数表示。
　　通常以P＜25％为丰水年；P＞75％为枯水年；25％＜P＜75％为平水年。
　　??年径流量的变差系数Cv：
　　一个表示标准差相对于平均数大小的相对量
　　年径流量的变差系数值反映年径流量总体系列离散程度，Cv值大，年径流量的年际变化剧烈，这对水利资源的利用不利，而且易发生洪涝灾害；Cv值小，则年径流量的年际变化大，有利于径流资源的利用
　　??变差系数的影响因素：1.年径流量：降水量丰富的地区地表供水充分，蒸发比较稳定，故年径流Cv值小；降水少的地区，年径流Cv值大2.补给来源：高山冰雪融水或地下水补给为主的河流，年径流Cv值较小，而以雨水补给为主的河流Cv值较大3.流域面积：流域面积小的河流，Cv值大
　　湖泊增减水：由于强风或气压骤变引起的漂流，使湖泊迎风岸水量聚集，水往上涨，背风岸水往下降，前者称为增水，后者称为减水。
　　径流年内变化大影响因素：1.气候因素2.径流补给条件3.流域调蓄能力有关大下垫面因素4.湖泊、水库调蓄或其他人类活动因素影响
　　洪水波：设雨前河道中原有一稳定水面，降雨后流域地表径流大量注入河槽形成洪水波，稳定水面上涌入的水量称为洪水波流量。
　　洪水：大量降水或积雪融水在短时间内汇入河槽，形成特大的径流，称为洪水
　　洪水过程线：暴雨洪水在出口断面上的响应，可以通过流量过程线表达，称之为洪水过程线
　　复式洪水过程线：先后两次降水由于前期降水所形成的洪水过程尚未泄完，第二次降雨所形成的洪水有接踵而来，就形成了复式洪水过程线。
　　基流；河川数量中基本稳定的部分，主要来自地下水补给，有时也包括来自湖泊和冰川的补给
　　枯水：河流断面上较小流量的总称
　　河流的枯水径流过程，实质上就是流域蓄水量的消退过程，因此影响枯水径流的因素和影响流域蓄水量的因素是密切相关的。枯水期河道的水量完全依赖于流域蓄水量的补给。流域蓄水量包括地面蓄水量和地下蓄水量、枯水径流主要依靠地下水蓄水量。
　　河流运动形式按水流内在结构差异分为层流和紊流
　　附加比降：洪水波水面相对于稳定流水面的比降。波前为正，波后为负
　　波前越来越短，波后越来越长，波峰不断降低，波形不断变得平缓，波前水量不断向波后转移

　　水内环流：
　　河水内部的不同水质点或水团，在重力、惯性离心力及地转偏向力等的综合作用下，呈螺旋状下移，或是漩涡状运动，这种现象统称为水内环流。环流运动是引起泥沙横向输沙的主要动力，是
　　形成河槽形状多样化的主要原因。
　　根据环流旋转轴得方向分为：纵轴环流、横轴环流、斜轴环流和竖轴环流
　　河水运动类型：纵向运动、环流运动、泥沙运动
　　泥沙运动的分类：推移质运动、悬移质运动

　　起动流速：使泥沙开始启起动的水流流速，最小的起动流速发生在粒径为0.2mm处
　　止动流速：泥沙停止运动时的水流流速，起动流速一般为止动流速的1.2-1.4倍
　　扬动流速：泥沙开始悬浮时动水流流速
　　一般来说，扬动流速大于起动流速，对于细颗粒，扬动流速可能小于起动流速
　　湖泊：陆地上洼地积水形成的水域宽阔、水量交换相对缓慢的水体
　　水库：人们按照一定的目的，在河道上建坝或堤堰创造蓄水条件而形成的人工湖泊。
　　水库一般由拦河坝、输水建筑和溢洪道组成

　　设计最低水位：死库容与死水位
　　死水位：根据发电最小龙头和灌溉最低水位确定，并考虑漏水的淤积情况
　　死库容以下的库容不能用以调节水量。除特别干旱的年份，不懂用死库容中的水
　　兴利库容（有效库容）与设计蓄水位：满足灌溉、发电等需要而设计的库容
　　水库库容包括：死库容、兴利库容、防洪库容、超高库容
　　波浪：
　　每个水质点作周期性运动，所有的水质点相继振动，引起水面呈周期性起伏。水质点在其平衡位置作近似的圆周运动，
　　引起波形的传播。波浪的传播，并不是水质点的向前移动，
　　而仅是波形的传递。
　　潮汐：海水在天体引力潮作用下所产生的周期性运动
　　习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。古代称白天的潮汐为“潮”，晚上的称为“汐”，合称为“潮汐”。
　　由太阳引起的潮汐称太阳潮，由月球引起的称太阴潮。

　　引潮力=万有引力+惯性离心力
　　潮汐的类型：半日潮、全日潮、不正规半日潮、不正规全日潮
　　洋流：海洋中具有相对稳定的速度和流向的海水，从一个海区水平地或垂直地向另一海区大规模的非周期性的运动
　　洋流成因分类：风海流（风力作用）、密度流（密度差异引起）、补偿流（海水挤压或分散引起）
　　地理位置分类：赤道流、大洋流、极地流、沿岸流

　　地下水：存在于地表以下岩（土）层空隙中的各种不同形式的水的统称
　　地下水的储存空间（含水介质）：1.松散岩石的孔隙（孔隙度：孔隙体积与孔隙在内等岩土体积只比）2.坚硬岩石中的裂隙（裂隙率：裂隙体积与包括裂隙在内的岩土体积之比）3.可溶性岩石中的岩溶（岩溶率：溶隙体积与包括溶隙在内的岩土体积之比）
　　含水介质的水理特质：1.粘土孔隙度大于砂土2.粘土给水度小于砂土3.粘土持水度大于砂土4.粘土滲透系数大于砂土
　　容水性：在常压下岩土空隙能够容纳一定水量的性能
　　持水性：岩土在重力作用下，依靠分子力和毛管力仍然保持一定水分的能力
　　给水性：饱水岩土在重力作用下能自由排出水的性能
　　透水性：在一定条件下，岩土允许水通过的性能
　　贮水性：承压含水层的释水性能
　　地下水类型：1.按地下水的埋藏条件：包气带水、潜水、承压水2.按含水介质类型分：孔隙水、裂隙水、岩溶水
　　孔隙水：埋藏于松散沉积物颗粒构成的孔隙网络中的重力水
　　主要孔隙介质类型：洪积物、冲积物、冰积物、湖积物
　　包气带水：贮存在地下自由水面以上包气带中的水

　　潜水：饱水带中自地表向地下第一个具有自由水面的含水层中的自由水
　　潜水的表示方法：1.绘制水文地质剖面图2.绘制潜水等水位线图
　　潜水：潜水面上没有稳定的隔水层，通过包气带中的孔隙与大气相连通，潜水面上任一点的压强等于大气压强，不承受静水压力。承压水：由于存在隔水层顶板而承受静水压力
　　潜水：一般情况下，潜水分布区与补给区基本一致；承压水：承压水的分布区与补给区不一致
　　孔隙水：埋藏于松散沉积物颗粒构成的孔隙网络中的重力水。1.即可以是承压的也可以是非承压的2.水量在空间分布上相对均匀，连续性好3.一般为层状分布，同一含水层中的孔隙水具有密切的水力联系，具有统一连续的地下水面
　　主要的孔隙介质类型：
　　洪积物：由洪流形成的沉积物
　　冲积物：河流沉积的物质
　　冰积物：冰川沉积的物质
　　湖积物：湖泊沉积的物质
　　与孔隙水相比，裂隙水1.埋藏与分布极不均匀2.动力性质比较复杂3.基岩裂隙发育具有明显的分带性，通常由地表向下随着深度的增加，裂隙率迅速递减
　　岩溶水特点：1.分布不均匀2.地下径流动态不稳定3.地表径流与地下径流，无压流与有压流相互转化4.岩溶地区的地下水分水线与地表水分水线不相重合

　　地下水补给-排泄方式对水质的影响：
　　渗入-径流型：地下水向淡化方向发展
　　渗入-蒸发型：地下水向盐化方向发展
　　线性滲透定律，达西定律：适用于层流状态水流，促使水流通过土体的是水柱的高以及高于基准面的高度联合作用的结果，这个联合作用的力称为地下水水头。
　　非线性滲透定律：谢才公式（适用于紊流状态水流）
　　水文效应：由于自然或人类因素，使地理环境发生改变，从而引起水循环要素、过程、水文情势发生变化
　　人类活动的水文效应：1.直接影响：人类活动使水循环要素的量或质、时空分布直接发生变化，如兴建水库、跨流域引水工程、作物灌溉、城市供水或排水等2.间接影响：人类活动通过改变下垫面状况、局地气候，以间接方式影响水循环各要素。例如指数造林、发展农业、城市化等
　　森林水文效应：森林覆盖对径流、蒸发、降水等水循环要素，及河流水情、地下水、水质、泥沙等水文现象的影响
　　城市水文效应：城市化所及地区内，水温过程的变化及其对城市环境的影响
　　水体自净：广义指受污染的水体经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低并恢复到污染前水平。狭义指水体中的微生物氧化分解有机制而使得水体得到净化的过程。
　　水环境容量：一定水体在规定水质目标下所能容纳污染物的量
　　1、水环境容量大小与水体特征、污染物特性及水质目标有关
　　2、针对不同的污染物有不同的水环境容量
　　3、水环境容量是污染物总量控制的关键参数，是水资源利用规划的主要约束条件，也是水体在一定区域范围内环境目标管理的基本依据。
　　河川水文情势变化
　　1.拦蓄地表径流、减少入海流量
　　2.坝上游库区水位拥高流速逐渐减缓，泥沙淤积，水体由河流变成了人工湖泊，水的流动状态改为波浪，湖流及异重流等
　　3.下游河流径流完全在人为的控制之中，下游河道中的径流几乎完全失去了洪峰。坝下游清水下泄，常使河床发生冲刷。
　　三峡运行对鄱阳湖的影响：
　　1、水位
　　2、防洪
　　3、供水
　　4、水质
　　5、生态
　　6、经济社会发展（水利投入、工农业生产、社会和谐发展（人与自然））