水文学原理 第4章
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工程水文学水文第四章统计3
(2)在一张频率格纸上要求同时优选三个参数较 困难，采用经验比值，有时很难从水文现象 本身去解释。
二、优化适线法
优化适线是在一定的适线原则下，求解与经 验点据拟合最优的频率曲线的参数的方法
优化适线拟合最优的准则： （一）、离差平方和最小准则
离差平方和最小
n
2
SL ( ) = xi − f (Pi; ) i = 1,2,.....n
绝对值和最小准则的基本假定是，绝对值误差不随系列而变， 也迁就了大洪水，但其影响不及上法。
相对离差平方和最小准则的基本假定是系列相对误差不变。 这个假定较前两假定更符合实际资料条件。可获得较好的精度。
第六节 相关分析
一、相关分析的概念 前面分析的只是一种随机变量的变化规律。自然界中常遇到
两种或两种以上的随机变量，这些变量之间存在一定的联系。 相关分析：研究两个或两个以上随机变量之间的关系
4、由 X P = X (1+ CV )
计算不同的P 对应的 X P
值
5、点绘 (P , X P )
点据，分析人员凭经验判断调整 参数，看与经验点据配合的情况
若不理想，则修改参数再次计算。
由于频率曲线含有三个参数，无法同时判断哪种组合最优 修改参数时，先考虑改变 CS
其次考虑改变 CV 必要时调整 X
研究2个变量的相关关系，称为简相关，在水文中常见 研究3个或3个以上变量的相关关系------复相关
按相关图形可分为： 直线相关
非直线相关
3．相关分析的内容 （1）判断变量之间是否存在相关 （2）确定相关关系的数学形式和相关的 密切程度 （3）插补延长倚变量，并作误差分析。
二、简单直线相关 1、相关图解法
建立回归方程 第一步：确定线型——直线，
二、优化适线法
优化适线是在一定的适线原则下，求解与经 验点据拟合最优的频率曲线的参数的方法
优化适线拟合最优的准则： （一）、离差平方和最小准则
离差平方和最小
n
2
SL ( ) = xi − f (Pi; ) i = 1,2,.....n
绝对值和最小准则的基本假定是，绝对值误差不随系列而变， 也迁就了大洪水，但其影响不及上法。
相对离差平方和最小准则的基本假定是系列相对误差不变。 这个假定较前两假定更符合实际资料条件。可获得较好的精度。
第六节 相关分析
一、相关分析的概念 前面分析的只是一种随机变量的变化规律。自然界中常遇到
两种或两种以上的随机变量，这些变量之间存在一定的联系。 相关分析：研究两个或两个以上随机变量之间的关系
4、由 X P = X (1+ CV )
计算不同的P 对应的 X P
值
5、点绘 (P , X P )
点据，分析人员凭经验判断调整 参数，看与经验点据配合的情况
若不理想，则修改参数再次计算。
由于频率曲线含有三个参数，无法同时判断哪种组合最优 修改参数时，先考虑改变 CS
其次考虑改变 CV 必要时调整 X
研究2个变量的相关关系，称为简相关，在水文中常见 研究3个或3个以上变量的相关关系------复相关
按相关图形可分为： 直线相关
非直线相关
3．相关分析的内容 （1）判断变量之间是否存在相关 （2）确定相关关系的数学形式和相关的 密切程度 （3）插补延长倚变量，并作误差分析。
二、简单直线相关 1、相关图解法
建立回归方程 第一步：确定线型——直线，
水文学原理-第4章 河流与流域
2020年2月1日
5
沿水流方向河流可分为：河 源、上游、中游、下游和河口 河源：河流的发源地，可以 是冰川、泉水、沼泽、湖泊等 上游：深山峡谷，落差大， 水流急，急滩瀑布 中游：两岸有滩地，河床较 稳定 下游：平原，河槽宽，比降 小，水流缓，浅滩河湾 河口：河流的终点，河口三 角洲
2020年2月1日
2020年2月1日
25
河口
③流域平均宽度
流域平均宽度（B）——流域面积与流域长度的比值
B F L
若两个流域面积相等，L越大，则B越小，水的流程也越长，这 样的流域，洪峰流量较小。 反之，L小，B就大，这样的流域，洪水威胁就大。
2020年2月1日
26
④流域形状 流域形状系数——流域平均宽度与流域长度的比值。
2020年2月1日
31
（3）流域的自然地理特征主要包括： 地理位置 气候特征 下垫面条件
2020年2月1日
32
流域地理位置：一般用流域中心或其边界的经纬度表示，如黄河 流域位于北纬32～42和东经96～11 9。还需要说明流域距离海洋 的远近以及与其他流域和周围较大山脉的相对位置，影响水汽的输 送条件，直接导致降雨量的大小和时空分布的不同。 流域气候条件：包括降水、蒸发、气温、湿度、气压、风速等。 降水量的大小及分布，直接影响河流年径流的多少；蒸发量则对年、 月径流有重大影响。气温、湿度、风速、气压等主要通过影响降水 和蒸发，从而间接影响流域径流。 流域下垫面条件：下垫面是相对于大气层而言的地球表面，流域 的下垫面条件指流域的地形地貌、地质构造、土壤和岩石性质、植 被、湖泊、沼泽、河网等情况。
6
第二松花江与嫩江汇合流向东 北，经哈尔滨、佳木斯、同江等 市县，于同江县东北约7km处由 右岸注入黑龙江。 根据松花江干流的地形及河道 特性，可分为上、中、下三段， 即由三岔河至哈尔滨市为上段， 上段全长240km，区间集水面 积3万km2，河道流经松嫩平原 的草原、湿地。哈尔滨市至佳木 斯市是松花江干流中段，穿行于 断崖、低丘和草地之间。由佳木 斯至同江是松花江干流下段。
水文学原理
CM
A 小。 4
10
解：对A ψg= 10cm, ψp= 2cm, Φ=12cm
对B —B V= - 3×10-8 × （6-12）/10 =1.8 × 10-8m/s
B
三 非饱和土壤水运动的基本方程 l 非饱和水流的运动方程
V =−K(θ)dΦ ds
0
19
20
29
36
(H2O)2 41
58
59
50
51
(H2O)3 59
23
21
21
13
HH O
-+ -
+
O H O H H 液态水的闪动簇团模型
H HH
O
O H
H O
O
HO
H
H
OHO
H
HO
H H
H
H
H OH
H
O
H
H HO
H O
HH O
HH O H
H
HH O
OH
O
H
O H
HH
O
O H
H H OH
OH
海水密度的表示方法
水
水
量
量
湿润带
l 饱和带 l 水分传递带 l 湿润带 l 湿润锋
湿润锋
第二节 非饱和下渗理论
忽略重力作用的下渗 （一） 设D（θ）= D = 常数
f = (θ 0 − θ i )
D πt
（二） 设D为含水量θ的函数
f = 1 St 2 2
第三节 饱和下渗理论
一 基本假定 1. 水分分布带是完全饱和的。 2. 下渗锋面与下层土壤含水量具有明显
降水主要是降雨和降雪，其它形式 的降水还有露、霜、雹等。
水文学原理(4-5章)
a 2 t
)
z y y0erfc ( ) 2 Dt
z 2 Dt
y y0erfc( )
2
e
2
d
问题求解（续）
得到原问题的解为： ( z, t ) i
2( s i )
e
2
d
f p V | z 0 ( D ) z 0 ( D ) z 0 z z (D ( s i )
???zkzkzykyxkxt?????????????????????????zkzkzykyxkxt????????????????????????????????????????三非饱和水流的基本微分方程续zkzkzykyxkxt?????????????????????????????????????????d扩散系数?d?dkdddddd????????????????????????????z??????zzyyxxt?水平方向
二、土壤水分的存在形式
土粒分子从空气中吸附的水分。约几个分子厚度，为紧束缚 水，与水文现象关系不大。
薄膜水
吸湿水外面，土粒剩余分子力所吸持的水分。为受束缚水。
毛管水
a)
支持毛管水——地下水面以上受毛管力支持而存在于土壤孔 隙中的水分。
b)
毛管悬着水——受毛管力支持而悬吊于土壤孔隙中的水分。
第三节
重力水
p= e/(1+e)
第二节
1.
土壤含水量
重量含水量（）
同一土样中水分重量占干土重量的百分比。
=(Ww / Ws)*100%
2.
体积含水量（）
同一土样中水分体积占总体积的百分比。 = (Vw /V ) *100%
《水文学原理》Chapter 4 Evaporation
condensation occurs.
Saturation vapor pressure (SVP) ➢Calm conditions: Water vapor into overlying air → increase the water content → vapor pressure increases → condensation equalized with vaporization → evaporation ceases The air is called to be saturated. The vapor pressure at saturation called saturated (saturation) vapor pressure e°
Chapter 4 Evaporation
4.1 Introduction & definitions 4.2 The process of evaporation 4.3 Estimation of evaporation 4.4 Evaporation from different surfaces 4.5 The components of E from vegetation covers 4.6 Modeling evaporation 4.7 Progress in understanding evaporation equations
Two groups of factors A. the evaporating surface B. the atmospheric conditions
A. the evaporating surface For bare soil or open water 1. reflection coefficient 2. roughness of the surface 3. heat storage capacity For a cropped surface, two additional factors 4. soil cover, Sc 5. Crop resistance
Saturation vapor pressure (SVP) ➢Calm conditions: Water vapor into overlying air → increase the water content → vapor pressure increases → condensation equalized with vaporization → evaporation ceases The air is called to be saturated. The vapor pressure at saturation called saturated (saturation) vapor pressure e°
Chapter 4 Evaporation
4.1 Introduction & definitions 4.2 The process of evaporation 4.3 Estimation of evaporation 4.4 Evaporation from different surfaces 4.5 The components of E from vegetation covers 4.6 Modeling evaporation 4.7 Progress in understanding evaporation equations
Two groups of factors A. the evaporating surface B. the atmospheric conditions
A. the evaporating surface For bare soil or open water 1. reflection coefficient 2. roughness of the surface 3. heat storage capacity For a cropped surface, two additional factors 4. soil cover, Sc 5. Crop resistance
水文学原理(第四章 降水)复习过程
3）减少降水量
森林能抑制地面温度升高，削弱对流， 减少降水量；植物叶面对降水量截留可占总 降水量的10-20%，全部用于蒸发，间接减少 了降水量；森林对降水的影响研究受到典型 性、测试条件、测试精度等影响，有待于进 一步研究。
5 水体的影响 大面积水体表面光滑，阻力小，易产
生对流，减少降水量；水面易产生逆温 现象，上升气团稳定，不易形成降水。
一 降水的形式 ► 1 定义：降水是指液态或固态的水汽凝结 物从云中降落到地面的现象。 ► 2 形式：雨、雪、雹、露、霜、霰等
3 意义：
降水是水循环最活跃的因子；人类用水 的基本来源（可再生水资源）；降水资料是 分析河流洪枯水情、流域旱情的基础；是水 资源开发利用和管理规划的依据。
4 降水的形成 蒸发蒸腾——水汽上升——气压降低、
6 人类活动影响 一般都是通过改变下垫面条件而间接影
响降水，其影响或减少降水，或增大降水。 植树造林、大规模砍伐森林、修建水库、
灌溉农田、围湖造田、疏干沼泽…… “雨岛效应”—即城市的增雨作用。其影
响的程度、增雨量的大小，与城市的规模、 工厂的多少、当地气候湿润的程度等有关。
第三节 降雨资料的分析与插补
时段
0
1
2
3
雨量（mm）
0
15
30
9
降雨强度（mm/h）
0
累计降雨量（mm）
0
Hale Waihona Puke 3） 等降水量线(等雨量线)
在一个区域某段时间内,降水量相等点的连 线所构成的等值线。
降水量等值线表示了给定时段内降水量随空 间的变化规律；
4） 降水特征综合曲线（如下图所示）
第二节 降水的类型及影响因素
一 降雨的类型
水文学原理四降水ppt课件
第四章 降 水
1
主要内容
HHU
1 降水要素及其时空变化表示方法 2 降雨类型及其影响因素 3 区域（流域）平均降雨量计算方法 4 降雨资料的检验
2
§1 降水要素及其时空变化表示方法 H H U
降水的定义 降雨的基本要素 降雨时间变化的表示方法 降雨空间变化的表示方法 降雨要素的综合曲线
3
§1 降水要素及其时空变化表示方法 H H U
1 降水的定义：
大气中的液态水滴或固态冰雪颗粒，在重力作用下，克服 空气阻力，从空中降落到地面的现象称为降水。
雪
雹
雨
露
霜
4
§1 降水要素及其时空变化表示方法 H H U
2 降雨的基本要素
降雨量（深）：指一定时段内降落在某一点或某一面积上的总
雨量，用深度表示，以mm计。
降雨历时：降雨从某时刻到另一时刻所经历的时间称为降雨历时；
2)对每个三角形各边作垂直平分线，再用这些垂直平分
线构成以每个测站为核心的多边形；
3)量取每个多边形的面积fi。
计算公式： P 1
F
n
Pi fi
i 1
适用条件：雨量站分布不均
缺点：
1）没有考虑地形影响，假定雨量呈线性变化； 2）权重系数是固定的，不能反映降雨空间分布复杂多变 的特点。
28
29
§3 区域（流域）平均降雨量计算方法 H H U
3 降雨时间变化的表示
(1)时段降雨量柱状图：时段降雨量与相应时段之间的关
系图称为时段降雨量柱状图。
时间 13:42 14:00 14:30 15:34 17:00 18:10 19:00
时段降雨 0
11.5 33.5 31.9 1.6 2.2
1
主要内容
HHU
1 降水要素及其时空变化表示方法 2 降雨类型及其影响因素 3 区域（流域）平均降雨量计算方法 4 降雨资料的检验
2
§1 降水要素及其时空变化表示方法 H H U
降水的定义 降雨的基本要素 降雨时间变化的表示方法 降雨空间变化的表示方法 降雨要素的综合曲线
3
§1 降水要素及其时空变化表示方法 H H U
1 降水的定义：
大气中的液态水滴或固态冰雪颗粒，在重力作用下，克服 空气阻力，从空中降落到地面的现象称为降水。
雪
雹
雨
露
霜
4
§1 降水要素及其时空变化表示方法 H H U
2 降雨的基本要素
降雨量（深）：指一定时段内降落在某一点或某一面积上的总
雨量，用深度表示，以mm计。
降雨历时：降雨从某时刻到另一时刻所经历的时间称为降雨历时；
2)对每个三角形各边作垂直平分线，再用这些垂直平分
线构成以每个测站为核心的多边形；
3)量取每个多边形的面积fi。
计算公式： P 1
F
n
Pi fi
i 1
适用条件：雨量站分布不均
缺点：
1）没有考虑地形影响，假定雨量呈线性变化； 2）权重系数是固定的，不能反映降雨空间分布复杂多变 的特点。
28
29
§3 区域（流域）平均降雨量计算方法 H H U
3 降雨时间变化的表示
(1)时段降雨量柱状图：时段降雨量与相应时段之间的关
系图称为时段降雨量柱状图。
时间 13:42 14:00 14:30 15:34 17:00 18:10 19:00
时段降雨 0
11.5 33.5 31.9 1.6 2.2
第四章 水文统计基本原理与方法 工程水文学
求的安全率称设计频率标准。
§4-2经验累积频率曲线与理论累积 频率曲线
§4-2经验累积频率曲线与理论累积频率曲线
一、频率密度曲线与频率分布曲线
1.频率密度函数与分布函数
水文现象中的变量为连续型随机变量，其累积频率P(x≥xi)、
P(x≤xi)可以用一连续函数F(x)来表示，即P(x≥xi)=F(x)， F(x) 称该随机变量的分布函数。
例 4-2 ：某城市在不同河流上建有独立运行的两水泵站。 A 泵 站受到洪水淹没破坏的概率为 2%，B泵站破坏的概率为 5%，求 洪水期它们同时遭到破坏的概率有多大？
1 P( AB ) P( A) P( B ) 2% 5% 10000
六、累积频率与重现期
1. 累积频率 1）定义：一定范围内，水文特征值出现的总可能性即累积频率。 （累积频率可以预测多个水文特征值未来发生的概率。）
2、安全率：建筑物保持正常运转的可能性大小（即概率）称
为安全率，其值为1-P。
3、保证率：建筑物在n年内保持安全运转的可能性大小称之为 保证率，由概率的乘法定理，保证率为(1-P)n。 4、风险率：n年内安全运转遭到破坏的可能性的大小则称之为 风险率，为1-(1-P)n。 5、设计频率标准：国家根据工程的重要性和建筑物等级制定 的建筑物允许破坏率或要求的安全率。这一允许的破坏率或要
均系数表。后经雷布京等人的修正，成为专用水文计算表。
1961年中国科学院水文研究所又对此离均系数ФP计算表进行 修正扩展，加密点据，将ФP值补充到Cs=6.4。 x K p 1 pCv；xP KP x 理论累计频率曲线的坐标值：令 K
xP x(1 P Cv )
P与 xP一一对应。以x为纵坐标，P为横坐标，可绘出一条P~
工程水文学第四章产流及汇流计算
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
450 400 350
300
250 200 150 100 50 0
1 2 3 4
5
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
时段雨量直方图与累积雨量过程线
4.2.2 径流量
Q (m3/s)
W
t (h)
Q (m3/s)
Qi
n Qi Qi 1 3.6 t 3.6 Qi t 2 i 0 i 1 R F F n
Ｑ － 流量(m3／s)
Qi+1
Ｒ － 径流深(mm)
Δ t－ 计算时段(h)
F － 流域面积(km2)
△t
Q1
径流深计算
Qn t (h)
地面径流退水较快，而地下径流退水历时
流域蓄水容量曲线：纵坐标是全流域各点的W’m从小
到大排列的比重α。
4.3.2 蓄满产流 在湿润地区，由于雨量充沛，地下水位较高，包 气带通常不到几米，其下部经常保持在田间持水量， 上部则因蒸发而缺水。汛期包气带上部缺水极易为一 次降雨所蓄满。如果每次大雨后，流域平均蓄水量都 能达Wm，则产流量可由降雨量P减去降雨开始时的土 壤缺水量(Pa)求得。即雨量补足包气带缺水量后，全 部形成径流，这种产流方式叫做蓄满产流，并可以概 括成一个简单的数学模型： R = P – (Wm – W0)
6 6 6 6 6 7 7 7 26 27 28 29 30 1 2 3 20.2 21.9 6.8 78.8 14.7 0.944 0.944 0.944 0.944 0.944 0.932 0.932 0.932
Pa(m m)
某流域属湿润地区， wm=100mm，Em在5月份均值 5.6mm/d,6月份为6.8mm/d。推 求逐日Pa值。
工程水文学_第四章
8620 6 3600 173.232 106 m3
（2）总径流深：
W 173.232 106 R 86.6mm 1000 F 1000 2000
第一节 降雨径流要素的分析计算
三、前期影响雨量的计算
降雨开始时，流域土壤的干湿程度（即土壤的 含水量大小）是影响降雨形成径流过程的一个主 要因素。 如何来表示流域的土壤含水量？ 前期影响雨量Pa、前期流域蓄水量W0 流域蓄水量是指流域中土壤能够保持且在重 力作用下不产生向下运动的水量。降雨一定时， 雨前流域需水量大，则净雨多，径流大；反之， 则净雨少，径流也小。 Wm=P-R-E
净雨R(t)
汇流计算
第四章 流域产汇流计算
一. 流域产汇流计算基本内容
由流域降雨推求流域出口的河川径流，大体上 分为两个步骤： ①产流计算：降雨扣除截留、填洼、下渗、蒸发等损 失之后，转化为净雨的计算称为产流计算。
②汇流计算：净雨沿着坡度汇入地面和地下河网，并 经河网汇流形成流域出口的径流过程的计算称之为 汇流计算。
（二）前期影响雨量Pa的计算公式
如果第t日内无降雨Pt
Pa,t 1 KPa,t
如果第t日内有降雨Pt，但未产流，则
K：土壤含水量的 日消退系数
Pa,t:t日开始时刻 的土壤含水量
P Pa,t 1 1 K( P a,,tt P t) a
如果第t日内有降雨Pt并产生径流Rt，则
Pa,t 1 K ( Pa,t Pt Rt )
第四章 流域产汇流计算
第一节 降雨径流要素分析计算 第二节 流域产流分析 第三节 产流计算 第四节 流域汇流计算
第四章 流域产汇流计算
第二章对径流的形成过程作了定性的描述，本 章从定量的角度阐述降雨形成径流的原理和计算方 法，它是以后学习由暴雨资料推求设计洪水、降雨 径流预报等内容的基础。
水文学原理第四章习题
一、名词解释1.降水2.降水过程线3.降水累积曲线4.流域面积5.流域长度二、填空题1.描述降水时程变化特征的基本要素是指_____、 ______和 ______。
2.描述降水空间变化特征的基本要素是指_____和 ______。
3.按暖湿空气抬升而形成动力冷却的原因,降雨可分为______、 ______、______和 ______。
4.冷气团向暖气团方向移动并占据原属暖气团的地区,这种情况形成降雨的峰称为_______。
5.暖气团向冷气团方向移动并占据原属冷气团的地区,这种情况形成降雨的峰称为_______ 。
6.影响我国暴雨的主要天气系统有______、 ______、 ______和 ______等。
7.我国年降雨量年际变化很大。
年降水量越少的地方,相对于多年平均情况来说，其年降水量的年际变化___________。
8.计算流域平均雨深的方法通常有_______________、________________、 _________________。
9.降水量累积曲线上每个时段的平均坡度是_____________，某点的切线坡度则为_________________。
10.按照年降水量可以将我国大致划分为_____、 ______、 ______、 ______和 ______五个不同类型的地带。
11.描述降水的最常用的三个要素是___________、___________和____________。
12.降雨笼罩范围的水平投影面积称为____________。
13.从降雨开始至某时刻的降雨量与该时刻时间之间的关系称为________________。
14.降雨强度与相应时间之间的关系称为________________。
15.将区域面积除以区域内雨量站数目得每个雨量站平均代表的面积，称其为______。
16.将每个雨量站观测所得的同一时段的时段降雨量或一次降雨的降雨量点绘在各自的测站位置上，然后按降雨量相同的原则连成光滑线，该连接线称为_________。
河海大学811水文学原理第四节 产流的基本物理条件
如果把界面作为下渗面，则产流量的大小 取决于对下渗面的供水强度与下渗面下渗 容量的对比关系。任何径流量都是由“超 渗”作用形成的，或者说是由“筛子”作 用形成的 。
32
若从界面以上土层的水量平衡方程来看， 又可得出任何径流成分的径流量均由 “门槛”作用形成的结论。
I E (We W0 ) F R
19
（四）饱和地面径流实例验证
20
四、特殊包气带的产流机制
包气带厚度为零的产流机制
不透水基岩出露地面 河湖沼泽表面 城市道路 屋面 飞机场跑道
21
五、回归流
（一）回归流：由于坡度的作用，原先为 壤中水径流后又渗出地面而变成饱和地 面径流的径流成分称为回归流。
22
23
（二）回归流形成的条件
4
5
（一）超渗地面径流产生的物理条件
i Ｒs fp
雨强大于地面下渗容量就可以产生超渗地面径流。
6
RS
RS
7
(二）地下水径流产生的物理条件
地下水径流产生的物理条件是整个包气带 土壤含水量达到田间持水量。
8
9
二、壤中水径流
(一)壤中水径流定义：在两种不同透水 性土壤的界面上形成的、在适当条件下 可以沿界面流动的径流称为壤中水径流。
40
27
六、山坡产流
28
作业
1、写出四种径流成分产流的基本条件。 2、为什么说回归流是壤中水径流的特殊形式。
29
七、产流机制的统一性和相互转 化
30
产流机制的统一性
（一）产流的基本条件 任何一种径流成分都是在两种不同透水
性物质的界面上产生的，上层介质的透 水性强下层介质的透水性 。
31
（二）各种径流成分产流量大小
32
若从界面以上土层的水量平衡方程来看， 又可得出任何径流成分的径流量均由 “门槛”作用形成的结论。
I E (We W0 ) F R
19
（四）饱和地面径流实例验证
20
四、特殊包气带的产流机制
包气带厚度为零的产流机制
不透水基岩出露地面 河湖沼泽表面 城市道路 屋面 飞机场跑道
21
五、回归流
（一）回归流：由于坡度的作用，原先为 壤中水径流后又渗出地面而变成饱和地 面径流的径流成分称为回归流。
22
23
（二）回归流形成的条件
4
5
（一）超渗地面径流产生的物理条件
i Ｒs fp
雨强大于地面下渗容量就可以产生超渗地面径流。
6
RS
RS
7
(二）地下水径流产生的物理条件
地下水径流产生的物理条件是整个包气带 土壤含水量达到田间持水量。
8
9
二、壤中水径流
(一)壤中水径流定义：在两种不同透水 性土壤的界面上形成的、在适当条件下 可以沿界面流动的径流称为壤中水径流。
40
27
六、山坡产流
28
作业
1、写出四种径流成分产流的基本条件。 2、为什么说回归流是壤中水径流的特殊形式。
29
七、产流机制的统一性和相互转 化
30
产流机制的统一性
（一）产流的基本条件 任何一种径流成分都是在两种不同透水
性物质的界面上产生的，上层介质的透 水性强下层介质的透水性 。
31
（二）各种径流成分产流量大小
扬大水文学原理Ch3-4章
通常情况下分水线是指地 面分水线(surface watershed divide)
Page 10
流域：指河流某一控制断面以上汇集地面水和地下水的区域称 为河流在该断面以上的流域。
流域: 地面分水线包围的区域。
地面分水线与地下分水线重 合的流域称为闭合流域； 地面分水线与地下分水线不 重合的流域称为非闭合流域。
距离； 从流域出口断面至分水线的最大直线距离 用流域平面图形几何中心轴的长度(流域
轴长)表示，即以出口作同心圆，每个圆 与分水线边界的两个交点连一割线，各割 线中点连线的总长度。
如何求具体值？适当比例尺的地形图量测计算
2 流域特征
➢ 2.1流域的几何特征 流域面积、长度、平均宽度、形状系数
（3）流域宽度
水分以各种形式从大气到达地面统称降水。包括雨、雪、露、
霜、冰雹等。
本章重点是降水的基本要素，降水的成因及类型、降水特征及 表示方法，降水资料的分析，区域平均降水量的计算。
第一节 降雨的类型 、特征及表示方法
一、降雨的成因和类型
（一）降雨的成因
一般将在水平方向上物理属性比较均匀的大块空气称为气团。
水文学原理
（principles of Hydrology）
扬州大学·水利与能源动力工程学院
水文学原理
本章主要内容： 1.河流--水系：概念、特征及表示方法 2.分水线--流域：概念、特征及表示方法
பைடு நூலகம்
第一节 河流与水系
1.基本概念
河流——接纳地面水和地下水的天然 泄水道。
干流-支流，一级支流、二级支流…… 左岸-右岸，凹岸-凸岸，河谷-河槽 (河床) 河流一般可以分为五段：河源、上游、 中游、下游、河口。
n
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流域：指河流某一控制断面以上汇集地面水和地下水的区域称 为河流在该断面以上的流域。
流域: 地面分水线包围的区域。
地面分水线与地下分水线重 合的流域称为闭合流域； 地面分水线与地下分水线不 重合的流域称为非闭合流域。
距离； 从流域出口断面至分水线的最大直线距离 用流域平面图形几何中心轴的长度(流域
轴长)表示，即以出口作同心圆，每个圆 与分水线边界的两个交点连一割线，各割 线中点连线的总长度。
如何求具体值？适当比例尺的地形图量测计算
2 流域特征
➢ 2.1流域的几何特征 流域面积、长度、平均宽度、形状系数
（3）流域宽度
水分以各种形式从大气到达地面统称降水。包括雨、雪、露、
霜、冰雹等。
本章重点是降水的基本要素，降水的成因及类型、降水特征及 表示方法，降水资料的分析，区域平均降水量的计算。
第一节 降雨的类型 、特征及表示方法
一、降雨的成因和类型
（一）降雨的成因
一般将在水平方向上物理属性比较均匀的大块空气称为气团。
水文学原理
（principles of Hydrology）
扬州大学·水利与能源动力工程学院
水文学原理
本章主要内容： 1.河流--水系：概念、特征及表示方法 2.分水线--流域：概念、特征及表示方法
பைடு நூலகம்
第一节 河流与水系
1.基本概念
河流——接纳地面水和地下水的天然 泄水道。
干流-支流，一级支流、二级支流…… 左岸-右岸，凹岸-凸岸，河谷-河槽 (河床) 河流一般可以分为五段：河源、上游、 中游、下游、河口。
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水文学第四章(2010)
资料的代表性分析 资料的代表性分析 代表性 资料的代表性: 资料的代表性: 是指样本的统计特性能否很好地
反映总体的统计特性。 反映总体的统计特性。 样本与总体的离差越小，代表性越好； 样本与总体的离差越小，代表性越好； 样本与总体的离差越大，代表性越差。 样本与总体的离差越大，代表性越差。
A站：设计站，资料系列30年 30年 设计站，资料系列30 B站：参证站，资料系列50年 50年 参证站，资料系列50 分布参数： 分布参数： A 站： R B 站： R
资料一致性的分析 资料一致性的分析 一致性
水文系列资料的成因前后应一致。 水文系列资料的成因前后应一致。当 水文系列资料的成因前后不一致时， 水文系列资料的成因前后不一致时，应 该还原修正到天然状态的水平。 该还原修正到天然状态的水平。
ห้องสมุดไป่ตู้
W天然 = W实测 +W还原
根据水量平衡原理，采用各种方法还原。 根据水量平衡原理，采用各种方法还原。 （1）分时段还原； ）分时段还原； （2）总量还原； ）总量还原； （3）过程还原。 ）过程还原。
4.设计洪水的计算方法 4.设计洪水的计算方法
设计洪水的内容： 设计洪水的内容： 设计洪水包括 包括： 设计洪水包括： 一定频率的设计洪峰流量 率的设计洪峰流量； 1 一定频率的设计洪峰流量； 不同时段的设计洪水总量； 不同时段的设计洪水总量； 设计洪水过程线。 设计洪水过程线。 设计洪水的计算方法 ： (1)由流量资料推求设计洪水 ； 由流量资料推求设计洪水 (2)由暴雨资料推求设计洪水 (2)由暴雨资料推求设计洪水 ； (3)由经验公式推求设计洪水 (3)由经验公式推求设计洪水 ； (4)由水文气象资料推求设计洪水 (4)由水文气象资料推求设计洪水 。
水文学原理(第四章 降水)ppt课件
.
（三） 气象卫星云图：
气象卫星按其运行轨道分为极轨卫星和地球静止卫 星两类。
目前利用静止卫星随时发回的云图资料，包括可见 光云图和红外云图，对降雨等进行预测。 特点：可引入人—机交互系统，自动进行数据采集、云 图识别、降雨量计算、雨区移动预测等项工作。
.
二、流域平均降雨量计算
算术平均法 泰森多边形法 等雨量线法 距离平方倒数法
不同地区的水汽含量不同，降水量随高 程的递增率差异很大。
.
4 森林的影响 森林对降水量的影响，有着不同的认识： 1）可增大降水量：法国学者对美国东部 大流域研究认为，森林覆盖率增10%，降 水量可增加3%左右。
.
2）影响不大：森林不会影响大尺度气候， 只能对微尺度的气候产生一定的影响，最多 增加降水量1-3%。
.
2） 降水量累积曲线
X轴—时间（h, d, m） Y轴—自降水开始到各时刻 降水量累积值； 降水强度等于降水量累积 曲线的导数；
.
平均降水强度
i p t
瞬时降水强度
i dp dt
.
某站一次降雨实测的各时段雨量
时间 t(h)
0-8
雨量Pi （㎜）
8
8-12 12-14 14-16 16-20 20-24 36.2 48.6 54 30 6.8
.
6 人类活动影响 一般都是通过改变下垫面条件而间接影
响降水，其影响或减少降水，或增大降水。 植树造林、大规模砍伐森林、修建水库、
灌溉农田、围湖造田、疏干沼泽…… “雨岛效应”—即城市的增雨作用。其
影响的程度、增雨量的大小，与城市的规模、 工厂的多少、当地气候湿润的程度等有关。
.
第三节 降雨资料的分析与插补
.
（三） 气象卫星云图：
气象卫星按其运行轨道分为极轨卫星和地球静止卫 星两类。
目前利用静止卫星随时发回的云图资料，包括可见 光云图和红外云图，对降雨等进行预测。 特点：可引入人—机交互系统，自动进行数据采集、云 图识别、降雨量计算、雨区移动预测等项工作。
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二、流域平均降雨量计算
算术平均法 泰森多边形法 等雨量线法 距离平方倒数法
不同地区的水汽含量不同，降水量随高 程的递增率差异很大。
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4 森林的影响 森林对降水量的影响，有着不同的认识： 1）可增大降水量：法国学者对美国东部 大流域研究认为，森林覆盖率增10%，降 水量可增加3%左右。
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2）影响不大：森林不会影响大尺度气候， 只能对微尺度的气候产生一定的影响，最多 增加降水量1-3%。
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2） 降水量累积曲线
X轴—时间（h, d, m） Y轴—自降水开始到各时刻 降水量累积值； 降水强度等于降水量累积 曲线的导数；
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平均降水强度
i p t
瞬时降水强度
i dp dt
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某站一次降雨实测的各时段雨量
时间 t(h)
0-8
雨量Pi （㎜）
8
8-12 12-14 14-16 16-20 20-24 36.2 48.6 54 30 6.8
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6 人类活动影响 一般都是通过改变下垫面条件而间接影
响降水，其影响或减少降水，或增大降水。 植树造林、大规模砍伐森林、修建水库、
灌溉农田、围湖造田、疏干沼泽…… “雨岛效应”—即城市的增雨作用。其
影响的程度、增雨量的大小，与城市的规模、 工厂的多少、当地气候湿润的程度等有关。
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第三节 降雨资料的分析与插补
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水文学原理课堂PPT
土壤水 0.05%
大气水 0.04%
河 水 0.006%
第三节 地球系统中的水及水平衡（续）
水资源问题 原因 水资源量时空分布不均匀； 水资源分布与人口、耕地分布不相适应； 水环境污染； 水资源浪费。
对策 时间和空间上的合理调配； 积极开展水污染防治； 节约用水。
三、主要参考书 山坡水文学，刘新仁译 径流形成原理，芮孝芳编著 土壤和水—物理原理和过程，D·希勒尔著 华孟译 普通水文学，邓绶林编著 工程水文学，（美）林斯莱著 城市水文学，朱元甡、金光炎著
第一章 绪论
第一节 水文学的内容和任务 一、水文学的定义 研究水的科学，核心——水文循环。
广义水文学 按分布划分
二、按降雨强度及过程特征分类
暴雨——历时短、强度大、笼罩面积不大。 气象方面规定：日降雨量> 50mm ——暴雨； 日降雨量>100mm ——大暴雨； 日降雨量>200mm ——特大暴雨。 主要影响小流域洪水。 暴雨型霪雨——历时较长、强度变化大。 影响区域洪水。 霪雨——历时很长、强度小、笼罩面积大。 影响大流域洪水。
第一章 绪 论
第二章 水文循环
第四章 降 水
第五章 土 壤 水
第六章 下 渗
第七章 蒸发与散发
第八章 产流机制
第十章 地表水流
第十一章 洪水演算
第十二章 流域产流
第十三章 流域汇流
第三章 流域和水系
课程介绍
一、水文学原理的主要内容 1. 各种水体的形成、演变； 2. 水体形成的成因、演变的规律； 3. 研究水体形成成因、演变规律的方法。 二、学习目的 1.掌握水文现象的基本规律和研究方法； 2.本课程为专业基础课，为后继课程的学习做准备。
第二章 水文循环
大气水 0.04%
河 水 0.006%
第三节 地球系统中的水及水平衡（续）
水资源问题 原因 水资源量时空分布不均匀； 水资源分布与人口、耕地分布不相适应； 水环境污染； 水资源浪费。
对策 时间和空间上的合理调配； 积极开展水污染防治； 节约用水。
三、主要参考书 山坡水文学，刘新仁译 径流形成原理，芮孝芳编著 土壤和水—物理原理和过程，D·希勒尔著 华孟译 普通水文学，邓绶林编著 工程水文学，（美）林斯莱著 城市水文学，朱元甡、金光炎著
第一章 绪论
第一节 水文学的内容和任务 一、水文学的定义 研究水的科学，核心——水文循环。
广义水文学 按分布划分
二、按降雨强度及过程特征分类
暴雨——历时短、强度大、笼罩面积不大。 气象方面规定：日降雨量> 50mm ——暴雨； 日降雨量>100mm ——大暴雨； 日降雨量>200mm ——特大暴雨。 主要影响小流域洪水。 暴雨型霪雨——历时较长、强度变化大。 影响区域洪水。 霪雨——历时很长、强度小、笼罩面积大。 影响大流域洪水。
第一章 绪 论
第二章 水文循环
第四章 降 水
第五章 土 壤 水
第六章 下 渗
第七章 蒸发与散发
第八章 产流机制
第十章 地表水流
第十一章 洪水演算
第十二章 流域产流
第十三章 流域汇流
第三章 流域和水系
课程介绍
一、水文学原理的主要内容 1. 各种水体的形成、演变； 2. 水体形成的成因、演变的规律； 3. 研究水体形成成因、演变规律的方法。 二、学习目的 1.掌握水文现象的基本规律和研究方法； 2.本课程为专业基础课，为后继课程的学习做准备。
第二章 水文循环
水文学原理(全套课件上158P)
第二节 水文循环的现象及尺度(Water Cycle and its scales)
水文循环现象 水文循环的意义 水文循环的尺度
1、水文循环现象(Water cycle)
水在太阳能和大气运动的驱动下，不断地从水面、陆面和植物的茎叶面，通过蒸发或散 发，以水汽的形式进入大气圈。在适当的条件下，大气圈中的水汽可以凝结成水滴，小水 滴合并成大水滴，当凝结的水滴大到能克服空气阻力时，就在地球引力的作用下，以降水 的形式降落到地球表面。我们把水的这种既无明确的“开端”，也无明确的“终了”的永无 止的循环运动过程称为水文循环 。
1、水文循环现象(Water cycle)
Precipitation over land Water surface evaporation infiltration
Moisture from oceans to land
Plant transpiration Soil evaporation
Precipitation over oceans
水文学是地球物理科学的一个分支 水文学又是水利工程科学的重要组成部分 水文学又具有社会科学性
揭示水与生态的相互关系、污染物在 水中的迁移转化规律
研究在防灾、水资源利用、水环境保 护工程建设中必须的水文水利计算技 术
3、水文学的性质(Nature of Hydrology)
水文学是地球物理科学的一个分 支（自然科学）
第三阶段：二十世纪70年代 流域水文模型（Hydrological Mode) 水资源水文学 环境水文学
第四阶段：二十世纪80年代 全球尺度水文学（Global Scale Hydrology)
第五阶段：上世纪末本世纪初
生态水文学的兴起与发展
水文测验第四章 水文学原理课件
a 最大流量出现在最高水位之前 b 最大流速出现在最大流量之前 c 最大比降出现在最大流速之前 3) 洪水绳套曲线与水位过程线关系密切 4) 复式绳套中后章 流量资料整编
流量资料整编的方法可分为两类: • 基本方法 • 辅助方法
第一节 稳定的水位流量关系的 分析
稳定的水位流量关系是指在一定的条件下 水位和流量之间呈单值函数关系.
一 水位面积关系曲线 二 水位流速关系曲线 三 水位流量关系曲线
二 受洪水涨落影响的水位流量关系 1) 曲线的逆时针走向 2) 洪水绳套曲线上各水力要素依次出现
流量资料整编的方法可分为两类: • 基本方法 • 辅助方法
第一节 稳定的水位流量关系的 分析
稳定的水位流量关系是指在一定的条件下 水位和流量之间呈单值函数关系.
一 水位面积关系曲线 二 水位流速关系曲线 三 水位流量关系曲线
二 受洪水涨落影响的水位流量关系 1) 曲线的逆时针走向 2) 洪水绳套曲线上各水力要素依次出现
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208.2 mm
时间 (hr)
降水特性综合曲线
1. 雨强－历时曲线 2. 降水平均深度—面积—历时关系曲线
3. 降雨强度—历时—频率曲线 IDF 等雨量线（也可表述降水的时空分布特性）
雨强－历时曲线
对同一场暴雨，选定不同的历时， 分别统计各选定历时内的最大平均雨强， 然后以雨强位纵坐标，历时位横坐标， 点汇得到不同历时的雨强分布曲线。 得到：同一场降雨，雨强随历时的增加而减小。 不同场 的降雨 ，雨强—历时曲线不同。
若时段长取得比较小
成为光滑曲线 瞬时降水强度过程线 （教材中图4.3 左图）
降水累积曲线
以时间为横轴、
以降水开始至各个时刻的累积降水量为纵轴、
绘制而成的圆滑曲线。
200
160
累计降水 (mm)
120 78.0 mm 80 30 分钟 141.2 mm 40 1 小时 0 0 30 60 90 2 hr 120 150
5. 降水数据完整性及代表性，降水数据是否经得起检验，
水循环过程
P = R + ET + ST 蒸散发 蒸发 蒸散发 R = 径流(地表径流.地下径流、融雪径流等)
ET = 蒸散发（降水截留蒸发、土壤、蒸腾等） 截留 ST = 储存（土内储存，下渗等）
洼蓄 降水
壤中流 R 输入 P、输出
水文模型
下渗 地表径流
降水概念1
降水量：在一定时段内，从大气降落到地面的降水在地平 面上所积聚的水层厚度。 一般是指某一时段（小时或日）内的总降水量。 每天定时观测，单位mm。 日降水量以8时为日分界，每日8时至次日8时降水量总和
降水历时 降水过程中某两个时刻间，降雨持续的时间
次降水历时：从降水开始到降水结束，经历的时段。 降水强度 单位时间内的降水量，一般用mm/h 表示
20cm土湿 6.0 4.0
2.0 4.0 0.0
233 234 235 236 237 238 239 239 240 241 mm mm
40cm土湿
80cm土湿
120cm土湿
99年８月２１——９月１１日阳坡草地降水
99年８月２１——９月１１日阳坡草地降水
天
242 243 244 245 246 247 248 249 250 250 251 252
降水的表示方法
怎么表示降水的时间与空间分布？
1. 降水过程线、降水强度过程线、瞬时雨强过程线
2. 降水累计曲线
3. 降水特性综合曲线
4. 等雨量线是一种特殊的降水特性综合曲线
时段降水量 (每 5小时
10 15 20 25 0 5
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150
99年８月２１——９月１１日阳坡草土壤各结点湿度变化
0.2
0.2
0.15
0.15 0.1 0.1 233 233
6.0
土壤含水量变化
天 天
235 235 237 237 239 239 241 241 243 243 245 245 247 247 249 249 251 251 253 253
20cm土湿 40cm土湿 80cm土湿 120cm土湿
大量资料的统计成果表明，暴雨强度和历时的关系可用 指数方程来表达，它反映一定频率某历时的平均降雨强 度 it , p 与该历时 t 的关系，称为短历时暴雨公式
it，P 历时为t，频率为P的平均暴雨强度，mm/h SP 频率为P，历时为1h的平均暴雨强度(又称雨力) mm/h n 暴雨递减指数或暴雨衰减指数
参数化
边界条件与初始条件
深层地下水
t
流量历时曲线
地下水流
河道汇流
降水是水文模型的驱动与输入
P = Pn = I = ET = Si = So = Gi = Go = T = V = t = 降水 净降水 降水截留损失 蒸散发 表面径流流入量 表面径流流出量 地下径流流入量 地下径流流出量 潮水涌入涌出量 流域储水量的变化 时间
降水 强度 等级 划分
降水概念3
净雨（或称为有效降雨）降雨到达地表后，总降雨量扣除 地表植被截留、添洼、下渗和蒸发损失后，用于形成径 流的那部分降水。 有效降雨在农业中指蓄存于土壤里并供给作物生长 的那部分降水（effective rainfall） 降雨损失 总降雨量因植物截留、入渗、洼蓄、 蒸发及蒸散作用而减少的雨量。 初期降雨 洼地全部填满之前的降雨量
大气中水汽因气温降低，使得未饱和的水汽趋于饱和， 而由汽态转为复杂固态冰晶体的凝结与下落过程。
水平降水
大气中的水汽以露、霜的形式凝结到地表附近
降水类型（气）
降水类型 露 雾滴 细雨，毛毛雨 降雨 雨夹雪，霰 雪花 雪粒，粒状雪 冰雹 主要特征 dew 一般夜间发生，主要发生在植物表面 fog drip 水滴直径在0.001-0.2mm之间。 drizzle 水滴直径在0.02mm-0.5mm之间 rainfall 水滴直径大于0.5mm，一般1.0-2.0mm sleet 湿雪、雨滴、雪的混合物 snowflake 长度几厘米左右 snow grain 一般在小雪事件产生 hail 不规则球状冰晶，直径一般5.0-50.0mm
项 目 小雨、阵雨 小雨—中雨 中雨 中雨—大雨 大雨 大雨—暴雨 暴雨 暴雨—大暴雨 大暴雨 大暴雨—特大暴雨 特大暴雨 24小时降水总量 (mm) 0.1-9.9 5.0-16.9 10.0-24.9 17.0-37.9 25.0-49.9 33.0-74.9 50.0-99.9 75.0-174.9 100.0-249.9 175.0-299.9 ≥250.0 12小时降水总量 (mm) ≤4.9 3.0-9.9 5.0-14.9 10.0-22.9 15.0-29.9 23.0-49.9 30.0-69.9 50.0-104.9 70.0-139.9 105.0-169.9 ≥140.0
霰xiàn sleet
雹
hail
降雨（ Rainfall） 降水（ Precipitation ） 降雪（snowfall）
水平降水 （horizontal precipitation）
降雨、降雪、水平降水 降雨
大气中的水汽因气温降低，使得未饱和的水汽趋于饱和， 由汽态转为液态的凝结、下落过程。
降雪
学习要求
了解 降水成因、类型
掌握
了解
降水基本要素特征值及其概念
降水观测方法、误差修正
了解
了解
降水形态判别方法
影响流域降水分布的因素
掌握
计算面降水量的方法
降水
降水
Precipitation
高空的水汽因气温降低凝结后，
由汽态转为液态或固态，
从云中降落（或从空气中沉降）到 地面的现象。
降水形态 雨rain 雪snow
2.0 0.0
降水过程
天
233
234
235
236
237
238
239
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
250
251
252
降水截留
第四章 降水
降水定义 降水定义、类型、降水在水循环与水量平衡中的作用 降水成因 对流型、锋面型、地形雨、气旋雨 降水要素 历时、强度、面积、次降水，有效降雨、初期雨量、降雨损失 降水图示 过程曲线、累积曲线、强度－历时曲线、深度－面积－历时曲线 降水观测 记录式与非记录式 影响因素 纬度、海拔高程、风、地形、离水源远近 时空分布 等雨量线（绘制水文特征的等值线---地理综合法） 降水误差 误差修正，降水随海拔的变化规律，降水形态的判别 降水计算 算术平均法，加权平均法，泰森多边形法，客观运行法 降水变化 降水区域变化趋势 降水截留 植被对降水的截留过程的描述及计算
成都与重庆市1950～2000年的年降水量
成都年均降水量912mm,重庆1092mm
1600 1400 1200
年降水量/mm
1000 800 600 400 200 0 1950 1955 成都年降水量 重庆年降水量 年 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
干旱——持久无降雨
次生地质灾害泥石流、滑坡——降雨诱因
水文模型的运转————降雨是驱动变量之一
降水问题
1. 驱动水文模型运行，区域水资源状况、评价的基础
2. 降水形态 ？
3. 研究区降水特征 、降水的时空分布 ?
4. 观测的降水数据是否有误差 ? 是否可用? 6. 降水数据序列长短？ 7. 水文模型中如何处理降水截留？
10.0
14.0 12.0 10.0 241 243 245 247 249 251 253
cm3/cm3 cm3/cm3
土壤温度变化
239
241 40cm土温
243
245 80cm土温
247
249
251
253
天
120cm土温
0.3
0.3 0.25 0.25
99年８月２１——９月１１日阳坡草土壤各结点湿度变化 20cm土温 40cm土温 80cm土温 120cm土温
降水平均深度—面积—历时关系曲线
对不同历时的降雨， 以降水面积为横坐标，
以降雨平均深度为纵坐标，点绘曲线，
此组曲线即为降雨平均深度与面积和历时关系曲线。
IDF曲线：降雨强度—历时—频率曲线
IDF曲线平率分析
1. 2. Get annual maximum series of precipitation depth for a given duration Use EV1/Gumbel distribution to find precipitation depth for different return periods