水文学原理课件河海.ppt

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1、第一章第一章 绪绪 论论第二章第二章 水文水文循环循环第四章第四章 降降 水水第五章第五章 土土 壤壤 水水第六章第六章 下下 渗渗第七章第七章 蒸蒸发与发与散散发发第八章第八章 产流机制产流机制第十章第十章 地表水流地表水流第十一章第十一章 洪水演算洪水演算第十二章第十二章 流域产流流域产流第十三章第十三章 流域汇流流域汇流第三章第三章 流域和流域和水水系系课程介绍课程介绍一、水文学原理的主要内容一、水文学原理的主要内容1.各种水体的形成、演变；各种水体的形成、演变；2.水体形成的成因、演变的规律；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。研究水体形成成因、演变规律的

2、方法。二、学习目的二、学习目的1.掌握水文现象的基本规律和研究方法；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。本课程为专业基础课，为后继课程的学习做准备。三、主要参考书三、主要参考书1.山坡水文学，刘新仁译山坡水文学，刘新仁译2.径流形成原理，芮孝芳编著径流形成原理，芮孝芳编著3.土壤和水土壤和水物理原理和过程，物理原理和过程，D希勒尔著希勒尔著 华孟译华孟译4.普通水文学，邓绶林编著普通水文学，邓绶林编著5.工程水文学，（美）林斯莱著工程水文学，（美）林斯莱著6.城市水文学，朱元甡、金光炎著城市水文学，朱元甡、金光炎著第一章第一章 绪论绪论第一节第一节

3、 水文学的内容和任务水文学的内容和任务一、水文学的定义一、水文学的定义研究水的科学，核心研究水的科学，核心水文循环。水文循环。广义水文学广义水文学按分布划分按分布划分海洋水文学海洋水文学陆地水文学陆地水文学水文气象学水文气象学地表水水文学地表水水文学土壤水水文学土壤水水文学地下水水文学地下水水文学河川水文学河川水文学湖泊水文学湖泊水文学冰川水文学冰川水文学河口水文学河口水文学按应用分按应用分环境水文学、农业水文学、城市水文学环境水文学、农业水文学、城市水文学1.水文测验水文测验(或水文信息采集或水文信息采集)2.水文预报水文预报3.水文水利计算水文水利计算 二、传统水文学的内容二、传统水文学的

4、内容一、水文学简史一、水文学简史 英文英文Hydrology，来源于拉丁语，来源于拉丁语，“水的知识水的知识”。经历了四个发展时期：经历了四个发展时期：1.1.萌芽期（公元萌芽期（公元16001600年之前年之前）2.2.奠基时期（公元奠基时期（公元1600-19001600-1900年）年）3.3.实践时期（实践时期（1900-19501900-1950年）年）4.4.现代化时期（现代化时期（19501950年年-）二、中国水文学的发展二、中国水文学的发展第二节第二节 水文学的发展水文学的发展一、水文现象的基本特点一、水文现象的基本特点1.时程变化上的周期性与随机性时程变化上的周期性与随机性

5、 2.空间变化上的相似性与特殊性空间变化上的相似性与特殊性第三节第三节 水文现象的基本特点及研究方法水文现象的基本特点及研究方法杨林杨林天生港天生港日潮位变化过程线日潮位变化过程线年最大流量变化过程年最大流量变化过程年降水量变化过程年降水量变化过程二、水文现象的研究方法二、水文现象的研究方法成因分析法成因分析法 以质量守恒、能量以质量守恒、能量(动量动量)守恒等定理为基础，守恒等定理为基础，揭示水文现象运动变化的机理、规律。揭示水文现象运动变化的机理、规律。数理统计法数理统计法 水文现象具有随机性，从而以概率理论为水文现象具有随机性，从而以概率理论为基础，研究水文现象特征值的统计规律。基础，研

6、究水文现象特征值的统计规律。地理综合法地理综合法 水文现象具有地区性，从而通过建立地区水文现象具有地区性，从而通过建立地区经验公式、绘制各种特征值等值线图，揭示水经验公式、绘制各种特征值等值线图，揭示水文特征值的地区规律。文特征值的地区规律。第二章第二章 水文循环水文循环第一节第一节 水的奇异物理性质水的奇异物理性质1)水是仅次于空气的最活跃的物质之一；水是仅次于空气的最活跃的物质之一；2)水有三态变化，是自然界水文循环的基础；水有三态变化，是自然界水文循环的基础；3)同其他氢化物相比，水有特别高的溶点和沸点；同其他氢化物相比，水有特别高的溶点和沸点；4)水有特别大的比热和蒸发潜热；水有特别大

7、的比热和蒸发潜热；5)水有反常的密度变化（水有反常的密度变化（4 C时密度最大）；时密度最大）；6)水有较大的表面张力；水有较大的表面张力；7)水是各种盐类很好的溶剂；水是各种盐类很好的溶剂；8)水具有几乎不可压缩性。水具有几乎不可压缩性。第二节第二节 水文循环现象水文循环现象水文循环的原因（外因、内因）水文循环的原因（外因、内因）水的不断蒸发、输送、凝结、降落、产流、汇流的往复循环过程水的不断蒸发、输送、凝结、降落、产流、汇流的往复循环过程降水降水P蒸发蒸发E地地表表径径流流RSEP陆地陆地基岩基岩下渗下渗F海洋海洋包气带包气带地下径流地下径流Rg壤中流壤中流RSS蒸腾蒸腾ET第二节第二节

8、水文循环现象（续）水文循环现象（续）大循环和小循环大循环和小循环 大循环：大循环：海洋海洋大气大气大陆大陆海洋（纵向海洋（纵向+横向）横向）小循环：小循环：海洋海洋大气大气海洋（海洋小循环）海洋（海洋小循环）大陆大陆大气大气大陆（内陆小循环）大陆（内陆小循环）水文循环的规律水文循环的规律1)海洋的蒸发量多于降水量；海洋的蒸发量多于降水量；2)大陆的降水量多于蒸发量；大陆的降水量多于蒸发量；3)大陆外流区输入水汽量与输出水量基本平衡；大陆外流区输入水汽量与输出水量基本平衡；4)大陆内流区降水量与蒸发量基本相等。大陆内流区降水量与蒸发量基本相等。第二节第二节 水文循环现象（续）水文循环现象（续）水

9、文循环的作用和意义水文循环的作用和意义 地球上总水量地球上总水量13.86亿亿Km3，参与循环的约，参与循环的约57.7万万Km3，占，占0.0416%。1、调节气候；、调节气候；2、塑造了地球表面；、塑造了地球表面；3、形成了巨大的水利资源；、形成了巨大的水利资源；4、形成一切水文现象。、形成一切水文现象。第三节第三节 地球系统中的水及水平衡地球系统中的水及水平衡水资源的概念（水资源的概念（广义水资源、狭义水资源）广义水资源、狭义水资源）地球上水的分布地球上水的分布13.86亿亿km3淡水淡水 2.53%咸水咸水 97.47%13.86亿亿km3海洋海洋 96.5%陆地陆地 3.5%生物水生

10、物水 0.003%3500万万km3淡淡 水水永冻土层水永冻土层水 0.86%冰川雪盖冰川雪盖 68.7%地下水地下水 30.1%淡水湖淡水湖 0.26%土壤水土壤水 0.05%大气水大气水 0.04%河河 水水 0.006%第三节第三节 地球系统中的水及水平衡（续）地球系统中的水及水平衡（续）水资源问题水资源问题原因原因1)水资源量时空分布不均匀；水资源量时空分布不均匀；2)水资源分布与人口、耕地分布不相适应；水资源分布与人口、耕地分布不相适应；3)水环境污染；水环境污染；4)水资源浪费。水资源浪费。对策对策1)时间和空间上的合理调配；时间和空间上的合理调配；2)积极开展水污染防治；积极开展

11、水污染防治；3)节约用水。节约用水。一、水量平衡一、水量平衡1.通用水量平衡方程通用水量平衡方程 wIOIO WRrEcPxEbqaRrRgRgI=Px+Ec+Rr+Rg O=Eb+qa+Rr+RgPx+Ec+Rr+Rg=Eb+qa+Rr+Rg W令令E=Eb-Ec，Rr+Rg=RI，Rr+Rg=RO 则则 Px+RI=E+qa+RO W第三节第三节 地球系统中的水及水平衡（续）地球系统中的水及水平衡（续）一、水量平衡（续）一、水量平衡（续）2.河流流域水量平衡方程河流流域水量平衡方程（1）闭合流域（没有流域来水）的水量平衡方程）闭合流域（没有流域来水）的水量平衡方程 记记Px=P，RI=0，

12、qa=0，RO=R：某某 时时 段：段：P=E+R W多年平均：多年平均：P=R+E（2）不闭合流域（有外流域来水）的水量平衡方程）不闭合流域（有外流域来水）的水量平衡方程 某某 时时 段：段：P=RO-R I+E W3.全球水量平衡方程全球水量平衡方程一、水量平衡（续）一、水量平衡（续）时时 段：段：Pl=El+R W大陆大陆多年平均：多年平均：Pl=El+R 时时 段：段：Ps=Es-R W海洋海洋多年平均：多年平均：P s=Es-R 全球多年平均：全球多年平均：P=E二、热量平衡（续）二、热量平衡（续）1.通用热量平衡方程通用热量平衡方程 SSISOSISO S2.蓄水体热量平衡方程蓄水

13、体热量平衡方程Hn=HI+H+Rn+Rat-Ho-He-Rb若时段较长若时段较长 HI=Ho，则：，则：Hn=Rn+Rat+H-He-Rb其中：其中：He=LEHIH0Hn蓄热量变化量蓄热量变化量蒸蒸发发失失热热He感感应应热热H太太阳阳辐辐射射Rn大大气气辐辐射射Rat水水体体长长波波辐辐射射Rb第一节第一节 基本概念基本概念分水线：使雨水分别汇集到两条不同的河流，起着分水作用的分水线：使雨水分别汇集到两条不同的河流，起着分水作用的 地形，是流域的边界线。地形，是流域的边界线。流流 域：汇集地面水和地下水由分水线所包围的区域。域：汇集地面水和地下水由分水线所包围的区域。4.流域形状系数流域形

14、状系数 Rf=流域面积流域面积/(流域长度流域长度)21111111122223342.河流等级河流等级3.河网密度河网密度 流域单元面积内干支流长度。流域单元面积内干支流长度。1.河系类型（扇形、羽毛型、平行状、混合形）河系类型（扇形、羽毛型、平行状、混合形）第二节第二节 流域特征流域特征一、流域的平面形状特征一、流域的平面形状特征第三章第三章流域和水系流域和水系第二节第二节 流域特征（续）流域特征（续）二、流域的地形起伏特征二、流域的地形起伏特征 1.河流的落差和比降河流的落差和比降 2.流域平均坡度流域平均坡度 3.流域面积流域面积高程曲线高程曲线三、流域自然地理及下垫面情况三、流域自然

15、地理及下垫面情况 1.流域地理位置流域地理位置 2.流域的土壤岩石性质和地质构造流域的土壤岩石性质和地质构造 3.流域植被率流域植被率 4.流域湖泊率、沼泽率流域湖泊率、沼泽率第四章第四章降水降水一、按降雨的成因分类一、按降雨的成因分类1.气旋雨气旋雨随着气旋或低压过境而产生的雨。随着气旋或低压过境而产生的雨。气旋雨气旋雨非锋面雨非锋面雨锋面雨锋面雨暖锋雨暖锋雨冷锋雨冷锋雨非锋面雨非锋面雨气压向低压区辐合引起气流上升产生降雨。气压向低压区辐合引起气流上升产生降雨。水分以各种形式从大气到达地面统称降水。包括雨、雪、露、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。霜、冰雹等。

16、第一节第一节 降雨的类型降雨的类型气团气团物理属性水平分布比较均匀的大范围空气团。物理属性水平分布比较均匀的大范围空气团。峰面峰面两种性质不同的气团之间狭窄而倾斜的过渡带。两种性质不同的气团之间狭窄而倾斜的过渡带。峰在空间是倾斜的，且向冷空气一侧倾斜。峰在空间是倾斜的，且向冷空气一侧倾斜。暖锋雨：暖锋雨：冷暖气团相遇时，暖湿气团推动锋面向冷气团冷暖气团相遇时，暖湿气团推动锋面向冷气团一侧移动。峰后暖空气一方面向冷空气方向推进，同一侧移动。峰后暖空气一方面向冷空气方向推进，同时又沿锋面缓慢上升，在上升过程中冷却而产生降雨。时又沿锋面缓慢上升，在上升过程中冷却而产生降雨。因暖锋坡度很小，一般为因暖

17、锋坡度很小，一般为1:150，故暖锋雨降雨面积大、，故暖锋雨降雨面积大、雨强小、历时长。雨强小、历时长。锋面雨的形成锋面雨的形成暖锋雨的形成示意图暖锋雨的形成示意图冷气团冷气团暖气团暖气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团冷锋雨的形成冷锋雨的形成冷锋雨：冷锋雨：冷暖气团相遇时，冷燥气团楔入到暖湿冷暖气团相遇时，冷燥气团楔入到暖湿气团之下，使暖湿气团上升冷却而产生降雨。气团之下，使暖湿气团上升冷却而产生降雨。根据移动速度可分为缓行冷锋和急型冷锋。根据移动速度可分为

18、缓行冷锋和急型冷锋。1)缓行冷锋的降水与暖锋相似；缓行冷锋的降水与暖锋相似；2)急行冷锋移动较快，坡度较大，约为急行冷锋移动较快，坡度较大，约为1:70，故，故降水范围小、雨强大、历时短。降水范围小、雨强大、历时短。冷锋雨的形成示意图冷锋雨的形成示意图冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团冷气团冷气团暖气团暖气团缓行冷锋缓行冷锋急行冷锋急行冷锋暖气团暖气团暖气团暖气团暖气团暖气团暖气团暖气团2.对流雨对流雨 地面受热升温，下层空气膨胀上升和上层空气形地面受热升温，下层空气膨胀上升和上层空气形成对流运动。下层暖湿空气上升到高空遇冷凝结形成成对流运动。下层暖湿空气

19、上升到高空遇冷凝结形成降雨。多发生在夏季午后，强度大、面积小、历时短。降雨。多发生在夏季午后，强度大、面积小、历时短。3.地形雨地形雨 暖湿气团在运动过程中遇山岭障碍时，在沿山坡暖湿气团在运动过程中遇山岭障碍时，在沿山坡上升过程中逐渐变冷凝结成雨。地形雨多在迎风坡上。上升过程中逐渐变冷凝结成雨。地形雨多在迎风坡上。4.台风雨台风雨 由热带海洋上的风暴带到大陆的雨。灾害性天气，由热带海洋上的风暴带到大陆的雨。灾害性天气，常发生在浙、闽、粤、台湾等沿海省份。常发生在浙、闽、粤、台湾等沿海省份。二、按降雨强度及过程特征分类二、按降雨强度及过程特征分类1.暴雨暴雨历时短、强度大、笼罩面积不大。历时短、

20、强度大、笼罩面积不大。气象方面规定：日降雨量气象方面规定：日降雨量 50mm 暴雨；暴雨；日降雨量日降雨量100mm 大暴雨；大暴雨；日降雨量日降雨量200mm 特大暴雨。特大暴雨。主要影响小流域洪水。主要影响小流域洪水。2.暴雨型霪雨暴雨型霪雨历时较长、强度变化大。历时较长、强度变化大。影响区域洪水。影响区域洪水。3.霪雨霪雨历时很长、强度小、笼罩面积大历时很长、强度小、笼罩面积大。影响大流域洪水。影响大流域洪水。1.降水要素降水要素降水量、降水历时和时间、降水强度、降水面积降水量、降水历时和时间、降水强度、降水面积2.降水量过程线降水量过程线3.降水量累积曲线降水量累积曲线4.降水强度与历

21、时曲线降水强度与历时曲线5.等雨量线等雨量线6.平均深度与面积曲线平均深度与面积曲线第二节第二节降水要素及其时空变化表示方法降水要素及其时空变化表示方法时间时间时段降雨时段降雨累积降雨累积降雨13:420014:0011.511.514:3033.545.015:3431.976.917:001.678.518:102.280.7时间时间累积降雨累积降雨时段降雨时段降雨13:000014:0011.511.515:0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2时时 间间累积降雨累积降雨时段降雨时段降雨13:000014:0011.511.515:

22、0060.048.516:0077.017.017:0078.51.518:0080.72.2历历 时时累积降雨累积降雨雨雨 强强148.548.5265.532.8377.025.7478.519.6580.716.1680.713.4等雨量线的做法类似于地形图等高线的做法。等雨量线的做法类似于地形图等高线的做法。等雨量所表示的降水分布与实际降水分布的符合程度取决于：等雨量所表示的降水分布与实际降水分布的符合程度取决于：(1)雨量站位置雨量站位置(是否为雨情控制点是否为雨情控制点)；(2)雨量站数目雨量站数目某流域内有某流域内有7个雨量站，根据各站个雨量站，根据各站6小时雨量资料绘出其等雨量

23、线。小时雨量资料绘出其等雨量线。90705040110120809865624736A2A690705040A1A3A4A512011036分块分块面积面积(km2 2)平均雨深平均雨深(mm)1412021210032180423605304561236分块分块累积面积累积面积平均雨深平均雨深(mm)14120.01-216105.01-337 90.81-460 79.01-590 68.31-6102 63.9第三节第三节区域平均降水量计算方法区域平均降水量计算方法常用的区域常用的区域(或流域或流域)平均降水量计算方法有：平均降水量计算方法有：1.算术平均法算术平均法 适用于面积不大，地

24、形起伏不大，站点较多且布设较适用于面积不大，地形起伏不大，站点较多且布设较均匀的流域。计算简便。均匀的流域。计算简便。2.泰森多边形法泰森多边形法 适用于降雨分布不均，站点较少，面积不大的流域。适用于降雨分布不均，站点较少，面积不大的流域。在确定各站的权重后也很简便，且精度较好。缺点是在在确定各站的权重后也很简便，且精度较好。缺点是在各场降雨中把雨量站权重视为固定，与实际情况不完全各场降雨中把雨量站权重视为固定，与实际情况不完全一致。一致。3.等雨量线法等雨量线法 适用于面积大、站点密的流域。理论上较完善，但每适用于面积大、站点密的流域。理论上较完善，但每次降雨都必须绘制等雨量线，并计算权重，

25、工作量大。次降雨都必须绘制等雨量线，并计算权重，工作量大。泰森多边形法泰森多边形法A1A2A3A4A5A6(1)连三角形；连三角形；(2)作三角形各边的垂直平分线作三角形各边的垂直平分线;(3)以交点连线及与流域边界相交的垂直平分线构成单元面积；以交点连线及与流域边界相交的垂直平分线构成单元面积；(4)量出各单元面积，总面积量出各单元面积，总面积A=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)(5)计算单元面积权重及流域平均雨量计算单元面积权重及流域平均雨量 各子块权重各子块权重 i=A i/A P=i P i 等雨量线法等雨量线法A2A690705040A1A3A4A5110总面积总面积A=(A1

26、A2+A3+A4+A5+A6)各子块权重各子块权重 i=A i/A P=i P i 第四节第四节 降水资料的一致性检验和插补降水资料的一致性检验和插补一、降水资料的一致性鉴别一、降水资料的一致性鉴别 由于雨量站位置、雨量计高度或轴向、仪器设备和观测由于雨量站位置、雨量计高度或轴向、仪器设备和观测方法等的改变，会使降水量资料产生系统偏差。对系统偏差，方法等的改变，会使降水量资料产生系统偏差。对系统偏差，可采用可采用“双累积分析方法双累积分析方法”进行分析和修正。进行分析和修正。如分析如分析 降水资料的前后一致性降水资料的前后一致性邻近多站平均累积年降水量邻近多站平均累积年降水量(mm)站站累累

27、积积年年降降水水量量(mm)85年年第四节第四节 降水资料的一致性检验和插补降水资料的一致性检验和插补(续续)二、非一致降水资料的改正二、非一致降水资料的改正站站累累积积年年降降水水量量(mm)邻近多站平均累积年降水量邻近多站平均累积年降水量(mm)至至95年的年的累积雨量累积雨量BC85年年AKBKC说明自说明自1985年起，年起，站逐站逐年测到的降水量比原来观年测到的降水量比原来观测条件下观测到的降水量测条件下观测到的降水量减小了减小了KC/KB倍，为保倍，为保持降水量资料的一致性，持降水量资料的一致性，可将可将85年后观测的雨量按年后观测的雨量按KB/KC的系数进行改正。的系数进行改正。

28、第四节第四节 降水资料的一致性检验和插补降水资料的一致性检验和插补(续续)1.算术平均法算术平均法 PA=(P1+P2+Pn)/n 适用条件适用条件：插补站多年平均降水量与附近站多年平均降插补站多年平均降水量与附近站多年平均降水量相差水量相差10%。某站大多数资料都有，部分时间因仪器故障或其它原因某站大多数资料都有，部分时间因仪器故障或其它原因缺测，为保持资料的完整性，以利于水文预报或水文分析计缺测，为保持资料的完整性，以利于水文预报或水文分析计算时使用，需要对缺测资料进行插补。算时使用，需要对缺测资料进行插补。如如A站站1950年至今的年至今的雨量系列中，缺雨量系列中，缺1957、1958、

29、1961年降雨资料，需要插补。年降雨资料，需要插补。第四节第四节 降水资料的一致性检验和插补降水资料的一致性检验和插补(续续)3.等雨量线法等雨量线法 对短历时降水量，由于空对短历时降水量，由于空间分布不均，插补站降水间分布不均，插补站降水量与附近站降水量之间的量与附近站降水量之间的相关关系较差，从等雨量相关关系较差，从等雨量线图上内插效果较好。线图上内插效果较好。907050401501101.土壤质地土壤质地v土粒分级土粒分级第五章第五章 土壤水土壤水第一节第一节土壤的物理特性土壤的物理特性2.土壤结构（团粒结构）土壤结构（团粒结构）粘粒粘粒 粉砂粉砂 细砂细砂 粗砂粗砂粒径粒径(微米微米

30、)1-2 2-20 20-200 200-2000大大于于指指定定粒粒径径的的百百分分比比100 80 60 40 20200 1000 2000粒径粒径(微米微米)粘粒重量占粘粒重量占60%60%以上以上 粘土粘土砂粒重量占砂粒重量占80%80%以上以上 砂土砂土介于两者之间介于两者之间壤土壤土v 土壤质地分类土壤质地分类第一节第一节土壤的物理特性（续）土壤的物理特性（续）3.土壤孔隙分类土壤孔隙分类 按成因划分为：质地孔隙、结构孔隙、生物孔隙按成因划分为：质地孔隙、结构孔隙、生物孔隙 按大小划分为：无效孔隙、毛管孔隙、非毛管孔隙按大小划分为：无效孔隙、毛管孔隙、非毛管孔隙4.土壤特性的定量

31、表示土壤特性的定量表示 a)土壤比重土壤比重 s（土壤中固体物质与同体积水的重量比）（土壤中固体物质与同体积水的重量比）b)土壤容重土壤容重 0（土壤中固体物质重量与土块体积之比）（土壤中固体物质重量与土块体积之比）c)孔隙比孔隙比e（土壤中孔隙体积与固体体积之比）（土壤中孔隙体积与固体体积之比）d)孔隙度孔隙度 p（土壤中孔隙体积与总体积之比）（土壤中孔隙体积与总体积之比）p=e/(1+e)1.重量含水量（重量含水量（）同一土样中水分重量占干土重量的百分比。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（体积含水量（）同一土样中水分体积占总体积的百分比。同一土

32、样中水分体积占总体积的百分比。=(Vw/V)*100%/=(Vw/V)/()/(Ww/Ws)=Ws/V=s(土壤容重）土壤容重）3.饱和度饱和度 同一土样中水的体积占全部孔隙体积的百分比。同一土样中水的体积占全部孔隙体积的百分比。S=(Vw/Vv v)*100%第二节第二节土壤含水量土壤含水量第三节第三节土壤水分作用力及土壤水分常数土壤水分作用力及土壤水分常数一、土壤水分作用力一、土壤水分作用力分子力分子力 土壤颗粒表面的分子和离子对水分的吸力。土壤颗粒表面的分子和离子对水分的吸力。毛管力毛管力 在未充满水的毛管孔隙中，因存在液体弯月面的表在未充满水的毛管孔隙中，因存在液体弯月面的表面张力，形

33、成毛管力，作用于土壤水。面张力，形成毛管力，作用于土壤水。重力重力二、土壤水分的存在形式二、土壤水分的存在形式吸湿水吸湿水 土粒分子从空气中吸附的水分。约几个分子厚度，为紧束缚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。水，与水文现象关系不大。薄膜水薄膜水 吸湿水外面，土粒剩余分子力所吸持的水分。为受束缚水。吸湿水外面，土粒剩余分子力所吸持的水分。为受束缚水。毛管水毛管水a)支持毛管水支持毛管水地下水面以上受毛管力支持而存在于土壤孔地下水面以上受毛管力支持而存在于土壤孔隙中的水分。隙中的水分。b)毛管悬着水毛管悬着水受毛管力支持而悬吊于土壤孔隙中的水分。受毛管力

34、支持而悬吊于土壤孔隙中的水分。第三节第三节土壤水分作用力及土壤水分常数土壤水分作用力及土壤水分常数(续续)二、土壤水分的存在形式二、土壤水分的存在形式(续续)重力水重力水 土壤中在重力作用下能自由移动的水分。土壤中在重力作用下能自由移动的水分。a)渗透自由重力水渗透自由重力水 超过田间持水量的渗入水分。超过田间持水量的渗入水分。b)支持重力水支持重力水 自由重力支持毛管水自由重力支持毛管水受地下水支持而存在于毛管孔隙受地下水支持而存在于毛管孔隙 之中的连续水体，能传递静水压力。之中的连续水体，能传递静水压力。相对不透水层支持重力水相对不透水层支持重力水由于土层中存在相对不透水由于土层中存在相对

35、不透水层，渗透水因交界面临时饱和而产生的能在重力作用下流层，渗透水因交界面临时饱和而产生的能在重力作用下流动的水分。动的水分。第三节第三节土壤水分作用力及土壤水分常数土壤水分作用力及土壤水分常数(续续)三、土壤水分常数三、土壤水分常数最大吸湿量最大吸湿量饱和空气中，土壤能吸附的最大水汽量。饱和空气中，土壤能吸附的最大水汽量。最大分子持水量最大分子持水量土粒分子力所结合的最大水分量。土粒分子力所结合的最大水分量。凋萎含水量凋萎含水量植物无法从土壤中吸收水分，开始永久凋萎植物无法从土壤中吸收水分，开始永久凋萎时的土壤含水率。时的土壤含水率。毛管断裂含水量毛管断裂含水量毛管悬着水的连续状态开始断裂时

36、的土毛管悬着水的连续状态开始断裂时的土壤含水率。壤含水率。田间持水量田间持水量土壤中保持最大毛管悬着水时的土壤含水率。土壤中保持最大毛管悬着水时的土壤含水率。饱和含水量饱和含水量土壤中所有孔隙都充满水时的土壤含水率。土壤中所有孔隙都充满水时的土壤含水率。第三节第三节土壤水分作用力及土壤水分常数土壤水分作用力及土壤水分常数(续续)各土壤水分常数相应的水分存在形式与作用力各土壤水分常数相应的水分存在形式与作用力风风干干最最大大吸吸湿湿量量凋凋萎萎含含水水量量最最大大分分子子持持水水量量毛毛管管断断裂裂含含水水量量田田间间持持水水量量饱饱和和含含水水量量吸湿水吸湿水水水分分存存在在形形式式薄膜水薄膜

37、水毛管水毛管水重力水重力水结合水结合水自由水自由水作作用用力力15分子力分子力毛管力毛管力重力重力10000316.25个大气压个大气压0.30.001势与力的关系势与力的关系 对土壤水动能可忽略。两点之间势的梯度相当于作用力。对土壤水动能可忽略。两点之间势的梯度相当于作用力。土水势的构成土水势的构成1)基模势基模势在未饱和土壤中，由于分子力和毛管力的作用在未饱和土壤中，由于分子力和毛管力的作用而使土壤水具有的势，称为基模势。基模势为负值。而使土壤水具有的势，称为基模势。基模势为负值。2)压力势压力势在饱和或出现地面积水的土壤中，自由水面下在饱和或出现地面积水的土壤中，自由水面下的土壤水由于静

38、水压力的作用而具有的势，称为压力势。的土壤水由于静水压力的作用而具有的势，称为压力势。压力势为正值。压力势为正值。3)重力势重力势由于重力作用而使土壤水具有的势，称为重力由于重力作用而使土壤水具有的势，称为重力势。重力势的值与参照基面有关。势。重力势的值与参照基面有关。第四节第四节 土壤水的能量状态土壤水的能量状态总土水势总土水势1)非饱和土壤中，总土水势非饱和土壤中，总土水势=基模势基模势+重力势重力势2)在饱和土壤中，总土水势在饱和土壤中，总土水势=压力势压力势+重力势重力势静态平衡下土水系统各种势的分布静态平衡下土水系统各种势的分布第四节第四节 土壤水的能量状态（续）土壤水的能量状态（续

39、ABC静态平衡表明土柱内各点总势相等。静态平衡表明土柱内各点总势相等。取取0-0基准面：基准面：A点点:PA=H gA=0 mA=0 A=HB点点:PB=0 gB=H B=H mB=0C点点:PC=0 gC=H+h C=H mC=-h考虑取考虑取1-1为为基准面时各点的势。基准面时各点的势。00hH11分析以下处于静态平衡状态的土柱中各点势的分布：分析以下处于静态平衡状态的土柱中各点势的分布：CBAZ g m基准面基准面45 g(Z)=Z m(Z)=-Z(Z)=0分析：静态平衡表明土柱内各点总势相等。因分析：静态平衡表明土柱内各点总势相等。因C点总势为点总势为0，故土柱内总势处处为，故土柱内

40、总势处处为0。土壤水分特性曲线土壤水分特性曲线 反映基模势反映基模势(m，通常也记为通常也记为)与土壤含水率与土壤含水率()间关系的间关系的曲线。曲线。同种土样，在同一湿化（或干化）过程中：同种土样，在同一湿化（或干化）过程中：越大，分子力与毛管力越小，越大，分子力与毛管力越小，|m|或或|越小，越小，m或或 越大。越大。越小，分子力与毛管力越大，越小，分子力与毛管力越大，|m|或或|越大，越大，m或或 越小。越小。粘土粘土壤土壤土砂土砂土 m第四节第四节 土壤水的能量状态（续）土壤水的能量状态（续）一、土壤水的连续性方程一、土壤水的连续性方程 第五节第五节 土壤水运动的控制方程土壤水运动的控

41、制方程xzy单位时间内，流入单位时间内，流入控制体的水量控制体的水量-流流出控制体的水量出控制体的水量=控制体内土壤水的控制体内土壤水的改变量改变量二、土壤水的运动方程二、土壤水的运动方程饱和土壤水流运动方程饱和土壤水流运动方程 饱和状态下，土壤水运动满足达西定律：饱和状态下，土壤水运动满足达西定律：AB水流方向：水流方向：势高处向势低处势高处向势低处断面平均流速断面平均流速饱和水力传导度饱和水力传导度总势梯度总势梯度饱和三维水流的达西定律：饱和三维水流的达西定律：实例分析实例分析U型均质土柱，左侧维持型均质土柱，左侧维持6cm水深不变，右侧水深不变，右侧L点点所在断面保持稳定的出流量，分析图

42、中各点的势。所在断面保持稳定的出流量，分析图中各点的势。38.4524014.4531.340031.3423.350 023.35 P m g LKJIH42360618180 0分析分析:因水存在稳定流动，故各点势不等。因水存在稳定流动，故各点势不等。基准面基准面6cm12cm24cm18cmH IJKL27cm 非饱和土壤水流运动方程非饱和土壤水流运动方程二、土壤水的运动方程（续）二、土壤水的运动方程（续）设各项同性，设各项同性，Kx=Ky=Kz=K()，则：，则：水力传导度水力传导度KK=KS =SK()fp0，则整个下渗过程均按下渗能力下渗；，则整个下渗过程均按下渗能力下渗；(2)(

43、2)i fc，则整个下渗过程均按雨强下渗；，则整个下渗过程均按雨强下渗；fptFRfptFfpttpi关键：什么时候开始按关键：什么时候开始按fp下渗？这关系到降雨产流时间。下渗？这关系到降雨产流时间。(3)(3)fci n，eeS，蒸发蒸发 t=t1时刻，时刻，T=T1，N=n e=eS(T1)，动态平衡，动态平衡 t 继续继续,T降低，降低，NeS，凝结凝结 对于封闭系统，蒸发量仅与饱和差（热力条件）有关。对于封闭系统，蒸发量仅与饱和差（热力条件）有关。第一节第一节蒸发现象及其控制条件蒸发现象及其控制条件二、天然条件下的水面蒸发二、天然条件下的水面蒸发 1、动力因素：水汽分子扩散，空气对流

44、和紊动、动力因素：水汽分子扩散，空气对流和紊动(风速风速)；第一节第一节蒸发现象及其控制条件（续）蒸发现象及其控制条件（续）气压差气压差e eS水面水面高度高度水汽压水汽压气压差气压差有风时，全部时刻有风时，全部时刻e eS水面水面高度高度水汽压水汽压无风时，不同时刻无风时，不同时刻2、热力因素：太阳辐射、热力因素：太阳辐射、水温、气温等水温、气温等3、其它因素：空气湿度，水质、其它因素：空气湿度，水质(含盐度、浑浊度、色度含盐度、浑浊度、色度)，水体，水体大小大小、水体深浅等。、水体深浅等。一、水汽输送法一、水汽输送法(基于空气紊动扩散理论研究水面蒸发基于空气紊动扩散理论研究水面蒸发)水汽输

45、送通量与水汽含量在输送方向上的梯度成正比。水汽输送通量与水汽含量在输送方向上的梯度成正比。第二节第二节确定水面蒸发的途径和方法确定水面蒸发的途径和方法引入水平方向切应力引入水平方向切应力 的概念的概念：当当 与高程无关时，与高程无关时，任意高度任意高度 =0=u*2(u u*剪切速度剪切速度)，故：，故：根据卡门根据卡门-普朗德提出的均质粗糙流的流速分布：普朗德提出的均质粗糙流的流速分布：风速与糙度的函数风速与糙度的函数Hs=Rn He H+HI Ho若合称若合称(HI Ho)为为Ra，则：，则：Hs=Rn He H+Ha 且且He=LEHIHOHs蓄热量变化量蓄热量变化量蒸蒸发发失失热热He

46、水水体体传传导导失失热热H净净辐辐射射Rn二、热量平衡法二、热量平衡法(基于能量守恒原理研究水面蒸发基于能量守恒原理研究水面蒸发)先由热量平衡方程确定蒸发耗热量，再除以水的蒸发潜热。先由热量平衡方程确定蒸发耗热量，再除以水的蒸发潜热。第二节第二节确定水面蒸发的途径和方法（续）确定水面蒸发的途径和方法（续）左式左式H难以确定，设难以确定，设H=He(波温比波温比)，则：，则：三、综合法或彭曼法三、综合法或彭曼法(将水汽输送法与热量平衡法相结合将水汽输送法与热量平衡法相结合)第二节第二节确定水面蒸发的途径和方法（续）确定水面蒸发的途径和方法（续）根据水汽输送法：根据水汽输送法：根据热量平衡法：根据

47、热量平衡法：水量平衡法原理简单且严密。但因各水量平衡项的水量平衡法原理简单且严密。但因各水量平衡项的观测和计算均含有误差，最终都体现在蒸发量上，当观测和计算均含有误差，最终都体现在蒸发量上，当蒸发量与其它项相比很小时，误差更大。水量平衡法蒸发量与其它项相比很小时，误差更大。水量平衡法只适用于长时段蒸发量计算。只适用于长时段蒸发量计算。第二节第二节确定水面蒸发的途径和方法（续）确定水面蒸发的途径和方法（续）四、水量平衡法四、水量平衡法(基于水量平衡原理研究水面蒸发基于水量平衡原理研究水面蒸发)第二节第二节确定水面蒸发的途径和方法（续）确定水面蒸发的途径和方法（续）五、经验公式法五、经验公式法英寸

48、英寸英里英里/h0.36mm汞柱汞柱m/sm/s毫巴毫巴 一般无出流量，除非大暴雨引起一般无出流量，除非大暴雨引起蒸发器漫溢；没有渗漏水量。故：蒸发器漫溢；没有渗漏水量。故：第二节第二节确定水面蒸发的途径和方法（续）确定水面蒸发的途径和方法（续）六、器测法六、器测法IPEt=t1t=t2常用蒸发器：常用蒸发器：20cm、80cm、E601(直径直径61.8cm)。大型蒸发池：器口面积大型蒸发池：器口面积10m2、20m2、100m2。大型蒸发池所测水面蒸发量与自然条件下水体的蒸发量接近。大型蒸发池所测水面蒸发量与自然条件下水体的蒸发量接近。但蒸发器所测蒸发量须换算成天然水体蒸发量：但蒸发器所测

49、蒸发量须换算成天然水体蒸发量：E=kE器器一、土壤蒸发率和蒸发能力一、土壤蒸发率和蒸发能力土壤蒸发率：土壤蒸发率：单位时间单位面积上的土壤蒸发量单位时间单位面积上的土壤蒸发量(E)土壤蒸发能力：充分供水时的土壤蒸发率土壤蒸发能力：充分供水时的土壤蒸发率(Em)第三节第三节土壤蒸发土壤蒸发二、土壤蒸发的影响因素二、土壤蒸发的影响因素蒸发能力方面蒸发能力方面日照、温度、湿度、风速等日照、温度、湿度、风速等气象因子气象因子供水条件方面供水条件方面土壤含水量土壤含水量(在讲在讲“土壤蒸发过程土壤蒸发过程”时展时展开开)土壤孔隙土壤孔隙地下水位地下水位温度梯度温度梯度三、土壤蒸发过程三、土壤蒸发过程第三

50、节第三节土壤蒸发（续）土壤蒸发（续）(1)田田，E=Em 整个土层水分输送通畅，供水充分，整个土层水分输送通畅，供水充分，按蒸发能力蒸发，蒸发量大而稳定。按蒸发能力蒸发，蒸发量大而稳定。(3)断断，E=CEm(C1.0)毛管向上输送水分的机制完全遭到破坏，水分只能以薄膜水毛管向上输送水分的机制完全遭到破坏，水分只能以薄膜水或气态水的形式供给蒸发，蒸发量小而稳定。或气态水的形式供给蒸发，蒸发量小而稳定。(2)断断 a，E=Em（注（注:a 田田)供水充分，蒸散发量大而稳定。供水充分，蒸散发量大而稳定。(2)b a，E=()Em（注（注:b 断断)供水不充分，蒸散发量随供水不充分，蒸散发量随 的减