水文学原理第一章绪论第一节人类面临的主要水问题一、水的自然属性和社会属性1、主要的自然属性：➢水在地球系统中作周而复始的水文循环运动；➢水是良好的溶剂，很多物质都容易溶解于水体；➢水具有势能、动能、压力能和化学能等，具有很好的驱动力。

2、主要的社会属性：➢水是维持生命不可替代的物质，是生命之源，是地球的“血液”;➢水可能引起涝、旱灾害以及环境恶化，产生与人类生活和生产用水不协调；➢水虽是可再生资源，但有时空变化，因此水资源有价值，价值规律适用；➢水资源问题处理不好可能引发地区甚至是国家之间的尖锐矛盾，成为社会不稳定的一个因素。

第二节水文学发展的回顾一、水文学的发展简史：萌芽阶段、奠基阶段、应用发展阶段、现代发展阶段、学科交叉研究阶段。

萌芽时期(远古至约公元1400年)在尼罗河、幼发拉底河、恒河和黄河这些古老文化发祥地的遗迹中，我们可以看到这一时期已经开始了原始的水文观测。

最早的水位观测是在中国和埃及开始的。

奠基阶段：19世纪，牛顿力学使古典科学得到了极大的发展，基于牛顿力学，水科学领域有两大发展：1856年提出描述渗流运动的达西（Darcy）定律，为研究土壤水、地下水动力学和地下水资源的形成变化奠定基础；1871年提出描述明渠缓变不稳流运动规律的圣维南（St. Venant）方程组，为研究河道和坡面洪水运动，以及流域汇流奠定了基础。

应用发展阶段：20世纪初至50年代，由于生产力的发展，人们期望能够科学的了解和掌握河流洪水与枯水的变化规律。

现代发展阶段：20世纪60~70年代，电子计算机的发明和应用所引发的信息革命，带来科学技术的突飞猛进。

学科交叉研究阶段：近10多年来，全球气候变化及大气、海洋、陆地相互作用的研究，引起了水文学家的广泛兴趣，并认为波及许多国家的水危机和洪涝灾害，与全球气候变化异常有关。

第三节水文学研究方法的基本特点一、多学科的交叉与渗透二、通过水文实验揭示水文规律三、应用流域水文模型探索水文规律四、确定性与随机性研究方法的结合水文学常用研究方法１、考察法目的是了解一个地区的水体;方法是通过调查和考察,收集改地区的水文地理资料，这些资料多半是关于水体的描述和水情的定性特征。

２、长期观测法目的是了解水体长时间内发生的变化，方法是水文站观测，定量描述。

３、成因分析法目的是阐明支配水文变化过程的规律，不仅要作定性描述，还要作定量的分析，方法是对水文现象要素及影响因素进行定性、定量的分析，如降雨径流，融雪径流。

４、数理统计法目的是了解水文现象特征值的统计规律，方法是一概率论为工具进行频率计算，求水文现象特征值的统计规律。

５、地理综合法气候要素、地理要素的分布具有地区性，据此特点，可建立地区经验公式，绘制特征值等值线图，从而分析水文地区规律。

第二章水文循环和水量平衡第二节水文循环现象水文循环的定义：水圈中的各种水体，在太阳辐射和地心引力的作用下，通过不断的蒸发、水气输送、凝结、降落、下渗、地面和地下径流的往复循环过程，称为水文循环，也称水循环。

分类：大循环（外循环）和小循环（内循环）：海-陆大循环；陆-陆小循环和海-海小循环；水文循环的四个环节：蒸发、水汽输送、降水、径流水文循环的驱动力：内因——水在常温状态下的三相转换，外因——太阳辐射和地球引力的作用影响水分循环的因素各影响因素主要是通过蒸发，水汽输送，降水和径流四个环节影响水分循环的。

(一)气象因素：➢是影响水分循环的主导因素，起着主导作用。

因为在水分循环的四个环节中，有三个环节蒸发，输送，凝结降水取决于气象过程，亦地面辐射，大气环流和热量平衡。

(二)下垫面因素：➢通过对水分循环的蒸发和径流两个环节而影响水分循。

主要有水面的大小、地下水位的高低、植被、地表坡度、岩石透水性。

➢下垫面因素对水分循环的影响比较复杂，在人类生产活动过程中，有时需要加快某环节的速度，有时需要延缓某环节，按人类的需要去影响水分循环。

(三)人类活动对水分循环的影响➢人类活动是通过改变下垫面因素进而影响蒸发，径流，降水三个环节而影响水分循环的。

表现：调节径流(使径流均匀)、加大蒸发、增加降水。

水文现象的基本特点（一）、在过程中的环境性和人为性（二）、在过程内的周期性和随机性（三）、在地区上的相似性和差异性（四）、在运动时的同在性和独立性（五）、水文现象的永无止尽性第三节水文循环的尺度全球水文循环它是空间尺度最大的水文循环，也是最完整的水文循环，涉及到大气、海洋、陆地之间的相互作用，与全球气候变化的关系密切；流域或区域水文循环：其就是流域降雨径流形成过程，空间尺度一般在1~10000km2之间，是流域水文学或径流形成学研究的核心；实际上并没有严格的尺度规定；这部分是目前研究最多的尺度水-土-植系统水文循环是流域水循环的一部分，是自然界最小的水文循环。

其不仅是流域水文学的基础，更是生态水文学的重要研究基础。

第四节地球上水的储量及水量平衡一、地球系统中水的储量➢存在于地球圈层中的水可分为地面水、地下水、大气水和生物水等四个部分➢海洋水占全球水量的96.54%；地球上的淡水仅占总量的2.53%➢与人类生存和发展关系最为密切的河流、湖泊、沼泽储存的水量只占到全部水量的0.014%➢大气总水量占0.001%，这部分水量所占比例很小，但是循环更新快，是地球上可更新淡水资源的主要来源。

二、地球系统中水的更新速度水体通过水循环得到更新，更新所需时间：三、水平衡原理水量平衡是水文循环遵循物质不灭定律的具体表现，水量平衡方程式实际就是水量收支平衡关系式，具体表达式为：W I-W O=△W S四、流域水量平衡方程式对于流域而言，水量平衡方程式可以表达为：P+R gI=E+R sO+R gO+q+△W通过上式可以得到闭合流域的水量平衡方程式:P =E+R +△W进一步得到闭合流域多年水量平衡方程式:P0=E0+R0五、全球水量平衡方程式➢地球由陆地和海洋两部分组成，其年水量平衡方程式可以分别写为：Ec=Pc-R+△WcEs=Pc+R+△Ws➢对于多年平均值来讲，蓄变量趋于零，将上两式相加得到：E0=P0此式即为全球多年平均水量平衡方程式。

它表明，对全球而言，多年平均降水量与多年平均蒸散发量相等第三章流域和水系第一节基本概念一、分水线山峰山脊鞍部地下分水线地表分水线二、流域地面分水线包围的汇集降落在其中的雨水留至出口的区域称为流域。

三、河流降落到地面的雨水，除下渗、蒸发损失外，在重力的作用下沿一定的方向和路径流动，这种水流称为地面径流。

地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集成河流。

河谷：河流流经的谷地。

河槽：谷地过水部分沿水流方向河流可分为：河源、上游(V型) 、中游(U型)、下游和河口(特点）四、坡地流域中水系以外的陆域部分称为坡地。

坡地的几何形状：倾斜面、收敛曲面、发散曲面五、流域基本单元一个流域按流域内的自然分水线划分成若干不嵌套的子流域，再划分成更小的不嵌套的子流域……最后划分成不可在划分的部分就是流域基本单元，它是组成流域的最小单位。

基本形状：书型、扇形、倒扇形、马蹄形第二节水系的拓扑学特征水系的拓扑学特征主要表现为：水系分叉、河流分级、满足河数定律一、水系分叉大量的资料表明：自然界的水系一般属于二分叉树的形状。

水系的组成：源、出口、节点、链。

一般来讲，源越多，水系的量级就越大，反之水系的量级就越小。

二、河流分级水系中直接流入海洋、湖泊的河流称为干流。

流入干流的河流称为一级支流；汇入一级支流的河流为二级支流。

其余以此类推。

三、河数定律➢w级河流的数目N w随着w的增加而减小，且水系中最高级别的河流数目总是1。

➢定义水系中w级河流数目N w与高一级（w+1）河流数目N w+1的比值称为分叉比，记作R b。

1945年霍顿发现，对于一个自然水系，其近似于一个常数。

第三节水系的几何学特征➢河流长度河流长度是指从起始断面，沿河流中心线至终了断面的距离。

➢河长定律河长比R L：w级河流的平均长度与比其低一级即（w-1）级河流的平均长度的比值。

对于自然水系而言，R L几乎不变，大量资料分析表明，河长比约为：1.5~3.5 ➢链长度链长度可作为水系中基本的单元河长。

➢弯曲度在河流上取两点，其沿中心线的长度与该两点之间的直线长度的比值称为这两点之间河段的弯曲率。

➢河流比降河段上相邻两断面河底的高程差与该两断面之间中心线的长度的比值称为河底比降S➢比降定律比降比的公式：➢河流横断面形状交汇角霍顿1945年研究发现，两条河流的交汇角与该两条河流的比降有关，即：横断面利奥波德（Leopold）和马多克（Madock）在1953年研究指出，通过河流横断面的流量与断面平均流速或水面宽或断面平均水深之间的关系一般为幂函数关系：m b f v kQ B aQ d cQ ⎡=⎢=⎢⎢=⎣第四节 流域的形状特征流域面积：分水线包围区域的平面投影面积称为流域面积，它是水系的集水面积。

面积定律 面积比:1954年舒姆（Schumm ）发现，对于一个流域，R A 几乎不随流域级w 的变化而变化，大体上是一个常数（3~6）这就是面积定律，也称作霍顿面积定律。

流域长度从流域出口断面至分水线的最大直线距离称为流域长度 流域宽度与它正交方向的分水线之间的最大直线距离称为流域宽度 形状因子形态因子——流域面积与流域长度平方的比值 圆度——流域面积与周长为流域周长的圆面积的比值伸长比——面积等于流域面积的圆的直径与流域长度的比值 第五节 流域的结构特征一、 河网密度和河道维持常数河网密度首先由霍顿于1945年引入，它表达了流域水系排水的有效性；梅尔顿发现，河网密度与多年平均降水量和多年平均蒸发量的比值有密切的关系，而与流域面积的大小无关。

河网密度的倒数称为河道维持常数，又称水道给养面积。

二、河流频度和链频度➢ 单位流域面积上的河流数目称为河流频度，即 ➢ 梅尔顿，河流频度和河网密度密切相关： ➢ 单位面积上的链数称为链频度，即： 三、面积-河长曲线若自分水线开始，沿河道量取河长及相应的汇水面积，则两者之间的关系称为面积-河长曲线四、高程曲线流域在某一高程处的水平截面面积与该高程的关系曲线称为高程曲线。

五、流域坡度流域上两点之间的坡度是该两点高差与它们之间直线距离的比值。

第四章 降水第一节 降水要素和时空表示方法 一、降水及其基本要素降水包括雨、雪、雹、露、霜等从空中降落到地表的液态水，其中主要是雨、雪，尤其降雨，因此也常把降水混称为降雨。

降水量等级表中，把降水分为：小雨10、中雨25、大雨50、暴雨100、大暴雨200、特大暴雨➢降雨深➢降雨历时➢降雨强度➢降雨面积➢暴雨中心二、降雨时间表示方法➢降雨强度过程线➢降雨量累计过程线➢时段降雨柱状图三、降水空间表示方法等雨量线四、降雨特性综合曲线➢降雨强度与历时关系曲线➢降雨深与面积关系曲线➢降雨深与面积和历时关系曲线第二节降雨的类型及其影响因素一、降雨的形成条件➢大量的暖湿空气源源不断地输入雨区➢这里存在使地面空气强烈上升的机制地面暖湿空气→抬升冷却→凝结为大量的云滴→降落成雨。