农田水利学2-农业水文知识 74页

农业水文知识河南农业大学第二章n水文学，从广义上说，是研究自然界中各种水体运动、变化和分布规律的科学。按照水体所处的空间位置不同，可分为水文气象学、陆地水文学、海洋水文学和地下水文学。农业水文学是研究农业生态系统中农业措施、农业工程方面各种水文现象的发生发展规律及其内在联系的一门科学。农业水文的研究对象可概括为：水—土—植物—大气之间的存在关系，其目的是为科学治水、合理用水、发展农业生产提供理论依据。概述n自然界中的水分循环与水量平衡农用水水质要求降水与径流水文计算知识312农业水文学知识n第一节、自然界中的水分循环与水量平衡(一)、自然界水的分布地球的总面积约为509870*103km2，其中海洋为361059*103km2，占70.8%，陆地为148811*103km2，占29.2%。自然界中水的主要分布是：1、地表水：存在于地球表面，如海洋、湖泊及河流等，其中以海洋储存水量最多，约为13.7x108km3，内陆湖泊及海洋、河流储量约为750x103km3，河流仅为12x103km3。2、地下水：存在于地球表面以下的地壳中,如地下水、土壤水。3、大气水：以水气的形式存在于大气中，如水汽、云n自然界中的水分循环与水量平衡（二）、水分循环1、定义地球表面的水，在太阳辐射和重力的作用，水分通过蒸发、水汽输送、降水、入渗、径流等过程不断变化、迁移的现象成为水分循环。由于形态多样、分布多样，不同形态和分布之间的变化、转换就形成了水分循环问题n自然界中的水分循环与水量平衡2、水分循环分类根据自然界水分循环过程，可把水分循环分为大循环和小循环。1)大循环：大区域（领域）内的循环，也称外循环2)小循环：小区域（领域）内的循环，也称内循环。海洋云、大气海洋陆地云、大气陆地海洋云、大气陆地海洋n水汽输送蒸发降水蒸发降水植物蒸腾湖地表径流地下径流海洋蒸发降水云云小循环小循环水分循环示意图n3、水分循环影响因素气象因素：风、温度、湿度、降水等下垫因素：地形、土壤、地质、植被等人类活动：水利措施、农林措施等从水分循环的过程来看，影响水分循环的因素可以归纳为三大类：气象因素是主要因素，蒸发、降水和水气输送等基本决定了水气循环，下垫因素对局部有较大影响，人类活动通过改变下垫条件而改变水分循环水分循环影响因素n4、水循环周期与水体更新据测算，大气总含水量约1.29X105亿m3，而全球的降雨量约为5.77X106亿m3，因此，大气水气每年循环约44次，8天更新一次；全球河流总储量约2.12X104亿m3，而径流量为4.7X105亿m3，因此，河流每年约循环22次，16天更新一次。具体到陆地上某一特定水体的更新速度，需要根据该水体的循环情况计算。n自然界中的水分循环与水量平衡5、水循环的意义水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一，对生态环境有着深刻的影响。水文循环供给陆地源源不断的降水、径流，某一区域多年平均的年降水量或年径流量，即该地区的水资源量，因此水文循环的变化将引起水资源的变化。认识它的规律，了解其各影响因素之间的内在联系，对合理开发和利用水资源，抗御洪旱灾害，改造自然，利用自然都有十分重要的意义。n地球上水的总量是不变的，只是存在形式之间不断变化，一种形式的增减量，一定等于其它形式增减量的和。据此，可列出水量平衡方程式。1、地球上的水量平衡方程式全球多年降水与蒸发：E=P陆地降水与蒸发：E1+R=P1海洋降水与蒸发：E2=P2+R地表面积多年平均降水量多年平均蒸发量多年平均入海径流量106km2mmkm3mmkm3mmkm3陆地1498001190004857200031547000海洋3611270458000140050500013047000全球51011305770001130577000地球上水量平衡各要素的数量（三）、水量平衡水量平衡是质量守恒在水循环中的体现。水循环是物质运动的客观现象，水量平衡是水循环的客观规律。水量平衡方程式是水循环的数学表达式。nn自然界中的水分循环与水量平衡1）、通用水量平衡方程式P+N+R1入+R2入+V1+G=E+R1出+R2出+V2+q+D其中：P——时段内该区域降水量N——时段内该区域凝结量R1入——地表径流流入量R2入——地下径流流入量V1——时段初该区域蓄水量G——地下水补给E——蒸发R1出——地表径流流出量R2出——地下径流流出量V2——时段末区域内的蓄水量q——时段内的用水量D——地下渗漏PR1入R2入NER1出R1出qDG2、某一地区的水量平衡方程式Vn2）、流域的水量平衡方程式流域：汇集地面来水和地下来水的区域叫流域，即分水岭所包围的区域。根据分水岭的特点分闭合流域和非闭合流域。闭合流域：地下分水线与地面分水线重合，没有其他流域的地下水流入，下渗的地下水也最终以地下径流形式汇集河槽从出口断面流出。P=E+R+⊿V+q非闭合流域：P+R入=E+R出+R地+⊿V+q自然界中的水分循环与水量平衡n第二节、降水与径流根据水分循环，与灌溉有关的水的主要运动形态有四种，即降水、径流、蒸发及下渗，这四种运动形态直接影响到灌溉水的利用。我们通过这四种形态的运动研究来实现农业用水的控制，提高用水效率。这里只讲降水和径流，蒸发和下渗在灌溉原理中再讲。n1、降水概念：水循环的基本环节，水量平衡的基本参数。也是一地区的水资源的基本补给源。形式：降雨降雪露、霜、雹、霰降水是水文循环的重要环节；水文学中研究降水的意义：推求水资源的多少推求防洪设计流量推求灌溉需水量探索降水量在地区和时间上的分布规律（一）、降水n2、降水的观测降水量的观测方法：(1)器测法a)一般采用定时分段观测制；b)把24h分成几个时段进行，以8时作为日分界点n(2)自记雨量计a)可确定出降雨的起迄时间、雨量大小、降雨强度的变化过程；b)储存推求降雨强度和确定暴雨公式的资料；c)应与雨量器同时进行观测，便于校核。降水n降水观测场n(3)雷达探测a)根据探测到的降水回波位置、移动方向、移动速度和变化趋势，预报探测范围内的降水、强度及开始和终止时刻；b)有效探测范围40-200km降水n(4)气象卫星云图a)可见光云图：反映云的反照率反照率强的云，云图上亮度大，颜色白；反照率弱的云，亮度弱，颜色暗b)红外云图：反映云顶的高度和温度云层温度越高，高度越低，红外辐射越强降水n3、降水的特征降水的特征降水量降水历时降水强度降水面积暴雨中心降水三要素(1)降水量：一定时段内天空降下的水量未经蒸发、渗透和流失，在下垫面上积聚的水层深度，单位mm。有单次降水量、日降水量、月降水量、年降水量等表示。(2)降水历时和降水时间：降水历时是指一次降水自始至终所经历的时间。降水时间是指应对于某一降水量所经历的时间（年月日）。(3)降水面积：降水所笼罩的水平面积，以km2计。n(4)降水强度：单位时间内的降水量，mm/分钟，mm/小时。a)平均降水强度：在Δt降水历时内降水量的降雨量ΔP，即：b)瞬时降水强度：雨雪mm/日mm/小时mm/日小雨<10小雨<2.5小雪<2.525>中雨>108.0>中雨≥2.55.0>中雪≥2.550>大雨≥2516.0>大雨≥8.0大雪≥5.0100>暴雨≥50暴雨≥16.0200>大暴雨≥100特大暴雨>200降水强度等级表降水n（1）、分水线：由于地形向两侧倾斜，使降水分别汇集到两侧的流域中去。这一地形的最高点连线，起着分水的作用，称为分水线或分水岭。（a）地面分水线（b）地下分水线4、分水线与流域n（2）、流域和集水面积：汇集地面来水和地下来水的区域叫流域，即分水岭所包围的区域。流域集水面积就是地面集水面积，单位km2。流域长江流域图n黄河流域n淮河流域淮河发源于河南省桐柏山,流经豫、皖、苏三省,在三江营入长江,全长1000km,总落差200m。洪河口以上为上游，长360km，地面落差178m，流域面积3.06万km2；洪河口以下至洪泽湖出口中渡为中游，长490km，地面落差16m，中渡以上流域面积15.8万km2；中渡以下至三江营为下游入江水道，长150km，地面落差约7m，三江营以上流域面积为16.46万km2。n（二）、径流径流：径流主要是降水产生的，降水自流域内汇集到河网并沿河槽下泄的水流成为径流。是水循环的基本环节和要素。1、地面径流形成过程降水植物截留、下渗、填洼、蒸发坡面漫流河网汇流植物截留在一次降水中并不大，但全年考虑，可占降水的10-15%。填洼即洼面拦蓄，一般地形下约3-5mm.下渗因土壤而异，当降雨强度小于下渗强度时就全部入渗，大于时才有径流。因此，下渗对径流形成影响较大。蒸发一般情况下在降水时较小。以上四种情况之和称为降雨损失，降雨量减去降雨损失即为净雨量，就是地面径流。产流过程十分复杂。目前分为两种基本模式：超渗产流和蓄满产流。对应的也有两种理论。n水汽输送蒸发降水蒸发降水植物蒸腾湖地表径流地下径流海洋蒸发降水云云小循环小循环n径流2、径流的量度（1）、流量（Q）：单位时间通过某一断面的总水量，m3/s。（2）、径流总量（W）：某一时段内通过某一断面的总水量W=QXT（3）、径流深（Y）：将径流总量均匀的分布在流域面积上所得水层深度。（4）、径流模数（M）：单位流域面积产流量，m3/s/km2（5）、径流系数（α）：某时段内的径流深与同时段的降雨量之比α=Y/p长江流域面积180万km2，长6370km；洪峰流量达每秒7万多立方米，全年径流总量1万亿米3；径流深为555mm；最大径流模数0.017m3/s/km2；n3、径流的类型径流从雨水到达地面起直到进入河槽所经过的路径有三条：一是从地面上流到河槽中的水流,称为“坡面径流”和“地表径流”；二是渗入土壤中的水经过表面土层横向流动到河槽的水流，称为“壤中流”或“表层流”；三是渗入土壤并渗透到地下水中，随地下水汇入河流，形成河流的基流，或旱季径流，称为地下径流。径流nn（1）随机试验与事件随机试验：对随机现象的观测；事件：随机试验的结果。包括：1)必然事件：在一定的条件组合下，必然会发生的事情。2)不可能事件：在一定的条件组合下，一定不可能发生的事情。3)随机事件：在一定的条件组合下，可能发生也可能不发生的事件。（一）概率知识回顾第三节、水文计算知识n（2）随机变量、总体、样本、样本容量随机变量：受随机因素影响，遵循统计规律的变量。通俗地讲，指在随机试验中测量到的数量。对于水文现象而言，指某种水文特征值，如某地区流域出口的年径流量和洪峰流量等。分：连续性随机变量，如水位、流量；离散性随机变量，如投掷硬币的正反面。总体：随机变量所能取值的全体，分有限和无限总体。样本：从总体中随机抽取出的一组观测值。样本容量：样本中所含随机变量的项数。水文计算知识nA、概率和频率频率指在具体重复的实验中，某随机事件A出现的次数（频数）m与试验总次数n的比值，即：（3）、频率和概率n概率:概率是指随机事件在客观上出现的可能性，即该事件的发生率，亦称为机率。根据事件出现的可能性是否能够预先估计出来，可分为事先概率和事后概率：事先概率：试验之前某随机事件出现的可能性可以预先估计出来，如1)投硬币出现正面和反面的机率；2)投掷骰子出现某一个点子的概率事后概率：随机事件出现的可能性不能在试验之前预先估计出来，必须通过大量的重复试验之后才能估计出它出现的可能性。如：1)河流决堤的机率；2)河流出现大型污染事件的机率nB、概率的基本性质：1)P(A)=1，A属于必然事件；2)P(A)=0，A属于不可能事件；3)0