主要水文要素概念水资源学基础

2023-11-05 理论教育版权反馈

【摘要】：热带风暴和台风因受大气环流的作用而移动，登陆时常带来狂风暴雨，一般雨量很大，并可延续多日，常引起山洪暴发，河水泛滥。我们一般用“蒸发速度”来表示蒸发作用的强弱，并可以用单位时间蒸发出去的水深来表示。而一个流域某一时段内蒸发量就是水面、陆面蒸发量的总和。风速对蒸发速度的影响是相当大的，这是因为风能加强乱流作用，从而加强水面上水分子的扩散，并能直接带走蒸发面上的水分子，而使水面蒸发加强。

1.气候因素

（1）降水。从流域上以任何方式进入河槽的水都是来自大气降水（雨、雪、霰、雹和冰川等），因而降水是气候因素中最根本和最直接的因素。

靠近地面的大气都含有水汽，大气挟带水汽的能力随气温的降低而减小，当气温降到露点（即空气中水汽达到饱和状态时的温度）以下，并在空气中微粒的作用下，便开始凝结致雨。

空气冷却最重要的原因就是动力冷却，当空气由于某种原因而上升时，因为空中压力愈往上愈低，所以空气在上升过程中要膨胀作功，消耗能量，因上升急骤，来不及向四周吸热，只有从上升空气本身取热，故空气一面上升一面因能量消耗而冷却。冷却达到露点时，水汽开始凝结，当水汽凝结物的体积增大以致不能支持时，就形成降水。

单位时间内降雨量的大小（mm/min）称为降雨强度或雨率；降雨所经历的时间称为降雨历时（h），降雨所笼罩的面积称为雨面（km2），以上三者是说明降水的三个基本要素，在其他的条件相同时，强度愈大的暴雨所发生的洪水流量亦愈大，降雨历时长，雨面大则产生的径流量也特别大。此外，暴雨移动的方向对于径流情势也有决定性的影响。例如：顺流而下的暴雨行径造成较大的洪峰，逆流而上的暴雨，造成的洪峰则较小。

1）降雨的分类：按照空气上升的原因，可以将降雨分成四种：

①对流雨：由于地面强烈增热，产生热对流。剧烈的空气对流可以引起阵风、积云、阵雨，同时雷电交作发生所谓雷雨，对流雨一般范围小、强度大。

②地形雨：山地的迎风坡，迫使携带水汽的气流上升冷却因而致雨。如抬升作用强烈，气流所含水汽较多时，云亦可越过山顶达到背风面，但雨量不及迎风面之多。如我国秦岭南北同一经度上的降水量就有显著的不同。

地形雨可为阵雨，可为历时较久的降雨，其范围可大可小，随气团情况与地形而定。

③锋面雨：冷气团和暖气团相遇时，因为性质不同，不能立即混合，而在接触面形成的不连续面称为锋面，在冷锋面上冷气团侵入暖气团的下部，把暖气挤向上方，发生动力冷却而致雨，称为冷锋雨，一般冷锋雨强度大，历时短，带有雷雨性质。两气团中若暖气团行进速度快，受到移动缓慢冷气团的阻挡，暖气团就在冷气团上面滑行，因动力冷却而致雨，称为暖锋雨可为历时较久的降雨，由于暖锋面比较平缓，所以暖锋雨的强度较小，历时久，雨面广。

④热带气旋雨：赤道附近的海洋上温高湿重，风力微弱，容易产生空气的大规模幅合上升运动，发生猛烈的旋涡而形成热带气旋。热带气旋按其强度共分5级，即低压区、热带低压、热带风暴、强热带风暴和台风。

热带风暴和台风因受大气环流的作用而移动，登陆时常带来狂风暴雨，一般雨量很大，并可延续多日，常引起山洪暴发，河水泛滥。

2）流域平均降水量的推求：根据实际观测资料知道一次降水，或某一时段（年、月）的降水量在流域上的分布是不均匀的，所以就需要求得它的平均值。流域平均降水量的推求方法一般有三种：

①算数平均法：当流域内各站的雨量分布比较均匀时，可以将各站（有时可将流域附近的测站包括在内）相应的降水量相加除以测站数得均值。

②泰森多边形法：是常用的方法，先以直线连接相邻的雨量站成为许多三角形，再绘出各三角形每边的垂直平分线。这些垂直平分线将流域分成若干个多边形，每个多边形内都有一个雨量值，以各多边形面积（流域外部不计）作为权数，求得各站雨量的加权平均数，即为流域平均降水量。

③等雨量线法：如流域内有足够的雨量站，则可描绘等雨量线，然后以相邻两等雨量线的均值乘以相邻两等雨量线间的面积，求和再除以总面积得流域平均降水量。

3）日最大降水量：由于季节的变化，以日计的降水量不同，其中最大的日降水量为日最大降水量，通常统计的有各月最大日降水量和年最大日降水量以及有记录以来最大日降水量。

（2）蒸发。蒸发过程是水由液态或固态变为气体的过程。不断运动着的水分子在克服分子间的吸引力之后，便逸出水面而进入空气中。温度愈高分子运动的速度愈快，从而逸出水面进入空气中的分子数量也愈多，因此蒸发强度首先决定于水面温度。可是另一方面，一部分逸出水面进入空气中的水分子，在其运动过程中可能再重新回到水中。实际上我们所测得的蒸发量，是逸出水面的水分子量与重新回到水中的水分子量之间的差数。如果进入的水分子多于自水面逸出的水分子，则产生与蒸发相反的过程——凝结。

根据观测资料可以知道：在自然界中的蒸发作用，有时很显著，有时又变得非常缓慢，甚至为零或负值。我们一般用“蒸发速度”来表示蒸发作用的强弱，并可以用单位时间蒸发出去的水深来表示。所谓年、月、日蒸发量就是相应时段内蒸发掉的水量，一般都以毫米为单位。

在自然界中影响蒸发速度的因素很多，并且也非常复杂。如果蒸发发生于水面，则其速度大部分决定于气候条件。若蒸发发生于土壤表面，即除受气象条件影响外，还受到土壤本身的物理性质和化学性质，土壤状况，地势和植物覆盖等等因素的影响。植物的蒸发过程就更复杂了，它是一种物理—生物过程，为了与物理蒸发作用区别起见，常特称之为散发作用（或蒸腾作用），但是实际上要具体把土壤蒸发与散发分开来是有困难的，在水文计算中，一般都把两者合并称为陆面蒸发。而一个流域某一时段内蒸发量就是水面、陆面蒸发量的总和。下面对三种蒸发过程进行简略的说明。

1）水面蒸发：在物理学中我们已经知道，根据道尔顿在实验室所进行的实验结果证明，影响蒸发速度最主要的因素是饱和差，而饱和差是与蒸发面的温度有关的，一般温度愈高饱和差愈大，蒸发也愈强烈，另一方面也发现蒸发速度与气压成反比，但是在自然条件下蒸发与气压的这种关系并不存在，而主要的因素除饱和差外还有风速。一般可以用以下的形式来表示。

式中　V——蒸发速度；

D ——饱和差；

f（u）——考虑风速的某一函数。

风速对蒸发速度的影响是相当大的，这是因为风能加强乱流作用，从而加强水面上水分子的扩散，并能直接带走蒸发面上的水分子，而使水面蒸发加强。

在海洋面上的蒸发量还与水中的盐分有关，在同样的气象条件下，海水蒸发作用较淡水为慢。

在雪面和冰面上，由于饱和水汽压降低的缘故，蒸发作用也较纯水面为慢。(www.chuimin.cn)

2）土壤蒸发和植物散发：

①土壤蒸发：水分从土壤表面或土壤内部的空隙中蒸发出来的过程称为土壤蒸发。影响土壤蒸发的因素除了气象条件（温度、饱和差、风）外，还有很多其他因素，如土壤的毛细管结构对土壤蒸发就有很大影响，因为水分在土壤中沿毛细管移向地面。而毛细管上升作用为土壤毛细管断面的大小所决定（水在较窄的毛细管中，比在较粗的毛细管中上升得更高），一般在粉末状态紧密土壤中的毛细管较细，因此紧密土壤中因蒸发所损失的水量较多。

②植物散发：水分经植物的叶面蒸发到大气中去，叫做散发或蒸腾。植物消费在蒸发上的水分数量很大。但植物的蒸发不是纯粹的物理作用，因为植物本身参加了这个过程，并且能用特别的器官调节它，因此植物蒸发的过程是一种物理—生物过程，故称之为散发作用。

植物的水分是经过植物叶面的气孔蒸发出来的。叶面气孔随外界条件而开放或收缩，甚至关闭起来。由于气孔运动，植物能够加强或者减少它的蒸腾作用。可是植物只在温度40℃以内才可具备这种调节气孔的能力，温度在40 ℃以上时植物就失去了这种能力，气孔始终大大地张开着，蒸发所消耗的水分增多，植物就会枯萎。

影响植物散发的因素除气象要素中的温度、湿度、土壤温度等之外，还有日光和植物本身的性质。

日光使散发作用加强、散射光能使散发作用加强30%～40%，直射光能使散发作用加强好几倍，这种加强作用主要由于植物吸收的太阳能，大部分消耗在蒸发作用上。此外，光也能使气孔张开。植物散发作用也与它本身的年龄和植物类别有关，如度过冬季的老针叶树比幼针叶树的蒸发量少3～3.5 倍；宽叶树的蒸发量比针叶树大。

2.水文要素

水位：河流或其他水体的自由水面相对于某一基准面的高程。

水位流量关系：河流或渠道中某一给定横断面处的水位和流量之间的对应关系，可以用曲线、数表或方程式等形式表示。

曼宁公式：计算明渠均匀流速的一个经验公式：

式中　v——平均流速；

n ——糙率；

R ——水力半径；

S ——水力比降。

水面比降：沿水流方向上，每单位水平距离水面高程差。

水力半径：过水横断面面积与湿周的比值。

糙率：与河槽边界的粗糙程度和几何特征等有关的各种影响水流阻力的一个综合系数。

含沙量：单位体积浑水中所含悬移质干沙的质量。