第1篇 水文学
第1章 1 绪 论 1.1水文学研究内容 1.1.1水文学及其研究内容 1.水文学 早期的水文学主要是对自然界中的水现象进行描述。随着科学的发展，水文 学已经成为一个学科体系，即水文科学。不同的国家、不同的部门对水文学的定 义也不尽相同。国际水文科学协会(IAHS)对水文学的目标和任务的定义是 “研究地球上水文循环和大陆上各种水，如地表水和地下水，雪和冰川及其物理 的、化学的和生物学的变化过程；各类形态的水与气候及其他物理的和地理的因 素间的关系，以及它们之间的相互作用；研究侵蚀和泥沙同水文循环的关系；检 验在水资源管理和利用中的水文问题：以及在人类活动影响下水的变化。”《中国 大百科全书》中定义为：“水文科学是地球上水的起源、存在、分布、循环、运 动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系，水圈同大气圈、岩石圈和 生物图等自然圈层的关系也是水文科学的研究领域。”美国国家研究院水科学技 术局与其他国家一些部门也有各自的定义。概括起来，水文学是研究自然界中各 种水体的形成、分布、循环和与环境相互作用规律的一门科学。应用水文学原理 解决工程问题、环境问题和水资源问题，水文学在现代社会的发展中正在发挥着 愈来愈显著的作用。 2.水文学研究内容 水文学研究自然界中水体形成、时空分布、循环和与环境相互作用的关系， 为人类防治洪满灾害，合理开发利用水资源，提供科学依据。从给水排水工程和 环境工程的角度来看，随着水资源开发利用的规模日益扩大，人类活动水环境 的影响明显增强，大规模的人类活动干扰了自然界的水循环过程，改变着各个水
第1章绪论● 体的性质。水情预测与水灾防治，水资源的合理开发利用与保护，都是实施经济 社会可持续发展的重要支撑条件。因此，水资源的开发利用和人类活动对水环境 的影响研究，已成为现代水文学研究的重要内容。 本书主要介绍水文学众多研究领域中与给水排水工程和环境工程专业相关的 部分内容，包括河川径流、水文测验、水文分析的统计方法、河川径流情势特征 分析和暴雨资料整理与暴雨公式推求，以及小流域暴雨洪峰流量计算等内容，这 些也是工程水文学研究的基本内容。 自然界的水总是以一定的水体形态存在的，如江河、湖泊、海洋、地下水 等。这些水体均通过蒸发、水汽输送、降水、地面和地下径流等水文要素紧密联 系、相互转化而不断更新，并渗透到地球的各个自然圈层，形成了一个庞大的水 循环动态系统。在这个动态系统中，河川径流是水循环的主要环节，也是本专业 学习水文学的主要研究对象。 1.1.2水文学分类 作为基础科学，水文学是地球科学的一个组成部分。因为水循环使水圈、大 气围和岩石圈紧密联系，故水文学与地球科学体系中的大气科学、地质学、自然 地理学的关系非常密切。水文学开始主要研究陆地表面的河流、湖泊、沼泽、冰 川等，以后扩展到地下水、大气中的水和海洋中的水。传统的水文学是按研究的 水体对象进行分支学科划分的。随着研究范围的扩大，研究方法的变化，其分支 学科也在逐渐增加。因此，水文学的分类与分支学科的形成及其发展过程是紧密 相连的。由于分类的依据不同，水文学的分支学科的数量和名称不完全相同。按 照理论研究和工程应用，把水文学分为理论水文学（又称水文学原理）和应用水 文学两大类。水文学分类大多是在应用水文学基础上进一步划分的。常见分类方 法和分类结果如表1-1所示。 表11水文学分类 分类依据 分类与分支学科 研究方祛 动力水文学、系统水文学、计算水文学、水文统计学、随机水文学、地理水文学、 同位素水文学、数学水文学等 研究对象 河流水文学、湖泊水文学、泽水文学、冰川水文学、河口海岸水文学、水文气 象学、地下水文学、海洋水文学和水资源学等 应用范 工程水文学、农业水文学、土壤水文学、森林水文学、城市水文学、生态水文学等 工作方式 水文测验学、水文调在学、水文实验学 研究地壤 区域水文学、全球尺度水文学（大尺度水文学） 研究时段 古水文学、现代水文学
●水文学与水文地质学 1.2水资源、水文循环与水量平衡 1.2.1水资源橛念 水是地球上分布最广泛的物质之一，它以气态、液态和固态三种形式存在于 大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中。人们对水资源的认识包含了不同方面的理 解。一种观点认为，世界上一切水体，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、土 壤水、地下水及大气中的水分，都是人类宝贵的财富，都是水资源。只是限于当 前的经济技术条件，对含盐量较高的海水和分布在南北两极的冰川，大规模开发 利用还有许多困难。这种对水资源的理解通常归为广义水资源的范畴。 相对于广义水资源的概念，狭义的水资源则仅指在一定时期内，能被人类直 接或间接开发利用的那一部分动态水体。这种开发利用，不仅在技术上可行、经 济上合理，而且对生态环境造成的影响也是可接受的。这种水资源主要指河流、 湖泊、地下水和土壤水等淡水，以及个别地方的微咸水。这几种淡水资源合起来 只占全球总水量的0.32%左右，约为1065万km3,是水资源研究的重点。目前 为人们普遍接受的水资源一般概念，是指全球水量中可为人类生存、发展所利用 的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量。最能反映水资源数量和特 征的是年降水量和河流的年径流量。年径流量不仅包含降水时产生的地表水，而 且还包括地下水的补给。所以，世界各国通常采用多年平均径流量来表示水资源 量。 1.2.2水文循环 地球作为一个由岩石圈、水圈、大气圈和生物圈构成的巨大系统，水在这个 系统中起着重要的作用。由于水圈的存在和水的作用，才使得地球各圈层之间的 相互关系变得十分密切。水文循环则是这种密切关系的具体标志之一。水文循环 现象如图11所示。自然界的水在太阳能和大气运动的驱动下，不断地从水面 (江、河、湖、海等)、陆面（土壤、岩石等）和植物的茎叶面，通过蒸发或散 发，以水汽的形式进人大气圈。在适当的条件下，大气圈中的水汽可以凝结成水 滴。当凝结的水滴达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。到达地球表面的降水，一部分在分子力、毛细管力和重力的 作用下，通过地面渗人地下；一部分则形成地面径流，主要在重力作用下流人 江、河、湖泊，再汇人海洋；还有一部分通过蒸发和散发重新逸散到大气圈。渗 入地下的那部分水，或者成为土壤水，再经由蒸发和散发逸散到大气圈，或者以 地下水形式排人江、河、湖泊，再汇入海洋。水的这种既无明确的“开端”，也
第1章绪论 无明确的“终了”的永无休止的循环运动过程称为水文循环，又称水分循环或简 称水循环。水分由海洋输送到大陆又回到海洋的循环称为大循环或外循环：水分 在陆地内部或海洋内部的循环称为小循环或内循环。为区别这两种小循环，将前 者叫做陆地小循环，而将后者叫做海洋小循环。 陆上水汽 降水时落发 柏水 不通水 地下水 下， 电 水 下水出 动 南水入泾 园士水分 口地下水 海详色电球表的7151000000km 图11水文循环现象 自然界水文循环的存在，不仅是水资源和水能资源可再生的根本原因，也是 地球上生命不息、万代延续下去的重要原因之一。由于太阳能在地球上空间分布 不均匀，时间上也有变化，因此、主要由太阳能驱动的水文循环导致了地球上降 水量和蒸发量的时空分布不均匀，使得地球上有湿润地区和干旱地区的区别，有 多水季节和少水季节、多水年和少水年的区别，是导致地球上发生洪、涝、旱灾 害的根本原因，也是地球上具有千姿百态自然景观的重要条件之一。 水文循环是自然界众多物质循环中最重要的物质循环。如果自然界不存在水 文循环，则许多物质的循环，例如碳循环、磷循环等是不可能发生的。河湖中的 水位涨落，冰情变化，冰川进退等水文循环中的具体表现形式称为水文现象。水 文循环在各种自然因素和人类活动的影响下，时空分布变化上具有下列特点： (1)水循环永无止境任何一种水文现象的发生，都是全球水文现象整体中 的一部分和永无止境的水循环过程中的短暂表现。也就是说，一个地区发生洪水 和干早，往往与其他地区水文现象的异常变化有联系；今天的水文现象是昨天水 文现象的延续，而明天的水文现象则是在今天的基础上向前发展的结果。任何水 文现象在空间上或时间上总是存在一定的因果关系的。 (2)水文现象在时间变化上既具有周期性又具有随机性水文现象的周期 性，分别有以多年、年、月、日为单位的周期，例如河流、湖泊一般每年均有一 个汛期与一个枯季，同时河湖还存在着连续丰水年与连续枯水年相交替的多年周 期。海洋和潮汐河口的水位则既存在以日或半日为周期的涨落潮的变化，还存在