卷水文学与水文地质学 以半月为周期的大小潮的变化等。以冰雪融水为水源的河流受制于气温的日周期 变化，其水文现象也具有日周期的变化规律。形成上述周期变化的原因主要是地 球公转及自转，地球和月球的相对运动，以及太阳黑子的周期性运动所导致的昼 夜、四季交替的影响所致。虽然河流每年均会出现汛期或枯水期，但是每年汛期 和枯水期出现的时间、水量和过程通常是不会完全重复的，即每年汛期出现的时 间和量值具有随机性。这是因为影响水文现象的因素众多，各因素本身在时间上 也在不断地变化，并且相互作用、相互制约所致。因此，在时间上，水文现象的 周期性既是必然的，又是偶然的；有确定性的一面，又有随机性的一面。 (3)水文现象在地区分布上既具有相似性又具有特殊性任何水文现象无论 在时间或空间上均同时存在确定性和不确定性这两方面的性质。不同的流域，如 果所处的自然地理条件相似，水文现象也就具有一定程度的相似性。例如，我国 南方湿润地区的河流，水量充沛，年内分配较均匀，含沙量较少，而北方干旱地 区的河流则水量不足，年内分配不均匀，含沙量大。地带相似性反映水文现象在 空间变化上存在确定性的一面。有时不同流域虽然处在相似的地理位置，但由于 各流域的地质和地形等非地带性下垫面条件的差异，水文现象就会有很大的差 异，表现出特殊性的一面。例如，同一气候带，山区河流与平原河流、岩溶区与 非岩溶区，其水文现象就有很大的差别。这种局部性变化的特殊性，反映了水文 现象在空间变化上的不确定性一面。 1.2.3全球水量平衡方程 1.水量平衡原理 在自然界水循环过程中，任意区域在一定时段内，输人水量与输出水量之差 等于该区域的蓄水变化量，即为水量平衡原理。该原理表示出水循环中各要素的 数量关系，是进行区域水资源量计算时必须遵循的基本原理。 2.全球水量平衡方程 全球水量平衡方程系由海洋和陆地水量平衡联合组成，其中： (1)海洋水量平衡方程如以全球海洋为研究对象，则任意时段内的水量平 衡方程为 X海+y-E海=△S海 (1-1) 多年平均状态下△S海→0，所以上式改写为 X海+了-E海=0 (1-2) 式中，X海、Y、E海、△S海分别为海洋上任意时段的降水量、入海径流量、蒸 发量及海洋蓄水变化量；X海、Y、E海分别为海洋上多年平均降水量、平均入 海径流量与平均蒸发量。 由式(1-2)可知，在多年平均状态下，整个海洋的降水量加上人海径流量
第1章绪论 与海面水蒸发量处于动态平衡状态。 (2)陆地水量平衡方程多年平均情况下，整个陆地系统的水量平衡方程为 X陆一E陆=了 (1-3) (1.4) 式中，X陆、E陆、了分别为陆地上多年平均降水量、平均蒸发量和平均径流 量。 是=。称为径流系数，景=9称为装发系数。二者均为无量纲的量，且二者 之和等于1。表1-2列出了我国主要流域多年平均情况的水量平衡计算结果，同 时可以了解我国的降水分布概况。表中a最大值为0.63，最小值为0.16，而P 最大值为0.84，最小值为0.37。总之，在干旱地区，a值很小，B值很大，水 分丰沛地区则相反。 表12我国主要流域多年平均水量平衡计算结果 外流河 项目 内陆 黑龙河辽河海滦河黄河准河长江 珠江 西南颜尔 全国 话同 诸河斯祠 年降水量/m 153.9495.5551.059.8464.4859.6100.51758.1154.3109m.7394.5648.4 年径流量/m 32.0129.1141.190. 3.2231.0526.01066.3806.9687.5189.6284.1 年蒸发量/mm 多 121.9366.4409.946.3381.2628.654.5691.8737.4410.2204.9364.3 值 0.210.260.260.160.180.270.500.610.520.630.48 0.44 B值 0.790.740.74 0.84 0.820.730.500.390.480.370.520.56 流域面积/×10m332.1790.34234.52131.81679.47132.921180.8523.9808.06485.1415.273954.532 (3)全球水量平衡方程将海洋水量平衡方程式(12)与陆地水量平衡方 程式(1-3)组合一起，就构成全球水量平衡方程式，有 X海+X陆=E海+E陆 (1-5)】 式(15)说明海洋和陆地的多年平均降水量等于海洋和陆上多年平均蒸发量， 即 X全球=E全球 (1-6) 1.3水文学研究方法 水文学研究是建立在实测资料基础上的。而研究水文规律所需的实测资料， 通常是通过水文调查、水文测验和水文实验等途径获得的。人们已经充分认识到
渐知水文学与水文地质学 水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带，是水的各种运动、变 化形式的总和，是水文科学研究的核心问题，在水文循环过程中，水文现象所表 现出的特点决定了水文学研究的特点和方法， 通过对所获取的实际水文资料的整理和对水体时空分布和运动变化的信息分 析，得出水文现象的基本特性的综合分析结论，这是水文学研究的基本方法，具 体方法主要包括成因分析法、数理统计法和地理综合法。传统水文学中的成因分 析法以物理学原理为基础，研究水文现象的形成、演变过程，揭示水文现象的本 质与成因，其与各因素之间的内在联系，以及其定性和定量的关系，通常是建立 某种形式的确定性模型。数理统计法是以概率理论为基础，对实测资料进行数理 统计分析，求得水文现象特征值的统计规律，或对主要水文现象与其影响因素之 间进行相关分析，求出其经验关系。地理综合法是按照水文现象地带性规律和非 地带性的地域差异，用各种水文等值线图表示水文特征的分布规律，或建立地区 经验公式，以揭示地区水文特征， 水文学研究的特点是通过已经获得的通常是十几年，最多仅有百余年的短暂 实测系列的水文资料，并结合水文调查资料，把各种水文现象作为一个整体，结 合大气圈、岩石圈、生物圈及人类活动对它的影响，通过水文过程和水文规律的 研究，预测或预估水文情势的未来状况。 1.4水文学与给水排水工程专业、环境工程专业的关系 水资源的紧缺已逐步成为经济社会发展的制约因素。加强水资源形成变化规 律和水资源合理开发利用及节水技术的研究，成为刻不容缓的研究任务。研究水 文学的目的，是深入认识与广泛运用水文规律，为国民经济建设服务，为给水排 水工程的规划、设计、施工及管理提供正确的水文资料及分析成果，以利充分开 发与合理利用水资源，减免水害，充分发挥工程效益。 1.4.1与给水排水工程专业关系 就给水工程而言，水源包括了地表水和地下水。采用地表水为水源时，河川 径流量直接体现了水资源量，需要对河川径流的径流年际变化及年内分配等水文 情况进行分析。要考虑水量变化及其取用条件，需要了解水源的水位、泥沙及冰 凌的变化情况：当地表水水量不足时，要考虑径流调节的工程措施等。在排水工 程中，市政排水主要包括城镇雨水排放、泄洪及城镇生活污废水排泄的设计计算 等内容。例如：雨水、污水的排泄口位置、规模，市政防洪工程的设计等，都需 要进行水文资料的收集、分析与计算，推求暴雨、洪水的变化情况和设计特征 值
第1章绪论瑞粉 近年来，城市雨水利用成为水文学和给水排水工程研究的热点。在水资源日 益紧缺的情况下，如何充分利用宝贵的雨水资源为城市供水服务，涉及到水文 学、水文地质学、给水排水工程技术，以及市政工程、地下工程诸多方面。可 见，水文学所阐述的各种水文现象，包括水文循环、河川径流及城市降雨径流的 概念和特点等内容，是给水排水工程专业必备的基础知识。因此，水文学与给水 排水工程有着密切的关系，学好水文学对系统掌握给水排水工程专业知识具有重 要意义。 1.4.2与环境工程专业关系 水环境问题主要表现在水体污染、水资源的缺乏和局部地区的时段洪水泛滥 等方面，所有这些都会对河川径流产生影响。一定数量的河川径流量是维持良好 自然环境的基础。在环境污染问题中，处于河川径流状态的水环境首当其冲，它 是最先也是最易被污染的，也是人们直接看得到和接触得到的。如某一河流的全 部或一段受到严重污染，某一湖泊水质不断恶化，说的都是处于水循环关键环节 的河川径流中的水体。当河道径流量不足，水环境容量减少，排人河流中的污废 水水体直接表现就是河川径流部分水的理化和生物特性恶化，也使河川径流中水 的状态和空间分布发生剧烈的变化，污染了的水体与周围的环境不断作用，会引 发进一步的环境问题，破坏了作为资源的水的价值，最终导致生态环境的恶化。 因此，利用环境工程方法和技术手段使河川径流处于稳定的状态，维持正常的河 川径流量，保持水与环境的和谐，维持生态环境稳定，就要求环境工程专业人员 必须具备水文学的相关知识，熟悉河川径流的基本规律和特性，掌握分析水文情 势的基本方法。 1.5水文学简史与近年发展方向 1.5.1水文学简史 人类在生存和生产实践中，特别是在与水旱灾害作斗争的过程中，对经常遇 到的各种水文现象进行探索，在不断认识和积累经验的基础上，吸取了其他基础 学科的新思想、新方法，经历了一个由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理 论的历史发展过程，逐渐形成了水文科学。其发展历程大致可以分为如下几个阶 段。 1.水文知识的萌芽阶段(1400年以前) 世界上最早的水位观测出现在中国和埃及。古埃及在公元前3500多年前即 开始观测尼罗河水位，至今还保留着两千两百多年前的水尺。我国两千多年前建
●水文学与水文地质学 成的都江堰，至今仍在发挥着巨大的作用。大禹治水已“随山刊木”（即立木于 河中)以观测水位。隋代的石刻水则，宋代的水碑，明代的“乘沙量水器”等的 相继出现，表明古代水文观测不断进步。《吕氏春秋》《水经注》等古代著作中， 系统记载了我国各大河流的源流、水情，并记载着水文循环的初步概念及其他水 文知识。自远古至约14世纪末，这个阶段为水文现象定性描述阶段，其特点是： 水文知识的萌芽产生，开始了原始观测，对水文现象进行定性描述，初步形成经 验积累。 2.水文科学基础形成阶段(1400一-1900年) 自15世纪初至约19世纪末，为水文学体系形成阶段。欧洲文艺复兴及产业 革命后，自然科学及技术科学迅速发展， 一系列水文观测仪器的发明，为水文现 象的实地观测、定量研究和科学实验提供了条件，大量的水利工程建设要求解决 各种设计中的计算问题，水文学基本理论和方法逐步发展和完善。1424年，中 国和朝鲜先后开始统一制作和使用标准测雨器。以后自记雨量计(1663，C.雷 恩等)、蒸发器(1687，E.哈雷)、流速仪(1870，T.C.埃利斯)等仪器相继发 明。这段时期内，P·佩罗的水量平衡概念(1674)、谢才公式(1775)、道尔顿 蒸发公式(1802)、达西定律(1856)等理论和公式相继出现。本阶段特点是水 文现象由概念性描述进人定量的表达，水文理论逐渐形成。 3.应用水文学发展阶段(1900一1950年) 自20世纪初至50年代，经过两次世界大战的破坏，各国经济恢复与发展 防洪、航运、发电、工农业需水等向水文学提出了大量的新课题，以工程水文学 为主的应用水文学相应诞生。PⅢ频率曲线分析方法、维伯尔的经验频率计算公 式，以及谢尔曼的单位过程线理论等产汇流理论、计算公式和方法相继出现，大 大改进了水文计算和水文预报的方法，提高了成果的精度。随着工程水文学的发 展，农业水文学、森林水文学、城市水文学也相应兴起。1949年《应用水文学》 (R.K.林斯雷等)、《应用水文学原理》(D.姜斯登等)等专著出版，它们总结 了这一时期的成就，使水文学开始直接为生产和生活服务。本阶段特点是有许多 应用水文学著作出版，水文观测理论体系进一步完善，水文学进人成熟阶段。 4.现代水文学发展阶段(1950年一至今) 20世纪50年代开始，科学技术进入新的发展时期，进入现代水文学阶段 随着计算机技术的发展，遥感遥测技术的引用，重点开展水资源及人类活动水文 效应的研究，分支学科不断派生，一些新理论和边缘学科的渗透，研究方法趋向 综合。如：雷达测雨、中子散射法测土壤含水、放射性示踪测流、同位素测沙 卫星遥感传送资料等现代技术的引用，使人们能获得使用通常方法无法取得的水 文信息；拥有现代化设备的实验室，使人们有可能对水文现象的物理过程了解得 更深透：水文模拟、水文随机分析和系统分析方法，使人们研究水文现象的能力