流域水文學

本書為高等學校水文水資源專業及水利水電工程專業的通用教材。

全書共12章，主要內容包括：地球上水的分佈及循環，降水，積雪與融雪，蒸發，降雨下滲及土壤中的水分運動，河川徑流，流域產匯流分析及水文模型，流域水文預報，水文統計分析方法，設計年徑流，設計洪水等。全書系統介紹了流域水文學的基本概念、原理和方法，包括流域水文基本過程、流域水文計算方法和工程水文設計三大部分。本書內容安排重視從原理到方法的自然過渡，注重科學與工程的結合，在保持經典內容的基礎上體現水文學的新進展。本書可供高等院校相關專業的師生使用，也可作為相關專業科研人員和工程技術人員的參考書。

水文學是研究地球上水的起源、循環及分佈，水與物理、生態環境之間的相互作用及水對人類活動的響應等規律，以及應用這些規律為人類服務的知識體系。水文學是地理科學、水利科學與工程等專業的基礎課程。流域水文學以流域為研究的基本對象，介紹流域尺度的水文過程、分析方法及工程應用等基礎知識。

水文現象具有確定性和隨機性，水文過程的描述方法也有確定性方法和統計方法兩大類。確定性方法認為，水文過程遵循質量守恆、能量守恆和動量守恆定律，流域水量平衡、蒸發、下滲、地表與地下徑流等水文過程的數學物理描述都是這三大守恆定律的具體應用。根據水文現象的隨機性，概率與數理統計方法廣泛應用於水文分析與工程水文設計。流域水文學力求體現對自然規律的認識，從不同時間和空間尺度講解水文循環的現象、過程和原理，揭示流域水量平衡的基本規律。本書系統介紹了流域水文學的方法論，力求做到從原理到方法的自然過渡，注重科學與工程的結合，在保持水文學經典內容的基礎上適當體現水文學的一些前沿發展，做到經典與前沿相結合。

早在1938年，清華大學土木工程系水利組就開設了水文學課程，並培養了一批我國早期的水文學家。1952年，清華大學成立水利工程系，工程水文學是本科生的專業基礎課程。長期以來，水文學課程堅持課堂教學與實踐教學相結合，強調基礎理論知識，重視培養學生分析和解決工程實際問題的能力。20世紀50年代，黃萬里教授講授工程水文學課程並編寫了《工程水文學》（電力工業出版社，1957年）教材，廖松教授參加了全國高等學校教材《工程水文學》（水利電力出版社，1987年）的編寫，王燕生教授主持了全國高等學校教材《工程水文學（第2版）》（中國水利水電出版社，1992年）的編寫。

為了適應水利學科及中國水利事業發展的新形勢，從2004年開始，清華大學水利水電工程系對工程水文學課程的教學內容進行調整，啟動編寫水文學新教材，並同步啟動了精品課程建設。2005年，將原來的工程水文學課程（48學時）調整為水文學系列課程，包括水文學原理與應用（Ⅰ）（32學時）、水文學原理與應用（Ⅱ）（32學時）及工程水文設計（16學時）。水文學原理與應用（Ⅰ）的主要授課內容為流域水文學，水文學原理與應用（Ⅱ）的主要授課內容為地下水文學。水文學原理與應用課程在2008年被評為清華大學精品課，在2009年被評為北京市精品課程和國家精品課程。

本書主要由楊大文編寫與統稿，楊漢波和雷慧閩參與了部分內容的編寫，全書由張思聰校稿。本書在編寫過程中，得到了多位教師的熱情幫助，清華大學水利水電工程系水文水資源研究所的多名研究生參與了資料的收集、整理和編寫工作，特此感謝。雖然本書在編寫過程中做了大量的工作，但是書中難免存在一些問題，希望廣大師生及讀者在使用過程中提出寶貴意見和建議，以便今後進一步完善。

編者2014年5月於清華園

1.1水文學的研究對象和內容

1.2水文學的發展歷程

1.3水文學的研究方法

參考文獻

習題

2.1地球上水的分佈與循環

2.1.1地球上水的分佈

2.1.2全球水循環與水量平衡

2.2全球能量平衡

2.2.1太陽輻射傳輸

2.2.2地球表面的能量平衡

2.3流域水文循環與水量平衡

2.3.1流域水量平衡

2.3.2流域水文氣候特徵

參考文獻

習題

3.1大氣的基本特徵

3.1.1大氣的垂直結構

3.1.2主要氣象要素

3.1.3大氣狀態方程

3.1.4大氣穩定性

3.2降水形成及分類

3.2.1降水形成機理

3.2.2降水類型

3.3影響降水的天氣系統

3.3.1高緯度氣旋和鋒面

3.3.2高緯度對流天氣系統

3.3.3季節性的熱帶天氣系統

3.3.4大尺度熱帶對流天氣系統

3.3.5降水的地形效應

3.4降雨觀測

3.4.1雨量筒

3.4.2天氣雷達

3.4.3衛星遙感

3.5流域降雨特性分析

3.5.1降雨的時空特徵

3.5.2流域面平均雨量

參考文獻

習題

4.1雪的物理性質及分佈

4.1.1雪的成分

4.1.2雪的相變

4.1.3積雪分佈

4.2融雪過程及融雪量計算

4.2.1融雪的物理過程

4.2.2融雪水分下滲及徑流

4.2.3融雪水量計算

4.3降雪、積雪與融雪觀測

4.3.1降雪觀測

4.3.2積雪觀測

4.3.3融雪觀測

參考文獻

習題

5.1蒸發的物理過程

5.1.1地表能量平衡

5.1.2紊流擴散與湍流通量

5.1.3蒸發與土壤水分

5.1.4蒸騰與植被生長

5.2蒸發能力

5.2.1蒸發能力概念

5.2.2蒸發能力測量

5.2.3蒸發能力估算

5.3流域實際蒸發

5.3.1實際蒸發的組成

5.3.2實際蒸發的觀測

5.3.3流域實際蒸發估算

5.4氣候變化對蒸發的影響

參考文獻

習題

6.1降雨下滲

6.1.1下滲過程及其定量描述

6.1.2土壤下滲能力

6.1.3實際降雨下滲過程

6.2土壤包氣帶的調蓄作用

6.2.1包氣帶對降雨下滲的影響

6.2.2包氣帶對下滲水量的再分配

6.3土壤水分運動過程

6.3.1土壤水形態

6.3.2土壤水分常數

6.3.3土壤水分運動

6.4地下水補給與排泄

6.4.1潛水補給與排泄

6.4.2承壓水補給與排泄

參考文獻

習題

7.1流域的基本概念

7.2河網結構及其描述

7.3流域地貌與水文特性

7.4河川徑流過程

7.4.1產流過程

7.4.2匯流過程

7.5河川徑流基本特徵

7.5.1河川徑流的度量

7.5.2河川徑流特徵

7.6河川徑流測量

7.6.1水文站布設

7.6.2水位觀測

7.6.3流量觀測

7.6.4水位流量關係

參考文獻

習題

8.1概述

8.2流域產流機制

8.2.1蓄滿產流

8.2.2超滲產流

8.3流域產流計算

8.3.1蓄滿產流計算

8.3.2超滲產流計算

8.4流域匯流計算

8.4.1等流時線法

8.4.2經驗單位線法

8.4.3納西單位線法

8.4.4地下徑流的匯流計算

8.5流域水文模型

8.5.1經驗性水文模型

8.5.2概念性水文模型

8.5.3分散式水文模型

參考文獻

習題

9.1概述

9.1.1水文預報的用途

9.1.2水文預報方法分類

9.2短期洪水預報

9.2.1上下游相關關係法

9.2.2河道洪水演進法

9.2.3基於實測降雨的洪水預報

9.3中長期徑流預報

9.3.1中長期枯水預報

9.3.2中長期徑流預報

參考文獻

習題

10.1水文序列及其統計特徵

10.1.1水文序列的概念

10.1.2概率與頻率

10.1.3水文序列的統計特徵

10.2水文學常用概率分佈

10.2.1正態分佈

10.2.2皮爾遜Ⅲ型分佈

10.3水文頻率分析

10.3.1概率分佈的參數估計

10.3.2水文頻率分析

10.4水文時間序列分析

10.4.1趨勢分析

10.4.2突變分析

10.4.3周期分析

10.5水文相關分析

10.5.1基本概念

10.5.2線性相關

10.5.3曲線相關

參考文獻

習題

11.1概述

11.1.1年徑流變化特性

11.1.2年徑流量的影響因素

11.2根據長期實測資料推求設計年徑流

11.2.1資料審查

11.2.2設計年、月徑流量系列

11.2.3設計代表年徑流量及年內分配

11.3根據短期實測資料推求設計年徑流

11.3.1根據徑流資料的插補與延長

11.3.2根據降雨資料的插補與延長

11.4缺乏實測資料情況下的設計年徑流計算

11.4.1水文比擬法

11.4.2參數等值線圖法

參考文獻

習題

12.1概述

12.1.1工程等級與設計標準

12.1.2設計洪水的三要素

12.2由流量資料推求設計洪水

12.2.1資料審查

12.2.2樣本選取

12.2.3特大洪水的頻率計算

12.2.4頻率曲線參數估計

12.2.5設計洪峰、洪量及洪水過程

12.2.6誤差分析及合理性檢查

12.3由暴雨資料推求設計洪水

12.3.1設計面暴雨量

12.3.2設計凈雨計算

12.3.3由設計凈雨推求設計洪水

12.4可能最大暴雨及可能最大洪水

12.4.1可能最大降水量估算

12.4.2流域可能最大降水

12.4.3流域可能最大洪水

12.5小流域設計洪水

12.5.1小流域設計暴雨

12.5.2小流域設計洪水的推理公式

12.5.3小流域設計洪水過程線

參考文獻

習題

附錄A皮爾遜Ⅲ型頻率曲線的離均係數Φ值表

附錄B皮爾遜Ⅲ型頻率曲線的模比係數KP值表

附錄C瞬時單位線S曲線查用表

附錄D1000 hPa地面到指定高度（用氣壓表示）間飽和假絕熱大氣中的可降水量與

1000 hPa露點函數關係表

附錄E1000 hPa地面到指定高度（距地面的高度）間飽和假絕熱大氣中的可降水量與

1000 hPa露點函數關係表

各章主要名詞中英文對照