水文學(xué)原理(水文水資源緒論及第一章)

1、水文學(xué)原理A Required Course for Students Major in Hydrology and Water Resources Engineering 緒 論 學(xué)習(xí)提綱：1.了解水文現(xiàn)象；2.掌握水文學(xué)研究的內(nèi)容；（重點(diǎn)）3.掌握水文現(xiàn)象的基本特性； （重點(diǎn)）4.掌握研究水文現(xiàn)象的研究方法； （重點(diǎn)）5.了解地球上水的分布及儲(chǔ)量；6.掌握自然界的水文循環(huán)； （重點(diǎn)）7.掌握水量平衡原理與方程； （重點(diǎn)）8.了解水文學(xué)的發(fā)展一 水文現(xiàn)象1.水文學(xué)的涵義 水文學(xué)是研究地球上水的性質(zhì)、分布、循環(huán)、運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律及其與地理環(huán)境、人類社會(huì)之間相互關(guān)系的科學(xué)。 水文學(xué)的主要研究對(duì)象：大

2、氣水、地表水（江河、湖泊、海洋）、地下水。冰川水深層地下水自然界中的水淺層地下水空間分布地表水地下水江河水湖泊水埋藏條件潛水承壓水埋藏深度易利用大氣中 水文學(xué)作為地球物理科學(xué)的一個(gè)分支，主要研究地球系統(tǒng)中水的存在、分布、運(yùn)動(dòng)和循環(huán)變化規(guī)律，水的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，以及水圈與大氣圈、巖石圈和生物圈的相互關(guān)系。 2.水文學(xué)的研究內(nèi)容：3 水文學(xué)的分類(了解)按地球圈層分 ：按地球表面情況分 按任務(wù)和研究方法分 按應(yīng)用領(lǐng)域分 按技術(shù)方法分 三 水文現(xiàn)象的基本特性1.水循環(huán)永無止境；2.水文現(xiàn)象在時(shí)間變化上既具有周期性又具有隨機(jī)性；3.水文現(xiàn)象在地區(qū)分布上既存在相似性，又存在特殊性。四 水文現(xiàn)象的研究

3、方法 1.成因分析法 以質(zhì)量守恒、能量(動(dòng)量)守恒等定理為基礎(chǔ)，揭示水文現(xiàn)象運(yùn)動(dòng)變化的機(jī)理和規(guī)律。 2.數(shù)理統(tǒng)計(jì)法 水文現(xiàn)象具有隨機(jī)性，從而以概率理論為基礎(chǔ)，研究水文現(xiàn)象特征值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 3.地理綜合法 水文現(xiàn)象具有地區(qū)性，從而通過建立地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式、繪制各種特征值等值線圖，揭示水文特征值的地區(qū)規(guī)律。水體種類億 km3%淡水億 km3 %海洋水13.3896.5400地表水0.2425411.750.241769.0地下水0.237001.710.108330.916土壤水0.0001650.0010.0001650.047大氣水0.0001290.00090.0001290.037生物水0.

4、00001120.000010.00001120.003總儲(chǔ)量13.8598461000.3503100淡水占全球水量的2.527%-五、地球上的水的分布及儲(chǔ)量 地球上的水與水資源：淡水 冰凍積雪冰凍積雪 68.7%地下水/重力水 30%河湖水 0.3% 淡水 2.53%咸水 97.47%淡水僅占2.53%非重力水 0.9%1. 水資源的涵義及特性(1) 廣義水資源：世界上一切水體；(2 )狹義水資源：指在一定時(shí)期內(nèi)，能被人直接或間接開發(fā)利用的那一部分動(dòng)態(tài)水體。練習(xí)題：通常所說的水資源是指A.陸地水B.陸地上可以被人們利用的淡水C.靜態(tài)水資源D.動(dòng)態(tài)水資源/p>

5、0 2000 1600 1200 800 600 400 200 50 中國的大氣降水2278 1139 570 全國平均值 全國平均值的一半 全國平均值的四分之一人均淡水資源M3 339 460 386 445 2198 2091 1501 889 414 1113 2048 3603 3452 981 1250 187 5139 12668 3029 181237 5451 5306 2878 2544 2480 1107 4090 2981 2010 我國各省人均淡水資源2.水體的更替周期 ( 1 ) 定義：指水體在參與水循環(huán)過程中全部水量被更新一次所需時(shí)間。 T水體更替周期（a，d，h

6、）；w水體總貯水量（m3）；w水體年平均參與水循環(huán)的活動(dòng)量（m3/a）3 研究的意義：1）反映水循環(huán)強(qiáng)度的重要指標(biāo)；2）反映水體水資源可利用率的基本參數(shù)。 六.水資源的特性1.水資源的循環(huán)再生性與其有限性；取之不盡，用之不竭？2.時(shí)空分布的不均勻性；3.利用的廣泛性和不可替代性；4.利與害的兩重性。湖泊水地下潛水大氣降水冰雪融水河 水互補(bǔ)互補(bǔ)補(bǔ)給補(bǔ)給知識(shí)小結(jié)陸地水體的相互關(guān)系七.我國水資源的基本情況 1 水資源總量多，但人均、畝均水量較少； 2 水資源空間分布不均勻 3.水量年內(nèi)、年際分布不均勻 4 水土流失和泥沙淤積嚴(yán)重 5 地下水開采過量 過量開采地下水會(huì)帶來哪些負(fù)面影響6 水資源污染日趨

7、嚴(yán)重解決水資源危機(jī)的方法 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉 廢水利用、污水凈化 跨流域調(diào)水節(jié)約用水 雨水收集利用八.自然界的水分循環(huán)思考以下問題1.水循環(huán)的動(dòng)力條件是什么？2.參與水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)有哪些？3.定義水循環(huán)。4.水循環(huán)的分類有哪些？ 水循環(huán)1 水循環(huán)的定義：指地球上各種形態(tài)的水，在太陽輻射、地心引力等作用下，通過蒸發(fā)、水汽輸送、凝結(jié)降水、下滲和徑流等環(huán)節(jié)，不斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換和周而復(fù)始運(yùn)動(dòng)的過程。二 水循環(huán)的類型及層次結(jié)構(gòu)根據(jù)途徑及規(guī)模： 水文循環(huán)的規(guī)律1.海洋的蒸發(fā)量大于降水量； 2.大陸的降水量大于蒸發(fā)量； 3.大陸外流區(qū)輸入水汽量與輸出水量基本平衡； 4.大陸內(nèi)流區(qū)降水量與蒸發(fā)量基本相等。 很重要

8、！16.6天1600年1400年1000年陸地水更新循環(huán)周期20年10年1年冰川水深層地下水內(nèi)陸湖淺層地下水湖泊淡水土壤水河水 為什么人類的生產(chǎn)和生活用水主要依賴河流水、淡水湖泊水和淺層地下水？動(dòng)態(tài)水資源靜態(tài)水資源大氣降水基本來源陸地水促進(jìn)更新水循環(huán)類型意義海內(nèi)循環(huán)海陸循環(huán)陸內(nèi)循環(huán)維持全球水量平衡，使陸地水資源不斷更新。實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的遷移和能量的交換。影響全球的氣候和生態(tài)。不斷塑造地表形態(tài)。分類按空間分類按循環(huán)周期分類地表水地下水靜態(tài)水動(dòng)態(tài)水知識(shí)梳理土壤水調(diào)蓄地下水調(diào)蓄地表水調(diào)蓄大氣降水地面蒸發(fā)蒸發(fā)植物截留灌溉水回歸植物蒸騰植物吸收蒸發(fā)潛水蒸發(fā)下滲下滲水面蒸發(fā)地表徑流壤中流地下徑流河川水庫調(diào)蓄地表

9、水引水或調(diào)水工農(nóng)業(yè)生活用水外來水損耗土地利用覆被變化河川徑流地下潛流地下水處理系統(tǒng)滲漏滲漏污廢水自然水循環(huán)社會(huì)水循環(huán)水資源形成與轉(zhuǎn)化關(guān)系示意圖 影響水分循環(huán)的因素九. 水量平衡原理和方程（一）水量平衡概念 1 定義：水文循環(huán)過程中，對(duì)任一地區(qū)、任一時(shí)段進(jìn)入的水量與輸出的水量之差，必等于其蓄水量的變化量，這就是水量平衡原理，是水文計(jì)算中始終要遵循的一項(xiàng)基本原理。 2 基本類型：通用水量平衡方程，全球水量平衡方程，海洋水量平衡方程，陸地水量平衡方程，流域水量平衡方程等。1 建立定量概念；2 了解組成水循環(huán)的各要素;3 水資源評(píng)價(jià)與供需預(yù)測(cè)研究工作的核心;4 由已知水文要素推求待定水文要素。 （二）

10、研究的意義（二） 地球的水量平衡方程海 洋地下徑流地表徑流下滲降水蒸發(fā)基巖（1）海洋平衡方程式全球海洋為研究對(duì)象：對(duì)年平均狀態(tài)： 可得： 即：在多年平均狀態(tài)下，整個(gè)海洋的降水量加上入海徑流量與海面水蒸發(fā)量處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。（2）陸地水量平衡方程式a 外流區(qū)水量平衡方程多年平均： 外分別為外流區(qū)任意時(shí)段內(nèi)降水量、蒸發(fā)量、入海的地下徑流量、地表徑流量及蓄水量。b 內(nèi)流區(qū)水量平衡方程 將上述的外流區(qū)水量平衡方程與內(nèi)流區(qū)水量平衡方程結(jié)合起來就是構(gòu)成陸地系統(tǒng)的水 量平衡方程，即簡化后得：（六）全球水量平衡方程 海洋： 陸地： 則全球水量平衡方程為： 即：海洋和陸地的多年平均降水量等于海洋和陸地多年平均蒸

11、發(fā)量。 注意：全球總水量不變，不等于各種水體之間相對(duì)數(shù)量亦 恒定不變。（三） 通用水量平衡方程 在給定時(shí)間段內(nèi)輸入?yún)^(qū)域的各種水量之和； 在給定時(shí)間段內(nèi)輸出區(qū)域的各種水量之和； 為研究時(shí)段內(nèi)區(qū)域（水體）內(nèi)蓄水變化量；P時(shí)段內(nèi)降水量；E1、E2時(shí)段內(nèi)水汽凝結(jié)量與蒸發(fā)量；R表、R表時(shí)段內(nèi)地表流入與流出的水量；R地下、R地下時(shí)段內(nèi)從地下流入與流出的水量； Y時(shí)段內(nèi)工農(nóng)業(yè)及生活凈用水量;W1、W2時(shí)段始末蓄水量；2 現(xiàn)以陸地上任意地區(qū)為研究對(duì)象P +R表+R地下-（E+ R表+R地下+ q）=E=E2-E1為時(shí)段內(nèi)凈蒸發(fā)量； =S2-S1為時(shí)段內(nèi)蓄水變量對(duì)年平均； =0 水循環(huán)和水量平衡是水體連續(xù)運(yùn)動(dòng)的

12、兩個(gè)側(cè)面。水循環(huán)著眼于運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，水量平衡著眼于水循環(huán)要素的數(shù)量關(guān)系。水循環(huán)是在水量平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而水量平衡是通過水循環(huán)實(shí)現(xiàn)的。思考題：1.何謂自然界水循環(huán)？產(chǎn)生水循環(huán)的原因是什么？2.水循環(huán)有哪些規(guī)律？3.將全球的陸地作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，已知 多年平均降雨量 、多年平均蒸發(fā)量 ，試根據(jù)區(qū)域水量平衡方程計(jì)算多年平均情況下每年從陸地流入海洋的徑流量 是多少？4.解釋水體更新周期。為什么人類的生產(chǎn)和生活用水主要依賴河流水、淡水湖泊水和淺層地下水？5.水文現(xiàn)象的產(chǎn)生和變化，都有某種程度的隨機(jī)性，因此，都要應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行分析，對(duì)嗎？6.計(jì)算時(shí)段的長短，對(duì)水量平衡方程有影響，對(duì)嗎？7.使水資源具有

13、循環(huán)再生性的原因是水量平衡方程，對(duì)嗎？8.水資源可利用率越大，水體更替周期越長，對(duì)嗎？為什么？選擇題1.自然界中，海陸間的水文循環(huán)稱為（ ）；A內(nèi)陸水循環(huán) B小循環(huán) C大循環(huán) D海洋水循環(huán) 2.自然界的水文循環(huán)是水資源具有（ ）性；A 再生性 B 非再生性 C 隨機(jī)性 D 地區(qū)性3.某閉合流域多年平均降水量為950mm,多年平均徑流深為450mm，則多年平均蒸發(fā)量為（ ）A 450mm B 500mm C 950mm D1400mm1.水資源是取之不盡用之不竭的對(duì)嗎？2.為什么人類的生產(chǎn)和生活用水主要依賴河流水、淡水湖泊水和淺層地下水？3.計(jì)算時(shí)段的長短，對(duì)水量平衡方程有影響，對(duì)嗎？4.水文現(xiàn)

14、象的研究方法有哪些？第二章 河流和流域特征第一節(jié) 河流及特征一 河流的形成與分段1.河流及其分段河流：自然界中脈絡(luò)相通的排泄降水徑流的天然輸水通道。水系：干流、支流和流域內(nèi)的湖泊、沼澤彼此連接組成一個(gè)龐大的系統(tǒng)；在一個(gè)水系里，一般以長度或水量最大的河流作為干流；河流分段：河源、上游、中游、下游、河口。 上游特點(diǎn)：落差大，水流急，下切和侵蝕作用強(qiáng)，多急流險(xiǎn)灘和瀑布；中游特點(diǎn)：比降緩慢，下切力減弱，旁蝕力加強(qiáng)，河道有彎曲，兩岸有灘地，河床較穩(wěn)定；下游特點(diǎn)：比降緩慢，流速較小，常有淺灘、沙洲，淤積明顯。二.河流基本特征(1) 河長L ：自河源沿主河道到河口出口的距離，以km計(jì)；(2) 河流橫斷面：分

15、單式斷面（只有主槽而無灘地的斷面）和復(fù)式斷面（有主槽又有灘地的斷面）；（3）河道坡度（河道縱比降）3. 河系及河流地貌律 河系（水系或河網(wǎng)）：脈絡(luò)相通的大小河流組成的輸水系統(tǒng)； 水系形態(tài)：扇形、羽毛形、平行狀和混合形； 河流地貌律：如圖，其中的各個(gè)河流按自上而下的順序分為1級(jí)、2級(jí)。規(guī)定2條同級(jí)的河流匯合為高一級(jí)的河流，例如2條1級(jí)河流匯合后為2級(jí)；不同級(jí)的匯合時(shí)，則不增加匯合后的河流級(jí)別，如2級(jí)與1級(jí)匯合后仍為2級(jí)。河系在發(fā)育過程中將遵循一定的規(guī)律 1）河數(shù)律 ； 2）河長律 ； 3）面積律 4）比降律 1）河數(shù)律i=1,2，3 -第i級(jí)的河流數(shù)， -分叉率，即某一級(jí)河流數(shù)與高一級(jí)河流數(shù)之比

16、，2）河長律河長律指水系中各級(jí)河流的平均河長與該河流級(jí)別近似于正幾何級(jí)數(shù)關(guān)系 -第i級(jí)和第一級(jí)河流的平均河長； 河長比，即某一級(jí)河流的平均長度與第一級(jí)河流平均長度之比； 3）面積律 -第i級(jí)、第1級(jí)的平均流域面積 -面積比，即某一級(jí)河流的平均面積比與第一級(jí)河流平均面積之比；4）比降律 -第 i級(jí)、第1級(jí)河流的平均比降； 河流比降率；即某一級(jí)河流的平均比降率愈高一級(jí)河流平均比降率之比。 第二節(jié) 流域與水系特征一、流域及其分類流域： 河流某一斷面來水的集水區(qū)域，即該斷面（稱流域出口斷面）以上地面、地下分水線包圍的區(qū)域，地面分水線包圍區(qū)域?yàn)榈孛婕畢^(qū)，地下分水線包圍區(qū)域?yàn)榈叵录畢^(qū)。 閉合流域： 在垂直方向地面、地下分水線重合，地面集水區(qū)上降水形成的徑流正好由流域出口斷面流出，一般的大中流域均屬此類。非閉合流域： 地面、地下分水線不重合的流域，如巖溶地區(qū)的河流和一些很小的流域。二、流域基本特征1. 流域面積F ：在地形圖上繪出流域的分水線，用求積儀量出分水線包圍的面積，即流域面