水文学13章.docx

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水文学13章

水文与水资源学

绪论

一、水文学的研究对象和分类

1、水文学的研究对象

定义：

水文学是研究自然界各种水体的性质、分布、循环、运动变化规律及其与地理环境、人类社会之间相互关系的科学。

水体：

河流、湖泊、冰川、沼泽、海洋、地下水、大气中的水。

2、水文学的分类

1）按研究对象不同可分为：

2）按应用范围不同可分为：

工程水文学、农业水文学、森林水文学、

城市水文学、环境水文学、生态水文学等

3）由水文学采用的实验方法，分出三个学科：

水文测验学、水文调查、水文实验

二、水文学发展简介

水文学经历了由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理论的发展过程。

1、萌芽阶段（远古至约公元1400年）

这一时期已经开始了原始的水文观测（水位、雨量观测），而对水循环等水文现象的了解和认识是肤浅零星的。

这一时期中国的水文知识居于世界领先地位，如：

①公元前239年的《吕氏春秋》；

②2000年前建成的都江堰；

③公元527年的《水经注》。

2、奠基阶段（约1400～1900年）

欧洲文艺复兴和产业革命带来科学思想的解放和科学技术的进步，为水文科学发展成为独立的学科奠定了基础。

这一时期，水文仪器的发明使水文观测进入了科学的定量观测阶段，发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等，近代水文科学理论开始逐渐形成，现代水文学的基础得以建立。

3、应用水文学兴起阶段（约1900～1950）

这一时期，水文科学在观测方法，理论体系和研究领域等方面继续取得新成就，但它最重要的进展是应用水文学的兴起。

形成了最重要的分支学科——工程水文学。

接着，农业水文学、森林水文学、都市水文学也相继出现。

4、现代水文学阶段（1950年-现代）

这一时期的水文学有以下三个特点：

1）水文科学理论的深入研究和相关学科的渗透，使得水文计算和水文预报出现了许多新方法：

如流域数学模型的出现和应用。

2）新技术的广泛应用，如电子计算机、遥感、遥测、核技术等的广泛应用。

3）水文学的新的分支学科的出现：

如随机水文学、城市水文学、农业水文学、环境水文学、水资源学等分支学科的出现。

这一时期，尤其是20世纪七、八十年代以来，随着人口、资源和环境问题的日益突出及可持续发展理念的传播和普及，水文学研究越来越多的集中或涉及以下几方面：

水资源管理；气候变化；土地利用和土地覆被变化；地下水枯竭；城市水文状况。

三、水文现象的基本特点

★概念：

水循环过程中，水的存在和运动的各种形态，统称为水文现象。

水文现象有以下一些特点：

1、水资源的循环性

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。

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。

也就是说，一个地区发生洪水和干旱，往往与其它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。

2、水文现象在时间上的周期性与随机性

★周期性：

由于地球公转及自转，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，水文现象具有以多年、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。

★随机性：

由于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。

因此，虽然水文现象的变化过程具有周期性，但也常表现出不重复的特点。

这就是所谓的随机性。

例如，在不同的年份，一条河流的流量过程并不完全相同

3、水文现象在空间上的相似性与特殊性

★相似性：

主要指气候及地理条件相似的流域，其水文与水资源现象则具有一定的相似性。

湿润地区河流径流的年内分布较均匀，干旱地区则差异较大；表现在水资源形成、分布特征也具有这种规律。

★特殊性：

是指不同下垫面条件产生不同的水文和水资源的变化规律。

如同一气候区，山区河流与平原河流的洪水变化特点不同；同为半干旱条件，河谷阶地和黄土原区地下水赋存规律不同。

四、水文学的研究方法

水文学研究方法总的途径是通过实践获取信息——分析信息——得出规律。

具体来说，水文学有如下三种研究方法：

1、成因分析法

2、数理统计法

3、地理综合法

1、成因分析法

从具体问题出发，以基本水文网站和室内、外实验的资料数据，探究水文现象的形成过程；揭示其本质及其相互关系、成因规律及各因素之间的内在联系；建立水文要素与影响要素的定性和定量关系；建立和运转确定性的水文模型。

2、数理统计法

基于水文特征值的出现具有随机性，以概率理论为基础，根据长期的水文观测资料数据，运用数理统计方法，求得水文特征值的统计规律；或对水文要素和影响因素之间进行相关分析，建立一定的经验关系以供应用；建立和运转随机模型。

3、地理综合法

从气候要素及其他自然地理——环境要素具有地带性规律和地区性差异的事实出发，建立地区经验公式，绘制各种特征值的等值线图，以分析水文现象的地区性特征，揭示其地区性规律。

上述三种方法常常同时应用，相辅相成，互为补充。

第一章地球上水的性质与水资源

第一节天然水的化学性质

一、天然水的化学成分

★天然水中各种物质按性质通常分为三大类：

悬浮物质:

＞100nm的物质颗粒;

胶体物质:

粒径为100-1nm的多分子聚合体;

溶解物质:

粒径小于1nm的物质。

★K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-为天然水中的八大离子。

还有Fe、Mn、Cu、F、Ni、P、I等重金属、稀有金属、卤素和放射性元素等微量元素；

★水中溶解的气体有O2、CO2、N2，特殊条件下也有H2S、CH4等。

总之，无论哪种天然水，八种主要离子的含量都占溶解质总量的95-99％以上。

二、天然水的矿化过程

矿化度：

天然水中各种元素的离子、分子与化合物的总量称为矿化度。

天然水的矿化作用主要有：

1、溶滤作用：

土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。

2、吸附性阳离子交替作用：

天然水中离子从溶液中转移到胶体上是吸附过程。

同时胶体上原来吸附的例子，转移到溶液中。

3、氧化作用：

围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。

2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4

12FeSO4+3O2+6H2O=4Fe2（SO4）3+2Fe2O3·3H2O

游离的硫酸进而侵入围岩中的CaCO3。

CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2↑+2H2O

4、还原作用：

天然水若与含有机物的围岩（油泥、石油等）接触，或受到过量的有机物污染，碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。

CH4+CaSO4=CaS+CO2↑+2H2OCaS+CO2+H2O=CaCO3↓+H2S

5、蒸发浓缩作用：

在干旱地区，内陆湖和地下水正在经历盐化作用。

蒸发浓缩沉积顺序是Al、Fe、Mn的氢氧化物，Ca、Mg的碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐，Na的硫酸盐，Na、K的氯化物，Ca、Mg的氯化物，最后为硝酸盐。

6、混合作用：

雨水渗入补给地下水，地下水补给河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，滨海含水层的海水入侵等，都是天然水的混合。

三、天然水的分类P20

1、按水化学成分分类

2、按矿化度分类表1-8

3、按主要离子成分比例分类

（1）地表水分类表1-9

（前苏联）阿列金提出：

首先将天然水分为三类：

重碳酸盐类（C）、硫酸盐类（S）、氯化物类（Cl）。

其次对每一类天然水按占多数的阳离子分为钙质（Ca）、镁质（Mg）、钠质（Na）三组。

然后在每一组内又按各种离子摩尔的比例关系，分为四个水型：

Ⅰ型：

［HCO3-］＞［Ca2++Mg2+］。

Ⅰ型水是低矿化水，系由火成岩溶滤或离子交换作用形成的。

Ⅱ型：

［HCO3-］＜［Ca2++Mg2+］＜[HCO3-+SO42-）。

Ⅱ型水是低矿化和中等矿化水，多由火成岩、沉积岩的风化物与水相互作用形成。

河水、湖水、地下水大多属于这一类型。

Ⅲ型：

［HCO3-+SO42-］＜［Ca2++Mg2+］或[Cl-]＞[Na+]。

Ⅲ型水包括高矿化度的地下水、湖水和海水。

Ⅳ型：

［HCO3-］=0。

Ⅳ型水是酸性水，pH＜4.5时，水中游离的CO2和H2CO3、HCO3-的浓度为零。

例如，沼泽水、硫化矿床水和煤田矿坑水。

按此系统共分27个类型。

（2）地下水化学分类

地下水化学分类方法很多，现介绍C.A.舒卡列夫的分类方法，见表1-10。

这个分类法既考虑了各主要离子成分的摩尔百分数，又考虑了水的矿化度。

第二节地球上水的分布

`☆地球上水的总量约为13.86亿km3，分布在海洋、冰盖和冰川、永久积雪、地下含水层、永久冻土、湖泊、土壤、大气、沼泽、河流以及生物体中。

☆海洋是世界上最大的水体，其总面积约占地球表面积的71%。

在南半球，海洋面积占其表面积的81%，因此，南半球又被称为“水半球”。

☆冰盖和冰川是地球上最大的淡水水体，如果它们消融，现在海面将会升高30m。

☆河流和大气中的水分是最为活跃、更新最快的水体

表1-1地球上的水（据Davie,2003）

分布

体积（103km3）

占地球总水量的百分比（％）

海洋

1338000

96.54

冰盖和冰川

24064

1.74

地下水

23400

1.69

永久冻土底冰

300

0.022

湖泊水

176

0.013

土壤水

16.5

0.001

大气水

12.9

0.0009

沼泽水／湿地水

11.5

0.0008

河流水

2.12

0.00015

生物水

1.12

0.00008

总计

1385984

100

第三节水资源的概念

一、概念

☆广义的水资源：

地球上水圈内的水量总体。

☆狭义的水资源（通常所说的水资源）：

指陆地上的淡水资源。

具体说就是一定时期内能够被人类开发利用的那一部分动态水体；或者：

目前技术条件下，可供人类利用的那一部分淡水资源（包括河流水、淡水湖泊水、浅层地下水）

☆真正有效利用的水资源：

只占全球水的十万分之一。

二世界水资源概况

1）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。

2）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。

3）世界各国通常采用多年平均径流量来表示水资源。

第四节中国的水资源

一、我国水资源总量和人均占有量

●我国水资源总量28124亿m3，其中河川径流量为27115亿m3。

与世界各国相比，少于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼西亚，位于世界第6位；

●若按人均水资源计算，则约为世界平均水平的1/4，排名在第110位之后。

●全国多年平均地表水资源量为27115亿m3,地下水为8288亿m3,扣除重复计算水量7279亿m3，总量为28124亿m3。

水资源利用分为9个一级区，北方5区多年平均总量为5358亿m3,占全国的19％,平均产水模数为8.8万m3/km2,水资源贫乏；南方4区多年平均水资源总量为22766亿m3,占全国的81％,平均产水模数为65.4万m3/km2,是北方的7.4倍，水资源丰富。

（表1－22）

二、水资源时空变化

1、地区分布

因受海陆位置、水汽来源、地形条件等因素影响,我国水资源的地区分布很不均匀，总趋势是由东南沿海向西北内陆递减。

降水是重要补给来源,河川径流的地区分布趋势与降水基本一致，但由于受地面因素的影响，地区分布更不均匀。

按照年降水和年径流的多少，全国大致可划分为水资源条件不同的5个地带.

1）多雨—丰水带年降水量大于1600mm，年径流深超过800mm，年径流系数在0.3以上。

2）湿润—多水带年降水量800-1600mm，年径流深200-800mm，年径流系数在0.25-0.5。

3）半湿润—过渡带年降水量400-800mm，年径流深50~200mm，年径流系数在0.1-0.25。

4）半干旱—少水带年降水量200-400mm，年径流深10-50mm，年径流系数在0.1以下。

5）干旱-缺水带年降水量小于200mm，年径流深不足10mm，有的地区为无流区。

图片：

中国水资源+中国年降水量分布

2、多年变化

水资源通常以丰枯变化规律反映多年变化过程，以极值比表示年际变差幅度。

（1）丰枯变化规律

①有比较明显的60-80年长周期。

这一类测站最多，约占分析站数的58％，其特点是上升段和下降段很长，一般为25-35年。

在地区上南北方不同步，大致相差半个周期。

北方处于上升段，南方则为下降段，反之亦然。

反映了全国时常出现的南涝北旱或北涝南旱的规律。

②有比较明显的30-40年短周期。

属于这一类的测站约占分析站数的10％,其特点是上升段和下降段短,一般为15－20年。

③没有明显的周期性变化规律。

这一类特点是上升段和下降段很短,而且无规律的出现.属于这类的测站约占分析站数的32％。

（2）极值比系列中最大值与最小值的倍比值,称为极值比（Km）,可以作为反映降水、径流年际变幅的指标。

年径流极值比除了受气候因素影响外,还与下垫面条件和流域面积大小有密切关系,它的分布规律与年降水有些差别.全国部分流量站极值比见表1-23。

3、季节变化

全国降水量以夏多冬少，春、秋介于冬、夏之间。

春雨和秋雨各地不同，多气旋过境地方春雨较多，多台风过境的地方秋雨较多。

按照河流补给情况，全国大致可分为三区：

①秦岭以南主要为雨水补给区，河川径流量的季节变化主要受降水季节分配的影响，夏汛比较突出。

②东北地区、华北部分地区、黄河上游和西北一些河流，为雨水和冰雪融水补给区，有春、夏两次汛期，年径流过程线呈双峰型。

但一般春汛水量不大，多数河流占年径流量的5％左右，少数超过10％。

③西北内陆地区的祁连山、天山、阿尔泰山、昆仑山以及青藏高原部分河流，主要由高山冰雪融水补给，径流量的变化与气温有密切关系，年内分配比较均匀。

三、我国水资源的特点和现状：

1、总量不少，人均很低。

属淡水资源贫乏国家。

按人均水资源计算，约为世界平均水平的1/4，排名在第110位之后。

2、在水量上地区分布悬殊，与人口、耕地的分布不匹配

（1）“东多西少，南多北少”

（2）西北干旱地区缺水很严重

人口稠密

（3）华北地区用水最为紧张工业发达、

水土配合不协调、

降水不多

南方与北方水土配置比较（图略）

3、时间分配不均。

（1）季节分配：

夏秋多、冬春少

（2）年际变化：

大

（3）影响：

易造成旱涝灾害，不利于水资源的合理开发

4、水土流失和泥沙淤积严重，破坏了生态平衡，增加了江河防洪困难，降低了水利工程益。

5、水的重复利用率低。

6、人为污染严重，造成北方资源性缺水，南方水质性缺水。

第二章地球上的水循环及水量平衡

第一节水文循环

●地球上水的存在形式：

汽态、液态、固态

●存在位置：

空气中、地表、地下、生物体内

一、水文循环的概念：

地球表面的广大水体，在太阳辐射作用下蒸发变成水汽，上升到空中，被气流带动输送到各

地，在这过程中，水汽遇冷凝结，以降水的形式降落到地面和海洋，降至地面的那部分水，

再从河道或渗入地下以地下水形式补给河流流入海洋。

水分这种往返循环、不断转移交替的

现象称为水文循环或水循环。

水循环示意图

©水循环的外因：

太阳辐射能和地球引力的存在

©水循环的内因：

水物理三态（气、液、固）之间的相互转化

二、类型

自然界水循环据其规模及涉及的地域可分为：

1大循环：

指发生于全球海洋与陆地之间的水分交换过程，由于广及全球，故名大循环，又称外循环。

大循环的主要特点是，在循环过程中，水分通过蒸发与降水两大基本环节，在空中与海洋，空中与陆地之间进行垂向交换，与此同时，又以水汽输送和径流的形式进行横向交换。

海洋云、大气陆地海洋

②小循环：

小循环是指发生于海洋与大气之间，或陆地与大气之间的水分交换过程。

小循环又称内部循环，前者又可称为海洋小循环，后者称陆地小循环。

海洋云、大气海洋

陆地云、大气陆地

三、水体的更替周期

水体的更替周期，是指水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新一次所需的时间，通常可用下式作近似计算：

式中，T为更替周期（年或日、时）；

W为水体总贮水量（米3）；

ΔW为水体年平均参与水循环的活动量（米3/年）。

P44表2-1各种水体更替周期

四、水循环的作用与效应

水循环作为地球上最基本的物质大循环和最活跃的自然现象,它深刻地影响到全球地理环境,影响生态平衡,影响水资源的开发利用,对自然界的水文过程来说,水循环是千变万化的水文现象的根源。

1、将地球4大圈层耦合在一起

地球表层系由大气圈、岩石圈，生物圈以及水圈组合而成。

在这一有序的庞大层次结构中,水圈居于主导地位,正是水圈中的水,通过周流不息的循环运动，积极参与了圈层之间界面活动，并且深入4大圈层内部，将它们耦合在一起。

2、影响全球气候状况

水循环一方面受到全球气候变化,尤其是大气环流活动的影响,另一方面它又深入大气系统内部，极其深刻地制约了全球气候。

首先，水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者。

其次，水循环通过对地表太阳辐射能的重新再分配，使不同纬度热量收支不平衡矛盾得到解。

再次，水循环的强弱及其路径，还会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征。

此外，象雨、雪、霜、霰以及台风暴雨等天气现象，本身就是水循环的产物,没有水循环，亦就不存在这类天气现象。

3.形成江河、湖泊、沼泽等水体及相关的各种地貌形态

地壳构造运动奠定了全球海陆分布，以及陆地表面上高山、深谷、盆地、平原等等地表形态的基本轮廓。

水循环过程中的流水以其持续不断的冲刷、侵蚀、搬运与堆积作用，以及水的溶蚀作用，在地质构造的基底上重新塑造了全球的地貌形态，

4.影响生态平衡

水循环的强度及其时空变化，还是制约一个地区生态环境平衡或失调的关键；是影响地区内生物有机体活动旺盛，繁茂，或凋萎、贫泛的主要因子。

此外，对于同一地区来说，水循环强度的时空变化，又是造成本区洪、涝、旱等自然灾害的主要原因，循环强度过大，可能引发洪水与涝渍灾害；循环过弱，可能产生水资源不足，形成旱灾。

5.形成巨大的水资源

水是人类赖以生存、发展的宝贵资源，是廉价、清洁的能源，是农业的命脉、工业的血液和运输的大动脉，它与其它自然资源相比较主要不同点是水资源具有再生性和可以永继利用的特点。

这一特点正是水循环所赋予的。

6.对水循环及水文现象的研究促进和推动了水文学科的发展

水循环是水文现象的根源,没有水循环就不会发生蒸发、降水、径流。

研究水循环是认识和掌握自然界水文现象的一把钥匙;是把握自然界各种水体的性质、运动变化及其相互关系的有效方法和手段.水循环与水量平衡的研究引导了以往水文学科的发展,指导水文学的未来,从宏观与微观双向尺度上,不断拓宽与加深水文学科。

宏观与微观水循环的研究相结合,将进一步推动今后水文学向纵深方向发展。

第二节水量平衡

一、水量平衡概述

指地球任一区域（可以是某个流域、湖泊、沼泽、海洋或某个地区，也可以是整个地球），在一定时段内（时段可以是日、月，也可以是一年、数十年或更长的时间），收入的水量与支出的水量之差等于该区域内的蓄水变量（蓄水变量指时段始末区域内蓄水量之差）。

水量平衡是水文循环的定量描述，是质量守恒定律在水文循环中的特定表现形式。

二、通用水量平衡方程：

I–Q=△S

上式为水量平衡的一般表达式

写成差分形式为：

（2—2）

I—给定时段内输入研究区域的总水量；

Q—给定时段内输出研究区域的总水量；

△S—时段内研究区域蓄水量的变化量。

上式中各变量的单位：

km3或mm

三、全球水量平衡方程

1.海洋水量平衡方程

若以海洋为研究水量平衡对象，某时段△t内的水量平衡方程可写成：

Ps＋R－Es=△S（2---4）

式中:

Es：

海洋在时段内的蒸发量；Ps：

海洋在时段内的降水量；R：

时段内由陆地流入海洋的径流量；△S：

海洋在该时段内蓄水量的变化量。

多年平均状态下Δs海→0，所以上式改写为：

Ps＋R－Es=0（2---5）

2.陆地水量平衡方程式

由于陆地上水循环可区分为外流区水循环系统及内流区水循环系统，所以其水量平衡方程存在两种形式：

（1）外流区任意时段的水量平衡方程为：

P外-E外-R地表-R地下=△S外（2－7）

对于多年平均而言Δs外→0，并以R=R地表+ R地下，则有

（2—8）

式中；P外、E外、R地表、R地下、△S外分别为外流区任意时段内降水量、蒸发量、入海的地表径流量及蓄水变量；

则分别为外流区多年平均降水量，蒸发量及径流量。

（2）内流区基本上呈闭合状态，没有水量入海。

水量平衡方程为：

（2—9）

将上述外流区和内流区水量平衡方程组合起来，就构成整个陆地系统的水量平衡方程。

（2—10）

如以

带入上式，则有

（2—11）

据测定，全球陆地平均降水量

为800mm，而平均蒸发量

为485毫米,两者之差即为陆地上剩余的水量为315毫米，它就是河流入海径流量。

（3）全球水量平衡方程式

将上述海洋水量平衡方程式与陆地水量平衡方程式组合一起，就构成全球水量平衡方程式：

（2-12）式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

必须指出，在水循环过程中，全球总水量不变，不等于各种水体之间相对数量亦恒定不变。

世界各地修建了一大批水库，总蓄水量超过3000×109米3，引起每年入海径流量减少50×109米3，海平面相应下降0.1毫米/年。

这样，在这一时期里世界海平面实际上升率为1.6毫米/年。

如表2-4所示。

四、研究水量平衡的意义

1、有助于对水循环与全球自然地理—环境、人类社会的关系的认识

2、有助于对水循环本身和水文现象的认识

3、有助于水资源现状的评价和水资源供需的预测

4、有助于水利工程的规划、设计、效益评价、运行

5、有助于水文观测的检验和改进。

第三章水循环要素

第一节降水

降水：

是指液态或固态的水汽凝结物，从天空下降至地面而成的液态水或固态水的现象。

降水是气象要素之一，也是水循环中重要的一个环节。

一、降水的各种形态：

1、液态降水

（1）毛毛雨：

雨滴直径0.2～0.5mm，降落速度为0.7_2.0m/s

（2）雨：

雨滴直径0.5～6mm。

小雨滴呈球形，直径在1mm以上的雨滴呈扁球形，雨滴越大，形状越扁平。

降落速度为2.0_10.0m/s

（3）冻雨：

雨滴过冷，降落到温度<0℃的物体或地表上立即冻结成冰。

2、固态降水

（1）雪：

由温度<0℃的小冰晶和温度近于0℃的大雪花构成。

（2）霰：

又称雪珠或软雹，是白色不透明的圆锥形或球形的颗粒状固态降水。

直径约2～5毫米，系雪花下落过程中遇过冷水滴冻结增大而形成（两者相遇后过冷水滴冻结且覆盖在雪花上）

（3）雹：

又称冰雹或雹块，从对流云中产生的球状、锥状、椭球状或形状不规则的坚硬固态降水，直径约2～50毫米。

二降水的成因

①大气中存在水分，即水