水文学-第1节（地球上的水分循环与水量平衡）

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1、水文学（水文学（hydrology）是地球物理学和自然地理）是地球物理学和自然地理学的分支学科。学的分支学科。研究存在于研究存在于大气层中大气层中、地球表面地球表面和和地壳内部地壳内部各各种形态水在种形态水在水量和水质水量和水质上的运动、变化、分布，上的运动、变化、分布，以及与以及与环境及人类活动环境及人类活动之间相互的联系和作用。之间相互的联系和作用。是关于地球上水的是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、起源、存在、分布、循环、运动运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。务的知识体系。给水排水工程专业黄廷林，马学尼主编出 版 社：中国建筑工

2、业出版社桂劲松主编出 版 社：华中科技大学出版社土木专业土建类专业本科主要包括水文学的研究任务，水文现象的特征和研究方法，水文循环与径流的形成及其影响因素，水文统计基本原理与方法，年径流及洪、枯径流，降水资料的收集与整理，小流域暴雨洪峰流量的计算，城市化引发的水利问题及解决方法，地下水的结构和运动等内容陶涛，信昆仑编著出 版 社：同济大学出版社邱大洪主编出 版 社：人民交通出版社水利学科詹道江，徐向阳，陈元芳 主编出 版 社：水利水电出版社水利学科水文学与水资源工程专业沈冰，黄红虎主编出 版 社：水利水电出版社地理水文学的方向，反映水文科学的新观点和新成就。既适合师范院校地理系作教材，也可作为

3、综合大学地理系、工科院校有关专业师生及水文工作者的参考用书黄锡荃主编出 版 社：高等教育出版社水资源承载力评价指标体系研究（惠泱河， 蒋晓辉 - 水土保持通报, 2001）区域水资源承载能力综合评价: 主成分分析法的应用（傅湘， 纪昌明 - 长江流域资源与环境，1999）气候变化对西北干旱区地表水资源的影响和未来趋势（施雅风， 张祥松 - 中国科学(B 辑)，1995）水权和水市场谈实现水资源优化配置的经济手段（汪恕诚 - 水电能源科学, 2001）水文变异的滑动F识别与检验方法（陈广才， 谢平 - 水文, 2006）基于DEM 的分布式流域水文物理模型（郭生练， 熊立华 - 武汉水利电力大学

4、学报）基于DEM 的分布式水文模型在大尺度流域应用研究（刘昌明， 李道峰， 田英， 郝芳华， 杨桂莲 - 地理科学进展，2003）水循环的生态学方面: 土壤植被大气系统水分能量平衡研究进展（刘昌明， 孙睿 - 水科学进展, 1999）应用应用 南水北调、 水资源配置、 水库联合调度、 水利工程、 河流的形成、 产汇流和水文模型、 区域需水、 东江分水、 防洪减灾、 二元水循环、 水资源承载力、 重点建设任务重点建设任务1、特大洪水特点与规律及对策措施研究、特大洪水特点与规律及对策措施研究2、流域水资源演变规律与科学调控研究、流域水资源演变规律与科学调控研究3、水资源利用效率评价与水资源价值的综

5、合核算方法研究、水资源利用效率评价与水资源价值的综合核算方法研究 4、高强度人类活动条件下的水文水资源预测研究、高强度人类活动条件下的水文水资源预测研究 5、流域水循环一生态过程相互作用与生态环境需水量、流域水循环一生态过程相互作用与生态环境需水量重点建设任务重点建设任务6、水资源循环再生利用、综合节水和水资源高效利用技术、水资源循环再生利用、综合节水和水资源高效利用技术7、变化环境下的流域水循环演变机理与模拟方法、变化环境下的流域水循环演变机理与模拟方法8、流域孕灾环境的变化、洪水响应及防洪调度现代化、流域孕灾环境的变化、洪水响应及防洪调度现代化9、旱涝规律及大面积长历时干旱预测与监测研究、

6、旱涝规律及大面积长历时干旱预测与监测研究10、水管理制度安排和政策设计的科学基础、水管理制度安排和政策设计的科学基础第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡第二节第二节 河流河流第三节第三节 湖泊与沼泽湖泊与沼泽第四节第四节 地下水地下水第五节第五节 冰川冰川第六节第六节 海洋海洋第七节第七节 水资源水资源目目 录录第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡水文：水文：水的各种现象的发生、发展及其相互关系和规水的各种现象的发生、发展及其相互关系和规律性。律性。水文是最活跃的自然地理要素。水文是最活跃的自然地理要素。水体：水体：指以一定形态存在于自然地理

7、环境中的水的总指以一定形态存在于自然地理环境中的水的总称。称。第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡地表水地表水地下水地下水生物有机体内生物有机体内的水的水蒸发、蒸腾蒸发、蒸腾水汽水汽冷却冷却大气大气冰晶、水滴冰晶、水滴降降落落一、水分循环一、水分循环第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡一、水分循环一、水分循环第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡 水循环：指地球上的水在太阳辐射和重力的作用下，水循环：指地球上的水在太阳辐射和重力的作用下，以蒸发、水汽输送、降水和径流等方式进行周而复始以蒸发、水汽输送、降水和径流等方式进

8、行周而复始的运动过程。的运动过程。水循环形成的水循环形成的内因内因：水的：水的物理三态物理三态（气、液、（气、液、固）之间的相互转化固）之间的相互转化水循环形成的水循环形成的外因外因：太阳辐射太阳辐射和和地心引力地心引力以及以及地形、地貌地形、地貌等下垫面因素等下垫面因素第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡蒸散发蒸散发(Evapotranspiration): 由于太阳辐射能的作用，使水从海洋、由于太阳辐射能的作用，使水从海洋、江河、湖泊、土壤表面及植物叶面蒸散发成水汽升入大气中江河、湖泊、土壤表面及植物叶面蒸散发成水汽升入大气中降雨降雨(precipitation,

9、 rainfall): 大气中的水汽由于气温降低而凝结为大气中的水汽由于气温降低而凝结为降水回到陆面和水体降水回到陆面和水体径流径流(runoff): 一部分降雨沿地表流动形成地面径流，通过江河汇一部分降雨沿地表流动形成地面径流，通过江河汇流入海流入海 水循环过程3阶段、5个环节 水文循环对人类的生存和各项生产活功具有重大的意义，正是由于水水文循环对人类的生存和各项生产活功具有重大的意义，正是由于水分循环，才提供了江河湖泊等水体的淡水资源，以及江河的水能资源分循环，才提供了江河湖泊等水体的淡水资源，以及江河的水能资源水分蒸发、水气输送、凝结降水、水分下渗、径流水分蒸发、水气输送、凝结降水、水分

10、下渗、径流5个环节个环节。第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡 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，故称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，故称为大循环，又称外循环为大循环，又称外循环 在循环过程中，水分通过蒸散发与降水两大基本环节。在在循环过程中，水分通过蒸散发与降水两大基本环节。在空中与海空中与海洋，洋，空中与陆地之间空中与陆地之间进行进行垂向交换垂向交换，与此同时，又以，与此同时，又以水汽输送和径流的水汽输送和径流的形式形式进行进行横向交换横向交换。 交换过程中交换

11、过程中:【垂向交换垂向交换】海面上的海面上的年蒸发量大于年降水量年蒸发量大于年降水量，陆面，陆面上情况正好相反，上情况正好相反，降水大于蒸发降水大于蒸发；在；在【横向交换横向交换】过程中，过程中，海洋上空向海洋上空向陆地输送的水汽陆地输送的水汽要多于要多于陆地上空向海洋回送的水汽陆地上空向海洋回送的水汽，两者之差称为海洋，两者之差称为海洋的有效水汽输送。正是这部分有效的水汽输送，在陆地上转化为的有效水汽输送。正是这部分有效的水汽输送，在陆地上转化为地表及地表及地下径流，最后回流入海地下径流，最后回流入海，在海陆之间维持水量的，在海陆之间维持水量的相对平衡相对平衡.第一节第一节 地球上的水循环和

12、水量平衡地球上的水循环和水量平衡海洋小循环主要包括海面的蒸发与降水两大环节，比较简单。陆地小循环的情况则要复杂得多，并且内部存在明显的差别。【从水汽来源看】，有陆面自身蒸发的水汽，也有自海洋输送来的水汽，并在地区分布上很不均匀，一般规律是距海愈远，水汽含量愈少，因而水循环强度具有自海洋向内陆深处逐步递减的趋势，如果地区内部植被条件好，贮水比较丰富，那么自身蒸发的水汽量比较多，有利于降水的形成，因而可以促进地区小循环 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，交换过程。小循环又称内部循环，

13、前者又可称为海洋小循环，后者称陆地小循环后者称陆地小循环第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡（三）水循环的地理意义（三）水循环的地理意义第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡1.水量平衡原理：水量平衡原理： 对任一区域、任一时段来水量与出水量之差对任一区域、任一时段来水量与出水量之差 必等于其必等于其蓄水量的变化量蓄水量的变化量二、水量平衡二、水量平衡第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡dtdsQISttI写成差分的形式式中：式中：I为水量收入项；为水量收入项；Q为水量支出项；为水量支出项；s为研究时段内区域（或为研究

14、时段内区域（或水体）内的蓄水变化量水体）内的蓄水变化量二、水量平衡二、水量平衡：W入入= W出出+第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡二、水量平衡二、水量平衡（入）（入）P+E1+R1+R2+u1=E2+R1+R2+q+u2 （出）（出）以任意地区为研究对象：P时段内降水量；E1和E2时段内水汽凝结量和蒸发量；R1和R1分别为时段内地表流入和流出水量；R2和R2分别为时段内地下流入与流出水量;u1和u2分别为时段始末的蓄水量；q 时段内工农业及生活用水量。第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡二、水量平衡二、水量平衡（入）（入）P+E1+R1+

15、R2+u1=E2+R1+R2+q+u2 （出）（出）推导：若：E= E2 - E1时段内净蒸发量； u=u1 - u2时段内蓄水变量。则：（P+R1+R2）-（E+R1+R2+ q）=u第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡. 非闭合流域：流域的地下水分水线与地面分水线不重合非闭合流域：流域的地下水分水线与地面分水线不重合R1=02. 闭合流域：流域的地下水分水线与地面分水线重合闭合流域：流域的地下水分水线与地面分水线重合二、水量平衡二、水量平衡（P+R1+R2）-（E+R1+R2+ q）=u（P+R2）-（E+R1+R2+ q）=uR1为时段内为时段内地表地表流入量流

16、入量R1=0、R2=0P-（E+R1+R2+ q）=uR1和R2分别时段内地表流入与地下流入水量;P-（E+R）=u令令R1+R2+ q=R第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡RPE多年平均：多年平均：u=0二、水量平衡二、水量平衡2. 闭合流域：流域的地下水分水线与地面分水线重合闭合流域：流域的地下水分水线与地面分水线重合P-（E+R）=u第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡陆海陆海EEpp全球全球EP二、水量平衡二、水量平衡第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡陆海陆海EEpp二、水量平衡二、水量平衡陆陆海海EpE

17、p;全球全球EP 水量平衡是指任意选择的区域（或流域），在任意的时段水量平衡是指任意选择的区域（或流域），在任意的时段内，其收入的水量与支出的水量之差等于其蓄水量的变化量内，其收入的水量与支出的水量之差等于其蓄水量的变化量。即在水循环过程中，从总体上来说水量收支平衡。即在水循环过程中，从总体上来说水量收支平衡。第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡表表5.15.1第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡1/PRPEPP二、水量平衡二、水量平衡:/ PERPE2. 闭合流域：流域的地下水分水线与地面分水线重合闭合流域：流域的地下水分水线与地面分水线重

18、合多年平均蒸发系数（干旱区）；多年平均蒸发系数（干旱区）；:/ PR多年平均径流系数（湿润区）多年平均径流系数（湿润区）第一节第一节 地球上的水循环和水量平衡地球上的水循环和水量平衡二、水量平衡二、水量平衡（1)1)通过水量平衡研究，可以对研究地区的自然通过水量平衡研究，可以对研究地区的自然地理特征做出评价。地理特征做出评价。（2)2)水量平衡分析是水量平衡分析是水资源研究水资源研究的基础。的基础。（3)3)水量平衡法是现代水文学研究的基本理论之水量平衡法是现代水文学研究的基本理论之一。一。（4)4)水量平衡法是揭示水量平衡法是揭示人与环境人与环境间相互影响的方间相互影响的方法之一。法之一。永

19、冻层下水 10000a 生物水 几小时 极地冰川和雪盖 9700a 大气水 8d海洋 2500a 沼泽 5 a 高山冰川 1600a 土壤水 1d层地下水 100-1400a 河川水 8d 湖泊 17a三、水体更替周期三、水体更替周期第一节第一节 水循环和水量平衡水循环和水量平衡四、人为水循环（侧支循环）四、人为水循环（侧支循环）第一节第一节 水循环和水量平衡水循环和水量平衡第一节第一节 水循环和水量平衡水循环和水量平衡第一节第一节 水循环和水量平衡水循环和水量平衡六、三水转化六、三水转化第一节第一节 水循环和水量平衡水循环和水量平衡六、三水转化六、三水转化第一节第一节 水循环和水量平衡水循环和水量平衡九、人类活动对水量平衡的影响九、人类活动对水量平衡的影响第一节第一节 水循环和水量平衡水循环和水量平衡第一节第一节 水循环和水量平衡水循环和水量平衡