水文学原理 第一章 绪论ppt课件

.,.,内容：1.1水文现象及水文循环1.2水文学的研究领域及发展1.3水文学的应用1.4水文现象的特性1.5水量平衡方程1.6水文现象的研究方法重点：水文现象表现的运动形式；水文循环的定义和分类；水文现象的研究方法水量平衡方程难点：水文现象的特性水量平衡方程,第一章绪论,.,1.1水文现象及水文循环,1.1.1水文现象指地球上的水受外部作用而产生的永无休止的运动形式。(1)水的相关基本概念1)水体：水的聚积体。2)水圈：地球上的水以液态、固态和气态的形式分布于海洋、陆地、大气和生物机体中，这些水体构成了地球的水圈。(2)外部作用主要指太阳辐射、地心引力，还有其它如周围星球的作用力。,.,(3)运动形式包括四种：降水、蒸发、渗流、径流等。降水(Precipitation)：大气中水汽凝结后以液态水或固态水降落到地面的现象。如雨、雪、露、霜、雹、霰等。2)蒸发(Evaporation)：水分子从水面、冰雪面或其它含水物质表面以水汽形式逸出的现象。包括截留蒸发、地面蒸发、叶面散发、水蒸发等。,.,3)径流(Runoff)：陆地上的降水汇流到河流、湖库、沼泽、海洋、含水层或沙漠的水流。包括地面径流和地下径流。4)渗流(Seepageflow)：水从地表渗入地下及在地下流动的现象。包括入渗和渗透两种现象。,.,1.1.2水文循环(1)定义地球上或某一区域内，在太阳辐射和重力的作用，水分通过蒸发、水汽输送、降水、入渗、径流等过程不断变化、迁移的现象。(2)分类1)大循环：大区域（领域）内的循环，也称外循环。,.,2)小循环：小区域（领域）内的循环，也称内循环。,(3)意义水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一。认识它的基本客观规律，了解其各影响因素间的内在联系，对合理开发和利用水资源，抗御洪旱灾害，改造自然，利用自然都有十分重要的意义。,.,水汽输送,蒸发,降水,蒸发,降水,植物蒸腾,湖,地表径流,地下径流,海洋,蒸发,降水,.,.,1.1.3水资源简况1水资源储量,.,2特点（1）可恢复性和有限性。水循环过程的有限性补给水量的有限性（一定数量限度内）,.,（2）时空分布的不均匀性水资源时程分布不均匀。我国：中纬度，大陆季风气候。受季风和西风环流的影响，丰枯交替变化（夏多雨，冬少雨）有效水资源=水资源无效水资源（河流洪水，污染水）地区分布不均匀南方四片：珠江，浙闽台，西南诸河，长江流域片。水量80，耕地38，人口54北方七片：黄，淮，海滦，辽河，黑龙江，西北内陆诸河六片。水量20，耕地62，人口46。总的来说，地多，人少，水少，水土资源极不相平衡。,.,（3）不可替代性珍惜水资源，节约水资源，一水多用。关系：水资源是水文循环引起陆地上一定区域平均每年产生的淡水量-降水量、径流量及其变化，这些可根据水文、水质观测资料通过水文学分析计算推求，水资源评价（包括水环境质量）工作，就是由各级水文部门进行的。,.,.,世界前10名水资源占有国家,.,各地区人均水资源量,.,.,3水资源与水文循环的关系地球表层可供人类利用的水称为水资源。包括水量、水质、水能资源和水域。水文循环供给陆地源源不断的降水、径流，某一区域多年平均的年降水量或年径流量，即该地区的水资源量，因此水文循环的变化将引起水资源的变化。各级水文部门根据水文、水质观测资料通过水文学分析计算进行水资源评价（包括水环境质量）工作。,.,.,1.2.1水文学的研究领域(1)水文学定义研究存在于地球上的大气层中和地球表面以及地壳内的水的各种现象和发展规律及其内在联系的学科。包括水体的形成、循环和分布，水体的化学成分，生物、物理性质以及它们对环境的效应等。(2)研究领域(分类)水文学主要研究陆地表面的河流、湖泊、沼泽、冰川等，以后逐渐扩展到地下水、土壤水、大气水和海洋水。,1.2水文学的研究领域及发展,.,1)传统水文学按研究的水体来进行划分：河流水文学湖泊水文学沼泽水文冰川水文学海洋水文学地下水水文学土壤水文学大气水文学2)由水文学采用的实验方法，派生出三个分支学科：水文测验学水文调查水文实验,.,3)由水文研究内容分为：水文学原理水文预报水文分析与计算水文地理学河流动力学4)作为应用科学，水文学分为：工程水文学农业水文学土壤水文学森林水文学城市水文学,.,5)随新科学、新技术的发展和引进，出现新分支：随机水文学模糊水文学灰色系统水文学遥感水文学同位素水文学,.,1.2.2水文学的发展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)20世纪以前是水文学的萌芽和奠基阶段1)萌芽时期(公元1400年以前)这一时期中国的水文知识居于世界领先地位，如：公元前239年的吕氏春秋；2000年前建成的都江堰；公元527年的水经注,.,2)奠基时期(公元14001900年)该时期，西欧的产业革命促进了水利事业的发展，在水文观测方面，发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等，系统的水文测验为水文定量计算及预报奠定了坚实基础。(2)20世纪初至50年代，是应用水文学兴起阶段进入20世纪，大规模的水利水电和交通事业建设蓬勃发展，需要科学的水文计算和水文预报，使应用水文学迅速发展起来。美国1900年J.A.塞登提出著名的塞登定律；1924年H.A.福斯特建立了P-水文频率曲线计算方法；1932年L.R.K.谢尔曼提出单位线法1935年G.T.麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算法。这一时期我国水文学发展则比较落后。,.,(3)20世纪60年代以来，是水文学的变革和发展阶段，也是进入现代水文学的一个新阶段随着计算机、遥感、GPS、GIS等高新技术的应用，使水文学发展进入了一个新时代，流域数学模型、水资源学、水环境学、随机水文学相继形成。,.,1.2.3本课程的学习内容,(1)内容主要涉及工程水文学的范畴。以叙述和研究从降水到径流入海的过程中，关于河川径流的运动规律，河槽洪水演算、流域产流汇流、湖泊、水库、冰川、融雪径流等问题。(2)目的1)为今后专业方向课的学习打基础；2)通过认识和熟练运用水文规律、合理规划、开发、节约水资源。(3)要求认真学习水文学知识、掌握基本概念、分析方法，能熟练应用。,.,1.3水文学应用,1.3.1给水工程主要与取水工程有关：(1)水量丰沛时：了解水位、泥沙及冰凌情况,.,（2）水量不足时以丰补欠，进行水量引取、蓄放和调节,密云水库,大型的水量引取工程：西安的黑河引水工程；北京的东水西调；引滦入津；引黄保泉(黄河济南)引黄济青(黄河青岛),.,.,1.3.2排水工程（1）雨水排泄（2）洪水防御,2006年7月韶关铁路成为河道,水中熄火的车辆,2006年7月韶关体育馆陷入汪洋,.,.,人类面临的主要水问题,水的自然属性水借助于大气运动和蒸发、降水、径流等现象在由岩石圈、水圈、大气圈和生物圈组成的地球系统中作周而复始的水文循环。水是良好的溶剂，许多物质都容易溶解于水水具有势能、动能、压力能和化学能等，这是驱使水发生流动、溶解物质、携带泥沙和其他物质的动力。水的社会属性水是维持生命的不可替代的物质。水多、水少、水污染都给人民的生活生产等都带来不良影响。水资源可再生，但有时空变化。水问题处理不好，会成为社会问题。,.,面临的水问题水旱、水涝灾害是人类面临的主要自然灾害（水旱灾害造成的损失占各种自然灾害的总损失比例的55%，水灾占40%）全球气候变暖增加了解决水问题的难度。水污染加剧的势头还未得到有效的控制。不合理的工程措施和管理产生了负面影响。,.,研究热点,各国水资源研究课题为:水能利用.多目的综合利用.水资源的开发.包括地表水、地下水、潮汐发电、海水淡化等.水资源管理.主要是寻求水资源最佳利用方案、节约用水提高经济效益.研究先进的灌溉措施,提高效率,节约水量.水质保护.包括回收再生水资源.水资源生态学研究.由于人类利用水资源不当,或大规模破坏自然活动,导致水资源生态严重破坏和失调,这是新的研究方向.,.,今后,水文科学研究内容的发展趋势,除目前正在开展的有关课题外,将增加:精确估算水的储量.加深对水份循环水量平衡进行研究,尤其是各个环节的研究和提高其方法和手段.洪水和枯水的研究,包括其出现周期和规律、并能作出较准确的中期和较长期的预报.都市水资源的研究.地理环境对水文水资源的相互效应研究,特别是人类活动导致水资源质量的变化。地下水研究,特别是特殊地区地下水的研究政治经济政策对水资源合理开发利用及管理的影响.,.,世界在研究水资源和水文时,采用了大量先进科技手段,如:遥感与空间技术的应用.如航片、卫星、雷达等.在地下水文学中应用类推式计算机,模拟难以观测的地下水情况.核和放射性技术应用.随机水文学.确定的线性水文数学模式,确定的非线性水文数学模式.确定的线性水文系统,确定的非线性水文系统.水文学与水资源学的系统方法.目前又增加:模拟与模型.主要是各种水文过程的复杂模拟和参数多的模型.系统方法.将水文和水资源看成一个系统进行研究,是模型化理论的基础,使用系统方法可将水文和水资源系统各要素统一进行研究,探讨它们的变化。,.,滇池,滇池位于昆明城西南，又叫昆明湖，古称滇南泽，是云南省面积最大的高原湖泊，也是全国第六大淡水湖。滇池水污染防治工程中，大面积的蓝藻爆发是滇池在治理过程中的一个难题。面积近平方公里的滇池是云贵高原上最大的淡水湖，自上世纪八十年代以来，水体污染严重，成为国家重点治理的湖泊之一。,.,长白山天池,天池水面海拔2189.7m，最深处达373m。长白山风光奇绝，它那完整的垂直景观和原始生态系统是典型的大自然综合体，是中国最大的自然保护区之一。,三江源地区地处青藏高原腹地，平均海拔4200米，是长江、黄河的发源地，长江水量的25、黄河水量的49都来自这一地区，被誉为“中华水塔”。(青海省玛多县),.,黄河上游：壮丽的“流动画廊”碧水、树林、羊群，构成美丽的图画,黄河上的红色污染带,洗煤廠排黑水污染黃河(山西临汾),某造紙廠的污水處理廠直接排放污水入贛江,.,秦淮河,塞纳河,上善若水，水善利万物而不争，处众人之所恶，故几于道,黄石公园,东湖,.,1.4水文现象的特性,1.4.1水文现象时程变化的周期性与随机性的对立统一（1）周期性的体现（2）随机性的体现（3）二者对立统一1.4.2水文现象地区分布的相似性与特殊性的对立统一（1）相似性的体现（2）特殊性的体现（3）二者对立统一小结：（1）由水文现象具有时程上的随机性和地区上的特殊性，需要对各个不同流域的各种水文现象进行年复一年的长期观测，积累资料，进行统计，分析其变化规律。（2）由水文现象具有地区上的相似性，可有目的选择代表性的河流进行观测，并移用其成果于相似地区。,.,水文现象的基本规律确定性规律：水文现象都有其发生的原因和具体形成的条件，但不能用严密的数学方法表达。随机性规律：水文现象因其影响因素在时间上不断地变化，所以受其控制的水文现象也处于不断变化中。地区性规律：某些水文现象具有地区性分布规律。（如降雨、径流等）,.,1.5水量平衡方程(waterbalance),水量平衡原理是水文学的基本原理。水量平衡法是分析水文现象，建立水文要素之间定性或定量关系，了解其时空变化规律等的主要方法之一。根据水量平衡原理，可列出水量平衡方程。对某一区域，有I-O=S式中I、O给定时段内输入、输出该区域的总水量；S时段内区域蓄水量的变化量，可正可负。,.,大陆的水量平衡方程：大陆多年平均水量平衡方程为：,海洋的水量平衡方程：海洋的多年平均水量平衡方程为：,.,从上面分析看，则全球多年平均水量平衡方程为：即说明全球多年平均降水量与多年平均蒸发量相等。,.,例题：某水库1993年测得其入库年平均流量为110m3/S，出库年平均流量为120m3/S，区间来水年平均流量为20m3/S，总灌溉引水量为108m3，库区水面平均面积为100km2,测得年降水量为1100mm，年水面蒸发量为1200mm；（1）写出水库的水量平衡方程式；（2）当年水库的蓄水量是增加还是减少？试求出水库蓄量的变化量。,.,1.6水文现象的研究方法,以实际观测资料为依据，对水文现象进行分析研究。按不同目的要求，水文学常用的分析方法可归纳为：成因分析法、数理统计法、地理综合法。（1）成因分析法：由观测资料，从物理成因上研究水文变化规律，只定性分析，在定量上不能满足工程设计要求。（2）数理统计法：运用概率统计理论对长期观测的资料进行统计