水文学第一章

水文学第一章第1页，课件共63页，创作于2023年2月水文学（hydrology）是地球物理学和自然地理学的分支学科。研究存在于大气层中、地球表面和地壳内部各种形态水在水量和水质上的运动、变化、分布，以及与环境及人类活动之间相互的联系和作用。是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。太阳辐射地心引力第2页，课件共63页，创作于2023年2月伴随着水资源利用而产生的水在人类历史上的巨大作用水到渠成水可载舟，亦可覆舟饮水思源滴水成冰滴水穿石逆水行舟流水不腐细水长流朴素的唯物主义思想第3页，课件共63页，创作于2023年2月第4页，课件共63页，创作于2023年2月火山——地球上最根本的自然力量，它是地球系统的一部分，它们一直在改变着地貌，火山在很大程度上决定了地球的生命起源。火山和地球生命相互依存，给地球生物提供了适宜生存的环境。大气层——雷电是怎样形成的？为何阿根廷是世界上暴风雨最频繁的地区？西班牙殖民妇女在安第斯山区某村落难以生育又是怎么回事呢？这些都跟大气有关。为何我们的大气层是生命唯一能赖以生存的地方。冰——世界上最具动能，变化最快，最强大的力量。冰是如何刻凿地貌、推动人类的演化，在未来又会对人类构成什么样的威胁？海洋——从夏威夷到亚马逊河再到埃塞俄比亚，还有地中海，汹涌的波浪，巨大的潮汐，独特的洋流以及全球暖化将带来的危险。珍稀地球——从光秃秃的岩石变成我们今天所熟悉的世界，用了45亿年漫长的时间孕育并发展，那是充满了灾难和重生的不可思议的旅程。在这个稀少又壮丽的星球上一直面临着巨大的挑战，包括来自我们人类的。在各种力量的威胁作用下，地球还能幸存下去吗？或者只是时间问题？第5页，课件共63页，创作于2023年2月第6页，课件共63页，创作于2023年2月第7页，课件共63页，创作于2023年2月第8页，课件共63页，创作于2023年2月水文学历史第9页，课件共63页，创作于2023年2月第10页，课件共63页，创作于2023年2月白鹤梁题刻位于长江三峡库区上游涪陵城北的长江中，是三峡文物景观中唯一的全国重点文物保护单位，联合国教科文组织将其誉为“保存完好的世界唯一古代水文站”。第11页，课件共63页，创作于2023年2月白鹤梁上还有黄庭坚、朱熹、庞公孙、朱昂、王士祯等历代骚人墨客众多的诗文题刻，篆、隶、行、草皆备，颜、柳、黄、苏并呈，有较高的艺术价值，故有“水下石铭”之美誉。第12页，课件共63页，创作于2023年2月在尧舜禹时期，天下洪水为患。当时中国四条江河之源，叫做“四渎”，包括岷江、黄河、淮水、和济水，都未打通，淹没了大片地方，浩浩怀山襄陵。包括天府之国——今天的四川，还是一片泽国之地。尧舜命他的父亲鲧治水，鲧用堵河栏坝的方法，结果不成功，被大舜处死。父志子承，大禹就带领夏后氏部族从石纽山开始，改变堵截的方法，用疏导的方法，顺水之势，因水之性，首先治理岷山和岷江。用随山刊木的办法，划定河道，有壅塞的堰塞湖，就用向东南开辟淝水沱，加以疏导和分洪泄洪的办法，这就叫做“东别为沱”。

第13页，课件共63页，创作于2023年2月都江堰李冰修都江堰時，曾設立三個石人水則，以水位「竭不至足，盛不沒肩」來衡量水量足夠與否。圖中Q1所示者灌區最低需水量；Q2所示者保證灌區安全的最高引水量。第14页，课件共63页，创作于2023年2月第15页，课件共63页，创作于2023年2月第16页，课件共63页，创作于2023年2月第17页，课件共63页，创作于2023年2月第18页，课件共63页，创作于2023年2月第19页，课件共63页，创作于2023年2月201424年中国和朝鲜先后开始使用统一的测雨器；1663年C.雷恩制造了自记雨量计；1687年E.哈雷研制成功了蒸发器；1870年T.G.埃利斯研制出了流速议；19世纪以来，世界各国普遍建立了水文站网，制定了统一的观测规范，为观测水文现象、定量研究和科学试验提供了条件。第20页，课件共63页，创作于2023年2月211674年P.佩罗提出了水量平衡概念；1775年出现了谢才(Chezy)公式；1802年道尔顿(Dalton)提出了蒸发公式；1856年达西(Darcy)提出了非常著名的达西定律；这些理论和公式的相继出现，促使了水文学成为一门科学。尤其是1674年法国人P.佩罗根据他在赛纳河观测到的降雨和径流资料，计算出塞纳河在伯格底以上流域的年经流量是年降雨量的1/6，这是人们第一次建立的降雨径流定量关系，这一结论的公布，被认为是现代水文学的开始。

第21页，课件共63页，创作于2023年2月反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律。由法国水力学家H.-P.-G.达西在1852～1855年通过大量实验得出。其表达式为

Q=KFh/L式中Q为单位时间渗流量，F为过水断面，h为总水头损失，L为渗流路径长度，I=h/L为水力坡度，K为渗透系数。关系式表明，水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。第22页，课件共63页，创作于2023年2月第23页，课件共63页，创作于2023年2月第24页，课件共63页，创作于2023年2月第25页，课件共63页，创作于2023年2月第26页，课件共63页，创作于2023年2月第27页，课件共63页，创作于2023年2月28进入50年代以来，由于水文理论的深入发展和其他科学（概率论、统计学、计算数学、系统工程学、气象学等）的渗透，水文计算和水文预报出现了许多新方法，另一方面，由于计算机、遥感、遥测等新技术的应用，水文学进入了现代化时期。这一时期的主要特点是：引进了遥感、计算机等新技术、新方法，重点开展水资源及人类活动的水文效应研究，分支学科不断产生，研究方法趋于综合。

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科学技术进入了新的发展时期，气象卫星、雷达测雨、中子法测土壤含水量、放射示踪测流、同位素测沙、卫星遥感传送资料等现代化技术使人们能够获得用常规方法无法取得的水文数据，现代化的研究实验设备使人们对水文现象有了更深的了解，水文模拟、水文随即分析、系统分析等方法使人们分析水文现象的能力大大增强，计算机的应用更使水文测验、水文研究的自动化成为可能。

第29页，课件共63页，创作于2023年2月30

社会生产规模空前扩大，生产生活用水不断增多，环境污染日趋严重，水资源日益紧张，迫使水文学特别侧重于水资源和水环境的研究，研究工作既着眼于水量，也着眼于水质，既注意洪水、也注意枯水；从研究范围上讲，不仅要研究一条河流、一个流域的水文特性，还要研究跨流域、跨地区的水资源综合利用、综合调度中的水文问题。

第30页，课件共63页，创作于2023年2月第31页，课件共63页，创作于2023年2月水文科学开始主要研究河流、湖泊、沼泽、冰川和积雪，以后扩展到地下水、大气中的水和海洋中的水。传统的水文科学是按研究对象划分分支学科的，主要有：河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学、雪水文学、水文气象学、地下水水文学、区域水文学和海洋水文学等。河流水文学也称河川水文学，研究河流的自然地理特征、河流的补给、径流形成和变化规律、河流的水温和冰情、河流泥沙运动和河床演变、河水的化学成分、河流与环境的关系等。

第32页，课件共63页，创作于2023年2月河流水文学也称河川水文学，研究河流的自然地理特征、河流的补给、径流形成和变化规律、河流的水温和冰情、河流泥沙运动和河床演变、河水的化学成分、河流与环境的关系等。湖泊水文学主要研究湖泊中的水量变化和运动，湖水的物理特性和化学成分、湖泊沉积湖泊的利用等。沼泽水文学研究沼泽径流、沼泽水的物理化学性质、沼泽对河流和湖泊的补给、沼泽改良等。冰川水文学主要研究冰川的分布、形成和运动、冰川融水径流的形成过程及其时空分布、冰川突发性洪水的形成机制和预测、冰川水资源的利用。第33页，课件共63页，创作于2023年2月雪水文学主要研究积雪的数量和分布、融雪过程、融雪水对河流和湖泊的补给、融雪洪水的形成和预报，有时把雪水文学和冰川水文学合称为雪冰水文学。水文气象学研究水圈和大气圈的相互关系，包括大气中水文循环和水量平衡，以蒸发、凝结、降水为主要方式的大气与下垫面的水分交换，其中尤其着重研究暴雨和干旱发生和发展的规律。地下水水文学主要研究地下水的形成和运动，地下水与河流，湖泊的相互补给，地下水资源的评价和开发利用。区域水文学着重研究某些特定地区的水文现象，如河口水文，坡地水文、平原水文、岩溶地区水文、干旱地区水文现象等。海洋水文学着重研究海水的物理性质和化学成分，海洋中的波浪、潮汐、洋流、海岸带泥沙运动等。上述诸学科通常也统称为普通水文学或水文学。第34页，课件共63页，创作于2023年2月水文科学主要通过定点观测、野外查勘和水文实验(主要是野外实验)等手段，获得水体时空分布和运动变化的信息，因而逐渐形成了水文测验学、水文调查、水文实验三个分支学科。水文测验学研究如何正确、经济、迅速地测定各种水文要素的数量及其在时间和空间上的变化，主要包括站网布设、测验方法和资料整编方法的研究。还包括测量仪器的研制和资料存储、检索、传送系统的研究。第35页，课件共63页，创作于2023年2月水文调查是水文科学的野外勘测和考察部分，旨在对水体形态和数量、集水面积内的自然地理条件等作出科学的分析和讦价。在中国，历史大暴雨、历史大洪水和枯水的调查是水文调查的重要内容。水文实验旨在通过野外和室内实验，揭示水文循环过程各环节中水的运动、变化的某些规律，如水向土中下渗的规律，土壤水的运动规律、径流形成规律、土壤和水面蒸发的规律，以及人类活动的水文效应等。第36页，课件共63页，创作于2023年2月第37页，课件共63页，创作于2023年2月第38页，课件共63页，创作于2023年2月第39页，课件共63页，创作于2023年2月第40页，课件共63页，创作于2023年2月3、水文学与给排水工程的关系深入认识与广泛运用水文规律，为国民经济建设服务，为给排水工程的规划、设计、施工及管理提供正确的水文资料及分析成果，以充分开发与合理利用水利资源，减免水害，充分发挥工程效益。随着城市发展，雨水、污水排放、水力发电、防洪等都与水文学息息相关。第41页，课件共63页，创作于2023年2月42什么是水文学？为什么要学习水文学？怎样学习和研究水文学？第42页，课件共63页，创作于2023年2月43什么是水文学？Hydrology第43页，课件共63页，创作于2023年2月44(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。第44页，课件共63页，创作于2023年2月453)渗流(Seepageflow)：水从地表渗入地下及在地下流动的现象。包括入渗（下渗）和渗透两种现象。4)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。第45页，课件共63页，创作于2023年2月462.水文循环（HydrologicCycle）(1)定义地球上或某一区域内，在太阳辐射和重力的作用下，水分通过蒸发、水汽输送、降水、入渗、径流等过程循环不断的变化、迁移现象的现象称为自然界的水文循环。第46页，课件共63页，创作于2023年2月47(2)分类

1)大循环：大区域（领域）内的循环，也称外循环。海洋云、大气海洋陆地云、大气陆地2)小循环：小区域（领域）内的循环，也称内循环。海洋云、大气陆地海洋第47页，课件共63页，创作于2023年2月48(3)意义水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一：为人类带来了取之不尽用之不竭的水资源。为人类提供了洁净的、可再生的能源。对生态环境直接和间接的影响。对人类生产生活的直接影响（洪涝灾害，雪灾等）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。第48页，课件共63页，创作于2023年2月49二、水文学的研究领域及发展1.水文学及其研究领域(1)水文学定义

研究水文现象及其规律的学科称为水文学，它是通过分析观测资料，模拟和预报自然界中水量和水质的变化及发展动态，为开发利用水资源，控制洪水和保护水环境等提供科学依据。

研究存在于地球上的大气层中和地球表面以及地壳内水的各种现象的发生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。

第49页，课件共63页，创作于2023年2月第50页，课件共63页，创作于2023年2月国际水文计划（IHP）、世界气候研究计划（WCRP）、国际地圈生物圈计划（IGBP）关注焦点：气候变化的水文响应问题，无资料区的水文预报（PUB）问题，参数的不确定性问题、尺度问题、水文信息获取技术问题，生态-水文反馈问题等等。第51页，课件共63页，创作于2023年2月世界气候研究计划（WCRP）两个目标：一是气候的可预报程度，二是人类活动对气候的影响。三个研究方向：为期数周的长期天气预报、全球大气年际变率以及为期数年的热带海洋的年际变率、长期变化。两大试验：热带海洋和全球大气试验和世界海洋环流试验第52页，课件共63页，创作于2023年2月国际水文计划（IHP）第一阶段（1975-1980年）集中于水科学中的水文研究方法、培训和教育；第二阶段（1981-1983年）是一个短期计划，与第三阶段（1984-1989年）一起致力于应用水文学与水资源水文学的研究，并加强对水资源进行合理管理的科学基础的研究；第四阶段（1990-1995年）研究变化环境中的水文与水资源的可持续发展；第五阶段（1996-2001年）关注脆弱环境中的水文与水资源发展，第六阶段（2002-2007年）主要研究水的交互作用--处于风险和社会挑战中的体系。第七阶段（2008-2013年）的框架议题将会就如何利用现有科学知识来发展新的研究方向和方法，以对环境变化、生态系统和人类活动做出响应。第53页，课件共63页，创作于2023年2月主题一：流域和浅层地下水系统对全球变化影响的适应性研究

主题二：加强水资源管理，提高水资源利用的可持续性

主题三：面向可持续性的生态水文学

主题四：淡水与生命支撑系统

主题五：面向可持续发展开展水资源保护教育第54页，课件共63页，创作于2023年2月IGBP由8个核心研究计划和3个支撑计划所组成。3个支撑计划为全球分析、解释与建模（GlobalAnalysis，InterpretationandModel，GAIM），全球变化分析、研究和培训系统（GlobalChangeSystemforAnalysisResearchandTraining，START），IGBP数据与信息系统（IGBPDataandInformationSystems，IGBP－DIS）。8个核心研究计划分别为：（1）国际全球大气化学计划（InternationalGlobalAtmosphericChemistryProject，IGAC）（2）全球海洋通量联合研究计划（JointGlobalOceanFluxStudy,JGOFS）（3）过去的全球变化研究计划（PastGlobalChanges,PAGES）（4）全球变化与陆地生态系统（GlobalChangeandTerrestrialEcosystems,GCTE）（5）水文循环的生物学方面（BiosphericAspectsoftheHydrologicalCycle,BAHC）（6）海岸带的海陆相互作用（Land-OceanInteractionsintheCoastalZone,LOICZ）（7）全球海洋生态系统动力学（GlobalOceanEcosystemDynamics,GLOBEC）（8）土地利用与土地覆盖变化（LandUseandLandCoverChange,LUCC）第55页，课件共63页，创作于2023年2月1.现代水文基础理论研究2.现代环境下水文响应及其规律研究1）全球变化和人类活动影响的水文响应2）水循环分过程的耦合模拟3）现代环境下的水文规律认知3.水文循环系统边界问题研究水圈与社会圈、生物圈的不匹配4.水文预测和预报研究5.现代水文观测和实验技术研究水热通量观测、示踪剂和同位素观测、卫星遥感（GIS）第56页，课件共63页，创作于2023年2月演变：1.还原论与整体论思维方法的均衡与发展2.归纳与演绎推理逻辑方法的综合与突破3.集总式与分布式描述方法的统一4.物理认知与数学描述的协同中国水利水电科学研究院中国工程院院士王浩第57页，课件共63页，创作于2023年2月58

水文学是研究地球上水的性质、分布、循环、运动变化规律及其与地理环境、人类社会活动之间相互关系的科学。Hydrologyisoneoftheearthsciences.Itstudiesthewatersoftheearth,theiroccurrence,circulationanddistribution,theirchemicalandphysicalproperties,andtheirrelationtolivingthings.——from《EngineeringHydrology：Principlesandpractices》byVictorMiguelPONCE第58页，课件共63页，创作于2023年2月59四、水文现象的特性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）二者对立统一第59页