水文循环解析

1、第一章 水文循环 Hydrologic-cycle,主讲教师：张卫民,Fundamentals of Hydrogeology 水文地质学基础,本章内容,1.1 水循环,1.2 水文循环,1.3 水量平衡,1.4 水文循环的作用,1.5影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,地球上各部位、各层圈都存在着水。 水圈 各部位的水是相互联系、相互转化的整体也称为水圈或水系统 自然界的水循环 指各部位的水相互联系、相互转化的过程。 水循环分为：水文循环和地质循环 本章重点讨论水文循环,1.1 水循环,自然界水循环,Company Logo,自然界的水循环,地质循环与水文循环关系示意图

2、（据阿勃拉莫夫）,地幔,地壳晶质岩,Company Logo,（1）定义 指发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中地下水之间的水循环。 水文循环示意图环节或要素 （2）水文循环的划分 循环路径不同： 大循环（海-陆）与小循环（海-海，陆-陆） 时空尺度不同： 全球水文循环，流域水文循环，水-土-生系统水文循环,1.2 水文循环 Hydrologic-cycle,水文循环-环节,Company Logo,水文循环示意图,水文循环尺度全球、流域（区域）、水-土-生 思考：水文循环发生的动力条件是什么？ 何谓地质循环？,Company Logo,（3）水文循环的运动规律 海洋的蒸发量大于降水量 陆地的

3、降水量大于蒸发量 大陆输入水汽量与输出水量基本平衡 （4）水文循环的特点 循环途径短、速度快、转换交替迅速、仅涉及浅部层圈水。 水文循环发生的动力条件是：太阳辐射和重力作用。 地质循环：浅层圈与深层圈之间的水循环。,1.2 水文循环 Hydrologic-cycle,Company Logo,1.3.1 通用水量平衡方程 （1）水文学（水文地质学）研究的基本原理 质量守恒定律和能量守恒定律 （2）通用水量平衡方程：区域时段各要素 I = O + (W1 - W2) = O + W 其中，I ：时段内输入区域的各种水量之和 O ：时段内输出区域的各种水量之和 W =W1 -W2： 区域内时段始末

4、的储水量 不同区域、不同研究对象可以写出具体的水量平衡方程式 （在 地下水均衡中介绍）,1.3 水量平衡 Water balance,Company Logo,1.3 水量平衡 Water balance,中国水系,思考并总结我国水量平衡特点,1.3.2 我国水量平衡,Company Logo,太平洋流域,内流区域,印度洋流域,北冰洋流域,中 国 水 系,Company Logo,1.3 水量平衡 Water balance,思考并总结全球水量平衡特点,1.3.3 全球水量平衡,Company Logo,水文循环的作用： 通过循环水的质量得以净化、水的数量得以再生 水资源不断更新与再生，可以保

5、证在其再生速度水平上的永续利用也是可持续发展保证,1.4 水文循环的作用,Company Logo,对水文循环有显著影响的气象、水文因素主要有:气温、气压、湿度、降水、蒸发、径流。 1.5.1 气温 （1）气温产生的原因 大气直接吸收太阳辐射热：仅占太阳辐射热的15%； 大气吸收地表辐射能量 ：43%的太阳辐射到达地面 ，地表接受太阳辐射增温后、再向大气辐射能量 ，此部分能量绝大部分为大气吸收而增温 。 大气与地表直接接触：由于热传导、对流而升温，这是大气增温的主要原因。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.1 气温 （2）气温的时空变化 时间上的变化: 昼

6、夜变化、季节变化和多年变化； 空间上的变化: 水平方向和垂直方向 水平方向，同一高度上，从赤道向两极由高到低; 垂直方向，同一地点,不同高度上气温不同,在对流层内,一般每升高100M,气温降低 0.5。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.2 气压 （1）概念 指大气的质量施加在地表或地表上的物体之上时而产生的压力。单位:mm水银（Hg）柱高度。 在标准状态下,(即气温为0,纬度45的海平面上)气压为760 mm水银（Hg）柱高度，约相当于105Pa。 （2）气压的空间变化特征 垂向上的变化:随高度增加,气压下降。 水平方向上的变化:由地表的热力状况决定,地

7、表的温度越高,则气压越低,相反,地表的温度越低,则气压越高。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.3 湿度 （1）概念 指大气中的水汽含量。由于水汽既有重量，又有压力，因而其既可用重量单位表示，也可以用压力单位表示。 （2）湿度的分类 绝对湿度和相对湿度 绝对湿度：指某一地区在某时刻空气中的水汽含量。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.3 湿度 （2）湿度的分类 绝对湿度：指某一地区在某时刻空气中的水汽含量。 采用重量单位表示时,单位为g/cm3, 常用代号m； 采用压力单位表示时,单位为mmHg，常用代号e。 绝对湿度

8、只能说明某一时刻空气中水汽含量的多少,而不能反映出空气中水汽含量达饱和的程度,于是又提出了相对湿度的概念。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.3 湿度 （2）湿度的分类 相对湿度：指绝对湿度与饱和水汽含量之比，常用代号r。 式中：e、m代表绝对湿度 ；E、M代表饱和水汽含量。 饱和水汽含量：指某一温度条件下，空气中可以容纳的最大水汽数量。 采用重量单位表示时，常用代号M； 采用压力单位表示时，常用代号E；,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.3 湿度 （2）湿度的分类 饱和水汽含量与温度关系：（见表1-2 P11） 一般

9、规律：随气温升高，饱和水汽含量增大；反之，则减小。 相对湿度与温度间关系： 假设绝对湿度不变的前提下： 温度增加，饱和水汽含量增加，则相对湿度降低； 温度下降，饱和水汽含量降低，则相对湿度增加。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.3 湿度 （2）湿度的分类 露点 指当温度下降至某一值时，水汽含量达饱和， 亦即 =100%=1，此时的气温就叫露点，若温度继续下降，则空气中过剩的水汽将凝结形成不同形式降水。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.4 蒸发 （1）概念 指常温下，水由液态变为气态进入大气的过程。 （2）类型 有土

10、面蒸发、水面蒸发和叶面蒸发（蒸腾）。 通常用水面蒸发量的大小表示一个地区的蒸发强度。气象部门测定蒸发量的方法是：用蒸发皿装上水，测定一定时期内的蒸发水量，并用水柱高度的mm数表示，如：北京的多年平均年蒸发量为1102mm。 气象部门提供的蒸发量只反映一个地区蒸发的相对强度，而不能代表一个地区的实际蒸发水量，因为一个地区不全是水面，且用小直径蒸发皿测得的蒸发量比实际水面蒸发量又偏大许多。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.4 蒸发 （3）影响水面蒸发速度、强度的因素 主要有气温、气压、湿度、风速等，其中主要取决于气温与绝对湿度的对比关系，更具体地讲，主要取决

11、于相对湿度的大小，相对湿度越小，饱和差越大，则蒸发速度越快。 饱和差：饱和水汽含量与绝对湿度之差。 公式：d=E-e 饱和差越大，则蒸发越大。 风速是影响蒸发的另一重要因素，风将水面上蒸发出的水汽带走，从而可以大大加快蒸发的速度与强度。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.5 降水 （1）概念 指空气中的水汽含量达到饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，并以液态或固态的形式降落于地面，这就是降水。 降水的形式有：雨、雪、冰、霜等。 （2）降水量 气象部门用雨量计测定降水量，以某地区在某时间段内的降水总量平铺于该区地面得到的水层高度mm数表示。 降水量数据是一

12、个实际量，在计算含水层的降水入渗补给量时，经常使用。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.5 降水 （3）天气、气候的概念 天气：指某地区在某时刻（或短暂的时间段内如1小时，几小时，1天等）各种气象因素综合影响所决定的大气物理状态 气候：指某区域的天气平均状态，一般指多年平均状态，并以气象要素的多年平均值表征，称为该区域的气候。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.6 径流 （1）有关概念 径流：指降落于地面的降水在重力作用下，沿地表或地下流动的水流 ，分为地表径流与地下径流。 水系：指汇注于某一干流的全部河流的总体构成的

13、一个地表径流系统。 流域：指一个水系的全部集水区域，流域范围内的降水通过各级支流汇注于干流。 分水岭：指相邻两个流域之间地形最高点的连线，这是地表水的分水岭。 地表水系、流域和分水岭同样可用于地下水。,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.6 径流 （2）径流要素（主要针对地表径流，但对地下径流也可以适用） 流量（Q）：单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为m3/s，公式为： Q=FV 式中： F：断面面积 V：断面水的平均流速 径流总量（W）：某时段T内，通过河流某一断面的总水量，单位为m3 W=QT 式中：Q：流量（m3/s）； T：时间（s）,1.5

14、影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.6 径流 （2）径流要素（主要针对地表径流，但对地下径流也可以适用） 径流模数（M） ：单位流域面积平均产生的流量，单位为L/sKm2 式中： F：流域面积（Km2） Q：流量（m3/s） 径流深度（Y） ：计算时段内的总径流量均匀分布在测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度，单位：mm 式中： W：计算时段内的径流总量（m3） F：测站以上的整个流域面积（Km2）,1.5 影响水文循环的气象、水文因素,Company Logo,1.5.6 径流 （2）径流要素（主要针对地表径流，但对地下径流也可以适用） 径流系数（ ） ：同一时间段内流域面积上的径流深度Y（mm）与降水量X（mm）的比值。 （以小数或百分数表示） 的大小可以反映流域内降水转化为地表径流的效率。