水文地质学课件ppt版 02gzj 水文循环 20120416

水文地质学基础TheBasicofHydrogeology讲授：高宗军山东科技大学地质科学与工程学院水文与环境系2010年5月第一章地球上的水及其循环1.1地球上的水1.2自然界的水循环1.3水量平衡1.4水文循环的作用1.5与水循环有关的气象水文因素1.5.1气象因素1.5.2径流概念1.6与水循环有关的地质因素1.7与水循环有关的其它因素1.8我国水文循环概况1.1地球上的水1.1.1自然界的水星际空间中分布的星际尘埃的主要成分是水太阳系里的天体上都存在水行星及卫星、陨石、小行星、彗星上都有水但是迄今在行星及其卫星表面没有发现液态水最近在火星上发现了存在液态水的证据火星水研究宇宙中的水，是为了研究地外生命的存在，为了寻找我们人类征服宇宙时的栖息地或中间“加水”站，甚或我们人类未来的新的“家园”地球上水分布、水循环1地球上各部位、各层圈都存在着水2各部位的水是相互联系、相互转化的整体也称为水圈──水系统3自然界的水循环各部位水的联系与转化关系自然界水循环4水循环分为：地质循环，水文循环5本章重点讨论水文循环1.1地球上的水交叉带地下水1.1地球上的水若地幔物质的含水量为5～7％，假定地幔总重量为4×10^27g，其中熔融物质占25％，则地幔软流层中所含的水分的总量，约相当于现代海洋水总量的35～50倍由此看来，地球不愧是真正的“水球”我们实际能够看到和利用的水，是呈现固液气三态存在的、参与水循环的水1.2自然界的水循环地球上各种形态的水，在太阳辐射和重力作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、入渗、径流等环节不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。Hydrologiccycleistheprocessofevaporation,verticalandhorizontaltransportofvapor,condensation,precipitation,andtheflowofwaterfromcontinentstooceans.Itisamajorfactorindeterminingclimatethroughitsinfluenceonsurfacevegetation,theclouds,snowandice,andsoilmoisture.Thehydrologiccycleisresponsiblefor25to30percentofthemid-latitude‘sheattransportfromtheequatorialtopolarregions(CG)亦即地球上各个层圈系统内的水相互联系、相互转化的过程。包括水文循环和地质循环。水文循环的定义（英语）Thehydrologiccycle

isaconceptualmodelthatdescribesthestorageandmovementofwaterbetweenthebiosphere,atmosphere,lithosphere,andthehydrosphere.Wateronthisplanetcanbestoredinanyoneofthefollowingreservoirs:atmosphere,oceans,lakes,rivers,soils,glaciers,snowfields,andgroundwater.Watermovesfromonereservoirtoanotherbywayofprocesseslikeevaporation,condensation,precipitation,deposition,runoff,infiltration,sublimation,transpiration,melting,andgroundwaterflow.水循环的类型

水文循环&地质循环（1）水文循环是指发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中地下水之间的水循环。

大循环是指海洋或大陆之间的水分交换。

小循环是指海洋或大陆内部的水分交换。（2）地质循环是地球浅部层圈和深部层圈之间水的相互转化过程。每年从地球深部溢出地表的初生水约2×108t。自然界的水循环

地质循环与水文循环关系示意图（据阿勃拉莫夫）地球上水的地质循环

全球所有岛弧火山喷发作用、水热作用和喷气作用，每年溢出地表的初生水约为2×108t。含有大量水的板块俯冲沉入地幔，使地幔得到浅层圈水的补充。自然界水的地质循环还发生在成岩作用、变质作用、风化作用等地质过程中。在这些地质作用过程中，不仅有分子态的水(H2O)进入矿物(成为矿物结合水)或从矿物中脱出，同时还常常伴有水分子的分解与合成。

地球上水的水文循环

如果没有特指，一般所说的地球上的水循环即是指的水文循环。水文循环是发生于以自由态H2O分子形式存在的大气水、地表水、生物水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环。水文循环是在太阳辐射和重力共同作用下，以蒸发、降水和径流等方式周而复始进行的。平均每年有577000km3的水通过蒸发进入大气，通过降水又返回海洋和陆地。

地球上的水文水循环示意图Howgroundwateroccursinrocks.1.2自然界的水循环Naturalandartificialrechargeofanaquifer.1.2自然界的水循环Artesianaquifer.Bothwellsareartesianwells,althoughonlyoneflows.1.2自然界的水循环1.2水文循环Hydrologic-cycle

水文循环的基本过程（环节、要素）蒸发（Evaporation）水汽输送（Advection）凝结降水（CondensationandPrecipitation）径流（地表径流Runoff,地下径流GWflow）入渗（Infiltration）水文循环示意图

图2.1全球循环水量，单位1020gH2O(各圈内标出的量)，各部分间转换的水量：单位1020gH2O/yr(克水/年)(箭头所指的量)。据：Berner和Berner,1996；Holland和Petersen,1996；Budyko,1982。图2.2再循环降水量，陆地蒸发水量（E﹒x）与大气中水蒸汽传输总量（Ix）的比值是一个与海岸距离的函数水文循环的基本特征海洋的蒸发量大于降水量陆地的降水量大于蒸发量陆地外流区输入水汽量与输出水汽量基本平衡内陆盆地的降水量等于蒸发量全球水量平衡表（陆地分内外流统计）

Comparisonoftheamountoffreshwaterinstorage.陆地上的淡水储量分配状况示意图水量平衡waterbalance1.3.2我国水量平衡

思考并总结我国水量平衡特点水文循环的机理水文循环服从质量守恒和能量守恒原理水文循环的基本动力是太阳能和地球引力水文循环的内在因素是水的特殊的物理性质：在常温常压下可以进行三种状态的相互转化全球水文循环是闭合系统，局部为开放系统水文循环过程伴随着能量的转换和其他物质的运移和聚集水文循环的作用与效应影响气候变化水文循环的强弱和路径，决定了地区气候特征水循环对能量的转换和再分配，起到调节气候天气现象本身就是水文循环的产物水文循环形成各种地貌形态地表水体本身就是水循环的要素水循环中水流的冲刷、侵蚀、搬运、堆积作用形成各种地貌形态[举例]水成沉积岩的形成过程影响的应力的平衡水文循环的作用与效应水文循环是环境的主要控制因素水循环的模式、强度及其分布，决定了一个地区的生态系统[举例]水循环的强度和时空分布，是洪、涝、旱等自然灾害产生的主要原因。循环强度过大：易产生洪涝灾害；循环强度过小：易产生水资源不足，旱灾很多生物依赖于水分循环传输养分而得以生存和发展水文循环的作用与效应水文循环为人类提供了巨大的水资源和能源提供了人类赖以生存和发展的可再生的水资源提供了巨大的能源水车：将太阳能转化为机械能水力发电：将太阳能转化为电能热水资源：以水循环为媒介，利用地热资源水文循环是地球上一切水文现象产生的根源

水文循环是地球环境存在和发展最重要的影响因素，因此，可以说研究水文循环是水文学研究的主旋律。气象因素水循环中的蒸发、降水，均与大气的物理状态相关。气象和气候因素对水资源的形成与分布具有重要影响。天气（weather）是在一定地区一定时间内各种气象因素综合影响所决定的大气物理状态。气候（climate）是某一区域天气的平均状态。气象（meteorology）是大气中的冷、热、干、湿、风、云、雪、霜、雾、雷电、光等各种物理状态和现象的统称。与水循环有关的气象水文因素与水循环有关的气象水文因素大气圈的结构水汽主要分布于地面以上3.5km以内，占70%;5km以下含水占总水汽含量的90%。大气的热源来源于太阳热辐射，强度为8.16J/min.cm2，其中15%被大气层吸收，42%返回宇宙，43%到达地面。（1）气温（airtemperature）气温即大气的温度。通常指的是离地面1.5m左右、处于通风防辐射条件下温度表读取的温度。（2）气压（airpressure）气压是与大气接触的表面上，由于空气分子的碰撞在单位面积上所受到的力，亦即大气的质量施加在地表或地表物体上的压力。其值等于单位横截面上所承受的垂直空气柱的重量。气压的单位为毫巴或毫米汞柱。气压按指数律随高度递减。标准状态气压为760mmHg柱（105Pa），T=0℃，纬度45°海面。从赤道→两侧→两极，即低压带→亚热带高压带→相对低压带→高压带，气压差→周期性的季风→气流，使水汽、热量重新分配。主要气象要素（3）湿度湿度（humidity，moisture）：表示空气中水汽含量或空气干湿程度的物理量，是大气中的水汽含量。有绝对温度、相对湿度、饱和差和露点等多种表示方法。绝对湿度：表示某一地区某一时刻中的水汽含量，即单位体积空气中所含水汽的质量。用重量表示时，符号记为m，单位为g/m3；用压力表示时，符号记为e，为空气中所含水汽分压，相当于水银柱高度的mm数或mba（1mba=102Pa），表示空气中水分的不饱和程度。Absolutehumidityistheamountofmoistureintheairasexpressedbythenumberofgramsofwaterpercubicmeterofair.1.5与水循环有关的气象水文因素饱和水汽含量（符号为M或E）：是指某一温度下空气容纳的最大水汽数量。M或E随温度T升高而增大。Saturationhumidityisthemaximumamountofmoisturethatcanbecontainedbyanairmassatagiventemperature.相对湿度（relativehumidity）：大气中实际水汽含量与饱和时水汽含量的比值，亦即绝对湿度与饱和水汽含量之比，数值上也等于实际水汽压与同温度下饱和水汽压之比值，即r（%）=e/E×100%=m/M×100%式中，r为相对湿度，以百分数表示，表示实际水汽压，单位为毫米隶柱；E为饱和水汽压、（同一温度下，水汽压的最大值）。Relativehumidityispercentratiooftheabsolutehumiditytothesaturationhumidityforanairmass.(HG)（4）蒸发蒸发（evaporation）：是指常温下水由液态变为气态进入大气的过程，亦即温度低于沸点时，水分子从液态或固态水的自由面逸出而变成气态的过程或现象。发生于河流、湖泊、水库等自由水面的蒸发称为水面蒸发;发生于陆地表面的蒸发称为陆地蒸发，包括土面蒸发和叶面蒸发（transpiration）。通常用蒸发皿观测，单位mm。Evaporationistheconversionofaliquid(water)intoavapor(agaseousstate)usuallythroughtheapplicationofheatenergyduringthehydrologiccycle;theoppositeofcondensation.(GG)（5）降水降水（precipitation）是空气中的水汽含量达到饱和状态时超过饱和限度的水汽凝结并以液态形式或固态形式降落到地面的现象，主要指从云中下降的液态或固态水，如雨（rainfall）、雪（snow）、冰雹（hailstone）等。以锋面雨最常见。常用雨量计观测，单位mm。PrecipitationisanyorallformsofliquidorsolidwaterparticlesthatfallfromtheatmosphereandreachtheEarth'ssurface.Itincludesdrizzle,rain,snow,snowpellets,snowgrains,icecrystals,icepellets,andhail.降水量是一定时段内，降落在平地上（假定无渗漏、蒸发、流失等）的降水所积成的水层厚度（如为固态降水则须折合成液态水计算），以毫米数mm表示。径流（runoff）是指降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的现象。径流为水流的重要环节和水均衡的基本因素，分为地表径流和地下径流。Runoffisthatpartoftheprecipitation,snowmelt,orirrigationwaterthatappearsinuncontrolledsurfacestreams,rivers,drainsorsewers.Itisthesameasstreamflowunaffectedbyartificialdiversions,imports,storage,orotherworksofmaninoronthestreamchannels.Runoffmaybeclassifiedaccordingtospeedofappearanceafterrainfallormeltingsnowasdirectrunofforbaserunoff,andaccordingtosourceassurfacerunoff,storminterflow,orground-waterrunoff.水系（hydrologicalnet）是指汇流于某一干流的全部河流所构成的地表径流系统。流域（watershed，basin）是指一个水系的全部集水面积，亦即地表水、地下水的分水岭所包围的集水区域。分水线（分水岭）（divide）是指相邻两个流域之间地形最高点的连线。流量（discharge）是指单位时间通过河流（渠、管）某一断面的水量（水体积），单位m3/s，计算公式为

Q=A·V

式中V---平均流速（m/s），A---过水断面面积（m2）。径流总量（totalrunoff）是某一时段T内通过河渠某一断面的总水量，单位m3，计算公式为W=Q·T。径流模数（runoffmodulus）是单位流域面积上的平均产水量，单位为l/s·km2，计算公式M=Q/F×103。径流深度（runoffdepth）是计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得到的平均水层深度，单位为mm，计算公式R=W/F·10-3。径流系数（runoffcoefficient）是同一时段内流域面积上的径流深度R（mm）与降水量P（mm）的比值，表示为β=R/P。与水循环有关的气象水文因素与水循环有关的气象水文因素径流特征值换算表与水文循环有关的地质因素岩石的空隙性条件（空隙大小、连通及空隙度大小）地形地貌条件（陡峻、平缓、平坦……）岩石的可溶性条件（可溶、不可溶、难溶、易溶）地质构造条件（褶皱、断层、节理、裂隙）与水文循环有关的其他因素植被条件（植被种类、发育程度）人类影响人类工程活动（居住办公设施、道路）人类引（采）水活动（地下水开采、客水引入、蓄水、放水、灌溉、排水……）我国水文循环概况我国水文循环时空分布不均，东多西少，南多北少。降水量1500mm→600~800mm→<50mm。我国总径流量为2.78万亿m3/a，长江及以南占75%。华北、西北占10%。地下水径流量为7000亿m3/a，长江及以南占60%，华北、西北占20%。全国冰川积雪总量为51322.2