地下水课件-第一章第二章

1、水文学原理,专业：水文与水资源工程 教 师：李方红,A Required Course for Students Major in Hydrology and Water Resources Engineering,主要参考文献,1.教材 水文学原理 2.水文学原理芮孝芳 著 中国水利水电出版社 3.工程水文学詹道江 叶守泽编 中国水利水电出版社 4.中国水资源网 /,绪 论,学习提纲： 1.了解水文现象； 2.掌握水文学研究的内容；（重点） 3.掌握水文现象的基本特性； （重点） 4.掌握研究水文现象的研究方法； （重点） 5.了解地球上水的

2、分布及储量； 6.掌握自然界的水文循环； （重点） 7.掌握水量平衡原理与方程； （重点） 8.了解水文学的发展,一 水文现象,1.水文学的涵义 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、人类社会之间相互关系的科学。 水文学的主要研究对象：大气水、地表水（江河、湖泊、海洋）、地下水。,易利用,大气中,水文学作为地球物理科学的一个分支，主要研究地球系统中水的存在、分布、运动和循环变化规律，水的物理性质、化学性质，以及水圈与大气圈、岩石圈和生物圈的相互关系。,2.水文学的研究内容：,3 水文学的分类(了解),按地球圈层分 ：,按地球表面情况分,按任务和研究方法分,按应用领

3、域分,按技术方法分,三 水文现象的基本特性,1.水循环永无止境； 2.水文现象在时间变化上既具有周期性又具有随机性； 3.水文现象在地区分布上既存在相似性，又存在特殊性。,四 水文现象的研究方法,1.成因分析法 以质量守恒、能量(动量)守恒等定理为基础，揭示水文现象运动变化的机理和规律。,2.数理统计法 水文现象具有随机性，从而以概率理论为基础，研究水文现象特征值的统计规律。,3.地理综合法 水文现象具有地区性，从而通过建立地区经验公式、绘制各种特征值等值线图，揭示水文特征值的地区规律。,淡水占全球水量的2.527%,-五、地球上的水的分布及储量,地球上的水与水资源：淡水,(一) 水资源的涵义

4、及特性 1 广义水资源：世界上一切水体； 2 狭义水资源：指在一定时期内，能被人类 直接或间接开发利用的那一部分动态水体。,练习题：,1.通常所说的水资源是指,A.陆地水,B.陆地上可以被人们利用的淡水,C.静态水资源,D.动态水资源,800,400,200,50,1200,中国的大气降水,我国各省人均淡水资源,水体的更替周期,1 定义：指水体在参与水循环过程中全部水量被更新一次所需时间。,T水体更替周期（a，d，h）； w水体总贮水量（m3）； w水体年平均参与水循环的活动量（m3/a）,2 研究的意义：,1）反映水循环强度的重要指标； 2）反映水体水资源可利用率的基本参数。,（二）水资源的

5、特性 1.水资源的循环再生性与其有限性；,取之不尽，用之不竭？,2.时空分布的不均匀性；,3.利用的广泛性和不可替代性；,4.利与害的两重性。,湖泊水,地下潜水,大气降水,冰雪融水,河 水,补给,补给,知识小结,陆地水体的相互关系,（三）我国水资源的基本情况,1 水资源总量居世界第六，但人均、亩均水量较少；,2 水资源空间分布不均匀,3.水量年内、年际分布不均匀,4 水土流失和泥沙淤积严重,5 防止过量开采地下水。,过量开采地下水会带来哪些负面影响,6 水资源污染日趋严重,解决水资源危机的方法,农业节水灌溉 废水利用、污水净化 跨流域调水,节约用水 雨水收集利用,六、自然界的水分循环,思考以下

6、问题,1.水循环的动力条件是什么？ 2.参与水循环的主要环节有哪些？ 3.定义水循环。 4.水循环的分类有哪些？,水循环,1 水循环的定义：指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗和径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。,二 水循环的类型及层次结构,根据途径及规模：,水文循环的规律,1.海洋的蒸发量大于降水量； 2.大陆的降水量大于蒸发量； 3.大陆外流区输入水汽量与输出水量基本平衡； 4.大陆内流区降水量与蒸发量基本相等。,很重要！,1600年,1400年,1000年,陆地水更新循环周期,20年,10年,1年,冰川水,深层地下水,内

7、陆湖,浅层地下水,湖泊淡水,土壤水,河水,为什么人类的生产和生活用水主要依赖河流水、淡水湖泊水和浅层地下水？,大气降水,基本来源,陆地水,促进更新,水循环,类型,意义,海内循环,海陆循环,陆内循环,维持全球水量平衡，使陆地水资源不断更新。,实现物质的迁移和能量的交换。,影响全球的气候和生态。,不断塑造地表形态。,按空间分类,按循环周期分类,地表水,地下水,静态水,动态水,知识梳理,水资源形成与转化关系示意图,影响水分循环的因素,七、 水量平衡原理和方程 （一）水量平衡概念 1 定义：水文循环过程中，对任一地区、任一时段进入的水量与输出的水量之差，必等于其蓄水量的变化量，这就是水量平衡原理，是水

8、文计算中始终要遵循的一项基本原理。,2 基本类型：通用水量平衡方程，全球水量平衡方程，海洋水量平衡方程，陆地水量平衡方程，流域水量平衡方程等。,1 建立定量概念； 2 了解组成水循环的各要素; 3 水资源评价与供需预测研究工作的核心; 4 由已知水文要素推求待定水文要素。,（二）研究的意义,（二） 地球的水量平衡方程,海 洋,基岩,（1）海洋平衡方程式,全球海洋为研究对象： 对年平均状态： 可得： 即：在多年平均状态下，整个海洋的降水量加上入海径流量与海面水蒸发量处于动态平衡状态。,（2）陆地水量平衡方程式,a 外流区水量平衡方程 多年平均： 外分别为外流区任意时段内降水量、蒸发量、入海的地下

9、径流量、地表径流量及蓄水量。,b 内流区水量平衡方程 将上述的外流区水量平衡方程与内流区水量平衡方程结合起来就是构成陆地系统的水 量平衡方程，即简化后得：,（六）全球水量平衡方程 海洋： 陆地： 则全球水量平衡方程为： 即：海洋和陆地的多年平均降水量等于海洋和陆地多年平均蒸发量。 注意：全球总水量不变，不等于各种水体之间相对数量亦 恒定不变。,（三） 通用水量平衡方程,在给定时间段内输入区域的各种水量之和； 在给定时间段内输出区域的各种水量之和； 为研究时段内区域（水体）内蓄水变化量；,P时段内降水量；E1、E2时段内水汽凝结量与蒸发量；R表、R表时段内地表流入与流出的水量；R地下、R地下时段

10、内从地下流入与流出的水量； Y时段内工农业及生活净用水量; W1、W2时段始末蓄水量；,2 现以陆地上任意地区为研究对象,P +R表+R地下-（E+ R表+R地下+ q）= E=E2-E1为时段内净蒸发量； =S2-S1为时段内蓄水变量 对年平均； =0,水循环和水量平衡是水体连续运动的两个侧面。水循环着眼于运动现象，水量平衡着眼于水循环要素的数量关系。水循环是在水量平衡的基础上进行的，而水量平衡是通过水循环实现的。,思考题：,1.何谓自然界水循环？产生水循环的原因是什么？ 2.水循环有哪些规律？ 3.将全球的陆地作为一个独立系统，已知 多年平均降雨量 、多年平均蒸发量 ，试根据区域水量平衡方

11、程计算多年平均情况下每年从陆地流入海洋的径流量 是多少？ 4.解释水体更新周期。为什么人类的生产和生活用水主要依赖河流水、淡水湖泊水和浅层地下水？ 5.水文现象的产生和变化，都有某种程度的随机性，因此，都要应用数理统计法进行分析，对吗？ 6.计算时段的长短，对水量平衡方程有影响，对吗？ 7.使水资源具有循环再生性的原因是水量平衡方程，对吗？ 8.水资源可利用率越大，水体更替周期越长，对吗？为什么？,选择题,1.自然界中，海陆间的水文循环称为（ ）； A内陆水循环 B小循环 C大循环 D海洋水循环 2.自然界的水文循环是水资源具有（ ）性； A 再生性 B 非再生性 C 随机性 D 地区性 3.

12、某闭合流域多年平均降水量为950mm,多年平均径流深为450mm，则多年平均蒸发量为（ ） A 450mm B 500mm C 950mm D1400mm,1.水资源是取之不尽用之不竭的对吗？ 2.为什么人类的生产和生活用水主要依赖河流水、淡水湖泊水和浅层地下水？ 3.计算时段的长短，对水量平衡方程有影响，对吗？ 4.水文现象的研究方法有哪些？,第二章 河流和流域特征,第一节 河流及特征,一 河流的形成与分段 1.河流及其分段 河流：自然界中脉络相通的排泄降水径流的天然输水通道。 水系：干流、支流和流域内的湖泊、沼泽彼此连接组成一个庞大的系统； 在一个水系里，一般以长度或水量最大的河流作为干流

13、；河流分段：河源、上游、中游、下游、河口。,上游特点：落差大，水流急，下切和侵蚀作用强，多急流险滩和瀑布； 中游特点：比降缓慢，下切力减弱，旁蚀力加强，河道有弯曲，两岸有滩地，河床较稳定； 下游特点：比降缓慢，流速较小，常有浅滩、沙洲，淤积明显。,二.河流基本特征 (1) 河长L ：自河源沿主河道到河口出口的距离，以km计；(2) 河流横断面：分单式断面（只有主槽而无滩地的断面）和复式断面（有主槽又有滩地的断面）；,（3）河道坡度（河道纵比降）,3. 河系及河流地貌律 河系（水系或河网）：脉络相通的大小河流组成的输水系统；,水系形态：扇形、羽毛形、平行状和混合形； 河流地貌律：如图，其中的各个

14、河流按自上而下的顺序分为1级、2级。规定2条同级的河流汇合为高一级的河流，例如2条1级河流汇合后为2级；不同级的汇合时，则不增加汇合后的河流级别，如2级与1级汇合后仍为2级。河系在发育过程中将遵循一定的规律 1）河数律 ； 2）河长律 ； 3）面积律 4）比降律,1）河数律 i=1,2，3 -第i级的河流数， -分叉率，即某一级河流数与高一级河流数之比， 2）河长律 河长律指水系中各级河流的平均河长与该河流级别近似于正几何级数关系 -第i级和第一级河流的平均河长； 河长比，即某一级河流的平均长度与第一级河流平均长度之比；,3）面积律 -第i级、第1级的平均流域面积 -面积比，即某一级河流的平均

15、面积比与第一级河流平均面积之比； 4）比降律 -第 i级、第1级河流的平均比降； 河流比降率；即某一级河流的平均比降率愈高一级河流平均比降率之比。,第二节 流域与水系特征 一、流域及其分类 流域： 河流某一断面来水的集水区域，即该断面（称流域出口断面）以上地面、地下分水线包围的区域，地面分水线包围区域为地面集水区，地下分水线包围区域为地下集水区。 闭合流域： 在垂直方向地面、地下分水线重合，地面集水区上降水形成的径流正好由流域出口断面流出，一般的大中流域均属此类。非闭合流域： 地面、地下分水线不重合的流域，如岩溶地区的河流和一些很小的流域。,二、流域基本特征 1. 流域面积F ：在地形图上绘出

16、流域的分水线，用求积仪量出分水线包围的面积，即流域面积，以km2计。2.流域长度L ：从流域出口到流域最远点的流域轴线长度，km计； 3.平均宽度B:4.流域形状系数 5.流域平均高程与平均坡度 6.河网密度：指河流内干支流的总长度与流域面积之比，以D表示； 7.河流弯曲系数：等于河流实际长度与河流两端间的直线l之间的比值；,三 流域自然地理特征 1.地理位置：所处的经纬度，它反映了流域的气候与地理环境的特性，也是水文区域性变化的一个指标； 2.气候特征：温度、湿度、降水、蒸发; 3.下垫面条件 :地形地貌、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽、河网等； 4.人类活动,第三节 径流形成过

17、程概述,流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程，包括：产流过程和汇流过程；,（一）产流过程 1.坡面和坡地 2.植物截流 降雨开始后，除少量直接降落在河面上形成径流外，一部分滞留在植物的枝叶上，称为植物截流；植物截流最终耗于蒸发； 3. 填洼 超渗雨会形成地面积水，积蓄于地面上大大小小的坑洼； 4. 超渗雨 当降雨强度大于入渗强度时，按下渗能力入渗，超出下渗的雨水称为超渗雨；,5.损失量：降雨不能形成径流的那部分水量； 6.净雨：降雨扣除损失后的雨量；净雨是径流的来源，而径流则是净雨汇流的结果； 某闭合流域一次暴雨洪水的地面净雨量与相应的地面径流深的关系是？ 7.产流过程：把

18、降雨扣除损失成为降雨的过程称为产流过程，（净雨量也称产流量）；,8 表层流： 当下渗趋于稳定，继续下渗的雨水沿着土壤孔隙流动，一部分从土壤坡侧土壤孔隙流出，注入河槽形成径流； 9 地下径流： 另一部分净雨会继续向深处入渗，到达地下水面后，以地下水的形式补给河流；形成地下径流的净雨成为地下净雨。,（二）汇流过程,净雨沿坡面从地面和地下汇入河网，然后再沿河网汇集到流域出口断面，这一完成过程称为流域汇流过程，（坡地汇流和河网汇流）；,坡地汇流过程就是净雨汇入河网的过程，分为三部分： 1.坡面漫流： 超渗雨水在坡面上以片流或时分时合的细沟流运动的现象称为坡面漫流。降水经坡面漫流注入河道，形成地表径流；,2.壤中流： 表层流和坡面漫流可以互相转化，即表层流以地面径流的形式注入河网；部分壤中流可直接汇入河网