1、1水 文 学（现代水文与水资源学）教案侯立春2009 年 8 月2水 文 学（现代水文与水资源学）本课程目的1.了解现代水文水资源的进展和国际前沿2.开拓现代水文水资源研究问题的思路3.学习基本的水文水资源分析、模拟与评价知识本课程教授方法课堂讲授与学术讲座基本的水文水资源分析与评价授课专题讨论: 水资源的利用与保护教学实践：绘图、识图能力培养；野外观察调查上饶市及周边地区水环境状况（水量、水质）并分析编写报告 本课程学习主要参考书黄锡荃主编.水文学.高等教育出版社,1993. 邓授林主编.水文学.高等教育出版社,1985. 夏军著，水文非线性系统理论与方法，武汉大学出版社，2002 年水利部
2、.中国水资源评价.北京：水利电力出版社，1987. 中国地理学会水文专业委员会全国水文学术会议论文集.3绪 论一、水文学的定义和研究对象与方向1水文学的定义1962 年美国联邦政府科技委员会提出水文学是一门关于地球上水的存在、循环、分布，它的物理、化学性质以及环境包括与生活有关事物的反应的学科。1987 年中国大百科全书定义水文科学是关于地球上水的起源、存在、分布、循环运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系。本教材定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。 2水文学的研究对象3. 水文学研究方向 显然，水文科学的内涵包括许多基
3、础科学问题，具有自然属性，是地球科学的组成部分，其研究方向是地理水文学；另一方面，由于它在形成与发展过程中，直接为人类服务，并受人类活动的影响，具有社会属性，又属于应用科学的范畴，其研究方向是应用水文学或工程水文学。 二、水文科学的发展历程120 世纪以前是水文科学的萌芽和奠基阶段远古时代，人们在治水工程中认识到水文工作的必要性。例如，公元前约 3000 年埃及在尼罗河上设置水位观测设备，公元前约 250 年李冰在都江堰设置 “石人”观测水位，隋代的石刻水则，宋代的水碑等都是为了掌握水情而设立的。公元 6 世纪水经注定性描述了我国境内河流的概况，表明古代已有水文知识和水情记载。15 世纪以后，
4、水文测量技术和设备有了显著的发展，自计雨量计（1663，c、雷恩等） ，蒸发器（1687，哈雷） ，流速仪（1870，T.G 埃利浦） ，以及与水文有关水力学测试设备如伯诺里测压管、皮托管的发明，有关理论和公式如伯诺里原理、谢才公式（1775）等的提出，特别是在 19 世纪，许多理论和公式相继出现，如达西定律（ 1856） 、圣维南方程（1871） 、曼宁公式（1889） 、道尔顿蒸发公式（1802）以及库切林合理化公式（ 1889）为水文科学的发展奠定了基础。2 1900-1960 年是应用水文学的兴起阶段20 世纪以来，随着生产建设的发展，为适应兴建大量水利工程和其它设施的需要，应用水文学
5、应运而生，主要反映在以下几个方面：（1）建立了一些水文实验站如苏联瓦尔达依（1993） ，美国的科威达（1934）水文实验站，我国建国初期也开始在长江、黄河、铁科院西南所和一些省区建立水文实验站，探索降雨径流复化规律，为生产建设提供水文数据。（2）设置水文站网，观测、调查、收集水文气象资料，为生产建设提供水文情报。（3）为适应水工建筑物水文计算的要求，大量的经验公式和参数估计方法相继出现。产汇流理论和计算公式的提出，如谢尔曼单位线（1932） ，佐贺瞬时单位线（1934） ，麦卡锡的马斯京根洪水演算法（1936） ，以及耿贝尔极值分布（1941）和海森的水文频率计算（1930）促进了降雨径流和
6、水文频率计算工作的开展。3 1960 年以来是水文科学的变革和发展阶段，也是进入现代水文学的一个新阶段60 年代以来，随着计算机技术的发展，遥感遥测技术的引用，一些新理论和边缘学科的渗透，加之人口膨胀、水资源紧张、环境污染、气候变化，使水文科学面临着机遇与挑4战，特别是近二三十年，国际水文学术活动频繁，我国水文界也开展了大量的研究工作，促进水文科学发生了深刻的变革和发展，从而使水文学进入了现代水文学的新阶段。联合国科教文组织的国际水文十年（1965-1974 ）学术活动，主要研究工作在于全球水文基本资料收集和水量平衡研究。从 1975 年起执行国际水文计划（IHP） （1975-1995 ）
7、，计划的核心内容有：水文过程中的尺度问题的作用，环境的脆弱性，水资源的综合集成管理等。20 世纪 90 年代后，国际水文科协（IAHS）召开了一系列直接与可持续水资源管理联系的水文学基础研究和应用研究学术研讨会。在国际水文学协会举办的一系列专题讨论中，交流了三个方面水文科学新的进展与展望： 一是水文信息的支持；二是水文科学基础的研究；三是环境水文学问题研究。其中，水文生态学已经成为近代水文学发展的一个重要方面。国际地球科学在面向 21 世纪的发展中十分重视水文学和生态学交叉的方向研究。 三、水文现象的基本特点及研究方法1水文现象的基本特点（1）时间上的周期性与随机性（2）空间上的相似性与特殊性
8、2水文现象的研究方法（1）成因分析法（2）数理统计法（3）地理综合法当今水文学术界的争论 水文科学已发展成有一系列分支学科组成的涉及整个水资源，并与多个边缘学科相互渗透的与社会科学紧密联系的一门综合性学科。但是，由于水文现象复杂，同时受大气、下垫面和人类活动的多重影响，实践中又往往要求对水文现象和水文要素作出定量的预估，再加上多个边缘学科的引进( 应用数学、系统论、生物化学等等） ，以及人们在应用中加入某些假设和主观臆断，从而使当今国内外水文界对水文科学的评价和前景产生了不同的认识和观点，在不少的国际会议（也包括一些国内会议）展开了争论，归纳起来主要有两方面，即科学与技术、科学与生产应用的关系
9、，数学方法与物理基础的关系。我国水文学术界存在的问题 1 水文科学的基础不牢固,基础研究不成熟 2 科研成果未能广泛推广,未能转化为生产力 3 地理水文学和工程水文学之间缺乏沟通 21 世纪水文科学的展望 纵观国际和中国水文科学的发展，可以看出水文学研究有下列趋势与特点：第一，水文科学研究的领域愈来愈广泛，研究的问题也越来越复杂，并且遇到了来自许多方面的不确定性和非确知问题，这给水文学的进展提出了挑战，也提出了机遇。 第二，近代水文学的研究已愈来愈注重系统性和整体性。如：近代水文学将水圈、大气圈、生物圈视为一个有机的联系体，从地球巨系统角度研究气候 - 水循环 - 生态影响 - 气候变化的相互
10、作用，并预测未来趋势的变化和对人类社会经济影响。 第三，水文学的研究与为人类服务，解决实际工作中各项水的问题的联系紧密了，如研究全球气候变化的影响，水旱灾害预报与减免。5第一章 地球上水的性质与分布第一节 地球上水的物理性质一.水的热学性质热容量与潜热二. 水 温（一）海水温度1.海水热量的收支收 入 支 出短波辐射 海面长波辐射大气长波辐射 海水蒸发流入该区的暖流 寒流海面水汽凝结地热2.海水温度的分布（1）海水温度的水平分布（2）海水温度的垂直分布大洋平均温度典型垂直分布（Pickard et al, 1990）3. 海水温度的时间变化（1）海水温度的日变化（2）海水温度的年变化64. 海
11、 冰（二）河水温度（三）湖泊、水库温度1. 水温的分布2.湖水温度的变化（四）地下水的水温四、水的密度（一）纯水的密度（二）海水密度水的光学性质五、水色与透明度（一）水色（二）透明度7第二节 地球上水的化学性质一、天然水的化学成分二、天然水的矿化过程三、天然水的分类四、水体的化学性质（一）大气水的化学组成及特性（二）海水的化学组成及特点（三）河水化学成分的特点（四）湖水化学成分的特点（五）地下水的化学特征世界大洋表面蒸发与降水之差（E-P）和盐度（S）的径向分布（据 Wust,1954）全球各海区表层海水盐度不等，平均为 35左右，其中盐度最高的红海北部高达42.8，而波罗的海北部的波的尼亚湾
12、，盐度最低时只有 3左右。世界海洋表层海水的盐度分布规律为：从南北半球的副热带海区，分别向两侧的高纬和低纬递减，呈马鞍形分布。海洋表层海水盐度的分布和变化主要受蒸发量和降水量的制约，其次受陆地径流、结冰和融冰、洋流等因素的影响。8第三节 地球上水的分布与水资源 一.水的分布 二.水资源含义与特性 水资源是人类社会赖以生存、发展的最为宝贵的自然资源，它既是生活资料，又是生产资料，也是巨大的廉价能源。它已成为有重大经济价值的商品，受到政治、法律与社会的保护。在广义上，水资源是指水圈中水量的总体。但是海洋水因其含有较高的盐分而难以利用，所以通常说的水资源是指能为人类直接利用的陆地上的淡水资源。 一、
13、水资源的特性水资源是一项随时随地在循环、交换运动的动态资源。它与土地资源、矿藏资源不同，有其独特的性质。只有充分认识它的特性，才能更有效地利用水资源。1循环性和有限性水是一种可再生资源，它以气态、液态、固态等三种不同的形态存在，并在一定的条件下，水的三态又能互相转化，形成了自然界中的水分循环。因此，水是可更新的资源，地表水和地下水被开发利用后，可以得到大气降水的补给。这样，水分循环使得水资源不同于石油、煤炭等矿产资源，而具有蕴藏量的无限性。然而每年的补给量是有限的，为了保护自然环境和维持生态平衡，一般不宜动用地表、地下储存的静态水量，故多年平均利用量不能超过多年平均补给量。2时空分布不均匀性在
14、对陆地上各种水体的叙述中，可以看到，水是具有明显地区差异和时间分配不均的资源。这给水资源的开发利用带来了许多困难。为了满足各地区、各部门的用水要求，必须修建蓄水、引水、提水、调水工程，对天然水资源进行时空再分配。由于兴建各种水利工程要受自然、排水、经济条件的限制，因此只能控制利用水资源的一部分。由于排盐、排沙、排污以及生态平衡的需要，应保持一定的入海水量。故欲将一个流域的产水量用尽耗光，既不可能，也不应该。如美国加利福尼亚州，规定有 50的年径流量必须入海。3用途广泛性和不可代替性水资源既是生活资料又是生产资料，在国计民生中的用途相当广泛，各行各业都需要水。同时，水是一切生物的命脉，它在维持生
15、命和组成环境所需方面是不可代替的。然而，随着人口的增长，人民生活水平的提高，以及工农业生产的发展，用水量不断增加是必然趋势。故水资源问题已成为当今世界普遍重视的社会性问题。4经济上的两立性由于降水和径流的地区分布和时程分配不均匀，往往会出现洪、涝、旱、碱等自然灾害。水资源开发利用不当，也会引起人为灾害。如垮坝事故、次生盐碱化、水质污染、环境恶化等。因此，水既能供开发利用造福人类，又能引起灾害，直接毁坏人民生命财产。这就决定了水资源在经济上的两重性，即既能增加收入，又能导致损失。因此应进行水资源的综合开发和合理利用，以达到兴利除害的双重目的。二、水资源的评价、利用和管理在水资源的评价中，不仅包括
16、可用水资源的估算，而且还要考虑到社会经济和环境方面的问题，预测未来水资源的供需平衡。这是制定水资源综合开发与合理利用长远规划的9依据，是减少水的浪费，提高水资源利用率的重要措施。在水资源开发利用和管理中，强调综合性。在规划时要考虑到包括环境测题在内的多目标，水资源的地区分布和跨流域调水，地面水和地下水的联合运用，水库群的联合运用等等。水资源保护的目的是最大限度地利用水源，增辟水源，节约用水，加强管理，提高用水效率。研究内容：农业用水主要靠工程措施，如灌溉系统的护砌、平整土地和科学地拟定供水程序，采用节水技水如喷灌、滴灌等。工业用水，主要是重复利用和改善设备，节约用水，这部分潜力较大，展望水资源
17、的未来，通过水资源的深人研究，将能广泛地运用较合理的方法，更经济、更有效地解决水资源的问题，从而使人类社会、经济得以持续发展，生态环境得到保护。三.世界水资源简介四.中国水资源简介（一）水资源总量（二）水资源时空变化1. 地区分布1）多雨丰水带2）湿润丰水带3）半湿润过渡带4）半干旱少水带5）干旱干涸带2.多年变化1）丰枯变化规律2）极值比3.季节变化（三）水资源条件和问题1.水资源总量不少，但人均、亩均水量较少，合理利用和保护水资源国策。概况：2.水资源的地区分布很不均匀，与人口、耕地的分布不相适应，进行水量的地区调配是水资源开发利用的重要课题。空间分布：措施：3.水量的年内、年际变化大，水
18、旱灾害频繁，抗旱防洪涝任务艰巨。时间变化：措施：4.水土流失和泥沙淤积严重，破坏了生态平衡，增加了江河防洪困难，降低了水利工程效益。概况：措施：5.合理开发利用地下水资源，防止过量开采。概况：措施：6.天然水质良好，但人为污染日趋严重，防止水质恶化，保护水源是当务之急。概况：10措施：第二章 地球上的水分循环和水量平衡一、水分循环（一）水分循环及其成因地表水、地下水和生物有机体内的水，不断蒸发和蒸腾，化为水汽，上升至空中，冷却凝结成水滴或冰晶，在一定的条件下，以降水的形式落到地球表面。降落于地表的水又重新产生蒸发、凝结、降水和径流等变化。水的这种不断地蒸发、输送、凝结、降落的往复运动过程称为水
19、分循环。 水循环与水量平衡据 1970 年国际水文学会的数据，地球上的水量总体积约 15108km3，它们分聚为江河湖、海及冰川等多类水体( 表 18-2)。如果把各类水体铺在地球表面的平均深度，规定为它们的当量深度，那么，估算的海洋水体的当量深度为 2700-2800m，冰和雪为 50m，地下水为 15m，陆地上的河湖水为 0.4-1.0m，大气水的当量深度为 0.03m。水域是指水体的地理位置，自由水面的形状与面积。所谓水圈，由地球表面各类水体各地水域共同组成，抽象为覆盖地球表面的水层，实际上是不连续的、上下高程相差很大的自在水体水域的总称。水圈对地球环境有重要的贡献，水体或水域对地球环境
20、的影响则各有各的有效范围，它们造成了地球环境的分异，而且建立了以水体或水域为中心的、向外逐渐减弱其影响强度的、次级地球环境的变化系列。水圈的组成海洋水：海洋是水圈的主体，是地球上水的最大源地。全球海洋总面积为 3.61108 km2，约占地球表面的 71%；海水总体积约为 1.37109 km3，约占地球总水量的 96%-97%。陆地水：河流；湖泊；沼泽；地下水；冰川。水循环水循环是贮水库水体之间水分的往返交换，周而复始的互补。水循环的实施途径是水的三种物态的更替与流动。水循环的基本动力是太阳辐射能与地球引力，以及在水循环过程中的能量转移。全球水分循环是地球各圈层之间的水分交换，是最基本的物质
21、流、能量流及生物地球化学循环，并对天气和气候及地貌发育起着重要的作用。通过降水和蒸发，海洋和陆地表面水分不断地进行交换，10 天内进行这种交换的水分总量大约等于大气对流层中水分的总贮量；全球淡水总贮量如通过江河净排放，大约 10 年之内可完成，而通过蒸发发散作用，就只需 5 年。图 181 是美国国际地圈生物圈计划委员会于 1986 年出刊的地圈生物圈的全球性变化一书中的附图，表示全球水分循环中的主要贮库及其相互之间水分交换的通量。全球海洋总贮水量约 1.4109km3，约占全球总水量的 97%。全球海洋表面积约3.61108km2，约占地球表面积的 70.8%。海洋水主要通过蒸发散失，每年蒸
22、发散失总水量约 434000km3，其中约 398000km3 的水量又通过降水直接返回海洋，实际散失约36000km3，被风携入陆地上空。这部分水量又通过江河径流返回海洋。海洋水体全部更替一次大约需要 3.7104a。每年约有 505000km3 的水量通过蒸发进入大气，其中来自陆地的蒸发和蒸腾水量约71000km3，占进入大气总水量的 14%左右。与此同时，每年又有同等水量通过降水返回陆地和海洋。大气的贮水总量仅有 15500km3，其中海洋上空占 71%左右。这部分贮水大约只需 8 天9 天就可以全部更新一次。11地球上的淡水大量地以冰的形式贮存在南极与格陵兰地区。南极冰盖总体积约23.
23、45106km3，折合水量约 21.50106km3。格陵兰冰盖总体积约 2.6106km3，折合水量约 2.38106km3(Flint, R.F., 1971)。全球冰川冰的总体积约 25106km3，如果全部溶化，大约相当于海洋水层增厚 65m。冰川贮水的特点是贮存时间长，参与全球水循环的速度十分缓慢。估计大陆冰盖冰的平均停留时间为 103105 年。大约距今 18000 年来，全球大陆冰川的总消融量约 50.72106km3，相当于海洋水层增厚 132m。高山冰川冰更新一次约需数十年到数百年，有的达 1600 年以上。陆地上地表水总量约 360000km3，生物水量约 2000km3。
24、陆地上的大气降水与冰雪融水消耗于蒸发、生物吸收和渗透到地下，另有约 36000km3 通过径流返回海洋。陆地上水体的自然更新一次的时间长短不一，河流约需 10-20 天，土壤水约需 280 天，淡水湖约需1-100 年，盐湖和内海约需 10-1000 年。地下水总量的估计值相差很大.它位于地表以下和海底以下，大多存在于地表以下 1m左右的岩土孔隙裂缝之中。地下水的停留时间一般为 10-102 年，自然更新一次需 300 年左右，但部分较深层地下水可停留 106 年。 土壤层水的更替周期约 1 年，生物水更替周期以几小时计。水圈的结构水圈的水平结构特征连续性: 地球表面任何一个地方都有水的分布，
25、水在地球表层的分布是连续的。不均匀性：水在地表的分布是不均匀的。不均匀性一是表现在水圈的厚度各处不一，二是表现在水圈中各处分布的水量不同。 水圈的垂直结构特征近地面集中分布:水主要集中分布在地面附近，随着离地面距离的增大水越来越少。垂直分层: 水圈在垂直方向上具有一定的分层现象。相态分异: 水的相态在垂直方向上的有规律的变化现象。 全球水分循环中的通量存在着年内季节性的与多年年际间的变化。在冬季，大陆地表水分的净输入来自于海洋；而在夏季，热对流是降水的主导机制，蒸发使土壤水分耗竭并成为大气水分的主要来源之一。对这种变化的了解，既有助于我们解释水分循环中异常现象产生的部位和程度，也可使我们更清楚
26、地认识地表变化的环境影响。水分循环的产生有其内因和外因。内因是水的“三态”变化，也就是在常温的条件下，水的气态、液态、固态可以相互转化。这使水分循环过程的转移、交换成为可能。其外因是太阳辐射和地心引力。太阳辐射的热力作用为水的“三态”转化提供了条件；太阳辐射分布的不均匀性和海陆的热力性质的差异，造成空气的流动，为水汽的移动创造了条件。地心引力（重力）则促使水从高处向低处流动。从而实现了水分循环。水分循环通过 3 个阶段 5 个环节，使天空与地面、地表与地下、海洋与陆地之间的水相互交换，使水圈内的水形成一个统一的整体。 整个水分循环过程包括了蒸发、降水、径流 3 个阶段和水分蒸发、水汽输送、凝结
27、降水、水分下渗、径流 5 个环节。概念：地球上各种形态的水，在太阳辐射、重力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，下断地发生相态转换和周而复始运动的过程，称为水循环。地球上各类水体，通过水循环形成了一个连续而统一的整体。水循环按不同途径与规模，分为大循环和小循环。 机理：1 水循环服从于质量守恒规律；2 水循环的基本动力是太阳辐射和重力作用；3水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈，同时通过无数条路线实现循环和相变；4 从全球看，水循环是个闭合系统，但从局部地区看水循环却是开放系统。12水循环对地球上的生物和其它圈层的相互作用等方面具有重要的意义。 1大循环从海
28、洋表面蒸发的水汽，被气流带到大陆上空，在适当的条件下，以降水的形式降落到地面后，其中一部分蒸发到空中，另一部分经过地表和地下径流又流到海洋，这种海陆之间的水分交换过程，称为大循环，也称海陆间循环。它是由许多小循环组成的复杂的水分循环过程。2小循环小循环是指水仅在局部地区（海洋或陆地）内完成的循环过程。小循环可分为海洋小循环和陆地小循环。海洋小循环就是从海洋表面蒸发的水汽，在空中凝结，以降水形式降落海洋上的循环过程。陆地小循环，就是从陆地上蒸发的水汽，在空中凝结，以降水形式降落陆地上的循环过程。二、水循环的基本类型1. 大 循 环（全球海陆之间大循环）2. 小 循 环（海洋小循环 和 陆地小循环
29、）（外流区小循环和内流区小循环）水分循环的地理意义水分循环对于全球性水分和热量的再分配起着重大的作用，这种作用与大气循环相互联系而发生，从而影响了一地气候的主要方面降水与气温。水分循环具有物质“传输带”的作用，而且又是岩石圈表层机械搬运作用以及自然地理环境中无机成分和有机成分化学元素迁移的强大动力。在水分循环过程中伴随产生了各种常态地貌和河流、地下水、湖泊等等。水分循环也是生物有机体维持生命活动和整个生物圈构成复杂的水胶体系统的基本13条件，起着有机界和无机界联系的纽带作用。总之，水分循环有如自然地理环境的“血液循环”，它沟通了各基本圈层的物质交换，促使各种联系的发生。水分循环过程同时起着水文
30、过程、气候过程、地形过程、土壤过程、生物过程以及地球化学过程等作用。三、水循环的作用、效应与意义（一）水文循环与地球圈层构造（二）水循环与全球气候1.水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者。2.水循环通过对地表太阳辐射能的重新再分配，使不同纬度热量收支不平衡矛盾得到缓解。3.水循环的强弱及其路径，还会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征。4.雨、雪、霜及台风暴雨等天气现象水循环的产物。（三）水循环与地貌形态及地壳运动（四）水循环与生态平衡1.生命之源、生物有机体的基本组成物质、没有水循环不存在生物圈。2.水循环的强度及其时空变化，制约区域生态平衡或失调的关键；成为影响
31、区域内生物有机体活动旺盛、繁茂或凋萎、贫乏的主要因子。3.水循环强度的时空变化，是造成洪涝旱等自然灾害的主要原因。华北、西北较之东南沿海生态环境相对严峻的主要原因（五）水循环与水资源开发利用（六）水循环与水文现象以及水文学科 的发展14第二节 水 量 平 衡水量平衡：地球上任何一个区域在任何一时段内，水的收入与支出的差额等于该地区的储水变化量。水量平衡方程：通用水平衡方程: I-Q= S全球水平衡方程： P 全球 =E 全球 全球水量平衡：尽管对于全球海洋陆地的蒸发量、降水量与径流量的估算值还不完全相同，但有一点是共同的，就是全球的水量是平衡的。全球水平衡（数据来自 John Mbugua e
32、t al,1995）自然界的水分循环，从 10-103 年时间尺度和若干立方公里量级尺度来看，大体上是保持不变的。有些报道，称某地区出现几十年降水减少的趋势或连续干旱的现象，往往与降水带的迁移或下垫面特征的变化，或地表水的增加调用等因素有关。对于某个贮水库或水体来说，必定存在来水量等于出水量和蓄水变量之和的关系。这就是水量平衡研究的问题。人们还可以采取措施调节来水量、出水量与蓄水量三者之间的关系。以利于水资源的开发利用。对于非灌溉土壤来说，短短一周内积累的降水就至关重要。地表淡水贮水库对于 1-10 年内累积的降水或融雪是敏感的，而地下水对于 10-103 年内积累的降水才有反应。因此，我们用
33、水分循环与水量平衡理论，对 1-102 年内粮食生产所需水分进行科学预测和合理调用，对农业生产和经济发展就有十分重要的意义。对于任何一个地域来说，水量平衡不外乎考虑下列几个因子：水量收入方面有时段内的降水量 P、时段内地表的水气凝结量 Ec、地面流入的径流量 Rg、地下流入的径流 Ru；水量支出方面有时段内的陆面蒸发、水面蒸发和生物蒸腾 Ee、经地表流出的径流量 Rg、经地下流出的径流量 Ru、居民和工农业用水量 Qr；以及贮水库蓄水量的变化 Ss。于是，水量平衡方程式可以写为： P+E1+Rg+Ru=Ee+Rg+Ru+QrSs如果把 Ec 视为负蒸发，净蒸发 E=Ee-Ec，地表流出径流量
34、Rg 与地下流出径流量 Ru 合并为 R，又降水下渗到地下以地下径流汇入河槽 Ru 流出，那么在降水量 P 与径流 R15之中这个 Ru 便趋势为 0，又 Qr 实际上可以作为 R 的一部分，于是上面的水量平衡方程式可改写为： P=R+ESs即多年平均降水量等于多年平均径流量与多年平均蒸发量之和。上式还可改写为： （四）研究水量平衡的重要性（1）通过水量平衡研究，可以对研究地区的自然地理特征做出评价。（2）水量平衡分析是水资源研究的基础。通过水量平衡研究，可了解各地区的水资源总量，为水资源的开发利用提供依据。（3）水量平衡法是现代水文学研究的基本理论之一。水量平衡分析，是揭示自然界水文过程基本
35、规律的主要方法，亦能校核水文计算成果。（4）水量平衡法是揭示人与环境间相互影响的方法之一。通过水量平衡的研究，可以定量地揭示水循环过程对人类社会的深刻影响，以及人类活动对水循环过程的消极影响和积极控制的效果。例如，全球的温室效应，使冰川加剧消融，冰川蓄水量减少；陆地上许多内陆湖泊蒸发旺盛，水位下降，蓄水量减少；地下水也因蒸发和开采而使蓄水量减少。这三方面减少的水量最后汇人海洋，促使海平面上升。而修水库又可减少人海水量。 第三节 蒸 发 (evaporation)概念一定温度下由液态水（水）转为气态水（水汽）的过程。由蒸发消耗的水量称为蒸发量，用蒸发失去的水层厚度（m）表示。（1）e 与 E 二
36、者的对比是出现蒸发的关键eE 出现凝结（过饱和）（2） 影响蒸发速度快慢的主要因素（三个）蒸发的温度蒸发的温度愈高，蒸发愈快，相反愈慢。蒸发的性质同温度时，水面蒸发快于冰面、淡水快于海水。空气湿度和风空气湿度大的蒸发速度小于空气干燥时，有风时大于无风。上述影响因素中，起决定作用，其次为风。（3）日变化和年变化与气温相同（4）蒸发量空间分布因气温高低、海陆分布、水汽量多少而不同。降水的形成（1）形成条件 e E f100% 云滴要大，要能经历从云到地面的下落过程而不被蒸发掉。16 足够数量凝结核（2）不同纬度降水形成 低纬度 T 0，暖云降水（雨水） 。 中、高纬度常出现冰、水共存现象。常出现二
37、种降水方式（雨，雨雪共存或雨、冰雹共存或冰雹或雪）（3） 人工降水概念采用人工在云中播撒催化剂（干冰或碘化银）方法促云产生的降水。作用弥补干季节庄稼、植物、地表水等缺水 现象。实行地区我国上海、南京、安徽、河北、湖北等地为常采 用人工降水地区。降水的时间分配常用降水量、降水时间、降水强度及降水季节变化、降水变率等表示。（1）降水量常分日、月、年、月平均、年平均、多年平均降水量。（2）降水时间一次降水过程从开始到结束持续的时间，用日、时、分表示。（3）降水强度单位时间内的降水量。中央气象局将其分成 7 个等级。降水强度等级等级 24 小时强度等级（mm）小雨中雨大雨暴雨小雪中雪大雪101024.
38、92549.9502.52.55.05.017第三章 陆地水第一节 河 流一、河流、水系和流域（一）河流 陆地表面经常或间歇有水流动的泄水凹槽，称为河流。即为流动的水与凹槽的总称，它主要是由于水流侵蚀作用的结果。 河流是水分循环的一个重要组成部分，是地球上重要的水体之一。它是塑造地表形态的动力，对气候和植被等都有重要的影响。自古以来，河流与人类的关系很密切，它是重要的自然资源，在灌溉、航运、发电、水产和城市供水等方面发挥着巨大的作用。但河流也会给人类带来洪涝灾害。因此，要开发利用河流，变水害为水利，就必须深入研究河流。河槽横断面，是指河槽某处垂直于主流方向河底线与水面线所包围的平面。 过水断面
39、，是指某一时刻水面线与河底线包围的面积。 大断面，是指最大洪水时的水面线与河底线包围的面积。 由于科氏力、惯性离心力和流速分布不均等影响，河流横断面的水面并不是完全水平的。河流横断面的形态是多种多样的。 常用的断面形态要素有：过水断面面积 W，湿周 P（即过水断面上被水浸湿的河槽部分） ，水面宽度 B，平均深度 H,水力半径 R（R=W / P） ，糙度 n（指河槽上的泥沙、岩石、植物等对水流阻碍作用的程度,常用糙率系数 n 表示，可从表查出）等，这些要素与河流的过水能力有密切的关系。 （二）水系一条河流的干支流构成了脉络相通的水道系统，这个水道系统便称为水系或河系。水系特征主要包括河长、河网
40、密度和河流的弯曲系数。河长是从河口到河源沿河道的轴线所量得的长度。 18河网密度是指流域内干支流的总长度和流域面积之比，即单位面积内河道的长度。可用下式表示：D L/ F 式中：D 为河网密度（km/km2 ） ；L 为河流总长度（km） ；F 为流域面积（km2） 。 河网密度表示一个地区河网的疏密程度。河网的疏密能综合反映一个地区的自然地理条件，它常随气候、地质、地貌等条件不同而变化。一般地说，在降水量大，地形坡度陡，土壤不易透水的地区，河网密度较大；相反则较小。例如我国东南沿海地区比西北地区河网密度大。 河流的弯曲系数，是指某河段的实际长度与该河段直线距离之比值。可用下式表示 式中：K
41、为弯曲系数；L 为河段实际长度（ km） ；l 为河段的直线长度（km） 。河流的弯曲系数 K 值越大，河段越弯曲，对航运和排洪就越不利。 根据干支流分布的形状，可进行水系分类，主要可分 5 类：扇状水系：干支流呈扇状分布，即来自不同方向的各支流较集中地汇人干流，流域成扇形或圆形。我国的海河水系就属此类。羽状水系：支流从左右两岸相间汇人干流，形呈羽状。如滦河水系。平行状水系：几条支流平行排列。如淮河左岸的洪河、颖河、西浘河、涡河、浍河等。树枝状水系：干支流的分布呈树枝状。大多数河流属此种类型。如珠江的主流西江水系。 格状水系：于支流分布呈格子状，即支流多呈 900 角汇人于流。这是由于河流沿着
42、互相垂直的两组构造线发育而成。如闽江水系。一般较大的水系，难以用一种类型概括，大多是由两种或两种以上的水系类型所组成。 水系类型不同，对水情变化的影响不同。例如，扇状水系，由于支流几乎同时汇人干流，当整个水系普降大雨时，就易造成干流特大洪水。海河历史上多水灾的原困之一即在于此。而羽状水系因支流洪水是先后汇人干流的，因此各支流汇人的水量分先后排出，故不易形成水灾。滦河少水灾的原因之一，即是由于其为羽状水系的缘故。 （三）流域划分相邻水系（或河流）的山岭或河间高地，称为分水岭。分水岭最高点的连线，称为分水线或分水界。如秦岭是黄河和长江的分水岭，而秦岭的山脊线便为黄河和长江的分水线。分水线可分为地表
43、分水线和地下分水线。地表分水线主要受地形影响，而地下分水线主要受地质构造和岩性控制。分水线不是一成不变的。河流的向源侵蚀、切割，下游的19泛滥、改道等都能引起分水线的移动，不过这种移动过程一般进行得很缓慢。分水线所包围的区域，称为流域。由于分水线有地表分水线和地下分水线，故流域也是指汇集地表水和地下水的区域。 流域可分闭合流域和非闭合流域。地表分水线与地下分水线重合的流域，称为闭合流域。相反，称为非闭合流域。流域面积、流域形状、流域高度、流域的坡度、流域的倾斜方向、干流流向等是流域的重要特征。这些特征对河川径流的影响是明显的。例如：流域面积大，河水量也大，洪水历时长，且涨落缓慢；流域形状圆形较
44、狭长形的洪水集中，且洪峰流量大；流域高度越高，河水量越多；流域向南倾斜的比向北的流域降雪易于消融；在中高纬度地区，冬季有结冰的大河流，若在北半球，其流向自南往北流的，则易产生凌汛。 二、河流的水情要素 水情要素是反映河流水文情势及其变化的因子。它主要包括水位、流速、流量、泥沙、水化学、水温和冰情等。通过这些因素反映河流在地理环境中的作用，及其与自然地理环境各组成要素之间的相互关系，也是研究水文规律的基础。 （一）水位 河流水位是指河流某处的水面高程。其零点称为基面。基面可分绝对基面和相对基面。绝对基面是以某一河口的平均海平面为零点。如珠江口基面、吴淞口基面（长江口） 、黄海基面等，我国规定统一
45、采用青岛基面。相对基面（也称测站基面） ，是以观测点最枯水位以下 05lm 处作为零点的基面。相对基面可减少记录和计算工作量，但它与其他水文站的水文资料不具有可比性，故进行全河水文资料整编和水文预报时，必须换算为全河统一的基面。影响河流水位的因素很多,如水量、河道冲淤、风、潮汐、结冰、植物、支流的汇入、人工建筑物、地壳升降等。而其中最主要的因素是水量的增减。水量增加，河水位上涨；水量减少，河水位下降。 河流水位随气候的季节变化和年际变化而变化。例如由雨水补给的河流，其水位随降雨的变化而变化。由冰雪融水补给的河流，其水位随气温的变化而变化，气温高，冰雪融水量多，则河流水位高；气温低，冰雪融水量少
46、，则河流水位下降。 为了帮助分析研究水位变化规律、断面以上流域内自然地理各因素（特别是气候因素）对该流域水文过程的影响，以及提供各方面的参考使用，常将水位观测资料进行整理，主要有水位过程线、水位历时曲线、相应水位关系曲线。 水位过程线：是指水位随时间变化的曲线。其绘制方法，是以纵坐标为水位，横坐标为时间，将水位变化按时间顺序排列起来所点绘的曲线，便为水位过程线。它的主要作用是：可分析水位的变化规律，能直接看出特征水位（如最高水位和最低水位）的高度和出现的日期；可研究各补给源的特征；可用来分析洪水波在河道中沿河传播的情形，以及做洪水的短期预报；水位过程线也能反映流域内自然地理因素对该流域水文过程
47、的综合影响。水位历时曲线：是指大于和等于某一数值的水位与其在研究时段中出现的累积天数（历时）所点绘而成的曲线（图 5 二 2） 。其绘制方法，是先将一年内之日平均水位接从大到小次序排列，并对水位变化幅度分为若干相等组距（如以 0.5m 为一组） ，再将每一组距水位出现的日数依次累加为累积天数（即历时） ，然后以水位为纵坐标，以累积天数为横坐标点绘的曲线，则得日平均水位历时曲线。水位历时曲线的作用：主要是可从图上看出一年内超过某一水位高度出现的总天数，这对航运、灌溉、防汛都有重要的意义。 20相应水位关系曲线：是指在同一涨落水期间，上下游站位相相同的水位。相应水位关系曲线的绘制方法是：以纵轴为上
48、游站的水位, 以横轴为下游站的水位，把上下游站相应的水位点绘在坐标纸上，过点 群中心连成的圆滑曲线便成（图 53） 。其作用：可用它做短期水文预报；校验上下水位观测成果；用已知站水位插补缺测站水位记录；推求邻近断面未设站的水位变化。 （二）流速河流流速，是指河流中水质点在单位时间内移动的距离。单位是 m/s。可用下式表示：式中：u 为流速（m/s） ；L 为距离（m ） ；t 为时间（s） 。流速的脉动现象：是指在紊流的水流中，水质点运动的速度和方向不断地变化，而且围绕某一平均值上下跳动的现象。脉动流速的数值以在水流动力轴附近为最小，而以在糙度较大的河底和岸边为最大。流速脉动能使泥沙悬浮在水中
49、，故它对泥沙运动具有重要意义。流速脉动在较长时段中，脉动的时间平均值为零，即 ，故给测流提供了条件。 据研究，每点测流时间至少应大于 100120s，才能避免脉动的影响，测得较准确的数值。河道中的流速分布：由于河床的地势倾斜和粗糙程度，以及断面水力条件的不同，天然河道中的流速分布十分复杂。一般地说，河流纵断面流速分布为：上游河段流速最大，中游河段流速较小，下游河段流速最小。河流过水断面的流速从水面向河底递减，从两岸向最大水深方向增大。在垂线上绝对最大流速出现在水面向下水深的 1/103/10 处；平均流速出现于水深的 6/10 处；在水面 ,由于空气的摩擦阻力,流速较小；在河底，流速趋于零（图5.4）.垂线流速分布往往受冰冻、风、河槽糙率、河底地形、水面比降、水深等影响。 天然河道中平均流速的计算：在有实测资料时，可根据实测资料求得。在没有实测资料时，可用水力学公式谢才公式计算，即：u= 式中：u 为平均流速；c 为谢才系数，它与糙率等因素有关，其数值可用经验公式求得我国多采用满宁公式， （n 为糙率
