扬大水文学原理Ch1-2章

第一章 绪论
• • • • • • 水文学？ 水文学的研究对象 水文学的发展动力 水文学的分支学科 水文学研究方法 《水文学原理》的内容和学习方法
第一节 水文学的研究对象
• 1.水文学的定义Definition of Hydrology
研究地球系统中水的运动、循环和时空 分布规律，水的自然和社会属性，水与生态 环境相互关系（作用）以及在水旱灾害防治、
空间尺度最小，开放式循环系统。
4、水文循环的作用和意义
地球上总水量13.86亿Km3，
参与循环的约57.7万Km3，0.0416%。 （1）调节气候； （2）塑造了地球表面； （3）形成了巨大的水利资源； （4）形成一切水文现象。 5、水文循环的影响因素——可以归结为以下几点：
（1）气象因素——如温度、风速、风向、湿度等；
（principles of Hydrology）
水文学原理
扬州大学·水利与能源动力工程学院
课程认识
一、水文学原理的主要内容
何为水文学？水文学原理是什么？ • 1.各种水体的形成、演变； • 2.水体形成的成因、演变的规律； • 3.研究水体形成成因、演变规律 的方法。
二、学习目的
• 1.掌握水文现象的基本规律和研究方法； • 2.水文与水资源工程专业重要的一门专业基础课， 为后续课程学习、水文学科研究打下基础。
1871，圣维南（St.Venant）方程组--明渠缓变不稳定流运动
规律
• 第二阶段：20世纪初至五十六年代
1914，黑曾（Hazen），水文频率计算； 1932，谢尔曼（Sherman），单位线； 1935，霍顿（Horton），均质包气带产流理论； 1938，麦卡锡（Macarthy），马斯京根（Muskingum） 洪水演算方法；
课程内容
• • • • • • • 主要内容 Chp1 绪论 Chp2 水文循环与水量平衡 Chp3 流域与水系/河流与流域 Chp4 降水 Chp5 土壤水和下渗 Chp6 蒸发与散发 Chp7 径流 Chp8 流域产流 Chp9 河道水流 Chp10 流域汇流 Chp11河流泥沙 Chp12 河口水文与潮汐
第三节 水文学的分支学科branch subjects of Hydrology
第三节 水文学的分支学科branch subjects of Hydrology
第四节 水文学的研究方法(Methodologies on Hydrology)
多学科交叉的研究途径(Interdisciplinary appoach) 实验途径(Experimental approach) 流域水文模拟(Hydrological Modelling) 确定性与随机性研究方法的结合 (Combination of deterministic and stochastic approaches)
1674,法国人佩劳特（Perreault）通过分析得出 法国塞纳河流域的年径流量为流域内年降水量的1/6 （径流系数=1/6）. UNESCO和WMO将1674年作为水文学的生日。
第二节 水文学的发展动力Driving force for the Development of Hydrology • 1.水文学发展简史 History of Hydrology • 第一阶段：19世纪 1856，达西（Darcy）定律--渗流运动规律
第二节 水文学的发展动力Driving force for the Development of Hydrology • 2.水文学发展动力 经济社会发展的需要 人类追求真理的进步 • 3.水文学发展机遇
第三节 水文学的分支学科branch subjects of Hydrology
第三节 水文学的分支学科branch subjects of Hydrology
第二节 水文学的发展动力Driving force for the Development of Hydrology • 1.水文学发展简史 History of Hydrology • 第三阶段：20世纪70年代
流域水文模型（Hydrological Mode) 水资源水文学、环境水文学
• 第四阶段：20世纪80年代
全球尺度水文学（Global Scale Hydrology)；
• 第五阶段：20世纪末至21世纪初；
生态水文学（eco-hydrology）；
第二节 水文学的发展动力Driving force for the Development of Hydrology • 1.水文学发展简史 History of Hydrology • 萌芽时期（1600年以前） —最原始的观测 雨量、水位 • 奠基时期（1600-1900）---实验水文学 • 实践时期（1900-1950）---应用水文学 • 现代化时期（1950以后）—理论深入研究、 多学科交叉、现代化技术手段的引入
主要研究水资源的形成、时空分布、开发利用和保护，水旱 灾害的形成、预测预报、防治，以及水利工程和其他工程建 设的规划、设计、施工和管理中的水文水利计算技术。
（3）同时具有社会科学性
水资源合理开发利用保护、水害灾害预测预报和防治
第一节 水文学的研究对象
• 3.水文学的研究内容Research fields of Hydrology
第三节
水量平衡
1、通用水量平衡方程 设想以一个区域的下垫面为研究对象，该区域内地面有许多进 出的水道并有湖泊、水库、沼泽等水体。 Rr
Rg
Ec Px Eb
qa R´
r
I
w
O
ห้องสมุดไป่ตู้
I－O＝±W
I =Px+Ec+Rr+Rg O =Eb+ qa +R´r+R´g
R´g
Px+Ec+Rr+Rg= Eb+ qa +R´r+R´g ±W 令E=Eb-Ec ，Rr+Rg=RI，R´r+R´g=RO 则 Px+RI = E+qa+RO ±W
由此表可知，地球是一个水量丰富的星球，同时对人类来说又是一
个水资源短缺的星球。可开发利用水资源的紧缺必然制约经济社会 的发展和人类文明的进步，水资源的可持续开发利用已成为人类社
会可持续发展的必要前提。
2、地球上水的更新 正是由于自然界水文循环的周而复始、永不停息，从而
导致地球上的各种水体中的水得到不断更新。水体中的水
4、全球的水量平衡
2、水-土壤-植被系统的水平衡
I =P-P截留+Wsi+Wsui+E潜水 O =Ep+Es+Wso+Wsuo+Rper I-O=± W
3、河流-流域的水量平衡
4、全球的水量平衡
大陆：输入项：Pl 输出项：El R 水量平衡式：Pl=El+R+ Sl 海洋：输入项：Po R 输出项：Eo 水量平衡式：Po=Eo - R+ So 短时段内， Sl和 So可正可负。 但是对于多年平均的情况，正负可以相互抵消，蓄水量的变 化量趋于零。
全部更新一次所需要的时间称为更新周期。 水体的更新周期可用下式计算：
s tr q
s — 水体的储量； q — 流量；tr — 水体更新周期
地球系统中的水更新速度： Tr=13.86 亿km3/(57.7万km3/year)=2400years
根据全球各水体的储量和流量之间的关系可以计算出相应的更 地球上更新最快的水体是大气水，只有8.2天；其次为河流水，为 16天。河流水的这种快速更新对人类获取淡水资源具有特别重要的 意义，也是水资源成为地球上能自行恢复或再生的原因。相反，深 层地下水的更新周期长达1400年，大量开采、超采深层地下水而得 不到及时补充恢复，就会导致各种负面影响。
新周期，具体结果上表（教材P14）。据计算结果：除生物水以外，
第三节
水量平衡
水量平衡原理：对任一区域在给定的时段内，各种输入水量等
于输出水量与区域内储水量的变化之和。
要正确理解水量平衡方程必须掌握两个关键点: 针对一定长度的时间段(a specific period of time) 针对某一空间尺度(a study area)
水资源合理开发利用和水资源保护中的应用
的科学统称为水文学。
第一节 水文学的研究对象
• 2.水文学的性质nature of Hydrology
（1）地球物理科学的分支
主要研究地球系统中水的存在、分布、运动和循环变化规律， 水的理化性质，以及水圈-大气圈-岩石圈-生物圈的相互关系。
（2）水利工程科学的重要组成部分
（2）自然地理条件——如地形、地质、土壤、植被等；
（3）地理位置——如距离海洋的远近；
（4）人类活动——主要是通过改变下垫面条件直接或间接地 影响水文循环。
6、我国的水文循环路径
由于我国的地理位置及其与各大洋的相对距离，以及大气环流 和季风的影响，决定了我国的水汽来源主要有：太平洋、印度洋、
大西洋、北冰洋和鄂霍次克海，从而形成了相应的水文循环：
1.水文循环现象water cycle
1.水文循环现象water cycle
1.水文循环现象water cycle
2.水文循环的原因Causes
3.水文循环的尺度 (1)大尺度水文循环(Macro-scale water cycle)
全球水文循环（Global water cycle ）
空间尺度最大，最完整的水文循环。
太平洋水文循环、印度洋水文循环、大西洋水文循环、 北冰洋水文循环、鄂霍次克海水文循环、内陆水文循环
第二节
1、地球上水的分布和储量
地球上的水
地球上的地理圈——由大气圈、水圈、岩石圈和生物圈组成。 水圈——包括大气水、地面水、地下水和生物水。其中地面水 是地球上水量组成的主要部分。地球上各种水的分布见书上P13。