第一篇 水文学与水资源(第一章 地球上水)
水文学与水资源基础

水文学与水资源基础一、水文学部分1. 水循环- 概念:地球上的水在太阳辐射和重力作用下,通过蒸发、水汽输送、降水、下渗、径流等环节,不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。
- 主要环节:- 蒸发:包括水面蒸发、土壤蒸发和植物蒸腾。
水面蒸发受温度、风速、湿度等因素影响。
例如,温度越高,水分子运动越剧烈,蒸发越快;风速越大,水汽被带走的速度越快,也会加速蒸发。
- 水汽输送:水汽随着大气环流从一个地区输送到另一个地区。
例如,季风就会将海洋上的水汽大量输送到陆地。
- 降水:包括雨、雪、雹等形式。
降水的形成需要水汽饱和、有凝结核以及水汽能够冷却凝结等条件。
地形对降水影响很大,迎风坡降水多,背风坡降水少。
- 下渗:降水到达地面后渗入土壤的过程。
土壤的质地、结构、植被覆盖等都会影响下渗量。
例如,疏松、多孔的土壤下渗能力强,植被覆盖良好可以增加下渗。
- 径流:分为地表径流和地下径流。
地表径流是降水沿地表流动形成的水流,其大小与降水强度、地形坡度、土壤透水性等有关。
地下径流是水在地下土壤孔隙和岩石裂隙中流动形成的水流。
2. 河流水文特征- 流量:单位时间内通过河流某一断面的水量,其大小取决于河流的补给类型(如雨水补给、冰雪融水补给等)、流域面积等因素。
例如,以雨水补给为主的河流,流量随降水量的季节变化而变化;以冰雪融水补给为主的河流,流量在夏季气温高时较大。
- 流速:与河流的落差、河道宽窄等有关。
落差大、河道窄的河段流速快。
流速影响河流的侵蚀、搬运和沉积作用。
- 水位:河流中某一地点的水面高程。
水位受流量、河道形态等因素影响,洪水期水位高,枯水期水位低。
- 含沙量:单位体积河水中所含泥沙的质量。
其大小与流域内的植被覆盖、土壤性质、降水强度等有关。
植被覆盖率低、土壤疏松、降水强度大的地区,河流含沙量往往较高。
- 结冰期:是否有结冰期以及结冰期的长短取决于河流所在地区的气温。
最冷月均温低于0℃的河流一般有结冰期,而且纬度越高,结冰期越长。
1.1.水文学第一章

表1-4地下水温度分类(℃)
类型 温度
非常冷水 <0
极冷水 0-4
冷水 4-20
温水 20-37
热水 37-42
极热水 42-100
沸腾水 >100
四、水的密度
1、纯水的密度
水分子有三种结构形式:①四面体结构;②类石英晶体结构; ③最紧密的堆积结构。分子数相同时,第一种结构体积最大,第 三种结构体积最小。温度一旦增减,三种形式分布就要发生变化。 温度变化直接影响水的密度变化,见表1-6.
的热量而不损害其稳定性。0℃水直接蒸发潜热为2500J/g,100℃
汽化潜热为2257J/g, 0℃冰融解潜热为1404J/g,冰直接升华潜热为
1401+2500=3901J/g。
三、水温
水的温度是一很重要的物理特性,影响水中生物、水体净化和 人类对水的利用。太阳辐射是主要热源之一。
1、海水的温度 热量收支、水平和垂直分布、时间变化(日、月、年)、海冰 (24.695*10-3、-1.332℃)。 2、河水温度 农田灌溉、水生养殖、水工建筑物等有重要意义。受太阳辐射、 气温等地带性因素控制,因而体现地带性规律。还受补给源影响, 有时空上变化。我国河流水温受大陆性气候影响年变幅大 日变幅小。
第1章 地球上水的性质与分布 (2学时)
• 地球上水的物理性质
• 地球上水的化学性质
• 地球上水的分布与水资源
§1.1 地球上水的物理性质
• 主要内容 • 水的形态及其物理性质 • 水的热力学性质 • 水温 • 水的密度 • 水色与透明度
一、水的形态及其转化
地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在,在常温下三相 可以相互转化。
四、水体的化学性质
在水文循环过程中,水经历了各种各样的环境,携带各种物质 一起迁移,并常常由一种形态转化为另一种形态,导致各种元素在 不同水体中的分散和富集。
水文地质学基础 第一章 地球上的水及其循环.

重点掌握:
水文循环:循环范围,大循环,小循环, 水文循环的作用
地质循环:循环范围,初生水、再生水的定义 水文循环与地质循环的区别
3.大气圈分层:
根据大气的热力性质,自地表向上可将大气圈分为5层:
外层 热层 中层 平流层
对流层最接近地表, 其物理状态及运动规律是 影响水文循环和水资源分 布最重要的因素。
对流层
(二)大气的热源
太阳的热辐射是地表和大气的最主要热源。 地表是大气的第二热源。 地表的热力状况在空间和时间上的变化,直接 引起大气物理状态的变化。
1.3 与水文循环有关的气象、水文因素
一、气象因素 (一)大气圈的结构
1.大气的主要成分: N2(78%)、O2 (21%) 、CO2、 臭氧、水汽及固态尘埃等。
2. 水汽在大气圈中的分布:不均匀 水平方向:赤道带2.6%,北纬70°处0.2%,90°纬度 带0.9%; 垂直方向:下部3.5km为总量的70%,下部5km为总量的 90%,再往高处水汽含量十分稀少。
。
3. 绝对湿度、饱和水汽含量、相对湿度的定义及相互关系;
6.在水文学中常用
等特征值说明地表径流。
气压在水平和垂直方向上都有差别,气压的 差别引起气流,而气流运动使大气中的水分与热 量重新分配,从而引起各种复杂的天气现象。
3.湿度
绝对湿度(m/e):某一地区某一时刻空气中水汽的含量。 重量单位:用g/m3表示,符号为m; 压力单位:用mmHg或毫巴(1毫巴=102Pa)表示, 符号为e。
饱和水汽含量(M/E):某一温度下,空气中可容纳的最 大水汽数量。 随着气温升高而增大。代号分别为M或E。 相对湿度(r) = 绝对湿度 = (e/E)×100%
第1节 地球上的水

地表和地下径流水= 一段时间内降水的量— 同期蒸发损失的水量
世界面临的水问题
全球水资源的分布特点
1、空间分布不均衡。 ( 全球200多个国家和地区中,水资源最丰 富的是南美的巴西,其次是俄罗斯、加拿大、 美国、印尼和中国。)
2、人均水资源拥有河流700多条, 大小湖泊数百座。全年水量充沛,年平均江河径流量 总量达27000亿立方米,在世界200多个国家中居第6位。
三、水的循环
海洋水、陆地水和大气水之间的互相转换和运动 1、水循环的环节(观察水循环图) 目前人类可以对水循环施加影响的是 地表径流。 海陆间循环 水循环 海上内循环 陆上内循环
水汽输送 蒸 发
蒸 腾
蒸 发 下 渗
降 水
地表径流
降 水
地下径流
2、水循环动力 外因:太阳辐射和地球引力 内因:水的三态变化
一个健康的成年人每天平均约需2.5升水。 每天我们体内的水分又是通过哪些途径排出体外的? 形成尿液排出;通过排汗排出;通过呼吸排出。
3、生物为适应不同水分条件而形成特定的行 为和生理结构
五、水与生命
3、生物为适应不同水分条件而形成特定的行 为和生理结构
仙人掌形成叶刺,减少水分蒸腾。
五、水与生命
骆驼通过关闭汗腺可以在较长 时间内保持体内的水分,并且 通过嗅觉系统可以在数千米以 外“闻到”水源。 许多热带雨林地区的树木, 由于空气中的水分很多, 往往在树茎上长出“气 根”。
今年入夏以来的第 三次洪峰即将抵达黄河小浪 底库区,沿岸军民积极准备, 确保洪峰安全通过。
中国的水资源:时间分配不均匀
——
夏季丰富,冬季缺乏,北方尤其明显。
由
东
到
西
五、水与生命
水文学(黄锡荃)第一章 地球上水的性质和分布

1.3 地球上水的分布与水资源
1.3.1 地球上水的分布
地球上的总水量为大约13.86亿立方千米
44
视频资源:水的星球
思考:地球上为什么会有那么多水?
45
1.3 地球上水的分布与水资源
1.3.2 水资源涵义与特性
• 广义水资源
o 世界上一切水体,包括海洋、河流、湖泊、沼泽、 冰川、土壤水、地下水及大气中的水分
21
1.2 水的化学性质
1.2.2天然水的矿化过程 • • • • • • 溶滤作用 吸附性阳离子交替(交换)作用 氧化作用 还原作用 蒸发浓缩作用 混合作用
22
溶滤作用
• 溶滤
o 土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。当地 动态 表水或地下水流经土壤或岩石时,在与其密切 接触过程中,不断地溶解其中常含有的易溶盐 类,从而提高了矿化度。 静态 o 溶解
4
1.1 水的物理性质
1.1.1水分子极性结构
o 较强的表面张力
水表面的水分子由于上层空间气相分子对它的吸引力小于 内部液相分子对它的吸引力,产生垂直指向液体内部的合 力,结果导致液体表面具有自动缩小的趋势,这种收缩力 称为表面张力。 如果液面是平面,表面张力就在这个平面上。 如果液面 是曲面,表面张力就在这个曲面的切面上。
36
舒卡列夫分类当量比例计算
项目 mg/l ClSO4
2-
HCO3
-
Ca2+ 99.8
Mg2+ 32.1
Na+ 145.8
132.8 291.1
253.2
mmol/l
毫克当 量/升 毫克当 量%
3.75
3.75 26.9
3.03
6.06 43.4
水文学-第一章 地球上水的性质与分布

2011级地理科学
第一章 地球上水的性质与分布
一、天然水的化学性质
– 1.地下水温度变化规律 – 2.地下水温度分类
状态 非常冷水 极冷水 冷水
温度
<0℃
0℃—4℃
4℃— 20℃
温水
20℃— 37℃
热水
37℃— 42℃
极热水
42℃— 100℃
沸水 >100℃
– 3.地下热水分类
相 类型 热水名称 水温(℃)
低温热水
液相 热水 中温热水
高温热水 低温过热水
液气相 过热水
••• 影水日•响温变最水年深低温变度:年的一4变地般时的理可—因分达6时素布10有规—:律20太:米阳,辐最射高、可洋过流60性—质70、米季。风和海陆位置。 • 从赤道和热带海区向中纬海区增大,然后向高纬海区减小; • 在同一热量带,大洋西侧较东侧变幅大,靠近海岸地区更大; • 南北两半球相比,北半球各纬度带的年较差大于南半球; • 水温年变深度,一般可达100—150米,最大深度可达500米左右。
2011级地理科学
第一章 地球上水的性质与分布
一、水的形态及其转化
• (一)水分子的结构
– 1、单水分子结构
• 单水分子结构图 • 氧原子附近形成负极,氢原子附近形成正极;水分子具有
极性。
– 2、水分子聚合体
• 由于水分子具有极性,故有聚合体。 • 双水分子聚合体 • 三水分子聚合体
2011级地理科学
第一章 地球上水的性质与分布
五、水色与透明度
• (二)透明度
– 1.透明度:表示各种水体能见程度的一个量度。 – 2.测量方法:透明度板(白色圆盘直径为30cm米),
第1章 第1节 地球上的水

学生姓名:上课时段:上课日期:阮老师编辑第1节地球上的水〖要点整理〗1.水的分布⑴从物质状态上看:水在地理环境中以固态、液态、气态三种形式相互转化,形成各种水体,共同构成了一个连续的圈层——水圈。
⑵从空间分布上:①海洋水:占全球水储量的96.53%,是地球水的主体。
②大气水:数量虽少,但是成云致雨的必要条件。
③陆地淡水:包括冰川水、地下淡水、湖波淡水、河水、生物水等,数量虽不多,但在自然环境中作用巨大,冰川水是地球淡水的主体。
人类利用的淡水主要是浅层地下水、河流水、湖波淡水。
2.水的循环⑴形成原因:内因:水的物理性质,即水随温度的改变,以固态、液态、气态三种形态出现,因而使水分在循环过程中的转移、交换成为可能。
外因:太阳辐射和地心引力。
⑵水循环的主要环节和类型:①水循环的环节主要包括蒸发、凝结、水汽输送、降水、径流输送。
②水循环的类型:海上内循环是水量最大的水循环方式;陆地内循环水量小,但也能使陆地淡水得到更新补充,对干旱地区尤为重要;海陆间循环也叫大循环,是陆地淡水得以补充和更新的最重要途径。
⑶水循环的意义:①维持全球的水量平衡;②使陆地上淡水资源得到更新。
③不断地塑造着地表形态。
⑷水资源的分布:从全球范围看:赤道附近地区和沿海地区水资源往往比较丰富,而内陆和沙漠地区,水资源则比较贫乏。
我国是一个缺水国家,空间上分布不均,北少南多;时间上分布不均,夏多冬少。
3.水与生命(1)水是地球生命有机体的组成之一。
(2)水参与地球生物体的活动过程,即生物的生命活动也离不开水。
(3)长期生存在不同水分条件下的生命体,为了适应当地水分供给特点,往往会形成特定的行为特点和生理结构特点。
总之,水对生命活动可以说是至关重要的。
对人来说,水比食物更重要。
〖例题解析〗)A.大气的水汽运输B.地表径流C.大气降水D.海洋水的蒸发分析与解答:水循环可分为海陆间循环、海上内循环、陆上内循环。
水循环的主要环节有:蒸发、降水、水汽输送、地表径流、下渗、地下径流、植物蒸腾等。
第一章地球上的水及其循环

外 太平洋 流 印度洋 河 北冰洋 域 总计 内流河域 全国合计
中国水系 北冰洋流域
内流区域
太平洋流域 印度洋流域
三
全球水量平衡
年水量( 水量平衡要素 年水量(km3)
降水量 径流量 蒸发量 降水量 蒸发量 降水量 径流量 蒸发量 降水量 蒸发量 110000 47000 63000 9000 9000 458000 47000 505000 577000 577000
一、主要气象因素
气温: 气温:地表的热力状况随时间和空间的变化必然导致
气温的相应变化。 气温的相应变化。 气压:由于大气的质量随高度增加而降低, 气压:由于大气的质量随高度增加而降低,因此压力 也随高度增加而降低。而地表热力状况的差异, 也随高度增加而降低。而地表热力状况的差异,则造 成气压在水平方向的变化。 成气压在水平方向的变化。 某一地区某一时刻空气中水汽的含量。 绝对湿度 某一地区某一时刻空气中水汽的含量。代 湿度:大气中水汽含量构成了空气湿度。 湿度:大气中水汽含量构成了空气湿度。水汽具有重 表符号:重量单位m,压力单位e 表符号:重量单位 ,压力单位 所以也有压力。 量,所以也有压力。,空气中可能被容纳的水汽数量称为饱和 某一温度下, 某一温度下 蒸发: 水汽含量(M或E)。 蒸发:常温下水由液态变为气态进入大气的过程 水汽含量( 或 )。 一个地区降水量的大小, 降水 :一个地区降水量的大小,决定了该地区水资 r=e/E 相对湿度:绝对湿度和饱和水汽含量之比。 相对湿度:绝对湿度和饱和水汽含量之比。 = 源的丰富程度
与水文循环有关的气象、 第三节 与水文循环有关的气象、 水文因素
影响水文循环的因素
(1)气象因素 ) (2)自然地理条件 ) 3) (3)人类活动等 无论哪种因素如果其影响的结果是: 无论哪种因素如果其影响的结果是:有利于蒸 发,不利于径流,就会促进内陆水文循环。 不利于径流,就会促进内陆水文循环。
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地球总水量13.86×108km3,其中每年平均仅57.7×104km3的水参与水循环,按此速度全部水量 循环一次,或者说全部水量更新一次,需要2400年。
• 1.4 地球水圈在地球系统中的作用
• 1.4.1 水是生命的介质
水的许多宝贵特性,像异常高的溶解能力,在溶解物质作用下其 化学性质不变等,对于地球上生命的诞生和发展具有重要意义。
百分数(%)
占总淡水量
30.1 0.05 68.7
0.86 0.26 0.03 0.006 0.04 0.003 100
• 第1章 地球上的水
• 1.2 水——不寻常的寻常物质
• 特别高的冰点和沸点 • 特别大的融化和蒸发潜热 • 特别大的比热容 • 反常的热膨胀和密度变化 • 万能的溶剂
• 第1章 地球上的水
• 1.4.4 水是所有生物机体的主要组成
地球上所有生活或多或少都含有水,平均含80%。也就是说,有机体几乎4/5 的重量是水。据水文学家估计,地球上所有的动植物和人含有近11200亿t水,相 当于同时灌满世界上所有河床的水量的一半。
1.4.5 水是生态系统中的重要元素
1.4.6 水是地球气候的调节器
答:事实上,地球可以从宇宙空间获取水分,也可以向宇宙空间散失水分,还可以从地球内部 析出化合水。水从宇宙空间进入地球通过两种途径:一是随降落的陨石带来,据估计这一项每 年平均约0.5km3;另一是在大气圈上层由太阳来的质子形成的水分子,这一项数量难以估计。在 大气圈上层,由于太阳紫外线的作用,水蒸气分子可以离散为氢原子和氧原子,使水在宇宙中 消散。大体上可以认为,地球从宇宙获得的水量等于消失在宇宙中水量,进出基本平衡。
海洋净蒸发 4.48×104km3
陆地
入海总径流 4.48×104km3
海洋
图3-2 全球水文循环量的基本格局
• 1.3 水文循环与水量平衡
• 1.3.2 全球水量平衡 • 从全球看,平均每年总蒸发量为57.7×104km3,总降水量也是57.7×104km3,
达到平衡。 • 问题:是否可以认为地表的水分既不消失,也不增生,地球是一个封闭系统呢?
在补充大气圈的氧的过程中,起重要作用的不是高等地面植物,而是聚集于海洋表面 的细小的藻类植物—浮游植物。植物在光合作用中输送到大气中的氧,每年约有1500亿t。
• 1.4 地球水圈在地球系统中的作用
• 1.4.3 水参与人体内所有生命作用
人体中的消化作用、物质交换、血液循环、组织的合成,都是在水溶液中 完成的,并都有水的参与。
• 1.3 水文循环与水量平衡
• 1.3.1水文循环
• 自然界的水在太阳能的作用下,不断地从水面(海洋、河流、湖泊等)、陆地 和植物表面蒸发,化为水汽升到高空,然后被气流带到其他地区。在适当的条 件下水汽凝结,又以降水的形式降落到地面和水面上。到达地面的水,在重力 的作用下,一部分渗入地下,一部分形成地面径流流入江河,汇入海洋,还有 一部分重新蒸发回到空中。
• 1.3 水文循环与水量平衡
• 1.3 水文循环与水量平衡
• 大循环:
• 由海洋到大陆,又回到海洋的循环称为大循环,或外循环;
• 小循环:
• 由陆地到空中又回到陆地,或由海洋到空中又回到海洋的循环,称为小循环。
• 前者又可称为内陆小循环,后者称为海洋小循环。
水汽净输送 4.48×104km3
内地净降水 4.48×104km3
24.0614
1.74
(21.6) (2.34) (0.0835) (0.0406)
0.3
0.022
0.1764
0.013
(0.091)
(0.0845)
0.01147
0.0008
0.00212
0.0002
0.0129
0.001
0.00112
0.0001
1385.984610
100
35表.02191-010 地球上水的分2布.53
元素
氯
纳
氧
钾
钙
其他
海水ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
55.0
30.6
5.6
1.1
1.2
6.5
人血
49.3
30.0
9.9
1.8
0.8
8.2
• 1.4.2 水是大气圈中氧的源泉
水分子和二氧化碳(CO2)在植物(包括海藻)光合作用下,克服了氢、氧原子的结合 力,分解出氧,排入空气中,留下(C)和氢(H)用于植物生长。这是地球上最大的生 物化学过程之一。
• 渗入地下的部分,或者通过土壤蒸发,或者通过植物散发回到空中,或者通过 地下途径排入江河,汇入海洋,完成水循环。
• 水的这种永不停止的循环过程,称为水循环或水文循环。
• 水文循环是自然界中最重要、最活跃的物质循环之一。
水循环
内因:水的三种物态在常温条件下可以相互转化 动力:太阳辐射和地心引力
• 第1章 地球上的水
第一篇 水文学与水资源
第1章 地球上的水 第2章 大气——陆地水分交换 第3章 地表以下的水文系统 第4章 流域水文 第5章 水文分析与预测 第6章 水资源评价与配置
• 第1章 地球上的水
• 1.1 • 1.2 • 1.3 • 1.4 • 1.5
地球——水的行星 水——不寻常的寻常物质 水文循环与水量平衡 地球水圈在地球系统中的作用 水——宝贵的自然资源
水圈除了通过调节气温影响气候外,陆地上水量分布的不均匀也是造成各地 气候不同的重要因素。
干旱系数a=E0/P
式中:E0为平均年蒸发能力;P为平均年降水量。
• 1.1
地球——水的行星
分布场所
海洋 地下水 (其中淡水) (土壤水) 冰雪水 (其中南极) (格陵兰) (北极) (山区) 地下水(永冻带)
湖泊 (其中淡水湖)
(咸水湖) 沼泽 河道 大气 生物
总水量 总淡水量
水量
(×108km3)
占总水量
1338.00
96.5
23.40
1.7
(10.53)
(0.0165)
• 第1章 地球上的水
• 1.1 地球——水的行星
岩石圈 人类生活的地球由4个部分组成 水圈 (水圈在其中起着核心作用)
大气圈 生物圈
地球是太阳系中至今了解唯一存在的三相水的行星。根据最新资料,地球上 有13.86×108km3的水。若平铺地表,足以形成一个厚达2700m的水层。
液态 三相 固态
气态
• 第1章 地球上的水
• 1.1 地球——水的行星
地球表面面积:5.1×108km3 海洋面积:3.6×108km3 陆地面积:1.5×108km3
海洋面积占地球表面面积的7/10; 陆地面积占地球表面面积的3/10;
根据这一点,地球可以称为水的行星或 海洋行星。
地球表面面积
陆地面积 海洋面积
• 第1章 地球上的水