水文学重点压缩版

1.3 水文现象的主要特点
水循环过程中，水的存在和运动的各种形态，统称为水文现象。 一、水文循环永无至尽。 二、水文现象在时间变化上既具有周期性又具有随机性。 三、水文现象在区域分布上存在相似性，又存在特殊性。
降雨截留再分配：乔木层穿透雨、树干茎流、灌木层穿透雨、草本层穿透雨、枯落物层穿 透雨、林冠截留 积雪调查：积雪厚度、雪密度、不同郁闭度下积雪特点 遇到的问题：人为的干扰、冰冻期很长、低温对电池的影响
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影响因素：太阳辐射、洋流性质、季风、海陆位置 2 .河水 河水的水温受太阳辐射、气温的控制，还受补给来源的影响。 河水水温大致与气温一致，畋高 1～2° 。河水水温分布比较均匀，但 年变幅大。 3. 湖泊、水库 温度受气温和内部的紊动、对流影响。时间变化明显。 4.地下水的水温 受埋藏条件的影响而表现的不同。如极地与新火山，深与浅。 三、水的密度（了解） 四、水色和透明度 水色是水体对光的选择吸收和散射作用的结果。与水中的悬浮物质、浮游 生物的颜色有关。纯水的颜色是无色的，海水一般为蔚蓝色，不同水体呈现不同 的颜色。通常用比色计测定。 （21 种颜色，由深蓝到黄绿直到褐色，以 1~21 代 表水色） 。 透明度是表示各种水体能见程度的一个量度。也是各种水体混浊程度的一 种标志。
绪论 1.1 水文学的概念
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。
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自然界的水总是以一定的水体形态存在的， 这些水体就成为水文学的主要研 究对象。水体是指以一定形态存在于自然界中水的总称。
1.2 水文学的发展历史
一、萌芽时期(远古至约公元 1400 年) 本阶段特点是：开始了原始观测，水文现象的定性描述及经验积累。 二、奠基时期(约 1400～1900) 本阶段特点是水文现象由概念性描述进入定量的表达，水文理论逐渐形成。 三、应用水文学兴起时期(约 1900～1950) 本阶段特点是水文观测理论体系进一步成熟，应用水文学进一步发展。 四、现代水文学 本阶段特点是引进遥感、电算等新技术、新方法，重点开展水资源及人类活 动水文效应的研究，分支学科不断派生，研究方法趋向综合。
三、全球水量平衡方程 全球水量平衡由海洋和陆地水量平衡组成： （一）海洋水量平衡方程式
P 海 + R－E 海 =Δ s 海
多年平均状态下 Δs _ 海 →0
式中
（3-3） （3-4）
P海 R E 海 0
_
_
P 海，E 海，R 分别为海洋上任意时段降水量、蒸发量及入海径流量；
P 海， E 海， R 分别为海洋上多年平均降水量、蒸发量与入海径流量；
第三章 地球的水循环与水量平衡
第一节 水循环概述
一、水循环基本过程 （一）水循环基本过程 地球表面的广大水体，在太阳辐射作用下，大量水分被蒸发，上升至空中， 为气流带动输送至各地，在水汽上升和输送过程中，遇冷凝结而以降水形式降 落到地面或水体上，再以河流或地下水的形式汇入海洋。水分这样往返不断转 移交替的现象叫水循环。 整个过程可分解为水汽蒸发、水汽输送、凝结降水、水分入渗，以及地表、 地下径流等 5 个基本环节。 （二）水循环机理 1、水循环服从质量守恒定律 2、太阳辐射与重力作用，是水循环的基本动力。 3、水循环广及整个水圈并深入到大气圈、岩石圈和生物圈。
第二节 水量平衡
一、水量平衡原理 所谓水量平衡， 是指根据物质不灭定律， 对任意选择的区域， 在任意时段内， 其收入（输出）的水量与支出（输出）的水量之间差额必等于该时段区域内蓄水 的变化量，这就是水量平衡原理。 二、通用水量平衡方程 基于上述水量平衡基本原理，可列出如下水量平衡方程式的通式： 微分形式：I-Q=ds/dt 差分形式： I t t s I 为水量收入项， Q 为水量支出项，△ s 为计算时段内蓄水变化量 对于陆地上任一区域来说，可将上式写为如下方程式：
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Δ s 海为海洋蓄水变化量。
（二）陆地水量平衡方程式 1. 外流区水量平衡方程 对于外流区来说，任意时段的水量平衡方程为：
P 外-E 外-R 地表-R 地下=△s 外 （3-5）
对于多年平均而言 Δs 外→0，并以 R = R 地表 + R 地下，则有
_ _
P外 E 外 R 0
（3-6）
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1、溶解气体含量近于饱和 2、降水普遍显酸性 全球变化、全球变暖、温室效应、碳循环等研究成为目前全球的热点。 （二）海水的化学组成及特点 主要元素有： 氯钠镁硫钙钾溴碳锶硼硅氟等 12 种，海水中的这 12 种元素的 比例几乎不变，因此称为海水组成的恒定性。 海水盐度：单位质量海水中所含溶解物质的质量，称为海水盐度。 （三）河水的化学组成特点 1、河水的矿化度普遍低，一般不超 1g/L。 2、河水中各种离子的含量差异较大。 3、河水化学组成的空间分布有差异性。 （流域越大，流程越长，河水的矿化 度越大） 。 4、河水的化学组成的时间分布变化明显。 （四）湖水的化学成分特点 1、湖水的矿化度有差异。 按矿化度，通常将湖泊划分为淡水湖（<1 克/升） 、微咸水湖（1－24.7 克/ 升） 、咸水湖（24.7-35 克/升）和盐湖（>35 克/升）四种类型。在湿润地区，降 雨大于蒸发，水流交替条件好，矿化度低，为淡水湖。在干旱地区，蒸发大于降 雨，导致湖中盐分积累，矿化度提高，形成咸水湖或盐湖。 2、湖中生物作用强烈。 3、湖水交替缓慢，深水湖有分层性。随水深增加，溶解氧降低，CO2 升高。 （五）地下水的化学特征 1、地下水与土壤、岩石广泛接触，速度缓慢，交替缓慢，可溶性物质多， 矿化度较高。 2、矿化度变化范围大，从淡水到盐水。如甘肃地下水的灌溉，1－50m，淡 水，100m 以下，咸水。 3、地下水的化学成分的时间变化极为缓慢，常以地质年代衡量。 4、地下水与大气接触有较大的局限性，仅限于距地表最近的含水层，可容 入氧气成为地下氧气作用带。但地下水中 CO2 含量较多。
P+E1+R 表+R 地下+S1 = E2+R′表+R′地下+q+S2
式中
（3-2）
P 为时段内降水量； E1、E2 分别为时段内水汽凝结量和蒸发量； R 表和 R′表分别为时段内地表流入与流出的水量； R 地下、R′地下分别为时段内从地下流入与流出的水量； q 为时段内工农业及生活净用水量； S1、S2 分别为时段始末蓄水量。
第二章 地球上的水的性质与分布
第一节 地球上的水的物理性质
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， 在常温条件下三相可以互相 转化。 二、水温 1. 海水 分布特点： 水温从低纬向高纬递减， 北半球高于南半球， 在南北纬 0°～30° 之间印度洋水温最高，在南北纬 50°～60°之间大西洋水温相差悬殊。大洋东 西两侧水温差异明显。垂直分布呈不均匀递减的趋势。
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4、全球水循环是闭合系统系统，但局部水循环却是开放的系统。 5、地球上水分循环过程中总是有一些物质一起运动，但这些物质不可能象 水分一样构成完整的循环系统。 二、水循环的类型 1. 大循环发生于全球海洋与陆地之间的水分交换过程，由于广及全球，故 名大循环，又称外循环。大循环的主要特点是，在循环过程中，水分通过蒸发与 降水两大基本环节，在空中与海洋，空中与陆地之间进行垂向交换，与此同时， 又以水汽输送和径流的形式进行横向交换。 2. 小循环是指发生于海洋与大气之间，或陆地与大气之间的水分交换过程。 小循环又称内部循环，前者又可称为海洋小循环，后者称陆地小循环。 海洋小循环主要包括海面的蒸发与降水两大环节，所以比较简单。陆地小循 环可进一步区分为大陆外流区小循环和内流区小循环。 水循环三种不同的尺度：全球水文循环、最完整的水文循环；流域或区域 水文循环 水—土（壤）—植（物）系统水文循环
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从利用方式上分消耗水量和借用水量两种。消耗水量：灌溉、生活用水、工 业用水等。 借用水量：发电、养鱼、航运等。还有非经济效益用水：生态效益、景观效 益等。 4. 利与害的两重性 “水能载舟，也能覆舟”。 由于降水和径流的地区分布不平衡和时程分配的 不均匀，往往会出现洪涝、旱碱等自然灾害。开发利用水资源不当，也会引起人 为灾害， （三）我国水资源的数量与分布 参照降水量与蒸发量的地区分布，全国大致可划分为丰水、多水、过渡、少 水及缺水五个明显不同的地带。 （四）我国水资源开发利用现状
第三节 地球上水的分布与水资源
二、水资源 （一）水资源的涵义 水使用价值表现为水量、水质和水能、景观四个方面。 按此含义， （1）地球上所有的水都直接或间接的影响着人类的生活，都可视为水 资源。因而，通常所说的水资源， （2）是指大陆上可供生产、生活直接利用的江 河、湖沼以及储存在地下的淡水资源。 （3）而最能反映该地区水资源数量特征的 就是河川径流量及部分浅层地下水。 （二）水资源的特性 水资源有着许多与其它自然资源不同的特性，这些特性表现为补给的循环 性、变化的复杂性，利用的广泛性和利与害的两重性。 1. 循环再生性和有限性 2. 时空分布的不均匀性。表现为两个方面：一是地区分布的不均衡，另一 个方面是变化的不稳定性。 3. 利用上的广泛性
第二节 地球上水的化学性质
一、天然水的化学成分 1、悬浮物质： 2、胶体物质 3、溶解物质： 天然水中的盐类主要有八大离子: 即四个阳离子：K+、Na+、 Ca2+、Mg2+， 四个阴离子：Cl-、HCO-、SO42-、CO32矿化度：天然水中各种元素的离子、分子和化合物的总量。通常用 g/l 表示 二、天然水中的矿化作用 1、溶滤作用：土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。按其溶解性能可分 为两类：一类是全等溶解矿物，例如，氯化物、硫酸盐、碳酸盐；另一类是不全 等溶矿物，主要是硅酸盐和铝硅酸盐。 2、吸附性阳离子交替作用：天然水中离子从溶液中转移到胶体上，是吸附 过程。同时胶体上原来吸附的离子，转移到溶液中，叫解吸过程。吸附和解吸的 结果，表现为阳离子交换。其特征有：①离子交换是可逆反应，处于动态平衡； ②离子交换以当量关系进行；③离子交换遵守质量作用定律。 胶体对各种离子的吸附能力不同，并有如下顺序： H+>Fe3+ > Al3+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+ > k+ > NH4+ > Na+ 3、氧化作用：包括使岩石中的矿物氧化和水中有机物氧化。 4、还原作用：在还原环境里，天然水若与含有机物的围岩（油泥、石油等） 接触，或受到过量的有机物污染，碳氢化合物使水中的硫酸盐还原的过程。 5、蒸发浓缩作用：在干旱地区，内陆湖和地下水正在经历盐化过程，使各 种类沉淀，而形成多种多样的盐湖。 6、混合作用：雨水渗入补给地下水，地下水补给河水，河水注入湖泊或大 海，河口段的潮水上溯，滨海含水层的海水入侵等，都是天然水的混合，从而使 水发生矿化度和化学组成的变化。 三、水体的化学性质 （一）大气水的化学组成及特点
2. 内流区水平衡方程 (内流区水循环系统基本上呈闭合状态， 除上空存在与外界水汽发生交换外， 内流区的降水最终全部转化为蒸发，没有水量入海。因此在多年平均情况下的水 _ _ 量平衡方程，具有最简洁的形式：)（了解） P内 E内 （3-7） 3. 陆地水量平衡方程 将上述外流区和内流区水量平衡方程组合起来， 就构成整个陆地系统的水量 平衡方程。 _ _ _ _ _ （3-8） （P外 P内） （E外 E内） R 还可以写成：
南水北调三条调水线路建成后，将与长江、黄河、淮河和海河四大江河相联，构成以“四横 三纵”为主体的总体布局，实现我国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局。 复习思考题 1. 海水温度分布有何特点？ 2. 湖泊水温分布有何特点？ 3. 试述天然水化学成分的主要组成？ 4. 试述天然水的矿化过程。 5. 试述天然水的分类。 6. 大气水化学有何特征？ 7. 海水化学有何特征？ 8. 何谓海水盐度？海水盐度的时空分布如何？ 9. 河水化学有何特征？ 10. 地下水化学有何特征？ 11. 湖水化学有何特征？ 12. 试述水资源的涵义及特性？