水文学原理(二水文循环).ppt

水的密度水的密度v大部分液体的密度是随温度的升高而减小的，但水的密度在4C时最大。v当水的温度从0C上升到4C时，水的密度反而随温度的升高而增大。v水的密度异常还表现为0C的冰的密度比0C的液态水的密度减小约10%。水的冰点和沸点水的冰点和沸点v在标准大气压下，纯水的冻结温度为0C，沸点为100C，与其他氢化物比较几乎都是偏高的。v水的比热不仅比其他液体和固体为大，而且随温度也呈奇异变化。水的传热性水的传热性v水的传热性比其他液体小。在20C时水的传热率为0.5987J/(m s C)v冰的传热率为2.261J/(m s C)v雪的传热率更小，当雪的密度等于0.1kg/L时为0.093J/(m s C)水的表面张力水的表面张力v水的表面张力特别大，其他液体，除水银外，在常温下表面张力都是比较小的。v水对一般固体(石蜡除外)的附着力大于内聚力，故水能够很容易地湿润固体。水的压缩率水的压缩率v水的压缩率很小，其体积压缩系数为4.710-5/1个大气压v水几乎是不可压缩的水文循环水文循环过程过程v自然界的水在太阳能和大气运动的驱动下，不断地从水面(江、河、湖、海等)、陆面(土壤、岩石等)和植物的茎叶面，通过蒸发或散发，以水汽的形式进入大气圈。v在适当的条件下，大气圈中的水汽可以凝结成水滴，小水滴合并成为大水滴，当凝结的水滴大到能克服空气阻力时，就在地球引力的作用下，以降水的形式降落到地球表面。v到达地球表面的降水，一部分在分子力、毛管力和重力的作用下，通过地面渗入地下；一部分则形成地面径流，在重力作用下流入江、河、湖泊，再汇入海洋；还有一部分通过蒸发和散发重新逸散到大气圈。v渗入地下的那部分水，或者成为土壤水，再经由蒸发和散发逸散到大气圈，或者以地下水形式排入江、河、湖泊，再汇入海洋。水文循环水文循环(hydrological cycle)的定义：的定义：地地球球上上的的水水在在太太阳阳辐辐射射作作用用下下，不不断断蒸蒸发发变变成成水水汽汽上上升升到到空空中中，被被气气流流带带动动输输送送到到各各地地；在在输输送送过过程程中中水水汽汽遇遇冷冷凝凝结结，形形成成降降水水降降落落到到地地面面和和海海洋洋；降降至至地地面面的的那那部部分分水水直直接接进进入入河河流流或或渗渗入入地地下下并并补补给给河河流流，再再流流入入海海洋洋。水水分分这这种种往往返返循循环环、不不断断转转移移交交替替的的现现象象称称为为水水文文循循环环或或水水循循环环。水文循环定义水文循环定义水的这种既无明确的“开端”，也无明确的“终了”的永无休止的循环运动过程称为水水文文循循环环，又称水分循环或水循环水循环。水分由海洋输送到大陆，又回到海洋的循环称为大循环大循环或外循环外循环。水分由陆地输送到陆地，又回到陆地，或由海洋输送到海洋，又回到海洋的循环称为小小循循环环或内内循循环环。前者叫做内陆小循环，后者叫做海洋小循环。水文循环的作用和意义水文循环的作用和意义自然界水文循环的存在，不仅是水资源和水能资源可可再再生生的根本原因，而且是地球上生命生生不息，能千秋万代延续下去的重要原因之一。由太阳能驱动的水文循环导致了地球上降水量和蒸发量的时时空空分分布布不不均均匀匀，这不仅是地球上有湿润地区和干旱地区的区别，而且是有多水季节和少水季节、多水年和少水年区别，甚至是地球上发生洪、涝、旱灾害的根本原因，同时也是地球上具有千姿百态自然景观的重要条件之一。水文循环是自然界众多物质循环中最重要的物物质质循循环环。水是良好的溶剂，水流具有携带物质的能力，自然界有许多物质，如泥沙、有机质和无机质均会以水作为载体，参与各种物质循环。不不见不散不散 v：这是喜马拉雅山，这是尼泊尔，这是青藏高原。由于印度洋暖湿气流的影响，尼泊尔王国温暖湿润，四季如春，而山的北麓由于寒冷则终年积雪，如果沿着山腰打开一条通路，将湿气引到山的这一边来，那中国的青藏高原该会变成多少鱼米之乡呵！v：你把这个想法献给国家吧,我敢保证藏族人民一定不会亏待你的。v：拉倒吧,真要是暖流吹过去,冰雪化了,青藏高原是富了,下面的二十几个省全泡水里了。汉族人民该跟我急了。3 3 水文循环的尺度水文循环的尺度水文循环的尺度水文循环的尺度v全球水文循环v流域或区域水文循环v水土（壤）植（物）系统水文循环全球水文循环全球水文循环全球水文循环是空间尺度最大的水文循环，也是最完整的水文循环，它涉及到大气、海洋和陆地之间的相互作用，与全球气候变化的关系密切。1986年美国水文学家伊格尔森将研究这一问题的学 科 称 为 全 球 尺 度 水 文 学 或 大 尺 度 水 文 学(Macrohydrology)。以陆地上的年降水量为基准，全球水循环中的水量关系以陆地上的年降水量为基准，全球水循环中的水量关系（100119,000 km3/year)，水文手册水文手册by D.R.Maidment,1993全球水循环全球水循环中的水量中的水量1)1)在垂直方向：大气与地球表面之间通过降水和蒸在垂直方向：大气与地球表面之间通过降水和蒸发进行垂向水分交换，在全球尺度降水等于蒸发。发进行垂向水分交换，在全球尺度降水等于蒸发。2)2)在横向，即海洋和陆地之间的水分交换，包括：在横向，即海洋和陆地之间的水分交换，包括：l 海海洋洋向向陆陆地地输输送送水水汽汽而而陆陆地地也也向向海海洋洋输输送送水水汽汽（是是双双向向交交换换），总总的的结结果果是是水水分分以以水水汽汽形形式式由由海洋向陆地输送；海洋向陆地输送；l 陆地以地面径流和地下径流的形式向海洋输送；陆地以地面径流和地下径流的形式向海洋输送；l上述二者是相等（平衡）的。上述二者是相等（平衡）的。从全球水循环来看，从全球水循环来看，从全球水循环来看，从全球水循环来看，流域或区域水文循环流域或区域水文循环流域或区域水文循环实际上就是流域降雨径流形成过程。降落到流域上的雨水，首先满足截留、填洼和下渗要求，剩余部分成为地面径流，汇入河网，流达流域出口断面。截留最终耗于蒸发和散发，填洼的一部分将继续下渗，而另一部分也耗于蒸发。下渗到土壤中的水分，在满足土壤持水量需要后将形成壤中水径流或地下水径流，从地面以下汇集到流域出口断面。被土壤保持的那部分水分最终消耗了蒸发和散发。水土植系统水文循环水土植系统水文循环水土植系统是一个由土壤、植物和水分构成的相互作用的系统，是流域或区域水文循环的一部分，可以小到一个微分土块。水土植系统水文循环是自然界空间尺度最小的水文循环。降水进入这个系统后将在太阳能、地球引力和土壤、植物根系产生的力场等作用下发生截留、填洼、下渗、蒸发、散发和径流等现象，并且维持植物生命过程。水文循环的相互关系水文循环的相互关系v全球水文循环是全球水文学或大尺度水文学研究的核心。v流域或区域水文循环是流域水文学或径流形成学研究的核心。v水土植系统水文循环不但是流域水文学的重要基础，而且是生态水文学研究的重要课题之一。气候变化与水循环的关系：气候变化与水循环的关系：水水循循环环的的季季节节、年年际际和和多多年年的的变变动动性性，带带来来气气候候的的变变动动性性，如如旱旱季季和和雨雨季季、干干旱旱年年和和丰丰水水年年、El Nino、La Nina等；等；全全球球变变暖暖是是气气候候一一个个趋趋势势性性变变化化，这这影影响响全全球球和和区区域域水水循循环环在在时时间间和和空空间间发发生生变变化化，造造成成更更多的洪水和干旱。多的洪水和干旱。地球系统中的水及水平衡地球系统中的水及水平衡v存在于地球各圈层中的水可分为地面水、地下水、大气水和生物水等四部分。v地面水主要是指储存于海洋、湖泊(水库)、河流、冰川、沼泽等水体中的水。v地下水是指赋存于土壤和岩石孔隙、洞穴、溶穴中的水，这里包括土壤水。v大气水主要是指悬浮于大气中的水汽，也包括以液态和固态形式悬浮于大气中的水。v生物水是指含在生物体内的水分。水文循环的范围、量及速度水文循环的范围、量及速度l范范围围：水水文文循循环环的的范范围围为为从从地地面面以以上上约约11km的的对流层顶到地面以下对流层顶到地面以下1-2km深处的广大空间。深处的广大空间。l 数数量量：据据估估算算，地地球球上上每每年年参参加加水水文文循循环环的的总总水水量量平平均均为为577000km3(折折合合地地球球表表面面的的水水深深为为1130mm)。l速速度度：大大气气水水分分在在降降水水蒸蒸发发过过程程中中，每每年年平平均均更更换换约约45次次，即即更更新新期期约约8天天；河河川川径径流流的的更更新新期期约约16天天；土土壤壤水水约约1年年；湖湖泊泊和和地地下下水水的的更更新期则更长。新期则更长。定义：定义：定义：定义：为为多多年年平平均均径径径径流流流流系系系系数数数数（Runoff Coefficient），反映流域径流量和降雨量的比例。反映流域径流量和降雨量的比例。将式将式 两边除以两边除以 ，则该式变成，则该式变成通常，通常，0用以描述流域的气候地理特征，如：用以描述流域的气候地理特征，如：湿润地区：湿润地区：0 0.5;半干旱地区：半干旱地区：0 0.3；干旱地区干旱地区:0 0.1。流域水文气候特征:流域多年水量平衡关系流域多年水量平衡关系+全球水量平衡全球水量平衡