水文学第2章.ppt

《水文学第2章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水文学第2章.ppt（57页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第二章第二章 地球上的水循环地球上的水循环第一节第一节 水循环概述水循环概述一、水循环的基本过程一、水循环的基本过程 水循环水循环:地球上各种形态的水，在太阳辐地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。相态转换和周而复始运动的过程。蒸发蒸发、凝结凝结、降水降水是必须具备的环节是必须具备的环节 蒸发蒸发径流径流 水分入渗水分入渗凝结降水凝结降水输送输送全球海陆水循环过程概化图全球海陆水循环过程概化图二、水循环类型与层次

2、结构二、水循环类型与层次结构1.1.水循环的基本类型水循环的基本类型(大循环、小循环大循环、小循环)大循环的主要特点大循环的主要特点：1 1）垂向交换与横向交换共存）垂向交换与横向交换共存2 2）海面年蒸发量大于年降水量）海面年蒸发量大于年降水量,陆地相反陆地相反 3 3）海洋的有效水汽输送）海洋的有效水汽输送2 2全球水循环系统的层次结构全球水循环系统的层次结构 三、水循环机理三、水循环机理 1.1.水循环服从水循环服从质量守恒定律质量守恒定律2.2.太阳辐射太阳辐射与与重力重力作用是水循环的基本动力作用是水循环的基本动力3.3.水循环广及地表各个圈层，循环路径复杂水循环广及地表各个圈层，循

3、环路径复杂4.4.全球闭合，局部开放全球闭合，局部开放5.5.水循环过程中，伴随着物质和能量的迁移水循环过程中，伴随着物质和能量的迁移四、水体的更替周期四、水体的更替周期 水体在参与水循环过程中全部水量被交替水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新更新一次一次所需的时间所需的时间极地冰川极地冰川世界大洋世界大洋湖泊水湖泊水土壤水土壤水河水河水大气水大气水生物水生物水10000a2500a17a1a16d8d12h五、水循环的作用与效应五、水循环的作用与效应 1 1水文循环与地球圈层构造水文循环与地球圈层构造 水循环使四大圈层耦合在一起水循环使四大圈层耦合在一起 2 2水循环与全球气候水循环与全

4、球气候1 1）是大气系统能量的主要是大气系统能量的主要传输、储存和转化者传输、储存和转化者2 2）对太阳辐射能的对太阳辐射能的再分配再分配，使不同纬度热量收支达到，使不同纬度热量收支达到平衡平衡 3 3）直接影响直接影响天气过程天气过程，甚至可以决定地区的，甚至可以决定地区的气候气候基本特征基本特征3 3水循环与地貌形态及地壳运动水循环与地貌形态及地壳运动 是地表最重要的是地表最重要的地貌塑造力地貌塑造力,并可改变地壳并可改变地壳应力平衡应力平衡 4 4水循环与生态平衡水循环与生态平衡 1 1）水是生物有机体的）水是生物有机体的基本组成物质基本组成物质 2 2）水循环强度及时空变化，是制约生态

5、环境）水循环强度及时空变化，是制约生态环境平衡或失调平衡或失调的关键的关键,是影响地区内是影响地区内生物有机体类型生物有机体类型及其活动及其活动主要因子主要因子 3 3）水循环强度的时空变化，是）水循环强度的时空变化，是洪、涝、旱洪、涝、旱等自然灾害的等自然灾害的主要原因主要原因 5 5水循环与水资源开发利用水循环与水资源开发利用 再生性再生性和可和可永继利用永继利用并不是并不是“取之不尽，用之不竭取之不尽，用之不竭”;开发利用强度不超过地区水循环更新速度开发利用强度不超过地区水循环更新速度 6 6水循环与水文现象以及水文学科的发展水循环与水文现象以及水文学科的发展 水循环与水量平衡的研究引导

6、了以往水文学科的发展，水循环与水量平衡的研究引导了以往水文学科的发展，亦将指导水文学的未来，并正从宏观与微观双向尺度上，亦将指导水文学的未来，并正从宏观与微观双向尺度上，不断拓宽与加深水文学科。不断拓宽与加深水文学科。第二节第二节 水量平衡水量平衡 水量平衡：水量平衡：任意选择区域在任意时段内，其收入任意选择区域在任意时段内，其收入的水量与支出的水量之间的差额必等于该时段区域内蓄的水量与支出的水量之间的差额必等于该时段区域内蓄水的变化量水的变化量 水量平衡研究是定量研究水循环过程的主要水量平衡研究是定量研究水循环过程的主要方法和方法和手段手段，是水资源评价和供需预测研究的，是水资源评价和供需预

7、测研究的核心和重要手段核心和重要手段二、水量平衡方程二、水量平衡方程 水量平衡方程式的通式：水量平衡方程式的通式：时段时段tt内的水量平衡方程：内的水量平衡方程：通用水量平衡方程式：通用水量平衡方程式：三、全球水量平衡方程式三、全球水量平衡方程式 1 1海洋水量平衡方程式海洋水量平衡方程式 2.2.陆地水量平衡陆地水量平衡1 1）外流区水量平衡）外流区水量平衡 2 2）内流区水平衡方程）内流区水平衡方程 3 3）陆地水量平衡）陆地水量平衡 3 3全球水量平衡全球水量平衡 注意：注意：全球总水量不变，不等于各种水体全球总水量不变，不等于各种水体之间相对数量亦恒定不变之间相对数量亦恒定不变 第三节

8、第三节 蒸发蒸发 一、蒸发的物理机制一、蒸发的物理机制 蒸发蒸发:水面蒸发水面蒸发,陆面蒸发（土壤蒸发陆面蒸发（土壤蒸发,植物植物散发）散发）1 1水面蒸发水面蒸发 发生在发生在水体与大气水体与大气界面上的分子交换现象界面上的分子交换现象 有效蒸发量有效蒸发量:从蒸发面跃出的水量和返回蒸从蒸发面跃出的水量和返回蒸发面的水量之差值发面的水量之差值2 2土壤蒸发土壤蒸发 发生在土壤孔隙中的水的蒸发现象发生在土壤孔隙中的水的蒸发现象 土壤蒸发与水面蒸发的区别土壤蒸发与水面蒸发的区别:蒸发面蒸发面的性质的区别的性质的区别 供水条件供水条件的区别的区别 土壤干化的三个阶段：土壤干化的三个阶段：1 1）定

9、常定常蒸发率阶段蒸发率阶段2 2）蒸发率）蒸发率下降下降阶段阶段 A:A:土壤田间持水量土壤田间持水量3 3）蒸发率）蒸发率微弱微弱阶段阶段 B:B:凋萎系数凋萎系数3 3植物散发（植物蒸腾）植物散发（植物蒸腾）植植物根系从物根系从土壤中吸收水后，经由根、茎、叶土壤中吸收水后，经由根、茎、叶柄和叶脉输送到叶面，并为叶肉细胞所吸收，其中柄和叶脉输送到叶面，并为叶肉细胞所吸收，其中除一小部分留在植物体内，除一小部分留在植物体内，9090以上的水分在叶片以上的水分在叶片的气腔中汽化而向大气散逸的气腔中汽化而向大气散逸 植物对水的吸收与输送功能是在植物对水的吸收与输送功能是在根土渗透势根土渗透势和和散

10、发拉力散发拉力的共同作用下形成的的共同作用下形成的 根土渗透势根土渗透势:根土系统中，由于根系中溶根土系统中，由于根系中溶液浓度和土壤水的液浓度和土壤水的浓度梯度差浓度梯度差而产生的（而产生的（细胞细胞膜的作用膜的作用）散发拉力散发拉力:由于植物散发作用而拉引根部由于植物散发作用而拉引根部水向上传导的吸力水向上传导的吸力 二、影响蒸发的因素二、影响蒸发的因素 1 1供水条件供水条件 充分供水条件充分供水条件 不充分供水条件不充分供水条件 蒸发能力（蒸发力）：蒸发能力（蒸发力）：具有充分供水条件的具有充分供水条件的可能达到的最大蒸发量可能达到的最大蒸发量二、影响蒸发的因素二、影响蒸发的因素 1

11、1供水条件供水条件 2 2动力学因素：动力学因素：水汽分子的垂向扩散水汽分子的垂向扩散;大气垂大气垂向对流运动向对流运动;大气中的水平运动和湍流扩散大气中的水平运动和湍流扩散 3.3.热力学因素热力学因素 太阳辐射太阳辐射 平流时的热量交换平流时的热量交换 二、影响蒸发的因素二、影响蒸发的因素 4 4土壤特性和土壤含水量土壤特性和土壤含水量1 1）对土壤蒸发的影响）对土壤蒸发的影响 2 2）对植物散发的影响）对植物散发的影响 临界含水量临界含水量 有效水有效水 第四节第四节 水汽扩散与输送水汽扩散与输送一、水汽扩散一、水汽扩散 物质、粒子群等的随机运动而扩展于给定空间的一种不可逆现象物质、粒子

12、群等的随机运动而扩展于给定空间的一种不可逆现象 1 1分子扩散分子扩散液面上水分子由于热运动，脱离水面进入空中并向四周散逸的现象液面上水分子由于热运动，脱离水面进入空中并向四周散逸的现象2 2紊动扩散紊动扩散(紊动混合紊动混合)“杂乱无章的运动杂乱无章的运动”湍流运动与湍流扩散湍流运动与湍流扩散 二、水汽输送二、水汽输送 大气中水分因扩散而由一地向另一地运移，或由低空输送到高空的过程大气中水分因扩散而由一地向另一地运移，或由低空输送到高空的过程 大气柱水分平衡方程式：大气柱水分平衡方程式：研究时段内气柱的降水量研究时段内气柱的降水量：水汽输送方式与结果：水汽输送方式与结果：大气环流输送和涡动输

13、送大气环流输送和涡动输送 影响当地天气过程和气候影响当地天气过程和气候 水汽输送通量：水汽输送通量：单位单位时间内流经某一单位面积的水汽时间内流经某一单位面积的水汽量。是一个向量，可分解水平方向的水汽输送通量和垂直量。是一个向量，可分解水平方向的水汽输送通量和垂直方向的水汽输送通量。方向的水汽输送通量。水汽通量散度：水汽通量散度：单位时间汇入单位体积或从该体积辐单位时间汇入单位体积或从该体积辐散出的水汽量散出的水汽量 水汽通量散度场水汽通量散度场:区域水汽通量散度等值线图区域水汽通量散度等值线图 水汽源水汽源:散度为正的地区表示水汽自该地区的四周辐散散度为正的地区表示水汽自该地区的四周辐散水汽

14、汇水汽汇:散度为负的地区，表示四周有水汽向该地区汇集散度为负的地区，表示四周有水汽向该地区汇集影响水汽输送的主要因素影响水汽输送的主要因素 大气环流大气环流地理纬度地理纬度海陆分布海陆分布海拔高度与地形屏障作用海拔高度与地形屏障作用我国水汽输送基本特点我国水汽输送基本特点 1 1）存在）存在三个三个基本的水汽来源，基本的水汽来源，三条三条输出入输出入路径，并有明显的季节变化路径，并有明显的季节变化 2 2）平均输送与涡动输送并存）平均输送与涡动输送并存 3 3）地理位置、海陆分布与地貌格局制约了）地理位置、海陆分布与地貌格局制约了全国水汽输送的基本态势全国水汽输送的基本态势 我国上空水汽的收支

15、特点：我国上空水汽的收支特点：1 1）年输入大于输出）年输入大于输出 (折合径流深折合径流深279.4279.4毫米毫米)并与入海径流量接近并与入海径流量接近2 2）从南部和西部边境进入从东界输出从南部和西部边境进入从东界输出 3 3）经纬向输入经纬向输入55.855.8和和44.244.2；经纬向输出；经纬向输出10.810.8和和89.289.2第五节第五节 降降 水水 一、降水要素一、降水要素 1 1）降水（总）量）降水（总）量：2 2）降水历时与降水时间：）降水历时与降水时间：3 3）降水强度：）降水强度：4 4）降水面积：）降水面积：等级等级小雨小雨中雨中雨大雨大雨暴雨暴雨大暴雨大暴

16、雨特大暴雨特大暴雨降水量降水量(12)(12)0.2-5.00.2-5.05-155-1515-3015-3030-7030-7070-14070-140140140降水量降水量(24)(24)101010-2510-2525-5025-5050-10050-100100-200100-2002002002 2降水特征的表示方法降水特征的表示方法 1 1）降水过程线：）降水过程线：2 2）降水累积曲线：）降水累积曲线：3 3）等降水量线）等降水量线:4 4）降水特性综合曲线：）降水特性综合曲线：（1 1）强度）强度-历时曲线：历时曲线：（2 2）平均深度）平均深度-面积曲线：面积曲线：（3 3

17、）雨深）雨深-面积面积-历时曲线：历时曲线：二、面降水的计算二、面降水的计算 点降水量与面降水量的区别与联系点降水量与面降水量的区别与联系 1 1算术平均法：算术平均法：2 2等雨量线法：等雨量线法：3 3垂直平分法（泰森多边形法）垂直平分法（泰森多边形法）4 4）客观运行法：）客观运行法：（1 1）各格点降水量的计算：）各格点降水量的计算：（2 2）流域平均降水量的计算：）流域平均降水量的计算：三、影响降水的因素三、影响降水的因素 地理位置、大气环流、下垫面等地理位置、大气环流、下垫面等1 1地形条件影响地形条件影响 屏障作用屏障作用与与抬升作用抬升作用对降水强度与时空分对降水强度与时空分布

18、的影响布的影响 焚风效应：焚风效应：迎风坡与雨影区迎风坡与雨影区 地形的抬升增雨的限制性：地形的抬升增雨的限制性：2 2森林对降水的影响（三种观点）森林对降水的影响（三种观点）1 1）大流域随森林覆盖率的增加，年降大流域随森林覆盖率的增加，年降水量增加水量增加 2 2）森林对降水的影响不大森林对降水的影响不大 3 3）森林不仅不能增加降水，还可能减森林不仅不能增加降水，还可能减少降水少降水 3 3水体对降水量的影响水体对降水量的影响减少降水量，但迎风的库岸地带降水增加减少降水量，但迎风的库岸地带降水增加 4 4人类活动的影响人类活动的影响 改变下垫面条件改变下垫面条件 人工直接控制降水人工直接

19、控制降水 城市的增雨作用城市的增雨作用 四、可能最大降水四、可能最大降水 可能最大洪水（可能最大洪水（PMFPMF）：）：由可能最大降水及其时空由可能最大降水及其时空分布，通过流域产流和汇流计算，可推算出相应的分布，通过流域产流和汇流计算，可推算出相应的洪水，称为可能最大洪水（洪水，称为可能最大洪水（PMFPMF）。）。可能最大降水（可能最大降水（PMPPMP）或可能最大暴雨（）或可能最大暴雨（PMSPMS）：）：在在现代的地理环境和气候条件下，特定的区域在特定现代的地理环境和气候条件下，特定的区域在特定的时段内，可能发生的最大降水量（或暴雨）的时段内，可能发生的最大降水量（或暴雨）第六节第六

20、节 下渗下渗 下渗：下渗：水从地表渗入土壤和地下的运动过程水从地表渗入土壤和地下的运动过程 一、下渗的物理过程一、下渗的物理过程 1 1下渗过程的阶段划分下渗过程的阶段划分 下渗的作用力：下渗的作用力：重力、分子力和毛管力重力、分子力和毛管力 1 1）渗润阶段：）渗润阶段：降水初期，若土壤干燥，下渗水主要降水初期，若土壤干燥，下渗水主要受分子力作用，被土粒所吸附形成吸湿水，进而形成受分子力作用，被土粒所吸附形成吸湿水，进而形成薄薄膜水，当土壤含水量达到岩土最大分子持水量时，开始膜水，当土壤含水量达到岩土最大分子持水量时，开始向下一阶段过渡向下一阶段过渡1 1下渗过程的阶段划分下渗过程的阶段划分

21、 1 1）渗润阶段：）渗润阶段：2 2）渗漏阶段：）渗漏阶段：随着土壤含水率的不断增大，分子随着土壤含水率的不断增大，分子作用力渐由毛管力和重力作用取代，水在岩土孔隙中作作用力渐由毛管力和重力作用取代，水在岩土孔隙中作不稳流动，并逐渐充填土壤孔隙，直到基本达到饱和为不稳流动，并逐渐充填土壤孔隙，直到基本达到饱和为止，下渗过程向第三阶段过渡止，下渗过程向第三阶段过渡 3 3）渗透阶段：）渗透阶段：在土壤孔隙被水充满达到饱和状态在土壤孔隙被水充满达到饱和状态时，水分主要受重力作用呈稳定流动。时，水分主要受重力作用呈稳定流动。2 2下渗要素下渗要素 1 1）下渗率）下渗率:单位面积上单位时间内渗入土

22、单位面积上单位时间内渗入土壤中水量壤中水量 2 2）下渗能力）下渗能力:充分供水条件下的下渗率充分供水条件下的下渗率 3 3）稳定下渗率）稳定下渗率:下渗率趋于稳定的常值下渗率趋于稳定的常值 二、影响下渗的因素二、影响下渗的因素 2 2降水特性的影响降水特性的影响 降水强度、历时、降水强度、历时、降水时空分布降水时空分布1 1土壤特性的影响土壤特性的影响透水性能透水性能(质地、孔隙度质地、孔隙度)土壤的土壤的前期含水量前期含水量 3 3流域植被、地形条件的影响流域植被、地形条件的影响 植被及枯枝落叶具有滞水作用植被及枯枝落叶具有滞水作用 切割程度影响地面漫流的速度和汇流时间切割程度影响地面漫流

23、的速度和汇流时间 4 4人类活动的影响人类活动的影响 控制入渗过程，使之朝向人们所期望的方向控制入渗过程，使之朝向人们所期望的方向发展发展 第七节第七节 径流径流 一、径流的涵义及其表示方法一、径流的涵义及其表示方法 1 1径流的涵义与径流组成径流的涵义与径流组成 径流：径流：流域的降水，由地面与地下汇入河网，流出流域的降水，由地面与地下汇入河网，流出流域出口断面的水流流域出口断面的水流 径流形成过程：径流形成过程：由降水由降水到达地面到达地面时起，到水流流经时起，到水流流经出口断面出口断面的整个物理过程的整个物理过程 径流组成：径流组成：地面径流、地下径流及壤中流地面径流、地下径流及壤中流

24、2 2径流的表示方法径流的表示方法 1 1）流量）流量Q Q：单位时间内单位时间内通过某一断面的水量通过某一断面的水量 2 2）径流总量）径流总量W W：T T时段内时段内通过某一断面的总水量通过某一断面的总水量 3 3）径流深度）径流深度R R：将将径流总量径流总量平铺在整个流域面积上所求得的平铺在整个流域面积上所求得的水层深度水层深度 4 4）径流模数）径流模数M M：流域出口断面流域出口断面流量流量与流域面积之比与流域面积之比5 5）径流系数：）径流系数：某一时段的径流深度某一时段的径流深度R R与相应的降水深度与相应的降水深度P P之之比值比值 二、径流的形成过程二、径流的形成过程径流

25、类型：径流类型：地面径流，壤中径流和地下径流地面径流，壤中径流和地下径流蓄渗过程中水的运行机制：蓄渗过程中水的运行机制：垂向运行垂向运行 1 1流域蓄渗过程流域蓄渗过程 植物载留：植物载留：降水量、植被类型及郁闭程度降水量、植被类型及郁闭程度 下渗：下渗：降雨期间降雨期间,雨停后地面有积水的地方雨停后地面有积水的地方 填洼：填洼：超渗雨形成地面积水，蓄积于地面洼地超渗雨形成地面积水，蓄积于地面洼地 径流：径流：先满足蓄渗的地方先产流先满足蓄渗的地方先产流 2 2坡地汇流过程坡地汇流过程 坡面漫流：坡面漫流：超渗雨水在坡面上呈片流、超渗雨水在坡面上呈片流、细沟流运动的现象细沟流运动的现象 地面径

26、流与坡面汇流的关系地面径流与坡面汇流的关系:必要条件，必要条件，继续和发展继续和发展3 3河网汇流过程河网汇流过程 各种径流成分经坡地汇流注入河网后，沿河网各种径流成分经坡地汇流注入河网后，沿河网向下游干流出口断面汇集的过程向下游干流出口断面汇集的过程 流量过程线的涨洪段：流量过程线的涨洪段：河岸容蓄：河岸容蓄：河网容蓄河网容蓄(槽蓄槽蓄)：退水段：退水段：河网调蓄作用：河网调蓄作用：对净雨量在时程上的又一次对净雨量在时程上的又一次再分配再分配三、影响径流的因素三、影响径流的因素1 1气候因素气候因素 降水、蒸发、气温、风、湿度等降水、蒸发、气温、风、湿度等 2 2流域下垫面因素流域下垫面因素

27、 地理位置，地貌特征，地形特征，地质条件，植被特征地理位置，地貌特征，地形特征，地质条件，植被特征.上述因素组合的差异构成了下垫面条件的差异上述因素组合的差异构成了下垫面条件的差异下垫面条件的差异又使得产流方式及产流条件上的差异下垫面条件的差异又使得产流方式及产流条件上的差异 同样的降水条件下，不同的下垫面可以具同样的降水条件下，不同的下垫面可以具有完全不同的径流效应有完全不同的径流效应:1 1）流量上，有大有小，各不相同）流量上，有大有小，各不相同 2 2）过程形态上的差别）过程形态上的差别 3 3）径流组成上的差别）径流组成上的差别 总之，径流形成过程，除了总之，径流形成过程，除了降雨条件

28、降雨条件外，外，另一个重要条件就是流域另一个重要条件就是流域下垫面下垫面。只有当雨。只有当雨水降落在一个流域上，水的运行过程才开始，水降落在一个流域上，水的运行过程才开始，也只有通过流域的下垫面，各种垂向、侧向也只有通过流域的下垫面，各种垂向、侧向的运行过程才能出现，并显示出它们在径流的运行过程才能出现，并显示出它们在径流形成中的功能。形成中的功能。流域具有对流域具有对降雨再分配降雨再分配的功能。流域对垂向的功能。流域对垂向运行水的再分配（运行水的再分配（垂向再分配垂向再分配），形成了不同径），形成了不同径流成分；对侧向运行水的再分配（流成分；对侧向运行水的再分配（侧向再分配侧向再分配），），形成出口断面的流量过程。相对于降水是径流的形成出口断面的流量过程。相对于降水是径流的源泉来说，流域则是径流的发生场和分配场，也源泉来说，流域则是径流的发生场和分配场，也是径流形成中的重要因素。是径流形成中的重要因素。