水文學第一章

水文學第一章第1頁，課件共63頁，創作于2023年2月水文學（hydrology）是地球物理學和自然地理學的分支學科。研究存在于大氣層中、地球表面和地殼內部各種形態水在水量和水質上的運動、變化、分布，以及與環境及人類活動之間相互的聯系和作用。是關于地球上水的起源、存在、分布、循環、運動等變化規律，以及運用這些規律為人類服務的知識體系。太陽輻射地心引力第2頁，課件共63頁，創作于2023年2月伴隨著水資源利用而產生的水在人類歷史上的巨大作用水到渠成水可載舟，亦可覆舟飲水思源滴水成冰滴水穿石逆水行舟流水不腐細水長流樸素的唯物主義思想第3頁，課件共63頁，創作于2023年2月第4頁，課件共63頁，創作于2023年2月火山——地球上最根本的自然力量，它是地球系統的一部分，它們一直在改變著地貌，火山在很大程度上決定了地球的生命起源。火山和地球生命相互依存，給地球生物提供了適宜生存的環境。大氣層——雷電是怎樣形成的？為何阿根廷是世界上暴風雨最頻繁的地區？西班牙殖民婦女在安第斯山區某村落難以生育又是怎么回事呢？這些都跟大氣有關。為何我們的大氣層是生命唯一能賴以生存的地方。冰——世界上最具動能，變化最快，最強大的力量。冰是如何刻鑿地貌、推動人類的演化，在未來又會對人類構成什么樣的威脅？海洋——從夏威夷到亞馬遜河再到埃塞俄比亞，還有地中海，洶涌的波浪，巨大的潮汐，獨特的洋流以及全球暖化將帶來的危險。珍稀地球——從光禿禿的巖石變成我們今天所熟悉的世界，用了45億年漫長的時間孕育并發展，那是充滿了災難和重生的不可思議的旅程。在這個稀少又壯麗的星球上一直面臨著巨大的挑戰，包括來自我們人類的。在各種力量的威脅作用下，地球還能幸存下去嗎？或者只是時間問題？第5頁，課件共63頁，創作于2023年2月第6頁，課件共63頁，創作于2023年2月第7頁，課件共63頁，創作于2023年2月第8頁，課件共63頁，創作于2023年2月水文學歷史第9頁，課件共63頁，創作于2023年2月第10頁，課件共63頁，創作于2023年2月白鶴梁題刻位于長江三峽庫區上游涪陵城北的長江中，是三峽文物景觀中唯一的全國重點文物保護單位，聯合國教科文組織將其譽為“保存完好的世界唯一古代水文站”。第11頁，課件共63頁，創作于2023年2月白鶴梁上還有黃庭堅、朱熹、龐公孫、朱昂、王士禎等歷代騷人墨客眾多的詩文題刻，篆、隸、行、草皆備，顏、柳、黃、蘇并呈，有較高的藝術價值，故有“水下石銘”之美譽。第12頁，課件共63頁，創作于2023年2月在堯舜禹時期，天下洪水為患。當時中國四條江河之源，叫做“四瀆”，包括岷江、黃河、淮水、和濟水，都未打通，淹沒了大片地方，浩浩懷山襄陵。包括天府之國——今天的四川，還是一片澤國之地。堯舜命他的父親鯀治水，鯀用堵河欄壩的方法，結果不成功，被大舜處死。父志子承，大禹就帶領夏后氏部族從石紐山開始，改變堵截的方法，用疏導的方法，順水之勢，因水之性，首先治理岷山和岷江。用隨山刊木的辦法，劃定河道，有壅塞的堰塞湖，就用向東南開辟淝水沱，加以疏導和分洪泄洪的辦法，這就叫做“東別為沱”。

第13頁，課件共63頁，創作于2023年2月都江堰李冰修都江堰時，曾設立三個石人水則，以水位「竭不至足，盛不沒肩」來衡量水量足夠與否。圖中Q1所示者灌區最低需水量；Q2所示者保證灌區安全的最高引水量。第14頁，課件共63頁，創作于2023年2月第15頁，課件共63頁，創作于2023年2月第16頁，課件共63頁，創作于2023年2月第17頁，課件共63頁，創作于2023年2月第18頁，課件共63頁，創作于2023年2月第19頁，課件共63頁，創作于2023年2月201424年中國和朝鮮先后開始使用統一的測雨器；1663年C.雷恩制造了自記雨量計；1687年E.哈雷研制成功了蒸發器；1870年T.G.埃利斯研制出了流速議；19世紀以來，世界各國普遍建立了水文站網，制定了統一的觀測規范，為觀測水文現象、定量研究和科學試驗提供了條件。第20頁，課件共63頁，創作于2023年2月211674年P.佩羅提出了水量平衡概念；1775年出現了謝才(Chezy)公式；1802年道爾頓(Dalton)提出了蒸發公式；1856年達西(Darcy)提出了非常著名的達西定律；這些理論和公式的相繼出現，促使了水文學成為一門科學。尤其是1674年法國人P.佩羅根據他在賽納河觀測到的降雨和徑流資料，計算出塞納河在伯格底以上流域的年經流量是年降雨量的1/6，這是人們第一次建立的降雨徑流定量關系，這一結論的公布，被認為是現代水文學的開始。

第21頁，課件共63頁，創作于2023年2月反映水在巖土孔隙中滲流規律的實驗定律。由法國水力學家H.-P.-G.達西在1852～1855年通過大量實驗得出。其表達式為

Q=KFh/L式中Q為單位時間滲流量，F為過水斷面，h為總水頭損失，L為滲流路徑長度，I=h/L為水力坡度，K為滲透系數。關系式表明，水在單位時間內通過多孔介質的滲流量與滲流路徑長度成反比，與過水斷面面積和總水頭損失成正比。第22頁，課件共63頁，創作于2023年2月第23頁，課件共63頁，創作于2023年2月第24頁，課件共63頁，創作于2023年2月第25頁，課件共63頁，創作于2023年2月第26頁，課件共63頁，創作于2023年2月第27頁，課件共63頁，創作于2023年2月28進入50年代以來，由于水文理論的深入發展和其他科學（概率論、統計學、計算數學、系統工程學、氣象學等）的滲透，水文計算和水文預報出現了許多新方法，另一方面，由于計算機、遙感、遙測等新技術的應用，水文學進入了現代化時期。這一時期的主要特點是：引進了遙感、計算機等新技術、新方法，重點開展水資源及人類活動的水文效應研究，分支學科不斷產生，研究方法趨于綜合。

第28頁，課件共63頁，創作于2023年2月29

科學技術進入了新的發展時期，氣象衛星、雷達測雨、中子法測土壤含水量、放射示蹤測流、同位素測沙、衛星遙感傳送資料等現代化技術使人們能夠獲得用常規方法無法取得的水文數據，現代化的研究實驗設備使人們對水文現象有了更深的了解，水文模擬、水文隨即分析、系統分析等方法使人們分析水文現象的能力大大增強，計算機的應用更使水文測驗、水文研究的自動化成為可能。

第29頁，課件共63頁，創作于2023年2月30

社會生產規模空前擴大，生產生活用水不斷增多，環境污染日趨嚴重，水資源日益緊張，迫使水文學特別側重于水資源和水環境的研究，研究工作既著眼于水量，也著眼于水質，既注意洪水、也注意枯水；從研究范圍上講，不僅要研究一條河流、一個流域的水文特性，還要研究跨流域、跨地區的水資源綜合利用、綜合調度中的水文問題。

第30頁，課件共63頁，創作于2023年2月第31頁，課件共63頁，創作于2023年2月水文科學開始主要研究河流、湖泊、沼澤、冰川和積雪，以后擴展到地下水、大氣中的水和海洋中的水。傳統的水文科學是按研究對象劃分分支學科的，主要有：河流水文學、湖泊水文學、沼澤水文學、冰川水文學、雪水文學、水文氣象學、地下水水文學、區域水文學和海洋水文學等。河流水文學也稱河川水文學，研究河流的自然地理特征、河流的補給、徑流形成和變化規律、河流的水溫和冰情、河流泥沙運動和河床演變、河水的化學成分、河流與環境的關系等。

第32頁，課件共63頁，創作于2023年2月河流水文學也稱河川水文學，研究河流的自然地理特征、河流的補給、徑流形成和變化規律、河流的水溫和冰情、河流泥沙運動和河床演變、河水的化學成分、河流與環境的關系等。湖泊水文學主要研究湖泊中的水量變化和運動，湖水的物理特性和化學成分、湖泊沉積湖泊的利用等。沼澤水文學研究沼澤徑流、沼澤水的物理化學性質、沼澤對河流和湖泊的補給、沼澤改良等。冰川水文學主要研究冰川的分布、形成和運動、冰川融水徑流的形成過程及其時空分布、冰川突發性洪水的形成機制和預測、冰川水資源的利用。第33頁，課件共63頁，創作于2023年2月雪水文學主要研究積雪的數量和分布、融雪過程、融雪水對河流和湖泊的補給、融雪洪水的形成和預報，有時把雪水文學和冰川水文學合稱為雪冰水文學。水文氣象學研究水圈和大氣圈的相互關系，包括大氣中水文循環和水量平衡，以蒸發、凝結、降水為主要方式的大氣與下墊面的水分交換，其中尤其著重研究暴雨和干旱發生和發展的規律。地下水水文學主要研究地下水的形成和運動，地下水與河流，湖泊的相互補給，地下水資源的評價和開發利用。區域水文學著重研究某些特定地區的水文現象，如河口水文，坡地水文、平原水文、巖溶地區水文、干旱地區水文現象等。海洋水文學著重研究海水的物理性質和化學成分，海洋中的波浪、潮汐、洋流、海岸帶泥沙運動等。上述諸學科通常也統稱為普通水文學或水文學。第34頁，課件共63頁，創作于2023年2月水文科學主要通過定點觀測、野外查勘和水文實驗(主要是野外實驗)等手段，獲得水體時空分布和運動變化的信息，因而逐漸形成了水文測驗學、水文調查、水文實驗三個分支學科。水文測驗學研究如何正確、經濟、迅速地測定各種水文要素的數量及其在時間和空間上的變化，主要包括站網布設、測驗方法和資料整編方法的研究。還包括測量儀器的研制和資料存儲、檢索、傳送系統的研究。第35頁，課件共63頁，創作于2023年2月水文調查是水文科學的野外勘測和考察部分，旨在對水體形態和數量、集水面積內的自然地理條件等作出科學的分析和訐價。在中國，歷史大暴雨、歷史大洪水和枯水的調查是水文調查的重要內容。水文實驗旨在通過野外和室內實驗，揭示水文循環過程各環節中水的運動、變化的某些規律，如水向土中下滲的規律，土壤水的運動規律、徑流形成規律、土壤和水面蒸發的規律，以及人類活動的水文效應等。第36頁，課件共63頁，創作于2023年2月第37頁，課件共63頁，創作于2023年2月第38頁，課件共63頁，創作于2023年2月第39頁，課件共63頁，創作于2023年2月第40頁，課件共63頁，創作于2023年2月3、水文學與給排水工程的關系深入認識與廣泛運用水文規律，為國民經濟建設服務，為給排水工程的規劃、設計、施工及管理提供正確的水文資料及分析成果，以充分開發與合理利用水利資源，減免水害，充分發揮工程效益。隨著城市發展，雨水、污水排放、水力發電、防洪等都與水文學息息相關。第41頁，課件共63頁，創作于2023年2月42什么是水文學？為什么要學習水文學？怎樣學習和研究水文學？第42頁，課件共63頁，創作于2023年2月43什么是水文學？Hydrology第43頁，課件共63頁，創作于2023年2月44(3)運動形式包括四種：降水、蒸發、滲流、徑流等。降水(Precipitation)：大氣中水汽凝結后以液態水或固態水降落到地面的現象。如雨、雪、露、霜、雹、霰等。2)蒸發(Evaporation)：水分子從水面、冰雪面或其它含水物質表面以水汽形式逸出的現象。包括截留蒸發、地面蒸發、葉面散發、水蒸發等。第44頁，課件共63頁，創作于2023年2月453)滲流(Seepageflow)：水從地表滲入地下及在地下流動的現象。包括入滲（下滲）和滲透兩種現象。4)徑流(Runoff)：陸地上的降水匯流到河流、湖庫、沼澤、海洋、含水層或沙漠的水流。包括地面徑流和地下徑流。第45頁，課件共63頁，創作于2023年2月462.水文循環（HydrologicCycle）(1)定義地球上或某一區域內，在太陽輻射和重力的作用下，水分通過蒸發、水汽輸送、降水、入滲、徑流等過程循環不斷的變化、遷移現象的現象稱為自然界的水文循環。第46頁，課件共63頁，創作于2023年2月47(2)分類

1)大循環：大區域（領域）內的循環，也稱外循環。海洋云、大氣海洋陸地云、大氣陸地2)小循環：小區域（領域）內的循環，也稱內循環。海洋云、大氣陸地海洋第47頁，課件共63頁，創作于2023年2月48(3)意義水文循環是地球上最重要、最活躍的物質循環之一：為人類帶來了取之不盡用之不竭的水資源。為人類提供了潔凈的、可再生的能源。對生態環境直接和間接的影響。對人類生產生活的直接影響（洪澇災害，雪災等）認識它的基本客觀規律，了解其各影響因素間的內在聯系，對合理開發和利用水資源，抗御洪旱災害，改造自然，利用自然都有十分重要的意義。第48頁，課件共63頁，創作于2023年2月49二、水文學的研究領域及發展1.水文學及其研究領域(1)水文學定義

研究水文現象及其規律的學科稱為水文學，它是通過分析觀測資料，模擬和預報自然界中水量和水質的變化及發展動態，為開發利用水資源，控制洪水和保護水環境等提供科學依據。

研究存在于地球上的大氣層中和地球表面以及地殼內水的各種現象的發生和發展規律及其內在聯系的學科。包括水體的形成、循環和分布，水體的化學成分，生物、物理性質以及它們對環境的效應等。

第49頁，課件共63頁，創作于2023年2月第50頁，課件共63頁，創作于2023年2月國際水文計劃（IHP）、世界氣候研究計劃（WCRP）、國際地圈生物圈計劃（IGBP）關注焦點：氣候變化的水文響應問題，無資料區的水文預報（PUB）問題，參數的不確定性問題、尺度問題、水文信息獲取技術問題，生態-水文反饋問題等等。第51頁，課件共63頁，創作于2023年2月世界氣候研究計劃（WCRP）兩個目標：一是氣候的可預報程度，二是人類活動對氣候的影響。三個研究方向：為期數周的長期天氣預報、全球大氣年際變率以及為期數年的熱帶海洋的年際變率、長期變化。兩大試驗：熱帶海洋和全球大氣試驗和世界海洋環流試驗第52頁，課件共63頁，創作于2023年2月國際水文計劃（IHP）第一階段（1975-1980年）集中于水科學中的水文研究方法、培訓和教育；第二階段（1981-1983年）是一個短期計劃，與第三階段（1984-1989年）一起致力于應用水文學與水資源水文學的研究，并加強對水資源進行合理管理的科學基礎的研究；第四階段（1990-1995年）研究變化環境中的水文與水資源的可持續發展；第五階段（1996-2001年）關注脆弱環境中的水文與水資源發展，第六階段（2002-2007年）主要研究水的交互作用--處于風險和社會挑戰中的體系。第七階段（2008-2013年）的框架議題將會就如何利用現有科學知識來發展新的研究方向和方法，以對環境變化、生態系統和人類活動做出響應。第53頁，課件共63頁，創作于2023年2月主題一：流域和淺層地下水系統對全球變化影響的適應性研究

主題二：加強水資源管理，提高水資源利用的可持續性

主題三：面向可持續性的生態水文學

主題四：淡水與生命支撐系統

主題五：面向可持續發展開展水資源保護教育第54頁，課件共63頁，創作于2023年2月IGBP由8個核心研究計劃和3個支撐計劃所組成。3個支撐計劃為全球分析、解釋與建模（GlobalAnalysis，InterpretationandModel，GAIM），全球變化分析、研究和培訓系統（GlobalChangeSystemforAnalysisResearchandTraining，START），IGBP數據與信息系統（IGBPDataandInformationSystems，IGBP－DIS）。8個核心研究計劃分別為：（1）國際全球大氣化學計劃（InternationalGlobalAtmosphericChemistryProject，IGAC）（2）全球海洋通量聯合研究計劃（JointGlobalOceanFluxStudy,JGOFS）（3）過去的全球變化研究計劃（PastGlobalChanges,PAGES）（4）全球變化與陸地生態系統（GlobalChangeandTerrestrialEcosystems,GCTE）（5）水文循環的生物學方面（BiosphericAspectsoftheHydrologicalCycle,BAHC）（6）海岸帶的海陸相互作用（Land-OceanInteractionsintheCoastalZone,LOICZ）（7）全球海洋生態系統動力學（GlobalOceanEcosystemDynamics,GLOBEC）（8）土地利用與土地覆蓋變化（LandUseandLandCoverChange,LUCC）第55頁，課件共63頁，創作于2023年2月1.現代水文基礎理論研究2.現代環境下水文響應及其規律研究1）全球變化和人類活動影響的水文響應2）水循環分過程的耦合模擬3）現代環境下的水文規律認知3.水文循環系統邊界問題研究水圈與社會圈、生物圈的不匹配4.水文預測和預報研究5.現代水文觀測和實驗技術研究水熱通量觀測、示蹤劑和同位素觀測、衛星遙感（GIS）第56頁，課件共63頁，創作于2023年2月演變：1.還原論與整體論思維方法的均衡與發展2.歸納與演繹推理邏輯方法的綜合與突破3.集總式與分布式描述方法的統一4.物理認知與數學描述的協同中國水利水電科學研究院中國工程院院士王浩第57頁，課件共63頁，創作于2023年2月58

水文學是研究地球上水的性質、分布、循環、運動變化規律及其與地理環境、人類社會活動之間相互關系的科學。Hydrologyisoneoftheearthsciences.Itstudiesthewatersoftheearth,theiroccurrence,circulationanddistribution,theirchemicalandphysicalproperties,andtheirrelationtolivingthings.——from《EngineeringHydrology：Principlesandpractices》byVictorMiguelPONCE第58頁，課件共63頁，創作于2023年2月59四、水文現象的特性1.水文現象時程變化的周期性與隨機性的對立統一（1）周期性的體現（2）隨機性的體現（3）二者對立統一2.水文現象地區分布的相似性與特殊性的對立統一（1）相似性的體現（2）特殊性的體現（3）二者對立統一第59頁