水文地质学基础第一章水文循环.ppt

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1、LOGO第一章第一章 水文循环水文循环 Hydrologic-cycle主讲教师：张卫民主讲教师：张卫民Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础本章内容本章内容 1.1 水循环水循环1.2 水文循环水文循环1.3 水量平衡水量平衡1.4 水文循环的作用水文循环的作用1.5影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素Company Logov 地球上各部位、各层圈都存在着水。地球上各部位、各层圈都存在着水。v 水圈水圈n 各各部部位位的的水水是是相相互互联联系系、相相互互转转化化的的整整体体也也称称为水圈或水系统为水圈或水系统v 自然界的水循环自然界的水

2、循环指各部位的水指各部位的水相互联系、相互转化的过程。相互联系、相互转化的过程。v 水循环分为：水循环分为：水文循环和地质循环水文循环和地质循环v本章重点讨论水文循环本章重点讨论水文循环1.1 1.1 水循环水循环 自然界水循环Company Logo自然界的水循环地质循环与水文循环关系示意图地质循环与水文循环关系示意图（据阿勃拉莫夫）（据阿勃拉莫夫）地幔地幔地壳晶质岩地壳晶质岩Company Logo（1）定义）定义 指指发发生生于于大大气气水水、地地表表水水和和地地壳壳岩岩石石空空隙隙中中地下水之间的水循环。地下水之间的水循环。水文循环示意图水文循环示意图环节或要素环节或要素（2）水文循环

3、的划分）水文循环的划分循环路径不同：循环路径不同：大循环（海大循环（海-陆）与小循环（海陆）与小循环（海-海，陆海，陆-陆）陆）时空尺度不同：时空尺度不同：全球水文循环，流域水文循环，水全球水文循环，流域水文循环，水-土土-生系统生系统水文循环水文循环1.2 1.2 水文循环水文循环 Hydrologic-cycleHydrologic-cycle水文循环-环节Company Logo水文循环示意图水文循环尺度水文循环尺度全球、流域（区域）、水全球、流域（区域）、水-土土-生生思考：思考：水文循环发生的动力条件是什么？水文循环发生的动力条件是什么？何谓地质循环？何谓地质循环？降水降水蒸发蒸发径

4、流径流水汽输送水汽输送入入渗渗蒸发蒸发降水降水水汽输送水汽输送Company Logo （3）水文循环的运动规律）水文循环的运动规律海洋的蒸发量大于降水量海洋的蒸发量大于降水量陆地的降水量大于蒸发量陆地的降水量大于蒸发量大陆输入水汽量与输出水量基本平衡大陆输入水汽量与输出水量基本平衡（4）水文循环的特点）水文循环的特点n循环途径短、速度快、转换交替迅速、仅涉及循环途径短、速度快、转换交替迅速、仅涉及浅部层圈水。浅部层圈水。水文循环发生的动力条件是：水文循环发生的动力条件是：太阳辐射和重力太阳辐射和重力作用。作用。地质循环：地质循环：浅层圈与深层圈之间的水循环。浅层圈与深层圈之间的水循环。1.2

5、 1.2 水文循环水文循环 Hydrologic-cycleHydrologic-Company Logo1.3.1 通用水量平衡方程通用水量平衡方程（1）水文学（水文地质学）研究的基本原理）水文学（水文地质学）研究的基本原理质量守恒定律和能量守恒定律质量守恒定律和能量守恒定律（2）通用水量平衡方程：）通用水量平衡方程：区域区域时段时段各要素各要素 I=O+(W1 -W2)=O+W其中，其中，I：时段内输入区域的各种水量之和：时段内输入区域的各种水量之和 O：时段内输出区域的各种水量之和：时段内输出区域的各种水量之和 W=W1-W2：区域内时段始末的储水量区域内时段始末的储水量不同区域、不同研

6、究对象可以写出具体的水量平衡方程式不同区域、不同研究对象可以写出具体的水量平衡方程式 （在在 地下水均衡中介绍地下水均衡中介绍）1.3 水量平衡水量平衡 Water Company Logo1.3 水量平衡水量平衡 Water balance中国水系思考并总结我国水量平衡特点思考并总结我国水量平衡特点1.3.2 我国水量平衡我国水量平衡Company Logo太平洋流域太平洋流域内流区域内流区域印度洋流域印度洋流域北冰洋流域北冰洋流域中中 国国 水水 系系Company Logo1.3 水量平衡水量平衡 Water balance思考并总结全球水量平衡特点思考并总结全球水量平衡特点1.3.3

7、全球水量平衡全球水量平衡Company Logo水文循环的作用：水文循环的作用：通通过过循循环环水水的的质质量量得得以以净净化化、水水的的数数量量得得以再生以再生 水水资资源源不不断断更更新新与与再再生生，可可以以保保证证在在其其再再生生速速度度水水平平上上的的永永续续利利用用也也是是可可持持续续发发展展保保证证1.4 水文循环的作用水文循环的作用Company Logo 对对水水文文循循环环有有显显著著影影响响的的气气象象、水水文文因因素素主主要要有有:气气温温、气压、湿度、降水、蒸发、径流。气压、湿度、降水、蒸发、径流。1.5.1 1.5.1 气温气温 （1 1）气温产生的原因）气温产生的

8、原因l 大气直接吸收太阳辐射热大气直接吸收太阳辐射热：仅占太阳辐射热的仅占太阳辐射热的15%15%；l 大大气气吸吸收收地地表表辐辐射射能能量量 ：43%43%的的太太阳阳辐辐射射到到达达地地面面 ，地地表表接接受受太太阳阳辐辐射射增增温温后后、再再向向大大气气辐辐射射能能量量 ，此此部部分分能能量绝大部分为大气吸收而增温量绝大部分为大气吸收而增温 。l 大大气气与与地地表表直直接接接接触触：由由于于热热传传导导、对对流流而而升升温温这这更更是大气增温的主要原因。是大气增温的主要原因。1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素Company Logo1.5.1 1.5.1

9、 气温气温 （2 2）气温的时空变化）气温的时空变化l 时间上的变化时间上的变化:昼夜变化、季节变化和多年昼夜变化、季节变化和多年变化；变化；l 空间上的变化空间上的变化:水平方向和垂直方向水平方向和垂直方向 水平方向，同一高度上，从赤道向两极由高水平方向，同一高度上，从赤道向两极由高到低到低;垂直方向，同一地点垂直方向，同一地点,不同高度上气温不同不同高度上气温不同,在对流层内在对流层内,一般每升高一般每升高100M,100M,气温降低气温降低 0.50.5。1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素Company Logo1.5.2 气压气压 （1）概念）概念 指大气

10、的质量施加在地表或地表上的物体之上时而指大气的质量施加在地表或地表上的物体之上时而产生的压力。单位产生的压力。单位:mm水银（水银（Hg）柱高度。）柱高度。在标准状态下在标准状态下,(即气温为即气温为0,纬度纬度45的海平面上的海平面上)气气压为压为760 mm水银（水银（Hg）柱高度，约相当于）柱高度，约相当于105Pa。（2）气压的空间变化特征）气压的空间变化特征 l 垂向上的变化垂向上的变化:随高度增加随高度增加,气压下降。气压下降。l 水平方向上的变化水平方向上的变化:由地表的热力状况决定由地表的热力状况决定,地表的温地表的温度越高度越高,则气压越低则气压越低,相反相反,地表的温度越低

11、地表的温度越低,则气压越高。则气压越高。1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素Company Logo1.5.3 1.5.3 湿度湿度（1）概念）概念 指指大大气气中中的的水水汽汽含含量量。由由于于水水汽汽既既有有重重量量，又又有有压压力力，因因而而其其既既可可用用重重量量单单位位表表示示，也也可可以以用压力单位表示。用压力单位表示。（2）湿度的分类）湿度的分类 绝对湿度和相对湿度绝对湿度和相对湿度l 绝对湿度：绝对湿度：指某一地区在某时刻空气中的水指某一地区在某时刻空气中的水汽含量。汽含量。1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素Compan

12、y Logo1.5.3 1.5.3 湿度湿度 （2）湿度的分类）湿度的分类l 绝对湿度：绝对湿度：指某一地区在某时刻空气中的水汽含量。指某一地区在某时刻空气中的水汽含量。l 采用重量单位表示采用重量单位表示时时,单位为单位为g/cm3,常用代号常用代号m；l 采用压力单位表示采用压力单位表示时时,单位为单位为mmHg，常用代号，常用代号e。l 绝对湿度只能说明某一时刻空气中水汽含量的多少绝对湿度只能说明某一时刻空气中水汽含量的多少,而不能反映出空气中水汽含量达饱和的程度而不能反映出空气中水汽含量达饱和的程度,于是又提于是又提出了出了相对湿度的概念相对湿度的概念。1.5 影响水文循环的气象、水文

13、因素影响水文循环的气象、水文因素Company Logo1.5.3 1.5.3 湿度湿度 （2）湿度的分类）湿度的分类l 相对湿度：相对湿度：指绝对湿度与饱和水汽含量之比，常用指绝对湿度与饱和水汽含量之比，常用代号代号r。式中：式中：e、m代表绝对湿度代表绝对湿度；E、M代表饱和水汽含代表饱和水汽含量。量。l 饱和水汽含量：饱和水汽含量：指某一温度条件下，空气中可以容指某一温度条件下，空气中可以容纳的最大水汽数量。纳的最大水汽数量。采用重量单位表示时，常用代号采用重量单位表示时，常用代号M；采用压力单位表示时，常用代号采用压力单位表示时，常用代号E；1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文

14、循环的气象、水文因素 Company Logo1.5.3 1.5.3 湿度湿度 （2）湿度的分类）湿度的分类l 饱和水汽含量与温度关系：饱和水汽含量与温度关系：（见表（见表1-2 P11）一般规律：随气温升高，饱和水汽含量增大；一般规律：随气温升高，饱和水汽含量增大；反之，则减小。反之，则减小。l 相对湿度与温度间关系：相对湿度与温度间关系：假设绝对湿度不变的前提下：假设绝对湿度不变的前提下：温度增加，饱和水汽含量增加，则相对湿度降温度增加，饱和水汽含量增加，则相对湿度降低；低；温度下降，饱和水汽含量降低，则相对湿度增温度下降，饱和水汽含量降低，则相对湿度增加。加。1.5 影响水文循环的气象、

15、水文因素影响水文循环的气象、水文因素 Company Logo1.5.3 1.5.3 湿度湿度 （2）湿度的分类）湿度的分类l 露点露点 指当温度下降至某一值时，水汽含量达饱和，指当温度下降至某一值时，水汽含量达饱和，亦即亦即 =100%=1，此时的，此时的气温就叫露点，若温度继续下降，则空气中过剩的水汽气温就叫露点，若温度继续下降，则空气中过剩的水汽将凝结形成不同形式降水。将凝结形成不同形式降水。1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素 Company Logo1.5.4 1.5.4 蒸发蒸发 （1）概念）概念 指常温下，水由液态变为气态进入大气的过程。指常温下，水由

16、液态变为气态进入大气的过程。（2）类型）类型 有有土面蒸发、水面蒸发和叶面蒸发（蒸腾）土面蒸发、水面蒸发和叶面蒸发（蒸腾）。v 通常用水面蒸发量的大小表示一个地区的蒸发强度。通常用水面蒸发量的大小表示一个地区的蒸发强度。气象部门测定蒸发量的方法是：用蒸发皿装上水，测定气象部门测定蒸发量的方法是：用蒸发皿装上水，测定一定时期内的蒸发水量，并用水柱高度的一定时期内的蒸发水量，并用水柱高度的mm数表示，数表示，如：北京的多年平均年蒸发量为如：北京的多年平均年蒸发量为1102mm。v 气象部门提供的蒸发量只反映一个地区蒸发的相对气象部门提供的蒸发量只反映一个地区蒸发的相对强度，而不能代表一个地区的实际

17、蒸发水量，因为一个强度，而不能代表一个地区的实际蒸发水量，因为一个地区不全是水面，且用小直径蒸发皿测得的蒸发量比实地区不全是水面，且用小直径蒸发皿测得的蒸发量比实际水面蒸发量又偏大许多。际水面蒸发量又偏大许多。1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素 Company Logo1.5.4 1.5.4 蒸发蒸发 （3）影响水面蒸发速度、强度的因素）影响水面蒸发速度、强度的因素v 主要有主要有气温、气压、湿度、风速气温、气压、湿度、风速等，其中主要取等，其中主要取决于决于气温与绝对湿度的气温与绝对湿度的对比关系，更具体地讲，主要对比关系，更具体地讲，主要取决于相对湿度的大小，

18、相对湿度越小，饱和差越大，取决于相对湿度的大小，相对湿度越小，饱和差越大，则蒸发速度越快。则蒸发速度越快。饱和差：饱和差：饱和水汽含量与绝对湿度之差。饱和水汽含量与绝对湿度之差。公式：公式：d=E-e 饱和差越大，则蒸发越大。饱和差越大，则蒸发越大。v 风速风速是影响蒸发的另一重要因素，风将水面上蒸是影响蒸发的另一重要因素，风将水面上蒸发出的水汽带走，从而可以大大加快蒸发的速度与强发出的水汽带走，从而可以大大加快蒸发的速度与强度。度。1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素 Company Logo1.5.5 1.5.5 降水降水（1）概念）概念v 指空气中的水汽含量达

19、到饱和状态时，超过饱和限指空气中的水汽含量达到饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，并以液态或固态的形式降落于地面，度的水汽便凝结，并以液态或固态的形式降落于地面，这就是降水。这就是降水。v 降水的形式降水的形式有：雨、雪、冰、霜等。有：雨、雪、冰、霜等。（2）降水量）降水量v 气象部门用雨量计测定降水量，以某地区在某时间气象部门用雨量计测定降水量，以某地区在某时间段内的降水总量平铺于该区地面得到的水层高度段内的降水总量平铺于该区地面得到的水层高度mm数数表示。表示。v 降水量降水量数据是一个实际量，在计算含水层的降水入数据是一个实际量，在计算含水层的降水入渗补给量时，经常使用。渗补给量时，经

20、常使用。1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素 Company Logo1.5.5 1.5.5 降水降水（3）天气、气候的概念）天气、气候的概念v 天气：天气：指某地区在某时刻（或短暂的时间段指某地区在某时刻（或短暂的时间段内如内如1小时，几小时，小时，几小时，1天等）各种气象因素综天等）各种气象因素综合影响所决定的大气物理状态合影响所决定的大气物理状态v 气候：气候：指某区域的天气平均状态，一般指多指某区域的天气平均状态，一般指多年平均状态，并以气象要素的多年平均值表征，年平均状态，并以气象要素的多年平均值表征，称为该区域的气候。称为该区域的气候。1.5 影响水文循

21、环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素 Company Logo1.5.6 1.5.6 径流径流 （1）有关概念）有关概念v 径流：径流：指降落于地面的降水在重力作用下，指降落于地面的降水在重力作用下，沿地表或地下流动的水流沿地表或地下流动的水流，分为分为地表径流与地表径流与地下径流地下径流。v 水系：水系：指汇注于某一干流的全部河流的总指汇注于某一干流的全部河流的总体构成的一个地表径流系统。体构成的一个地表径流系统。v 流域：流域：指一个水系的全部集水区域，流域范围内指一个水系的全部集水区域，流域范围内的降水通过各级支流汇注于干流。的降水通过各级支流汇注于干流。v 分水岭：分水岭：指

22、相邻两个流域之间地形最高点的连线，指相邻两个流域之间地形最高点的连线，这是地表水的分水岭。这是地表水的分水岭。地表水系、流域和地表水系、流域和分水岭同样可用于地下水。分水岭同样可用于地下水。1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素 Company Logo1.5.6 径流径流 （2）径径流流要要素素（主主要要针针对对地地表表径径流流，但但对对地地下下径径流流也也可可以以适用）适用）v 流量（流量（Q）：）：单位时间内通过河流某一断面的水量，单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为单位为m3/s，公式为：，公式为：Q=FV 式中：式中：F：断面面积：断面面积 V：断面的平

23、均流速：断面的平均流速v 径流总量（径流总量（W）：）：某时段某时段T内，通过河流某一断面的内，通过河流某一断面的总水量，单位为总水量，单位为m3 W=QT 式中：式中：Q：流量（：流量（m3/s）；）；T：时间（：时间（s）1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素 Company Logo1.5.6 1.5.6 径流径流 （2）径径流流要要素素（主主要要针针对对地地表表径径流流，但但对对地地下下径径流流也也可可以以适用）适用）v 径流模数（径流模数（M）：单位流域面积平均产生的流量，单位流域面积平均产生的流量，单位为单位为L/sKm2 式中：式中：F：流域面积（：流域

24、面积（Km2）Q：流量（：流量（m3/s）v 径流深度（径流深度（Y）：计算时段内的总径流量均匀分布计算时段内的总径流量均匀分布在测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度，单在测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度，单位：位：mm 式中：式中：W：计算时段内的径流总量（：计算时段内的径流总量（m3）F：测站以上的整个流域面积（：测站以上的整个流域面积（Km2）1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素 Company Logo1.5.6 1.5.6 径流径流 （2 2）径径流流要要素素（主主要要针针对对地地表表径径流流，但但对对地地下下径径流也可以适用）流也可以适用

25、）v 径流系数（径流系数（）：同一时间段内流域面积同一时间段内流域面积上的径流深度上的径流深度Y Y（mmmm）与降水量）与降水量X X（mmmm）的比值。）的比值。（以小数或百分数表示）（以小数或百分数表示）的大小可以反映流域内降水转化为地表的大小可以反映流域内降水转化为地表径流的效率。径流的效率。1.5 影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素 Company Logo（1）水文循环的内、外因是什么？）水文循环的内、外因是什么？（2）为什么称水资源为可再生资源，可再生的水资源）为什么称水资源为可再生资源，可再生的水资源是取之不尽的吗？是取之不尽的吗？（3）举例说明人类活动对）举例说明人类活动对“水文循环水文循环”产生的影响。产生的影响。（4）研究一个地区水量平衡有何意义？）研究一个地区水量平衡有何意义？第一章结束第一章结束思考题思考题Company Logo本章内容本章内容 1.1 水循环水循环1.2 水文循环水文循环1.3 水量平衡水量平衡1.4 水文循环的作用水文循环的作用1.5影响水文循环的气象、水文因素影响水文循环的气象、水文因素Company Logo