绪论
1. 定义:水文学是研究地球上水的起源、存在、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。 2. 主要研究对象——水体(水圈)
3. 核心内容:①水圈处于永不停息的运动状态;
②水循环:水圈中各种水体通过蒸发、水汽输送、降水、地面径流和地下径
流等水文过程紧密联系,相互转化,不断更新,形成一个庞大的动态系统。
4. 重要内容:水资源问题 第一章
1.水的密度:在一个标准大气压下,纯水0℃为冰点,100℃为沸点。0℃以下为固体,0-100℃为液体,100℃以上为气体。
①无杂质的纯水,在4℃(3.98℃)时密度最大,为1克/立方厘米,在0℃时密度
为0.9999克/立方厘米;
②水自液体状态变为固体状态,其密度要发生突变,大约要变小10%,即体积将
增加;0℃时冰的密度为0.9167克/立方厘米。
③同其他物质一样,受热时体积增大,密度减小(0-4℃范围内,不服从热胀冷缩
的规律)。
2.海水温度的分布特点:①表面平均温度:太平洋>印度洋>大西洋;
②北半球高于南半球;
③南北纬0-30度之间印度洋水温最高;
④南北纬50-60度之间大西洋水温相差悬殊。
(形成上述特点的原因:①由于热赤道北移,南半球的热带水一部分流入北半球,北半球暖
流势力强大,一直影响到高纬,受大陆和海底地貌影响,北冰洋的冷水不能大量南流; ②南半球三大洋相连,并与南极大陆相接,因此冷却效果特别明显; ③印度洋热带海区三面受亚、非、澳大利亚大陆包围,并受暖流影响,所以水温最高。 )
3. 世界大洋表面水温分布的总趋势:第一,水温从低纬向高纬递减;
第二,南北回归线之间的热带海区水温最高; 第三,寒暖流交汇处水温变化较大; 第四,夏季大洋表面水温高于冬季。
4.正温层:当湖水温度随水深的增加而降低时,即水温梯度成负值时,将出现上层水温高, 下层水温低,但不低于4℃,这种水温的垂直分布,称为正温层;
逆温层:当湖温随水深的增加而升高时,上层水温低,下层水温高,但不高于4℃。这种水温的垂直分布,称为逆温层;
( 同温层:当湖温上下层一致,上下层水温完全相同(同温层,4℃))
温跃层:当湖泊出现正文曾时,在湖面以下一定深度常常形成温跃层,即上下层水温有
急剧变化的一段。
5. 海水的密度,是实用盐度(s)、水温(t)和压力(p)的函数。 6. 海水密度的垂直分布规律:
①从表层向深处增加;
②南北纬20°之间在100米以内密度最小,并且在50米以内垂直梯度极小; ③50—150米深度上密度垂直梯度最大,出现密度的突变层(跃层),它对声波有折射作用,潜艇在其下面航行或停留在其上均不易发现,故有“液体海底”之称; ③约从1500米开始,密度垂直梯度很小,在深层,密度几乎不随深度而变化。
7.天然水中按性质分为三类:
1)悬浮物质:粒径大于100纳米(10-7米)的物质颗粒,在水中呈悬浮状态: 泥沙、粘土、藻类、细菌等
使天然水有颜色、变浑浊、产生异味
2)胶体物质:粒径为100—1纳米的多分子聚合体: 次生粘土矿物、含水氧化物、腐殖酸
3)溶解物质:粒径小于1纳米的物质,在水中成分子或离子的溶解状态: 盐类、气体、某些有机物 8. 天然水八大离子:
K+ 、Na+、Ca2+ 、Mg2+ 、Cl—、HCO3-、SO42-、CO32- Fe、Mn、Cu、F、Ni、P、I等微量元素; O2、CO2、N2、H2S、CH4等
9. 海水的化学组成 主要化学元素:Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Sr、B、Si、F等12种,其含量约占全部海水化学元素含量的99.8—99.9%,因此被称为海水的大量元素。 10. 海水的盐度
㈠ 定义:单位质量海水中所含溶解物质的质量,叫海水盐度。 它是海水物理、化学性质的重要标志。
㈡绝对盐度(SA) :定义为海水中溶解物质的质量与海水质量的比值。在实际工作中,此量不易直接量测,而以实用盐度代替。
㈢实用盐度(S) : 在温度为15℃、压强为一个标准大气压下的海水样品的电导率,与质量比为32.4356×10-3的标准氯化钾(KCl)溶液的电导率的比值Kl5来定义。 ㈣盐度的水平分布规律:
A. 世界大洋的平均盐度是34.69×10-3,绝大部分海域表面盐度变化在
33—37×10-3之间。
B. 海洋表面盐度分布的总趋势:从亚热带海区向高、低纬递减,并形
成鞍形。
C. 大洋上盐度等值线大体与纬线平行,但寒流与暖流经过的海域,盐度
等值线有明显的弯曲。在寒暖流交汇的地方盐度等值线密集,盐度水平梯度增大。
D. 大洋中的盐度比近岸海区的盐度高 E. 世界盐度最高值在红海,大于40‰,最低盐度在波罗的海,低于10‰.
㈤世界海洋表层盐度的时间变化:
⑴大洋表层盐度随时间变化的幅度很小,一般日变幅不超过0.05‰,年变幅不超过2‰。 ⑵只有大河河口附近,或有大量海冰融化的海域,盐度的年变幅才比较大。 第二章
1. 水循环基本过程 ⑴定义:水循环是指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、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。
(水循环的五个基本环节: 水汽蒸发、水汽输送、凝结降水、水分入渗、地表、地下径流) ⑵水循环机理:
第一, 水循环服从于质量守恒定律。
(整个循环过程保持着连续性,既无开始,也没有结尾。
从实质上说,水循环乃是物质与能量的传输、储存和转化过程,而且存在于每一环节。地面潜热交换成为大气的热量主要来源。)
第二, 太阳辐射与重力作用,是水循环的基本动力。(外因)
(两种动力不消失,水循环将永恒存在;
水的物理性质,在常温常压条件下液态、气态、固态三相变化的特性是水循环的前提条件(内因);
外部环境包括地理纬度、海陆分布、地貌形态等则制约了水循环的路径、规模与强度。)
第三, 水循环广及整个水圈,并深入大气圈、岩石圈及生物圈。
(循环路径并非单一的,而是通过无数条路线实现循环和相变的,所以水循环系统是由无数不同尺度、不同规模的局部水循环所组合而成的复杂巨系统。)
第四, 全球水循环是闭合系统,但局部水循环却是开放系统。
(可将全球水循环系统近似的视为封闭系统,因为地球与宇宙空间之间虽亦存在水分交换,但每年交换的水量还不到地球上总贮水量的1/15亿;
对地球内部各大圈层,对海洋、陆地或陆地上某一特定地区,某个水体而言,既有水分输入,又有水分输出,是一个开放系统。)
第五, 地球上的水分在交替循环过程中,总是溶解并携带着某些物质一起运动(诸如
溶于水中的各种化学元素、气体以及泥沙等固体杂质等。)
⑶水循环的基本类型
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。
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。
2. 水循环的作用和效应
? 水循环作为地球上最基本的物质大循环和最活跃的自然现象: ? 影响着全球地理环境; ? 影响生态平衡;
? 影响水资源的开发利用。 3.水量平衡
? ⑴水量平衡:指任意选择的区域(或水体),在任意时段内,其收入的水量与支出的
水量之间差额必等于该时段区域(或水体)内蓄水的变化量,即水在循环过程中,从总体上说收支平衡。
? 收入的水量-支出的水量=蓄水的变化量 ⑵水量平衡的研究意义
①定量揭示水循环过程与全球地理环境、自然生态系统之间的相互联系、相互制约的关系
②水量平衡是研究水循环系统内在结构和运行机制,分析系统内蒸发,降水及径流等各个环节相互之间的内在联系
③水量平衡分析是水资源现状评价与供需预测研究工作的核心
④在流域规划,水资源工程系统规划与设计工作中离不开水量平衡工作
⑤合理处理各部门不同用水需要,进行合理调度,科学管理,充分发挥工程效益的重要手段
⑶通用水量平衡方程:I-Q=ds/dt
I为水量收入项;Q为水量支出项;
ds为研究时段区域(或水体)内蓄水变化量;dt为时段 4.蒸发
⑴蒸发的物理机制 蒸发面: 水面蒸发
土壤蒸发 陆面蒸发 植物散发
①水面蒸发:
Ⅰ充分供水条件下的蒸发。
Ⅱ蒸发过程中只需要克服水分子之间的内聚力。
Ⅲ从分子运动论的观点来看,水面蒸发是发生在水体与大气之间界面上的分子交换现
象。包括水分子自水面逸出,由液态变为气态;以及水面上的水汽分子返回液面,由气态变为液态。