水文学原理第一章2011

'欢迎大家来学习《水文学原理》主讲：朱仲元同学们好，暑假快乐！ 课程名称：水文学原理PrinciplesofHydrology教学目的：水文学原理论述水文学的基本理论和计算方法原理，是水利学科以及与水有关学科的基础理论。课程的内容有：水文学研究方法特点、水文循环、流域和水系、降水、土壤水运动、下渗、蒸发和散发、产流机制、地下水流、地表水流、洪水演算、流域产流、流域汇流、冰雪水文、水质及河流生态环境等。它是从事水文水资源、水利工程、土木工程、农业水土工程、地理学科、环境学科等专业必修课程。是水文水资源工程专业的核心课程。 主要参考书：1．芮孝芳.水文学原理.北京，中国水利水电出版社，2004.2．胡方荣，侯宇光．水文学原理（一），北京，中国水利水电出版社，1988.3．于维忠．水文学原理（二），北京，中国水利水电出版社，19884．M.J.柯克比主编，刘新仁等译.山坡水文学.哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，1989.5．R.赫尔曼．水文学导论（中译本）．哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，1989.6．雷志栋，杨诗秀，谢森传.土壤水动力学.清华大学出版社，1988.7《工程水文学》，任树梅，朱仲元主编，中国农业大学出版社，2000授课学时：56学时,3.5学分 第一章绪论 水的自然属性：(1)水具有周而复始循环运动；(2)水是良好的溶剂；(3)水具有势能、动能、压力能和化学能等。§1.1人类面临的主要水问题水的社会属性：(1)水是维持生命的不可替代的物质，是生命之源；(2)水可引起灾害；(3)水资源可以再生，但有时空变化；(4)水资源有价值；(5)水资源成为社会不稳定的一个因素。 人类面临的主要水问题(1)水、旱灾害是人类面临的主要自然灾害；(2)水资源短缺制约地区经济的发展，而且问题越来越突出；(3)全球气候变暖增加了解决水问题的难度；(4)水污染加剧的势头还未得到有效的控制；(5)不合理的工程措施和管理产生了负面影响。 §1.2水文现象及水文学地球上水的总量大致不变，以气态、液态或固态的形式存在于水圈、大气圈、岩石圈和生物圈中。以一定方式存在于某一环境中，具有一定特征和变化规律的水，称为水体。与水的运动变化、存在有关的自然现象，如：降水、蒸发、渗流、径流（河流水量、水位的变化）以及水的冰冻与消融（冰情变化、冰川进退）等，湖泊中的水位涨落、地下水的运动和水质变化等，统称为水文现象。 水文学作为地球物理科学的一个分支，主要研究地球系统中各种水体的存在、运动、循环和分布，水体的物理化学性质，水体与环境相互作用与影响，水体与生物（特别是人类）的相互作用与影响。水文学既有理论科学的特征，也有应用科学的性质。水文学原理是水文科学的基础课程，主要阐明各种水文现象、水文过程形成的原因和机理，为定量研究水文过程奠定基础。 §1.3水文学发展简史水文学的发展大致经历了四个时期：1.萌芽时期（公元1400年以前）对水文循环的认识测量水位、测量降雨、测量流速观测论证了水循环，一些水文学的基本原理开始形成。 2.奠基时期（公元1400年~1900年）水文循环概念的完善《喷泉的起源》（1674）一书的出版水文测验仪器制造成功：雨量计、流速仪、比托管，等水文计算公式的提出：伯努利定理、谢才公式、达西定律、道尔顿蒸发公式、曼宁公式等 3.实践时期（1900年~1950年）正规的水文站、雨量站的建立应用水文学的发展水文学理论的成熟：入渗方程、统计学在水文上的应用（频率分析）非饱和渗流、单位线的应用、入渗理论、极值定律，等等。 4.现代化时期（1950年~现在）：水文科学理论的深入研究和有关学科的渗透，促使水文计算和水文预报出现了许多新方法；计算机的应用大大改变了水文科学的面貌，遥感、遥测、核技术、模拟技术的应用3S技术在水文学中的应用1.全球定位系统（GlobalPositioningSystem）2.地理信息系统（GeographicInformationSystem）3.遥感遥测系统（RemoteSensingSystem） §1.4水文学的主要分支学科分类的依据不同，水文学的分支学科的数量和名称不完全相同。（1）按基础理论与应用分：水文学原理(或称理论水文学)和应用水文学。（2）按研究方法分：动力水文学、系统水文学、计算水文学、确定性水文学、水文统计学、随机水文学、地理水文学、实验水文学、同位素水文学、数字水文学等。 （3）按研究对象分：水文学原理、水文气象学、河流水文学、湖泊水文学、冰川水文学、地下水文学、河口海岸水文学、海洋水文学、水文测验学、水资源学等。（4）按应用范围分：工程水文学、农业水文学、森林水文学、城市水文学、环境水文学、生态水文学、数字水文学等。 §1.5水文现象的基本规律与研究方法一、水文现象的基本规律1．确定性规律（成因规律）2．随机性规律（统计规律）二、水文现象的基本特性1．时程变化的周期性与随机性对立统一2．地区分布的相似性与特殊性对立统一 三、研究方法与特点1．多学科的交叉与渗透水动力学、热力学动力水文学系统论、控制论系统水文学计算机技术计算水文学和实时水文预报技术时间序列分析和蒙特一卡洛方法随机水文学河系地貌定律和统计物理学方法地貌瞬时单位线理论 2．通过水文实验揭示水文规律水文站网：在大范围内对基本水文要素进行长期连续观测。实验流域：在某一区域（流域）内对所研究的水文要素及其它项目进行试验研究。实验室试验：根据所揭示的内容进行专项试验。 3．应用流域水文模型探索水文规律流域水文模型是由描述流域降雨径流形成过程的各函数构成的一种物理结构或概念性结构，或者说是通过一组耦合函数关系及相应参数来模拟流域降雨径流形成过程的一种结构，它严格满足流域水量平衡原理。输入：降雨、产流、汇流、蒸散发能力等输出：流量过程、蓄水过程、蒸散发过程等 4．确定性与随机性研究方法的结合 §1.6本课程的学习方法1.理解水文现象的机理2.悉心观测水文现象3.掌握描述水文现象的数学方法4.了解相关学科的进展5.培养兴趣 本章复习思考题1.水文学主要研究那些内容？2.人类面临的主要水问题有哪些？3.什么是水文现象？水文现象有哪些基本规律和特性？4.水文学有哪些主要分支学科?5.水文学经历了哪些发展阶段？6.简述水文学研究的特点 洪涝灾害—“水多” 《中国灾情报告》1949-1995年统计水旱灾害2000多年历史资料统计：平均每两年发生一次较大洪水洪涝灾害仍是心腹之患 水资源短缺—“水少” 水土流失—“水浑” 我国水资源总量为2.8万亿m3，人均水资源量不到2200m3，不足世界人均的1/4；旱灾的特点是范围广，损失大。“十五”期间，农田受旱面积年均达3.85亿亩，平均每年因旱减产粮食350亿公斤。我国有40%以上的人口生活在缺水地区，全国农村有3.2亿人饮水不安全,饮水安全是一个突出问题。水资源短缺严重制约经济社会发展 供水Supply需水Demand正常年份缺水达400亿m3水资源短缺严重制约经济社会发展 城市缺水问题严重全国661座城市有400多座缺水，其中110座严重缺水，1.6亿多城市居民的正常生活受影响。水资源短缺严重制约经济社会发展 地下水平均每年超采约100亿m3超采面积达19万km2，深层地下水超采区面积达9km2水资源短缺严重制约经济社会发展 ！如果不采取有力措施，我国有可能出现严重的水危机。2030年人口16亿水资源短缺严重制约经济社会发展 全球气候变化趋势在全球变暖的大背景下，近百年来中国的气候也在变暖。2021/9/433 环北极冰盖的变化（NASA，2005）1980年2003年气候变化—严重影响自然生态系统（北极冰盖消退） 马尔代夫群岛国家，平均海拔１.２米。全球变暖，“旅游天堂”的马尔代夫可能消失…准备举国搬迁气候变化－严重影响人类生存和发展（岛国的灭顶之灾）马尔代夫首都马累（Male）海底议会（2009.10.09） 水环境恶化—“水脏”3水污染严重趋势未有效控制 水污染严重趋势未有效控制2006年，全国废污水排放总量731亿吨，比2000年增加111亿吨。 2005年13.3万公里评价河长水质评价结果水质四类和劣于四类的河长占总评价河长的37.7%，特别是劣五类水河长占20.3%，比2000年增加近5个百分点。一类水5.7％四类水10.3％三类水27.6％二类水29％劣五类水20.3％五类水7.1％水污染严重趋势未有效控制 水土流失及生态环境问题突出2005年普查资料：全国水土流失面积356万km2，占国土面积的37%，其中:水蚀165万km2，每年江河流失表土51亿t。大量泥沙流入河道。黄土高原'