水文学教案.doc
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1、(完整版)水文学教案绪 论一、水文学的研究对象及主要内容(一)研究对象1、 水文学-研究地球上水的性质、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、水体以一定形式存在于自然界中水的总称。水的形态包括大汽水、河流水、湖泊水、海洋水、湖泊水、沼泽水、冰川水、地下水、土壤水、生物水等。(二)水文学研究的主要内容及本课程的内容结构1、主要内容(1)水分循环及水量平衡(水文学的核心内容)(2)水的数量、质量及分布(3)各种水体的性质(物理性质、化学性质)(4)各种水体的类型结构及运动规律(5)水在地理环境中的作用(与生态系统、地理环境、人类活动之间的关系)(6)水资源开发利用
2、及人类活动的水文效应2、本课程的内容结构二、水文学的发展简介水文学经历了从萌芽到成熟、从经验到理论、从定性到定量的历史发展过程。(一)水文现象定性描述阶段1、时期:远古14世纪未2、标志(1)世界上最早的水文观测:中国和埃及(大禹冶水、随山刊木)(2)水经注吕氏春秋定性描述各大河流的源流、水情、水文循环的初步概念(3)特点水文观测定性描述经验积累(二)水文科学的形成阶段1、时期:15世纪初19世纪未2、特点:(1)概念描述进入定量描述(2)水文理论的形成3、标志(1)1674年p.佩罗提出了水量平衡概念(2)1775年谢才提出了谢才公式(明渠畅流等流速公式)(3)1802年道尔顿提出蒸发公式(
3、4)1856年达西定律形成(三)应用水文学阶段1、时期:20世纪-20世纪五十年代2、特点(1)水文观测理论体系进一步完善(2)应用水文学发展3、标志(1)工程水文学成为应用水文学的主要分支(2)产汇流理论计算公式(3)森林水文学、城市水文学的形成(四)现代水文学阶段1、时期:20世纪50年代以来2、特点:(1)水文技术科学的发展(2)分支科学不断诞生(3)研究方法趋向综合(4)水资源开发利用、管理、评价成为重点3、标志(1)雷达测雨(2)中子散射法测土壤含水量(3)放射性示踪测流(4)同位素测沙(5)卫星遥感及GIS的利用(6)水文模拟、随机分析、系统分析方法(7)水文研究自动化(8)水资源
4、的评价、管理、优化利用三、水文学体系(一)按水体的分类(对象)(传统分类法)(二)系统水文学体系1、水文学的学科体系2、普通水文学:水文学基本理论、方法3、水文测验学4、区域水文学(1)流域水文学 (2)河口水文学 (3)山地水文学(4)平原水文学 (5)坡地水文学 (6)干旱区水文学(7)岩溶区水文学5、应用水文学(1)工程水文学 (2)城市水文学 (3)森林水文学(4)农业水文学 (5)土壤水文学6、新技术方法(1)随机水文学 (2)模糊水文学 (3)系统水文学(4)遥感水文学 (5)同位素水文学四、水文学地理研究方向及其与其它学科的联系(一)水文学的地理研究方向1、水文学的三个研究方向(
5、1)地理学方向 (2)地球物理学方向 (3)工程学方向2、水文学地理方向(地理水文学)(1)水文学与地理学共同隶属、分别分支(2)侧重水体运动变化的自然规律,总体演化趋势,与其它地理要素相互关系的综合研究;水体差异的区域性研究(3)特点:宏观性、区域性、综合性(二)水文学在地理学中的地位1、地理学的学科体系2、水文学是地理学自然地理的学科分支学科自然地理包括气候学、地貌学、水文学、土壤地理学、生物地理学等。五、水文现象的基本特点(一)水文现象-水循环过程中,水的存在和运动的各种形态,统称为水文现象。(二)水文现象的特点1、水循环永无止境2、周期性与随机性(时间变化上)(1)、周期性:年周期、季
6、周期、月周期、日周期(2)、随机性:不重复性3、地区颁布上的相似性和特殊性(1)相似性:地带性规律(2)特殊性:区域性(差异性)六、水文学的研究方法(一)、传统研究方法1、成因分析法(物理学原理为基础进行水文解释)2、数理统计法 相关分析-经验性模型3、地理综合防治法等值线法(地带性规律、非地带性规律)(二)、新技术方法 第一章 地球上水的性质与分布第一节 地球上水的物理性质 地球上水的物理性质包括:水的形态及其转化、水的热力学性质、水温、水的密度、水色及透明度一、水质形态及其转化地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在,在常温条件下三相可以互相转化。(一)水分子的结构1、单水分子结构(1)单
7、水分子结构图(2)氧原子附近形成负极,氢原子附近形成正极;水分子具有极性2、水分子聚合体由于水分子具有极性,故有聚合体(1)双水分子聚合体(2)三水分子聚合体(二)水的三态及其转化1、冰点与沸点在一个标准大气压下,纯水0为冰点,100为沸点2、水的三态与水温(1) 不同水温水分子聚合体的分布()类型温度冰(0)水(0)438 98 单水019202936双水4158595051三水5923212113(2)三个结论a) 随着水温的升高,单水分子比例升高,聚合体比例下降,当温度高于100以上时,主要为单水分子。当温度高于100呈气态时,水主要由单水分子组成。b) 随着温度的降低,水分子聚合体不断
8、增多,单水分子不断减少。水温达到0结冰时,单水分子为零,三水分子增多,因三水分子结构特性,使液态水变成固态冰时,体积膨胀10,若冰变成液态水时,体积减小10。c) 水温在3。98时,二水分子占比重大,而二水分子结合紧密,故密度最大,其为1。 (三)固态水(冰)的结构1、冰的结构的形成:氢键起着强烈的缔合作用(1)每个氢键以等键距与另外四个氧原子相连结,在冰晶中的水分子则具有比较完整的正四面体结构形态(2)键角增为10928,键距亦增至1。01A。2、冰晶中的内在矛盾主要表现为氢键的凝聚力和氢核的振动、水分子的热运动,前者为吸引 因素,后二者为排斥因素。(四)液态水结构的主要理论模型1、连体理论
9、2、混合体理论3、闪动簇团”模型二、水的热学性质(一)概念1、水的热学性质:水的三态转化时的吸热与放热2、潜热:三态转化过程中吸收和放出的热量称为潜热3、水的蒸发:水的溶解潜热大于其它液体4、水的热容量及潜热特点对地球上的热量变化有调解作用三、水温(一)海水水温1、海水的热量收支平衡(1)热量的收入a) 来自太阳和天空的短波辐射b) 来自大气的长波辐射c) 地壳内热通过海底传给海水的热量d) 海面水汽凝结时放出的热量e) 洋流带来的热量f) 海水运动产生的热量g) 化学的、生物的和放射性物质放出的热量h) 海水垂直交换中所得的热量(2)热量的支出a) 海面辐射放出的热量b) 海水蒸发时所消耗的
10、热量c) 洋流带走的热量海水垂直交换中耗掉的热量(3)热量平衡a)多年平均情况各海区的收支不平衡2、海水温度的分布(1)海水温度的水平分布a) 三大洋表面年平均水温约为17.4,其中太平洋最高,达19。1;印度洋17.0;大西洋16。9。b) 三大洋表面年平均水温的分布特点是:北半球高于南半球,在南北纬030之间以印度洋水温最高,在南北纬50-60之间大西洋水温相差悬殊。c) 世界大洋表面水温分布的总趋势是:水温从低纬向高纬递减;在南北回归线之间的热带海区水温最高;大洋东西两侧,水温分布有明显差异;在寒暖流交汇处等温线特别密集,水温水平梯度很大;夏季大洋表面水温普遍高于冬季,而水温的水平梯度则
11、冬季大于夏季.(2)水温的垂直分布a) 从海面向海底呈不均匀递减的趋势b) 南北纬40之间海水垂直结构3。海水温度的时间变化(1)日变化a) 变化总体上小b) 随纬度增加,日变化减小c) 近海区水温日变化大于远海区(深海区)d) 最低与最高水温各地出现的时间有差异最高:14时16时最低:4时6时e) 日变深度一般可达1020米最高可过6070(2)水温的年变化a) 影响水温年变的因素有:太阳辐射、洋流性质、季风和海陆位置b) 水温年变的地理分布规律;a) 从赤道和热带海区向中纬海区增大,然后向高纬海区减小;b) 在同一热量带,大洋西侧较东侧变幅大,靠近海岸地区更大;c) 南北两半球相比,北半球
12、各纬度带的年较差大于南半球;d) 水温年变深度,一般可达100150 米,最大深度可达500 米左右.4、海冰(1)冰点和最大密度温度都随盐度的增加而降低,但降低的数值不同a) 当海水的盐度大于24。695103 时,冰点温度低于最大密度温度;b) 当盐度小于24。695103 时,冰点温度高于最大密度温度;c) 只有盐度在24.695103 时,海水的冰点温度与最大密度温度相同,为-1。332。(2)海水难以结冰的原因a) 含盐量高,冰点低;b) 密度增大,对流运动显著;c) 结冰后,表层海水密度增大,对流运动加强;d) 结晶核的存在,结冰难度大。(二)河水温度1、影响河水水温的因素1) 太
13、阳辐射2) 气温3) 补给来源 a) 冰水补给b) 雨水补给c) 地下水补给2、水温的分布(1)水平分布:大体上与气温分布一致(2)垂直变化:具有成层性和日变性3、水温的时间变化:与气温的时间变化一致(三)湖泊、水库水温1、影响因素界面蒸发、凝结垂直紊流对流热交换大气辐射太阳辐射2、水温的分布(1)水平分布(2)垂直分布:水温垂直分布梯度a) 正温层分布:上层水温高,下层低,但不低于4b) 逆温层:上层水温低,下层水温高,但不高于4c) 同温层:上下水温一致3、湖水水温的变化(1)日变化 (2)年变化:年较差较气温差小(四)地下水的水温1、地下水的埋藏深度不同,温度变化规律也不同.1) 近地表
14、的地下水的水温受气温的影响,具有周期性变化2) 一般在日常温层以上,水温有明显的昼夜变化3) 在年常温层以上,水温具有季节性变化。在年常温层中,地下水温度变化很少,一般不超过0.1。而在年常温层以下,地下水温则随深度的增加而逐渐升高,其变化规律决定于一个地区的地热增温级。地热增温级是指在常温层以下,温度每升高1所需增加的深度,单位为m/。各处地热增温级不同,一般为33m/.2、 地下水温度分类状态非常冷水极冷水冷水温水热水极热水沸水温度 00 - 44 2020 3737 4242 100 1003、地下热水分类相类型热水名称水温液相热水低温热水20-40中温热水40 60高温热水60 100
15、 液气相过热水低温过热水100高温过热水374四、水的密度(一)纯水的密度1、水分子结构的三种形式1) 四面体结构2) 类石英晶体结构3) 最紧密的堆积结构2、温度与密度的关系温度20100的冰0的水3.981050密度0.94030.91860。91670.99991。0000.99970.9584(二)海水密度1、概念1) 海水密度:单位体积内所含海水的质量,其单位为g/cm3.2) 海水的比重:即指在一个大气压力条件下,海水的密度与水温3.98时蒸馏水密度之比。3) 现场密度:在现场温度、盐度和压力条件下所测定的海水密度4) 条件密度:在一个标准大气压(p=0)下的海水密度5) 密度可用
16、海水状态方程表示: (s,t,p)=(s,t,0)/110/k(s,t,p)2、海水密度的分布(1)大洋表面密度的分布 a) 大洋表面密度随纬度的增高而增大,等密度线大致与纬线平行;b) 赤道地区由于温度很高,盐度较低,因而表面海水的密度很小,约1。02300。 亚热带海区盐度虽然很高,但那里的温度也很高,所以密度仍然不大,一般在1.02400 左右。极地海区由于温度很低,所以密度最大。(2)垂直分布a) 总趋势:密度向下递增;b) 在南北纬20之间液体海底(50-100米)深度上密度垂直梯度最大,密度的突变层(跃层),对声波有折射作用。五、水色与透明度(一)水色1、影响水色的因素:(1)水体
17、的光学性质(吸收、反射、折射、散射)(2)水中悬浮物质、浮游生物的颜色(3)天空状况、水体底质的颜色2、海水呈蓝色的原因:光的散射作用3、水水色的测定(1)测量:水色计(2)度量:号码1-21 代表水色。号码越小,水色越高,号码越大,水色越低。(二)透明度1、透明度:表示各种水体能见程度的一个量度2、测量方法:透明度板(白色圆盘直径为30 厘米)能见深度3、水色与透明度的关系水色越高,透明度越高第二节 地球上水的化学性质一、天然水的化学性质水的化学性质包括:化学物质成分、矿化过程、矿化度、硬度等(一)天然水的化学成分1、天然水中的各种物质按性质通常分为三大类:1)悬浮物质:粒径大于100 纳米
18、的物质颗粒 例如泥沙、粘土、藻类、细菌等不溶物质。2)胶体物质:粒径为1001 纳米的多分子聚合体,其中无机胶体主要是次生粘土矿物和各种含水氧化物.有机胶体主要是腐殖酸.3)溶解物质:粒径小于1 纳米的物质包括各种盐类、气体和某些有机化合物。2、天然水中形成各种盐类的主要离子(1)主要阳离子:K+、Na+、Ca2+、Mg2+ (2)主要阴离子(3)其它阴阳离子3、矿化度:天然水中,各种元素的离子、分子与化合物的总量;矿化过程:各种溶解质在天然水中的累积和转化。(二)天然水的矿化过程1、溶滤作用(1)概念:土壤和岩石中某些成分进入水中的过程(2)类型:a) 全等溶解矿物,例如,氯化物、硫酸盐、碳
19、酸盐;b) 不全等溶矿物,主要是硅酸盐和铝硅酸盐.2)吸附性阳离子交替作用(1)概念:天然水中离子从溶液中转移到胶体上,是吸附过程。同时胶体上原来吸附的离子,转移到溶液中是解吸过程。(2)特征:a) 离子交换是可逆反应,处于动态平衡;b) 离子交换以当量关系进行;c) 离子交换遵守质量作用定律。(3)吸附容量:胶体吸附的饱和容量(4)胶体对各种阳离子的吸附能力不同,并有如下顺序:H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+K+NH 4+Na+Li+3、氧化作用(1)天然水中的氧化作用,包括使围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。(2)实例a) 2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO
20、412FeSO4+3O2+6H2O=4Fe(SO4)3+2FeO33H2Ob)CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+2H2O4、还原作用 (1)在还原环境里,天然水若与含有机物的围岩(油泥、石油等)接触,或受到过量的有机物污染,碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。(2)实例CH4+CaSO4=CaS+CO2+2H2O CaS+CO2+H2O=CaCO3+H2S5、蒸发浓缩作用6、混合作用(1)概念:两种或几种矿化度不同,成分各异的天然水相遇,混合以后的矿化度和化学组成都要发生变化。(三)、天然水的分类1、按水化学成分分类(1)特点a) 按照水中各种主要离子成分的相对含量等指标b) 以公式的
21、形式来表示水的基本化学性质(2)实例:北京小汤山温泉2、按矿化度分类矿化度水的名称矿化度大小低矿化淡水 1弱矿化微咸水1-24中矿化咸水2435强矿化盐水35-50高矿化卤水 503、阿列分类法(1)特点a) 按离子成分分类b) 地表水分类(2)方法a) 按占优势的阴离子将天然水分为三类:重碳酸盐类(C)、硫酸盐类(S)、b) 氯化物类(Cl)按占多数的阳离子分为钙质(Ca)、镁质(Mg)、钠质(Na)c) 三组在每一组内又按各种离子摩尔的比例关系,分为四个水型:型:HCO3Ca2+Mg2+。型水是低矿化水型:HCO3Ca2+Mg2+HCO3-+SO42)型水是低矿化和中等矿化水型:HCO3-
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