水文学多媒体课件-绪论教材

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1、 水 文 学 南通大学地科院 张建国 EMAIL：sezjg 水的起源及重要意义 地球表层的水由地球内部逸出，经过约35亿年的积聚和演变 ，逐渐形成今天的水圈。 水圈的形成不仅改变了岩石圈的面貌，使大气圈中的现象变得 复杂多样，而且导致生物圈的出现。因此，水的出现和水圈的 形成，是地球自然历史中最重大的事件。 绪 论 l 水文学的研究对象 l 水文学发展简介 l 水文学的体系 l 水文现象的主要特点 l 水文学的研究方法 l 水文学课程性质及教学目的要求 一、水文学的研究对象 l水文学是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。 l水循环的研究

2、是水文学的核心内容 l水资源的开发利用和人类活动对水环境的 反馈效应的研究，也已成为现代水文学研 究的重要内容 水循环的研究是水文学的核心内容 地球上现有约13.9亿立方公里的水，它以液态、固态和气态分布于地 面、地下和大气中，形成河流、湖泊、沼泽、海洋、冰川、积雪、地 下水和大气水等水体，构成一个浩瀚的水圈。水圈处于永不停息的运 动状态，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。 在这个系统中，海水在太阳辐射下蒸发成水汽升入大气，被气流带 至陆地上空，在一定的天气条件下，形成降水落到地面。降落的水一 部分重新

3、蒸发返回大气，另一部分在重力作用下，或沿地面形成地面 径流，或渗入地下，形成地下径流，通过河流汇入湖泊，或注入海洋 。从海洋或陆地蒸发的水汽上升凝结，在重力作用下直接降落在海洋 或陆地上。 水的这种周而复始不断转化、迁移和交替的现象称水文循环。 全球每年约有577000立方公里的水参加水文循环。水文 循环的内因，是水在自然条件下能进行液态、气态和固态 三相转换的物理特性，而推动如此巨大水文循环系统的能 量，是太阳的辐射能和水在地球引力场所具有的势能。 水文循环是自然界最重要的物质循环，它成云致雨，影 响着一个地区的气候和生态，塑造地貌和实现地球化学物 质的迁移，像链条一样连结着全球的生命，为人

4、类提供不 断再生的淡水资源和水能资源。水文循环使我们生活的星 球变得生机勃勃。倘若没有水和水文循环，我们的星球会 像月球一样，是一幅没有生命，寂静荒漠的图景。 水在循环过程中的存在和运动的各种形态，如蒸发、降水 、河流和湖泊中的水位涨落、冰情变化、冰川进退、地下 水的运动和水质变化等，统称水文现象。水文现象在各种 自然因素和人类活动影响下，在空间分布或时间变化上都 显得十分复杂。 水资源的开发利用和人类活动对水环境 的反馈效应的研究，也已成为现代水文 学研究的重要内容 世界水资源概况：水资源是经济可持续发展的 物质保障。世界上总水量约为14亿km3(1978年 联合国大会估计)，其中97以上是

5、海水，不适 于人类利用。淡水资源则不足3，其中又有 772的淡水资源被封闭在两极冰冠之中， 地下水和土壤水分占224，湖泊和沼泽水 占0.35，河流水仅占0.1。 二、水文学发展简介 l自远古至约14世纪末，为水文现象定性描 述阶段（萌芽时期） 。 l自15世纪初至约19世纪末，为水文科学体 系形成阶段（ 奠基时期 ）。 l自20世纪初至50年代，为应用水文学兴起 阶段（应用水文学兴起时期） 。 l20世纪50年代以来，进入现代水文学阶段 。 定性描述阶段（萌芽时期） 在尼罗河、幼发拉底河、恒河和黄河这些古老文 化发祥地的遗迹中，我们可以看到这一时期已经 开始了原始的水文观测。最早的水位观测是

6、在中 国和埃及开始的。 约公元前22世纪，中国传说中的大禹治水，已“ 随山刊木”(立木于河中)，观测河水涨落。此后， 战国时李冰设于都江堰的“石人”，隋代的石刻水 则，宋代的水则碑等，表明水位观测不断进步。 最早的雨量观测于公元前四世纪首先在印度出现，中国于 公元前三世纪的秦代已开始有呈报雨量的制度，到了公元 1247年，已有了较科学的雨量器和雨深计算方法，并开始 用“竹笼验雪”以计算平地降雪深度。明代刘天和在治理黄 河工作中，已采用手制“乘沙量水器”测定河水中泥沙的数 量。 成书于公元约六世纪初的水经注中，记述了当时中国 境内1252条河流的概况，成为水文地理考察的先驱。 诚然，这些原始的水

7、文观测和水文知识是肤浅零星的， 但已为当时生活和生产提供了重要的水文资料。例如，根 据雨量多少决定税收的多少，根据上游的水位向下游传递 水情等，标志着水文科学的萌芽。 水文科学体系形成阶段（ 奠基时期 ） 欧洲文艺复兴带来的科学思想的解放和科学技术的进步， 为水文科学发展成为独立的学科奠定了基础。这一时期， 水文仪器的发明使水文观测进入了科学的定量观测阶段。 1663年雷恩和胡克创制了翻斗式自记雨量计，1687年 哈雷创制测量水面蒸发量的蒸发器，1870年埃利斯发明旋 桨式流速仪，1885年普赖斯发明旋杯式流速仪。这些近代 水文仪器使流量、流速、蒸发、降水的观测达到了相当的 精度，利用这些近代

8、水文仪器进行水文观测的各种水文站 陆续出现。 1746年，中国在黄河老坝口设立了全国第一个正规水 位站，开始系统观测水位，并进行报汛。这些成就使水文 现象的观测视野在深度和广度上空前扩大，为水文科学在 理论上的发展创造了条件。 在这一时期，近代水文科学理论开始逐渐形成。1674年佩罗提出了水 量平衡的概念，成为水文科学最基本的原理之一；1738年伯努利父子 发表水流能量方程，1775年谢才发表明渠均匀流公式；1802年道尔 顿建立了研究水面蒸发的道尔顿公式；1856年，达西发表了描述孔隙 介质中地下水运动的达西定律；1851年莫万尼提出了汇流和径流系数 的概念，并发表了计算最大流量的著名推理公

9、式。 这些科学理论的创立，为水文科学在河道水流、蒸发、地下水运动 、径流形成和水文循环等领域的发展奠定了理论基础，它表明人类对 水文现象的认识已由萌芽时期那种肤浅零星的知识，发展到了比较深 刻系统的知识。同时也表明，人类对地球上水的运动、变化规律的探 索，已发展到以大量观测事实为基础，进行假说、演绎和推理，进而 建立各理论体系的近代科学方法论。 19世纪末，专门水文研究机构开始出现，一些国家开始出版水文 年鉴。弗里西著的河流水文测验方法、福雷尔著的日内瓦湖湖 泊志、马略特著的水的运动等水文学专著陆续出版。这些著作 总结了当时水文观测和理论研究的成就，标志着水文科学作为一门近 代科学已奠定基础。

10、 应用水文学兴起时期(约1900 1950) 这一时期，水文科学在观测方法，理论体系和研究领域等方面继续取 得新成就，但它最重要的进展是应用水文学的兴起。 进入20世纪，特别是第一次世界大战以后，大量兴起的防洪、灌 溉、交通工程和农业、林业乃至城市建设向水文科学提出越来越多的 新课题，解决这些课题的方法也由经验的、零碎的逐渐理论化和系统 化，水文科学的应用特色逐渐表现出来。 首先，从1914年到1924年，经过黑曾、福斯特等人的工作，把概 率论、数理统计的理论和方法系统地引入了水文科学，使水文变量( 如洪峰和洪量)和它出现的机率联系起来，为预估工程未来运行时期 内可能出现的水文情势开辟了道路。

11、 接着，从1932年到1938年，谢尔曼、霍顿、麦卡锡、斯奈德等人 在产流和汇流计算方面取得开拓性进展，为根据降雨推算洪水开辟了 道路。随后，克拉克、林斯雷等人在单位线、多个水文变量联合分析 和径流调节的理论、方法等方面发展并丰富了上述的内容。 在此期间，水文站在世界范围内发展成规模宏大的水文 站网系统，这些成就为应用水文学的兴起在理论上、方法 上和资料条件方面奠定了基础，并率先形成了它最重要的 分支学科工程水文学。接着，农业水文学、森林水文 学、都市水文学也相继兴起。 1949年，林斯雷和柯勒、保罗赫斯合著应用水文学 ；同年，姜斯敦和克乐斯合著的应用水文学原理、美 国土木工程师学会编著的水文

12、学手册等应用水文学专 著陆续问世，总结了这一时期的成就，标志着应用水文学 的诞生。应用水文学，以它直接为生产和生活提供多方面 服务这一鲜明特征，获得迅速发展，成为近代水文科学体 系中最富有生气的分支学科。 现代水文学 20世纪50年代以来，社会生产规模空前扩大，科学技术进入了新的 发展时期，并正在出现新的技术革命，人类改造自然的能力迅速增强 ，人与水的关系已经由古代的趋利避害，和近代较低水平的兴利除害 ，发展到了现代较高水平的兴利除害的新阶段。这个新阶段赋予水文 科学以新的动力和新的特色。 首先，由于人类对水资源的突出需求，水文科学的研究领域正在向 着为水资源最优开发利用的方向发展，以期为客观

13、评价、合理开发、 充分利用和保护水资源提供科学依据； 其次，大规模的人类活动对自然水体，进而对自然环境正在产生多 方面的影响。研究和评价人类活动的水文效应和这种效应的环境意义 ，揭示人类活动影响下水文现象的规律，进而探讨水文分析的新方法 和新途径，防止人类活动对水文循环的影响朝着不利于人类生存环境 的方向发展，这一切正在成为水文科学面临的新课题。 另外，现代科学技术使获取水文信息的手段和分析水文信 息的方法有了长足的进步。例如，遥感技术的应用，使同 时观测大范围内的宏观水文现象成为可能；核技术的应用 使人们能够获得微观水文信息；水文模拟方法、水文随机 分析方法、水文系统分析方法，使人们研究水文

14、现象的能 力发展到新的水平；尤其是电子计算机的应用，使水文科 学从水文观测到基本规律的研究，由人力和机械操作，发 展到以电子计算机为核心的自动化。 水文科学和其他科学之间的边缘科学正在不断兴起，学 科间的空隙逐渐得到填补。同时，人们开始看到，水已成 为影响社会发展的重要因素。水在表现它的自然属性的同 时，它的社会属性也日益表现出来，并逐渐为人们所认识 。因此，水文科学将有可能发展成为具有自然科学和社会 科学双重性质的一门综合性科学。 三、水文学的体系 由于水在人类生存和社会发展中的重要作用，所以水文科 学不单纯是一门基础科学，也是一门广泛为生产和生活服 务的应用科学。 水文科学不断从数学、物理

15、学、化学等基础科学中汲取 养料。它运用数学力学定律和方法描述水的运动；运用物 理学中的热学、声学和光学原理，研究水体的热状态和解 释水体中的声学和光学现象；根据化学键和分子缔合的理 论，阐明水的液态、气态和固态的转化原因和方式等等。 因为水文循环使水圈、大气圈和岩石圈紧密联系，所以 ，水文科学又与地球科学体系中的大气科学、地质学和自 然地理学等的关系密切。 l水文科学开始主要研究河流、湖泊、沼泽、冰川和积 雪，以后扩展到地下水、大气中的水和海洋中的水。 传统的水文科学是按研究对象划分分支学科的，主要 有：河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水 文学、雪水文学、水文气象学、地下水水文学、区域

16、 水文学和海洋水文学等。 水文科学主要通过定点观测、野外查勘和 水文实验 (主要是野外实验)等手段，获得 水体时空分布和运动变化的信息，因而逐 渐形成了水文测验学、水文调查、水文实 验三个分支学科。 水文科学作为一门应用科学主要包括工程 水文学、农业水文学、森林水文学、都市 水文学、医疗(卫生)水文学等分支学科，其 中以工程水文学发展最为迅速。 20世纪50年代以来，随着科学技术的迅速发展， 水文科学不断引入许多其他学科的新成就，出现 了一些新的分支学科，例如，在水文调查和水文 预报中，研究遥感技术的应用，逐渐形成遥感水 文学；在水文实验、地下水运动研究中应用核技 术，逐渐形成同位素水文学；随机过程的理论和 方法的引入，逐渐形成随机水文学。 这些新的分支学科虽然在成熟程度上都还不能 与水文科学体系中原有学科相提并论，但它们表 明，水文科学在继续分蘖、不断萌发新的分支。 五