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1、水资源计算与管理 教学材料 第一章 绪论一、水的重要性水是生命的创造者；水是气候环境的调节器； 水是地球表面的“雕塑家”；水是农业的命脉；水是工业血液；水是 能源与交通的重要载体；概括：水是人类生存的基础，环境的核心，可持续发展的中心， 水直接关系到国家的稳定。 二、水文学的主要研究对象自然界中的水总是以一定的水体形 态存在的，如江河、湖泊、海洋、地下水、冰川、土壤水等水体， 这些水体则是水文学的研究对象。三、水文现象的主要特点 （1）循环性水不断通过蒸发、 水汽输送、降水和径流等环节进行周而复始循环；（2）周期性 分别以多年、年、月、日等为单位的周期；（3）随机性指水文 现象在时间上和空间上
2、都有随机性；（4）相似性地理及气候条 件相似的河流其水文现象具有一定的相似性；（5）特殊性不同 的下垫面条件产生不同的水文变化特点。循环性是基础，周期性和随机性是时程变化特征，相似性和特 殊性是地区变化特征。四、水文学研究方法成因分析法（从物理成因出发，研究水文 现象的形成过程并建立水文特征值和有关因素间的数学物理模型， 作为水文计算的依据并用于未来的水文情势预报。特点：对数据的 依赖性很强）；数理统计法（以概率论为基础，根据实测资料，运 用数理统计原理，求得水文现象特征值的统计规律，建立水文现象 与其影响因素间的经验关系。 特点：简单易行，但精度不高。在目前的研究中占主导地位）；地 理综合法
3、（根据水文现象的地区特性，利用大量的实测资料，找出 其地区特性与分布规律，以经验公式、水文参数或水文特征特征值 的等值线图形式表示。特点：可为资料短缺地区提供相关水文信息， 但精度不高）五、水资源的分类 按形成条件地表水资源和地下水资源 按用水部门的用水情况消耗性水资源和非消耗性水资源 按工程措施天然水资源和调节水资源六、水资源的特性 循环性水循环，水体的相互转化性；储量的有限性生态保 护；用途的广泛性工业、农业、生活等；不可替代彳一生命 之源；利害两重性一一涝旱；时空分布的不均匀性一一南北、冬夏、 年份差异；可再生性通过循环再生；公共性大家的。 第二章 水循环及径流的形成 第一节 地球上的水
4、体一、水在地理环境中的地位和作用1、水是地球上分布最广的物质以气态弥漫于空间，以液态和 固态遍布于地表、埋藏于地下。2、水是地理环境中最重要的组成部分水是溶剂，能参与生物 的新陈代谢，是生命体的主要成分。3、水文现象的变化能促使物质和能量的转移和循环 水在相变 过程中促使物质和能量的转化和循环，把地球上的各要素紧密连成 一个整体。4、水对地表形态起重要的塑造作用由于水的外力作用，造就 了丰富多彩的地貌形态。5、水是巨大的廉价的能源，可供发电；同时也是丰富的资源 我国工业和人口的分布大多是依水分布的。二、地球上的水资源1、水资源的概念1）广义水资源指水圈里所有的水体。 广义的水圈：地球上所有的水
5、体。 狭义的水圈：海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川和地下水六大水体。2）狭义水资源可被人类直接利用的淡水资源，即河流、淡水 湖泊和浅层地下水。2、我国水资源特点（1）水资源时空分布不均南多北少，东多西少，夏季多冬季 少。季节变化（时间分布） 河川径流的季节变化取决于河流的补给情况： A 秦岭以南雨水补给区，取决于降水季节分布。 B 东北地区、华北部分地区、黄河上游和西北部分地区，为雨水和 冰雪融水补给区，有春、夏两次汛期。C 西北内陆地区祁连山、天山、阿尔泰山、昆仑山及青藏高原部分 河流，以冰雪融化补给为主，径流变化与气温密切相关。（2）水量的年内、年际变化大，水旱灾害频繁发生。（3）总量多人均少
6、。（4）水资源浪费严重自然原因（时空分布不均）和人为原因 （工农业生产和生活用水浪费严重）。（5）污染日益严重工业、交通、生活用水导致污染。（6）地下水相对丰富，但要合理开发，贯彻持续利用的思想，防 止过度开采。（7）水土流失和泥沙淤积严重第二节 水循环与水平衡1、水循环的概念1）定义水循环是指地球上各种形态的水体，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、入渗及径流等 环节，不断地发生相态转变、能量交换的周而复始的运动过程。2）环节蒸发、输送、降水、径流 等四个环节3）类型大循环、小循环和人为水循环2、水分循环的原因1）内因水的“相态”变化，水汽是唯一在常温常压下能够发生
7、 相变的气体。2）外因太阳辐射（蒸发），大气环流（水汽输送），地球引力 （降水）和地表性质（径流）。即水具有相变特性，气相和液相水均有流动性。 水循环的基础 地球引力的重力作用，太阳辐射的热力效应。水循环的源动力 水汽流动具有方向性，上升、飘移、降水、下渗、径流。 往复循环成为可能3、水循环机理（1）水循环服从质量守衡定律。整个循环过程保持着连续性 , 既没有开始,也没有结尾.从实质上讲 ,水循环是物质与能 量的传输、储存和转化过程，而且存在于每一个环节。（2）太阳辐射和重力作用，是水循环的基本动力。水的三态转 化为水循环提供了前提条件；环境因素在一定程度上影响 着水循环的路途、规模和强度。（
8、3）水循环涉及到整个水圈，并深入大气圈、岩石圈和生物圈。（4）全球水循环是闭合系统，但局部水循环是开放系统。（5）地球上的水在交替循环过程中，总是溶解并携带某些物质一 起运动。4、水分循环在地理环境中的作用1）促使地球上各水体相互联系，使水成为统一的整体水圈。2）使各圈层中的水体得到不断更新，使水成为可再生资源 人类可获得永不枯竭的水源和能源，污染的水可以得到更新净化。3）促使其他物质的运动，改变自然地理环境面貌，形成各种各样 的地表景观。4）水分循环本身不仅是巨大的物质流，而且也是巨大的能量流， 对全球能量的传递、输送起重要作用。5）水循环影响全球气候水循环通过对地表太阳辐射能的重新 再分配
9、，使不同纬度热量的收支不平衡矛盾得到缓解；水循环的强 弱及其途径直接影响到各地的天气现象，甚至决定地区气候的基本 特征。5、水体更替周期（1）概念一一是指水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新 一次所需的时间。（2）计算公式T = W/A W式中：T为更替周期（年、月、日）W为水体总量（m3） ; A W为水体年 平均参与水循环的活动量m3）。（3）水体更替周期特点A 全球不同水体的更替周期都不相同。B 水体更替周期是反映水循环强弱的重要指标，也是反映水体水资源可 利用的基本参数。C 更替周期长，反映水体参与自然循环比较冷淡；更替周期短，反映水 体参与自然循环比较活跃。二、水量平衡 水量平衡
10、概念是指任意选定的区域（或水体），在任意时间段内，其收 入的水量与支出水量之差等于该时间段内区域（或水体）内蓄水量的变化 量，即水在循环过程中，从总体上来说收支是平衡的。第三节 降水1 概念 降水是液态或固态的水汽凝结物，从云中下降至地面的现象。雨、雪、霰、 雹等都是降水现象。2、降水成因和分类 降水的必要条件：大气中含有足够的水分和凝结核 充分条件：水蒸气遇到冷空气（气温降低） 分类一一根据气流上升冷却的原因不同分：气旋雨（锋面雨；）对流雨；地 形雨；台风雨。3 、降水要素降水量: 一定时段内降落在某一面积上的总水量。 降水历时：一场降水自始至终所经历的时间。 降水面积：降水所笼罩的面积。降
11、水强度：单位时间内的降水量。4、点降水特性分析（1）降水量过程线：一段时间内（日、月、年）的降水量随时间的变化 过程。一般以直方图表示。它是分析流域产汇流的基本资料。（2）降水量累积曲线：以时间为横坐标，以自降水开始到各时刻降水量的 累计值为纵坐标绘制的曲线，自记雨量计中的曲线即为降水累计曲线。（3）强度一历时曲线：根据一场降水资料，统计其不同时段内最大平均雨 强，然后以雨强为纵坐标，时间为横坐标绘制而成。同一场降雨中雨强与 历时成反比。（4）等雨量线：地区内降水量相等各点的连线综合反映了一定时段内降 水量在空间上的分布变化规律。5、面降水的计算（1）算术平均法一一以研究区域内各雨量站同时期的
12、降水量相加除以站 数。X + X + . + XiX = 12n = t1nn式中：X计算区域平均降水量（mm）;Xi第i个采样点的雨量值（mm）;n采样点的个数优缺点：方法简单但地形起伏不能太大，并且雨量筒分布要比较均匀,且密 度较大。（ 2）泰森多边形法（垂直平分法）条件：1）当流域内的雨量和雨量站分布不太均匀时；2）假定流域各点的降水量可由与其距离最近的雨量站的雨量代表。 原理：在图上将相邻雨量站用直线连接而成若干个三角形，然后对各连线 作垂直平分线，连接这些垂线的交点，得若干个多边形，每个多边形内有 一个雨量站，以该多边形面积作为该雨量站所控制的面积。优缺点：该方法可适用于雨量筒分布不
13、均匀的地方，但各雨量筒控制的面 积始终不变，在不同降雨过程中都视为定值因而会导致一定的误差。x f + x f + . + x fX = _12 2n nf + f + + f12n式中：X区域平均降水量（mm）X1，X2,Xn各采样点降水量（mm）F流域面积（m2）fl, f2,fn采样点相应划分面积km2）（3）等雨量线法： 条件一一流域或区域面积较大，地形起伏，对降水量影响显著，且有足够 的雨量站;方法一一先需绘制等雨量线，然后用求积仪或其他方法推求各雨量线的面 积，乘以两等雨量线间的平均雨量，最后累加。优缺点：充分考虑了降雨的空间分布，计算精度较高，但对雨量筒的数量 及代表性有较高要求
14、。适用于面积较大、地形变化显著但雨量站足够的地 区。6、面降水特性分析（降水特性综合曲线）（ 1 ） 平均雨深面积曲线反映同一场降雨过程中，雨深与面积间对应关系的曲线，面积越大， 平均雨深越小。曲线绘制方法是：从暴雨中心开始，分别量取不同等雨量 线所包围的面积及此面积内的平均雨深，点绘而成。（2）面平均雨深面积历时曲线 反映同一场降雨过程中，不同降雨历时，其面平均雨深随面积的变化 规律。曲线绘制方法是：分别选取不同时段（12、 24、 72 小时）的等雨量 线图，求出各时段平均雨深面积曲线，绘于同一张图上，即可得到。7、降雨的观测降雨的观测有雨量筒、自记雨量计和数字型DATALOGGER三类。
15、但在 国内目前多采用雨量筒和自记雨量计，数字型Datalogger仅用于某些专门 的研究工作，尚未得到普遍推广应用。自记雨量计有虹吸和斜斗式2 类， 但不能用来测雪。测雪用称重式自记雨量计。第四节 蒸 发1 概念水由液态转变为气体状态的过程。2 分类水面蒸发和陆面蒸发（土壤蒸发和植物散发）3 水面蒸发1）概念： 在充分供水条件下的蒸发。（1）实际蒸发量（有效蒸发量）：为蒸发面跃出的水分子数与返回的水中 的水分子数之差。（2）蒸发潜热：单位质量水体从液态变为气态所吸收的热量。2）影响因素水汽压差（正比）；风速（正比）；太阳辐射（正比）；温度（正比）；水质（反比）；蒸发表面积（蒸发面形状）（反比）。4 土壤蒸发（1） 概念土壤中所含水分以水汽的形式跃入大气的现象。从本质讲是土壤失去水分的干化过程。（ 2） 土壤干化过程划分A 定常蒸发率阶段土壤含
