陆地水文基础知识讲义

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,主要内容,一、地球水循环与水量平衡,二、,河川径流,三、,湖泊与沼泽,四、,地下水,五、,流域汇流分析,第五章 陆地水文,学时：,10,第,1,节,地球水循环与水量平衡,主要内容：,一、水圈组成,二、水分循环,三、水量平衡,第五章 陆地水文,重点：,一、水分循环概念,二、水量平衡与类型,一、 水圈组成与特征,第五章 陆地水文,地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在于空中、地表和地下。,具体说，水圈是由以下几种水体组成：,海洋：,97.3%,（咸水）。,冰川：,2.1%,（固体淡水）。,地下水：,0.6%,。,地表水：,0.01%,。,大气水和生物水：,0.001%,。,能够被人类直接利用的水不足,1%,。,水圈的构成,二、 水分循环,（一）水分循环的概念,水分循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射、地心引力作用下，通过,蒸发,、,水汽输送,、,凝结,、,降水,、,下渗,以及,径流,基本环节，不断发生相态转换和周而复始的运动过程。,第五章 陆地水文,海洋小循环,陆地小循环,海陆大循环,OCEAN,LAND,Evporation,320000km3,Precipitation,96000km3,Evporation,60000km3,Runoff and,infiltrates,36000km3,海洋有效水汽输送,？,Precipitation,284000km3,第五章 陆地水文,水循环是物质与能量传输、存储和转化的过程,1,、服从质量守衡定律,2,、基本动力来自,太阳辐射,和,重力,3,、水分循环由大循环系统嵌套小循环系统，构成复杂巨系统。,4,、全球水循环闭合系统，但是局部为开放的循环系统。,5,、水分循环为动力输送过程,（二）水循环特点：,第五章 陆地水文,1,、陆地,海洋大循环,海洋有效水汽输送,2,、海洋和陆地小循环,（三）水循环类型,第五章 陆地水文,水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新一次所需要的时间。,周期大小不一样，取决于水体赋存形式、大小、地理位置等。,（四）水循环周期,贮水形式,交换周期,贮水形式,交换周期,世界海洋,3000 a,湖泊水,17 a,地下水,1400 a,沼泽水,5 a,土壤水,1 a,河槽水,12 d,极地冰川与积雪,9700 a,生物水,几小时,山地冰川,1600 a,大气水,10 d,永久冻土带地下水,1000 a,各种水体更替周期表,第五章 陆地水文,1,、水循环与,地球圈层构造,2,、水循环与全球气候：热量和水分再分配。,3,、水循环与地貌形态和地壳运动,4,、水循环与生态平衡,5,、水循环与水资源开发利用,（五）水循环效应,三、水量平衡,第五章 陆地水文,（一）,区域水量平衡,（二）全球水量平衡,任意区域内水体在任意的时段内收入水量和支出水量之间差额等于时段内区域水体蓄水量的变化量，是水分循环的定量描述。,（一）,区域水量平衡：,第五章 陆地水文,在长期内,S,趋于,0,通用水量平衡方程,（二）全球水量平衡,第五章 陆地水文,（,3,）海洋,（,1,）全球,（,2,）陆地,全球年水量平衡,因素,水量,/km,3,比例,海洋降水量,382000,78%,海洋蒸发量,419000,86%,陆地降水量,106000,22%,陆地蒸发量,69000,14%,进入海洋的径流量,37000,8%,来自陆地蒸发的陆地降水量,12000,11%,来自海洋蒸发的陆地降水量,94000,89%,来自陆地蒸发的海洋降水量,57000,15%,来自海洋蒸发的海洋降水量,325000,85%,总降水量,488000,总蒸发量,488000,从上表可以看出,：,第五章 陆地水文,（,1,）海陆降水量之和等于海陆蒸发量之和，全球水量平衡；,（,2,）海、陆水循环不平衡：,海洋蒸发量提供了海洋降水量的,85,和陆地降水的,89,，,陆地蒸发只提供陆地,11,降水和,15,海洋降水,说明海,洋是大气水分和陆地水的主要来源；,（,3,）海洋、陆地水平衡的调节为水汽输送和径流。,全球降水量与蒸发量的纬度变化,全球降水与蒸发的纬度变化（据,R.MATHER,）,第,2,节,河川径流,主要内容：,一、河流、水系和流域,二、水情要素,三、河川径流,四、河流补给,五、河流分类,六、河流与环境的相互作用,第五章 陆地水文,一、河流、水系和流域,（一）河流、水系和流域的概念,河流,：,降水,或由,地下涌出,地表的水，汇集在地面低洼处，在重力作用下,经常地,或,周期地,沿,流水本身造成的,洼地,流动。,水系,：河流沿途接纳众多支流，并形成复杂的干支流网络系统，就是水系。,流域：,每一条河流和每一个水系都从一定的陆地面积上获得补给，这部分陆地面积就是河流和水系的流域，也就是河流和水系在地面的集水区。,第五章 陆地水文,（二）水系形式与分类,第五章 陆地水文,按照一定的岩层构造、沉积物性质和新构造应力场的反,映，水系形式通常分为：,树枝状,、,格状,和,长方形,三类。,按照干支流相互配置的关系或它们构成的几何形态划分,可分为：扇状水系、羽状水系、梳状水系和平行水系四类。,按照水系流向的相互关系划分：向心水系和辐散水系。,树枝状水系,格状水系,放射状水系,环状水系,平行状水系,倒钩状水系,扇状水系,菱格状水系,钳状沟头树枝状水系,向心状水系,羽状水系,交织状水系,落水洞水系,陷坑水系,串珠状水系,串珠状水系,1,、树枝状,水系,在主流两侧支流发育，而且支流与主流之间都是锐角相交，排列形式如树枝，这类水系在岩性均一、地形微倾斜地区最为发育，在地壳较稳定地区和水平岩层地区也较多见,2,、环状,水系,主、,支,流成,环形交汇。锅状,陷落,地带,常出,现此,水系。,3,、格状水系,支流与主干呈直角相交或近于直角相交的水系，称格状水系。和地质构造有一定关系，如在褶皱构造区，主河发育在向斜轴部，支流来自向斜的两翼：往往以直角相交，在多组直交节理或断层构造地区，河流沿构造线发育，也可形成格状水系。,4,、,羽,状,水系,主流流向受到坡面控制，支流,倾,斜注入主流。,5,、,平,行状,水系,主、支流平行,发育,，常出現傾斜,明显,的坡面或平行的褶曲上。,6,、,向心,状,水系,多,条,河流由四周向中央,辐合,的水系。盆地、陷落的,洼地,及火山口內。,7,、,放射,状,水系,多,条,河,由,中央高地流向四方的水系。常出現在,岛屿,及,锥状,火山,地区,。,火星表面,第五章 陆地水文,洮儿河倒钩树枝状水系,察尔森,索伦,五岔沟,（三）河流的纵剖面,河源与河口的高度差，就是河流的,总落差,。某一河段两端的高度差，则是这一河段的,落差,。单位河长的落差，叫做河流的,比降,。河流纵断面能够很好地反映河流比降的变化。如下图，河流的纵断面：,第五章 陆地水文,平滑下凹,下落型,折线型,直线型,（四）河流的横剖面,河槽中垂直于流向，以河床为下界、水面为上界的断面即为河流的横断面。,常见形状有,V,形和,U,形，河流水面不是严格的平面。,河槽过水断面面积,A,，水力半径,R,和湿周,R,。,第五章 陆地水文,（五）河流的分段,河源,是指河流最初具有地表水流形态的地方；,上游,是指紧接河源的河谷窄、比降和流速大，水量小、侵蚀强烈、纵横面呈阶梯状并多,急滩和瀑布,的河段。,中游,水量逐渐增加，比降已较和缓；,下游,河谷宽广,河道弯曲，河水流速小而流量大，淤积作用显著，到处可见,浅滩和沙洲,。,河口,是河流入海、入湖或汇入更高级河流处，经常有泥沙堆积，有时分汊现象显著，在入海、入湖处形成三角洲。,第五章 陆地水文,第五章 陆地水文,多,急,滩,和,瀑,布,的,河,段,第五章 陆地水文,尼罗河三角洲,（六）流域特征对河流的影响,第五章 陆地水文,流域面积,是流域的重要特征之一。除干燥区外，一般是,流域面积越大，河流水量也越大。,河网密度：,流域中干支流总长度和流域面积之比，,计算式为：,D=,L/F D,的单位为,km/km,2,。,河网密度是地表径流丰富与否的标志之一。流域气候、植,被、地貌特征、岩石土壤渗透性和抗蚀能力，是河网密度,大小的决定性因素。,流域形状：,扇形或狭长,流域方向：,南北向和东西向,二、水情要素,第五章 陆地水文,（一）水位,（二）流速,（六）河流泥沙,（三）流量,（五）河水化学,（四）水温与冰情,（一）水位,概念：河流中某一,标准基面,或,测站基面,上的水面高度，叫做,水位,。,绝对基准面：黄海基面（青岛）或每条河流的入海口的海平面为,0,点；,相对基准面：枯水位以下,0.5-1m,深度，便于测量记录。,平均水位,：单位时间内水位的平均值。,中 水 位,：一年中观测水位值的中值。,水位历时曲线：,将一年逐日水位由高到低排序，并对水位分段统计出现的次数 ，计算由,高水位至低水位的累计次数（历时），,以水位为纵坐标，历时为横坐标得到水位历时曲线。,水位历时曲线,水位过程曲线,180d,90d,45d,270d,360d,135d,225d,水位过程曲线,H,（,m,）,水位过程线,：用,纵坐标,表示不同时间的,水位高度,，,横坐标表示时间,，即可绘出水位过程线。,水位频率曲线,：用,纵坐标,表示不同时间的,水位高度,，,横坐标表示该水位出现的频率,，即可绘出水位频率曲线。,相应水位,：河流各站的水位过程线上，上下游站在,同一次涨落水期间位相相同,的水位，叫相应水位。,相应水位线,：用纵轴表示上游站水位，横轴表示下游站水位，即可绘出两个测站的相应水位曲线。,（二）流速,第五章 陆地水文,流速指水质点在单位时间内移动的距离。它决定于纵比降方向上水体重力的分力与河岸和河底对水流的摩擦力之比。,计算公式：,第五章 陆地水文,根据定义，流速公式：,V=l/t,可用水力学,等流速公式（谢才公式）,计算某一时段的,平均流速,：,V=C(RI),1/2,R,：水力半径，为过水断面面积与水浸部分弧长之比；,I,：河流纵比降；,C,：与糙率因子相关的流速系数。,A,为过水断面面积，,R,为湿周，,l,为水体长度，,x,为水体移动的距离，,Z,为水体重心向下移动高度，,为单位体积水的重量，,为单位面积的摩擦力，,推导过程,建立等流速公式的基本出发点是：只有动力与摩擦力相等时，水流才沿河槽作等速运动，如图所示。,l,A,l,A,X,Z,Z+Z,当重力分量与摩擦力相等时，水流沿河槽作等速运动，则摩擦力做功为,:,水体下落释放位能：,C,是不定值，可能决定于糙度、深度、过水断面的形状等。,第五章 陆地水文,下面是两个最常用的计算,C,值的公式：,1.,满宁公式：,C=(1/N)R,1/6,;,N,：河槽粗糙系数（可查表得到）；,R,：水力半径。,2.,巴甫诺夫斯基公式：,C=(1/N)R,x,；,x,2.5N,1/2,0.13,0.75R,1/2,(N,1/2,0.10),。,天然水流之河槽糙率分类表,6/10,3/10,纵向剖面上平均流速随着深度的变化,河底障碍物对纵向断面流速分布影响,H,V,过水断面上平均流速分布,H,W/m,H,结冰河面下过水断面上平均流速分布,（三）流量,第五章 陆地水文,概念：,单位时间内通过某过水断面的水量，叫做,流量,。,单位：,m,3,/s,计算式为：,Q=Av,；,A,为断面面积，,v,为平均流速。,（三）流量,第五章 陆地水文,流量和水位关系：,因为,V=C(RI),1/2,= f,1,(H),A=f,2,(H),那么，,Q=f,1,(H),f,2,(H)=F(H),流量和水位关系曲线,第五章 陆地水文,流量历时曲线,流量过程曲线,180d,90d,45d,270d,360d,135d,225d,流量历时曲线与过程曲线,（四）水温与冰情,第五章 陆地水文,水温的变化：,（,1,）河流的补给特征；,【,主要因素,】,（,2,）河水温度也随时间变化；,（,3,）河水温度还随,流程远近,而发生变化。,（四）水温与冰情,第五章 陆地水文,冰情 ：,水温降到,0 ,时，河中开始出现冰晶，岸边形成,岸冰,。,冰晶扩大，浮在水面形成冰块。,随着冰块增多和体积增大，河流狭窄处和浅水处发生阻塞，,最后使整个河面封冻。,第五章 陆地水文,1996,年,3,月,25,日，内蒙古达拉特旗境内黄河河道阻冰，发生凌汛。,从,10,时到,19,时，黄河水位猛涨，冲垮堤坝近,1000,米，,3,个村庄、一个林场被淹，,332,户、,1333,人受灾。,为尽快疏通河道，排除险情，当地政府请求空军派飞机炸冰。下午,3,：,304,：,30,，飞机飞临黄河，实施轰炸破冰,.,原因分析,1,）河流流向：,黄河从兰州到内蒙古河段，大致是由西南流向东北，从内蒙古的磴口到托克托黄河又变成从西流向东。,兰州到内蒙古河段，,纬度相差,4,度,37,分，冬季月平均气温相差,5,左右，,内蒙古河段冬季气候特别寒冷,最低气温可达,-35,河面年年封冻。,每年,12,月上中旬开始封河，直到次年,3,月中下旬才开始解冻，结冰期长达,100,天左右。,封冻时河槽内储蓄水量平均,6,亿多立方米，最多达,9,亿立方米，解冻开河时，河槽内的蓄水迅速释放出来，最大凌汛洪峰流量可达,3500m,3,/s,。,原因分析,2,）河流地形条件：,内蒙古境内黄河河道宽浅，坡度平缓，浅滩弯道叠出，为开河时卡冰、结坝提供了条件。,（五）河水化学,第五章 陆地水文,包括常规元素含量监测，,HCO,3,-,，,SO,4,2-,，,CL,-,，,Ca,2+,，,Na,+,Mg,2+,COD,、,BOD,、,TOD,浓度等，反映河流水污染情况。,（六）河流泥沙,第五章 陆地水文,河流含沙量是流域生态环境好坏的一个重要指示因子，它是人类活动、降水与流域相互作用的结果，是人们对流域生态环境进行治理的一项重要内容，特别是水土流失严重的区域一直是世人注目的焦点。,三、河川径流,第五章 陆地水文,（一）径流的形成和集流过程,(,二,),径流计算单位,（三）正常径流量,（四）径流变化,（五）特征径流,（一） 径流的形成过程,第五章 陆地水文,径流的形成是一个连续的过程，但可以划分为几个特征阶段：,1.,停蓄阶段,2.,漫流阶段,3.,河槽集流阶段,停蓄阶段,第五章 陆地水文,降水落在流域内，一部分被植物截留，另一部分被土壤吸收，然后经过下渗，进入土壤和岩石孔隙中，形成地下水。降水量超过上述消耗而有余时，便在一些分散洼地停蓄起来，这种现象叫做,填洼,。,漫流阶段,第五章 陆地水文,植物截留和填洼都已达到饱和，降水量超过下渗量时，地面便开始出现沿天然坡向流动的细小水流，即,坡面漫流,。坡面漫流逐渐扩大范围，并分别流向不同的河槽里，叫,漫流阶段,。,土壤、岩石的下渗强度，从一开始下渗就逐渐减弱，一定时间后成为稳定值，这个稳定值称为稳渗率。漫流阶段的产流强度，决定于降水强度和土壤稳渗率之差。,坡面漫流时地表径流向河槽汇集的中间环节，分为：片流、沟流和壤中流三种形式。其中，沟流是主要形式。,河槽集流阶段,第五章 陆地水文,坡面漫流的水进入河道口，沿河网向下游游动，使河流流量增加，叫做河槽集流。,（二）径流计算单位,第五章 陆地水文,1.,流量,(Q ),2.,径流总量,(W),在一特定时间内通过河流测流断面的总水量,(,m,3,或,km,3,),。,W,QT,T,为时间，,Q,为时段平均流量。,3.,径流模数,单位时间单位面积上产出的水量,(m,3,/a.km,2,),。,M=Q/F,Q,为流量，,F,为流域面积。,第五章 陆地水文,4,、径流深度,(y),流域面积除该流域一年的径流总量，为径流深度，用毫米为单位。,y=W/F,5,、径流变率（模比系数,K,）：,任何时段的径流值,M,1,、,Q,1,或,y,1,等，与同时段多年平均值,Mo,、,Q,o,或,y,o,之比。,K=M,1,/M,o,=Q,1,/Q,o,=y,1,/y,o,6,、径流系数,(),一定时期的径流深度,y,与同期降水量,x,之比。,y/x,降水量大部分形成径流则,值大，降水量大部分消耗于蒸发和下渗，则,值小。,（三）,特征径流,第五章 陆地水文,1,、正常径流量：,是指,多年径流量,的算术平均值，即平均每年中流过河流某一断面的水量。假设,X,i,为年径流序列，则,需要满足两个条件：,1,）径流年际变化小,2,）年径流序列足够长，多长？,离散程度判断,:,第五章 陆地水文,例如两个序列径流分别为：,第一序列：,5,，,10,，,15,，,第二序列：,1,，,10,，,19,第五章 陆地水文,以平均值为中心，形成离差的均值，但是为,0,，,提出用均方差表示。即：,第一序列均方差小于第二序列，说明前者集中，后一序列比较分散。,第五章 陆地水文,第一序列：,5,，,10,，,15,，,第二序列：,995,，,1000,，,1005,它反映相对离散程度，在实际中经常用到。,其均方差相同，皆为,4.08,，其绝对离散程度相同，但是均值不同，第一组为,10,，第二组为,1000,，第一组最大最小值与均值之比为,1/2,，第二组为,1/200,。为了克服该不足，引入离差系数。,第五章 陆地水文,Cv,值、观测年数和准确程度的关系,计算正常径流量需要,30-40,年连续观测数据,第五章 陆地水文,2,、洪水,河流水位达到某一高度，致使沿岸受到威胁时，称为洪水位。 影响因素：降水分布、强度、降水中心移动路线、支流排列方式。,洪水期间，在没有大支流加入的河段中，同一断面上下列量出现顺序,:,最大比降，最大流速，最大流量，最后是最高水位。,第五章 陆地水文,3,、枯水,一年中没有洪水时期的径流，成为枯水径流。,枯水径流主要来源于流域的地下水补给。,我国大多数河流的枯水径流出现在,10,月至次年,3,4,月。,（四）径流变化,第五章 陆地水文,1.,年内变化,一年内分为,:,汛期,:,河流处于高水位的时期。,枯水期,:,是河流处于低水位的时期。如果此时河流封冻，则又称,冰冻期,。,平水期,:,是河流处于平均水位的时期。,2.,年际变化,径流量的年际变化往往由降水量的年际变化引起。,通常以径流的,离差系数,来表示年径流的变化程度。,四、河川径流补给,第五章 陆地水文,（一）河流补给的形式：,降水、,冰川积雪融水、,地下水、,湖泊和沼泽,人工补给。,（二）各种补给的特点,1.,降水补给,雨水是全球大多数河流最重要的补给来源。据估计，我国河流年径流量降水补给约占,70,。,2.,融水补给,融水补给为主的河流的水量及其变化，与流域的积雪量和气温变化有关。这类河流在春季气温回升时，常因积雪融化而形成,春汛,。,3,.,地下水补给,（二）各种补给的特点,4.,湖泊与沼泽水补给,一般来说，湖泊沼泽补给的河流水量变化变化缓慢而且稳定。,5.,人工补给,从水量多的河流、湖泊中把水引入水量缺乏的河流，向河流排放废水等，都属于人工补给范围。,（三）河流水源的定量估计,第五章 陆地水文,为了准确地从河流总水量中划分出地表径流和地下径流，常常需要从河流的流量过程线中，把各种形式的补给分割出来。所以河流水源的定量估算，也叫做,流量过程线的分割,。,直线分割法,第五章 陆地水文,水平线与曲线交点,最低点,A,从径流曲线的最低点,A,引水平线交曲线于,B,，,AB,线以下即为地下水补给。对于枯水期深层地下水划分有效。对于雨后分割出来的地下水补给量偏小。,改进：找出流量过程线退水段地面径流停止点,B,，则,AB,以下为地下水补给。,退水曲线分割法,第五章 陆地水文,水平线与曲线交点,B,最低点,A,实际上是根据标准退水曲线,从流量过程线两端向内延伸,退水曲线以下部分就是地下径流,D,C,直线分割法,第五章 陆地水文,水平线与曲线交点,最低点,A,从径流曲线的最低点,A,引水平线交曲线于,B,，,AB,线以下即为地下水补给。对于枯水期深层地下水划分有效。对于雨后分割出来的地下水补给量偏小。,改进：找出流量过程线退水段地面径流停止点,B,，则,AB,以下为地下水补给。,五、河流分类,1.,东北型河流,2.,华北型河流,3.,西北型河流,4.,西南型河流,5.,华南型河流,6.,阿尔泰型河流,7.,内蒙古型河流,8.,青藏型河流,（一）河流分类的意义和原则,第五章 陆地水文,河流分类的原则包括：,1.,以河流的水源作为河流最重要的典型标志，按照气候条件影响分类；,2.,根据径流的,水源和最大径流,发生季节来划分；,3.,根据,径流年内分配,的均匀程度来划分；,4.,根据,径流的季节变化,，按河流月平均流量过程线的动态来划分；,5.,根据河槽的稳定性来划分；,6.,根据河流及流域的气候、地貌、水源、水量、水情、河床变化等划分。,1.,东北型河流,第五章 陆地水文,包括东北的大多数河流；,补给类型：雨水和融雪补给，,年径流过程线特征：两个汛峰，春汛（,4-5,月）、夏汛（,6-9,月）几乎相连,径流系数小，,0.3,，,冰冻期长。,2.,华北型河流,第五章 陆地水文,包括辽河、海河、黄河以及淮河北侧各支流；,雨水补给为主，融水补给为辅，,春汛（,3-4,月）、夏汛（,6-9,月）,不相连,，,径流系数较小，,0.05-0.2,。,3.,华南型河流,第五章 陆地水文,包括淮河南侧支流，长江中下游干支流浙、闽、粤沿海及台湾省各河，以及除西江上游以外的珠江流域大部分；,雨水补给,径流系数大，,0.5,汛期长，,5-6,梅汛，,7-8,台风汛。,4.,西南型河流,第五章 陆地水文,包括中下游干支流以外的长江、汉水、西江上游以及云贵高原的河流；,雨水补给；,7-8,月洪峰最高，流量最大，,2,月份流量最小,5.,西北型河流，,第五章 陆地水文,包括新疆和甘肃河西地区发源于高山的河流；,高山冰雪补给为主，,3-4,月有不明显的春汛，,7-8,月出现洪峰，,10-4,月为枯水期。,大多数河流因为蒸发、渗漏严重而消失成为内陆河。,6.,阿尔泰型河流,第五章 陆地水文,我国境内属于此类的河流很少；,以积雪补给为主，,春汛明显，汛期在,5-6,月。,7.,内蒙古型河流,第五章 陆地水文,位于内蒙古高原西部河流。,地下水补给,为主，雨水补给为辅，夏季径流集中，冰冻期长。,8.,青藏型河流,第五章 陆地水文,位于青藏高原内部河流,以冰雪补给为主，,春汛和夏汛相连；,东南边缘的河流以雨水补给为主，,7-8,月降雨最多，冰川消融量最大。,六、河流与环境相互作用,1,、环境对河流影响：,1,）气候严格控制河流的地理分布；,2,）流域的海拔高度、坡度、切割密度直接影响着径流汇聚条件；,3,）地表组成物质决定着径流下渗情况；,4,）植被则通过降水的截留影响径流形成。,2,、河流对地理环境也有显著的影响：,动力作用：,冲刷，搬运和堆积，塑造各种河流地貌；,改变局地气候；,塑造特有的河流生态系统。,第,3,节,湖泊与沼泽,第五章 陆地水文,一、湖泊,二、沼泽,地球上湖泊的总面积有,270,万,km,2,，占全部大陆面积的,1.8,。世界上湖泊最集中的地区有芬兰,（,Finland,）,(,号称,“,千湖之国,”,),、瑞典，以及加拿大和美国北部。,世界上最大的湖是,里海,？世界上最深的湖是,贝加尔湖,？世界上海拔最高的湖是,青海湖,？世界上储水量最大的淡水湖是贝加尔湖？世界上面积最大的淡水湖是,苏必利尔湖,？,湖泊的作用,？,里海,一、湖泊,定义：地面洼地积水形成较为宽广的水域称为,湖泊,。,湖盆是形成湖泊的必要条件，水则是形成湖泊不可或缺的,物质基础。,（一）湖泊的分类：,湖水角度,1,）按照湖水来源，海迹湖、陆面湖；,2,）依据湖水与径流的关系，内陆湖、外流湖；,3,）根据湖水的矿化程度,淡水湖、咸水湖；,4,）按湖水温度状况，热带湖、温带湖、极地湖；,5,）以湖水存在时间久暂，间歇湖、常年湖。,第五章 陆地水文,青海湖,（一）湖泊的分类,湖盆角度,1,）构造湖盆：,2,）火山湖；,3,）冰川湖；,4,）堰塞湖；,5,）风蚀湖；,6,）岩溶湖；,7,）,潟,湖；,8,）河成湖,9,）热溶湖,10,）人工湖。,第五章 陆地水文,1,）构造湖盆,由于地壳的构造运动而沿断裂（断裂、断层、地堑等）产生一些凹陷形成湖盆。,其特点是：湖岸平直、狭长、陡峻、深度大。例如，贝加尔湖、坦噶尼喀湖、滇池、洱海。,还有一些是由于构造运动引起区域地壳下沉而形成湖盆，如维多利亚湖、,洞庭湖、鄱阳湖、太湖,等。,第五章 陆地水文,2,）火口湖,3,）堰塞湖,有熔岩堰塞湖与山崩堰塞湖之分。熔岩堰塞湖为火山爆发熔岩流阻塞河道形成，,如镜泊湖、五大连池,等；山崩堰塞湖为山崩引起河道阻塞所致，这种湖泊往往维持时间不长，又被冲而恢复原河道。例如岷江上的大小海子（,1932,年地震山崩形成的）。,此外，水库是一种人工堰塞湖，它由人工在河道上建坝蓄水而成。,火山堰塞湖,4,）风成湖,月牙湖,由于风蚀洼地积水而成，多分布在干旱或半旱地区。湖水较浅，面积大小、形状不一，矿化度较高。例如，我国内蒙古的湖泊、甘肃敦煌的月牙湖。,宁夏风成湖,5,）河成湖,黄河宁夏段,由于河流改道、截弯取直、淤积等，使原河道变成了湖盆。其外形特点多是弯月形或牛轭形，故又称,牛轭湖,，水深一般较浅。例如，我国江汉平原上的一些湖泊。,6,）,冰成湖,苏必利尔湖,密歇根湖,安大略湖,休仑湖,伊利湖,由古代冰川或现代冰川的刨蚀或堆积作用形成的湖泊，即冰蚀湖与冰碛湖。其特点是大小、形状不一，常密集成群分布。例如芬兰、瑞典、北美洲及我国西藏的湖泊。,7,）,潟湖,在浅海、海湾及河口三角洲地区，由于沿岸流的沉积，使沙嘴、沙洲不断发展延伸，最后封闭海湾部分地区形成湖泊，又称为,潟,湖。,8,）,溶蚀湖,由于地表水和地下水溶蚀了可溶性岩层所致。形状多呈圆形或椭圆形，水深较浅。例如，贵州的草海。,按湖水矿化度分类,按,湖水矿化度,的大小可分：,淡水湖，矿化度小于,1g/L,；,微咸湖，矿化度在,1-24g/L,；,咸水湖，矿化度在,24-35g/L,；,盐水湖，矿化度大于,35g/L,。,外流湖大多为淡水湖，内陆湖则多为咸水湖、盐水湖。,按照,含盐度,划分：,湖水含盐度, 24.7,的为,咸水湖,，,湖水含盐度达到饱和结晶的称为,盐湖。,死海的水含盐量很高，一般为,250,，每公升湖水含盐,227,275,克，在,110,米深处，可达到,327,克。因此，死海成了一个“大盐库”，所蕴藏的盐量足够全世界,40,亿人食用,2,，,000,年。此外，湖水里还有几十亿吨的钾盐、硫酸镁、溴、碘和其它许多有用的化学元素。死海湖水的盐类含量高，比重也大，一般为,1.172,1.227,，比人体比重（,1.021,1.097,）大，因此，人在水面上躺着也不会下沉。,按湖水营养物质分类,按湖水所含溶解性营养物质的不同，可分为,贫营养湖、,中营养湖、,富营养湖。,（二）湖水的性质,1.,颜色与透明度,2.,温度,3.,化学成分,第五章 陆地水文,1,、颜色与透明度,湖水一般呈浅蓝、青蓝、黄绿或黄褐色。湖水透明度与太阳光线、湖水含沙量、温度及浮游生物都有关系。,新立城,2,、湖水温度,由于湖水增温和冷却作用，湖水温度沿垂线的分布有三种情况。,（,l,）正温层,全湖水温,不低于,4,，这时上层水温较高，密度小；下层温度低而密度较大。水温的这种分布称为正温层。这种湖泊也称为暖湖。在正温层的垂直分布中，往往由于上下层之间水温由高急剧下降到下层较低温度，便形成一,突变层,，称为温跃层。,（,2,）逆温层,全湖水温,低于,4,，其中上层温度较低，而下层水温较高，但不高于,4,（,4,时水的密度最大）。水温的这种分布称为逆温层。这种湖泊也称为冷湖。,（,3,）同温层,当全湖水温上下一致时，称为同温层,热带的湖泊为正温层分布；寒带的湖泊为逆温层分布；温带的湖泊则随季节不同而不同，冬季为逆温层，夏季为正温层，春、秋季则出现同温层。,第五章 陆地水文,湖水温度沿垂线的分布,3,、化学成分,湖水的化学成分大致相同，但化学元素及其变化，却可以因时因地而有较大差异。,（,l,）湖水通常含有,HCO,3,-,，,CO,3,2-,，,CI,-,，,Ca,2+,，,Na,+,，,K,+,，,Mg,2+,等主要离子和一些生物原生质、有机质和溶解气体等。,（,2,）湖中生物作用强烈 营养元素（,N,，,P,）在湖水、生物体、底质中循环，各地的淡水湖泊都有不同程度的富营养化的趋势。其中以云南的滇池最为典型。,（,3,）湖水交替缓慢，深水湖有分层性 随着水深的增加，溶解氧的含量降低，,CO,2,的含量增加。在湖水停滞区域，会形成局部还原环境，以致湖水中游离氧消失，出现,H,2,S,，,CH,4,类气体。,第五章 陆地水文,（三）湖水水文特征,1,、湖水的运动,2,、水位变化和水量平衡,第五章 陆地水文,1.,湖水的运动,（,1,）,定振波：,全部湖水围绕着,某一个或几个重心,而摆动的现象，称 为,定振波,。定振波和暴风雨的关系最密切。,定振波的摆动现象比较复杂，通常分为：单定振波和双定震波。,直壁容器中，单定振波的周期：,T=2L/(gH),1/2,;,双定振波的周期：,T=L/(gH),1/2,;,多节定振波的周期：,T=L/(gH),1/2,。,L,为动力方向线上的容器长度；,g,为重力加速度；,H,为容器平均深度。,第五章 陆地水文,（,2,）湖流,a.,有河流注入的湖泊，湖水可产生单向缓慢流动；,b.,风的作用可使湖水随湖面风向运动，如果风向稳定，则可形成闭合垂直环流；,c.,定振波也可造成湖流；,d.,水温变化造成湖水的垂直循环，也可造成湖流。,2.,水位变化和水量平衡,排水湖的水量平衡方程式：,X+Y+Z+K-,-,-E=,W,X,：,湖面降水量，,Y,：入湖地表径流量，,：,出湖地表径流量，,Z,：入湖地下径流量，,：湖水渗透量，,K,：湖面水汽凝结量，,E,：湖面蒸发量，,W,：,一定时期内湖的水量变化。,若湖没有出口，则取消出湖地表径流量，,k,值很小，可忽略。,二、沼泽,“,要有针对性地开展湿地保护宣传教育，提高广大干部群众对保护湿地重,要性的认识。要严格控制湿地资源开发，在具备条件的地区要采取抢救性措施建立一批湿地保护区，同时要管护好已经建立的湿地保护区。,”,江泽民 （,3,月,11,日 人民日报）,沼泽现状,湿地是地球上具有多功能的独特自然生态系统,“,生物超市,”,，,“,地球之肾,”,，,“,自然界的土木工程师,”,全世界的湿地总面积大约为,8,65,亿,hm,2,，占地球表面总面积,510,亿,hm,2,的,1,7,，湿地类型大约有,35,种，主要包括沼泽、湖泊、河流、河口湾、海岸滩涂、珊瑚礁、红树林、浅海水域、水库、池塘、稻田等自然和人工湿地。,我国湿地总面积初步估算为,6300,万,hm,2,，占世界湿地面积的,11,以上。,我国大约有沼泽,1100,万,hm,2,，湖泊,1200,万,hm,2,，滩涂和盐沼地,210,万,hm,2,，另外还有稻田,3800,万,hm,2,。但这个数字并不包括江河、水库、池塘以及低潮时不超过,6,米的浅海水域等。我国有众多的河流，仅流域面积在,1,万,hm,2,以上的河流就有,5,万条之多，我国还有,6500,多个岛屿及,18000,公里的大陆海岸线，水深不超过,6,米的浅海湿地大于,500,万,hm,2,。,（一）沼泽概念,湿地,系指不问其为,天然或人工,、,常久或暂时,之沼泽地、,湿原,、,泥炭地或水域地带,，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过,6,米的水域（国际重要湿地公约的定义）。,通常把较平坦或稍低洼而过度湿润的地面称为,沼泽,。在沼泽物质中，,水占,85,95,，,干物质（主要是泥炭）只占,5,10,。,第五章 陆地水文,（二）沼泽的成因,水分条件是沼泽形成的首要因素。只有过多的水分才能引起喜湿植物侵入，导致土壤通气状况恶化并在生物作用下形成泥炭层。,沼泽形成过程的两种情况：,1.,水体沼泽化 沿湖岸水生植物或漂浮植毯向湖中央生长，使全湖布满植物，,大量有机物质堆积于湖底，形成泥炭，湖渐变浅，最后形成沼泽。低洼平原的河流沿岸沼泽化过程与此相似。,2.,陆地沼泽化 主要表现为森林沼泽化和草甸沼泽化。此外，海滨高低潮位间反复被海水淹没的平坦海岸带，也可形成沼泽。,第五章 陆地水文,（三）沼泽的水文特征,1,、运动十分慢，遵循达西定律，为渗流或层流。,2,、径流特别小，只及蒸发量的,1/3,，平均径流模数,0.02-0.055l/s,。,3,、沼泽的蒸发比较强烈，蒸发量大于自由水面。,4,、沼泽水质特征,富含有机质和悬浮物，生物化学作用强烈，腐殖质的含量从每升几毫克（,mg,）至上百毫克（,mg,）不等。,水体混浊、呈黄褐色。有机酸和铁锰含量较高，沼泽水常出现红色。,矿化度低，除干旱区的盐沼和海滨沼泽外，一般不超过,500 mg / L,；,水的硬度很小；,pH,值,3.5,7.5,呈酸性和中性反应，以弱酸性反应居多,（四）沼泽的分类,目前还没有一个公认的沼泽分类系统。往往根据沼泽所处的发育阶段、地貌部位、水分补给形式、植被类型等进行综合性分类。,但是最常用为地貌分类法 和 综合分类法。,参考资料：,中国沼泽志，赵魁义主编，科学出版报社出版。,第五章 陆地水文,海岸红树林湿地,（五）沼泽的作用与价值,1,、过滤作用,2,、蓄水排洪，减小洪峰,3,、第一生产力作用,4,、水产养殖,5,、生物基因库,6,、观赏和旅游,第五章 陆地水文,1,、沼泽的经济价值,第五章 陆地水文,提供丰富的动植物产品。,提供水资源。,提供矿物资源。,2,、沼泽的生态效益功能,第五章 陆地水文,维持生物多样性。,沼泽地的生物多样性占有非常重要的地位。依赖沼泽地生存、繁衍的野生动植物极为丰富，其中有许多是珍稀特有的物种，是生物多样性丰富的重要地区和濒危鸟类、迁徙候鸟以及其它野生动物的栖息繁殖地。,在,40,多种国家一级保护的鸟类中，约有,1/2,生活在湿地中。,中国是沼泽地生物多样性最丰富的国家之一，亚洲有,57,种,处于濒危状态的鸟，在中国沼泽地已发现有,31,种,；全世界有,鹤类,15,种,，中国沼泽地鹤类占,9,种,。中国许多沼泽地是具有国际意义的珍稀水禽、鱼类的栖息地，天然的沼泽地环境为鸟类、鱼类提供丰富的食物和良好的生存繁衍空间，对物种保存和保护物种多样性发挥着重要作用。,沼泽地是重要的遗传基因库,，对维持野生物种种群的存续，筛选和改良具有商品意义的物种，均具有重要意义。中国利用野生稻杂交培养的水稻新品种，使其具备高产、优质、抗病等特性，在提高粮食生产方面产生了巨大效益。,3,、沼泽的环境效益功能,第五章 陆地水文,沼泽地在控制洪水，调节水流方面功能十分显著。沼泽地在蓄水、调节河川径流、补给地下水和维持区域水平衡中发挥着重要作用，是蓄水防洪的天然“海绵”。,此外，可以通过沼泽地的蒸发在附近区域制造降雨，使区域气候条件稳定，具有调节区域气候作用。,降解污染物。随着工农业生产和人类其它活动以及径流等自然过程带来农药、工业污染物、有毒物质进入沼泽地，沼泽地的生物和化学过程可使有毒物质降解和转化，使当地和下游区域受益。,4,、沼泽的社会效益功能,观光与旅游。,沼泽地具有自然观光、旅游、娱乐等美学方面的功能，中国有许多重要的旅游风景区都分布在沼泽地区域。,东北地区：,向海自然保护区,漠漠格自然保护区,扎龙自然保护区,洪河自然保护区,（六）我国沼泽动态变化与保护,第五章 陆地水文,1,、改变湿地资源利用措施为合理开发利用湿地资源；,2,、保护原有湿地；,3,、恢复已破坏湿地。,第,4,节 地下水,( Ground Water),第五章 陆地水文,主要内容,：,一、地下水系统的组成与结构,二、地下水分类,三、地下水的物理性质和化学成份,四、地下水的运动,重点内容：,难点：,一、地下储水系统组成与结构,（一）地下水概念：指埋藏在地表以下岩石、松散堆积物空隙中的水体。主要水源为,大气降水、冰雪融水、地表水， 并参与全球水的循环。,常见的地下水形式？,（二）地下储水系统组成,1,、储水空间,含水介质：,把岩石、土壤中既能够透水、又饱含水的,多孔（孔隙、裂隙和溶隙）介质,称为含水介质。,含水层：,在自然和人为条件下能够流出地下水的岩体，由于多呈层状如砂层、沙砾石层等，所以称为含水层。,隔水层：,几乎不透水或透水能力很弱的岩体称为隔水层；例如火成岩体、变质岩体，页岩和致密的黏土层。,第五章 陆地水文,2,、储水构造体,透水层和隔水层相互结合而成的能够富集和存储地下水的地质构造体，形成三个条件：,1,）透水岩层或,储水空间,2,）相对隔水岩层形成,隔水边界,3,）有透水边界、补给水源和排泄区,第五章 陆地水文,地表,地下储水系统图,隔水层,潜水,潜水面,包气带,储水空间,补给与排泄区,包气带水,饱水带,含水介质水理性质,（一）,容水性,容水性是指岩石容纳水量的性能，用容水度表示。容水度（,W,n,）定义为岩土容纳水的最大体积,V,n,与岩土总体积,V,之比，即,W,n,=V,n,/V100,（二）,持水性,在重力作用下，岩石依靠分子力和毛管力在其空隙中保持一定水量的性质，称为持水性。以持水度表示。,持水度,W,r,定义为饱水岩土经重力排水后所,保持水的体积,Vr,和岩土总体积,V,之比。即,W,r,=V,r,/V100,，,其值大小取决于岩土颗粒表面对水分子的吸附能力。在松散沉积物中，颗粒愈细，空隙直径愈小，则同体积内的比表面积愈大，,W,r,愈大。,粒径与持水度的关系见下表：,第五章 陆地水文,在重力作用下，饱水岩石流出一定水量的性能，称为岩石的给水性，用,给水度表示,。给水度定义为饱水岩土在重力作用下，能自由排出水的体积,V,g,和岩土总体积,V,之比，即,=V,g,/V100,。,（三）,给水性,第五章 陆地水文,岩土持水度和给水度之和等于容水度（或孔隙度），即,W,n,=W,r,+,或,n=W,r,+,。,由此可知上述三个量之间的关系：,（四）,透水性,指在一定条件下，岩土允许水通过的性能。透水性能一般用渗透系数,K,值来表示，大小影响因素如下：,首先与岩土空隙的直径大小和连通性有关，,其次才和空隙的多少有关。,如粘土的孔隙很多，但孔隙直径很小，水在这些微孔中运动时，不仅由于水与孔壁的摩阻力大而难以通过，而且还由于粘土颗粒表面吸附形成一层结合水膜，这种水膜几乎占满了整个孔隙，使水更难通过，称为隔水层。,透水层与隔水层虽然没有严格的界限，不过常常将渗透系数,K,值小于,0.001,米,3/,日的岩土列入隔水层，大于或等于此值的岩土属透水层。,常见岩石的渗透性：,1,）透水岩石，包括砂岩，沙、裂隙和岩溶发育的岩石。,2,）半透水岩石，包括粘土质沙、黄土、泥炭等。,3,）不透水岩石，包括块状结晶岩、粘土和裂隙很不发育的沉积岩。,第五章 陆地水文,3,、地下水流系统,地下集水区域形成相对独立的水流系统，其特征与地表水系相比有：,1,）空间上立体性，在空间上占据几百甚至上千米的立体空间，形成多层次的立体结构。,2,）流线组合复杂和不稳定性,3,）流动方向上升、下降并存,第五章 陆地水文,（三）地下水系统垂直结构,第五章 陆地水文,自地表面起至地下某一深度出现,不透水基岩,为止，可区分为,包气带和饱和水带两大部分,。,包气带又可进一步区分为土壤水带、中间过渡带及毛细水带等,3,个亚带；,饱和水带则可区分为潜水带和承压水带两个亚带。,从贮水形式来看，,与包气带相对应的是存在结合水（包括吸湿水和薄膜水）和自由水（毛管水）；,与饱和水带相对应的是重力水（包括潜水和承压水）。,包气带,土壤水带,上层滞水,中间过渡带,毛管水带,饱和水带,潜水带,承压水带,吸湿水,薄膜水,毛管悬着水,毛管上升水,潜水,承压水,重力水,自由水,结合水,水带,土壤水层,地表,渗流层,局部隔水层,毛管水层,潜水层,承压水层,隔水层,剖面,水型,地下水垂直结构模式,二、地下水分类：,按照存在形式分类：,重力水（潜水、承压水）、,结合水（吸湿水、薄膜水） 、,自由水（毛管水）,按储存空隙的种类：,孔隙水、裂隙水、岩溶水,按照埋藏条件分类：,上层滞水、潜水、承压水,第五章 陆地水文,地表,地下储水系统图,隔水层,潜水,潜水面,包气带,储水空间,补给与排泄区,包气带水,饱水带,1,、上层滞水,存在于包气带中,局部隔水层,之上的重力水。,1,）分布范围不广，补给区与分布区基本上一致，,2,）主要补给来源为大气降水和地下水，,3,）主要耗损方式是蒸发和渗透，,4,）接近地表，受气候、水文影响大，故水量不大而季节变化强烈。,第五章 陆地水文,2,、潜水,埋藏在地表下,第一个稳定隔水层,上具有,自由表面,（潜水面,water table,）的重力水。,从地表到潜水面的距离称为,潜水埋藏深度,。,潜水面到下伏隔水层之间的岩层称为,含水层，距离为潜水厚度,，,隔水层（,impermeable bedrock,）就是含水层的底板。,特点：,1,）大多数情况下，潜水补给区和分布区是一致的。,2,）补给以降水和地表水为主，与地表河水关系密切；,3,）潜水位,季节性,变化强烈；,4,）具有明显的纬度地带性和垂直地带性。,当大面积不透水底板向下凹陷，而潜水面坡度平缓，潜水几乎静止不动时，就形成了,潜水湖,。,当不透水底板倾斜或起伏不平时，潜水面有一定坡度，潜水处于流动状态，此时就形成,潜水流,。,潜水埋藏深度,h,h,潜水面随地形和季节变化,在均质岩石分布区，潜水与河水间往往形成互补关系，这种现象被称为,河流与地下水的水力联系,。,3,、承压水,第五章 陆地水文,定义：充满两个隔水层之间的水称,承压水,。,1,） 承压性，,h1,为承压水头，,h2,为承压水位。,排泄区，承压水水头高于隔水顶板，在地形条件适宜时，其天然露头或经人工凿井喷出地表称为,自流水,。,2,）动态变化小,3,）隔水顶板妨碍含水层直接从地表得到补给，故自流水的,补给区和分布区常不一样,，但也有例外（见,b,图）,当单斜含水层的一侧出露地表成为补给区，另一侧被断层切割，而断层构成水的通道时，就成为单斜含水层的自流排泄区，此时承压区介于补给区与排泄区之间，情况与自流盆地相似，见图（,a,）,;,当含水层一端出露于地表，另一端在某一深度上尖灭或被断层切割而不导水时，一旦补给量超过含水层容水量，水就含水层出露带较低的部分溢出。,打井区的位置在哪里？,h1,h2,三、地下水的物理性质和化学成分,1.,温度,地下水温度与气温和地温的关系：,T,H,=T,B,+(H-h)/G,T,H,为在,H,深度地下水的温度；,T,B,为所在地区年平均气温；,H,为欲测定的地下水深度；,h,为所在地区地温年恒温带深度；,G,为地温梯度，以,33m/,o,C,计算。,50,o,C,， 称热水。,（一）物理性质,2.,颜色,地下水一般是无色透明的，但有时因为含某种离子、富集悬浮物或含胶体物质，也可显示各种颜色。,3.,透明度,地下水的透明度决定于水中所含盐类、悬浮物、有机质和胶体的数量。透明度分透明、微混浊、混浊和极混浊四级。,4.,比重,地下水比重决定于水温和溶解盐类。盐水的比重可用波美度来表示，,1,升水含有,10,克氯化钠，则盐度相当于,1,波美度。,（一）地下水的物理性质,第五章 陆地水文,5.,导电性 导电性的计算式：,K,e,=1/R,K,e,为水的导电率；,R,为水的电阻率。,地下淡水的导电率为,3310,-5,-3310,-3,6.,放射性 如一升水中含氡原子的量能够产生,0.001,静电力单位的饱和电流，为一马海，而一马海等于,3.64,埃曼。水中的氡量超过,10,埃曼时，为弱放射水，超过,1000,埃曼时，为强放射水。,7.,嗅感和味感,第五章 陆地水文,（二）地下水的化学成份,1.,气体 地下水中溶解的气体主要有,CO,2,、,O,2,、,N,2,、,CH,4,、,H,2,S,、,H,2,、,CO,、,NH,3,和少量惰性气体等。,2.,氢离子浓度 天然水中的,H,+,主要取决于,H,2,CO,3,、,HCO,3,-,、,CO,3,2-,的数量。,3.,离子成分和胶体物质 构成地下水中主要离子成分的元素有,氯离子、硫酸根离子、碳酸氢根离子、碳酸根离子、硝酸根离子、钠离子、钙离子、镁离子、铝离子、亚铁离子、铁离子,等。,第五章 陆地水文,（三）,地下水的总矿化度和硬度,1.,总矿化度 是指水中离子、分子和各种化合物的总含量。通常是以水烘干后所得残渣来确定 ，单位为,g/L,。根据总矿化度的大小，天然水可以分为以下五类：,淡 水 残渣,50g/L,2.,硬度 水中钙、镁离子的总量，称为,水的总硬度,。,第五章 陆地水文,四、地下水运动,地下水的运动方式有两种： 层流运动、,紊流运动。,除了在宽大裂隙或空洞中具有较大流速而成为紊流外，地下水一般都时以层流形式运动。地下水的这种运动称为,渗透,。,第五章 陆地水文,1.,线性渗透定律：,达西定律,第五章 陆地水文,达西为法国著名的水力学家。,达西实验的装置如图所示。,是横截面积为