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1、水文学概论,楊 大 文水文水资源研究所,2007级认识实习,让我们先看几个近期的焦点问题。,密云位于潮、白两河，兴建于1958年，历时三年。库容量为43.75亿立方米，为华北地区最大的水库。密云水库是北京市饮用水的主要来源。自90年代后期，密云水库的蓄水量不足10亿立方米，扣除死库容，可利用量不足京城1年供水。同时，地下水下降非常厉害，每年的水位下降1米左右。,北京的水危机 1960年代中期、1970年代和1980年代初期，北京经历过三次供水危机。第一次开挖京密引水渠，引用密云水库的水度过；第二次通过大量开采地下水化解；第三次是靠政府决策，规定密云水库只向北京供水。目前，北京市的第四次水危机靠
2、什么度过？,密云水库的水哪里去了？,官厅水库位于永定河，是新中国成立后建设的第一座大型水库，1951年动工，1954年竣工。设计总库容416亿立方米，具有防洪、灌溉、发电等用途，也是北京主要供水水源地之一。20世纪80年代后期，库区水受到严重污染，90年代水质继续恶化，1997年水库被迫退出城市生活饮用水体系。进入新世纪，面对首都水资源严重短缺，恢复官厅水库饮用水源功能已成为当务之急。官厅水库近年来的蓄水位都在死水位附近。,官厅水库,潘家口水库是滦河干流上游第一座大型水库。水库大坝高107.5米，顶长1040米，总库容29.3亿立方米。潘家口水库是我国第一个跨流域供水工程引滦枢纽工程的源头,是
3、天津市重要的水源地。引滦枢纽工程自1982年正式通水以来,解决了天津市、唐山市和滦河下游灌区的工农业及人民生活用水,产生了巨大的经济效益和社会效益。自90年代后期,潘家口水库上游降雨量降低,主要入库河流的入库径流减少,潘家口水库的可供水量明显减少,2000年被迫以“死库容”向天津市供水,而天津市为了满足城市生活用水的需要第三次调黄河水入津。,潘家口水库,四川和重庆为什么近年来洪水和干旱接连不断？,2004年9月25日：暴雨中心位于嘉陵江，四川595.3万人受灾、重庆563万余人受灾。2005年7月8日：暴雨中心位于嘉陵江的渠江支流，四川东部达州再次发生洪水。2006年5月8月：四川东部、重庆发
4、生大旱，致1800万人饮水困难 经济损失150亿。2007年7月：67日嘉陵江支流渠江发生洪水，达州市受灾严重；17日重庆发生近115年来最大暴雨，造成洪灾。,1、密云水库、官厅水库、潘家口水库为什么蓄不满？2、我国的洪水和干旱灾害有增加的趋势。,思考,在当初设计时，这些水库的水文计算错了！？水文学能为防洪和抗旱做些什么？,水文学研究什么？解决什么问题？,中国大百科全书中对水文学的定义,水文学是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系。,水文学是一门自然科学、同时也是一门应用科学。,Hydrology is the science which de
5、al with waters of the earth,their occurrence,circulation,distribution on the planet,their physical and chemical properties and their interactions with the physical and biological environment,including their responses to human activity.,联合国教科文组织（UNESCO）对水文学的定义,地球表面的广大水体，在太阳辐射作用下蒸发变成水汽，上升到空中，被气流带动输送到各
6、地，在这过程中，水汽遇冷凝结，以降水的形式降落到地面和海洋，降至地面的那部分水，再从河道或渗入地下以地下水形式补给河流流入海洋。水分这种往返循环、不断转移交替的现象称为水文循环或水循环。,水循环（water cycle）的概念,水文学的研究领域,大气水循环海洋水循环陆地水循环海洋-陆地-大气中的水循环地球上水圈与生物圈的相互关系,水圈（hydrosphere）大气圈（atmosphere）岩石圈（lithosphere）土壤圈（pedosphere）生物圈（biosphere）人类圈（anthroposphere）,水在循环过程中与地球表面圈层之间发生相互作用,水资源、生态与环境、水旱灾害等都
7、与水循环有关。,水文学的分类,水文气象学（Hydrometeorology）海洋水文学（Marine Hydrology）陆地水文学（Terrestrial Hydrology）,流域水文学（Watershed Hydrology）湖泊水文学（Limnology）地下水水文学（Groundwater Hydrology）冰川水文学（Glaciology）沼泽（湿地）水文学（Swamp Hydrology）,流域水文学(Watershed Hydrology),流域水文学是陆地水文学的一个重要分支。研究流域水文现象、过程及其基本规律。流域水文现象和过程主要指：降水、入渗、蒸散发、产流、汇流等。,
8、(1)水系和流域特征：研究水系和流域特征是认识河川径流形成和水情的一个重要方面。,(2)流域水文特性：指降水、蒸发、地表径流、地下径流、冰雪径流的季节特征，以及在流域内的分布特征等。这些特征决定了流域水量的多寡和年内分配状况，是了解流域水情、变化规律和水资源评价的重要依据。,流域水文学的研究内容,（3）径流形成和汇流的规律：降雨（或冰雪融水）从达到流域表面经过产流、流域汇流、河道汇流到达河口这一过程决定了流域的洪水特性，研究这一过程的规律是正确进行洪水预报的基础。,（4）流域（特别是河流）中水的化学成分、形成过程及其地理分布规律：河水是重要的淡水资源，河流是水生物的生长场所，河水中天然形成的化
9、学成分及其含量和河水的污染状况，是流域水文的基本要素之一。,（5）人类活动和气候变化对流域水循环及河流水文情势的影响。这是流域水文学的一个新课题。,水文学的应用 工程水文学,Because of the pervasive role of water in human affairs,the development of hydrology has followed rather than let the applications,e.g.primarily water supply and hazard reduction,under the leadership of civil and
10、agricultural engineers.由于水对人类活动起着广泛而深刻的作用，水文学是随应用而发展，并非由于水文学的发展而导致应用。这些应用主要是在土木和农业工程师的领导下开展的，如供水和减灾。Opportunities in the Hydrologic Sciences,by US NRCNational Academy Press,Washington,D.C.1991,工程水文学的主要内容,（1）水文计算：主要运用概率论和数理统计的原理和方法，对未来长期的水文情势作出概率预估，为各类水利工程的规划和设计提供设计暴雨、设计洪水、设计年径流等设计参数。,（2）水文预报，包括：,径流预
11、报 洪水预报 河道水位预报 土壤墒情（或者干旱指数）预报,（3）水资源评价：研究流域水资源的形成和消耗、时空分布和变化、水量和水质，以及水资源开发利用和其他人类活动的影响，为水资源的规划和管理提供科学依据，为实现水资源的可持续利用服务。,工程水文学在水利工程的规划设计、施工和运营管理等不同阶段的任务不同,1）规划设计阶段（Planning Stage）:主要任务是确定合理的工程规模。,【实例】,2）工程施工阶段(Construction Stage)：确保规划设计建筑物加以实施。,整个施工期的来水情势，以确定临时建筑物的规模；了解近期更确切的水情，以确定施工的进度。,3）运营管理阶段（Oper
12、ation&Management Stage）：充分发挥已建成工程的效益，即通过水文预报，了解未来一定时期内的来水情况，以确定最佳的水调度运营方案，以充分发挥工程的效益。,在水利工程建设的三个不同的阶段，都离不开水文计算和水文预测、预报。,水文计算：根据历史水文数据，采用概率统计方法，用以确定水利工程的建设规模和运营方式；水文预测和预报：根据未来的气象预测和预报，对未来的水情进行预测或预报，用以指导水利工程的实施调度。,水文现象的基本规律,水文现象的确定性,水文现象的随机性,水文现象的周期性变化；水文现象的因果关系。,水文现象在时间和数量上还具有不重复。,目前，我们对水文现象基本规律的认识还十
13、分有限，远远不能满足生产实践的需求。,水文学的发展历史,水循环与气候变化,全球水循环与水量平衡,地球主要水体的水量分布,全球水循环（Global Water Cycle）,以陆地上的年降水量为基准，全球水循环中的水量关系（100119,000 km3/year)，水文手册by D.R.Maidment,1993,全球水循环中的水量关系,1)在垂直方向：大气与地球表面之间通过降水和蒸发进行垂向水分交换，在全球尺度降水等于蒸发。,2)在横向，即海洋和陆地之间的水分交换，包括：,海洋向陆地输送水汽而陆地也向海洋输送水汽（是双向交换），总的结果是水分以水汽形式由海洋向陆地输送；陆地以地面径流和地下径流
14、的形式向海洋输送；上述二者是相等（平衡）的。,从全球水循环来看，,1270 mm/年,800 mm/年,480 mm/年,陆地（地球面积的30）,地表和浅层地下淡水：2.5%,径流,320 mm/年（除以陆地面积）130 mm/年（除以海洋面积）,1400 mm/年,海洋占地球面积的70；海水占地球总水量的96.5%，为3703m深。,大气圈（水：0.001%）,全球水循环中的水量,水文循环的范围、量及速度,范围：水文循环的范围为从地面以上约11km的对流层顶到地面以下1-2km深处的广大空间。数量：据估算，地球上每年参加水文循环的总水量平均为577000km3(折合地球表面的水深为1130m
15、m)。速度：大气水分在降水蒸发过程中，每年平均更换约45次，即更新期约8天；河川径流的更新期约16天；土壤水约1年；湖泊和地下水的更新期则更长。,水量平衡（Water Balance）概念,在水文循环中，任一地区（可以是流域、区域、湖泊、海洋、大陆或全球）在一定时段内（可以是日、月、年或更长）的输入和输出水量之差，必等于该地区蓄水量的变化量（即该地区在时段始末的蓄水量之差）。,水量平衡是水文学最基本的原理之一，是应用质量守恒定律对水文循环的特定描述。,1)若以地球大陆（Continent）为对象，某时段t内的水量平衡方程可写成：,Pc R Ec Sc,式中,Ec：在时段内陆地的蒸发量；Pc：在
16、时段内陆地的降水量；R：时段内由陆地流入海洋的径流量；Sc：在时段内陆地蓄水量的变化量。,全球水量平衡（global Water balance）,2)若以地球海洋（Ocean）为对象，某时段t内的水量平衡方程可写成：,Po R Eo So,式中,Eo：海洋在时段内的蒸发量；Po：海洋在时段内的降水量；R：时段内由陆地流入海洋的径流量；So：海洋在该时段内蓄水量的变化量。,或：,式中上标表示多年平均值，。,在多年平均的情况下，Sc 0，So 0，则,3)多年平均的水量平衡,大陆：,海洋：,全球：,水循环的外在动力：太阳辐射能和地球引力；,水循环的内因：水物理三态（气、液、固）之间的相互转化；,
17、0冰的融解（冰水）热：3.34105 Jkg-120水的蒸发（水水汽）热：2.45106 Jkg-1水的比热：4200Jkg-1K-1,全球能量循环与能量平衡,地球表面的净辐射为太阳辐射、地面辐射及大气辐射之和。,地球表面多年能量平衡,太阳辐射（短波辐射）地面辐射（长波辐射,波长4m）：温度较低物体，如地面，也能产生辐射，因其波长较长故称长波辐射。大气辐射：大气吸收太阳和地面辐射能后，气温升高，会向宇宙空间和大地发射辐射能，合称为大气辐射。其中，投向地面的大气辐射称为大气逆辐射。,全球地表的能量平衡估计（单位：W m-2）,水分的蒸发伴随着地球上，近于等温条件下巨大的能量的转换和再分配.,Th
18、e mean annual global radiation budget&energy balance,以从外层空间进入大气层的太阳辐射（设为100单位）为基准。,全球气候变化,全球温暖化（Global warming）,大气中的温室气体（如水蒸气、二氧化碳、及其它气体）阻拦了一部分向外辐射的能量，如同温室的玻璃面板一样，将部分热能储存在大气中。如果没有自然的“温室效应”，气温会比现在低许多，地球上的生命就不可能存在。然而，由于有了温室气体的存在，地球的平均温度保持在温和的60F。但是当大气中温室气体含量增加时，可能会出现一些问题。表面长波辐射被对流层中的温室气体的吸收增加，向下的长波逆辐射
19、随之增加，使地球表面温度升高，地球表面温度升高也将促进对流；如此，整个对流层被加热。,温室气体：人类活动排放的温室气体主要有6种，即二氧化碳（CO2），甲烷（CH4），氧化亚氮（N2O），氢氟碳化物（HFCS），全氟化碳（PFCS）和六氟化硫（SF6）其中对气候变化影响最大的是二氧化碳。它产生的增温效应占所有温室气体总增温效应的63%。且在大气中的存留期很长，最长可达到200年，并充分混合，因而最受关注。,全球温暖化对水循环的影响,大气层中的能量循环加剧，将促进水循环加快，从而使全球降水增加；全球温暖化的影响在不同的地区和季节表现并不一致，从而为水资源管理带来新的问题；面对全球变暖的对水循环影
20、响，水文学需要新的理论和方法。,气溶胶对气候的影响（Aerosol impact）,气溶胶是直径小于1微米，漂浮在空气中的细小微粒,直接影响：太阳辐射间接影响：低强度降水减少,我国过去50年平均太阳辐射的变化,气候变化与水循环的关系：水循环的季节、年际和多年的变动性，带来气候的变动性，如旱季和雨季、干旱年和丰水年、El Nino、La Nina等；全球变暖是气候一个趋势性变化，影响全球和区域水循环在时间和空间发生变化，造成更多的洪水和干旱。,全球气候变化对水循环影响的一些悬而未决的问题,蒸发悖反现象(evaporation paradox)全球变暖与潜在蒸发下降、太阳辐射下降(全球变暗)同时发
21、生的水文气候现象。北半球：美国、前苏联、印度、中国、意大利、以色列、泰国及日本；南半球：澳大利亚、新西兰及委内瑞拉等；蒸发悖论（evaporation paradox issue）蒸发悖反现象引发的各种争论。比如：全球气候变暖与变暗的背景下，水循环将怎么变？,1、蒸发悖反,Peterson et al.,1995,Nature;Brutsaert Roderick&Farquhar,2002,Science,Rind et al.,1990;IPCC,2001,全球变暖,预测潜在蒸散发增大,实测蒸发皿蒸发减小,2、全球变暖的水文循环响应,蒸发互补理论,蒸发正比理论,(1)水量平衡分析显示全球水
22、文循环加剧,(2)能量平衡分析显示全球水文循环减缓,全球变暖,降水增多,实际蒸发增多,全球变暗,潜在蒸发减少,实际蒸发减少,潜在蒸发减少,5865,5158,大气运动驱动力减弱,全球能量平衡,全球水量平衡,Budyko,1974;Brutsaert 2005,Ramanathan et al.2001;Liepert et al.2004;Wild et al.2004;Miller et al.2004;Robock&Li,2006,Golubev et al.,2001;Szilagyi et al.2001;Walter et al.2004;Milly Qian et al.2007,
23、水文学与水资源管理,水资源管理Water Resources Management(决策，Decision Making),摘自Opportunities in the Hydrologic Sciencesby US NRC，National Academy Press,Washington,D.C.1991。,水文学是水资源管理的科学基础，现代水资源管理要求我们必须认识水循环的机理，并利用其规律来为水资源管理提供科学依据。,从全球看我国的水资源状况,全球淡水仅占总水量的2.5%，而淡水中仅1/3可以为人类利用,2000年全球缺水人口为5亿人，到2050年将达到40亿人,根据1998年的世界
24、统计资料，我国每天排放的有机污染物为世界第一，是印度的4倍（中国：7000t/day；印度：1700t/day）,我国多年平均水资源量2200m3/yr，到2030年我国人口达15亿时人均为1760m3/yr，接近1700m3/yr的警戒线,全球人口：60亿 89亿,全球缺水人口：5亿 40亿,世界主要国家每天排放的有机污染物（百万kg）,我国水资源管理中的关键水文科学问题,水、旱灾害的预测、预报，特别是极端水文情势（hydrological extremes）的预测和预报,流域水资源、生态与环境保护中的生态水文学问题,我国水利水电开发陆续完成后，各大流域的发电与防洪实时调度,极端水文情势的预
25、测和预报,气候变化对洪水或干旱的影响不仅在于其趋势大小，关键是在这种变化趋势下发生极端水文事件的概率将大大增加,冬季,春季,夏季,秋季,长江流域19501998年降水序列的趋势分析,三峡水库及上游梯级的发电与防洪实时调度,三峡水库及上游梯级开发，将是本世纪中国水利建设成就的集中反映；但要发挥兴利除害的效益，必须依靠精确的水文预报和科学的实时调度,三峡、葛洲坝水库2007年汛期实际调度情况,水土保持的根本在于增加植被从而减少泥沙，水土保持的生态水文效应关系治理成败黄河下游河流生命健康取决于黄土高原泥沙治理成效和下游灌溉节水潜力关键问题是黄土高原、引黄灌区的生态水文问题,影响黄河流域治理的战略的生态水文问题,主要产流区,主要产沙区,主要用水区,水文学研究的方法论,End,
