1、水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeology第一章 地球上的水及其循环1.1 地球上的水1.2 自然界的水循环1.3 与水文循环有关的气象、水文因素1.4 我国水文循环概况地球上水的起源：组成地球水圈的水（包括地表水与地下水）是在原始地壳形成以后，在整个地质时期内从地球内部不断逸出而起源的。地球各层圈（地核、地幔、地壳、水圈、生物圈、大气圈）都有水，但不同层圈中水的含量、分布、物化状态差别甚大。区分为两大部分：浅部层圈水、深部层圈水。浅部层圈水：从大气圈到地壳上半部。 特征：地壳上部（深度15km)大气水、地表水、地下水及生物体中的水不受高温、高压影响，以自由态H2O
2、分子的形式存在（以液态为主、固态与气态并存），含量很大， 约为14亿km3，占地球水的99.98%。 矿物结合水：矿物结晶内部及其间的水。如沸石水、结晶水、结构水等。其在一定温度下从矿物中释出成为自由态的水（H2O ），与其它水体相互转换。1.1 地球上的水 地球浅部层圈水1.1 地球上的水 Company L深部层圈水：分布于地壳下部直到下地幔这一范围内。地壳下部（深约1535km):地温高、压力大，水不能以普通液态水或气态水形式存在- 被压密的气水溶液。地幔软流层中所含水分总量约为现代海洋水总量的35-50倍。上地幔: H2O - OH- + H+下地幔、地核 :OH- - H+ + O2
3、-地球深层圈中特殊高压高温下的离解状态的水、地壳矿物内部的结合水，均以非自由态水的形式存在，传统观点未将这些水纳入地球水圈之内，这是值得商榷的。我们认为，广义的水圈应当包括地球各层圈中以各种不同状态存在且相互转化的所有水。1.1 地球上的水 Company Lv自然界的水循环：自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水构成一个系统，该系统内的水相互联系、相互转化的过程。v 按其循环途径长短、循环速度快慢及涉及层圈范围，分为水文循环与地质循环。v 自然界的水循环 各部位水的系与化关系 v 本章重点讨论水文循环1.2 自然界的水循环 自然界水循环转下页Company L自然界的水循环地质循环与水文循环关系
4、示意图 （据阿勃拉莫夫）水文循环 Hydrologic-cycle（1）定义：发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环（范围、四个环节）。 水文循示意 或要素 （2）特点：速度较快、途径较短、转换交替比较迅速。（3）水文循环的划分 循路径不同： 大循（海-）与小循（海-海，-） 空尺度不同： 全球水文循，流域水文循，水-土-生系水文循 （4）水文循环的作用 水通不断化，水得以化 水通不断循水量得以更新再生1.2 自然界的水循环水文循环-环节转下页水文循环示意图 水文循环尺度全球、流域（区域）、水-土-生 思考：水文循环发生的动力条件是什么？ 降水 蒸发 径流 水汽输送 入渗 蒸
5、发 降水 水汽输送 地质循环 （1）定义：地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程。 （2）过程：初生水的形成；在地幔下降流区，含有大量水的地壳岩块沉入地幔，使地幔得到浅层圈水的补充；此外，地质循环还发生在成岩、变质、风化等作用过程中。水文循环与地质循环的区别1 水文循环发生于地球浅层圈，是H2O分子态水的转换2 水文循环速度快、更替较快3 水文循环对地球的气候、水资源、生态环境等有极大的影响，是水文学与水文地质学的研究重点。4 地质循环发生于地球浅层圈与深层圈之间，常伴有水分子的分解与合成。5 地质循环速度缓慢。1.2 自然界的水循环 1 气象因素 （1）大气圈结构 a.空气组成：氮78%；氧
6、21%；水汽及其它1% b.水汽分布不均匀：赤道2.6%（v/v）;北纬70度0.2%；90度0.9%；垂向分布，3.5km以内 70%，5km以内 90%。 c.分5层：对流层、平流层、中间层、热层、外层 （2）大气热源 a.太阳辐射：8.16 J /(cm2 Min) 反射或散射回太空42%；大气吸收15%；地面接收43% b.地表是大气的二次热源，直接影响大气物理状态变化。1.3 与水文循环有关的气象、水文因素 1 气象因素 （3）主要气象要素 a.气温:随时间的变化，昼夜变化、季节变化、多年变化；随空间的变化，水平变化、垂直变化。 b.气压:大气的质量施加在地表或地表物体上的压力，常用
7、毫米水银柱高度表示。（一个大气压，760mm汞柱高，105 Pa） c.湿度:大气中水汽含量表示法。 绝对湿度(m或e)：重量表示法、压力表示法 饱和水汽含量(M或E):某一温度下，空气中可容纳的最大水汽 数量，称为该温度下的饱和水汽含量。 相对湿度（r）：绝对湿度(m或e)与饱和水汽含量(M或E)之比（百分数）。 露点与凝结, 温度露点差1.3 与水文循环有关的气象、水文因素1.3 与水文循环有关的气象、水文因素 1 气象因素 （3）主要气象要素 d.蒸发:在常温下水由液态变为气态进入大气的过程。 影响因子：气温、气压、相对湿度、风速； 测量仪器：蒸发皿，强度mm/a； 包括水面蒸发、土面蒸
8、发、叶面蒸发，通常以水面蒸发量的大小表征一个地区的蒸发强度。 e.降水:雨量计，大小mm，地区丰富程度 mm/a 1.3 与水文循环有关的气象、水文因素 2 径流 定义：系指降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。 分类：地表径流、地下径流。 地表径流系统术语： 水系：汇注于某一干流的全部河流的总体构成一个地表径流系统，称为水系。 流域：一个水系的全部集水区域，称为该水系的流域。 分水岭：相邻两个流域之间地形最高点的连线即为分水线，又称分水岭。 另外，还有支流、干流等。 地下径流系统术语： 地下水盆地、地下水流系统、分水岭、含水层边界等。1.3 与水文循环有关的气象、水文因素 2
9、径流 径流特征值： 流量(Q):系指单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为 m3/s 。流量Q等于过水断面面积F与通过该断面的平均流速V的乘积。 Q =VF (m3/s，俗称一个流量) 径流总量(W)：系指某一时段T内，通过河流某一断面的总水量，单位为m3 。 W =Q T （流域年总产量） 径流模数(M)：系指单位流域面积F（ km2 ）上平均产生的流量，单位为L/s km2 。 M =Q/F 103 （流域单产量） 1.3 与水文循环有关的气象、水文因素 2 径流 径流特征值： 径流深度(Y)：系指计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度，单位为mm。 Y
10、 =W/F 10-3 径流系数():为同一时段内流域面积上的径流深度与降水量的比值。 =Y/X（无量纲，以小数或百分数表示）1.3 与水文循环有关的气象、水文因素 1.3 与水文循环有关的气象、水文因素1.4 我国水文循环概况 我国位于世界最大陆地欧亚大陆东缘，南北地跨亚热带、温带及亚寒带；西部是世界上最高大的青藏高原，东濒世界最大水体太平洋。 绝大部分地区均为季风气候，一年中雨季与旱季分明，降水的时空分布很有规律。 我国气候主要受两个高气压中心控制：一是夏威夷亚热带高压中心，二是蒙古寒带高压中心。1.4 我国水文循环概况1.4 我国水文循环概况1.4 我国水文循环概况Company Lv从水文循环来看，地球上的水资源是个整体，研究地下水科学需要与相关学科相结合 地质学 （普通）、第四纪地质学、自然地理学 陆地水文学、水文气象学等相关知识参考 v与工程应用角度 水资源开发工程、土质土力学等 v后续课程 地下水动力学水文地球化学水资源开发与保护等基础类、应用类和技术方法类课程从水文循环角度看水文地质学基础相关学科
