工程水文学

王鹏全

目录

  • 1 绪论
    • 1.1 水文学是什么?(内附微课视频)
    • 1.2 水资源与水循环
    • 1.3 现代水文学研究及其面临的挑战
    • 1.4 工程水文学及其研究方法
    • 1.5 前沿与经典—水文学的发展、变革与展望
    • 1.6 科普
    • 1.7 课程思政
    • 1.8 第一章自我测试题
    • 1.9 课堂录像(2课时)
    • 1.10 知识图谱
  • 2 河川径流形成的基本知识
    • 2.1 水文循环与水量平衡
    • 2.2 河流与流域(内附微课视频)
    • 2.3 降水(内附微课视频)
    • 2.4 下渗
    • 2.5 蒸散发
    • 2.6 径流(内附微课视频)
    • 2.7 课程实践1—Arcgis水文分析
    • 2.8 实践任务2—降水空间分析
    • 2.9 拓展与科普
    • 2.10 课程思政
    • 2.11 第二章自我测试题
    • 2.12 课堂录像(8课时)
    • 2.13 知识图谱
  • 3 水文信息采集与处理
    • 3.1 测站与站网
    • 3.2 水位观测
    • 3.3 流量测验(内附微课视频)
    • 3.4 水文调查与水文遥感
    • 3.5 水文信息处理(内附视频)
    • 3.6 水情信息数据获取
    • 3.7 拓展与科普
    • 3.8 课程思政
    • 3.9 第三章自我测试题
    • 3.10 课堂录像(2课时)
    • 3.11 知识图谱
  • 4 流域产流与汇流计算
    • 4.1 概述
    • 4.2 流流域降雨径流要素计算
    • 4.3 蓄满产流计算(内附微课视频)
    • 4.4 超渗产流计算
    • 4.5 流域汇流计算(时段单位线推流)
    • 4.6 时段单位线法推求洪水案例分析
    • 4.7 单位线的推求
    • 4.8 单位线的时段转换
    • 4.9 瞬时单位线
    • 4.10 拓展与实践—水文模型
    • 4.11 课程思政
    • 4.12 第四章自我测试题
    • 4.13 课堂录像(10课时)
    • 4.14 知识图谱
    • 4.15 本章小结
  • 5 水文统计
    • 5.1 概述
    • 5.2 概率的基本概念
    • 5.3 随机变量概率分布
    • 5.4 常用的概率分布曲线
    • 5.5 水文参数估计
    • 5.6 水文频率计算适线法(校级教学观摩内附视频1课时)
    • 5.7 水文频率计算适线法应用案例教学
    • 5.8 相关分析
    • 5.9 拓展实训—水文参数估计适线法
    • 5.10 拓展与科普
    • 5.11 课程思政
    • 5.12 第五章自我测试题
    • 5.13 课堂录像(6课时)
    • 5.14 知识图谱
  • 6 设计年径流及其年内分配
    • 6.1 概述
    • 6.2 具有长期实测径流资料时设计年径流的分析计算(附微课视频)
    • 6.3 具有短期实测径流资料时设计年径流的分析计算
    • 6.4 缺乏实测径流资料时设计年径流量的估算
    • 6.5 拓展实训—水文学法计算河道内生态流量
    • 6.6 本章小结
    • 6.7 课堂录像(6课时)
    • 6.8 拓展与科普
    • 6.9 课程思政
    • 6.10 第六章自我测试题
    • 6.11 知识图谱
  • 7 由流量资料推求设计洪水
    • 7.1 概述
    • 7.2 设计洪峰流量及洪量的推求
      • 7.2.1 思路与框架
      • 7.2.2 洪水资料审查
      • 7.2.3 洪水资料选样
      • 7.2.4 特大洪水处理(一)
      • 7.2.5 特大洪水处理(二)
      • 7.2.6 洪峰流量的频率计算
    • 7.3 设计洪水过程线的拟定
    • 7.4 实践实训(视频讲解)—设计洪水推求
    • 7.5 专题—调洪演算(视频讲解)
    • 7.6 拓展与科普
    • 7.7 本章小结
    • 7.8 课堂录像(6课时)
    • 7.9 课程思政
    • 7.10 第七章自我测试题
    • 7.11 知识图谱
  • 8 由暴雨资料推求设计洪水
    • 8.1 概述
    • 8.2 设计面暴雨的推求
    • 8.3 设计暴雨时空分配的计算
    • 8.4 由设计暴雨推求设计洪水
    • 8.5 小流域设计洪水推求
    • 8.6 拓展训练—学生成果展示
    • 8.7 实践实训—瞬时单位线计算案例
    • 8.8 本章小结、拓展与科普
    • 8.9 课程思政
    • 8.10 课堂录像(10课时)
    • 8.11 第八章自我测试题
    • 8.12 知识图谱
  • 9 课程设计
    • 9.1 任务书和成果展示
    • 9.2 课程设计资料
    • 9.3 课程问卷调查
  • 10 课程思政与教学创新
    • 10.1 课程思政实践案例与教学设计
    • 10.2 教学创新实践与教学案例
    • 10.3 说课
水资源与水循环

1、水资源

 (1)水资源的概念:   

      联合国教科文组织 (UNESCO) 和世界气象组织(WMO)定义,“水资源”是“可供利用或有可能被利用、具有足够数量和可用质量、并为适应特定地区的水需求而能长期供应的水源”。

    刘昌明提出“从自然资源的观念出发,水资源可定义为与人类生产与生活有关的天然水源

    王浩:水资源是对人类社会经济发展和生态环境保护具有效用的淡水资源,其来源为大气降水,赋存形态为地表水、土壤水和地下水,在数量上为扣除降水期蒸发的总降水量,通过天然水循环不断得到补充和更新,同时受到开发利用的人工调控和其他人类活动等的影响。

     地球表层可供入人类利用的水称为水资源。水资源的特征包括水量水质水能水域。(广义水资源)

    按水量角度,狭义水资源通常指逐年可以得到恢复和更新的淡水,主要是江河湖库和浅层地下水水量,大气降水是补给源。

     以上对水资源的定义关注三个方面:水资源的有效性、可控性和可再生性

(2)水资源的属性

    资源属性——水循环的时空量质、循环特征及可再生能力,体现水的有限性和竞争性。

    环境属性——水在循环过程中带来各项水化学指标的变化并可能影响其自身功能,体现水循环的自净性。

    生态属性——天然条件下水资源的生态服务功能,体现在生物量和多样性。

    经济属性——水资源作为商品或者生产要素发挥经济价值的属性,可用货币衡量或者等量量化,体现水资源的高效性。

    社会属性——水资源通过各种形式的开发利用活动融入到社会发展与文明,与其他自然资源一样成为服务社会发展的控制性要素,体现水资源的公平性。

    水资源研究要解决的根本矛盾是自然水循环的极值性和不确定性,以及人类用水的稳定性和确定性,基于水量供需平衡、水化学物质守恒、生态系统完整性、水粮能生态竞争等理论基础,通过开展水资源的评价与配置、节约与保护、调度与管理等工作,促进水资源的“资源、经济、社会、生态、环境”等五大属性健康状态的维持。

(3)水资源研究与水文学的关系

      水资源研究尚未形成以知识为纽带的完整科学体系,水资源自然属性的研究是水文学在水文循环领域的延伸。水文学最早是地理学的一个分支,是水资源学的基础 ,水资源的基本认识,源于水文学中的水循环基本认知,水资源的基本理论源于水文学的理论支撑,水资源工作的主要内容是水文学的具体应用和生动实践。

                                                                    节选自王 浩 等(2023):流域“自然—社会”二元水循环与水资源研究

(4)全球水资源的数量

                                                             数据来源:金光炎. 水文水资源分析研究. 南京: 东南大学出版社, 2003


2、水循环

      【课程思政】我国古代对水文循环的认识(来自于芮孝芳,2019)

       距今2400多年前的屈原在《天问》一文中就发问道“东流不溢,孰知其故?”对自古以来百川归海而海水并不溢出提出疑问,寻求答案。由此开启了中国古代长达千年的关于水文学基本科学问题之一水文循环的讨论。成书于2300年前的《吕氏春秋·圜道》是这样回答这个问题的:“云气西行云云然,冬夏不辍,水泉东流,日夜不休,上不竭,下不满,小为大,重为轻。圜道也。”就是说,水汽从海洋不断随风吹向西方,在大陆上空周转回旋、凝结,降落为雨;地上、地下的水流向东方,日夜运动,川流不息,海洋也注不满;涓滴汇合成河海,河海之水蒸发为浮云。这就提出应该用水文循环概念来回答屈原的疑问。嗣后,南朝宋元嘉十九年,何承天在其所著《宋书·天文志》 一书的“论浑天象体”篇中指出:“百川发源,皆自山出,由高趋下,归注于海。日为阳精,光耀炎炽,一夜入水,所经燋竭。百川归注,足以相补。故旱不为减,浸不为溢。”认为太阳是水文循环的巨大能源,使海水蒸发,而众多河流的注入又足以补偿其损耗,以致海水不增不减。唐元和元年(806), 柳宗元在《天对》文中对屈原疑问的回答就十分接近现代关于水文循环的论述了,他说:“东穷归墟,又环西盈。脉穴土区,而浊浊清清。坟垆燥疏,渗渴而升。充融有余,泄漏复行。器运浟浟,又何溢为?”意思是:水向东流归大海,海水蒸发为云,又回到大陆上空降落为雨。填充在土壤孔隙里的水有浊有清。高处的土壤干燥,水渗入后土壤中水份增加。土壤水份达到饱和后就会产生径流,水流从不同的途径运行,最终注入大海。如此循环不已,海洋怎会漫溢呢?


现代水文科学的认识:

水文循环,地球上的水在太阳辐射和重力作用下,以蒸发、降水、下渗、径流等方式进行的周而复始的运动过程。又称水分循环水循环

大循环:发生在海洋与陆地之间

小循环:仅发生在海洋或陆地之上

(1)水的自然循环



(2)水的社会循环

                                                                                   (夏军)


前沿:USGS在2022年10月发布最新版水循环示意图:首次加入人类活动

高清原图地址:


https://d9-wret.s3.us-west-2.amazonaws.com/assets/palladium/production/s3fs-public/media/images/USGS_WaterCycle_English_ONLINE_20221013.png


                                                             英文版

                                                               中文版

美国地质调查局(USGS)2022年10月13日,时隔20年公布了更新的水循环示意图,首次将人类活动作为一部分加入水循环中。新的水循环示意图中除了降雨、蒸发、径流、湖泊等自然过程外,还包括了工农业用水、城市径流、水库等人类活动过程,揭示了人类在整个水循环过程中的表现形式和作用。

参考文献:Abbott, B.W., Bishop, K., Zarnetske, J.P. et al. Human domination of the global water cycle absent from depictions and perceptions. Nat. Geosci. 12, 533–540 (2019). 

https://doi.org/10.1038/s41561-019-0374-y


旧版的水循环示意图如下:



此外,USGS提供了儿童版水循环示意图,更多关注下列网址:

儿童版(初级、中级、高级)地址:

https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/water-cycle-diagrams


(3)自然-社会二元水循环

                                                     节选自王 浩 等(2023):流域“自然—社会”二元水循环与水资源研究

4、水资源特点

时空变化差异大,无论是南方或北方与水相关的灾害、水资源危机以及生态-环境问题十分突出!

南部和东南平均年降水量大于1600mm;华北和东北为400~800mm;西北大部分地区200~400mm;沙漠边缘地区少于100mm;新疆塔里木盆地和青海柴达木盆地小于25mm。



【水科学讲堂】第80讲[视频回放]——区域和全球水循环研究若干问题探讨(张永强主讲+沈彦俊主持)   https://mp.weixin.qq.com/s/bTSHKuectMEdbarnTJnGcg