水文学教案Word格式.docx
- 文档编号:18968490
- 上传时间:2023-01-02
- 格式:DOCX
- 页数:115
- 大小:89.49KB
水文学教案Word格式.docx
《水文学教案Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《水文学教案Word格式.docx(115页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
罗熙
课程名称
水文学
授课专业及班次
地理科学专业2007级
授课内容
绪论
授课方式及学时
讲授法,学时:
2课时
目的要求
(1)掌握水文学研究的对象、内容、任务及学科体系;
(2)了解水文学发展简史和水文学的地理研究方向;
(3)理解水文现象的主要特点;
初步认识水文学研究的主要方法.
重点与难点
(1)教学重点:
水文学研究的对象;
水文现象的主要特点;
水文学的研究方法。
(2)教学难点:
水文现象的主要特点。
讲授内容及
时间分配
(1)水文学研究的对象。
(2)水文学发展简史。
(3)水文学体系。
(4)水文学的地理研究方向——地理水文学。
(5)水文现象的主要特点。
(6)水文学研究的主要方法。
(7)水文学的课程性质及教学目的要求。
课的类型
讲授课
参考资料
教学过程:
一、水文学的研究对象及主要内容
(一)研究对象
1、水文学——研究地球上水的性质、分布、循环、运动变化规律及其与地理环境、人类社会之间相互关系的科学
2、水体——以一定形式存在于自然界中水的总称。
水的形态包括大汽水、河流水、湖泊水、海洋水、湖泊水、沼泽水、冰川水、地下水、土壤水、生物水等。
(二)水文学研究的主要内容及本课程的内容结构
1、主要内容
(1)水分循环及水量平衡(水文学的核心内容)
(2)水的数量、质量及分布
(3)各种水体的性质(物理性质、化学性质)
(4)各种水体的类型结构及运动规律
(5)水在地理环境中的作用(与生态系统、地理环境、人类活动之间的关系)
(6)水资源开发利用及人类活动的水文效应
2、本课程的内容结构
二、水文学的发展简介
水文学经历了从萌芽到成熟、从经验到理论、从定性到定量的历史发展过程。
(一)水文现象定性描述阶段
1、时期:
远古——14世纪未
2、标志
(1)世界上最早的水文观测:
中国和埃及(大禹冶水、随山刊木)
(2)水经注吕氏春秋定性描述各大河流的源流、水情、水文循环的初步概念
(3)特点水文观测定性描述经验积累
(二)水文科学的形成阶段
15世纪初——19世纪未
2、特点:
(1)概念描述进入定量描述
(2)水文理论的形成
3、标志
(1)1674年p.佩罗提出了水量平衡概念
(2)1775年谢才提出了谢才公式(明渠畅流等流速公式)
(3)1802年道尔顿提出蒸发公式
(4)1856年达西定律形成
(三)应用水文学阶段
20世纪—20世纪五十年代
2、特点
(1)水文观测理论体系进一步完善
(2)应用水文学发展
(1)工程水文学成为应用水文学的主要分支
(2)产汇流理论计算公式
(3)森林水文学、城市水文学的形成
(四)现代水文学阶段
20世纪50年代以来
(1)水文技术科学的发展
(2)分支科学不断诞生
(3)研究方法趋向综合
(4)水资源开发利用、管理、评价成为重点
(1)雷达测雨
(2)中子散射法测土壤含水量
(3)放射性示踪测流
(4)同位素测沙
(5)卫星遥感及GIS的利用
(6)水文模拟、随机分析、系统分析方法
(7)水文研究自动化
(8)水资源的评价、管理、优化利用
三、水文学体系
(一)按水体的分类(对象)(传统分类法)
(二)系统水文学体系
1、水文学的学科体系
2、普通水文学:
水文学基本理论、方法
3、水文测验学
4、区域水文学
(1)流域水文学
(2)河口水文学
(3)山地水文学
(4)平原水文学
(5)坡地水文学
(6)干旱区水文学
(7)岩溶区水文学
5、应用水文学
(1)工程水文学
(2)城市水文学
(3)森林水文学
(4)农业水文学
(5)土壤水文学
6、新技术方法
(1)随机水文学
(2)模糊水文学
(3)系统水文学
(4)遥感水文学
(5)同位素水文学
四、水文学地理研究方向及其与其它学科的联系
(一)、水文学的地理研究方向
1、水文学的三个研究方向
(1)地理学方向
(2)地球物理学方向
(3)工程学方向
2、水文学地理方向(地理水文学)
(1)水文学与地理学共同隶属、分别分支
(2)侧重水体运动变化的自然规律,总体演化趋势,与其它地理要素相互关系的综合研究;
水体差异的区域性研究
(3)特点:
宏观性、区域性、综合性
(二)、水文学在地理学中的地位
1、地理学的学科体系
2水文学是地理学自然地理的学科分支学科
自然地理包括气候学、地貌学、水文学、土壤地理学、生物地理学等。
五、水文现象的基本特点
(一)水文现象——水循环过程中,水的存在和运动的各种形态,统称为水文现象。
(二)水文现象的特点
1、水循环永无止境
2、周期性与随机性(时间变化上)
(1)、周期性:
年周期、季周期、月周期、日周期
(2)、随机性:
不重复性
3、地区颁布上的相似性和特殊性
(1)相似性:
地带性规律
(2)特殊性:
区域性(差异性)
六、水文学的研究方法
(一)、传统研究方法
1、成因分析法(物理学原理为基础进行水文解释)
2、数理统计法相关分析——经验性模型
3、地理综合防治法——等值线法(地带性规律、非地带性规律)
(二)、新技术方法
七、水文学课程性质及教学目的要求
(一)水文学的学科性质
1、学科性质:
综合性学科
2、部门自然地理学分支学科
(二)课程性质:
专业基础课程(必修)
(三)教学目的
1、掌握水分循环与水量平衡
2、掌握各种水体的运动、变化相互转化的理论及计算方法
(四)、本课程内容结构
教案尾页
一、复习思考题
1、名词解释水文学、水体、水文现象
2、简述水文学的研究对象及主要内容
3、简述水文学的发展简史
4、简述水文学的学科体系地理学中的地位
5、简述水文现象的特点
二、参考文献
1、邓绶林《普通水文学》高等教育出版社1985
2、天津师范大学地理系合编《水文学与水资源概论》华中师范大学出版社1986
三、课后分析
第一章地球上水的性质与分布
地球上水的性质与分布
6课时
(1)掌握天然水的主要理化性质;
了解地球上水的分布、水资源涵义与特性;
(2)了解世界及我国水资源的特点。
水的形态及其转化、水温、水的密度;
天然水的矿化过程及天然水的分类;
世界水资源、我国水资源。
水的形态及其转化;
天然水的矿化过程。
(1)地球上水的物理性质:
水的热学性质;
水温;
水的密度;
水色与透明度。
(2课时)
(2)地球上水的化学性质:
天然水的化学成分;
天然水的矿化过程;
天然水的分类;
水体的化学性质。
(3)地球上水的分布与水资源:
地球上水的分布;
水资源涵义与特征;
世界水资源;
我国水资源。
第一节地球上水的物理性质
地球上水的物理性质包括:
水的形态及其转化、水的热力学性质、水温、水的密度、水色及透明度
一、水质形态及其转化
地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在,在常温条件下三相可以互相转化。
(一)水分子的结构
1、单水分子结构
(1)单水分子结构图
(2)氧原子附近形成负极,氢原子附近形成正极;
水分子具有极性
2、水分子聚合体
由于水分子具有极性,故有聚合体
(1)双水分子聚合体
(2)三水分子聚合体
(二)水的三态及其转化
1、冰点与沸点
在一个标准大气压下,纯水0℃为冰点,100℃为沸点
2、水的三态与水温
(1)不同水温水分子聚合体的分布(%)
类型
温度
冰(0℃)
水(0℃)
4℃
38℃
98℃
单水
19
20
29
36
双水
41
58
59
50
51
三水
23
21
13
(2)三个结论
a)随着水温的升高,单水分子比例升高,聚合体比例下降,当温度高于100℃以上时,主要为单水分子。
当温度高于100℃呈气态时,水主要由单水分子组成。
b)随着温度的降低,水分子聚合体不断增多,单水分子不断减少。
水温达到0℃结冰时,单水分子为零,三水分子增多,因三水分子结构特性,使液态水变成固态冰时,体积膨胀10%,若冰变成液态水时,体积减小10%。
c)水温在3.98℃时,二水分子占比重大,而二水分子结合紧密,故密度最大,其为1。
(三)固态水(冰)的结构
1、冰的结构的形成:
氢键起着强烈的缔合作用
(1)每个氢键以等键距与另外四个氧原子相连结,在冰晶中的水分子则具有比较完整的正四面体结构形态
(2)键角增为109°
28'
,键距亦增至1.01A。
2、冰晶中的内在矛盾主要表现为氢键的凝聚力和氢核的振动、水分子的热运动,前者为吸引因素,后二者为排斥因素。
(四)液态水结构的主要理论模型
1、连体理论
2、混合体理论
3、闪动簇团”模型
二、水的热学性质
(一)概念
1、水的热学性质:
水的三态转化时的吸热与放热
2、潜热:
三态转化过程中吸收和放出的热量称为潜热
3、水的蒸发:
水的溶解潜热大于其它液体
4、水的热容量及潜热特点对地球上的热量变化有调解作用
三、水温
(一)海水水温
1、海水的热量收支平衡
(1)热量的收入
a)来自太阳和天空的短波辐射
b)来自大气的长波辐射
c)地壳内热通过海底传给海水的热量
d)海面水汽凝结时放出的热量
e)洋流带来的热量
f)海水运动产生的热量
g)化学的、生物的和放射性物质放出的热量
h)海水垂直交换中所得的热量
(2)热量的支出
a)海面辐射放出的热量
b)海水蒸发时所消耗的热量
c)洋流带走的热量
海水垂直交换中耗掉的热量
(3)热量平衡
a)多年平均情况
各海区的收支不平衡
2、海水温度的分布
(1)海水温度的水平分布
a)三大洋表面年平均水温约为17.4℃,其中太平洋最高,达19.1℃;
印度洋17.0℃;
大西洋16.9℃。
b)三大洋表面年平均水温的分布特点是:
北半球高于南半球,在南北纬0°
—30°
之间以印度洋水温最高,在南北纬50°
—60°
之间大西洋水温相差悬殊。
c)世界大洋表面水温分布的总趋势是:
水温从低纬向高纬递减;
在南北回归线之间的热带海区水温最高;
大洋东西两侧,水温分布有明显差异;
在寒暖流交汇处等温线特别密集,水温水平梯度很大;
夏季大洋表面水温普遍高于冬季,而水温的水平梯度则冬季大于夏季。
(2)水温的垂直分布
a)从海面向海底呈不均匀递减的趋势
b)南北纬40℃之间海水垂直结构
3.海水温度的时间变化
(1)日变化
a)变化总体上小
b)随纬度增加,日变化减小
c)近海区水温日变化大于远海区(深海区)
d)最低与最高水温各地出现的时间有差异
最高:
14时—16时
最低:
4时—6时
e)日变深度一般可达10—20米最高可过60—70
(2)水温的年变化
a)影响水温年变的因素有:
太阳辐射、洋流性质、季风和海陆位置
b)水温年变的地理分布规律
a)从赤道和热带海区向中纬海区增大,然后向高纬海区减小
b)在同一热量带,大洋西侧较东侧变幅大,靠近海岸地区更大
c)南北两半球相比,北半球各纬度带的年较差大于南半球
d)水温年变深度,一般可达100—150米,最大深度可达500米左右。
4、海冰
(1)冰点和最大密度温度都随盐度的增加而降低,但降低的数值不同
a)当海水的盐度大于24.695×
10-3时,冰点温度低于最大密度温度;
b)当盐度小于24.695×
10-3时,冰点温度高于最大密度温度;
c)只有盐度在24.695×
10-3时,海水的冰点温度与最大密度温度相同,为-1.332℃。
(2)海水难以结冰的原因
a)含盐量高,冰点低;
b)密度增大,对流运动显著;
c)结冰后,表层海水密度增大,对流运动加强;
d)结晶核的存在,结冰难度大;
(二)河水温度
1、影响河水水温的因素
1)太阳辐射
2)气温
3)补给来源
a)冰水补给
b)雨水补给
c)地下水补给
2、水温的分布
(1)水平分布:
大体上与气温分布一致
(2)垂直变化:
具有成层性和日变性
3、水温的时间变化:
与气温的时间变化一致
(三)湖泊、水库水温
1、影响因素
界面蒸发、凝结垂直紊流对流热交换大气辐射太阳辐射
(1)水平分布
(2)垂直分布:
水温垂直分布梯度
a)正温层分布:
上层水温高,下层低,但不低于4℃
b)逆温层:
上层水温低,下层水温高,但不高于4℃
c)同温层:
上下水温一致
3、湖水水温的变化
(2)年变化:
年较差较气温差小
四、地下水的水温
1、地下水的埋藏深度不同,温度变化规律也不同。
1)近地表的地下水的水温受气温的影响,具有周期性变化
2)一般在日常温层以上,水温有明显的昼夜变化
3)在年常温层以上,水温具有季节性变化。
在年常温层中,地下水温度
变化很少,一般不超过0.1℃。
而在年常温层以下,地下水温则随深度的增
加而逐渐升高,其变化规律决定于一个地区的地热增温级。
地热增温级是指
在常温层以下,温度每升高1℃所需增加的深度,单位为m/℃。
各处地热增
温级不同,一般为33m/℃。
2、地下水温度分类
状态
非常
冷水
极冷水
温水
热水
极热水
沸水
<0℃
0℃—4℃
4℃—20℃
20℃—37℃
37℃—42℃
42℃—100℃
>100℃
3、地下热水分类
相
热水名称
水温
液相
低温热水
20℃-40℃
中温热水
40℃—60
高温热水
60℃—100℃
液气相
过热水
低温过热水
>
100℃
高温过热水
374℃
四、水的密度
(一)纯水的密度
1、水分子结构的三种形式
1)四面体结构
2)类石英晶体结构
3)最紧密的堆积结构
2、温度与密度的关系
-20℃
-10℃
0℃的冰
0℃的水
3.98℃
10℃
50℃
密度
0.9403
0.9186
0.9167
0.9999
1.000
0.9997
0.9584
(二)海水密度
1、概念
1)海水密度:
单位体积内所含海水的质量,其单位为g/cm3。
2)海水的比重:
即指在一个大气压力条件下,海水的密度与水温3.98℃时蒸馏水密度之比
3)现场密度:
在现场温度、盐度和压力条件下所测定的海水密度
4)条件密度:
在一个标准大气压(p=0)下的海水密度
5)密度可用海水状态方程表示:
ρ(s,t,p)=ρ(s,t,0)/[1-10ρ/k(s,t,p)
2、海水密度的分布
(1)大洋表面密度的分布
a)大洋表面密度随纬度的增高而增大,等密度线大致与纬线平行
b)赤道地区由于温度很高,盐度较低,因而表面海水的密度很小,约1.02300。
亚热带海区盐度虽然很高,但那里的温度也很高,所以密度仍然不大,一般在1.02400左右。
极地海区由于温度很低,所以密度最大。
(2)垂直分布
a)总趋势:
密度向下递增
b)在南北纬20°
之间液体海底(50—100米)深度上密度垂直梯度最大,密度的突变层(跃层),对声波有折射作用
五、水色与透明度
(一)水色
1、影响水色的因素:
(1)水体的光学性质(吸收、反射、折射、散射)
(2)水中悬浮物质、浮游生物的颜色
(3)天空状况、水体底质的颜色
2、海水呈蓝色的原因:
光的散射作用
3、水水色的测定
(1)测量:
水色计
(2)度量:
号码1-21代表水色。
号码越小,水色越高,号码越大,水色越低。
(二)透明度
1、透明度:
表示各种水体能见程度的一个量度
2、测量方法:
透明度板(白色圆盘直径为30厘米)能见深度
3、水色与透明度的关系水色越高,透明度越高
第二节地球上水的化学性质
一、天然水的化学性质
水的化学性质包括:
化学物质成分、矿化过程、矿化度、硬度等
(一)天然水的化学成分
1、天然水中的各种物质按性质通常分为三大类:
1)悬浮物质:
粒径大于100纳米的物质颗粒
例如泥沙、粘土、藻类、细菌等不溶物质。
2)胶体物质:
粒径为100—1纳米的多分子聚合体
其中无机胶体主要是次生粘土矿物和各种含水氧化物。
有机胶体主要是腐殖
酸。
3)溶解物质:
粒径小于1纳米的物质
包括各种盐类、气体和某些有机化合物。
2、天然水中形成各种盐类的主要离子
(1)主要阳离子:
K+、Na+、Ca2+、Mg2+
(2)主要阴离子
(3)其它阴阳离子
3、矿化度:
天然水中,各种元素的离子、分子与化合物的总量
矿化过程:
各种溶解质在天然水中的累积和转化
(二)矿化过程的类型
1、溶滤作用
(1)概念:
土壤和岩石中某些成分进入水中的过程
(2)类型:
a)全等溶解矿物,例如,氯化物、硫酸盐、碳酸盐
b)不全等溶矿物,主要是硅酸盐和铝硅酸盐。
2)吸附性阳离子交替作用
天然水中离子从溶液中转移到胶体上,是吸附过程。
同时胶体上原来吸附的离子,转移到溶液中是解吸过程。
(2)特征:
a)离子交换是可逆反应,处于动态平衡
b)离子交换以当量关系进行
c)离子交换遵守质量作用定律。
(3)吸附容量:
胶体吸附的饱和容量
(4)胶体对各种阳离子的吸附能力不同,并有如下顺序:
H+>Fe3+>Al3+>Ba2+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+>Li+
3、氧化作用
(1)天然水中的氧化作用,包括使围岩的矿物氧化和使水中有机
物氧化。
(2)实例
a)2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4
12FeSO4+3O2+6H2O=4Fe(SO4)3+2FeO3·
3H2O
b)CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2↑+2H2O
4、还原作用
(1)在还原环境里,天然水若与含有机物的围岩(油泥、石油等)接触,或受到过量的有机物污染,碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。
CH4+CaSO4=CaS+CO2↑+2H2O
CaS+CO2+H2O=CaCO3↓+H2S
5、蒸发浓缩作用
6、混合作用
两种或几种矿化度不同,成分各异的天然水相遇,混合以后的矿化度和化学组成都要发生变化。
(三)、天然水的分类
天然水分类的意义
1、能反映天然水水质的形成条件和演化过程
2、水资源评价、利用和保护提供科学依据
1、按水化学成分分类
(1)特点
a)按照水中各种主要离子成分的相对含量等指标
b)以公式的形式来表示水的基本化学性质
(2)实例:
北京小汤山温泉
2、按矿化度分类
矿化度
水的名称
矿化度大小
低矿化
淡水
<1
弱矿化
微咸水
1-24
中矿化
咸水
24-35
强矿化
盐水
35-50
高矿化
卤水
>50
3、阿列分类法
a)按离子成分分类
b)地表水分类
(2)方法
a)按占优势的阴离子将天然水分为三类:
重碳酸盐类(C)、硫酸盐类(S)、
b)氯化物类(Cl)按占多数的阳离子分为钙质(Ca)、镁质(Mg)、钠质(Na)
c)三组在每一组内又按各种离子摩尔的比例关系,分为四个水型:
Ⅰ型:
[HCO3-]>[Ca2++Mg2+]。
Ⅰ型水是低矿化水
Ⅱ型:
[HCO3-]<[Ca2++Mg2+]<[HCO3-+SO42-)Ⅱ型水是低矿化和
中等矿化水
Ⅲ型:
[HCO3-+SO42-]<[Ca2++Mg2+]或[Cl-]>[Na+]。
Ⅲ型水包括高
矿化度的地下水、湖水和海水。
Ⅳ型:
[HCO3-]=0。
Ⅳ型水是酸性水,pH<4.5时,水中游离的CO2和H2CO3、
CO3-的浓度为零。
(3)例如,表示Ⅱ271-9CCa重碳酸盐类、钙组、Ⅱ型水。
4、C.A.舒卡列夫的分类方法
a)按主要离子成分的摩尔百分数地下水分类
b)考虑了水的矿化度。
二、水体的化学性质
(一)天然水的化学组成及其特性
1.溶解气体含量近于饱合
2.降水普遍呈酸性
3.溶解质含量低,矿化度低,未达到饱合
(二)海水的化学组成及特点
1、化学组成
(1)含有80多种化学元素:
主要化学元素是氯、钠、镁、硫
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 水文学 教案