【正文】 下墊面條件的差異，水文現(xiàn)象就會(huì)有很大的差異 。 ? 這種局部性的變化反映水文現(xiàn)象在空間變化上也存在不確定性的一面。只是在某種情況下，更多地表現(xiàn)出確定性規(guī)律，而在另一種情況下，更多地表現(xiàn)不確定性的特性。 ? 獲取水文資料的方法很多 ，主要有考察法和定位觀測(cè)法。 2 定位觀測(cè)（長(zhǎng)期觀測(cè)法） ? 通過考察和調(diào)查獲得的水文資料具有局限性，要獲得長(zhǎng)時(shí)間的系列水文資料，必須建立水文站，進(jìn)行定點(diǎn)定位觀測(cè)。 ? 在占有大量水文資料后，就可根據(jù)水文現(xiàn)象的特點(diǎn)，按不同的目的要求進(jìn)行水文過程和水文規(guī)律的研究，同時(shí)，以此為基礎(chǔ)，對(duì)將來的水文狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。根據(jù)水文現(xiàn)象的特點(diǎn)，其研究方法一般可以劃分為成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、地理綜合法。 2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法 ? 是以概率理論為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，求得水文現(xiàn)象特征值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，或?qū)χ饕默F(xiàn)象與其影響因素之間進(jìn)行相關(guān)分析，求出其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。 3 地理綜合法 ? 是按照水文現(xiàn)象地帶性規(guī)律和非地帶性的地域差異，用各種水文等值線圖表示水文特征的分布規(guī)律，或建立地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式，以揭示地區(qū)水文特征。 ? 水又是生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類賴以生存、發(fā)展的最寶貴的自然資源之一。此外水文學(xué)還要為后續(xù)課及中學(xué)地理教學(xué)提供必要的基礎(chǔ)知識(shí)。水量平衡是指水循環(huán)過程中蒸發(fā)、降水、徑流等要素之間的數(shù)量關(guān)系，它是物質(zhì)不滅定律在水文循環(huán)過程中的體現(xiàn)，水量平衡也是水文科學(xué)最基本的內(nèi)容之一。 （三）本教材的組成 ? 本教材由下列四部分組成。 9 ? 主要通過第二章闡述水文循環(huán)基本過程、影響因素，各要素的物理機(jī)制和分析計(jì)算方法，水量平衡原理及其在水資源估算中的應(yīng)用，以及水文循環(huán)的作用、效應(yīng)等。 ? 鑒于社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷革新，人們改造自然的能力愈來愈大，大 規(guī)模的人類活動(dòng)干擾了自然界水文循環(huán)過程，影響著各個(gè)水體的性質(zhì)。除水量外，水文科學(xué)對(duì)水質(zhì)的研究也越來越多。 七、主要參考書目 教材： 黃錫荃主編 .水文學(xué) .高等教育出版社， 1993 年第 1 版； 伍光和主編 .自然地理學(xué) .高等教育出版社， 2020 年第 3 版。 1993 山東海洋學(xué)院楊殿榮主編 .海洋學(xué) .高等教育出版社， 緒論部分復(fù)習(xí)思考題 ? 水圈概念及其特點(diǎn)； ? 水文現(xiàn)象的基本特點(diǎn)，水文學(xué)的研究方法； ? 了解水圈的重要作用。 水的物理性質(zhì) ? 水的物理性質(zhì)：指水的力、熱、電、光等性質(zhì)。 一、水的形態(tài)（三相）及其轉(zhuǎn)化 P7－ 9 地球上的水以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形式存在，在常溫條件下三相可以互相轉(zhuǎn)化。水分子的鍵角∠ HOH 為 104176。 O—H 鍵的鍵長(zhǎng)為 ，形成等腰三角形。這樣，電子就有在氧原子周圍相對(duì)集中的趨勢(shì)，形成較濃厚 的電子云，掩蓋了原子核的正電核。 ? 由于水分子具有極性，在自然界，水不完全是單水分子 H2O，而更多的情況下是水分子的聚合體。 ? 設(shè)想： CO2 的鍵角∠ OCO 為 180176。設(shè)想水分子的鍵角∠ HOH 為 180176。 0℃以下為固體， 0—100℃為液體， 100℃以上為氣體。 ? 隨著水溫的變化，三態(tài)水分子的聚合體也在不斷的變化。當(dāng)溫度高于 100℃呈氣態(tài)時(shí)，水主要由單水分子組成。水溫達(dá) 到 0℃結(jié)冰時(shí)，單水分子為零，而強(qiáng)力締合結(jié)構(gòu)的三水分子增多，因三水分子結(jié)構(gòu)特性，使液態(tài)水變成固態(tài)冰時(shí)，體積膨脹 10％，若冰變成液態(tài)水時(shí)，體積減小 10％。 水的三態(tài)轉(zhuǎn)化 ? 水從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)稱為蒸發(fā)（汽化），而從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)叫做凝結(jié)（液化）；從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)稱為結(jié)冰（凝固），而從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)叫做融解（融化）；從固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)稱為升華，而從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)叫做凝化。升華曲線 OC 是固、氣兩相的分界線；氣化曲線 OB 是液、氣兩相的分界線；融解曲線 OA 是固、液兩相的分界線； O 點(diǎn)為三相點(diǎn)，即當(dāng)溫度為℃，壓力為 （ ）時(shí)，冰、水和水汽三相共處于平衡狀態(tài)中。 ? Note水的三相圖 ? (1)三相點(diǎn)：在真空容器 中，純質(zhì)的液相、固相、氣相以平衡狀態(tài)同時(shí)存在的溫度與 12 壓力稱之。 ? (2)臨界點(diǎn)（ critical point）之溫度為臨界溫度，壓力為臨界壓力。如水之臨界溫度為374℃，若溫度高於 374℃，則不可能加壓使水蒸氣液化 ? ② 臨界壓力：在臨界溫度時(shí)，加壓力使氣體液化的最小壓力稱之。 ? (3) 水相圖與 CO2 相圖之比較 ? ① 水相圖之 OA 線段向左傾斜，此乃因冰熔化時(shí)體積縮小，故加壓使熔點(diǎn)降低；而 CO2(s)乾冰 熔化時(shí)體積脹大，故加壓可使熔點(diǎn)升高。 二、水的熱學(xué)性質(zhì) P9－ 10 ? 水變成水汽或冰融成水都要吸收熱量。這種吸收或放出的熱量稱為水的潛熱。 ? 水的熱容量（或比熱）、融解熱和蒸發(fā)熱都比其他物質(zhì)大。水分子結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)是具有極性和生成氫鍵的能力，使水分子相互間的作用力即內(nèi)聚力大增強(qiáng)。 ? 水的熱容量與潛熱特性，對(duì)整個(gè)地球上的熱量變化具有重要的調(diào)節(jié)作用，使冬季不致過冷，夏 季不致過熱。 ? 水溫是各個(gè)水體的重要物理性質(zhì)之一，水體的溫度取決于各個(gè)水體的熱量收支狀況，其中太陽輻射是地球上各種水體的主要熱源之一。 影響海水溫度的因素 ? 海水的溫度取決于海水的熱量收支狀況（如表 12 ）。 13 ? （ 1）海水熱量的收入 ? 有太陽輻射、大氣對(duì)海面的長(zhǎng)波輻射（大氣逆輻射）、海面水汽凝結(jié)釋放的熱量、暖于海水的降水和大陸徑流帶入的熱量，地球內(nèi)部通過海底傳導(dǎo)給海水的熱量、海洋中物理、化學(xué)、生物的反應(yīng)產(chǎn)生的熱量以及海水的對(duì)流、平流和混合運(yùn)動(dòng)所得的熱量等，其中太陽短波輻射和大氣長(zhǎng)波輻射最為重要 ，太陽輻射是海水熱量最主要的來源。 ? （ 2）海水的熱量支出 ? 有海面蒸發(fā)、海面長(zhǎng)波輻射、海洋傳給大氣 的亂流熱，海洋內(nèi)部的對(duì)流、平流和混合所失去的熱量等。對(duì)高緯海區(qū)，結(jié)冰和融冰對(duì)水溫也有一定影響。其分布特點(diǎn)： （ 1）世界大洋表層水溫最高值出現(xiàn)在熱赤道，由熱赤道向兩極遞減。 N－ 7176。 ? 海洋表層水溫的這一分布特點(diǎn)，主要受太陽輻射控制。由低緯向高緯，太陽高度角（入射角）降低，太陽總輻射減少，則水溫下降。這主要是洋流對(duì)局部海區(qū)水溫影響的結(jié)果。在寒暖流交匯處，等溫線特別密集，水溫的水平梯度大。原因是陸地集中于北半球，而南半球海洋遼闊，尤其在高 緯度海區(qū)三大洋幾乎連成一片成為廣闊的海洋。原因有三個(gè)：一是熱赤道北移，位于北緯 5176。；二是北半球暖流勢(shì)力強(qiáng)大，一直影響到高緯海區(qū)；三是南半球海洋開闊，與南極大陸相接，冷卻效果明顯。冬半年不僅太陽高度隨緯度增加而減小，而且白晝時(shí)間也隨緯度增加而縮短（極圈內(nèi)出現(xiàn)極夜現(xiàn)象），則南北輻射梯度大，所以水溫南北梯度也大；但是，夏半年 ，盡管太陽高度隨緯度增加而減小，而白晝時(shí)間卻隨緯度增加而增長(zhǎng)（極圈內(nèi)出現(xiàn)極晝現(xiàn)象），所以太陽輻射的南北梯度小，水溫的南北梯度比冬半年小。在南北緯 40176。表層暖水對(duì)流層的最上一層（約 0— 100 米）受氣候影響明顯，紊動(dòng)混合強(qiáng)烈，對(duì)流旺盛，水溫垂直分布均勻，垂直梯度極小，故稱為表層擾動(dòng)層。 ? 原因：太陽輻射是海水最主要的熱量來源。則從海面向海底，水溫呈不均勻遞減。 15 海水溫度的時(shí)間變化 ? 1）水溫的日變影響水溫日變的因素有：太陽輻射、季節(jié)變化、天氣狀況（風(fēng)、云）、潮汐和地理位置等。水溫的日變隨緯度的增加而減小。最高、最低水溫出現(xiàn)的時(shí)間各地不同，但最高水溫每天出現(xiàn)在 14— 16 時(shí)，最低水溫則出現(xiàn)在 4—6時(shí)。 ? 2）水溫的年變影響水溫年變的因素有：太陽輻射、洋流性質(zhì)、季風(fēng)和海陸位置。水溫年變深度，一般可達(dá) 100—150米，最大深度可達(dá) 500 米左右。廣義地，出現(xiàn)在海上的冰都稱為海冰。 1）海冰的主要物理性質(zhì) （ 1）淡水的冰點(diǎn) Ti 為 0℃ ，最大密度的溫度 TM 是 ℃ （約 4℃ ）；而海水的冰點(diǎn)和最大密度的溫度都不是固定值，都隨鹽度值的增加而線性下 降，但冰點(diǎn)溫度降低較和緩。 17 （ 2）海冰中含有少量鹽分 海冰呈蜂窩狀，由淡水冰晶和鹽室中的鹽汁構(gòu)成。當(dāng)成冰時(shí)間短、結(jié)冰速度快、原始海水鹽度高，則海冰中所含鹽分越多。 2）海水的結(jié)冰過程 ? 分兩種情形： ? （ 1）當(dāng)海水鹽度 S＜ 10－ 3 時(shí) ? 因海水的最大密度溫度高于冰點(diǎn)溫度，則結(jié)冰過程與淡水結(jié)冰過程相同。 ? 然而， 大洋表面鹽度均大于 103 ，其結(jié)冰過程 與淡水結(jié)冰迥然不同。 ? ①一方面，鹽度＞ 10－ 3 時(shí) ，海水的最大密度溫度 TM 低于冰點(diǎn)溫度 Ti，隨著海面溫度的不斷下降，表層海水密度總是不斷增大，必然導(dǎo)致表層海水下沉而形成對(duì)流。由于對(duì)流，下層海水熱量向上輸送，使海水的冷卻速率減慢，因此海水 18 結(jié)冰非常困難。 ? ②另一方面，海水結(jié)冰時(shí)，要不斷地析出鹽分，使表層海水鹽度 增加，密度增大，因而表層水繼續(xù)下沉，加強(qiáng)了海水的對(duì)流（助長(zhǎng)對(duì)流）；同時(shí)，鹽度值的增加，又使冰點(diǎn)溫度進(jìn)一步下降，所以結(jié)冰就更困難、更緩慢。 ? （ 2）要有結(jié)晶核存在 ? 如巖屑、礦物碎屑等。 ? 海冰主要分布在高緯海區(qū)。 N 附近。 （二）河流水溫與冰情 P14 河流的水溫 ? 河流水溫取決于河段熱量的收支狀況，若收入熱量大于支出熱量，則水溫升高；反之，則水溫下降。水溫的分布，大體與氣溫一致，體現(xiàn)著隨緯度增加和地勢(shì)增高而降低的地帶性規(guī)律，但水溫的變幅小于氣溫的變幅。 ? 此外，河流水溫還受補(bǔ)給水源、上游來水及冰情等的影響。 冰情：河水結(jié)冰要放熱，對(duì)水溫的降低起抑制作用；河冰解凍要吸熱，對(duì)水溫升高起抑制作用。 河流水溫的日變化與年變化 （ 1）日變規(guī)律 水溫的日變化與氣溫的日變化大體一致，早晚較低，午后升高，水溫最高值落后于氣溫 2－ 3 小時(shí)，日變幅常在 1－ 3℃左右，比氣溫日變幅小。 河水溫度的日變化與水量、季節(jié)、天氣和地理位置有關(guān)。 (2)水溫的年變規(guī)律 ? ①水溫年變趨勢(shì)大體與氣溫一致，但年變幅比氣溫小，河流年平均水溫比當(dāng)?shù)啬昶? 19 均氣溫略高。 ? ②中緯地區(qū)水溫年變幅比低緯和高緯都大（中緯地區(qū)水溫年變幅最大）。 ? ③水溫年變幅度隨海拔高度增高而減小 ? 地勢(shì)增高，氣溫年變幅變小，同時(shí)受結(jié)冰和融冰影響，水溫年變幅減小。 水溫的空間分布 （ 1）斷面分布 水溫的垂直分布具有成層性：清晨，表面水溫低，向下水溫升高（逆溫分布）；午后，表面 水溫高，向下水溫降低（正溫分布）。 （ 2）水溫的沿程變化 P156 水溫沿流程的變化，與河流長(zhǎng)度、流程所在的氣候條件、補(bǔ)給狀況及流向等因素有關(guān)。②補(bǔ)給狀況：高山冰雪融水補(bǔ)給河流，水溫沿程增加。一般來講，下游水溫低。若氣溫持續(xù)保持在 0℃以下，河流就會(huì)出現(xiàn)冰情。 ? （ 1）結(jié)冰期（結(jié)冰階段） ? 從河水開始結(jié)冰起，到最初形成穩(wěn)定冰蓋時(shí)為止，稱為結(jié)冰期。河岸水溫比河流中央降溫快，水流慢，則易結(jié)冰。③大塊冰層的形成：冰塊在流動(dòng)過程中相互碰撞而聚集起來，遇到狹窄河段、河灣或受沙洲、人工建筑物的阻擋，流動(dòng)的冰塊便停積在一起，使冰塊增大，冰面擴(kuò)展，直至最后形成穩(wěn)定冰蓋，進(jìn)入第二階段━━封凍期。 ? 自形成穩(wěn)定 冰蓋起，到冰蓋破裂開始再次出現(xiàn)流冰之日止，稱為封凍期。從穩(wěn)定冰蓋開始破裂到河冰全部消融為止，稱為解凍期。如黃河河套段和山東境內(nèi)，幾乎每年春季都發(fā) 生凌汛。到達(dá)湖庫水面的太陽輻射，一部分被吸收轉(zhuǎn)化為熱能，使水溫升高，另一部分則被反射回宇宙空間?？梢?，太陽輻射在水中分布十分不均勻，由表面向下迅速遞減。 ? （ 2）渦動(dòng)、對(duì)流、混合作用 ? 渦動(dòng)、對(duì)流、混合作用是湖泊深層水溫的主要影響因素。 ? 此外，湖庫形態(tài)、水面大小、湖岸曲折程度與島嶼多少、冰雪蓋層、風(fēng)力大小、蒸發(fā)強(qiáng)弱等因素也能影響湖溫。 ? 如果， C=1，ρ =1 時(shí)，上式可記為： ? 此式說明垂直梯度與熱流通量成正比，與紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)成反比。 ①正溫層：當(dāng)湖水溫度隨水深的增加而降低時(shí)，即水溫垂直梯度成負(fù)值時(shí)，將出現(xiàn)上層水溫高，下層水溫低，但最低水溫不低于 4℃，這種水溫的垂直分布，稱為正溫層。 ②逆溫層：當(dāng)湖溫隨水深的增加而升高時(shí)，即水溫垂直梯度成正值時(shí)，將出現(xiàn)上層水溫低，下層水溫高，但最高值不高于 4℃。 ③同溫層：當(dāng)湖溫上下層一致，即水溫垂直梯度等于零時(shí)，將出現(xiàn)上下層水溫完全相同，這種水溫的垂直分布，成同溫狀態(tài)。出現(xiàn)溫躍層的深度各湖不一，它決定于表層增溫程度、風(fēng)力大小、湖盆形態(tài)等。 ? 如俄羅斯拉多湖，在晚春季節(jié)，其北部深水區(qū)與南部湖濱淺水帶的表層水溫差可達(dá)15℃以上。 22 ? （ 1）日變 ? 水溫的日變以表層最明顯，隨深度的增加日變幅逐漸減小，最高水溫一般出現(xiàn)在每天的 14— 18 時(shí)，最低水溫出現(xiàn)在 5—8 時(shí)，水溫日變幅在陰天和晴天之間的差別也較大 ，水溫日較差小于氣溫日變幅。 ? （ 2）年變 ? ①湖面水溫的年變，除結(jié)冰期外，水溫變化與當(dāng)?shù)貧鉁啬曜兿嗨?，但最高、最低水溫出現(xiàn)的時(shí)間要遲半個(gè)月到一個(gè)月左右。 ? ②湖溫年較差比氣溫年較差小，大湖較小湖小。高山、高原區(qū)湖泊水溫年變幅最小。 （四）地下水的水溫 P16 地下水溫的垂直分布 ? 地下水溫度的差異主要取決于地下水埋藏的地溫條件。 ? 按地溫