水文生态学概论 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

人类社会已发展到生态文明阶段，水是生态之基，任何水文系统必然产生或影响着相应的生态系统，而任何生态系统必然包含着或受制于一定的水文系统。水文与生态是不可分割的统一系统。深化对水文生态的研究，是人类社会和科学技术发展的必然。《水文生态学概论》是“111”项目——“干旱半干旱地区水文生态及水安全学科创新引智基地”项目的研究成果。《水文生态学概论》包括五篇，共16章。**篇讲述了水的主要生态功能；第二篇讲述了自然水文生态系统专论；第三篇讲述了人工水文生态系统专论；第四篇讲述了地下水水文生态系统及实例；第五篇讲述了水文生态系统的评价与保护。

目录

前言

Preface

**篇 水的主要生态功能

第1章 水的物理生态功能 3

1.1 水的物理性质 3

1.2 水的物理性质及生态功能 10

1.3 几种流水的侵蚀及生态功能 12

思考题 17

参考文献 17

第2章 水的化学生态功能 18

2.1 溶解生态功能 18

2.2 沉淀与结晶生态功能 21

2.3 离解生态功能 24

2.4 吸附与交换生态功能 26

2.5 氧化还原生态功能 27

思考题 30

参考文献 30

第3章 水的生物学生态功能 31

3.1 水的生物学功能 31

3.2 水的生态学功能 35

3.3 水质的生物学生态效应 44

思考题 46

参考文献 46

第4章 水的景观生态功能 48

4.1 水体的美学生态功能 48

4.2 水的景观要素及分类 51

思考题 54

参考文献 54

第5章 水文生态涉及的有关规律和原理 55

5.1 涉水的有关规律和原理 55

5.2 水文生态学涉及的生态学规律 59

思考题 61

参考文献 61

第二篇 自然水文生态系统专论

第6章 河流水文生态系统 65

6.1 河流水文生态的基本概念 65

6.2 河流的水文生态功能 69

6.3 河流的水文生态系统的特点及影响因素 80

6.4 河流的水文生态响应 82

思考题 85

参考文献 85

第7章 湖泊水文生态系统 86

7.1 湖泊概述 86

7.2 湖泊水文生态系统及其影响因素 87

7.3 典型地区湖泊的水文生态 95

思考题 101

参考文献 101

第8章 绿洲水文生态系统 103

8.1 绿洲的定义、分类和主要的水文生态因子 103

8.2 人类活动对绿洲水文生态系统的影响 106

思考题 111

参考文献 111

第三篇 人工水文生态系统专论

第9章 灌区水文生态系统 115

9.1 灌区概述 115

9.2 灌区的水文生态系统组成 116

9.3 农事活动对灌区水文生态系统的影响 124

思考题 126

参考文献 126

第10章 水库水文生态系统 128

10.1 概述 128

10.2 水库的水文生态系统及功能 130

10.3 水库的水文生态问题及其对策 132

思考题 139

参考文献 139

第11章 梯田水文生态系统 140

11.1 梯田的水文生态功能 140

11.2 梯田的种类 142

11.3 梯田水文生态系统配套工程 145

思考题 149

参考文献 150

第12章 城市水文生态系统 151

12.1 概述 151

12.2 城市水文生态系统的组成和特点 153

12.3 城市水文生态问题出现的主要原因及其表现形式 155

12.4 城市水文生态研究的典型案例及发展方向 160

思考题 165

参考文献 165

第四篇 地下水水文生态系统及实例

第13章 地下水水文生态系统基础 169

13.1 含水岩土的主要物理特性及岩土中水的种类 169

13.2 地下水水文生态系统动力学基础 174

13.3 地下水渗流的维数判别、稳定流及非稳定流 177

13.4 地下水渗流的基本方程及其求解 181

13.5 地下水计算的起始条件和边界条件 185

13.6 地下水向沟渠渗流的一维非稳定运动及其求解 190

思考题 196

参考文献 197

第14章 各类地质环境造成的地下水水文生态系统 198

14.1 基岩山区地下水水文生态系统 198

14.2 山间河谷区的地下水水文生态系统 202

14.3 山前倾斜平原区的地下水水文生态系统 203

14.4 冲积平原区的地下水水文生态系统 206

14.5 滨海平原区的地下水水文生态系统 208

14.6 黄土区的地下水水文生态系统 210

思考题 213

参考文献 213

第五篇 水文生态系统的评价与保护

第15章 水文生态评价 217

15.1 国内外水文生态评价研究现状 217

15.2 常用水文生态评价方法 219

思考题 229

参考文献 230

第16章 水文生态保护 231

16.1 我国的水文生态形势与水文生态保护的基本国策 231

16.2 国外水文生态保护简介 233

16.3 防旱抗旱在确保水安全中的作用 235

16.4 河、湖、库的水文生态保护及对策 240

16.5 地下水的水文生态保护 245

16.6 生态水文工程的建设和水文生态的保护 246

16.7 地质灾害与洪涝灾害的防治 248

思考题 251

参考文献 252

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第1章 水的物理生态功能

　　水是地球上生物赖以生存的、不可缺少的*重要的物质资源之一。“水是生命之源、生产之要、生态之基”，水维系着生态环境系统的形成、运行演化与发展。由此可见，在水文生态系统中，水所具有的物理生态功能对生物的形成、发育、演替发挥着重要的作用。本节将从水的物理特性方面阐述其生态功能。

　　1.1 水的物理性质

　　水的物理性质主要包括：密度、热理性质、表面张力、黏度、流动性、介电效应和某些光学性质。其中水的高介电常数、表面张力、内聚力和毛细作用、水蒸发及过饱和现象等，在植物生命过程中都发挥着重要的作用。在野外实际调查中，还应观测水的颜色、温度、透明度、气味、味道等。

　　1.1.1 水分子的结构决定着水的物理性质

　　水分子的直径为4nm（4×10-10m），质量为2.99×10-26kg，体积为3×10-29m3。水是氧的氢化物。水分子是由两个氢原子分别和一个氧原子键合而成的［图1-1（a）］。水分子的三个原子形成104.5° 角［图1-1（b）］，使水成为偶极体。因此，水具有极强的溶解能力，常被称为“通用溶剂”。水分子的氢键具有两种类型，即存在于水分子内部的氢原子与氧原子间的极性共价键（通过分享一对电子形成）和存在于相邻分子间的氢键。氢键相当于连接相邻水分子间两个氧原子的桥梁，使水分子间较牢固地连接起来［图1-1（c）］。

　　图1-1 水分子结构图

　　氢键表现出高度的韧性，氢键的存在，使水分子间作用力大大增强，可阻止水分子转化为蒸汽逃逸。在氢键的连接下，水分子以巨型分子形式（H2O）n 存在，称为“水分子团”［图1-1（c）和图1-1（d）］。

　　水分子这种不引起水的化学性质变化，而由单分子结合组成较复杂的多分子的现象，称为水分子的缔合作用。水分子缔合一般可用下列平衡式表达：

　　式中，Q 表示热量。当温度升高时，平衡向左移动（吸热），缔合程度减弱；当水达到沸点时，只有少数缔合分子；当温度降低时，平衡向右移动（放热），缔合程度增强；当温度为4℃时，缔合程度**，此时水的密度**，体积*小。

　　自然界中的水只有以气态存在时才呈现为单分子水，而以液态、固态存在时均以巨型分子形式（H2O）n 存在，n 一般为12 ～860，主要取决于温度变化。在温度为250 ～300℃时，n 值接近于1，即水的分子式具有H2O 形式。冰的晶格中每个水分子均与周围四个水分子相连接，构成较规则的四面体，而无数四面体相互连接，便形成了一个网层状的庞大冰体，冰的密度较小。

　　从水分子的分子结构看，一个水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。氢原子只有一个电子层，一个电子绕转；氧原子有两个电子层，内层两个电子绕转，外层六个电子绕转。其中两个氢原子填补了氧原子外层电子不足（*外层应为八个）的两个空位使其稳定（图1-2）。

　　应当指出，在水分子这种结构中，一对电子的共享程度并不均衡。氧原子比氢原子更需要电子（这种特性称为负电性）。换言之，在氢原子和氧原子键合的过程中，共价电子主要在带负电的氧原子周围运动。因此，共价键氧的一侧带负电（-），氢的一侧带正电（ ）。所以说，水分子是极性分子。极性使水分子之间存在氢键。由于水分子为非线性，呈角分布，不同水分子差异很大。

　　图1-2 水分子形成示意图

　　水突出的特点是具有独特的热物理性质、较小的黏度和较大的流动性、高介电效应及较大的表面张力。

　　1.1.2 水的热物理性质

　　1. 水的独特热物理性质

　　由于氢键的存在，水分子与同族分子相比，具有某些独特的物理化学性质。在物理性质方面，水有较高的熔点和沸点；水的体积改变不完全遵循热胀冷缩的普遍规律，冰轻于水。水具有如下的独特热物理性质。

　　（1）水的生成热很高。生成热指在一定温度和压力下，由*稳定的单质生成1mol 物质的热效应。水的生成热为-285kJ/mol，故水的热稳定性很高，在2000℃的高温下其离解不及百分之一，约为0.588%。

　　（2）水的热导、比热、熔化热、汽化热，几乎比所有其他液体都高。

　　（3）水的沸点为100℃，加之气压限制，在达到沸点以前总体处于液态阶段。水在自然条件下呈现液态，保证了动物的饮用、水生物的生存和生命的进化等。水凭借比热大和沸点高的特点，能够有效调节温度的剧烈变化。

　　热导：是单位时间、单位面积、一定温度梯度下水传导的热量。水的热导较大。其中冰与其他非金属固体相比，热导属中等程度。0℃时冰的热导值约为同一温度下水的4 倍，这说明冰的热传导速度比非流动的水（如生物组织中的水）快得多。

　　比热：把单位质量的水温度升高1℃所吸收的热量称为水的比热容，简称比热。水的比热为4200J/（kg ℃）。熔化热：单位质量的冰在熔点（0℃）时完全熔解成同温度的水所需要的热量称为冰的熔化热。汽化热：在标准大气压（101.325kPa）及一定温度下，单位质量的水完全变成同温度气态水（水蒸气）所需要的热量称为水的汽化热。

　　（4）水的比热很大，吸热和放热过程缓慢，因此水体温度不像大气温度那样变化剧烈。

　　2. 影响水的热物理性质的因素

　　（1）地面水的温度是随日照的强度、持续时间与气温的变化而改变的。

　　（2）地下水的温度和地温有密切的关系。

　　（3）热电厂等的冷却水若直接排入江、河、湖泊和其他水体，将会引起该水体水温升高，是热污染的主要来源。

　　（4）气压升高，水的沸点就高，气压降低，水的沸点也就低，例如，高山上的气压低，水的沸点也低，通常不到100℃就沸腾了。水中含有杂质时，其沸点也会升高。

　　1.1.3 水的密度

　　1. 水的密度与水分子的缔合作用有关

　　水分子结构是由相邻水分子间的氢键连接，由单分子水结合成多分子水，而且水的化学性质未改变，这种现象称为水分子的缔合作用。

　　水的缔合随温度的升高而减弱，当温度为4℃时，缔合程度**，水的密度也**。自然界中的水只有以气态形式存在时才呈单分子状态，而以液态形式及固态形式存在时均呈多分子状态。（H2O）n 中的n 主要取决于温度，一般认为在标准大气压和20℃时，n 的平均值为40 左右，只有水温接近200 ～300℃时，n 值才接近1，即具有单分子水的形式。

　　水的密度在4℃（严格讲为3.98℃）时，达到**（999.97kg/m3），高于或低于此温度时，体积增大，密度减小。0℃时，液态水的密度为999.84kg/m3；而此时，固态水（冰）密度降为916.8kg/m3。

　　2. 影响水密度的因素

　　（1）内因：水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。

　　（2）外因：温度的变化会使水的密度发生变化。当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。通过实验测出ρ-t 曲线，即水的密度随温度变化的曲线，便可看出水的密度随温度的变化规律。

　　（3）一般情况下，水是不可压缩的，但在高压作用下水的密度会发生变化。

　　1.1.4 水的表面张力

　　液体自由表面的分子，会受到液体内部分子对它们的吸引力，这就是表面张

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