水循环及其要素分析

1、水文与水资源学Hydrology and Water Resources任课教师：吕国安华中农业大学 资源与环境学院2014年2.1 水循环及水量平衡2.2 河流和流域2.3 降水及其特征2.4 蒸发与蒸散发2.5 下渗2.6 径流第2章 水循环及其要素2.1 水循环及水量平衡2.1.1 自然界的水循环2.1.2 水量平衡2.1.1.1 地球上水的分布水圈：各种水体共同组成了一个连续而不规则的围绕地球表层的水壳，称为水圈。空间：大气对流层顶部深层地下水。包括：海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等。形态：气态、液态、固态2.1.1 自然界的水循环地球上的水量Total：13.86108km3能

2、被人类直接利用的淡水资源仅占0.796%。类型及淡水排序总量（km3）比例 （%）总量淡水咸水大气水1.291041.291040.0009生物水1.121031.121030.0001河水2.121032.121030.0002湖水1.761059.11048.541040.0127沼泽水1.151041.151040.0007冰雪水2.411072.411071.7338土壤水1.651041.651040.012地下水2.341071.051071.291071.6834海水1.341091.3410996.4029总水量1.391093.501071.35109表2-1 全球水储量表世

3、界淡水分布比例图南极洲拥有600万立方英里的冰5万年（密西西比河）830年（地球上所有河流）76米（海平面上升）2.1.1.2 水分循环及其模式2.1.1.2 水分循环及其模式降水蒸发散径流水循环的基本环节(过程、阶段)水汽输送蒸发散、水汽输送、降水、径流定义：地球表面的水体在太阳辐射的作用下被蒸发上升至空中，被气流带动输送到各地，水汽在上升和输送过程中，遇冷凝结以降水的形式回到地面或水体上，再以径流的形式汇入海洋。水分这样往复不断地转移交替的现象叫作水分循环，简称水循环（water cycle或hydrologic cycle ）。2.1.1.2 水分循环及其模式水循环不仅是物质的循环，也是

4、能量的循环。水分循环的原因（1）外因(动力条件)：太阳辐射、地心引力（重力）（2）内因（水的物理性质）：水的三态变化根据水循环的过程，分为：1、大循环海陆间的水分循环过程称为水分的大循环（或外循环）。2.1.1.3 水分循环的类型2、小循环 海洋与大气之间或陆地与大气之间局部地区的水分循环过程称为水分的小循环（或内循环） 。2.1.1.4 水循环周期T周期（单位-年、月、日、时）W水体的储量（体积单位） 单位时间参与水循环的量（体积/时间）是研究水资源的非常重要的一个参数。如果一个水体的循环周期短、更新速度快，其水资源的利用率就高。各种水体循环交替的周期决定淡水补充量、水体自净能力！更新周期较

5、快的大气水和河流水成为人们主要的淡水来源。2.1.1.4 水循环周期2.1.1.5 影响水循环的因素气候因素：湿度、温度、风速、风向等/（最主要因素）下垫面因素 ：地理位置、地表状况、地形等 /影响蒸发、径流人为因素：调节径流、加大蒸发、增加降水等 /通过改变下垫面性质、形状来影响水分循环人类活动对水循环的影响水资源利用（工业、农业、生活、娱乐用）修筑水库（长江三峡）跨流域调水（南水北调）围湖造田（围湖造房）填海造陆不合理砍伐森林（水土流失）污染物排放.温室气体排放（温室效应的影响）2.1.1.6 水循环的作用和意义形成、更新提供淡水资源（可再生）直接影响气候和生态形成各种水体和地貌形成各种水

6、文现象（干旱洪涝等）实现物质迁移和转化促进能量流动和交换本节思考题人类活动是怎样对水循环产生影响的？结合自己的专业回答：2.1.2 水量平衡(water balance )主要内容： 水量平衡？ 可解决什么问题？ 水量平衡方程？ 如何构建水量平衡方程？定义：根据质量守恒定律，在水分循环过程中，对于任一区域在任一时段内收入的水量和支出的水量之间的差额，必等于该时段内该区域内蓄水量的变化量。水量平衡即水量收支平衡。2.1.2.1 水量平衡原理可解决的问题2.1.2.1 水量平衡原理推求水量平衡的未知要素 了解和预测水体水情变化的影响源及影响程度判别观测站点的分布和测量中的系统误差定量分析人类活动引

7、起的水循环及水资源变化为水资源合理利用、时空控制与调配提供基础2.1.2.2 水量平衡方程（Water Balance Equation)I A = W式中,I -研究时段内输入区域的水量A -研究时段内输出区域的水量W -研究时段内区域储水量的变化，可正可负水量平衡原理的定量表达式：列水量平衡方程需要注意：（空间、时间和数量）对象：全球、海洋、陆地、流域、森林、草原、农田、湖泊、水库、任一地块等。时段：长、短数量：自然：降水、蒸发、径流人为：调出或调入（开采、回注、灌溉、排水)单位：各要素的单位：常用平均水深, mm（1）大气系统P和E分别为降水量和蒸发量； Ain和Aout分别为大气层中除

8、降水与蒸发以外的其他收入水量和支出水量；A为大气系统中的蓄水变化量。PE Ain Aout A（2）土壤系统式中:P为降雨入渗量；Cm为土壤中的凝结水；Sin为由地下水和壤中流形式进入土壤层的水；Sout为由土壤层向下渗入地下水和通过壤中流形式流出土壤层的水；E为土壤层蒸发量；W为土壤层中的蓄水量变化。PCm Sin Sout E W（3）地下水系统式中， 为地下水的降水人渗补给系数；EG 为地下水上升经土壤到地面后的蒸发量；GIN 为地下流入系统的水量；GOUT 为地下流出系统的水量；G 为地下的蓄水量变化。P EG GIN GOUT G流域的定义：河流某断面以上，汇集地表水和地下水的区域（

9、分别称作地面集水区和地下集水区）统称为河流在该断面以上的流域。 流域亦即分水岭（山岭、高原、平原或湖泊）包围的集水区域。（4）流域水量平衡方程（4）流域水量平衡方程(P E1R地表R地下)(E2 r地表 r地下 q)W式中：P -该区的降水量 E1该区水汽的凝结量R 地表 -流入该区的地表径流量 R 地下 -流入该区的地下径流量W该区蓄水量的变化收入支出变化一般流域水量平衡方程：E2 -蒸发量和林木的蒸散量r地表-从该区流出的地表径流量r地下- 从该区流出的地下径流量 q-该区内工农业及生活用水量 （4）流域水量平衡方程P R地表 R地下 E r地表 r地下 q+ W令E=E2-E1为时段内的

10、净蒸发量，则流域通用水量平衡方程非闭合流域/闭合流域： 非闭合流域： 地面分水线与地下分水线在位置上不完全重合，即地面和地下集水区不相重合。 闭合流域： 流域的地面水和地下水分水线在位置上重合，即地面和地下集水区相重合。Subsurface CapturePEr地表WqR地下r地下地面分水线地下分水线净蒸发量降雨量从地下流出的水量从地面流出的水量从地下流入的水量工农业及生活净用水量非闭合流域的水量平衡P R地下 E r地表 r地下 q+ W P R地下 E R+ W无工农业及生活用水时闭合流域的水量平衡PEW地面分水线地下分水线净蒸发量降雨量从地面流出的水量P = E + R+Wr地表闭合流域

11、多年平均的水量平衡方程短时或瞬时： P = E + R+W两边同时除以多年平均降雨量，得：多年平均：多年平均蒸发系数和径流系数多年平均径流系数多年平均蒸发散系数474225699246000雅鲁藏布江8207271547452616珠 江53152910601807199长 江234633867261504淮 河86382468752443黄 河145380525549665松花江(mm)(mm)(mm) (km2)径流蒸发降水流域面积河 名我国主要江河的水量平衡要素比较松花江和珠江的气候地理特性？输入:陆地上空的降水P输出:陆地流出的径流R陆面蒸发散EPERP陆 R陆 E陆 W陆地（5）全球陆地水量平衡方程陆地水量平衡方程:变化量:陆地蓄水量变化量W（6）全球海洋水量平衡方程PEP海 R陆E海 W海洋输入:海洋上空的降水P来自大陆的径流R输出:海洋蒸发E变化量：海洋蓄水量变化量W海洋水量平衡方程:R (7) 全球水量平衡陆地的水量平衡方程海洋的水量平衡方程全球的水量平衡方程全球多年平均的水量平衡? (7) 全球水量平衡全球多年平均水量平