ch水文循环与水量平衡

水文学基础111第1章水文循环与水量平衡1.地球上水的分布2.水文循环3.地球上的水量平衡水文学基础§1地球上水的分布地球上的水，水平分布面积很广，垂直分布存在于大气圈、岩石圈、生物圈之中，其水量非常丰富，约为13.86亿km3，所以地球有“水的行星”之称。地球水陆地水海洋水大气水生物水地表水地下水湖泊水沼泽水河流水冰川和永久积雪水土壤水空隙水永久冻土层的地下水§1地球上水的分布地球总面积5.1亿km2中，海洋面积占了3.613亿km2，约占地球总面积的70.8％。海洋的总水量为13.38亿km3，占地球总水量的96.5％，折合成水深可达3700m，如果平铺在地球表面，平均水深可达2640m。除海洋外，还有湖泊、河流、沼泽、冰川等。地表约四分之三被水所覆盖。地表之上大气中的水汽来自地球表面各种水体的水面蒸发、土壤蒸发及植物散发，并借助空气的垂直交换向上输送。空气中的水汽含量随高度增大而减少，大气水在7km以内总量约12900km3，折合成水深约25mm，仅占地球总水量的0.001％。虽然数量不多，但活动能力却很强，是云、雨、雪、雹、霰、雷、闪电的根源。§1地球上水的分布地表之下储存于地壳约10km范围含水层中的重力水，称为地下水。根据苏联学者1974年的研究成果，从地面至深达2km的地壳内，地下水总储量为2340万km3。土壤水是指储存于地表最上部约2m厚土层内的水。调查发现，土层的平均湿度为10％，相当于含水深度为0.2m，以陆地上土层覆盖总面积8200万km2计算，那么土壤水的储量为16500km3。地球表面生物体内的贮水量约为1120km3。§1地球上水的分布§2水文循环自然界中的水在水圈、大气圈、岩石圈、生物圈四大圈层之间不断地蒸发、输送、凝结、降落的往返运动过程构成了水文循环。一、水文循环的概念整个地球上或某一区域内的水体，在太阳辐射和重力的作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、水分入渗、地表径流及地下径流等过程不断循环、转移交替的现象称为水文循环或水循环。水文循环服从质量守恒定律，是物质与能量的传输、储存和转化的过程。§2水文循环每年海水总蒸发量为50.5万km3二、水文循环的成因1、内因——水的“三态”变化：在常温下，水可以在气态、液态、固态之间自由转换，这使得水分循环过程中水的转移、交换成为可能。2、外因——太阳辐射和地球引力：太阳辐射的热力作用为水的“三态”变化提供了外部条件；太阳辐射在全球分布的不均匀性以及海陆热力性质的差异，造成大气环流、大气的流动，为水汽的移动创造了条件；地球引力形成重力，促使水从高处流向低处，最终实现了水文循环。§2水文循环三、水文循环的特征§2水文循环水文循环服从质量守恒定律，全球总水量保持平衡。太阳辐射与重力作用，是水循环的基本动力；外部环境则制约了水循环的路径、规模与强度。水文循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈。全球水文循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统。地球上的水份在交替循环过程中，总是溶解并携带某些物质一起运动，诸如溶于水中的各种化学元素、气体以及泥沙等固体杂质等。四、水文循环过程

水文循环过程包括3个阶段：蒸发、降水、径流；5个环节：水分蒸发、水汽输送、凝结降落、水分下渗、径流。

水分通过3个阶段5个环节的循环过程，使得大气与地表、地表与地下、海洋与陆地之间的水分相互转换、输送，使水圈内的水实现了循环、变换，形成了一个统一的整体。§2水文循环五、水文循环的类型根据水文循环的路径和规模的不同，可以将水文循环分为两大类：◆大循环：大区域（领域）内的循环，也称外循环。通常就是指海陆之间的水分交换过程，因此也称为海陆间循环。◆小循环：小区域（领域）内的循环，也称内循环。一般指在局部地区（海洋或陆地）内完成的循环过程就是小循环，又可分为海洋小循环和陆地小循环两种类型。水分循环对于地球水分和热量的再分配意义重大，犹如自然地理环境的“血液循环”。§2水文循环外流区小循环：具有多余的水量，以地表和地下径流方式输向海洋。内流区小循环：多年平均降水量等于蒸发量，自成一个独立的水循环系统。陆地小循环还可以细分为：蒸发云云云降水水汽输送降水降水地表径流入渗地下径流蒸发植物蒸腾海洋蒸发水汽输送凝结降水地表径流地下径流江河汇聚入渗蒸发小循环小循环大循环六、全球水文循环的层次结构§2水文循环全球水循环是由海洋、陆地以及海洋与陆地之间的各种不同尺度，不同等级的水循环组合而成的动态大系统。这些水循环子系统紧密联系、相互影响，又相对独立。所以对这个全球性的动态大系统，根据海陆分布、各子系统的尺度、规模不同，以及相互之间上下隶属关系，可以建立层次结构型的水循环分子等级系统。§2水文循环陆地水循环系统结构比海洋水循环系统要复杂，而且在四级以下还可进一步区分，例如长江流域为四级水循环系统，汉江作为长江的一级支流，就属于五级水循环系统，而丹江是汉江的支流，是长江的二级支流，因而属于六级水循环系统。七、水体的更新速度水体的更新（更替）周期，是指水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新一次所需的时间。通常可用下式作近似计算：T为更替周期(年或日、时)，W为水体总贮水量(m3)，为水体年平均参与水循环的活动量(m3/年)。§2水文循环以世界大洋为例，总储水量为13.38×1017m3，每年海水总蒸发量为50.5×1013m3，以此计算，海水全部更新一次约需2650年；如果以入海径流量4.7×1013m3为准，则更新一次需要28468年。水体的更替周期是反映水循环强度的重要指标，亦是反映水体水资源可利用率的基本参数。水体的储水量并非全部都能利用，只有其中积极参与水循环的那部分水量，才能算做可资利用的水资源量。如，各种淡水更新周期存在着较大的差异，大气中的水只需8天时间就更新一次，是可更新资源；永久积雪需要9700年，地下水更新一次需要1400年，时间较长，对于这种近似于不可更新的水资源而言，在开发利用时，必须慎而又慎。§2水文循环注意区分两组概念：静态水资源：循环周期长，更新缓慢，一旦污染，短期内不易恢复的水资源。如冰川、内陆湖泊、深层地下水。动态水资源：循环快、更新快，交替周期短，利用后短期即可恢复。如大气水、河流水、浅层地下水。可再生资源：更新速度大于或等于被开发利用速度的那些资源。如：水资源、森林资源。不可再生资源：不能循环再生，或需要漫长的地质时期才能再生。如：石油、煤、天然气。§2水文循环八、影响水文循环的因素◆气象因素——温度、湿度、风向风速；是主要因素，起主导作用。◆自然地理条件——地形、地质、土壤、植被；通过蒸发和径流影响水循环。◆人类活动——通过改变下垫面来影响水循环。◆地理位置——所处海陆位置、海拔高度等不同，对水分循环影响不同。§2水文循环九、水文循环的意义（作用）水循环作为地球上最基本的物质大循环和最活跃的自然现象，它深刻地影响着全球地理环境，影响生态平衡，影响水资源的开发利用。对自然界的水文过程来说，水循环是千变万化的水文现象的根源。1、将地球四大圈层耦合在一起地球系统由大气圈、岩石圈，生物圈和水圈组合而成。在这一有序的庞大层次结构中，水圈居于主导地位，正是水圈中的水，通过周而复始、生生不息的循环运动，积极参与了圈层之间界面活动，并且深入四大圈层内部，将它们耦合在一起。§2水文循环水循环上达15km的高空，成为大气圈的有机组成部分，担当了大气循环过程的主角；下触地表以下1～3km深处，积极参与岩石圈中化学元素的迁移过程，成为地质大循环的主要动力因素；同时水作为生命活动的源泉、生物有机体的组成部分，它全面地参与了生物大循环，成为沟通无机界和有机界联系的纽带，并将四大圈层串联在一起，组合成相互影响、相互制约的统一整体。从这一意义上说，水循环深刻地影响了地球表层结构的形成、演变与发展。§2水文循环水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者。水循环通过对地表太阳辐射能的重新再分配，使不同纬度热量收支不平衡矛盾得到解决。水循环的强弱及其路径，还会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征。象雨、雪、霜、霰以及台风暴雨等天气现象，本身就是水循环的产物，没有水循环，也就不存在这类天气现象。2、影响全球气候状况水循环一方面受到全球气候变化，尤其是大气环流活动的影响；另一方面它又深入大气系统内部，极其深刻地制约了全球气候。§2水文循环3、江河、湖泊、沼泽等水体及相关的各种地貌形态－－改变地表形态地壳构造运动奠定了全球海陆分布，以及陆地上高山、深谷、盆地、平原等地表形态的基本轮廓。水循环过程中的流水以其持续不断的冲刷、侵蚀、搬运与堆积作用，以及水的溶蚀作用，在地质构造的基底上重新塑造了全球的地貌形态，4、影响生态平衡水循环的强度及其时空变化，制约了一个地区生态环境平衡；是影响地区内生物有机体活动旺盛、繁茂、凋萎、贫泛的主要因子。对于同一地区，水循环强度的时空变化会造成本区洪涝旱等自然灾害：循环强度过大，可能引发洪水与涝渍灾害；循环过弱，可能产生水资源不足，形成旱灾。§2水文循环5、形成巨大的水资源水是人类赖以生存、发展的宝贵资源，是廉价、清洁的能源，是农业的命脉、工业的血液和运输的大动脉，它与其它自然资源相比较主要不同点是水资源具有再生性和可以永继利用的特点，这正是水循环所赋予的。但水资源的再生性和可以永继利用不能简单的理解为“取之不尽，用之不竭”。因为水资源永继利用是以水资源开发利用后能获得补充、更新为条件的。更新速度和补给量受到水循环的强度、循环周期的长短的制约，一旦水资源开发强度超过地区水循环更新速度或者遭受严重的污染，那么就会面临水资源不足，甚至枯竭的严重局面。所以对于特定地区而言，可开发利用的水资源量是有限的，必须重视水资源的合理利用与保护！§3地球上的水量平衡一、水量平衡概念所谓水量平衡，是指任意选择的区域（或水体），在任意时段内（如一年），其收入的水量与支出的水量之间差额必等于该时段该区域（或水体）内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说收支平衡。WIWo给定时段进入系统的水量；给定时段从系统流出的水量；给定时段内系统蓄水量。(1)从本质上说，水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现，也是地球上水循环能够持续不断进行下去的基本前提。一旦水量平衡失控，水循环中某一环节就要发生断裂，整个水循环亦将不复存在。反之，如果自然界根本不存在水循环现象，亦就无所谓平衡了。因而两者密不可分。水循环是地球上客观存在的自然现象，水量平衡是水循环内在的规律。§3地球上的水量平衡二、通用水量平衡方程在陆地上任意地区建立一个垂直柱体，以地表为柱体的上界，以地面下某深度处的平面为下界（以界面上不发生水分交换的深度为准）。§3地球上的水量平衡根据水量平衡基本原则，可列出如下方程式：为该时段内工农业及生活净用水量为给定时段内降水量、分别为该时段内水汽凝结量和蒸发量、分别为该时段内地表流入与流出的水量、分别为该时段内从地下流入与流出的水量、分别为该时段始末蓄水量令为净蒸发量；为蓄水变量，则(2)式可改写为：(2)§3地球上的水量平衡(3)此式即为通用水量平衡方程式。其简繁程度与所研究的对象以及时段长短有关。例如，对于多年平均来说，，可忽略不计；但对于短时段水量变化而言，蓄水变化量往往不可忽略。三、全球水量平衡方程全球水量平衡由海洋和陆地水量平衡联合组成。1、海洋水量平衡方程对于海洋，任意时段内的水量平衡方程为：(4)海洋上任意给定时段降水量§3地球上的水量平衡海洋上该时段蒸发量海洋上该时段入海径流量该时段内海洋蓄水变化量多年平均状态下，所以(4)式可以改写为：分别为海洋上多年平均的降水量、入海径流量与蒸发量。也就是说，在多年平均状态下，整个海洋的降水量与入海径流量之和与海面海水蒸发量处于动态平衡状态。(5)§3地球上的水量平衡但对各大洋来说，降水量与入海径流量之和并非等于蒸发量。例如，北冰洋海区由于气候寒冷，蒸发量小，全年汇入北冰洋的径流量是蒸发量的1.6倍，再加上洋面降水，北冰洋每年剩余0.73×1013m3水量。据统计太平洋每年剩余0.53×1013m3的水量；而印度洋和大西洋则分别亏损0.15×1013m3和1.1×1013m3的水量。这说明各大洋之间存在着水量交换。§3地球上的水量平衡2、陆地水量平衡方程外流区水量平衡方程对于外流区来说，任意时段的水量平衡方程为：(6)分别为外流区任意时段内降水量、蒸发量、入海的地表及地下径流量以及蓄水变量令为外流区多年平均径流量，且对于多年平均而言，，则：分别为外流区多年平均的降水量、蒸发量及径流量。(7)内流区水循环系统基本上呈闭合状态，除上空存在与外界水汽发生交换外，内流区的降水最终全部转化为蒸发，没有水流入海。§3地球上的水量平衡内流区水量平衡方程分别为内流区多年平均的降水量与蒸发量因此在多年平均情况下的水量平衡方程，具有最简洁的形式：