水循環(huán)及其要素分析

1、水文與水資源學(xué)Hydrology and Water Resources任課教師：呂國(guó)安華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院2014年2.1 水循環(huán)及水量平衡2.2 河流和流域2.3 降水及其特征2.4 蒸發(fā)與蒸散發(fā)2.5 下滲2.6 徑流第2章 水循環(huán)及其要素2.1 水循環(huán)及水量平衡2.1.1 自然界的水循環(huán)2.1.2 水量平衡2.1.1.1 地球上水的分布水圈：各種水體共同組成了一個(gè)連續(xù)而不規(guī)則的圍繞地球表層的水殼，稱為水圈?？臻g：大氣對(duì)流層頂部深層地下水。包括：海洋、江河、湖泊、沼澤、冰川和地下水等。形態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)2.1.1 自然界的水循環(huán)地球上的水量Total：13.86108km3能

2、被人類直接利用的淡水資源僅占0.796%。類型及淡水排序總量（km3）比例 （%）總量淡水咸水大氣水1.291041.291040.0009生物水1.121031.121030.0001河水2.121032.121030.0002湖水1.761059.11048.541040.0127沼澤水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總水量1.391093.501071.35109表2-1 全球水儲(chǔ)量表世

3、界淡水分布比例圖南極洲擁有600萬(wàn)立方英里的冰5萬(wàn)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 水分循環(huán)及其模式2.1.1.2 水分循環(huán)及其模式降水蒸發(fā)散徑流水循環(huán)的基本環(huán)節(jié)(過(guò)程、階段)水汽輸送蒸發(fā)散、水汽輸送、降水、徑流定義：地球表面的水體在太陽(yáng)輻射的作用下被蒸發(fā)上升至空中，被氣流帶動(dòng)輸送到各地，水汽在上升和輸送過(guò)程中，遇冷凝結(jié)以降水的形式回到地面或水體上，再以徑流的形式匯入海洋。水分這樣往復(fù)不斷地轉(zhuǎn)移交替的現(xiàn)象叫作水分循環(huán)，簡(jiǎn)稱水循環(huán)（water cycle或hydrologic cycle ）。2.1.1.2 水分循環(huán)及其模式水循環(huán)不僅是物質(zhì)的循環(huán)，也是

4、能量的循環(huán)。水分循環(huán)的原因（1）外因(動(dòng)力條件)：太陽(yáng)輻射、地心引力（重力）（2）內(nèi)因（水的物理性質(zhì)）：水的三態(tài)變化根據(jù)水循環(huán)的過(guò)程，分為：1、大循環(huán)海陸間的水分循環(huán)過(guò)程稱為水分的大循環(huán)（或外循環(huán)）。2.1.1.3 水分循環(huán)的類型2、小循環(huán) 海洋與大氣之間或陸地與大氣之間局部地區(qū)的水分循環(huán)過(guò)程稱為水分的小循環(huán)（或內(nèi)循環(huán)） 。2.1.1.4 水循環(huán)周期T周期（單位-年、月、日、時(shí)）W水體的儲(chǔ)量（體積單位） 單位時(shí)間參與水循環(huán)的量（體積/時(shí)間）是研究水資源的非常重要的一個(gè)參數(shù)。如果一個(gè)水體的循環(huán)周期短、更新速度快，其水資源的利用率就高。各種水體循環(huán)交替的周期決定淡水補(bǔ)充量、水體自凈能力！更新周期較

5、快的大氣水和河流水成為人們主要的淡水來(lái)源。2.1.1.4 水循環(huán)周期2.1.1.5 影響水循環(huán)的因素氣候因素：濕度、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等/（最主要因素）下墊面因素 ：地理位置、地表狀況、地形等 /影響蒸發(fā)、徑流人為因素：調(diào)節(jié)徑流、加大蒸發(fā)、增加降水等 /通過(guò)改變下墊面性質(zhì)、形狀來(lái)影響水分循環(huán)人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響水資源利用（工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、娛樂(lè)用）修筑水庫(kù)（長(zhǎng)江三峽）跨流域調(diào)水（南水北調(diào)）圍湖造田（圍湖造房）填海造陸不合理砍伐森林（水土流失）污染物排放.溫室氣體排放（溫室效應(yīng)的影響）2.1.1.6 水循環(huán)的作用和意義形成、更新提供淡水資源（可再生）直接影響氣候和生態(tài)形成各種水體和地貌形成各種水

6、文現(xiàn)象（干旱洪澇等）實(shí)現(xiàn)物質(zhì)遷移和轉(zhuǎn)化促進(jìn)能量流動(dòng)和交換本節(jié)思考題人類活動(dòng)是怎樣對(duì)水循環(huán)產(chǎn)生影響的？結(jié)合自己的專業(yè)回答：2.1.2 水量平衡(water balance )主要內(nèi)容： 水量平衡？ 可解決什么問(wèn)題？ 水量平衡方程？ 如何構(gòu)建水量平衡方程？定義：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在水分循環(huán)過(guò)程中，對(duì)于任一區(qū)域在任一時(shí)段內(nèi)收入的水量和支出的水量之間的差額，必等于該時(shí)段內(nèi)該區(qū)域內(nèi)蓄水量的變化量。水量平衡即水量收支平衡。2.1.2.1 水量平衡原理可解決的問(wèn)題2.1.2.1 水量平衡原理推求水量平衡的未知要素 了解和預(yù)測(cè)水體水情變化的影響源及影響程度判別觀測(cè)站點(diǎn)的分布和測(cè)量中的系統(tǒng)誤差定量分析人類活動(dòng)引

7、起的水循環(huán)及水資源變化為水資源合理利用、時(shí)空控制與調(diào)配提供基礎(chǔ)2.1.2.2 水量平衡方程（Water Balance Equation)I A = W式中,I -研究時(shí)段內(nèi)輸入?yún)^(qū)域的水量A -研究時(shí)段內(nèi)輸出區(qū)域的水量W -研究時(shí)段內(nèi)區(qū)域儲(chǔ)水量的變化，可正可負(fù)水量平衡原理的定量表達(dá)式：列水量平衡方程需要注意：（空間、時(shí)間和數(shù)量）對(duì)象：全球、海洋、陸地、流域、森林、草原、農(nóng)田、湖泊、水庫(kù)、任一地塊等。時(shí)段：長(zhǎng)、短數(shù)量：自然：降水、蒸發(fā)、徑流人為：調(diào)出或調(diào)入（開采、回注、灌溉、排水)單位：各要素的單位：常用平均水深, mm（1）大氣系統(tǒng)P和E分別為降水量和蒸發(fā)量； Ain和Aout分別為大氣層中除

8、降水與蒸發(fā)以外的其他收入水量和支出水量；A為大氣系統(tǒng)中的蓄水變化量。PE Ain Aout A（2）土壤系統(tǒng)式中:P為降雨入滲量；Cm為土壤中的凝結(jié)水；Sin為由地下水和壤中流形式進(jìn)入土壤層的水；Sout為由土壤層向下滲入地下水和通過(guò)壤中流形式流出土壤層的水；E為土壤層蒸發(fā)量；W為土壤層中的蓄水量變化。PCm Sin Sout E W（3）地下水系統(tǒng)式中， 為地下水的降水人滲補(bǔ)給系數(shù)；EG 為地下水上升經(jīng)土壤到地面后的蒸發(fā)量；GIN 為地下流入系統(tǒng)的水量；GOUT 為地下流出系統(tǒng)的水量；G 為地下的蓄水量變化。P EG GIN GOUT G流域的定義：河流某斷面以上，匯集地表水和地下水的區(qū)域（

9、分別稱作地面集水區(qū)和地下集水區(qū)）統(tǒng)稱為河流在該斷面以上的流域。 流域亦即分水嶺（山嶺、高原、平原或湖泊）包圍的集水區(qū)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 -該區(qū)的降水量 E1該區(qū)水汽的凝結(jié)量R 地表 -流入該區(qū)的地表徑流量 R 地下 -流入該區(qū)的地下徑流量W該區(qū)蓄水量的變化收入支出變化一般流域水量平衡方程：E2 -蒸發(fā)量和林木的蒸散量r地表-從該區(qū)流出的地表徑流量r地下- 從該區(qū)流出的地下徑流量 q-該區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)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為時(shí)段內(nèi)的

10、凈蒸發(fā)量，則流域通用水量平衡方程非閉合流域/閉合流域： 非閉合流域： 地面分水線與地下分水線在位置上不完全重合，即地面和地下集水區(qū)不相重合。 閉合流域： 流域的地面水和地下水分水線在位置上重合，即地面和地下集水區(qū)相重合。Subsurface CapturePEr地表WqR地下r地下地面分水線地下分水線凈蒸發(fā)量降雨量從地下流出的水量從地面流出的水量從地下流入的水量工農(nóng)業(yè)及生活凈用水量非閉合流域的水量平衡P R地下 E r地表 r地下 q+ W P R地下 E R+ W無(wú)工農(nóng)業(yè)及生活用水時(shí)閉合流域的水量平衡PEW地面分水線地下分水線凈蒸發(fā)量降雨量從地面流出的水量P = E + R+Wr地表閉合流域

11、多年平均的水量平衡方程短時(shí)或瞬時(shí)： P = E + R+W兩邊同時(shí)除以多年平均降雨量，得：多年平均：多年平均蒸發(fā)系數(shù)和徑流系數(shù)多年平均徑流系數(shù)多年平均蒸發(fā)散系數(shù)474225699246000雅魯藏布江8207271547452616珠 江53152910601807199長(zhǎng) 江234633867261504淮 河86382468752443黃 河145380525549665松花江(mm)(mm)(mm) (km2)徑流蒸發(fā)降水流域面積河 名我國(guó)主要江河的水量平衡要素比較松花江和珠江的氣候地理特性？輸入:陸地上空的降水P輸出:陸地流出的徑流R陸面蒸發(fā)散EPERP陸 R陸 E陸 W陸地（5）全球陸地水量平衡方程陸地水量平衡方程:變化量:陸地蓄水量變化量W（6）全球海洋水量平衡方程PEP海 R陸E海 W海洋輸入:海洋上空的降水P來(lái)自大陸的徑流R輸出:海洋蒸發(fā)E變化量：海洋蓄水量變化量W海洋水量平衡方程:R (7) 全球水量平衡陸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