水資源形成與轉化

水資源形成與轉化第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)水分循環(huán)和水量平衡

水循環(huán)（watercycle):地球上的各種形態(tài)的水在太陽輻射、地球重力等作用下，通過蒸發(fā)、水汽輸送、凝結降水、下滲和徑流等環(huán)節(jié)，不斷發(fā)生相態(tài)轉換和空間位置的轉移過程，稱為水分循環(huán)（水文循環(huán)）。一、地球上的水分循環(huán)第2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日自然界的水循環(huán)是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，是自然環(huán)境中發(fā)展演變最活躍的因素，并形成了地球上的淡水資源。第3頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日

海陸間水循環(huán)（大循環(huán)或外循環(huán)）

內陸水循環(huán)（小循環(huán)）

海上內循環(huán)（小循環(huán)）

這種海陸間的水循環(huán)又稱大循環(huán)，是指海洋水與陸地水之間通過一系列的過程所進行的相互轉化。

它是陸面補水的主要形式。

是指陸面水分的一部分或者全部通過陸面、水面蒸發(fā)和植物蒸騰形成水汽，在高空冷凝形成降水，仍落到陸地上，從而完成的水循環(huán)過程。

海上內循環(huán)，就是海面上的水份蒸發(fā)成水汽，進入大氣后在海洋上空凝結，形成降水，又降到海面的過程。第4頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)

水循環(huán)是多環(huán)節(jié)的自然過程，全球性的水循環(huán)涉及蒸發(fā)、大氣水分輸送、地表水和地下水循環(huán)以及多種形式的水量貯蓄。

降水、蒸發(fā)和徑流是水循環(huán)過程的三個最主要環(huán)節(jié)，這三者構成的水循環(huán)途徑?jīng)Q定著全球的水量平衡，也決定著一個地區(qū)的水資源總量。蒸發(fā)是水循環(huán)中最重要的環(huán)節(jié)之一。由蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽進入大氣并隨大氣活動而運動。大氣中的水汽主要來自海洋，一部分還來自大陸表面的蒸散發(fā)。第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日徑流是一個地區(qū)（流域）的降水量與蒸發(fā)量的差值。多年平均的大洋水量平衡方程為：蒸發(fā)量=降水量+徑流量多年平均的陸地水量平衡方程是：降水量=徑流量+蒸發(fā)量。水循環(huán)的機理和特點整個水循環(huán)過程既無開始也無結尾，是連續(xù)的、永無止境的太陽輻射與重力作用是水循環(huán)的基本動力全球水循環(huán)是閉合系統(tǒng)，但局部水循環(huán)是開放系統(tǒng)水循環(huán)賦予水體可再生性第6頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日水循環(huán)的主要作用聯(lián)系的球各圈和各種水體的“紐帶”

調節(jié)了的球各圈層之間的能量，對冷暖氣候變化起到了重要的因素通過侵蝕，搬運和堆積，塑造了豐富多彩的地表形象地表物質遷移的強大動力和主要載體調節(jié)器雕塑家傳輸帶第7頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日影響水循環(huán)的因素

自然因素主要有氣象條件(大氣環(huán)流、風向、風速、溫度、濕度等)和地理條件(地形、地質、土壤、植被等)。人為因素對水循環(huán)也有直接或間接的影響。水循環(huán)周期大氣中的水汽，平均每8天多循環(huán)更新一次全球的河水每年轉化為徑流22次，亦即河水平均每16天多更新一次。第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日（一）、水量平衡原理水量平衡原理是研究各種水文要素之間數(shù)量關系的基本原理，也是水資源量估算的基本出發(fā)點。水量平衡的基本方程：

I-O=S2-S1=ΔSI:區(qū)域在給定時間內收入（輸入）水量；O:區(qū)域在給定時間內支出（輸出）水量；S1和S2:區(qū)域在給定時間內的始、末蓄水量；ΔS:區(qū)域在給定時間內的蓄水變量；二、水量平衡第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日（二）、全球水量平衡方程全球海洋水量平衡方程：

P洋+R-E洋=ΔS公式1P洋

:大氣降水量；R:入海徑流量；E洋:蒸發(fā)量；ΔS:海洋蓄水變量；對于多年平均情況，則海洋水量平衡方程：

P洋+R=E洋公式2第10頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日

全球陸地水量平衡方程：

P陸-R-E陸=ΔS公式3P陸

:大氣降水量；R:流出陸地徑流量；E陸:蒸發(fā)量；ΔS:陸地蓄水變量；對于多年平均情況，則陸地水量平衡方程：

P陸=R+E陸公式4公式2+公式4：P洋+P陸=E洋

+E陸

P全球=E全球第11頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日（三）、流域水量平衡方程流域：指由分水線所包圍的河流集水區(qū)。分水線：流域之間的分水地帶稱為分水嶺，分水嶺上最高點的連線為分水線，即集水區(qū)的邊界線，包括山脊線和鞍部。

第12頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日流域分為：閉合流域和非閉合流域。閉合流域：地上水分水線與地下水分線完全重合。非閉合流域：地上水分水線與地下水分線不一致。對于閉合流域水量平衡方程為：

P–(R+E)=ΔSR:含地表徑流Rs和地下徑流Rg

多年平均情況：

P=R+E

對于非閉合流域水量平衡方程為：

P–(R+E)=ΔS+ΔW第13頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)地表水資源的形成

水資源主要是指某一地區(qū)逐年可以恢復和更新的、可以被利用的淡水資源。一個地區(qū)的水資源總量為當?shù)亟邓纬傻牡乇砗偷叵碌漠a(chǎn)水量。

地表水是陸地表面的河流、冰川、湖泊、沼澤等水體的總稱。

地表水資源量通常用地表水體的動態(tài)水量（河川徑流量）來表示。

降水、徑流、蒸發(fā)是決定區(qū)域水資源狀態(tài)的三個要素。第14頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日

降水（Precipitation）是自大氣云層落下的液體或固體水的總稱，包括雨（Rainfall）、雪(Snow)、露（Dew）、霜（Frost）、霰（Sleet）、雹（Hail）及冰雨（Glaze）等，其中以降雨和降雪為主。降水是水資源的總補給來源，是開發(fā)、利用水資源的重要依據(jù)。（一）降水的成因及分類水汽、上升運動和冷卻凝結是形成降水的三個因素。1、對流雨；2、地形雨；3、鋒面雨；4、氣旋雨一、降水第15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日（二）降水的基本要素1、降水量：時段內降落在單位面積上的總水量，用mm深度表示。根據(jù)時段可分為日降水量、月降水量和年降水量等。

2、降水持續(xù)的時間稱為降水歷時，單位為min、h或d。

3、降水強度為單位時間的降水量，以mm/min或mm/h計。

4、降水籠罩的平面面積為降水面積，以km2計。

5、暴雨集中的較小的局部地區(qū)，稱為暴雨中心。第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日（三）流域平均降水量的計算常用的區(qū)域平均降水量計算方法有：算術平均法、泰森多邊形法和等雨量法三種。1.算術平均法（均值法）適用于流域內地形起伏不大、雨量站稠密且分布均勻。

P＝（p1＋p2……＋pn）/nP：流域平均降水量；Pi：各雨量站的同期降水量；n：流域雨量站數(shù)。第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日2.泰森多邊形法（垂直平均法）美國氣候學家A·H·Thiessen提出了一種根據(jù)離散分布的氣象站的降雨量來計算平均降雨量的方法，適用于流域內地形起伏不大、雨量站稠密且分布不均勻。（若區(qū)域內有高大山脈，此法誤差較大）。步驟：①連結各測站，構成三角網(wǎng)。在雨量站分布圖上，將區(qū)域內及其區(qū)域附近的雨量站用直線兩兩相連，構成許多三角形（包括鄰近流域的測站），形成三角形網(wǎng)。②然后對每個三角形各邊作垂直平分線，這些垂直平分線將區(qū)域分成以各測站為核心的若干個多邊形。③以各個測站對應的多邊形在研究區(qū)域內的面積作權數(shù)，乘以雨量站的降雨量，然后取其平均值即為區(qū)域平均降水量。假定每個雨量站的控制面積即為此多邊形面積（區(qū)域邊界內）。

第18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日

流域內平均降水量計算公式：

f1P1+f2P2+……+fnPnP=

f1+f2+……+fn第19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日3.等雨量線法一般說來，等雨量線是計算區(qū)域平均雨量最完善的方法。它的優(yōu)點是考慮了地形變化對降水的影響，因此對于地形變化較大（一般是大流域）、流域內又有足夠數(shù)量的降水觀測站，能夠根據(jù)降水資料結合地形變化繪制出等雨量線圖，則應采用本方法。步驟：（1）繪制降雨量等值線圖；（2）用求積儀或其他方法測算出相鄰等雨量線間的面積fi，用fi除以區(qū)域總面積得出各相鄰等雨量線間面積的權重；（3）以各相鄰等雨量線間的雨深平均值乘以相應的面積權重即得權雨量；（4）將各相鄰等雨量間面積上權雨量相加即為區(qū)域平均雨量。第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日

計算公式如下：

P=f1p1/F+f2p2/F.....+fnpn/Ff1,f2.....fn——各相鄰等雨量線間的面積（hm2）p1,p2....pn——為各相鄰等雨量間的雨深平均值（mm）F——區(qū)域總面積（hm2或km2）P——區(qū)域平均降水量(mm)

等雨量線法考慮了降水在空間上的分布情況，理論上較充分，計算精確度較高，并有利于分析流域產(chǎn)流、匯流過程。缺點是對雨量站的數(shù)量和代表性有較高的要求，在實際應用上受到一定限制。第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日

蒸發(fā)是指地球表面的液態(tài)或固態(tài)水分變成大氣中的水汽所有過程的總稱。按照性質不同，流域蒸發(fā)可以分為水面蒸發(fā)（包括冰雪面）、土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)。陸地蒸發(fā)：包括土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)。流域(區(qū)域)總蒸發(fā)：包括各部分蒸發(fā)和散發(fā)總和。大陸上一年內的降水約有60%消耗于蒸散發(fā)，顯然蒸散發(fā)是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。對陸地水來講，蒸散發(fā)是降水轉變?yōu)閺搅鬟^程中的一項主要損失。二、蒸發(fā)第22頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日（一）蒸發(fā)的物理機制水面蒸發(fā)包括兩個過程水分化汽和水汽擴散。2.土壤蒸發(fā)包括三個階段：定常蒸發(fā)率階段（屬于飽和面蒸發(fā)）、蒸發(fā)率下降階段、蒸發(fā)率微弱階段。土壤蒸發(fā)的確定方法：水汽輸送法、能量平衡法、水量平衡法、器測法、經(jīng)驗公式法等。3.植物散發(fā)

第23頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日（二）蒸發(fā)的表示方法蒸發(fā)量一定時間內，水分經(jīng)蒸發(fā)而散布到空氣中的水量。2.蒸發(fā)率單位時間、單位面積內的蒸發(fā)量。3.蒸發(fā)力指在充分供水條件下，某一蒸發(fā)面的蒸發(fā)量（即同一氣象條件下可能達到的最大蒸發(fā)率）也稱為潛在蒸發(fā)量或最大可能蒸發(fā)量Em。計算：彭曼公式和布德科公式

E0=（Δ（R/L）+γEa）/（Δ+γ）

第24頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日（三）流域總蒸發(fā)量的計算方法：水量平衡法、水熱平衡法和經(jīng)驗公式法。1.水量平衡法當區(qū)域內有較長時段的降雨、徑流資料時，任意時段區(qū)域水量平衡方程的基本形式：

Ei=Pi-Ri±ΔWEi：總蒸發(fā)量Pi：降雨量Ri：徑流量ΔW：時間段內流域蓄水量的變化量第25頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日適用于：當時段內流域的蓄水量變化甚微時，如計算多年平均總蒸發(fā)量；較大區(qū)域，也常用于檢驗其他方法的標準。當時間段內ΔW變化較大時（課本圖2.6），根據(jù)流域的蓄水情況，可將區(qū)域蒸散發(fā)分為三個階段：

EmW≥WaE=[1-(1-C)(Wa-W)/(Wa-Wb)]EmWb<W<WaCEmW<WbE:流域蒸散發(fā)量Em：流域蒸散發(fā)能力W:流域蓄水量C:小于1的系數(shù)，一般取值0.15-0.05第26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日蒸散發(fā)能力計算公式（桑斯威特公式）：

Em=16b(10T/I)aI=Σiji=(T/5)1.514T:月平均氣溫I：年熱能指數(shù)i:月熱能指數(shù)a,b:函數(shù)與修正系數(shù)第27頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日2.水熱平衡法一般表達式：

E/P=φ(R/LP)3.經(jīng)驗公式史拉別爾、奧里杰科普、布德科等人提出經(jīng)驗公式。（四）干旱系數(shù)年蒸發(fā)能力與年降雨量之比。第28頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日

在當前的技術經(jīng)濟條件下，徑流則是可以長期開發(fā)利用的水資源。河川徑流的運動變化，又直接影響著防洪、灌溉、航運和發(fā)電等工程設施。因而徑流是人們最關心的水文現(xiàn)象。

（一）徑流含義及其組成徑流（runoff）：流域內的大氣降水，除掉部分被蒸發(fā)等耗損外，其余的在重力和靜水壓力作用下沿著流域地表面和地下匯入河網(wǎng)，并向出口斷面匯集和輸送的全部水流。三、徑流第29頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日

按照流經(jīng)途徑的不同，徑流分為：地表徑流、壤中流、地下流。（二）徑流特征值1.流量Q流量是指單位時間內通過某一橫斷面的水量，常用單位為m3/s。其計算式：

Q＝AV式中，A為過水斷面面積（m2)；V為斷面平均流量（m/s）。第30頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日水位與流量的關系：河流水位的變化，從本質上看是河流流量的變化，流量增大，水位升高；流量減小，水位降低。因此，水位變化實質上是流量變化的外部反映和表現(xiàn)；另一方面，流量大小可以通過水位高低反映出來，即二者呈某種函數(shù)關系Q=f(H)，水位升高，流量增大。即Q=f(H)呈單調遞增函數(shù)。第31頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日(2)徑流總量W

是指在一定時段內通過河流某一橫斷面的總水量（一般指出口斷面）。常用單位為m3，其計算式為：

W=QT式中：Q為流量（m3/s）；T為時段（如日、月、年等）長。(3)

徑流深度R是指單位流域面積上的徑流總量。也就是把徑流總量平鋪在整個流域面積上所得到的水層深度。通常用mm作為單位。W：為徑流總量（m3）；F：為流域面積（km2）；第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日(4)徑流模數(shù)M是指單位時間在單位流域面積上的產(chǎn)水量。常用單位為dm3/(s·

km2），其計算式為：

M=1000Q/F式中：Q為流量（m3/s）；F：為流域面積（km2）；

1000為單位換算系數(shù)（即lm3水為l000dm3）。

徑流模數(shù)最能說明與自然地理條件相聯(lián)系的徑流特征。通常用徑流模數(shù)來比較不同流域的單位面積產(chǎn)水量。(5)徑流系數(shù)（a）指任一時段的徑流深度（徑流總量）與該時段的降水量（或降水總量）之比值。(6)模比系數(shù)(徑流變率)K是指某一時段徑流值（Mi,Qi或Ri）與同時段多年平均徑流值（Mo,Qo或Ro

）之比。第33頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日（三）徑流形成過程指從降水開始到水量流出河流出口斷面為止的整個物理過程，稱為徑流形成過程。常將降雨徑流形成過程概化為四個階段：流域降雨階段、流域蓄滲階段、流域產(chǎn)流和漫流階段、河網(wǎng)匯流階段。流域降雨階段流域蓄滲階段通常通常把降雨開始之后，到地表徑流產(chǎn)生之前，降雨的截留、下滲、填洼及蒸散發(fā)等雨水的耗損過程概化為流域的蓄滲階段（停蓄階段）。第34頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日3.坡地產(chǎn)流和漫流階段產(chǎn)流：當流域內的降雨量滿足了流域蓄滲之后，若降雨持續(xù)進行，則開始產(chǎn)生地表或地下徑流。包氣帶：指地表面與潛水面之間的巖石土壤層帶，是由巖石土壤（包含風化殼）構成的有孔介質蓄水體。包含有空氣，為水、土、氣三相系統(tǒng)。飽水帶：包氣帶以下即地下水面以下飽含水分的巖石土壤層帶，為水、土二相系統(tǒng)。第35頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日直接徑流：壤中流和地表徑流相互轉化，將二者合稱為直接徑流。基流：地下徑流運動慢，變化也慢行，補給河水的地下徑流平穩(wěn)而持續(xù)時間長，構成河流的基流。4.河槽集流階段（河網(wǎng)匯流）由降雨產(chǎn)生的地表徑流Rs、壤中流Rss和地下徑流Rg通過不同路徑注入河網(wǎng)后，在河網(wǎng)內沿河槽由上游向下游作縱向的流動和匯集，直到最后流出出口斷面的整個物理過程，稱為河槽集流或河網(wǎng)匯流。它是降雨徑流形成的最終環(huán)節(jié)。第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日河網(wǎng)調蓄（河槽調節(jié)）：在漲水段河網(wǎng)（河槽）滯蓄一部分水量，而退水段河網(wǎng)蓄水消退。在徑流形成中通常把從降雨開始，到地表徑流和壤中徑流產(chǎn)生的過程，稱為產(chǎn)流過程；而把坡地匯流和河網(wǎng)匯流過程，統(tǒng)稱為流域匯流過程。第37頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)地下水資源的形成相對地表水而言，埋藏地表面以下各種巖石土層空隙中的水。狹義地下水存在于飽和帶巖土層中的重力水。重力水又稱為自由水（freewater）:指巖土中在重力作用下自由運動的地下水。一、地下水的形成第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日地下水形成必須具有兩個條件：一、水分來源；二、要有儲存水的空間。（一）地下水的水源條件1、滲入水大氣降水和地表水2、凝結水大氣水汽和包氣帶巖石土壤空隙中水汽凝結3、埋藏水和除生水第39頁，共45頁，2023年，2月