1 第1章　地球上水分循环与水量平衡P10－19 许武成教授主讲.

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1 1 第1章　地球上水分循环与水量平衡P10－19 许武成教授主讲

2 一、水分循环的过程、原因及影响因素 （一）水分循环过程
§1.1　地球上的水分循环11－19 一、水分循环的过程、原因及影响因素 （一）水分循环过程 地球上的水并非是静止不动的。地球上各种形态的水，在太阳辐射、地球重力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗和径流等环节，不断地发生相态转换和空间位置的转移过程，称为水分循环，又叫水文循环，简称水循环（图1－1）。 其具体过程为：

3 3 水汽输送 1蒸发 4 降水 5 蒸发 1蒸发 4 降水 1 植物蒸腾 2 降水 湖 5 地表径流 6 地下径流 海洋

4 地球表面的水在太阳辐射作用下，大量水分不断地从海洋、河湖等水面、陆面和植物表面蒸发和蒸腾，升入空中，被气流带动输送至各地，在适当条件下遇冷凝结而以降水形式降落到地表面或水体上。降落到陆地表面的水又在重力作用下，一部分渗入地下，一部分形成地表径流注入江河汇流大海，还有一部分又重新蒸发返回空中。其中渗入到地下的水，一部分也逐渐蒸发，一部分也形成径流最终也汇集于海洋。　

5 水循环包括的五个环节 两大部分：大气部分（包括水汽阶段、降水阶段）与地面部分（径流与下渗阶段、蒸发阶段）
五个环节：1）蒸发蒸腾—将液态水、固态水转化为气态水；2）水汽输送—蒸发的水汽被气流输送各地；3）凝结降水—水汽在上升和输送过程中，遇冷凝结，适当条件下降落地表；4）下渗—指降落到地面上的水依靠分子力、毛管力和重力渗入地下的过程；5）地表地下径流—降落到地表的水一部分下渗形成地下径流和壤中流，一部分形成地表径流。

6 （二）水循环机理 1、水循环服从于质量守恒定律
整个循环过程保持着连续性，既无开始，也没有结尾。从实质上说，水循环乃是物质与能量的传输、储存和转化过程，而且存在于每一环节。在蒸发环节中，伴随液态水转化为气态水的是热能的消耗，伴随着凝结降水的是潜热的释放，所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过程。据测算，全球海陆日平均蒸发量为1.5808万亿立米，是长江全年入海径流量的1.6倍，蒸发这些水汽的总耗热量高达3.878×1021焦耳，如折合电能为10.77×1014千瓦时，等于1990年全世界各国总发电量的近100倍，所以地面潜热交换成为大气的热量主要来源。 由降水转化为地面与地下径流的过程，则是势能转化为动能的过程。这些动能成为水流的动力，消耗于沿途的冲刷，搬运和堆积作用，直到注入海洋才消耗殆尽。

7 2、太阳辐射与重力作用，是水循环的基本动力
水循环内因—水的物理属性，即在目前大气环境下，水的固、液、气三态并存和三态在常温条件下相互转化。 水循环外因—太阳辐射和重力是水循环的基本动力。 太阳辐射是地表热能的主要源泉，它促使冰雪融化，水分蒸发，空气流动等，是水分循环的动力。 重力是促使空中水滴降落和地面、地下径流流归海洋的动力。 外部环境包括地理纬度、海陆分布、地貌形态等则制约了水循环的路径、规模与强度。

8 3、水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈
水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈。其循环路径并非单一的，而是通过无数条路线实现循环和相变的，所以水循环系统是由无数不同尺度、不同规模的局部水循环所组合而成的复杂巨系统。

9 4、全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统。
全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统。因为地球与宇宙空间之间虽亦存在水分交换，但每年交换的水量还不到地球上总贮水量的1/15亿，所以可将全球水循环系统近似的视为既无输入，又无输出的一个封闭系统，但对地球内部各大圈层，对海洋、陆地或陆地上某一特定地区，某个水体而言，既有水分输入，又有水分输出，因而是开放系统。

10 5、水文循环是巨大的物质循环 地球上的水分在交替循环过程中，总是溶解并携带着某些物质一起运动，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。不过这些物质不可能象水分那样，构成完整的循环系统，所以通常意义上的水文循环仅指水分循环，简称水循环。

11 （三）影响水循环的因素 自然地理因素： 1）气象因素：起主导作用的因素。蒸发、水汽输送和凝结降水三个环节取决于气象过程。下渗状况和径流情势虽与下垫面有关，但其基本规律仍受气象因素的控制。 2）下垫面因素：主要通过影响蒸发、下渗和径流来影响水循环。 人类活动：1）水利措施；2）农林措施；3）跨流域调水等

12 二、水循环的类型与层次结构P12 （一）水循环的类型 按规模和路径，水循环可分为大循环（外循环）和小循环（内循环）两类。
1、大循环（外循环） 大循环：指发生在海洋与陆地之间的水分交换过程，又叫外循环、全球性的水循环或海陆间的水循环。 其具体过程：从海面蒸发的水汽，部分被气流输送到大陆上空，在适当条件下遇冷凝结并降落到陆地地表，除一部分蒸发返回空中外，其余的降水则形成地表径流或渗入地下形成地下径流，经河槽汇集，最终又回归海洋。这就完成了海陆间大循环。

13 水分大循环通常经历蒸发、输送、凝结、降水、入渗和径流等环节，一方面在天空、地面和地下之间通过蒸发、降水和入渗进行纵向水分交换（垂直方向）；另一面又在海洋与陆地之间以水汽输送和径流形式进行横向交换（水平方向）。海洋从空中向大陆输送大量水汽，大陆则通过地面和地下径流把水分输送到海洋里去。大陆上蒸发的水汽也可随气流带到海洋上空。但总的说来，水汽输送方向是从海洋输向大陆的。海洋向陆地输送的水汽减去陆地向海洋输送的水汽，称为有效水汽输送量。

14 水循环类型示意图 图1.2

15 2、小循环（内循环） 指发生在海洋与海洋上空之间或陆地与陆地上空之间的局部性水分循环，亦称内循环，包括海洋小循环与陆地小循环。 （1）海洋小循环（海洋内循环） 指从海面蒸发的水汽，在空中凝结后又以降水形式直接降落到海面上，即发生在海洋与海洋上空之间的水分交换过程。

16 （2）陆地小循环 指陆地上蒸发的水汽随同从海洋输送来的水汽一起，被气流输向内陆，遇冷凝结降落，仍降落到陆地上。这种发生在陆地与陆地上空之间的水分交换过程，称为陆地小循环或陆上内循环。 陆地小循环对内陆地区的降水具有重要作用。内陆地区距海洋遥远，从海洋直接输送到内陆的水汽不多，需要通过内陆局部地区的水分循环运动，使水汽不断向内陆输送、推进，这就是内陆地区的主要水汽来源。由于水分向内陆输送过程中，沿途会逐步损耗，故由沿海向内陆，降水逐渐减少；另一方面，水分向内陆推进或告退，也会造成降水在时间上的渐变规律，由沿海向内陆，雨季推迟和缩短。

17 （二）全球水循环系统的层次结构 如前所述，全球水循环是由海洋的、陆地的以及海洋与陆地之间的各种不同尺度，不同等级的水循环所组合而成的动态大系统。由于这些分子水循环系统既紧密联系，相互影响，又相对独立。所以对这个全球性的动态大系统，可以根据海陆分布，各分子系统的尺度、规模不同，以及相互之间上下隶属关系，建立如图2-3所示的水循环分子等级系统。 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。

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19 三、水体的更替周期 指水体在参与水循环过程中全部水量被更新一次所需的时间，通常用下式近似计算：
　式中T为更替周期（年、日或时）；W为水体总储水量（m3）；　为水体年平均参与水循环的活动量（m3/年）

20 以世界大洋为例，总储水量为13. 38×1017米3，每年海水总蒸发量为50
以世界大洋为例，总储水量为13.38×1017米3，每年海水总蒸发量为50.5×1013米3，以此计算，海水全部更新一次约需要2650年；如果以入海径流量4.7×1013米3为准，则更新一次需要28468年。又如世界河流的河床中瞬时贮水量为21.2×1011米3，而其全年输送入海的水量为4.7×1013米3，因此一年内河床中水分可更替22次，平均每16天就更新一次。大气水更替的速度还要快，平均循环周期只有8天，然而位于极地的冰川，更替速度极为缓慢，循环周期长达万年。

21 各种水体的更替周期 表 水体 周期 水体 周期 极地冰川 10000a 沼泽水 5a 永冻地带地下冰 9700a 土壤水 1a
水体　　　 周期 水体　　　　周期 极地冰川　 a 沼泽水　　　　5a 永冻地带地下冰 a 土壤水　　　　1a 世界大洋　　　 2500a 河水　　　　16d 高山冰川　　　1600a 大气水　　　　8d 深层地下水　　1400a 生物水　　　12h 湖泊水　　　　　17a

22 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。因为从水资源永继利用的角度来衡量，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，由于利用后能得到恢复，才能算作可资利用的水资源量。而这部分水量的多少，主要决定于水体的循环更新速度和周期的长短，循环速度愈快，周期愈短，可开发利用的水量就愈大。以我国高山冰川来说，其总贮水量约为5×1013米3，而实际参于循环的水量年平均为5.46×1011米3，仅为总贮水量的1/100左右，如果我们想用人工融冰化雪的方法，增加其开发利用量，就会减少其贮水量，影响到后续的利用。

23 四、水循环的作用与效应 水循环是地球上的物质大循环，巨大的能量流，对自然界和人类具有重大的作用和意义。
（一）水循环是联系大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的纽带，并成为它们之间的能量调节器 水循环的一系列过程中，通过降水、地表径流、入渗、地下径流、蒸发和植物蒸腾等各个环节，使地球四大圈层相互联系起来，并在物质流的同时，伴随能量流。

24 地球表层系由大气圈、岩石圈，生物圈以及水圈组合而成。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，通过周流不息的循环运动，积极参于了圈层之间界面活动，并且深入4大圈层内部，将它们耦合在一起。 水循环，它上达15公里的高空，成为大气圈的有机组成部分，担当了大气循环过程的主角；下深地表以下1—3公里深处，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，它全面的参与了生物大循环，成为沟通无机界和有机界联系的纽带，并将4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以及今后的演变与发展。

25 （二）通过水循环，地球上各种水体相互联系转换，使水资源得以再生，给人类提供取之不竭，用之不尽的水利资源
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。这一特点正是水循环所赋予的。 如果自然界不存在水循环现象，那么水资源亦就不能再生，无法永继利用。但必须指出的是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。更新速度和补给量要受到水循环的强度、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。只有在开发利用强度不超过地区水循环更新速度以及控制水污染的条件下，水资源才能不断获得更新，才能永继利用。

26 （三）水循环是联系海洋与陆地的主要纽带 海洋正是通过蒸发水分源源不断地向大陆输送水汽而形成降水，进而影响陆地上的一系列物理、化学与生物过程。而从陆地上回归海洋的径流，则不断地向海冰输送大量的泥沙、有机杂质、各种营养盐类，进而影响海水的性质、海水中的生物学过程，以及海冰沉积与海盆形态等。

27 （四）水循环是一切水文现象的根源。 水循环是地球上一切水文现象的根源，没有水循环，地球上也就不会发生蒸发、降水，径流；不存在江河、湖泊。所以研究地球上的水循环，是认识和掌握自然界错综复杂的水文现象的一把钥匙；是把握自然界各种水体的性质、运动变化及其相互关系的有效方法和手段。可以说水循环与水量平衡的研究引导了以往水文学科的发展，亦将指导水文学的未来，并正从宏观与微观双向尺度上，不断拓宽与加深水文学科。

28 水分循环对于全球性水分和热量的再分配起着重大的作用，这种作用与大气循环相互联系而发生，从而影响了一地气候的主要方面——降水与气温。水分循环具有物质“传输带”的作用，而且又是岩石圈表层机械搬运作用以及自然地理环境中无机成分和有机成分化学元素迁移的强大动力。在水分循环过程中伴随产生了各种常态地貌和河流、地下水、湖泊等等。水分循环也是生物有机体维持生命活动和整个生物圈构成复杂的水胶体系统的基本条件，起着有机界和无机界联系的纽带作用。总之，水分循环有如自然地理环境的“血液循环”，它沟通了各基本圈层的物质交换，促使各种联系的发生。水分循环过程同时起着水文过程、气候过程、地形过程、土壤过程、生物过程以及地球化学过程等作用。

29 §1.3　水量平衡P13－16 水量平衡原理 水量平衡方程 全球降水量和蒸发量沿纬度的分布 研究水量平衡的意义

30 一、水量平衡原理 在现今的宇宙背景下，地球上的总水量接近一个常数。但对地球上的任何圈层或任何地段都是一个开放系统，既有水分的输入，又有水分的输出。根据物质不灭定律（质量守衡定律）： 对于地球上的任何一个地区在任意时段内，收入的水量与支出的水量之差额必然等于该地区在该时段内的蓄水变化量，这就叫水量平衡原理(Water Balance)。 水量平衡是水循环内存的规律，是水分循环的定量表达。水量平衡原理是研究各种水循环要素之间数量关系的基本原理，也是水资源量估算的基本出发点。

31 水量平衡的基本方程为： 式中，I为区域在给定时段内收入（输入）水量； O 为区域在给定时段内支出（输出）水量； S1/S2为区域在给定时段内的始末蓄水量; ΔS为区域在给定时段内的蓄水变量。 在多水期ΔS为 正值，表示蓄水量(stored water )增加；在少水期ΔS为负值，表示蓄水量减少；在多年情况下ΔS 为零（ΔS→0），表示多年中蓄水量平均起来是保持不变的。 水量平衡方程式是水分循环的数学表达式，根据不同的区域可建立不同的水量平衡方程。

32 二、水量平衡方程式 （一）通用水量平衡方程
现以陆地上任一地区为研究对象，取其三度空间的闭合柱体，其上界为地表面，下界为地下无水分交换的深度。这样，对任一闭合柱体，任一时间内的水量收入I为： 式中：P—区域在给定时段内的降水量； E1 —水汽凝结量；R表、R地下 —分别为在给定时段内地表、地下流入区域内的径流量

33 区域在给定时段内支出水量O为： E2——区域在给定时段内地表总蒸散发量； 、 ——分别为地表、地下径流流出量；
　　、　　——分别为地表、地下径流流出量； q ——研究时段内工农业和生活净用水量（即区域在给定时段内人类净用水量）

34 则通用水量平衡方程式为 　　由于上式中E1为负蒸发量，令E＝E2－E1为时段内净蒸发量；△S＝S2－S1为时段内蓄水变化量，则通用水量平衡方程式可改写为：

35 降雨p 蒸发E 工农业等用水q 地表水 （出） 地表水R表（入） 地下水（入）R地下 地下水（出）

36 　随着观测手段和实验方法的不断发展，水量平衡研究也愈加详尽。如对上述闭合柱体分为若干个层次，分层研究水量的收支情况，建立各层的水量方程，则研究成果将会更加细致和精确。

37 （二）全球水量平衡方程 ∆S＝S2－S1＝（P+R）－E 1、全球海洋水量平衡方程
地球表面有陆地和海洋两大基本单元，可以依据通用水量平衡方程，首先分别建立海洋的和陆地的水量平衡方程，然后再将它们合并为全球水量平衡方程。 1、全球海洋水量平衡方程 全球海洋收入水量有大气降水P和入海径流量R；支出水量有蒸发量E，则全球海洋水量平衡方程为： 　　　∆S＝S2－S1＝（P+R）－E 多年平均而论， ∆S＝0，则有E0＝P0+R0，即全球海洋蒸发量大于降水量，海洋是大气水分和陆地降水的来源。海洋提供了海洋降水量的85%和陆地降水量的89%

38 2、全球陆地水量平衡方程 全球陆地在任一时段收入水量为大气降水P；支出水量有蒸发量E和地表、地下径流量R（入海径流量），则全球陆地水量平衡方程： 　　 ∆S＝S2－S1＝P－（E＋R） 多年平均， ∆S＝0，则P0＝E0＋R0，即全球陆地降水量大于蒸发量，以径流形式补充海洋，实现全球水量平衡。

39 3、全球水量平衡方程 降水、蒸发和径流在整个水循环中，是三个重要的环节，在全球水量平衡中，它们同样是最主要的因素。
整个地球在任一时段收入水量为大气降水P；支出水量为蒸发量E，则全球水量平衡方程为： 　　　△S＝S2－S1＝P－E 多年平均， ∆S＝0， 则P0＝E0。即全球海陆降水量之和等于全球海陆蒸发量之和，说明全球水量保持平衡，基本上长期不变。 注：关于全球水量平衡数据不同学者研究结果不一样。

40 表1－5 地球上的水量平衡（P16） 区 域 多年平均蒸发量 多年平均降水量 多年平均径流量 （km3） （mm） 海 洋 外流区 内流区
区 域 多年平均蒸发量 多年平均降水量 多年平均径流量 （km3） （mm） 海 洋 外流区 内流区 全 球 505000 63000 9000 577000 1400 529 300 1130 458000 110000 1270 924 -47000 47000 130 395

41 （三）流域水量平衡方程 1、闭合流域水量平衡方程
流域——指河流的集水区域（补给区域），即分水线所包含的区域，包括地表集水区和地下集水区。地表分水线与地下分水线完全重合一致的流域称为闭合流域；反之，二者不重合的流域为非闭合流域。 可见，闭合流域与相邻流域之间没有水量交换，因此其水量的收入I只有大气降水P；水量支出项目O有：蒸发量E和地表、地下径流量R（R＝Rs＋Rss＋Rg）

42 则闭合流域水量平衡方程为： 流域蓄水变量ΔS可正可负。但就多年平均情况，蓄水变量ΔS趋于零（ ΔS →0），即有 式中，　、　、　　分别为流域多年平均降水量、蒸发量和径流量。

43 α +β=1 若上式两边同除以降水量 P0，得 令， ， 则：
令，　　，　　　则： 　　　α +β=1 式中，α为多年平均径流系数，表示降水量中转化为径流量的比例；β为多年平均蒸发系数，表示降水量中消耗于蒸发而转化为水汽的比例。

44 上式表明，流域多年平均条件下，径流系数与蒸发系数之和等于1。
因此，α和β综合反映了一个地区气候的干湿状况。干燥地区蒸发系数大，径流系数小，说明降水多数消耗于蒸发而产生径流少，水分不足。湿润地区蒸发系数小而径流系数大，说明降水量多数产生径流，而消耗于蒸发的少，水分丰沛。 由此可见，α和β可以用来作为地区干湿程度的衡量指标。例如，我国黄河流域α =0.15，长江流域α=0.51，表明长江流域比黄河流域湿润，水资源丰富。

45 表1-4 中国主要流域的水量平衡（P14） 流 域 面积 （km2） 水量平衡要素值 径流系数α 降水量（mm） 蒸发量 （mm） 径流量
流 域 面积 （km2） 水量平衡要素值 径流系数α 降水量（mm） 蒸发量 （mm） 径流量 松 花 江 黄 河 淮河 长 江 珠 江 雅鲁藏布江 549665 752443 261504 452616 246000 525 492 929 1055 1438 699 380 416 738 513 666 225 145 76 191 542 772 474 0.28 0.15 0.21 0.51 0.54 0.68

46 在内流河区域，由于内流河最终消失于沙漠区的蒸发和下渗，而无径流注入海洋，则有径流流出量R0＝0，则在内流域有：
　　　P0＝E0 即多年平均降水量等于多年平均蒸发量。

47 2、非闭合流域水量平衡方程 严格地讲，地球上几乎不存在闭合流域。对于非闭合流域，由于地表分水线与地下分水线不一致，有相邻流域的地下径流的流入，也可能有流到相邻流域的地下径流，则水量平衡方程中存在着该流域与相邻流域之间的地下径流交换量∆W，即有 　 P=R+E+∆S+∆W 在喀斯特地区，地下水系发达，通常要考虑与相邻流域的地下水交换量。但在其它地区，尤其大型流域，与相邻流域间的地下水交换量所占比重很小，常常忽略不计。

48 三、全球降水量和蒸发量沿纬度的分布 据下图 “全球降水与蒸发的纬度变化”，无论降水量或是蒸发量，也不管陆地还是海洋，都有从赤道（低纬）向两极（高纬）减少的趋势。南北纬10°之间的赤道带，全年受赤道低压带控制，降水量和蒸发量都很丰沛，但降水量大于蒸发量，水分过剩；南北回归线附近的热带和亚热带，受副热带高气压带和信风带控制，盛行下沉气流，干燥少雨，但因纬度低、气温高，蒸发旺盛，蒸发量大于降水量，显得水分不足；在40°以上的中高纬地区，受西风带控制，降水量又超过蒸发量；两极地区，降水和蒸发均很少。

49 全球降水、蒸发、海水盐度变化曲线图，ABCD分别表示四个海区

50 四、研究水量平衡的意义 1、为水循环提供了重要定量依据
水量平衡是水循环内存的规律，是水分循环的定量表达。据水量平衡方程，可由某些已知水文要素推求待定的水文要素。 2、为合理评价和开发水资源提供依据。 3、利用径流系数和蒸发系数可推求区域干湿状态。

51 思考题 　　水量平衡的研究区域可以是整个地球，也可以是某个流域、湖泊、海洋或某个特定区域。 请同学们思考大气中的水量平衡？

52 大气中的水量平衡 一定地区（陆地或海洋）上空的大气中，在一定时段内收入的水分为：随水平气流输入的水分(I)，来自下垫面蒸发的水分(E)
支出的水分为：随水平气流输出的水分(O)，降水量(P)。收入与支出水量之差等于该地区上空大气在该时段始末所含水分的变量。就多年平均情况言，一个地区上空大气中所含水分的量基本不变。因此，一定地区上空大气多年平均水量平衡方程为 　　　　　P-E＝I-O 输入的水分(I)与输出的水分(O)之差称为水分净输送或水汽净输送。当某地区上空大气中的水汽净输送量为正值时,该地区降水量大于蒸发量,当某地区上空大气中的水汽净输送量为负值时，该地区蒸发量大于降水量

53 复习思考题 1、什么叫水循环，它包括哪些环节，简述其过程。 2、试说明水分循环的原因？ 3、什么叫水分大循环和小循环？
4、什么是水量平衡，牢记各种水量平衡方程式（全球、陆地、海洋和流域）。

54 §1.3 水循环研究的发展P16-19 一、水循环研究进展 （一）基本资料库建立研究 （二）水循环的大气过程模拟研究
（三）水循环的陆面过程模拟研究 （四）陆-气相互作用的耦合 二、水循环研究的发展趋势 注：本节内容属扩展内容，不必掌握