Ch 3 水文循環 授課老師:王根樹 【本著作除另有註明，網站之內容皆採用 創用CC 姓名標示-非商業使用-相同方式分享 3.0 台灣 授權條款釋出】

水文循環 http://en.wikipedia.org

水資源系統 從那裡來？ 到那裡去？ 降水量多少？ 流掉多少？ 儲存多少？何種方式儲存？ 使用多少？

淡水的來源與使用 水資源(water resources)問題︰ 水量(quantity) 水質 (quality) 用水(water use)問題︰ 消耗性(consumptive)用水 非消耗性(nonconsumptive)用水

水文循環 水在大氣、海洋與陸地三大系統之間，以不同的形式移動，使得三大系統中的水能維持平衡。 水由地表蒸發至大氣中，再由大氣以降水形式落至大地，經由截流、窪蓄、蒸發散、入滲、滲漏，然後產生地表逕流，匯集至河川而流入大海，最後又經由蒸發返回大氣，形成水文循環。

水文循環的動力 太陽提供的熱（太陽能）可驅動水循環. 水的蒸發及植物的光合作用→形成水蒸氣 太陽能同樣也能造成溫差，因此可引起氣團做垂直或水平運動 空氣的垂直運動能引起其遇冷凝結而導致降雨, 水平運動則是能使海洋或其他水體的降水移至陸地 地型/地勢同樣能驅使空氣上升，在某些特定地形造成凝結降雨

水文循環 海洋與陸地水體，因接受太陽的熱能而氣化到大氣，此一過程稱為蒸發； 陸地上土壤與植物所含的水分也會氣化到大氣，則稱為蒸散。 經蒸發或蒸散作用（統稱為蒸發散）的水氣，被大氣環流傳送到大氣上層，凝結成液態（水滴）或固態（冰晶）而形成雲。 在適當條件下，大氣中的水氣會冷卻降落成為降水。在降水過程中，部分水滴或冰晶在降落途中，會再度蒸發成水氣，只有顆粒較大的水滴或冰晶有機會落到地面而形成降水。

台灣大學 王根樹

水文循環概念的發展 水是流動的，能將水及熱散佈至整個地球. 關於水文循環想法的演進︰ Plato (400BC): 地底下有一個很大的蓄水池，並且在地球內有很多互相通連的管道 Aristotle (350BC): 蒸發有兩種形式：潮濕的表面以及乾燥地球的噴氣

水文循環概念的發展 Vitruvius (西元前幾十年): 1. 溪谷充滿著豐沛的水資源; 2. 融雪會被土壤吸收並滲透進去; 1. 溪谷充滿著豐沛的水資源; 2. 融雪會被土壤吸收並滲透進去; 3. 只有淡水會被蒸發; 4. 風會帶著濕氣移動.

水文循環概念的發展 Leonardo (~1500): 水之於地球，就好似血液之於人體. Palissy (~1500): 河流和涌泉皆來自降水 Marsh (1864): 降水會被當地的環境狀況所影響. Holzman (1937): 海洋的氣團是降水的主要來源 Benton et al. (1950): 85 to 90% 的降水是來自於海洋的氣團

The Hydrologic Cycle 四個基本 組成: 1 降雨, 2 逕流, 3 儲存,及 4 蒸發. http://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclechinesehi.html

影響水文循環的元素 當考慮一流域系統的水文循環時，降水就是此系統的輸入量。 截留、窪蓄、入滲與地下水是此系統的儲存量。 蒸發散量與流出量是系統的輸出量。 在一流域內輸入量應等於儲存量與輸出量的和，水準衡方程式可表示為︰ 輸入量（降雨量）＝ 儲存量（截留、窪蓄、入滲與地下水）＋ 輸出量（蒸發散量與流出量）

洪水是如何形成的？ 從水平衡方程式來看，發生洪水有兩種可能︰ 第一種是水平衡方程式中的輸入量（即降雨量）太大所引發，可稱為自然氣候條件造成的洪水。 當自然流域地貌與地文特性未受干擾，其截留、窪蓄、入滲、蒸發散與地下水的特性保持不變，即該流域的水平衡方程式中，儲存量大致維持固定時，如果發生超量降雨，依據水平衡方程式，流域即會有大量的流出量而形成洪水；此時如流出量不足（排水不及）就會導致區域性淹水。 第二種可能原因是水平衡方程式中的儲存量減少（即河川流域的水源涵養能力降低）所導致，在相同輸入量下，因儲存量減少而增加流域流出輸出量，這是人為活動所造成的洪水。

降水與洪災 水文循環中降水可能與洪水災害具有最直接的關係，降雨的特性包括降雨總量（降雨強度）、降雨範圍(面積)、降雨延時與降雨規模（發生頻率）等。 年與年之間的降雨關係具有明顯隨機變動的特性。我們很難從紀錄圖中找出規則性，以預測最大單日降雨量是多少。 我們可利用雨量紀錄，經由統計分析模型，來推論某一出現機率的降雨，做為設計豪雨的參考。比如重現期距為一百年的降雨，即長期平均而言，每一百年會發生一次的降雨，但不表示發生一次百年降雨之後，要等一百年才再發生一次。而是指每年大於或等於此一降雨的機率是百分之一。 用統計方法來分析、設計豪雨的基本假設條件是，未來降雨的統計特性與歷史觀測雨量紀錄的統計特性相似，但假如未來年最大降雨具有明顯的上升或下降的變動趨勢時，工程統計分析方法就必須加以修正。

水文循環過程的變化 天然流域地表具有良好的透水性，雨水降落地面之後，一部分下滲到地下補給地下水，一部分涵養在地下水位以上的土壤孔隙內，一部分窪蓄和蒸發，其餘部分則產生地表逕流。北美安大略資料顯示，都市化前，天然流域的蒸發量占降水量的 40％，地表逕流部分占 10％，入滲地下水量占 50％。 然而都市化後，由於人類活動的影響，不透水地面大量增加，使城市的水文循環類況發生了變化，降水滲入地下的部分減少，產生地面逕流的部分增加。隨著城市化的發展，不透水面積的百分比愈大，其儲存水量愈小，地面逕流則愈大。由統計資料顯示，都市化後，逕流量可由 10％ 增加到 43％。 → 結果？

供應大台北地區民生用水的翡翠水庫（康世芳攝）。 台灣大學 王根樹 上圖： 供應大台北地區民生用水的翡翠水庫（康世芳攝）。 在2002年受乾旱影響水位首次降至歷史新低，常眠水庫湖底的碧山國小舊校址因水位降低而於2002年4月初再度露出水面。

水文循環的要素 降水 蒸散 土壤的水分儲存 逕流(表土及地表下)

地表逕流和入滲流: 地表逕流: 當降水強度超過土壤滲透能力時而形成的表面流水。 地表逕流的流速= 200 - 300 m/hr. 入滲流: 水滲透入上層的土壤層並達到其堡和能力，接著繼續往更下層移動 入滲流的流速: 20 - 30 cm/hr. → 何以河川在降雨過後數周仍有水？

降水 降水有很多種形式，當空氣上升形成過飽和空氣，其中的雲滴無法承受重力落下即成降水 通常用來測量降水的工具為雨量計(也可被調整用來量測雪) 假如能夠得知在特定時間內降水的深度, 我們便能將其轉換為體積

逕流 由於降水事件而使的大量的水流經地表 氣候、地形、地表特徵、降水強度、及降水期間都是逕流的重大影響原素 先前越潮濕，降水的強度越大，及暴風雨持續的時間越長，則逕流越大 土壤的滲透能力, 以及土地坡度都會影響地表逕流的特性.

水的儲存 逕流流經地表或滲漏入地下水儲存起來, 有時候只需極短的時間(例如溪流) ，但有時候則需較長的一段時期(例如在深處的蓄水層). 水在其途徑上會經過一層又一層的儲存處所，但最後通常會到達海洋 湖泊和水庫是我們最常用來暫時儲水的裝置, 但更多的水則是儲存在地底下 水庫為為了留住水資源供人類使用的水體 →翡翠水庫與石門水庫差異何在？

飲用水的水文循環-清水與污水 水源 住宅區或商業區 淨水廠 配水系統 污水系統 化糞池 污水處理廠 滲漏 放流水體

水文循環中的污染問題 酸雨 污水處理廠 掩埋場 USEPA

人類活動對水文循環的影響 在人類活動影響作用下，人為改變原有的水資源系統（包括水資源系統架構、徑流過程以及作用機理等），使原來的水資源系統更加複雜。 人類活動的影響作用主要表現下︰ 興建蓄水、調水工程，改變水資源自然的流動特性和轉化過程； 興建引水、提水工程，大量開採地表、地下水，增加水資源的使用量和消耗量； 生活污水、工業廢水、灌溉退水的排放，改變了天然水體的水質狀況。

氣候變化對水資源的影響 引起氣候變化的原素很多，既有自然原素，也有人為原素。多數科學家研究認為，由於人類活動排放大量溫室氣體引起全球變暖將是未來全球氣候變化的主流趨勢。 氣候變化必然會引起水循環的變化，特別是降水變化直接決定著水循環的強弱，引起水資源在時空上的重新分發和水資源數量的改變，進而影響生態系統格局和經濟社會發展佈局。

氣候變遷對水文及水資源的衝擊 當能量系統改變氣候時，也會改變水文循環系統。氣候變化直接衝響水文及水資源供應與防災系統。 降雨與蒸發都和氣候直接相關，因此地表流量與地下水補注量都會受到氣候影響。 氣候變遷使得氣候變異加劇，極端降雨強度會增加，因地表流量大增導致洪災、土石流災害等。連續不降雨日會更長，地表流量與地下水補注量減少。 地表水資源可供應量隨著氣候變異加劇而變化加大，使得蓄水設施的需求增加，地下水資源可利用量因為補注可能減少而降低，從水資源供應端來看，地表與地下水資源可供應量的信賴度將降低。 童慶斌、林嘉佑，氣候變遷的挑戰與因應。（http://web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=9557&ctNode=40&mp=1）

版權聲明 作品 授權條件 作者/來源 Wiki USGS http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_cycle_el.png 2011/09/12 visited Wiki Tenfold http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Natural_water_cycle_1.jpg 台灣大學 王根樹 2011/09/13 visited The Water Treatments http://www.thewatertreatments.com/water-quality-lab-who/water-diseases

作品 授權條件 作者/來源 USEPA http://www.waterfilters-camping-water-purifier.com/pollution-sources.html 2011/9/24 visited