2.1 水循環(huán)及水量平衡

1、 資源與環(huán)境學(xué)院1/42水文與水資源學(xué)Hydrology and Water Resources任課教師：呂國安華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院2014年 資源與環(huán)境學(xué)院2/422.2 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 資源與環(huán)境學(xué)院3/422.1 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 資源與環(huán)境學(xué)院4/422.1.1.1 地球上水的分布水圈：各種水體共同組成了一個連續(xù)而不規(guī)則的圍繞地球表層的水殼，稱為空間：大氣對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.

2、1 自然界的水循環(huán) 資源與環(huán)境學(xué)院5/425地球上的水量Total：13.86108km3能被人類直接利用的淡水資源僅占0.796%0.796%。 資源與環(huán)境學(xué)院6/42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

3、.6834海水1.341091.3410996.4029總水量1.391093.501071.35109表2-1 全球水儲量表 資源與環(huán)境學(xué)院7/42世界淡水分布比例圖南極洲擁有600萬立方英里的冰5萬年（密西西比河）830年（地球上所有河流）76米（海平面上升） 資源與環(huán)境學(xué)院8/422.1.1.2 水分循環(huán)及其模式 資源與環(huán)境學(xué)院9/422.1.1.2 水分循環(huán)及其模式 資源與環(huán)境學(xué)院10/42水循環(huán)的基本環(huán)節(jié)(過程、階段)蒸發(fā)散、水汽輸送、降水、徑流 資源與環(huán)境學(xué)院11/42定義：地球表面的水體在太陽輻射的作用下被蒸發(fā)上升至空中，被氣流帶動輸送到各地，水汽在上升和輸送過程中，遇冷凝結(jié)以降

4、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)，也是能量的循環(huán)。 資源與環(huán)境學(xué)院12/4212水分循環(huán)的原因（1）外因(動力條件)：太陽輻射、地心引力（重力）（2）內(nèi)因（水的物理性質(zhì)）：水的三態(tài)變化 資源與環(huán)境學(xué)院13/42根據(jù)水循環(huán)的過程，分為：1、大循環(huán)海陸間的水分循環(huán)過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)過程稱為水分的小循環(huán)（或

5、內(nèi)循環(huán)） 。 資源與環(huán)境學(xué)院14/422.1.1.4 水循環(huán)周期WWTT周期（單位-年、月、日、時）W水體的儲量（體積單位） 單位時間參與水循環(huán)的量（體積/時間）是研究水資源的非常重要的一個參數(shù)。如果一個水體的循環(huán)周期短、更新速度快，其水資源的利用率就高。W 資源與環(huán)境學(xué)院15/42各種水體循環(huán)交替的周期決定淡水補充量、水體自凈能力！更新周期較快的大氣水和河流水成為人們主要的淡水來源。2.1.1.4 水循環(huán)周期 資源與環(huán)境學(xué)院16/422.1.1.5 影響水循環(huán)的因素 資源與環(huán)境學(xué)院17/42人類活動對水循環(huán)的影響水資源利用（工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、娛樂用）修筑水庫（長江三峽）跨流域調(diào)水（南水北調(diào)）

6、圍湖造田（圍湖造房）填海造陸不合理砍伐森林（水土流失）污染物排放污染物排放.溫室氣體排放（溫室效應(yīng)的影響）溫室氣體排放（溫室效應(yīng)的影響） 資源與環(huán)境學(xué)院18/422.1.1.6 水循環(huán)的作用和意義 資源與環(huán)境學(xué)院19/42本節(jié)思考題 人類活動是怎樣對水循環(huán)產(chǎn)生影響的？結(jié)合自己的專業(yè)回答： 資源與環(huán)境學(xué)院20/42主要內(nèi)容： 水量平衡？ 可解決什么問題？ 水量平衡方程？ 如何構(gòu)建水量平衡方程？ 資源與環(huán)境學(xué)院21/42定義：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在水分循環(huán)過程中，對于任一區(qū)域在任一時段內(nèi)收入的水量和支出的水量之間的差額，必等于該時段內(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。 資源與環(huán)境學(xué)院2

7、2/42可解決的問題推求水量平衡的未知要素 了解和預(yù)測水體水情變化的影響源及影響程度判別觀測站點的分布和測量中的系統(tǒng)誤差定量分析人類活動引起的水循環(huán)及水資源變化1. 為水資源合理利用、時空控制與調(diào)配提供基礎(chǔ) 資源與環(huán)境學(xué)院23/42I A = W式中,I -研究時段內(nèi)輸入?yún)^(qū)域的水量A -研究時段內(nèi)輸出區(qū)域的水量W -研究時段內(nèi)區(qū)域儲水量的變化，可正可負(fù)水量平衡原理的定量表達(dá)式： 資源與環(huán)境學(xué)院24/42列水量平衡方程需要注意：（空間、時間和數(shù)量）對象：全球、海洋、陸地、流域、森林、草原、農(nóng)田、湖泊、水庫、任一地塊等。時段：長、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

8、水)單位：各要素的單位：常用平均水深, mm 資源與環(huán)境學(xué)院25/42（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 資源與環(huán)境學(xué)院26/42（2）土壤系統(tǒng)式中:P為降雨入滲量降雨入滲量；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 資源與環(huán)境學(xué)院27/42（3）地下水系統(tǒng)式中， 為地下水的降水人滲補給系數(shù)；EG

9、 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 資源與環(huán)境學(xué)院28/42 河流某斷面以上，匯集地表水和地下水的區(qū)域（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 資源與環(huán)境學(xué)院29/42（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收入支出變化一般流域水量平衡方程： 資源與環(huán)境學(xué)院30/42（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

10、E=E2-E1為時段內(nèi)的凈蒸發(fā)量，則流域通用水量平衡方程 資源與環(huán)境學(xué)院31/42非閉合流域非閉合流域/ /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。 資源與環(huán)境學(xué)院32/42Subsurface Capture 資源與環(huán)境學(xué)院33/42PEr地表地表WqR地下地下r地下地下地面分水線地面分水線地下分水線地下分水線凈蒸發(fā)量凈蒸發(fā)量降雨量降雨量從地下流出的水量從地下流出的水量從地面流出的水量從地面流出的水量從地下流入的水量從地下流入的水量工農(nóng)業(yè)及工農(nóng)業(yè)及生活

11、凈用水量生活凈用水量P R地下地下 E r地表地表 r地下地下 q+ W P R地下地下 E R+ W無工農(nóng)業(yè)及生活用水時 資源與環(huán)境學(xué)院34/42PEW地面分水線地面分水線地下分水線地下分水線凈蒸發(fā)量凈蒸發(fā)量降雨量降雨量從地面流出的水量從地面流出的水量P = E + R+Wr地表地表 資源與環(huán)境學(xué)院35/42PER=+短時或瞬時： P = E + R+W兩邊同時除以多年平均降雨量，得：1ERPP+=PERW多年平均： 資源與環(huán)境學(xué)院36/420.2:0.2 0.40.4 干燥帶 過渡帶 濕潤帶aaa1REPP+=1ab+= 資源與環(huán)境學(xué)院37/42474225699246000雅魯藏布江82

12、07271547452616珠 江53152910601807199長 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？ 資源與環(huán)境學(xué)院38/42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EP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 資源與環(huán)境學(xué)院39/42（6）全球海洋水量平衡方程P海 R陸E海 W海洋輸入:海洋上空的降水P來自大陸的徑流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: 資源與環(huán)境學(xué)院40/42 (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PREW陸陸陸陸-= PREW海陸海海+()() = ()PPEEWW陸海陸海陸海+-+D+D= 0= 0WW陸海，DD 資源與環(huán)境學(xué)院41/42 (7) 全球水量平衡= PE全球全球全球多年平均水量平衡表