地球上的水循環(huán)和水量平衡P課件

1第1章地球上水分循環(huán)與水量平衡P10－19許武成教授主講1第1章地球上水分循環(huán)與水量平衡P10－19許武成教授主講1§1.1地球上的水分循環(huán)11－19一、水分循環(huán)的過程、原因及影響因素

（一）水分循環(huán)過程地球上的水并非是靜止不動(dòng)的。地球上各種形態(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(jié)降水、下滲和徑流等環(huán)節(jié)，不斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換和空間位置的轉(zhuǎn)移過程，稱為水分循環(huán)，又叫水文循環(huán)，簡稱水循環(huán)（圖1－1）。

其具體過程為：

§1.1地球上的水分循環(huán)11－19一、水分循環(huán)的過程、原因23水汽輸送1蒸發(fā)4降水1蒸發(fā)4降水1植物蒸騰湖5地表徑流6地下徑流海洋5蒸發(fā)2降水3水汽輸送1蒸發(fā)4降水1蒸發(fā)4降水1植物蒸騰湖5地3地球表面的水在太陽輻射作用下，大量水分不斷地從海洋、河湖等水面、陸面和植物表面蒸發(fā)和蒸騰，升入空中，被氣流帶動(dòng)輸送至各地，在適當(dāng)條件下遇冷凝結(jié)而以降水形式降落到地表面或水體上。降落到陸地表面的水又在重力作用下，一部分滲入地下，一部分形成地表徑流注入江河匯流大海，還有一部分又重新蒸發(fā)返回空中。其中滲入到地下的水，一部分也逐漸蒸發(fā)，一部分也形成徑流最終也匯集于海洋。地球表面的水在太陽輻射作用下，大量水分不斷地從海洋、河湖等水4水循環(huán)包括的五個(gè)環(huán)節(jié)兩大部分：大氣部分（包括水汽階段、降水階段）與地面部分（徑流與下滲階段、蒸發(fā)階段）五個(gè)環(huán)節(jié)：1）蒸發(fā)蒸騰—將液態(tài)水、固態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水；2）水汽輸送—蒸發(fā)的水汽被氣流輸送各地；3）凝結(jié)降水—水汽在上升和輸送過程中，遇冷凝結(jié)，適當(dāng)條件下降落地表；4）下滲—指降落到地面上的水依靠分子力、毛管力和重力滲入地下的過程；5）地表地下徑流—降落到地表的水一部分下滲形成地下徑流和壤中流，一部分形成地表徑流。水循環(huán)包括的五個(gè)環(huán)節(jié)兩大部分：大氣部分（包括水汽階段、降水階5（二）水循環(huán)機(jī)理1、水循環(huán)服從于質(zhì)量守恒定律整個(gè)循環(huán)過程保持著連續(xù)性，既無開始，也沒有結(jié)尾。從實(shí)質(zhì)上說，水循環(huán)乃是物質(zhì)與能量的傳輸、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化過程，而且存在于每一環(huán)節(jié)。在蒸發(fā)環(huán)節(jié)中，伴隨液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水的是熱能的消耗，伴隨著凝結(jié)降水的是潛熱的釋放，所以蒸發(fā)與降水就是地面向大氣輸送熱量的過程。據(jù)測算，全球海陸日平均蒸發(fā)量為1.5808萬億立米，是長江全年入海徑流量的1.6倍，蒸發(fā)這些水汽的總耗熱量高達(dá)3.878×1021焦耳，如折合電能為10.77×1014千瓦時(shí)，等于1990年全世界各國總發(fā)電量的近100倍，所以地面潛熱交換成為大氣的熱量主要來源。由降水轉(zhuǎn)化為地面與地下徑流的過程，則是勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過程。這些動(dòng)能成為水流的動(dòng)力，消耗于沿途的沖刷，搬運(yùn)和堆積作用，直到注入海洋才消耗殆盡。（二）水循環(huán)機(jī)理1、水循環(huán)服從于質(zhì)量守恒定律62、太陽輻射與重力作用，是水循環(huán)的基本動(dòng)力

水循環(huán)內(nèi)因—水的物理屬性，即在目前大氣環(huán)境下，水的固、液、氣三態(tài)并存和三態(tài)在常溫條件下相互轉(zhuǎn)化。水循環(huán)外因—太陽輻射和重力是水循環(huán)的基本動(dòng)力。太陽輻射是地表熱能的主要源泉，它促使冰雪融化，水分蒸發(fā)，空氣流動(dòng)等，是水分循環(huán)的動(dòng)力。重力是促使空中水滴降落和地面、地下徑流流歸海洋的動(dòng)力。外部環(huán)境包括地理緯度、海陸分布、地貌形態(tài)等則制約了水循環(huán)的路徑、規(guī)模與強(qiáng)度。

2、太陽輻射與重力作用，是水循環(huán)的基本動(dòng)力水循環(huán)內(nèi)因—水的73、水循環(huán)廣及整個(gè)水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈水循環(huán)廣及整個(gè)水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈。其循環(huán)路徑并非單一的，而是通過無數(shù)條路線實(shí)現(xiàn)循環(huán)和相變的，所以水循環(huán)系統(tǒng)是由無數(shù)不同尺度、不同規(guī)模的局部水循環(huán)所組合而成的復(fù)雜巨系統(tǒng)。3、水循環(huán)廣及整個(gè)水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈水循環(huán)廣84、全球水循環(huán)是閉合系統(tǒng)，但局部水循環(huán)卻是開放系統(tǒng)。全球水循環(huán)是閉合系統(tǒng)，但局部水循環(huán)卻是開放系統(tǒng)。因?yàn)榈厍蚺c宇宙空間之間雖亦存在水分交換，但每年交換的水量還不到地球上總貯水量的1/15億，所以可將全球水循環(huán)系統(tǒng)近似的視為既無輸入，又無輸出的一個(gè)封閉系統(tǒng)，但對(duì)地球內(nèi)部各大圈層，對(duì)海洋、陸地或陸地上某一特定地區(qū)，某個(gè)水體而言，既有水分輸入，又有水分輸出，因而是開放系統(tǒng)。4、全球水循環(huán)是閉合系統(tǒng)，但局部水循環(huán)卻是開放系統(tǒng)。全球水循95、水文循環(huán)是巨大的物質(zhì)循環(huán)地球上的水分在交替循環(huán)過程中，總是溶解并攜帶著某些物質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)，諸如溶于水中的各種化學(xué)元素、氣體以及泥沙等固體雜質(zhì)等。不過這些物質(zhì)不可能象水分那樣，構(gòu)成完整的循環(huán)系統(tǒng)，所以通常意義上的水文循環(huán)僅指水分循環(huán)，簡稱水循環(huán)。5、水文循環(huán)是巨大的物質(zhì)循環(huán)地球上的水分在交替循環(huán)過程中，總10（三）影響水循環(huán)的因素自然地理因素：1）氣象因素：起主導(dǎo)作用的因素。蒸發(fā)、水汽輸送和凝結(jié)降水三個(gè)環(huán)節(jié)取決于氣象過程。下滲狀況和徑流情勢雖與下墊面有關(guān)，但其基本規(guī)律仍受氣象因素的控制。2）下墊面因素：主要通過影響蒸發(fā)、下滲和徑流來影響水循環(huán)。人類活動(dòng)：1）水利措施；2）農(nóng)林措施；3）跨流域調(diào)水等（三）影響水循環(huán)的因素自然地理因素：11二、水循環(huán)的類型與層次結(jié)構(gòu)P12（一）水循環(huán)的類型按規(guī)模和路徑，水循環(huán)可分為大循環(huán)（外循環(huán)）和小循環(huán)（內(nèi)循環(huán)）兩類。1、大循環(huán)（外循環(huán)）大循環(huán)：指發(fā)生在海洋與陸地之間的水分交換過程，又叫外循環(huán)、全球性的水循環(huán)或海陸間的水循環(huán)。其具體過程：從海面蒸發(fā)的水汽，部分被氣流輸送到大陸上空，在適當(dāng)條件下遇冷凝結(jié)并降落到陸地地表，除一部分蒸發(fā)返回空中外，其余的降水則形成地表徑流或滲入地下形成地下徑流，經(jīng)河槽匯集，最終又回歸海洋。這就完成了海陸間大循環(huán)。二、水循環(huán)的類型與層次結(jié)構(gòu)P12（一）水循環(huán)的類型12水分大循環(huán)通常經(jīng)歷蒸發(fā)、輸送、凝結(jié)、降水、入滲和徑流等環(huán)節(jié)，一方面在天空、地面和地下之間通過蒸發(fā)、降水和入滲進(jìn)行縱向水分交換（垂直方向）；另一面又在海洋與陸地之間以水汽輸送和徑流形式進(jìn)行橫向交換（水平方向）。海洋從空中向大陸輸送大量水汽，大陸則通過地面和地下徑流把水分輸送到海洋里去。大陸上蒸發(fā)的水汽也可隨氣流帶到海洋上空。但總的說來，水汽輸送方向是從海洋輸向大陸的。海洋向陸地輸送的水汽減去陸地向海洋輸送的水汽，稱為有效水汽輸送量。水分大循環(huán)通常經(jīng)歷蒸發(fā)、輸送、凝結(jié)、降水、入滲和徑流等環(huán)節(jié)，13水循環(huán)類型示意圖圖1.2水循環(huán)類型示意圖圖1.2142、小循環(huán)（內(nèi)循環(huán)）指發(fā)生在海洋與海洋上空之間或陸地與陸地上空之間的局部性水分循環(huán)，亦稱內(nèi)循環(huán)，包括海洋小循環(huán)與陸地小循環(huán)。（1）海洋小循環(huán)（海洋內(nèi)循環(huán)）指從海面蒸發(fā)的水汽，在空中凝結(jié)后又以降水形式直接降落到海面上，即發(fā)生在海洋與海洋上空之間的水分交換過程。2、小循環(huán)（內(nèi)循環(huán)）15（2）陸地小循環(huán)指陸地上蒸發(fā)的水汽隨同從海洋輸送來的水汽一起，被氣流輸向內(nèi)陸，遇冷凝結(jié)降落，仍降落到陸地上。這種發(fā)生在陸地與陸地上空之間的水分交換過程，稱為陸地小循環(huán)或陸上內(nèi)循環(huán)。陸地小循環(huán)對(duì)內(nèi)陸地區(qū)的降水具有重要作用。內(nèi)陸地區(qū)距海洋遙遠(yuǎn)，從海洋直接輸送到內(nèi)陸的水汽不多，需要通過內(nèi)陸局部地區(qū)的水分循環(huán)運(yùn)動(dòng)，使水汽不斷向內(nèi)陸輸送、推進(jìn)，這就是內(nèi)陸地區(qū)的主要水汽來源。由于水分向內(nèi)陸輸送過程中，沿途會(huì)逐步損耗，故由沿海向內(nèi)陸，降水逐漸減少；另一方面，水分向內(nèi)陸推進(jìn)或告退，也會(huì)造成降水在時(shí)間上的漸變規(guī)律，由沿海向內(nèi)陸，雨季推遲和縮短。（2）陸地小循環(huán)16（二）全球水循環(huán)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如前所述，全球水循環(huán)是由海洋的、陸地的以及海洋與陸地之間的各種不同尺度，不同等級(jí)的水循環(huán)所組合而成的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)。由于這些分子水循環(huán)系統(tǒng)既緊密聯(lián)系，相互影響，又相對(duì)獨(dú)立。所以對(duì)這個(gè)全球性的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)，可以根據(jù)海陸分布，各分子系統(tǒng)的尺度、規(guī)模不同，以及相互之間上下隸屬關(guān)系，建立如圖2-3所示的水循環(huán)分子等級(jí)系統(tǒng)。陸地水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比海洋水循環(huán)系統(tǒng)要復(fù)雜，而且在四級(jí)以下還可進(jìn)一步區(qū)分，例如長江流域?yàn)樗募?jí)水循環(huán)系統(tǒng)，漢江作為長江的一級(jí)支流，就屬于五級(jí)水循環(huán)系統(tǒng)，而丹江是漢江的支流，是長江的二級(jí)支流，因而屬于六級(jí)水循環(huán)系統(tǒng)。

（二）全球水循環(huán)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如前所述，全球水循環(huán)是由海洋的17地球上的水循環(huán)和水量平衡P課件18三、水體的更替周期指水體在參與水循環(huán)過程中全部水量被更新一次所需的時(shí)間，通常用下式近似計(jì)算：式中T為更替周期（年、日或時(shí)）；W為水體總儲(chǔ)水量（m3）；為水體年平均參與水循環(huán)的活動(dòng)量（m3/年）三、水體的更替周期指水體在參與水循環(huán)過程中全部水量被更新一次19以世界大洋為例，總儲(chǔ)水量為13.38×1017米3，每年海水總蒸發(fā)量為50.5×1013米3，以此計(jì)算，海水全部更新一次約需要2650年；如果以入海徑流量4.7×1013米3為準(zhǔn)，則更新一次需要28468年。又如世界河流的河床中瞬時(shí)貯水量為21.2×1011米3，而其全年輸送入海的水量為4.7×1013米3，因此一年內(nèi)河床中水分可更替22次，平均每16天就更新一次。大氣水更替的速度還要快，平均循環(huán)周期只有8天，然而位于極地的冰川，更替速度極為緩慢，循環(huán)周期長達(dá)萬年。以世界大洋為例，總儲(chǔ)水量為13.38×1017米3，每年海水20各種水體的更替周期表各種水體的更替周期表21水體的更替周期是反映水循環(huán)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，亦是反映水體水資源可利用率的基本參數(shù)。因?yàn)閺乃Y源永繼利用的角度來衡量，水體的儲(chǔ)水量并非全部都能利用，只有其中積極參與水循環(huán)的那部分水量，由于利用后能得到恢復(fù)，才能算作可資利用的水資源量。而這部分水量的多少，主要決定于水體的循環(huán)更新速度和周期的長短，循環(huán)速度愈快，周期愈短，可開發(fā)利用的水量就愈大。以我國高山冰川來說，其總貯水量約為5×1013米3，而實(shí)際參于循環(huán)的水量年平均為5.46×1011米3，僅為總貯水量的1/100左右，如果我們想用人工融冰化雪的方法，增加其開發(fā)利用量，就會(huì)減少其貯水量，影響到后續(xù)的利用。水體的更替周期是反映水循環(huán)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，亦是反映水體水資源22四、水循環(huán)的作用與效應(yīng)水循環(huán)是地球上的物質(zhì)大循環(huán)，巨大的能量流，對(duì)自然界和人類具有重大的作用和意義。（一）水循環(huán)是聯(lián)系大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，并成為它們之間的能量調(diào)節(jié)器水循環(huán)的一系列過程中，通過降水、地表徑流、入滲、地下徑流、蒸發(fā)和植物蒸騰等各個(gè)環(huán)節(jié)，使地球四大圈層相互聯(lián)系起來，并在物質(zhì)流的同時(shí)，伴隨能量流。四、水循環(huán)的作用與效應(yīng)水循環(huán)是地球上的物質(zhì)大循環(huán)，巨大的能量23地球表層系由大氣圈、巖石圈，生物圈以及水圈組合而成。在這一有序的龐大層次結(jié)構(gòu)中，水圈居于主導(dǎo)地位，正是水圈中的水，通過周流不息的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，積極參于了圈層之間界面活動(dòng)，并且深入4大圈層內(nèi)部，將它們耦合在一起。水循環(huán)，它上達(dá)15公里的高空，成為大氣圈的有機(jī)組成部分，擔(dān)當(dāng)了大氣循環(huán)過程的主角；下深地表以下1—3公里深處，積極參與巖石圈中化學(xué)元素的遷移過程，成為地質(zhì)大循環(huán)的主要?jiǎng)恿σ蛩?；同時(shí)水作為生命活動(dòng)的源泉，生物有機(jī)體的組成部分，它全面的參與了生物大循環(huán)，成為溝通無機(jī)界和有機(jī)界聯(lián)系的紐帶，并將4大圈層串聯(lián)在一起，組合成相互影響、相互制約的統(tǒng)一整體。從這一意義上說，水循環(huán)深刻地影響了地球表層結(jié)構(gòu)的形成以及今后的演變與發(fā)展。地球表層系由大氣圈、巖石圈，生物圈以及水圈組合而成。在這一有24（二）通過水循環(huán)，地球上各種水體相互聯(lián)系轉(zhuǎn)換，使水資源得以再生，給人類提供取之不竭，用之不盡的水利資源水是人類賴以生存、發(fā)展的寶貴資源，是廉價(jià)、清潔的能源，是農(nóng)業(yè)的命脈、工業(yè)的血液和運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，它與其它自然資源相比較主要不同點(diǎn)是水資源具有再生性和可以永繼利用的特點(diǎn)。這一特點(diǎn)正是水循環(huán)所賦予的。如果自然界不存在水循環(huán)現(xiàn)象，那么水資源亦就不能再生，無法永繼利用。但必須指出的是水資源的再生性和可以永繼利用不能簡單的理解為“取之不盡，用之不竭”。因?yàn)樗Y源永繼利用是以水資源開發(fā)利用后能獲得補(bǔ)充、更新為條件的。更新速度和補(bǔ)給量要受到水循環(huán)的強(qiáng)度、循環(huán)周期的長短的制約，一旦水資源開發(fā)強(qiáng)度超過地區(qū)水循環(huán)更新速度或者遭受嚴(yán)重的污染，那么就會(huì)面臨水資源不足，甚至枯竭的嚴(yán)重局面。所以對(duì)于特定地區(qū)而言，可開發(fā)利用的水資源量是有限的。必須重視水資源的合理利用與保護(hù)。只有在開發(fā)利用強(qiáng)度不超過地區(qū)水循環(huán)更新速度以及控制水污染的條件下，水資源才能不斷獲得更新，才能永繼利用。（二）通過水循環(huán)，地球上各種水體相互聯(lián)系轉(zhuǎn)換，使水資源得以再25（三）水循環(huán)是聯(lián)系海洋與陸地的主要紐帶海洋正是通過蒸發(fā)水分源源不斷地向大陸輸送水汽而形成降水，進(jìn)而影響陸地上的一系列物理、化學(xué)與生物過程。而從陸地上回歸海洋的徑流，則不斷地向海冰輸送大量的泥沙、有機(jī)雜質(zhì)、各種營養(yǎng)鹽類，進(jìn)而影響海水的性質(zhì)、海水中的生物學(xué)過程，以及海冰沉積與海盆形態(tài)等。（三）水循環(huán)是聯(lián)系海洋與陸地的主要紐帶海洋正是通過蒸發(fā)水分源26（四）水循環(huán)是一切水文現(xiàn)象的根源。水循環(huán)是地球上一切水文現(xiàn)象的根源，沒有水循環(huán)，地球上也就不會(huì)發(fā)生蒸發(fā)、降水，徑流；不存在江河、湖泊。所以研究地球上的水循環(huán)，是認(rèn)識(shí)和掌握自然界錯(cuò)綜復(fù)雜的水文現(xiàn)象的一把鑰匙；是把握自然界各種水體的性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)變化及其相互關(guān)系的有效方法和手段?？梢哉f水循環(huán)與水量平衡的研究引導(dǎo)了以往水文學(xué)科的發(fā)展，亦將指導(dǎo)水文學(xué)的未來，并正從宏觀與微觀雙向尺度上，不斷拓寬與加深水文學(xué)科。（四）水循環(huán)是一切水文現(xiàn)象的根源。水循環(huán)是地球上一切水文現(xiàn)象27水分循環(huán)對(duì)于全球性水分和熱量的再分配起著重大的作用，這種作用與大氣循環(huán)相互聯(lián)系而發(fā)生，從而影響了一地氣候的主要方面——降水與氣溫。水分循環(huán)具有物質(zhì)“傳輸帶”的作用，而且又是巖石圈表層機(jī)械搬運(yùn)作用以及自然地理環(huán)境中無機(jī)成分和有機(jī)成分化學(xué)元素遷移的強(qiáng)大動(dòng)力。在水分循環(huán)過程中伴隨產(chǎn)生了各種常態(tài)地貌和河流、地下水、湖泊等等。水分循環(huán)也是生物有機(jī)體維持生命活動(dòng)和整個(gè)生物圈構(gòu)成復(fù)雜的水膠體系統(tǒng)的基本條件，起著有機(jī)界和無機(jī)界聯(lián)系的紐帶作用?？傊?，水分循環(huán)有如自然地理環(huán)境的“血液循環(huán)”，它溝通了各基本圈層的物質(zhì)交換，促使各種聯(lián)系的發(fā)生。水分循環(huán)過程同時(shí)起著水文過程、氣候過程、地形過程、土壤過程、生物過程以及地球化學(xué)過程等作用。水分循環(huán)對(duì)于全球性水分和熱量的再分配起著重大的作用，這種作用28§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發(fā)量沿緯度的分布研究水量平衡的意義§1.3水量平衡P13－16水量平衡原理29一、水量平衡原理在現(xiàn)今的宇宙背景下，地球上的總水量接近一個(gè)常數(shù)。但對(duì)地球上的任何圈層或任何地段都是一個(gè)開放系統(tǒng)，既有水分的輸入，又有水分的輸出。根據(jù)物質(zhì)不滅定律（質(zhì)量守衡定律）：對(duì)于地球上的任何一個(gè)地區(qū)在任意時(shí)段內(nèi)，收入的水量與支出的水量之差額必然等于該地區(qū)在該時(shí)段內(nèi)的蓄水變化量，這就叫水量平衡原理(WaterBalance)。水量平衡是水循環(huán)內(nèi)存的規(guī)律，是水分循環(huán)的定量表達(dá)。水量平衡原理是研究各種水循環(huán)要素之間數(shù)量關(guān)系的基本原理，也是水資源量估算的基本出發(fā)點(diǎn)。

一、水量平衡原理在現(xiàn)今的宇宙背景下，地球上的總水量接近一個(gè)常30水量平衡的基本方程為：式中，I為區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)收入（輸入）水量；O為區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)支出（輸出）水量；S1/S2為區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)的始末蓄水量;ΔS為區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)的蓄水變量。在多水期ΔS為正值，表示蓄水量(storedwater

)增加；在少水期ΔS為負(fù)值，表示蓄水量減少；在多年情況下ΔS為零（ΔS→0），表示多年中蓄水量平均起來是保持不變的。水量平衡方程式是水分循環(huán)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)不同的區(qū)域可建立不同的水量平衡方程。水量平衡的基本方程為：31二、水量平衡方程式

（一）通用水量平衡方程現(xiàn)以陸地上任一地區(qū)為研究對(duì)象，取其三度空間的閉合柱體，其上界為地表面，下界為地下無水分交換的深度。這樣，對(duì)任一閉合柱體，任一時(shí)間內(nèi)的水量收入I為：式中：P—區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)的降水量；E1—水汽凝結(jié)量；R表、R地下

—分別為在給定時(shí)段內(nèi)地表、地下流入?yún)^(qū)域內(nèi)的徑流量二、水量平衡方程式

（一）通用水量平衡方程現(xiàn)以陸地上任一地區(qū)32區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)支出水量O為：E2——區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)地表總蒸散發(fā)量；、——分別為地表、地下徑流流出量；q——研究時(shí)段內(nèi)工農(nóng)業(yè)和生活凈用水量（即區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)人類凈用水量）區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)支出水量O為：33則通用水量平衡方程式為由于上式中E1為負(fù)蒸發(fā)量，令E＝E2－E1為時(shí)段內(nèi)凈蒸發(fā)量；△S＝S2－S1為時(shí)段內(nèi)蓄水變化量，則通用水量平衡方程式可改寫為：則通用水量平衡方程式為由于上式中E1為負(fù)蒸發(fā)量，令E＝E34降雨p蒸發(fā)E地下水（入）R地下地下水（出）地表水R表（入）地表水（出）工農(nóng)業(yè)等用水q降雨p蒸發(fā)E地下水（入）R地下地下水（出）地表水R表（入）地35隨著觀測手段和實(shí)驗(yàn)方法的不斷發(fā)展，水量平衡研究也愈加詳盡。如對(duì)上述閉合柱體分為若干個(gè)層次，分層研究水量的收支情況，建立各層的水量方程，則研究成果將會(huì)更加細(xì)致和精確。隨著觀測手段和實(shí)驗(yàn)方法的不斷發(fā)展，水量平衡研究也愈加詳盡。36（二）全球水量平衡方程全球海洋收入水量有大氣降水P和入海徑流量R；支出水量有蒸發(fā)量E，則全球海洋水量平衡方程為：?S＝S2－S1＝（P+R）－E多年平均而論，?S＝0，則有E0＝P0+R0，即全球海洋蒸發(fā)量大于降水量，海洋是大氣水分和陸地降水的來源。海洋提供了海洋降水量的85%和陸地降水量的89%1、全球海洋水量平衡方程地球表面有陸地和海洋兩大基本單元，可以依據(jù)通用水量平衡方程，首先分別建立海洋的和陸地的水量平衡方程，然后再將它們合并為全球水量平衡方程。（二）全球水量平衡方程全球海洋收入水量有大氣降水P和入海徑流372、全球陸地水量平衡方程全球陸地在任一時(shí)段收入水量為大氣降水P；支出水量有蒸發(fā)量E和地表、地下徑流量R（入海徑流量），則全球陸地水量平衡方程：

?S＝S2－S1＝P－（E＋R）多年平均，?S＝0，則P0＝E0＋R0，即全球陸地降水量大于蒸發(fā)量，以徑流形式補(bǔ)充海洋，實(shí)現(xiàn)全球水量平衡。2、全球陸地水量平衡方程全球陸地在任一時(shí)段收入水量為大氣降水383、全球水量平衡方程降水、蒸發(fā)和徑流在整個(gè)水循環(huán)中，是三個(gè)重要的環(huán)節(jié)，在全球水量平衡中，它們同樣是最主要的因素。整個(gè)地球在任一時(shí)段收入水量為大氣降水P；支出水量為蒸發(fā)量E，則全球水量平衡方程為：

△S＝S2－S1＝P－E多年平均，?S＝0，則P0＝E0。即全球海陸降水量之和等于全球海陸蒸發(fā)量之和，說明全球水量保持平衡，基本上長期不變。注：關(guān)于全球水量平衡數(shù)據(jù)不同學(xué)者研究結(jié)果不一樣。3、全球水量平衡方程降水、蒸發(fā)和徑流在整個(gè)水循環(huán)中，是三個(gè)重39表1－5地球上的水量平衡（P16）表1－5地球上的水量平衡（P16）40（三）流域水量平衡方程

1、閉合流域水量平衡方程流域——指河流的集水區(qū)域（補(bǔ)給區(qū)域），即分水線所包含的區(qū)域，包括地表集水區(qū)和地下集水區(qū)。地表分水線與地下分水線完全重合一致的流域稱為閉合流域；反之，二者不重合的流域?yàn)榉情]合流域?？梢?，閉合流域與相鄰流域之間沒有水量交換，因此其水量的收入I只有大氣降水P；水量支出項(xiàng)目O有：蒸發(fā)量E和地表、地下徑流量R（R＝Rs＋Rss＋Rg）（三）流域水量平衡方程

1、閉合流域水量平衡方程流域——指河41則閉合流域水量平衡方程為：

流域蓄水變量ΔS可正可負(fù)。但就多年平均情況，蓄水變量ΔS趨于零（ΔS→0），即有

式中，、、分別為流域多年平均降水量、蒸發(fā)量和徑流量。則閉合流域水量平衡方程為：42若上式兩邊同除以降水量P0，得令，，則：

α+β=1式中，α為多年平均徑流系數(shù)，表示降水量中轉(zhuǎn)化為徑流量的比例；β為多年平均蒸發(fā)系數(shù)，表示降水量中消耗于蒸發(fā)而轉(zhuǎn)化為水汽的比例。若上式兩邊同除以降水量P0，得43上式表明，流域多年平均條件下，徑流系數(shù)與蒸發(fā)系數(shù)之和等于1。因此，α和β綜合反映了一個(gè)地區(qū)氣候的干濕狀況。干燥地區(qū)蒸發(fā)系數(shù)大，徑流系數(shù)小，說明降水多數(shù)消耗于蒸發(fā)而產(chǎn)生徑流少，水分不足。濕潤地區(qū)蒸發(fā)系數(shù)小而徑流系數(shù)大，說明降水量多數(shù)產(chǎn)生徑流，而消耗于蒸發(fā)的少，水分豐沛。由此可見，α和β可以用來作為地區(qū)干濕程度的衡量指標(biāo)。例如，我國黃河流域α=0.15，長江流域α=0.51，表明長江流域比黃河流域濕潤，水資源豐富。上式表明，流域多年平均條件下，徑流系數(shù)與蒸發(fā)系數(shù)之和等于1。44表1-4中國主要流域的水量平衡（P14）表1-4中國主要流域的水量平衡（P14）45在內(nèi)流河區(qū)域，由于內(nèi)流河最終消失于沙漠區(qū)的蒸發(fā)和下滲，而無徑流注入海洋，則有徑流流出量R0＝0，則在內(nèi)流域有：

P0＝E0即多年平均降水量等于多年平均蒸發(fā)量。在內(nèi)流河區(qū)域，由于內(nèi)流河最終消失于沙漠區(qū)的蒸發(fā)和下滲，而無徑462、非閉合流域水量平衡方程嚴(yán)格地講，地球上幾乎不存在閉合流域。對(duì)于非閉合流域，由于地表分水線與地下分水線不一致，有相鄰流域的地下徑流的流入，也可能有流到相鄰流域的地下徑流，則水量平衡方程中存在著該流域與相鄰流域之間的地下徑流交換量?W，即有

P=R+E+?S+?W在喀斯特地區(qū)，地下水系發(fā)達(dá)，通常要考慮與相鄰流域的地下水交換量。但在其它地區(qū)，尤其大型流域，與相鄰流域間的地下水交換量所占比重很小，常常忽略不計(jì)。2、非閉合流域水量平衡方程嚴(yán)格地講，地球上幾乎不存在閉合流域47三、全球降水量和蒸發(fā)量沿緯度的分布據(jù)下圖“全球降水與蒸發(fā)的緯度變化”，無論降水量或是蒸發(fā)量，也不管陸地還是海洋，都有從赤道（低緯）向兩極（高緯）減少的趨勢。南北緯10°之間的赤道帶，全年受赤道低壓帶控制，降水量和蒸發(fā)量都很豐沛，但降水量大于蒸發(fā)量，水分過剩；南北回歸線附近的熱帶和亞熱帶，受副熱帶高氣壓帶和信風(fēng)帶控制，盛行下沉氣流，干燥少雨，但因緯度低、氣溫高，蒸發(fā)旺盛，蒸發(fā)量大于降水量，顯得水分不足；在40°以上的中高緯地區(qū)，受西風(fēng)帶控制，降水量又超過蒸發(fā)量；兩極地區(qū)，降水和蒸發(fā)均很少。三、全球降水量和蒸發(fā)量沿緯度的分布據(jù)下圖“全球降水與蒸發(fā)的48全球降水、蒸發(fā)、海水鹽度變化曲線圖，ABCD分別表示四個(gè)海區(qū)全球降水、蒸發(fā)、海水鹽度變化曲線圖，ABCD分別表示四個(gè)海區(qū)49四、研究水量平衡的意義1、為水循環(huán)提供了重要定量依據(jù)水量平衡是水循環(huán)內(nèi)存的規(guī)律，是水分循環(huán)的定量表達(dá)。據(jù)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、為合理評(píng)價(jià)和開發(fā)水資源提供依據(jù)。3、利用徑流系數(shù)和蒸發(fā)系數(shù)可推求區(qū)域干濕狀態(tài)。四、研究水量平衡的意義1、為水循環(huán)提供了重要定量依據(jù)50思考題水量平衡的研究區(qū)域可以是整個(gè)地球，也可以是某個(gè)流域、湖泊、海洋或某個(gè)特定區(qū)域。

請(qǐng)同學(xué)們思考大氣中的水量平衡？思考題水量平衡的研究區(qū)域可以是整個(gè)地球，也可以是某個(gè)流域51大氣中的水量平衡一定地區(qū)（陸地或海洋）上空的大氣中，在一定時(shí)段內(nèi)收入的水分為：隨水平氣流輸入的水分(I)，來自下墊面蒸發(fā)的水分(E)支出的水分為：隨水平氣流輸出的水分(O)，降水量(P)。收入與支出水量之差等于該地區(qū)上空大氣在該時(shí)段始末所含水分的變量。就多年平均情況言，一個(gè)地區(qū)上空大氣中所含水分的量基本不變。因此，一定地區(qū)上空大氣多年平均水量平衡方程為

P-E＝I-O

輸入的水分(I)與輸出的水分(O)之差稱為水分凈輸送或水汽凈輸送。當(dāng)某地區(qū)上空大氣中的水汽凈輸送量為正值時(shí),該地區(qū)降水量大于蒸發(fā)量,當(dāng)某地區(qū)上空大氣中的水汽凈輸送量為負(fù)值時(shí)，該地區(qū)蒸發(fā)量大于降水量大氣中的水量平衡一定地區(qū)（陸地或海洋）上空的大氣中，在一定時(shí)52復(fù)習(xí)思考題1、什么叫水循環(huán)，它包括哪些環(huán)節(jié)，簡述其過程。2、試說明水分循環(huán)的原因？3、什么叫水分大循環(huán)和小循環(huán)？4、什么是水量平衡，牢記各種水量平衡方程式（全球、陸地、海洋和流域）。復(fù)習(xí)思考題1、什么叫水循環(huán)，它包括哪些環(huán)節(jié)，簡述其過程。53§1.3水循環(huán)研究的發(fā)展P16-19

一、水循環(huán)研究進(jìn)展（一）基本資料庫建立研究（二）水循環(huán)的大氣過程模擬研究（三）水循環(huán)的陸面過程模擬研究（四）陸-氣相互作用的耦合二、水循環(huán)研究的發(fā)展趨勢注：本節(jié)內(nèi)容屬擴(kuò)展內(nèi)容，不必掌握§1.3水循環(huán)研究的發(fā)展P16-19一、水循環(huán)研究進(jìn)展5455第1章地球上水分循環(huán)與水量平衡P10－19許武成教授主講1第1章地球上水分循環(huán)與水量平衡P10－19許武成教授主講55§1.1地球上的水分循環(huán)11－19一、水分循環(huán)的過程、原因及影響因素

（一）水分循環(huán)過程地球上的水并非是靜止不動(dòng)的。地球上各種形態(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(jié)降水、下滲和徑流等環(huán)節(jié)，不斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換和空間位置的轉(zhuǎn)移過程，稱為水分循環(huán)，又叫水文循環(huán)，簡稱水循環(huán)（圖1－1）。

其具體過程為：

§1.1地球上的水分循環(huán)11－19一、水分循環(huán)的過程、原因563水汽輸送1蒸發(fā)4降水1蒸發(fā)4降水1植物蒸騰湖5地表徑流6地下徑流海洋5蒸發(fā)2降水3水汽輸送1蒸發(fā)4降水1蒸發(fā)4降水1植物蒸騰湖5地57地球表面的水在太陽輻射作用下，大量水分不斷地從海洋、河湖等水面、陸面和植物表面蒸發(fā)和蒸騰，升入空中，被氣流帶動(dòng)輸送至各地，在適當(dāng)條件下遇冷凝結(jié)而以降水形式降落到地表面或水體上。降落到陸地表面的水又在重力作用下，一部分滲入地下，一部分形成地表徑流注入江河匯流大海，還有一部分又重新蒸發(fā)返回空中。其中滲入到地下的水，一部分也逐漸蒸發(fā)，一部分也形成徑流最終也匯集于海洋。地球表面的水在太陽輻射作用下，大量水分不斷地從海洋、河湖等水58水循環(huán)包括的五個(gè)環(huán)節(jié)兩大部分：大氣部分（包括水汽階段、降水階段）與地面部分（徑流與下滲階段、蒸發(fā)階段）五個(gè)環(huán)節(jié)：1）蒸發(fā)蒸騰—將液態(tài)水、固態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水；2）水汽輸送—蒸發(fā)的水汽被氣流輸送各地；3）凝結(jié)降水—水汽在上升和輸送過程中，遇冷凝結(jié)，適當(dāng)條件下降落地表；4）下滲—指降落到地面上的水依靠分子力、毛管力和重力滲入地下的過程；5）地表地下徑流—降落到地表的水一部分下滲形成地下徑流和壤中流，一部分形成地表徑流。水循環(huán)包括的五個(gè)環(huán)節(jié)兩大部分：大氣部分（包括水汽階段、降水階59（二）水循環(huán)機(jī)理1、水循環(huán)服從于質(zhì)量守恒定律整個(gè)循環(huán)過程保持著連續(xù)性，既無開始，也沒有結(jié)尾。從實(shí)質(zhì)上說，水循環(huán)乃是物質(zhì)與能量的傳輸、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化過程，而且存在于每一環(huán)節(jié)。在蒸發(fā)環(huán)節(jié)中，伴隨液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水的是熱能的消耗，伴隨著凝結(jié)降水的是潛熱的釋放，所以蒸發(fā)與降水就是地面向大氣輸送熱量的過程。據(jù)測算，全球海陸日平均蒸發(fā)量為1.5808萬億立米，是長江全年入海徑流量的1.6倍，蒸發(fā)這些水汽的總耗熱量高達(dá)3.878×1021焦耳，如折合電能為10.77×1014千瓦時(shí)，等于1990年全世界各國總發(fā)電量的近100倍，所以地面潛熱交換成為大氣的熱量主要來源。由降水轉(zhuǎn)化為地面與地下徑流的過程，則是勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過程。這些動(dòng)能成為水流的動(dòng)力，消耗于沿途的沖刷，搬運(yùn)和堆積作用，直到注入海洋才消耗殆盡。（二）水循環(huán)機(jī)理1、水循環(huán)服從于質(zhì)量守恒定律602、太陽輻射與重力作用，是水循環(huán)的基本動(dòng)力

水循環(huán)內(nèi)因—水的物理屬性，即在目前大氣環(huán)境下，水的固、液、氣三態(tài)并存和三態(tài)在常溫條件下相互轉(zhuǎn)化。水循環(huán)外因—太陽輻射和重力是水循環(huán)的基本動(dòng)力。太陽輻射是地表熱能的主要源泉，它促使冰雪融化，水分蒸發(fā)，空氣流動(dòng)等，是水分循環(huán)的動(dòng)力。重力是促使空中水滴降落和地面、地下徑流流歸海洋的動(dòng)力。外部環(huán)境包括地理緯度、海陸分布、地貌形態(tài)等則制約了水循環(huán)的路徑、規(guī)模與強(qiáng)度。

2、太陽輻射與重力作用，是水循環(huán)的基本動(dòng)力水循環(huán)內(nèi)因—水的613、水循環(huán)廣及整個(gè)水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈水循環(huán)廣及整個(gè)水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈。其循環(huán)路徑并非單一的，而是通過無數(shù)條路線實(shí)現(xiàn)循環(huán)和相變的，所以水循環(huán)系統(tǒng)是由無數(shù)不同尺度、不同規(guī)模的局部水循環(huán)所組合而成的復(fù)雜巨系統(tǒng)。3、水循環(huán)廣及整個(gè)水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈水循環(huán)廣624、全球水循環(huán)是閉合系統(tǒng)，但局部水循環(huán)卻是開放系統(tǒng)。全球水循環(huán)是閉合系統(tǒng)，但局部水循環(huán)卻是開放系統(tǒng)。因?yàn)榈厍蚺c宇宙空間之間雖亦存在水分交換，但每年交換的水量還不到地球上總貯水量的1/15億，所以可將全球水循環(huán)系統(tǒng)近似的視為既無輸入，又無輸出的一個(gè)封閉系統(tǒng)，但對(duì)地球內(nèi)部各大圈層，對(duì)海洋、陸地或陸地上某一特定地區(qū)，某個(gè)水體而言，既有水分輸入，又有水分輸出，因而是開放系統(tǒng)。4、全球水循環(huán)是閉合系統(tǒng)，但局部水循環(huán)卻是開放系統(tǒng)。全球水循635、水文循環(huán)是巨大的物質(zhì)循環(huán)地球上的水分在交替循環(huán)過程中，總是溶解并攜帶著某些物質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)，諸如溶于水中的各種化學(xué)元素、氣體以及泥沙等固體雜質(zhì)等。不過這些物質(zhì)不可能象水分那樣，構(gòu)成完整的循環(huán)系統(tǒng)，所以通常意義上的水文循環(huán)僅指水分循環(huán)，簡稱水循環(huán)。5、水文循環(huán)是巨大的物質(zhì)循環(huán)地球上的水分在交替循環(huán)過程中，總64（三）影響水循環(huán)的因素自然地理因素：1）氣象因素：起主導(dǎo)作用的因素。蒸發(fā)、水汽輸送和凝結(jié)降水三個(gè)環(huán)節(jié)取決于氣象過程。下滲狀況和徑流情勢雖與下墊面有關(guān)，但其基本規(guī)律仍受氣象因素的控制。2）下墊面因素：主要通過影響蒸發(fā)、下滲和徑流來影響水循環(huán)。人類活動(dòng)：1）水利措施；2）農(nóng)林措施；3）跨流域調(diào)水等（三）影響水循環(huán)的因素自然地理因素：65二、水循環(huán)的類型與層次結(jié)構(gòu)P12（一）水循環(huán)的類型按規(guī)模和路徑，水循環(huán)可分為大循環(huán)（外循環(huán)）和小循環(huán)（內(nèi)循環(huán)）兩類。1、大循環(huán)（外循環(huán)）大循環(huán)：指發(fā)生在海洋與陸地之間的水分交換過程，又叫外循環(huán)、全球性的水循環(huán)或海陸間的水循環(huán)。其具體過程：從海面蒸發(fā)的水汽，部分被氣流輸送到大陸上空，在適當(dāng)條件下遇冷凝結(jié)并降落到陸地地表，除一部分蒸發(fā)返回空中外，其余的降水則形成地表徑流或滲入地下形成地下徑流，經(jīng)河槽匯集，最終又回歸海洋。這就完成了海陸間大循環(huán)。二、水循環(huán)的類型與層次結(jié)構(gòu)P12（一）水循環(huán)的類型66水分大循環(huán)通常經(jīng)歷蒸發(fā)、輸送、凝結(jié)、降水、入滲和徑流等環(huán)節(jié)，一方面在天空、地面和地下之間通過蒸發(fā)、降水和入滲進(jìn)行縱向水分交換（垂直方向）；另一面又在海洋與陸地之間以水汽輸送和徑流形式進(jìn)行橫向交換（水平方向）。海洋從空中向大陸輸送大量水汽，大陸則通過地面和地下徑流把水分輸送到海洋里去。大陸上蒸發(fā)的水汽也可隨氣流帶到海洋上空。但總的說來，水汽輸送方向是從海洋輸向大陸的。海洋向陸地輸送的水汽減去陸地向海洋輸送的水汽，稱為有效水汽輸送量。水分大循環(huán)通常經(jīng)歷蒸發(fā)、輸送、凝結(jié)、降水、入滲和徑流等環(huán)節(jié)，67水循環(huán)類型示意圖圖1.2水循環(huán)類型示意圖圖1.2682、小循環(huán)（內(nèi)循環(huán)）指發(fā)生在海洋與海洋上空之間或陸地與陸地上空之間的局部性水分循環(huán)，亦稱內(nèi)循環(huán)，包括海洋小循環(huán)與陸地小循環(huán)。（1）海洋小循環(huán)（海洋內(nèi)循環(huán)）指從海面蒸發(fā)的水汽，在空中凝結(jié)后又以降水形式直接降落到海面上，即發(fā)生在海洋與海洋上空之間的水分交換過程。2、小循環(huán)（內(nèi)循環(huán)）69（2）陸地小循環(huán)指陸地上蒸發(fā)的水汽隨同從海洋輸送來的水汽一起，被氣流輸向內(nèi)陸，遇冷凝結(jié)降落，仍降落到陸地上。這種發(fā)生在陸地與陸地上空之間的水分交換過程，稱為陸地小循環(huán)或陸上內(nèi)循環(huán)。陸地小循環(huán)對(duì)內(nèi)陸地區(qū)的降水具有重要作用。內(nèi)陸地區(qū)距海洋遙遠(yuǎn)，從海洋直接輸送到內(nèi)陸的水汽不多，需要通過內(nèi)陸局部地區(qū)的水分循環(huán)運(yùn)動(dòng)，使水汽不斷向內(nèi)陸輸送、推進(jìn)，這就是內(nèi)陸地區(qū)的主要水汽來源。由于水分向內(nèi)陸輸送過程中，沿途會(huì)逐步損耗，故由沿海向內(nèi)陸，降水逐漸減少；另一方面，水分向內(nèi)陸推進(jìn)或告退，也會(huì)造成降水在時(shí)間上的漸變規(guī)律，由沿海向內(nèi)陸，雨季推遲和縮短。（2）陸地小循環(huán)70（二）全球水循環(huán)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如前所述，全球水循環(huán)是由海洋的、陸地的以及海洋與陸地之間的各種不同尺度，不同等級(jí)的水循環(huán)所組合而成的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)。由于這些分子水循環(huán)系統(tǒng)既緊密聯(lián)系，相互影響，又相對(duì)獨(dú)立。所以對(duì)這個(gè)全球性的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)，可以根據(jù)海陸分布，各分子系統(tǒng)的尺度、規(guī)模不同，以及相互之間上下隸屬關(guān)系，建立如圖2-3所示的水循環(huán)分子等級(jí)系統(tǒng)。陸地水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比海洋水循環(huán)系統(tǒng)要復(fù)雜，而且在四級(jí)以下還可進(jìn)一步區(qū)分，例如長江流域?yàn)樗募?jí)水循環(huán)系統(tǒng)，漢江作為長江的一級(jí)支流，就屬于五級(jí)水循環(huán)系統(tǒng)，而丹江是漢江的支流，是長江的二級(jí)支流，因而屬于六級(jí)水循環(huán)系統(tǒng)。

（二）全球水循環(huán)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如前所述，全球水循環(huán)是由海洋的71地球上的水循環(huán)和水量平衡P課件72三、水體的更替周期指水體在參與水循環(huán)過程中全部水量被更新一次所需的時(shí)間，通常用下式近似計(jì)算：式中T為更替周期（年、日或時(shí)）；W為水體總儲(chǔ)水量（m3）；為水體年平均參與水循環(huán)的活動(dòng)量（m3/年）三、水體的更替周期指水體在參與水循環(huán)過程中全部水量被更新一次73以世界大洋為例，總儲(chǔ)水量為13.38×1017米3，每年海水總蒸發(fā)量為50.5×1013米3，以此計(jì)算，海水全部更新一次約需要2650年；如果以入海徑流量4.7×1013米3為準(zhǔn)，則更新一次需要28468年。又如世界河流的河床中瞬時(shí)貯水量為21.2×1011米3，而其全年輸送入海的水量為4.7×1013米3，因此一年內(nèi)河床中水分可更替22次，平均每16天就更新一次。大氣水更替的速度還要快，平均循環(huán)周期只有8天，然而位于極地的冰川，更替速度極為緩慢，循環(huán)周期長達(dá)萬年。以世界大洋為例，總儲(chǔ)水量為13.38×1017米3，每年海水74各種水體的更替周期表各種水體的更替周期表75水體的更替周期是反映水循環(huán)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，亦是反映水體水資源可利用率的基本參數(shù)。因?yàn)閺乃Y源永繼利用的角度來衡量，水體的儲(chǔ)水量并非全部都能利用，只有其中積極參與水循環(huán)的那部分水量，由于利用后能得到恢復(fù)，才能算作可資利用的水資源量。而這部分水量的多少，主要決定于水體的循環(huán)更新速度和周期的長短，循環(huán)速度愈快，周期愈短，可開發(fā)利用的水量就愈大。以我國高山冰川來說，其總貯水量約為5×1013米3，而實(shí)際參于循環(huán)的水量年平均為5.46×1011米3，僅為總貯水量的1/100左右，如果我們想用人工融冰化雪的方法，增加其開發(fā)利用量，就會(huì)減少其貯水量，影響到后續(xù)的利用。水體的更替周期是反映水循環(huán)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，亦是反映水體水資源76四、水循環(huán)的作用與效應(yīng)水循環(huán)是地球上的物質(zhì)大循環(huán)，巨大的能量流，對(duì)自然界和人類具有重大的作用和意義。（一）水循環(huán)是聯(lián)系大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，并成為它們之間的能量調(diào)節(jié)器水循環(huán)的一系列過程中，通過降水、地表徑流、入滲、地下徑流、蒸發(fā)和植物蒸騰等各個(gè)環(huán)節(jié)，使地球四大圈層相互聯(lián)系起來，并在物質(zhì)流的同時(shí)，伴隨能量流。四、水循環(huán)的作用與效應(yīng)水循環(huán)是地球上的物質(zhì)大循環(huán)，巨大的能量77地球表層系由大氣圈、巖石圈，生物圈以及水圈組合而成。在這一有序的龐大層次結(jié)構(gòu)中，水圈居于主導(dǎo)地位，正是水圈中的水，通過周流不息的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，積極參于了圈層之間界面活動(dòng)，并且深入4大圈層內(nèi)部，將它們耦合在一起。水循環(huán)，它上達(dá)15公里的高空，成為大氣圈的有機(jī)組成部分，擔(dān)當(dāng)了大氣循環(huán)過程的主角；下深地表以下1—3公里深處，積極參與巖石圈中化學(xué)元素的遷移過程，成為地質(zhì)大循環(huán)的主要?jiǎng)恿σ蛩?；同時(shí)水作為生命活動(dòng)的源泉，生物有機(jī)體的組成部分，它全面的參與了生物大循環(huán)，成為溝通無機(jī)界和有機(jī)界聯(lián)系的紐帶，并將4大圈層串聯(lián)在一起，組合成相互影響、相互制約的統(tǒng)一整體。從這一意義上說，水循環(huán)深刻地影響了地球表層結(jié)構(gòu)的形成以及今后的演變與發(fā)展。地球表層系由大氣圈、巖石圈，生物圈以及水圈組合而成。在這一有78（二）通過水循環(huán)，地球上各種水體相互聯(lián)系轉(zhuǎn)換，使水資源得以再生，給人類提供取之不竭，用之不盡的水利資源水是人類賴以生存、發(fā)展的寶貴資源，是廉價(jià)、清潔的能源，是農(nóng)業(yè)的命脈、工業(yè)的血液和運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，它與其它自然資源相比較主要不同點(diǎn)是水資源具有再生性和可以永繼利用的特點(diǎn)。這一特點(diǎn)正是水循環(huán)所賦予的。如果自然界不存在水循環(huán)現(xiàn)象，那么水資源亦就不能再生，無法永繼利用。但必須指出的是水資源的再生性和可以永繼利用不能簡單的理解為“取之不盡，用之不竭”。因?yàn)樗Y源永繼利用是以水資源開發(fā)利用后能獲得補(bǔ)充、更新為條件的。更新速度和補(bǔ)給量要受到水循環(huán)的強(qiáng)度、循環(huán)周期的長短的制約，一旦水資源開發(fā)強(qiáng)度超過地區(qū)水循環(huán)更新速度或者遭受嚴(yán)重的污染，那么就會(huì)面臨水資源不足，甚至枯竭的嚴(yán)重局面。所以對(duì)于特定地區(qū)而言，可開發(fā)利用的水資源量是有限的。必須重視水資源的合理利用與保護(hù)。只有在開發(fā)利用強(qiáng)度不超過地區(qū)水循環(huán)更新速度以及控制水污染的條件下，水資源才能不斷獲得更新，才能永繼利用。（二）通過水循環(huán)，地球上各種水體相互聯(lián)系轉(zhuǎn)換，使水資源得以再79（三）水循環(huán)是聯(lián)系海洋與陸地的主要紐帶海洋正是通過蒸發(fā)水分源源不斷地向大陸輸送水汽而形成降水，進(jìn)而影響陸地上的一系列物理、化學(xué)與生物過程。而從陸地上回歸海洋的徑流，則不斷地向海冰輸送大量的泥沙、有機(jī)雜質(zhì)、各種營養(yǎng)鹽類，進(jìn)而影響海水的性質(zhì)、海水中的生物學(xué)過程，以及海冰沉積與海盆形態(tài)等。（三）水循環(huán)是聯(lián)系海洋與陸地的主要紐帶海洋正是通過蒸發(fā)水分源80（四）水循環(huán)是一切水文現(xiàn)象的根源。水循環(huán)是地球上一切水文現(xiàn)象的根源，沒有水循環(huán)，地球上也就不會(huì)發(fā)生蒸發(fā)、降水，徑流；不存在江河、湖泊。所以研究地球上的水循環(huán)，是認(rèn)識(shí)和掌握自然界錯(cuò)綜復(fù)雜的水文現(xiàn)象的一把鑰匙；是把握自然界各種水體的性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)變化及其相互關(guān)系的有效方法和手段?？梢哉f水循環(huán)與水量平衡的研究引導(dǎo)了以往水文學(xué)科的發(fā)展，亦將指導(dǎo)水文學(xué)的未來，并正從宏觀與微觀雙向尺度上，不斷拓寬與加深水文學(xué)科。（四）水循環(huán)是一切水文現(xiàn)象的根源。水循環(huán)是地球上一切水文現(xiàn)象81水分循環(huán)對(duì)于全球性水分和熱量的再分配起著重大的作用，這種作用與大氣循環(huán)相互聯(lián)系而發(fā)生，從而影響了一地氣候的主要方面——降水與氣溫。水分循環(huán)具有物質(zhì)“傳輸帶”的作用，而且又是巖石圈表層機(jī)械搬運(yùn)作用以及自然地理環(huán)境中無機(jī)成分和有機(jī)成分化學(xué)元素遷移的強(qiáng)大動(dòng)力。在水分循環(huán)過程中伴隨產(chǎn)生了各種常態(tài)地貌和河流、地下水、湖泊等等。水分循環(huán)也是生物有機(jī)體維持生命活動(dòng)和整個(gè)生物圈構(gòu)成復(fù)雜的水膠體系統(tǒng)的基本條件，起著有機(jī)界和無機(jī)界聯(lián)系的紐帶作用?？傊?，水分循環(huán)有如自然地理環(huán)境的“血液循環(huán)”，它溝通了各基本圈層的物質(zhì)交換，促使各種聯(lián)系的發(fā)生。水分循環(huán)過程同時(shí)起著水文過程、氣候過程、地形過程、土壤過程、生物過程以及地球化學(xué)過程等作用。水分循環(huán)對(duì)于全球性水分和熱量的再分配起著重大的作用，這種作用82§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發(fā)量沿緯度的分布研究水量平衡的意義§1.3水量平衡P13－16水量平衡原理83一、水量平衡原理在現(xiàn)今的宇宙背景下，地球上的總水量接近一個(gè)常數(shù)。但對(duì)地球上的任何圈層或任何地段都是一個(gè)開放系統(tǒng)，既有水分的輸入，又有水分的輸出。根據(jù)物質(zhì)不滅定律（質(zhì)量守衡定律）：對(duì)于地球上的任何一個(gè)地區(qū)在任意時(shí)段內(nèi)，收入的水量與支出的水量之差額必然等于該地區(qū)在該時(shí)段內(nèi)的蓄水變化量，這就叫水量平衡原理(WaterBalance)。水量平衡是水循環(huán)內(nèi)存的規(guī)律，是水分循環(huán)的定量表達(dá)。水量平衡原理是研究各種水循環(huán)要素之間數(shù)量關(guān)系的基本原理，也是水資源量估算的基本出發(fā)點(diǎn)。

一、水量平衡原理在現(xiàn)今的宇宙背景下，地球上的總水量接近一個(gè)常84水量平衡的基本方程為：式中，I為區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)收入（輸入）水量；O為區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)支出（輸出）水量；S1/S2為區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)的始末蓄水量;ΔS為區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)的蓄水變量。在多水期ΔS為正值，表示蓄水量(storedwater

)增加；在少水期ΔS為負(fù)值，表示蓄水量減少；在多年情況下ΔS為零（ΔS→0），表示多年中蓄水量平均起來是保持不變的。水量平衡方程式是水分循環(huán)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)不同的區(qū)域可建立不同的水量平衡方程。水量平衡的基本方程為：85二、水量平衡方程式

（一）通用水量平衡方程現(xiàn)以陸地上任一地區(qū)為研究對(duì)象，取其三度空間的閉合柱體，其上界為地表面，下界為地下無水分交換的深度。這樣，對(duì)任一閉合柱體，任一時(shí)間內(nèi)的水量收入I為：式中：P—區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)的降水量；E1—水汽凝結(jié)量；R表、R地下

—分別為在給定時(shí)段內(nèi)地表、地下流入?yún)^(qū)域內(nèi)的徑流量二、水量平衡方程式

（一）通用水量平衡方程現(xiàn)以陸地上任一地區(qū)86區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)支出水量O為：E2——區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)地表總蒸散發(fā)量；、——分別為地表、地下徑流流出量；q——研究時(shí)段內(nèi)工農(nóng)業(yè)和生活凈用水量（即區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)人類凈用水量）區(qū)域在給定時(shí)段內(nèi)支出水量O為：87則通用水量平衡方程式為由于上式中E1為負(fù)蒸發(fā)量，令E＝E2－E1為時(shí)段內(nèi)凈蒸發(fā)量；△S＝S2－S1為時(shí)段內(nèi)蓄水變化量，則通用水量平衡方程式可改寫為：則通用水量平衡方程式為由于上式中E1為負(fù)蒸發(fā)量，令E＝E88降雨p蒸發(fā)E地下水（入）R地下地下水（出）地表水R表（入）地表水（出）工農(nóng)業(yè)等用水q降雨p蒸發(fā)E地下水（入）R地下地下水（出）地表水R表（入）地89隨著觀測手段和實(shí)驗(yàn)方法的不斷發(fā)展，水量平衡研究也愈加詳盡。如對(duì)上述閉合柱體分為若干個(gè)層次，分層研究水量的收支情況，建立各層的水量方程，則研究成果將會(huì)更加細(xì)致和精確。隨著觀測手段和實(shí)驗(yàn)方法的不斷發(fā)展，水量平衡研究也愈加詳盡。90（二）全球水量平衡方程全球海洋收入水量有大氣降水P和入海徑流量R；支出水量有蒸發(fā)量E，則全球海洋水量平衡方程為：?S＝S2－S1＝（P+R）－E多年平均而論，?S＝0，則有E0＝P0+R0，即全球海洋蒸發(fā)量大于降水量，海洋是大氣水分和陸地降水的來源。海洋提供了海洋降水量的85%和陸地降水量的89%1、全球海洋水量平衡方程地球表面有陸地和海洋兩大基本單元，可以依據(jù)通用水量平衡方程，首先分別建立海洋的和陸地的水量平衡方程，然后再將它們合并為全球水量平衡方程。（二）全球水量平衡方程全球海洋收入水量有大氣降水P和入海徑流912、全球陸地水量平衡方程全球陸地在任一時(shí)段收入水量為大氣降水P；支出水量有蒸發(fā)量E和地表、地下徑流量R（入海徑流量），則全球陸地水量平衡方程：

?S＝S2－S1＝P－（E＋R）多年平均，?S＝0，則P0＝E0＋R0，即全球陸地降水量大于蒸發(fā)量，以徑流形式補(bǔ)充海洋，實(shí)現(xiàn)全球水量平衡。2、全球陸地水量平衡方程全球陸地在任一時(shí)段收入水量為大氣降水923、全球水量平衡方程降水、蒸發(fā)和徑流在整個(gè)水循環(huán)中，是三個(gè)重要的環(huán)節(jié)，在全球水量平衡中，它們同樣是最主要的因素。整個(gè)地球在任一時(shí)段收入水量為大氣降水P；支出水量為蒸發(fā)量E，則全球水量平衡方程為：

△S＝S2－S1＝P－E多年平均，?S＝0，則P0＝E0。即全球海陸降水量之和等于全球海陸蒸發(fā)量之和，說明全球水量保持平衡，基本上長期不變。注：關(guān)于全球水量平衡數(shù)據(jù)不同學(xué)者研究結(jié)果不一樣。3、全球水量平衡方程降水、蒸發(fā)和徑流在整個(gè)水循環(huán)中，是三個(gè)重93表1－5地球上的水量平衡（P16）表1－5地球上的水量平衡（P16）94（三）流域水量平衡方程

1、閉合流域水量平衡方程流域——指河流的集水區(qū)域（補(bǔ)給區(qū)域），即分水線所包含的區(qū)域，包括地表集水區(qū)和地下集水區(qū)。地表分水線與地下分水線完全重合一致的流域稱為閉合流域；反之，二者不重合的流域?yàn)榉情]合流域?？梢?，閉合流域與相鄰流域之間沒有水量交換，因此其水量的收入I只有大氣降水P；水量支出項(xiàng)目O有：蒸發(fā)量E和地表、地下徑流量R（R＝Rs＋Rss＋Rg）（三）流域水量平衡方程

1、閉合流域水量平衡方程流域——指河95則閉合流域水量平衡方程為：

流域蓄水變量ΔS可正可負(fù)。但就多年平均情況，蓄水變量ΔS趨于零（ΔS→0），即有

式中，、、