水資源形成與轉(zhuǎn)化

關(guān)于水資源形成與轉(zhuǎn)化第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二第一節(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(jié)降水、下滲和徑流等環(huán)節(jié)，不斷發(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)（水文循環(huán)）。一、地球上的水分循環(huán)第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二自然界的水循環(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。第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二

海陸間水循環(huán)（大循環(huán)或外循環(huán)）

內(nèi)陸水循環(huán)（小循環(huán)）

海上內(nèi)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(jìn)行的相互轉(zhuǎn)化。

它是陸面補(bǔ)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(nèi)循環(huán)，就是海面上的水份蒸發(fā)成水汽，進(jìn)入大氣后在海洋上空凝結(jié)，形成降水，又降到海面的過程。第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二水循環(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(gè)最主要環(huán)節(jié)，這三者構(gòu)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(gè)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(jìn)入大氣并隨大氣活動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。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)。第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二徑流是一個(gè)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(jī)理和特點(diǎn)整個(gè)水循環(huán)過程既無開始也無結(jié)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(dòng)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六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二水循環(huán)的主要作用聯(lián)系的球各圈和各種水體的“紐帶”調(diào)節(jié)了的球各圈層之間的能量，對(duì)冷暖氣候變化起到了重要的因素通過侵蝕，搬運(yùn)和堆積，塑造了豐富多彩的地表形象地表物質(zhì)遷移的強(qiáng)大動(dòng)力和主要載體調(diào)節(jié)器雕塑家傳輸帶第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二影響水循環(huán)的因素

自然因素主要有氣象條件(大氣環(huán)流、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等)和地理?xiàng)l件(地形、地質(zhì)、土壤、植被等)。人為因素對(duì)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(zhuǎn)化為徑流22次，亦即河水平均每16天多更新一次。第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二（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(guān)系的基本原理，也是水資源量估算的基本出發(fā)點(diǎn)。水量平衡的基本方程：

I-O=S2-S1=ΔSI:區(qū)域在給定時(shí)間內(nèi)收入（輸入）水量；O:區(qū)域在給定時(shí)間內(nèi)支出（輸出）水量；S1和S2:區(qū)域在給定時(shí)間內(nèi)的始、末蓄水量；ΔS:區(qū)域在給定時(shí)間內(nèi)的蓄水變量；二、水量平衡第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二（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(duì)于多年平均情況，則海洋水量平衡方程：

P洋+R=E洋公式2第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二

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(duì)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全球第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二（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(diǎn)的連線為分水線，即集水區(qū)的邊界線，包括山脊線和鞍部。

第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二流域分為：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(duì)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(duì)于非閉合流域水量平衡方程為：

P–(R+E)=ΔS+ΔW第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二第二節(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(fù)和更新的、可以被利用的淡水資源。一個(gè)地區(qū)的水資源總量為當(dāng)?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(dòng)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(gè)要素。第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二

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(bǔ)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(yùn)動(dòng)和冷卻凝結(jié)是形成降水的三個(gè)因素。1、對(duì)流雨；2、地形雨；3、鋒面雨；4、氣旋雨一、降水第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二（二）降水的基本要素1、降水量：時(shí)段內(nèi)降落在單位面積上的總水量，用mm深度表示。根據(jù)時(shí)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(shí)間稱為降水歷時(shí)，單位為min、h或d。

3、降水強(qiáng)度為單位時(shí)間的降水量，以mm/min或mm/h計(jì)。

4、降水籠罩的平面面積為降水面積，以km2計(jì)。

5、暴雨集中的較小的局部地區(qū)，稱為暴雨中心。第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二（三）流域平均降水量的計(jì)算常用的區(qū)域平均降水量計(jì)算方法有：算術(shù)平均法、泰森多邊形法和等雨量法三種。1.算術(shù)平均法（均值法）適用于流域內(nèi)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)。第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二2.泰森多邊形法（垂直平均法）美國氣候?qū)W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(jì)算平均降雨量的方法，適用于流域內(nèi)地形起伏不大、雨量站稠密且分布不均勻。（若區(qū)域內(nèi)有高大山脈，此法誤差較大）。步驟：①連結(jié)各測(cè)站，構(gòu)成三角網(wǎng)。在雨量站分布圖上，將區(qū)域內(nèi)及其區(qū)域附近的雨量站用直線兩兩相連，構(gòu)成許多三角形（包括鄰近流域的測(cè)站），形成三角形網(wǎng)。②然后對(duì)每個(gè)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(cè)站為核心的若干個(gè)多邊形。③以各個(gè)測(cè)站對(duì)應(yīng)的多邊形在研究區(qū)域內(nèi)的面積作權(quán)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(gè)雨量站的控制面積即為此多邊形面積（區(qū)域邊界內(nèi)）。

第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二

流域內(nèi)平均降水量計(jì)算公式：

f1P1+f2P2+……+fnPnP=

f1+f2+……+fn第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二3.等雨量線法一般說來，等雨量線是計(jì)算區(qū)域平均雨量最完善的方法。它的優(yōu)點(diǎn)是考慮了地形變化對(duì)降水的影響，因此對(duì)于地形變化較大（一般是大流域）、流域內(nèi)又有足夠數(shù)量的降水觀測(cè)站，能夠根據(jù)降水資料結(jié)合地形變化繪制出等雨量線圖，則應(yīng)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(cè)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(quán)重；（3）以各相鄰等雨量線間的雨深平均值乘以相應(yīng)的面積權(quán)重即得權(quán)雨量；（4）將各相鄰等雨量間面積上權(quán)雨量相加即為區(qū)域平均雨量。第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二

計(jì)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(jì)算精確度較高，并有利于分析流域產(chǎn)流、匯流過程。缺點(diǎn)是對(duì)雨量站的數(shù)量和代表性有較高的要求，在實(shí)際應(yīng)用上受到一定限制。第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二

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(zhì)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(nèi)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(duì)陸地水來講，蒸散發(fā)是降水轉(zhuǎn)變?yōu)閺搅鬟^程中的一項(xiàng)主要損失。二、蒸發(fā)第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二（一）蒸發(fā)的物理機(jī)制水面蒸發(fā)包括兩個(gè)過程水分化汽和水汽擴(kuò)散。2.土壤蒸發(fā)包括三個(gè)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(cè)法、經(jīng)驗(yàn)公式法等。3.植物散發(fā)

第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二（二）蒸發(fā)的表示方法蒸發(fā)量一定時(shí)間內(nèi)，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(shí)間、單位面積內(nèi)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(dá)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(jì)算：彭曼公式和布德科公式

E0=（Δ（R/L）+γEa）/（Δ+γ）

第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二（三）流域總蒸發(fā)量的計(jì)算方法：水量平衡法、水熱平衡法和經(jīng)驗(yàn)公式法。1.水量平衡法當(dāng)區(qū)域內(nèi)有較長時(shí)段的降雨、徑流資料時(shí)，任意時(shí)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(shí)間段內(nèi)流域蓄水量的變化量第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二適用于：當(dāng)時(shí)段內(nèi)流域的蓄水量變化甚微時(shí)，如計(jì)算多年平均總蒸發(fā)量；較大區(qū)域，也常用于檢驗(yàn)其他方法的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)間段內(nèi)ΔW變化較大時(shí)（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(gè)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第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二蒸散發(fā)能力計(jì)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)第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二2.水熱平衡法一般表達(dá)式：

E/P=φ(R/LP)3.經(jīng)驗(yàn)公式史拉別爾、奧里杰科普、布德科等人提出經(jīng)驗(yàn)公式。（四）干旱系數(shù)年蒸發(fā)能力與年降雨量之比。第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二

在當(dāng)前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(yùn)動(dòng)變化，又直接影響著防洪、灌溉、航運(yùn)和發(fā)電等工程設(shè)施。因而徑流是人們最關(guān)心的水文現(xiàn)象。

（一）徑流含義及其組成徑流（runoff）：流域內(nèi)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、徑流第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二

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(shí)間內(nèi)通過某一橫斷面的水量，常用單位為m3/s。其計(jì)算式：

Q＝AV式中，A為過水?dāng)嗝婷娣e（m2)；V為斷面平均流量（m/s）。第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二水位與流量的關(guān)系：河流水位的變化，從本質(zhì)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(shí)質(zhì)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(guān)系Q=f(H)，水位升高，流量增大。即Q=f(H)呈單調(diào)遞增函數(shù)。第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二(2)徑流總量W

是指在一定時(shí)段內(nèi)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(jì)算式為：

W=QT式中：Q為流量（m3/s）；T為時(shí)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(gè)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）；第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二(4)徑流模數(shù)M是指單位時(shí)間在單位流域面積上的產(chǎn)水量。常用單位為dm3/(s·

km2），其計(jì)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?xiàng)l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(shí)段的徑流深度（徑流總量）與該時(shí)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(shí)段徑流值（Mi,Qi或Ri）與同時(shí)段多年平均徑流值（Mo,Qo或Ro

）之比。第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二（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(gè)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(gè)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）。第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二3.坡地產(chǎn)流和漫流階段產(chǎn)流：當(dāng)流域內(nèi)的降雨量滿足了流域蓄滲之后，若降雨持續(xù)進(jìn)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(fēng)化殼）構(gòu)成的有孔介質(zhì)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)。第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二直接徑流：壤中流和地表徑流相互轉(zhuǎn)化，將二者合稱為直接徑流?；鳎旱叵聫搅鬟\(yùn)動(dòng)慢，變化也慢行，補(bǔ)給河水的地下徑流平穩(wěn)而持續(xù)時(shí)間長，構(gòu)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(nèi)沿河槽由上游向下游作縱向的流動(dòng)和匯集，直到最后流出出口斷面的整個(gè)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)。第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二河網(wǎng)調(diào)蓄（河槽調(diào)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。第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二第三節(jié)地下水資源的形成相對(duì)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(yùn)動(dòng)的地下水。一、地下水的形成第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二地下水形成必須具有兩個(gè)條件：一、水分來源；二、要有儲(chǔ)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(jié)水大氣水汽和包氣帶巖石土壤空隙中水汽凝結(jié)3、埋藏水和除生水第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二（二）地下水的儲(chǔ)存條件巖石土壤層中的空隙是地下水儲(chǔ)存的空間?？障叮嚎紫?、裂隙、溶隙空隙度：巖石中空隙的體積與巖石總體積的比值。巖石的水理性質(zhì)：指巖石與水接觸后表現(xiàn)出的有關(guān)性質(zhì)，即與水分儲(chǔ)容和運(yùn)移有關(guān)的性質(zhì)。包括：（1）容水性；（2）持水性；（3）給水性；（4）透水性K(三)含水層和隔水層飽和帶內(nèi)的巖石土層按照透過和給出水的能力分為含水和隔水層。第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期二(1)含水層:指能夠給出并透過相當(dāng)數(shù)量水的飽和巖石土層。(2)隔水層：指那些即不能給出又不能透過水的巖石，或者它給出或者透過的水量都極少。第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年