2.1-水循环及水量平衡

资源与环境学院1/42水文与水资源学HydrologyandWaterResources任课教师：吕国安华中农业大学资源与环境学院2014年资源与环境学院2/422.1水循环及水量平衡2.2河流和流域2.3降水及其特征2.4蒸发与蒸散发2.5下渗2.6径流第2章水循环及其要素资源与环境学院3/422.1水循环及水量平衡2.1.1自然界的水循环2.1.2水量平衡资源与环境学院4/422.1.1.1地球上水的分布水圈：各种水体共同组成了一个连续而不规则的围绕地球表层的水壳，称为水圈。空间：大气对流层顶部~深层地下水。包括：海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等。形态：气态、液态、固态2.1.1自然界的水循环资源与环境学院5/425地球上的水量Total：13.86×108km3能被人类直接利用的淡水资源仅占0.796%。资源与环境学院6/42类型及淡水排序总量（km3）比例（%）总量淡水咸水大气水⑤1.29×1041.29×1040.0009生物水⑧1.12×1031.12×1030.0001河水⑦2.12×1032.12×1030.0002湖水③1.76×1059.1×1048.54×1040.0127沼泽水⑥1.15×1041.15×1040.0007冰雪水①2.41×1072.41×1071.7338土壤水④1.65×1041.65×1040.012地下水②2.34×1071.05×1071.29×1071.6834海水1.34×1091.34×10996.4029总水量1.39×1093.50×1071.35×109表2-1全球水储量表资源与环境学院7/42世界淡水分布比例图30.169.560.280.050.040.030.0060.00301020304050607080地下水冰雪水淡水湖水土壤水大气水沼泽水河道水生物水南极洲拥有600万立方英里的冰5万年（密西西比河）830年（地球上所有河流）76米（海平面上升）资源与环境学院8/422.1.1.2水分循环及其模式资源与环境学院9/422.1.1.2水分循环及其模式资源与环境学院10/42降水蒸发散径流水循环的基本环节(过程、阶段)水汽输送蒸发散、水汽输送、降水、径流资源与环境学院11/42定义：地球表面的水体在太阳辐射的作用下被蒸发上升至空中，被气流带动输送到各地，水汽在上升和输送过程中，遇冷凝结以降水的形式回到地面或水体上，再以径流的形式汇入海洋。水分这样往复不断地转移交替的现象叫作水分循环，简称水循环（watercycle或hydrologiccycle）。2.1.1.2水分循环及其模式水循环不仅是物质的循环，也是能量的循环。资源与环境学院12/4212水分循环的原因（1）外因(动力条件)：太阳辐射、地心引力（重力）（2）内因（水的物理性质）：水的三态变化资源与环境学院13/42根据水循环的过程，分为：1、大循环海陆间的水分循环过程称为水分的大循环（或外循环）。2.1.1.3水分循环的类型2、小循环海洋与大气之间或陆地与大气之间局部地区的水分循环过程称为水分的小循环（或内循环）。资源与环境学院14/422.1.1.4水循环周期ΔWWT＝T——周期（单位---年、月、日、时）W——水体的储量（体积单位）——单位时间参与水循环的量（体积/时间）是研究水资源的非常重要的一个参数。如果一个水体的循环周期短、更新速度快，其水资源的利用率就高。WΔ资源与环境学院15/42各种水体循环交替的周期决定淡水补充量、水体自净能力！更新周期较快的大气水和河流水成为人们主要的淡水来源。2.1.1.4水循环周期资源与环境学院16/422.1.1.5影响水循环的因素气候因素：湿度、温度、风速、风向等/（最主要因素）下垫面因素：地理位置、地表状况、地形等/影响蒸发、径流人为因素：调节径流、加大蒸发、增加降水等/通过改变下垫面性质、形状来影响水分循环资源与环境学院17/42人类活动对水循环的影响水资源利用（工业、农业、生活、娱乐用…）修筑水库（长江三峡）跨流域调水（南水北调）围湖造田（围湖造房）填海造陆不合理砍伐森林（水土流失…）污染物排放….温室气体排放（温室效应的影响）资源与环境学院18/422.1.1.6水循环的作用和意义•形成、更新提供淡水资源（可再生）•直接影响气候和生态•形成各种水体和地貌•形成各种水文现象（干旱洪涝等）•实现物质迁移和转化•促进能量流动和交换资源与环境学院20/422.1.2水量平衡(waterbalance)主要内容：•水量平衡？•可解决什么问题？•水量平衡方程？•如何构建水量平衡方程？资源与环境学院21/42定义：根据质量守恒定律，在水分循环过程中，对于任一区域在任一时段内收入的水量和支出的水量之间的差额，必等于该时段内该区域内蓄水量的变化量。水量平衡即水量收支平衡。2.1.2.1水量平衡原理资源与环境学院22/42可解决的问题2.1.2.1水量平衡原理推求水量平衡的未知要素→1.了解和预测水体水情变化的影响源及影响程度2.判别观测站点的分布和测量中的系统误差3.定量分析人类活动引起的水循环及水资源变化4.为水资源合理利用、时空控制与调配提供基础资源与环境学院23/422.1.2.2水量平衡方程（WaterBalanceEquation)I–A=ΔW式中,I--研究时段内输入区域的水量A--研究时段内输出区域的水量ΔW--研究时段内区域储水量的变化，可正可负水量平衡原理的定量表达式：资源与环境学院24/42列水量平衡方程需要注意：（空间、时间和数量）对象：全球、海洋、陆地、流域、森林、草原、农田、湖泊、水库、任一地块等。时段：长、短数量：自然：降水、蒸发、径流人为：调出或调入（开采、回注、灌溉、排水)单位：各要素的单位：常用平均水深,mm资源与环境学院25/42（1）大气系统P和E分别为降水量和蒸发量；Ain和Aout分别为大气层中除降水与蒸发以外的其他收入水量和支出水量；ΔA为大气系统中的蓄水变化量。PEAinAoutΔA资源与环境学院26/42（2）土壤系统式中:P为降雨入渗量；Cm为土壤中的凝结水；Sin为由地下水和壤中流形式进入土壤层的水；Sout为由土壤层向下渗入地下水和通过壤中流形式流出土壤层的水；E为土壤层蒸发量；ΔW为土壤层中的蓄水量变化。PCmSinSoutEW资源与环境学院27/42（3）地下水系统式中，α为地下水的降水人渗补给系数；EG为地下水上升经土壤到地面后的蒸发量；GIN为地下流入系统的水量；GOUT为地下流出系统的水量；ΔG为地下的蓄水量变化。PEGGINGOUTΔG资源与环境学院28/42流域的定义：河流某断面以上，汇集地表水和地下水的区域（分别称作地面集水区和地下集水区）统称为河流在该断面以上的流域。流域亦即分水岭（山岭、高原、平原或湖泊）包围的集水区域。（4）流域水量平衡方程资源与环境学院29/42（4）流域水量平衡方程(PE1R地表R地下)(E2r地表r地下q)W式中：P--该区的降水量E1—该区水汽的凝结量R地表--流入该区的地表径流量R地下--流入该区的地下径流量△W—该区蓄水量的变化收入支出变化一般流域水量平衡方程：E2--蒸发量和林木的蒸散量r地表--从该区流出的地表径流量r地下--从该区流出的地下径流量q--该区内工农业及生活用水量资源与环境学院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E=E2-E1为时段内的净蒸发量，则流域通用水量平衡方程资源与环境学院31/42非闭合流域/闭合流域：★非闭合流域：地面分水线与地下分水线在位置上不完全重合，即地面和地下集水区不相重合。★闭合流域：流域的地面水和地下水分水线在位置上重合，即地面和地下集水区相重合。资源与环境学院32/42SubsurfaceCapture资源与环境学院33/42PEr地表△WqR地下r地下地面分水线地下分水线净蒸发量降雨量从地下流出的水量从地面流出的水量从地下流入的水量工农业及生活净用水量非闭合流域的水量平衡PR地下Er地表r地下q+WPR地下ER+W无工农业及生活用水时资源与环境学院34/42闭合流域的水量平衡PE△W地面分水线地下分水线净蒸发量降雨量从地面流出的水量P=E+R+△Wr地表资源与环境学院35/42闭合流域多年平均的水量平衡方程PER=+短时或瞬时：P=E+R+△W两边同时除以多年平均降雨量，得：1ERPP+=PERW多年平均：资源与环境学院36/42多年平均蒸发系数和径流系数0.2:0.2~0.40.4干燥带过渡带湿润带aaa1REPP+=1ab+=多年平均径流系数多年平均蒸发散系数资源与环境学院37/42474225699246000雅鲁藏布江8207271547452616珠江53152910601807199长江234633867261504淮河86382468752443黄河145380525549665松花江(mm)(mm)(mm)(km2)径流蒸发降水流域面积河名我国主要江河的水量平衡要素比较松花江和珠江的气候地理特性？资源与环境学院38/42输入:陆地上空的降水—P输出:陆地流出的径流—R陆面蒸发散—EPERP陆R陆E陆W陆地（5）全球陆地水量平衡方程陆地水量平衡方程:变化量:陆地蓄水量变化量—ΔW资源与环境学院39/42（6）全球海洋水量平衡方程PEP海R陆E海△W海洋输入:海洋上空的降水—P来自大陆的径流—R输出:海洋蒸发—E变化量：海洋蓄水量变化量ΔW海洋水量平衡方程:R资源与环境学院40/42(7)全球水量平衡陆地的水量平衡方程海洋的水量平衡方程ΔPREW陆陆陆陆--=全球的水量平衡方程=ΔPREW海陆海海－+()()=()PPEEWW陆海陆海陆海+-+D+D全球多年平均的水量平衡?=0=0WW陆海，DD资源与环境学院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平衡要素Km3P陆119000P海458000E陆72000E海505000R47000资源与环境学院42/422.1.2.3研究水量平衡的意义•有利于更深刻地认识水循环和其他水文现象。•有利于揭示水循环和水文现象对自然地理环境和人类活动的影响。•有利于对水资源现状作出正确的评价。•为水文观测提供检验依据和改进方法。•为水利工程的规划设计提供基本参数，为评价工程的可行性及实际效益提供参考。