第二章-水循环

第二章自然界的水文循环第一节水循环概述一、水循环基本过程1、水循环的定义地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断发生相态转换和周而复始运动的过程。2、水循环5个基本环节水汽蒸发水汽输送凝结降水水分入渗地表、地下径流径流生成水循环---hydrologicalcycle凝结---condensation降水---precipitation（P）蒸发---evaporation（E）水汽输送---watervaportransport（V）入渗---infiltration（I）径流---runoff（R）地表水---surfacewater地下水---groundwater水循环基本术语水循环示意图降水P蒸发E地表径流RSEP陆地基岩下渗F海洋包气带地下径流Rg壤中流RSS蒸腾ET水的不断蒸发、输送、凝结、降落、产流、汇流的往复循环过程3、水循环机理内因：水的三态转化外因：太阳幅射、重力作用水循环服从于质量守恒定律太阳辐射和重力作用是水循环的基本动力水循环是联系地球系统水圈-大气圈-岩石圈-生物圈的纽带全球水循环是闭合系统，但局部是开放系统水分会溶解、携带某些物质一起循环运动水循环服从于质量守恒定律整个循环过程保持着连续性，既无开始，也没有结尾。从实质上说，水循环乃是物质与能量的传输、储存和转化过程，而且存在于每一环节。在蒸发环节中，伴随液态水转化为气态水的是热能的消耗，伴随着凝结降水的是潜热的释放，所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过程。太阳辐射和重力作用是水循环的基本动力太阳辐射是地表热能的主要源泉，它促使冰雪融化，水分蒸发，空气流动等，是水分循环的动力。重力是促使空中水滴降落和地面、地下径流流归海洋的动力。外部环境包括地理纬度、海陆分布、地貌形态等则制约了水循环的路径、规模与强度。水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈。其循环路径并非单一的，而是通过无数条路线实现循环和相变的，所以水循环系统是由无数不同尺度、不同规模的局部水循环所组合而成的复杂巨系统。全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统。地球与宇宙之间，水分虽有交换，但是量很少，可以看作是封闭系统地球圈层内部，既有水分输入又有水分输出，是开放系统地球上的水分在交替循环过程中，总是溶解并携带着某些物质一起运动例如溶于水中的各种化学元素、气体以及泥沙等固体杂质等。二、水循环的类型与层次结构1、水循环的基本类型按循环途径和规模分为：A：大循环全球海洋～陆地之间的水分交换过程B：小循环海洋～大气、陆地～大气的水分交换过程海洋小循环陆地小循环内流区小循环外流区小循环小循环水循环类型发生领域水汽交换基本环节海陆间循环海洋与陆地间垂向交换横向交换蒸发、输送、凝结、降水、下渗、径流海上内循环海洋与海空间垂向交换蒸发、凝结、降水陆地外流区循环陆地与陆空，河流与海洋间垂向交换横向交换蒸发/蒸腾、凝结、降水、下渗、径流陆地内流区循环陆地与陆空间垂向交换蒸发/蒸腾、凝结、降水、下渗、径流水文大循环（自然）人为水循环（侧支循环）人为水循环可以严重地改变天然水循环，处理不好，会产生一系列水问题与生态环境问题。2.全球水循环系统的层次结构三、水体的更新周期1、定义水体在参与水循环过程中，全部水量被交替更新一次所需的时间。T----更新周期（年、日、时等）；W----水体总贮水量；△W----某时段内(年、日、时等)平均参与水循环的水量。WWT各种水体更替周期水体周期水体周期极地冰川10000a沼泽水5a永冻地带地下冰9700a土壤水1a世界大洋2500a河水16d高山冰川1600a大气水8d深层地下水1400a生物水12h湖泊水17a静态水动态水2、意义反映水循环强度的重要指标反映水资源可利用率的基本参数因为从水资源永继利用的角度来衡量，水体的储水量并非全部都能利用，只有其中积极参与水循环的那部分水量，由于利用后能得到恢复，才能算作可资利用的水资源量。而这部分水量的多少，主要决定于水体的循环更新速度和周期的长短，循环速度愈快，周期愈短，可开发利用的水量就愈大。1.水循环与地球圈层构造水循环是联系大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的纽带，并成为它们之间的能量调节器水循环的一系列过程中，通过降水、地表径流、入渗、地下径流、蒸发和植物蒸腾等各个环节，使地球四大圈层相互联系起来，并在物质流的同时，伴随能量流。四、水循环的作用与效应2.水循环与全球气候水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者水循环通过对地表太阳辐射能的重新再分配，使不同纬度热量收支不平衡矛盾得到缓解水循环的强弱及其路径，还会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征3.水循环与地貌形态及地壳运动水循环塑造了地表形态水循环可以影响到地壳表层内应力的平衡，是触发地震，甚至引起地壳运动的重要原因新丰江水库新丰江水库1959年10月开始蓄水，同年11月记录到地震活动。1962年水位110.5米时发生震级6.1的强震。截至1986年底，新丰江大坝附近记录到的地震次数达30万次，其中烈度大于2度的有1.3万次。地震曾引起上下游贯穿性裂缝和水平裂缝。从1961年3月起到1967年止，对新丰江大坝做了两期工程加固。4.水循环与生态平衡没有水循环就不会有生命活动，亦不存在生物圈对不同地区来说，水循环强度及其时空变化，影响着一个地区的生态环境（热带雨林、热带稀疏草原、热带沙漠）对同一地区来讲，水循环强度的时空变化，是造成本区洪、涝、旱等自然灾害的主要原因5.水循环与水资源开发利用水资源具有再生性和可以永继利用的特点，但并不意味着“取之不尽，用之不竭”，当水资源开发强度超过地区水循环更新速度或者遭受严重的污染，那么就会面临水资源不足，甚至枯竭的严重局面。6.水循环与水文现象以及水文科学的发展水循环与水量平衡的研究引导了以往水文学的发展，亦将指导水文学的未来，促进水文科学的发展。五、水循环的影响因素1、自然因素：气象条件、地理条件2、人为因素1）有利影响修建水库、跨流域调水、引水灌溉---改变地表径流植树造林---蒸发人工降雨---降水2）不利影响过度抽取地下水大面积滥伐森林排干湖、沼一、水量平衡1.定义所谓水量平衡，是指任意选择的区域(或水体)，在任意时段内，其收入的水量与支出的之间差额必等于该时段区域(或水体)内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说平衡。第二节水量平衡2.水量平衡研究的意义通过水量平衡研究，可以定量地揭示水循环过程与全球地理环境、自然生态系统之间的相互联系，以及水循环过程对人类社会的深刻影响水量平衡是研究水循环系统内在结构和运行机制的基础水量平衡分析又是水资源现状评价与供需预测研究工作的核心在流域规划方面，水量平衡方法发挥着重要的作用二、通用的水量平衡方程根据物质不灭定律，水量平衡原理的概念就是对于任一区域,任一时段内，输入量与输出量的差值等于该区域内水体储水量的变化。根据此原理可列出水量平衡方程：I-Q=W1.海洋水量平衡以全球海洋为研究对象，则任意时段内的水量平衡方程式：P海+R-E海=Δs海多年平均状态下Δs海0上式改写为：P海+R-E海=0三全球的水量平衡2.陆地水量平衡外流区水量平衡方程对于外流区来说，任意时段的水量平衡方程为：P外-E外-R地表-R地下=Δs外对于多年平均而言Δs外0，且R=R地表+R地下则有：P外-E外-R=0内流区水量平衡方程P内=E内陆地水量平衡将陆地外流区和内流区水量平衡方程组合起来，就构成整个陆地系统的水量平衡方程：（P外+P内）-（E外+E内）=R也就是：P陆-E陆=R3.全球水量平衡方程即ststPPEEPE人类活动对水分循环和水量平衡的影响河流灌溉取水、修筑水坝、跨流域调水等可改变水循环过程，并影响水量平衡。第三节蒸发蒸发是指液态水分或固态冰雪不断地从水面、陆面、植物表面化为水汽升入空中的过程，是水循环过程中地表水转化为大气水的重要阶段。一、蒸发的物理机制相关的基本概念：蒸发：水分子从物体表面向大气逸散的现象称为蒸发蒸发潜热：单位水量蒸发到空气中所需的能量称为蒸发潜热凝结潜热：单位水量从空气中凝结返回水面所释放的能量称为凝结潜热蒸发率：单位时间从单位面积蒸发面逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值称为蒸发率蒸发能力：供水充分条件下，单位时间从单位面积蒸发面逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值称为蒸发能力蒸发分类蒸发面类型：水面蒸发冰雪蒸发土壤蒸发植物散发流域蒸散发陆面蒸发水面蒸发的影响因素气象因素水体因素太阳辐射温度湿度气压风速水面大小及形状水深水质1.水面蒸发（evaporationfromwatersurface）是充分供水条件下的蒸发，因此水面蒸发率与水面蒸发能力是完全相同的。蒸发过程中只需要克服水分子之间的内聚力太阳辐射蒸发所需之能量主要来自太阳辐射。图为某地月平均水面蒸发量与太阳辐射热的对比曲线，可见两者变化十分一致。温度水温增加，水分子运动速度加快，因而易于逸出水面而跃入空气中。因此，水面蒸发量随水温的增加而增加。气温是影响水温的主要因子，但不像水温影响水面蒸发那样直接。湿度在同样温度下，空气湿度小时的水面蒸发量要比空气湿度大时的水面蒸发量大。空气湿度常用饱和差表示。饱和差越大，空气湿度越小，反之则湿度越大。气压空气密度增大，气压就增高。气压增高将压制水分子逸出水面，因此，水面蒸发量随气压的增高而减小。但气压高，空气湿度就降低，这又有利于水面蒸发。风速风吹过水面时，要携带走水面上空的水汽，这有利于增加水面水分子的逸出量。一般言之，水面蒸发量随风速的增加而增加。但当风速达到某一临界值时，水面蒸发将不再增加。水面小大及形状水面面积大，其上空大量的水汽不易被风立即吹散，因而水汽含量多，不利于蒸发。反之，则有利于水面蒸发。水面形状是通过风向来影响水面蒸发的。土壤蒸发过程毛管断裂含水量(3)田间持水量(2)(1)E/Em第一阶段土壤含水量超过田间持水量第二阶段土壤含水量介于田间持水量与毛管断裂含水量之间第三阶段土壤含水量小于等于毛管断裂含水量克服水分子间的内聚力克服土壤分子对水的吸附力根据土壤供水条件的差别以及蒸发率的变化，可将土壤的干化过程划分为如下3个阶段：2.土壤蒸发（evaporationfromsoils）指土壤的失水干化过程定常蒸发率阶段(饱和蒸发阶段）在充分供水条件，水通过毛管作用，源源不断地输送到土壤表层供蒸发之用，蒸发快速进行，蒸发率相对稳定，其蒸发量等于或近似相同气象条件下的水面蒸发。在此阶段，土壤蒸发主要受气象条件的影响。由于蒸发不断耗水，土壤中的水分不断减少。当土壤含水量减少到某一临界土壤含水量（其值相当于田间持水量接近）时，土壤的供水能力不能满足蒸发的需要时，蒸发率随着土壤含水量的减少而减小，即土壤蒸发进入蒸发率下降阶段。此阶段蒸发量的大小决定于土壤的含水量，气象因素则退居次要地位蒸发率下降阶段田间持水量：指土壤中所能保持的分子水和毛细管悬着水的最大量。当土壤含水量逐步降低到第二个临界点（其值相当于凋萎系数），土壤蒸发便进入蒸发率微弱阶段。此阶段内土壤水由底部向土面的薄膜运动亦基本停止，土壤液体水供应中断，只能依靠下层水汽化向外扩散蒸发率微弱阶段调萎系数：土壤中水分不能为植物根系所吸收而导致植物发生永久性凋萎时相应的土壤含水率。3、植物散发（transpirationbyplants）植物从土壤中吸取水分，然后输送到茎和叶面，大部分水分从叶面和茎逸散到空气中，这就是散发现象。根土渗透势：由于根系中溶液浓度与周围土壤水浓度存在差异而产生的渗透压差。散发拉力：由于植物叶面散发水汽而引起叶肉细胞的溶液浓度和植物内部水力传导系统浓度的差异而产生的拉力。二、蒸发的影响因素1、供水条件充分供水（≥W田）不充分供水（＜W田）2、影响蒸发的动力学因素与热力学因素动力学因素：水汽分子的垂向扩散大气垂向对流运动大气中