第四章讲稿水圈.doc

第四章 水圈地球表面的3/4为水所覆盖，这是地球不同于其它行星的主要特征，地球因此被称为“水的行星”水以液态、固态和气态形式存在于地表、地下和空中，形成了一定形态的水分聚集体——水体海洋是地球上最庞大的水体，它与河流、湖沼、冰川、地下水等陆地水体共同构成了一个连续的不规则的水圈水是自然地理环境中最活跃的因子，它参与各种自然过程，在自然地理环境的形成和发展演变过程中起着重要作用流水是岩石的风化剥蚀、搬运和堆积等过程的重要外力作用水是有机质合成和生物代谢过程不可缺少的物质，水在常温下具有三相变化，在自然地理环境各圈层物质交换和能量转化中起着积极作用，使各圈层相互联系、互相制约，共同构成一个统一整体另外，水又是宝贵的自然资源，是人类生活和生产的重要物质基础第一节 水分循环和水量平衡一、水分循环(一)水分循环的成因和类型 地球上各种形态的水在太阳辐射和地心引力的作用下，通过水分蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程称为地球上的水分循环组成水分循环的上述环节既相互联系、相互影响、交错并存，又相对独立，它们在不同环境条件下形成了不同规模、不同层次的水分循环系统。

形成水分循环的内因是水的物理特性，即水在常温状态下的三态转化，它使水分的转移与交换成为可能外因是太阳辐射和地心引力太阳辐射促使冰雪融化、水分蒸发、空气流动等，因此是水分循环的原动力；地心引力能保持地球的水分不向宇宙空间散逸，使凝结的水滴、凝华的冰晶得以降落到地表，并使地面和地下的水由高处向低处流动此外，外部环境的不同，如海陆分布和地形的差异，也能影响水分循环的路径、规模和强度 水分循环按其水分运动和交换途径的不同，可分为大循环和小循环两种类型（图4.1）发生于全球海洋和陆地之间的水分循环称为大循环从海面上蒸发的水汽被气流输送到陆地上空，遇冷凝结并以降水的形式落至地表，除去部分蒸发进入大气外，多数水分在重力作用下以径流的形式最终回归海洋，完成海洋与陆地之间的水分交换过程在水分大循环过程中，海面上的年蒸发量大于年降水量；陆面上情况相反，年降水量大于年蒸发量海洋上空向陆地上空输送的水汽远远多于陆地上空向海洋上空输送的水汽，两者之差称为海洋的有效水汽输送这部分水汽在陆地上转化为径流回归大海，实现海洋与陆地间水量的相对平衡水分小循环包括海洋水分小循环和陆地水分小循环两种类型海洋水分小循环是指从海面蒸发升空的水汽冷却凝结后以降水的形式又降落在海洋表面的水分循环过程；陆地水分小循环则是指从陆地表面蒸发的水汽（包括植物蒸腾）冷却凝结后以降水的形式降至陆地表面的水分循环过程。

显然，小循环是以水分的垂向交换为主要形式的循环运动图4.1 水分循环示意图 (二)水体的更新周期 由于水分循环的发生，使得水圈成为一个动态系统在水分循环过程中，各种水体的水不断得到更新水体在参与水分循环过程中全部水量被更新一次所需的时间称为水体的更新周期水体更新周期等于水体静储量与年动态水量之比，即：T=W静/W动 式中，T为水体更新周期；W静为某种水体的静态储量，如河流河槽的蓄水量、大气中的水分含量、海洋水量等；W动为水体年动态水量，即水体参与水分循环的水量，如世界江河年入海水量、全球年降水量、世界海洋年蒸发量等 据估算，世界海洋水量为13.38×108 km3，每年海洋蒸发水量为50.5×104 km3，故可算得海洋的更新周期为2 650 a大气中的水分含量为1.29×104 km3，每年全球降水量约为57.7×104 km3，是大气水分的44.7倍，降水的惟一来源是大气水分，所以大气水分每年得更新44.7次，其更新周期为8 d左右表4.1列出了地球上各种水体的更新周期水体的更新周期是反映水分循环强度的重要指标，也是反映水资源可利用率的基本参数水体更新周期越短，说明其动态交换速度越快，该水体在水资源开发利用中的作用就越大。

表4.1 地球上各种水体的更新周期水体名称更新周期水体名称更新周期极地冰盖10 000a沼泽水5a世界海洋2 650a土壤水 1a山地冰川1 600a河流水16d深层地下水1 400a大气水8d湖泊水17a生物水数小时 (三)水分循环的意义水分循环是自然地理环境中最主要的物质循环，它不但使地球上的水圈成为一个动态系统，而且将自然地理环境的各个圈层联系了起来，例如，参与水分循环的水是大气圈的组成部分，担当了大气循环的主角；水积极参与岩石圈中化学元素的迁移过程，成为地质大循环的主要动力因素；同时，水作为生命活动的源泉和生物有机体的组成部分，全面地参与了生物循环，并成为沟通无机界和有机界联系的纽带 水分循环对全球性水分和热量的再分配起着重大的作用，从而极其深刻地影响着全球的气候首先，水分循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者也就是说，伴随着水分循环有巨大的能量转换过程这是由于水在相变过程中具有吸热或放热性能，所以在水分循环过程中同时存在着能量流动现象其次，水分循环对地表太阳辐射能的重新分配作用，在一定程度上调节了高低纬度间热量分配的不均匀状态，从而影响到各地的气候此外，像雨、雪、雾、霜等天气现象，本身就是水分循环的产物。

水分循环是使地球的地貌形态发生重大变化的重要外营力例如，水分循环过程中的流水以其持续不断的冲刷、侵蚀、搬运和堆积作用形成了形态各异的侵蚀、堆积地貌；流水的溶蚀作用形成了千姿百态的岩溶地貌等此外，流水作为主要的地貌外营力，它在削高填低的过程中，逐渐改变地壳表层的应力平衡，有时可能触发地震和引起地壳运动，使地表形态发生剧烈变化 在水分循环过程中，各种水体的水不断得到更新其中淡水资源的更新对于自然地理环境的形成和生态系统的存在和发展具有极其重要的意义此外，一个地区水分循环强度及其时空变化是造成区域洪涝或干旱的主要原因二、水量平衡(一)水量平衡原理及其应用 研究表明，地球上的总水量可视为常数水在循环过程中，遵循着宇宙间的普遍规律——物质不灭定律和质量守恒定律水量平衡的概念正是以此为基础建立起来的 所谓水量平衡是指任一区域(或水体)在任一时段内，收入水量与支出水量之差必等于该时段区域(或水体)内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说是收支平衡的水量平衡原理是现代水文学的基本理论之一，依此原理构建的水量平衡方程在水文水资源的理论与实践研究中得到广泛的应用一方面，通过水量平衡的研究可以定量地揭示水分循环过程与地理环境、自然生态系统之间的相互联系、相互制约的关系，以及水分循环和人类活动之间的相互影响。

另一方面，水量平衡原理是一切水文水资源计算的依据例如，利用已知的水文要素推求未知的水文要素，对水文观测资料和研究成果进行合理性分析，水资源工程的规划设计以及管理运行等都离不开水量平衡的分析此外，水量平衡原理还是建立水文模型的基本依据二)通用水量平衡方程基于上述水量平衡原理，可列出如下的水量平衡方程：I – O =ΔS式中，I 为水量收入项，O为水量支出项，ΔS为研究时段内区域(或水体)内蓄水变化量水量收入与支出项可根据具体情况进一步细分如果以陆地上任一区域为研究对象，设想沿该区域边界作一垂直柱体，以地表作为柱体的上界面，以地面下某一深度处的平面(该平面上下不发生水分交换)为下界面，则任一时段该柱体的水量平衡方程可写为：(P + Ec + Rr + Rg)- (Eb + R′r + R′g ) = ΔS 式中，P为某区域在指定时段的降水量，Ec为水汽凝结量，Rr 和 Rg分别为地面流入水量和地下流入水量，Eb 为该区域在指定时段内的蒸发量，R′r 和 R′g分别为地面流出水量和地下流出水量，ΔS为指定时段内区域蓄水的变化量蒸发与水汽凝结为相反过程，两者之差称为有效蒸发用E表示有效蒸发量，有E = Eb – Ec，则上式可写为：(P + Rr + Rg)- (E + R′r + R′g ) = ΔS上式即为任意区域、任一时段的通用水量平衡方程。

应当指出的是，该式表示的是纯自然过程，如果由于人类开发利用水资源而引起水量的收支变化时，其数量亦应在方程中有所体现三)流域水量平衡方程 如果研究的区域是一闭合流域，则相邻流域的地表水和地下水均不会流入该流域根据上述的通用水量平衡方程，流域任一时段的水量平衡方程可写为：P - (E + R′r + R′g ) = ΔS若假定河流下切足够深，地下水也注入河流，与地面水一起流出流域，其共同流出量用R表示，有R = R′r + R′g，则上式可写为：P – E – R =ΔS若以年为研究时段，则在多水年时△s为正值，即流域蓄水量增加；在少水年时ΔS为负值，即流域蓄水量减少就多年平均而言，ΔS趋近于零，于是可得流域多年平均的水量平衡方程式为：P = R + E式中，P、R和E分别代表流域多年平均的降水量、径流量和蒸发量，它们是流域重要的水文特征值 (四)全球水量平衡方程 全球水量平衡方程可由海洋和陆地的水量平衡方程联合得出对于全球海洋而言，多年平均的水量平衡方程可写为：E海 = P海 + R式中，E海、P海和R分别表示多年平均的海洋蒸发量、海洋降水量和入海径流量陆地的多年平均的水量平衡方程可写为：E陆 = P陆 + R式中，E陆、P陆和R分别表示多年平均的陆地蒸发量、陆地降水量和入海径流量。

将上面两上相加得：E海+ E陆= P海+ P陆该式表明海洋和陆地的多年平均蒸发量等于海洋和陆地的多年平均降水量，即：E全球=P全球全球海洋和陆地的水量平衡要素值如表4.2所示 应当指出，在水分循环过程中，虽然全球的总水量保持不变，但各种水体的相对数量却在不断地发生变化据研究分析，自20世纪以来，全球平均气温明显地上升了，由此全球冰川体积平均每年大约减少250×109 m3，这些冰川消融水入海后使海平面上升O.7 mm气温升高还增加了一些水体的蒸发量，如陆地上的湖泊蓄水量因蒸发量增加而平均每年减少80×109 m3，所减少的水量又以降水和径流的形式入海，使海平面上升约0.2 mm，此外，地下水也因蒸发和被开采每年减少蓄水量300×109 m3，从而引起海平面上升0.8 mm在此期间，世界各地修建了一大批水库，总蓄水量超过3 000×109 m3，这使每年入海径流量减少50×109 m3，海平面相应每年下降0.1 mm由此可知，海平面上升主要是因为气温升高就全球平均而言，这一时期世界海平面实际上升率为每年1.6 mm表4.3给出了部分水体的动态变化情况表4.2 地球上的水量平衡区域水量平衡要素值（km3）蒸发降水径流海洋50500045800-4700陆地720001190004700全球577000577000表4.3 全球部分水体的动态变化水体名称蓄水量变化（10×109 m3）海平面升降（mm/a）冰川-2500.7湖泊-800.2地下水-3000.8水库50-0.1海洋5801.6小结水分循环与水量平衡是水资源研究的基础。

水量平衡分析是揭示自然环境水文过程基本规律的主要方法复习思考题1． 水分循环有什么地理意义？2． 什么是水量平衡？研究水量平衡有什么重要性。