1第1章地球上水分循環與水量平衡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11－19一、水分循環的過程、原因及影響因素

（一）水分循環過程地球上的水并非是靜止不動的。地球上各種形態的水，在太陽輻射、地球重力等作用下，通過蒸發、水汽輸送、凝結降水、下滲和徑流等環節，不斷地發生相態轉換和空間位置的轉移過程，稱為水分循環，又叫水文循環，簡稱水循環（圖1－1）。

其具體過程為：

§1.1地球上的水分循環11－19一、水分循環的過程、原因23水汽輸送1蒸發4降水1蒸發4降水1植物蒸騰湖5地表徑流6地下徑流海洋5蒸發2降水3水汽輸送1蒸發4降水1蒸發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和蒸騰，升入空中，被氣流帶動輸送至各地，在適當條件下遇冷凝結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返回空中。其中滲入到地下的水，一部分也逐漸蒸發，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水循環包括的五個環節兩大部分：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、蒸發階段）五個環節：1）蒸發蒸騰—將液態水、固態水轉化為氣態水；2）水汽輸送—蒸發的水汽被氣流輸送各地；3）凝結降水—水汽在上升和輸送過程中，遇冷凝結，適當條件下降落地表；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。水循環包括的五個環節兩大部分：大氣部分（包括水汽階段、降水階5（二）水循環機理1、水循環服從于質量守恒定律整個循環過程保持著連續性，既無開始，也沒有結尾。從實質上說，水循環乃是物質與能量的傳輸、儲存和轉化過程，而且存在于每一環節。在蒸發環節中，伴隨液態水轉化為氣態水的是熱能的消耗，伴隨著凝結降水的是潛熱的釋放，所以蒸發與降水就是地面向大氣輸送熱量的過程。據測算，全球海陸日平均蒸發量為1.5808萬億立米，是長江全年入海徑流量的1.6倍，蒸發這些水汽的總耗熱量高達3.878×1021焦耳，如折合電能為10.77×1014千瓦時，等于1990年全世界各國總發電量的近100倍，所以地面潛熱交換成為大氣的熱量主要來源。由降水轉化為地面與地下徑流的過程，則是勢能轉化為動能的過程。這些動能成為水流的動力，消耗于沿途的沖刷，搬運和堆積作用，直到注入海洋才消耗殆盡。（二）水循環機理1、水循環服從于質量守恒定律62、太陽輻射與重力作用，是水循環的基本動力

水循環內因—水的物理屬性，即在目前大氣環境下，水的固、液、氣三態并存和三態在常溫條件下相互轉化。水循環外因—太陽輻射和重力是水循環的基本動力。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，空氣流動等，是水分循環的動力。重力是促使空中水滴降落和地面、地下徑流流歸海洋的動力。外部環境包括地理緯度、海陸分布、地貌形態等則制約了水循環的路徑、規模與強度。

2、太陽輻射與重力作用，是水循環的基本動力水循環內因—水的73、水循環廣及整個水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈水循環廣及整個水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈。其循環路徑并非單一的，而是通過無數條路線實現循環和相變的，所以水循環系統是由無數不同尺度、不同規模的局部水循環所組合而成的復雜巨系統。3、水循環廣及整個水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈水循環廣84、全球水循環是閉合系統，但局部水循環卻是開放系統。全球水循環是閉合系統，但局部水循環卻是開放系統。因為地球與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系統近似的視為既無輸入，又無輸出的一個封閉系統，但對地球內部各大圈層，對海洋、陸地或陸地上某一特定地區，某個水體而言，既有水分輸入，又有水分輸出，因而是開放系統。4、全球水循環是閉合系統，但局部水循環卻是開放系統。全球水循95、水文循環是巨大的物質循環地球上的水分在交替循環過程中，總是溶解并攜帶著某些物質一起運動，諸如溶于水中的各種化學元素、氣體以及泥沙等固體雜質等。不過這些物質不可能象水分那樣，構成完整的循環系統，所以通常意義上的水文循環僅指水分循環，簡稱水循環。5、水文循環是巨大的物質循環地球上的水分在交替循環過程中，總10（三）影響水循環的因素自然地理因素：1）氣象因素：起主導作用的因素。蒸發、水汽輸送和凝結降水三個環節取決于氣象過程。下滲狀況和徑流情勢雖與下墊面有關，但其基本規律仍受氣象因素的控制。2）下墊面因素：主要通過影響蒸發、下滲和徑流來影響水循環。人類活動：1）水利措施；2）農林措施；3）跨流域調水等（三）影響水循環的因素自然地理因素：11二、水循環的類型與層次結構P12（一）水循環的類型按規模和路徑，水循環可分為大循環（外循環）和小循環（內循環）兩類。1、大循環（外循環）大循環：指發生在海洋與陸地之間的水分交換過程，又叫外循環、全球性的水循環或海陸間的水循環。其具體過程：從海面蒸發的水汽，部分被氣流輸送到大陸上空，在適當條件下遇冷凝結并降落到陸地地表，除一部分蒸發返回空中外，其余的降水則形成地表徑流或滲入地下形成地下徑流，經河槽匯集，最終又回歸海洋。這就完成了海陸間大循環。二、水循環的類型與層次結構P12（一）水循環的類型12水分大循環通常經歷蒸發、輸送、凝結、降水、入滲和徑流等環節，一方面在天空、地面和地下之間通過蒸發、降水和入滲進行縱向水分交換（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。水分大循環通常經歷蒸發、輸送、凝結、降水、入滲和徑流等環節，13水循環類型示意圖圖1.2水循環類型示意圖圖1.2142、小循環（內循環）指發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，亦稱內循環，包括海洋小循環與陸地小循環。（1）海洋小循環（海洋內循環）指從海面蒸發的水汽，在空中凝結后又以降水形式直接降落到海面上，即發生在海洋與海洋上空之間的水分交換過程。2、小循環（內循環）15（2）陸地小循環指陸地上蒸發的水汽隨同從海洋輸送來的水汽一起，被氣流輸向內陸，遇冷凝結降落，仍降落到陸地上。這種發生在陸地與陸地上空之間的水分交換過程，稱為陸地小循環或陸上內循環。陸地小循環對內陸地區的降水具有重要作用。內陸地區距海洋遙遠，從海洋直接輸送到內陸的水汽不多，需要通過內陸局部地區的水分循環運動，使水汽不斷向內陸輸送、推進，這就是內陸地區的主要水汽來源。由于水分向內陸輸送過程中，沿途會逐步損耗，故由沿海向內陸，降水逐漸減少；另一方面，水分向內陸推進或告退，也會造成降水在時間上的漸變規律，由沿海向內陸，雨季推遲和縮短。（2）陸地小循環16（二）全球水循環系統的層次結構如前所述，全球水循環是由海洋的、陸地的以及海洋與陸地之間的各種不同尺度，不同等級的水循環所組合而成的動態大系統。由于這些分子水循環系統既緊密聯系，相互影響，又相對獨立。所以對這個全球性的動態大系統，可以根據海陸分布，各分子系統的尺度、規模不同，以及相互之間上下隸屬關系，建立如圖2-3所示的水循環分子等級系統。陸地水循環系統結構比海洋水循環系統要復雜，而且在四級以下還可進一步區分，例如長江流域為四級水循環系統，漢江作為長江的一級支流，就屬于五級水循環系統，而丹江是漢江的支流，是長江的二級支流，因而屬于六級水循環系統。

（二）全球水循環系統的層次結構如前所述，全球水循環是由海洋的17地球上的水循環和水量平衡P課件18三、水體的更替周期指水體在參與水循環過程中全部水量被更新一次所需的時間，通常用下式近似計算：式中T為更替周期（年、日或時）；W為水體總儲水量（m3）；為水體年平均參與水循環的活動量（m3/年）三、水體的更替周期指水體在參與水循環過程中全部水量被更新一次19以世界大洋為例，總儲水量為13.38×1017米3，每年海水總蒸發量為50.5×1013米3，以此計算，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，則更新一次需要28468年。又如世界河流的河床中瞬時貯水量為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，循環周期長達萬年。以世界大洋為例，總儲水量為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強度的重要指標，亦是反映水體水資源可利用率的基本參數。因為從水資源永繼利用的角度來衡量，水體的儲水量并非全部都能利用，只有其中積極參與水循環的那部分水量，由于利用后能得到恢復，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更新速度和周期的長短，循環速度愈快，周期愈短，可開發利用的水量就愈大。以我國高山冰川來說，其總貯水量約為5×1013米3，而實際參于循環的水量年平均為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，增加其開發利用量，就會減少其貯水量，影響到后續的利用。水體的更替周期是反映水循環強度的重要指標，亦是反映水體水資源22四、水循環的作用與效應水循環是地球上的物質大循環，巨大的能量流，對自然界和人類具有重大的作用和意義。（一）水循環是聯系大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，并成為它們之間的能量調節器水循環的一系列過程中，通過降水、地表徑流、入滲、地下徑流、蒸發和植物蒸騰等各個環節，使地球四大圈層相互聯系起來，并在物質流的同時，伴隨能量流。四、水循環的作用與效應水循環是地球上的物質大循環，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構中，水圈居于主導地位，正是水圈中的水，通過周流不息的循環運動，積極參于了圈層之間界面活動，并且深入4大圈層內部，將它們耦合在一起。水循環，它上達15公里的高空，成為大氣圈的有機組成部分，擔當了大氣循環過程的主角；下深地表以下1—3公里深處，積極參與巖石圈中化學元素的遷移過程，成為地質大循環的主要動力因素；同時水作為生命活動的源泉，生物有機體的組成部分，它全面的參與了生物大循環，成為溝通無機界和有機界聯系的紐帶，并將4大圈層串聯在一起，組合成相互影響、相互制約的統一整體。從這一意義上說，水循環深刻地影響了地球表層結構的形成以及今后的演變與發展。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，地球上各種水體相互聯系轉換，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、發展的寶貴資源，是廉價、清潔的能源，是農業的命脈、工業的血液和運輸的大動脈，它與其它自然資源相比較主要不同點是水資源具有再生性和可以永繼利用的特點。這一特點正是水循環所賦予的。如果自然界不存在水循環現象，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”。因為水資源永繼利用是以水資源開發利用后能獲得補充、更新為條件的。更新速度和補給量要受到水循環的強度、循環周期的長短的制約，一旦水資源開發強度超過地區水循環更新速度或者遭受嚴重的污染，那么就會面臨水資源不足，甚至枯竭的嚴重局面。所以對于特定地區而言，可開發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。只有在開發利用強度不超過地區水循環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，地球上各種水體相互聯系轉換，使水資源得以再25（三）水循環是聯系海洋與陸地的主要紐帶海洋正是通過蒸發水分源源不斷地向大陸輸送水汽而形成降水，進而影響陸地上的一系列物理、化學與生物過程。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、有機雜質、各種營養鹽類，進而影響海水的性質、海水中的生物學過程，以及海冰沉積與海盆形態等。（三）水循環是聯系海洋與陸地的主要紐帶海洋正是通過蒸發水分源26（四）水循環是一切水文現象的根源。水循環是地球上一切水文現象的根源，沒有水循環，地球上也就不會發生蒸發、降水，徑流；不存在江河、湖泊。所以研究地球上的水循環，是認識和掌握自然界錯綜復雜的水文現象的一把鑰匙；是把握自然界各種水體的性質、運動變化及其相互關系的有效方法和手段。可以說水循環與水量平衡的研究引導了以往水文學科的發展，亦將指導水文學的未來，并正從宏觀與微觀雙向尺度上，不斷拓寬與加深水文學科。（四）水循環是一切水文現象的根源。水循環是地球上一切水文現象27水分循環對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相互聯系而發生，從而影響了一地氣候的主要方面——降水與氣溫。水分循環具有物質“傳輸帶”的作用，而且又是巖石圈表層機械搬運作用以及自然地理環境中無機成分和有機成分化學元素遷移的強大動力。在水分循環過程中伴隨產生了各種常態地貌和河流、地下水、湖泊等等。水分循環也是生物有機體維持生命活動和整個生物圈構成復雜的水膠體系統的基本條件，起著有機界和無機界聯系的紐帶作用。總之，水分循環有如自然地理環境的“血液循環”，它溝通了各基本圈層的物質交換，促使各種聯系的發生。水分循環過程同時起著水文過程、氣候過程、地形過程、土壤過程、生物過程以及地球化學過程等作用。水分循環對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、水量平衡原理在現今的宇宙背景下，地球上的總水量接近一個常數。但對地球上的任何圈層或任何地段都是一個開放系統，既有水分的輸入，又有水分的輸出。根據物質不滅定律（質量守衡定律）：對于地球上的任何一個地區在任意時段內，收入的水量與支出的水量之差額必然等于該地區在該時段內的蓄水變化量，這就叫水量平衡原理(WaterBalance)。水量平衡是水循環內存的規律，是水分循環的定量表達。水量平衡原理是研究各種水循環要素之間數量關系的基本原理，也是水資源量估算的基本出發點。

一、水量平衡原理在現今的宇宙背景下，地球上的總水量接近一個常30水量平衡的基本方程為：式中，I為區域在給定時段內收入（輸入）水量；O為區域在給定時段內支出（輸出）水量；S1/S2為區域在給定時段內的始末蓄水量;ΔS為區域在給定時段內的蓄水變量。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的數學表達式，根據不同的區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以陸地上任一地區為研究對象，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，對任一閉合柱體，任一時間內的水量收入I為：式中：P—區域在給定時段內的降水量；E1—水汽凝結量；R表、R地下

—分別為在給定時段內地表、地下流入區域內的徑流量二、水量平衡方程式

（一）通用水量平衡方程現以陸地上任一地區32區域在給定時段內支出水量O為：E2——區域在給定時段內地表總蒸散發量；、——分別為地表、地下徑流流出量；q——研究時段內工農業和生活凈用水量（即區域在給定時段內人類凈用水量）區域在給定時段內支出水量O為：33則通用水量平衡方程式為由于上式中E1為負蒸發量，令E＝E2－E1為時段內凈蒸發量；△S＝S2－S1為時段內蓄水變化量，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為負蒸發量，令E＝E34降雨p蒸發E地下水（入）R地下地下水（出）地表水R表（入）地表水（出）工農業等用水q降雨p蒸發E地下水（入）R地下地下水（出）地表水R表（入）地35隨著觀測手段和實驗方法的不斷發展，水量平衡研究也愈加詳盡。如對上述閉合柱體分為若干個層次，分層研究水量的收支情況，建立各層的水量方程，則研究成果將會更加細致和精確。隨著觀測手段和實驗方法的不斷發展，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段收入水量為大氣降水P；支出水量有蒸發量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量，以徑流形式補充海洋，實現全球水量平衡。2、全球陸地水量平衡方程全球陸地在任一時段收入水量為大氣降水383、全球水量平衡方程降水、蒸發和徑流在整個水循環中，是三個重要的環節，在全球水量平衡中，它們同樣是最主要的因素。整個地球在任一時段收入水量為大氣降水P；支出水量為蒸發量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量之和，說明全球水量保持平衡，基本上長期不變。注：關于全球水量平衡數據不同學者研究結果不一樣。3、全球水量平衡方程降水、蒸發和徑流在整個水循環中，是三個重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——指河流的集水區域（補給區域），即分水線所包含的區域，包括地表集水區和地下集水區。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，二者不重合的流域為非閉合流域。可見，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；水量支出項目O有：蒸發量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。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，表示降水量中轉化為徑流量的比例；β為多年平均蒸發系數，表示降水量中消耗于蒸發而轉化為水汽的比例。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，徑流系數與蒸發系數之和等于1。因此，α和β綜合反映了一個地區氣候的干濕狀況。干燥地區蒸發系數大，徑流系數小，說明降水多數消耗于蒸發而產生徑流少，水分不足。濕潤地區蒸發系數小而徑流系數大，說明降水量多數產生徑流，而消耗于蒸發的少，水分豐沛。由此可見，α和β可以用來作為地區干濕程度的衡量指標。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，徑流系數與蒸發系數之和等于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在內流河區域，由于內流河最終消失于沙漠區的蒸發和下滲，而無徑流注入海洋，則有徑流流出量R0＝0，則在內流域有：

P0＝E0即多年平均降水量等于多年平均蒸發量。在內流河區域，由于內流河最終消失于沙漠區的蒸發和下滲，而無徑462、非閉合流域水量平衡方程嚴格地講，地球上幾乎不存在閉合流域。對于非閉合流域，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，地下水系發達，通常要考慮與相鄰流域的地下水交換量。但在其它地區，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。2、非閉合流域水量平衡方程嚴格地講，地球上幾乎不存在閉合流域47三、全球降水量和蒸發量沿緯度的分布據下圖“全球降水與蒸發的緯度變化”，無論降水量或是蒸發量，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，降水量和蒸發量都很豐沛，但降水量大于蒸發量，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帶控制，盛行下沉氣流，干燥少雨，但因緯度低、氣溫高，蒸發旺盛，蒸發量大于降水量，顯得水分不足；在40°以上的中高緯地區，受西風帶控制，降水量又超過蒸發量；兩極地區，降水和蒸發均很少。三、全球降水量和蒸發量沿緯度的分布據下圖“全球降水與蒸發的48全球降水、蒸發、海水鹽度變化曲線圖，ABCD分別表示四個海區全球降水、蒸發、海水鹽度變化曲線圖，ABCD分別表示四個海區49四、研究水量平衡的意義1、為水循環提供了重要定量依據水量平衡是水循環內存的規律，是水分循環的定量表達。據水量平衡方程，可由某些已知水文要素推求待定的水文要素。2、為合理評價和開發水資源提供依據。3、利用徑流系數和蒸發系數可推求區域干濕狀態。四、研究水量平衡的意義1、為水循環提供了重要定量依據50思考題水量平衡的研究區域可以是整個地球，也可以是某個流域、湖泊、海洋或某個特定區域。

請同學們思考大氣中的水量平衡？思考題水量平衡的研究區域可以是整個地球，也可以是某個流域51大氣中的水量平衡一定地區（陸地或海洋）上空的大氣中，在一定時段內收入的水分為：隨水平氣流輸入的水分(I)，來自下墊面蒸發的水分(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上空大氣在該時段始末所含水分的變量。就多年平均情況言，一個地區上空大氣中所含水分的量基本不變。因此，一定地區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。當某地區上空大氣中的水汽凈輸送量為正值時,該地區降水量大于蒸發量,當某地區上空大氣中的水汽凈輸送量為負值時，該地區蒸發量大于降水量大氣中的水量平衡一定地區（陸地或海洋）上空的大氣中，在一定時52復習思考題1、什么叫水循環，它包括哪些環節，簡述其過程。2、試說明水分循環的原因？3、什么叫水分大循環和小循環？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）。復習思考題1、什么叫水循環，它包括哪些環節，簡述其過程。53§1.3水循環研究的發展P16-19

一、水循環研究進展（一）基本資料庫建立研究（二）水循環的大氣過程模擬研究（三）水循環的陸面過程模擬研究（四）陸-氣相互作用的耦合二、水循環研究的發展趨勢注：本節內容屬擴展內容，不必掌握§1.3水循環研究的發展P16-19一、水循環研究進展5455第1章地球上水分循環與水量平衡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11－19一、水分循環的過程、原因及影響因素

（一）水分循環過程地球上的水并非是靜止不動的。地球上各種形態的水，在太陽輻射、地球重力等作用下，通過蒸發、水汽輸送、凝結降水、下滲和徑流等環節，不斷地發生相態轉換和空間位置的轉移過程，稱為水分循環，又叫水文循環，簡稱水循環（圖1－1）。

其具體過程為：

§1.1地球上的水分循環11－19一、水分循環的過程、原因563水汽輸送1蒸發4降水1蒸發4降水1植物蒸騰湖5地表徑流6地下徑流海洋5蒸發2降水3水汽輸送1蒸發4降水1蒸發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和蒸騰，升入空中，被氣流帶動輸送至各地，在適當條件下遇冷凝結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返回空中。其中滲入到地下的水，一部分也逐漸蒸發，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水循環包括的五個環節兩大部分：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、蒸發階段）五個環節：1）蒸發蒸騰—將液態水、固態水轉化為氣態水；2）水汽輸送—蒸發的水汽被氣流輸送各地；3）凝結降水—水汽在上升和輸送過程中，遇冷凝結，適當條件下降落地表；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。水循環包括的五個環節兩大部分：大氣部分（包括水汽階段、降水階59（二）水循環機理1、水循環服從于質量守恒定律整個循環過程保持著連續性，既無開始，也沒有結尾。從實質上說，水循環乃是物質與能量的傳輸、儲存和轉化過程，而且存在于每一環節。在蒸發環節中，伴隨液態水轉化為氣態水的是熱能的消耗，伴隨著凝結降水的是潛熱的釋放，所以蒸發與降水就是地面向大氣輸送熱量的過程。據測算，全球海陸日平均蒸發量為1.5808萬億立米，是長江全年入海徑流量的1.6倍，蒸發這些水汽的總耗熱量高達3.878×1021焦耳，如折合電能為10.77×1014千瓦時，等于1990年全世界各國總發電量的近100倍，所以地面潛熱交換成為大氣的熱量主要來源。由降水轉化為地面與地下徑流的過程，則是勢能轉化為動能的過程。這些動能成為水流的動力，消耗于沿途的沖刷，搬運和堆積作用，直到注入海洋才消耗殆盡。（二）水循環機理1、水循環服從于質量守恒定律602、太陽輻射與重力作用，是水循環的基本動力

水循環內因—水的物理屬性，即在目前大氣環境下，水的固、液、氣三態并存和三態在常溫條件下相互轉化。水循環外因—太陽輻射和重力是水循環的基本動力。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，空氣流動等，是水分循環的動力。重力是促使空中水滴降落和地面、地下徑流流歸海洋的動力。外部環境包括地理緯度、海陸分布、地貌形態等則制約了水循環的路徑、規模與強度。

2、太陽輻射與重力作用，是水循環的基本動力水循環內因—水的613、水循環廣及整個水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈水循環廣及整個水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈。其循環路徑并非單一的，而是通過無數條路線實現循環和相變的，所以水循環系統是由無數不同尺度、不同規模的局部水循環所組合而成的復雜巨系統。3、水循環廣及整個水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈水循環廣624、全球水循環是閉合系統，但局部水循環卻是開放系統。全球水循環是閉合系統，但局部水循環卻是開放系統。因為地球與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系統近似的視為既無輸入，又無輸出的一個封閉系統，但對地球內部各大圈層，對海洋、陸地或陸地上某一特定地區，某個水體而言，既有水分輸入，又有水分輸出，因而是開放系統。4、全球水循環是閉合系統，但局部水循環卻是開放系統。全球水循635、水文循環是巨大的物質循環地球上的水分在交替循環過程中，總是溶解并攜帶著某些物質一起運動，諸如溶于水中的各種化學元素、氣體以及泥沙等固體雜質等。不過這些物質不可能象水分那樣，構成完整的循環系統，所以通常意義上的水文循環僅指水分循環，簡稱水循環。5、水文循環是巨大的物質循環地球上的水分在交替循環過程中，總64（三）影響水循環的因素自然地理因素：1）氣象因素：起主導作用的因素。蒸發、水汽輸送和凝結降水三個環節取決于氣象過程。下滲狀況和徑流情勢雖與下墊面有關，但其基本規律仍受氣象因素的控制。2）下墊面因素：主要通過影響蒸發、下滲和徑流來影響水循環。人類活動：1）水利措施；2）農林措施；3）跨流域調水等（三）影響水循環的因素自然地理因素：65二、水循環的類型與層次結構P12（一）水循環的類型按規模和路徑，水循環可分為大循環（外循環）和小循環（內循環）兩類。1、大循環（外循環）大循環：指發生在海洋與陸地之間的水分交換過程，又叫外循環、全球性的水循環或海陸間的水循環。其具體過程：從海面蒸發的水汽，部分被氣流輸送到大陸上空，在適當條件下遇冷凝結并降落到陸地地表，除一部分蒸發返回空中外，其余的降水則形成地表徑流或滲入地下形成地下徑流，經河槽匯集，最終又回歸海洋。這就完成了海陸間大循環。二、水循環的類型與層次結構P12（一）水循環的類型66水分大循環通常經歷蒸發、輸送、凝結、降水、入滲和徑流等環節，一方面在天空、地面和地下之間通過蒸發、降水和入滲進行縱向水分交換（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。水分大循環通常經歷蒸發、輸送、凝結、降水、入滲和徑流等環節，67水循環類型示意圖圖1.2水循環類型示意圖圖1.2682、小循環（內循環）指發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，亦稱內循環，包括海洋小循環與陸地小循環。（1）海洋小循環（海洋內循環）指從海面蒸發的水汽，在空中凝結后又以降水形式直接降落到海面上，即發生在海洋與海洋上空之間的水分交換過程。2、小循環（內循環）69（2）陸地小循環指陸地上蒸發的水汽隨同從海洋輸送來的水汽一起，被氣流輸向內陸，遇冷凝結降落，仍降落到陸地上。這種發生在陸地與陸地上空之間的水分交換過程，稱為陸地小循環或陸上內循環。陸地小循環對內陸地區的降水具有重要作用。內陸地區距海洋遙遠，從海洋直接輸送到內陸的水汽不多，需要通過內陸局部地區的水分循環運動，使水汽不斷向內陸輸送、推進，這就是內陸地區的主要水汽來源。由于水分向內陸輸送過程中，沿途會逐步損耗，故由沿海向內陸，降水逐漸減少；另一方面，水分向內陸推進或告退，也會造成降水在時間上的漸變規律，由沿海向內陸，雨季推遲和縮短。（2）陸地小循環70（二）全球水循環系統的層次結構如前所述，全球水循環是由海洋的、陸地的以及海洋與陸地之間的各種不同尺度，不同等級的水循環所組合而成的動態大系統。由于這些分子水循環系統既緊密聯系，相互影響，又相對獨立。所以對這個全球性的動態大系統，可以根據海陸分布，各分子系統的尺度、規模不同，以及相互之間上下隸屬關系，建立如圖2-3所示的水循環分子等級系統。陸地水循環系統結構比海洋水循環系統要復雜，而且在四級以下還可進一步區分，例如長江流域為四級水循環系統，漢江作為長江的一級支流，就屬于五級水循環系統，而丹江是漢江的支流，是長江的二級支流，因而屬于六級水循環系統。

（二）全球水循環系統的層次結構如前所述，全球水循環是由海洋的71地球上的水循環和水量平衡P課件72三、水體的更替周期指水體在參與水循環過程中全部水量被更新一次所需的時間，通常用下式近似計算：式中T為更替周期（年、日或時）；W為水體總儲水量（m3）；為水體年平均參與水循環的活動量（m3/年）三、水體的更替周期指水體在參與水循環過程中全部水量被更新一次73以世界大洋為例，總儲水量為13.38×1017米3，每年海水總蒸發量為50.5×1013米3，以此計算，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，則更新一次需要28468年。又如世界河流的河床中瞬時貯水量為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，循環周期長達萬年。以世界大洋為例，總儲水量為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強度的重要指標，亦是反映水體水資源可利用率的基本參數。因為從水資源永繼利用的角度來衡量，水體的儲水量并非全部都能利用，只有其中積極參與水循環的那部分水量，由于利用后能得到恢復，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更新速度和周期的長短，循環速度愈快，周期愈短，可開發利用的水量就愈大。以我國高山冰川來說，其總貯水量約為5×1013米3，而實際參于循環的水量年平均為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，增加其開發利用量，就會減少其貯水量，影響到后續的利用。水體的更替周期是反映水循環強度的重要指標，亦是反映水體水資源76四、水循環的作用與效應水循環是地球上的物質大循環，巨大的能量流，對自然界和人類具有重大的作用和意義。（一）水循環是聯系大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，并成為它們之間的能量調節器水循環的一系列過程中，通過降水、地表徑流、入滲、地下徑流、蒸發和植物蒸騰等各個環節，使地球四大圈層相互聯系起來，并在物質流的同時，伴隨能量流。四、水循環的作用與效應水循環是地球上的物質大循環，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構中，水圈居于主導地位，正是水圈中的水，通過周流不息的循環運動，積極參于了圈層之間界面活動，并且深入4大圈層內部，將它們耦合在一起。水循環，它上達15公里的高空，成為大氣圈的有機組成部分，擔當了大氣循環過程的主角；下深地表以下1—3公里深處，積極參與巖石圈中化學元素的遷移過程，成為地質大循環的主要動力因素；同時水作為生命活動的源泉，生物有機體的組成部分，它全面的參與了生物大循環，成為溝通無機界和有機界聯系的紐帶，并將4大圈層串聯在一起，組合成相互影響、相互制約的統一整體。從這一意義上說，水循環深刻地影響了地球表層結構的形成以及今后的演變與發展。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，地球上各種水體相互聯系轉換，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、發展的寶貴資源，是廉價、清潔的能源，是農業的命脈、工業的血液和運輸的大動脈，它與其它自然資源相比較主要不同點是水資源具有再生性和可以永繼利用的特點。這一特點正是水循環所賦予的。如果自然界不存在水循環現象，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”。因為水資源永繼利用是以水資源開發利用后能獲得補充、更新為條件的。更新速度和補給量要受到水循環的強度、循環周期的長短的制約，一旦水資源開發強度超過地區水循環更新速度或者遭受嚴重的污染，那么就會面臨水資源不足，甚至枯竭的嚴重局面。所以對于特定地區而言，可開發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。只有在開發利用強度不超過地區水循環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，地球上各種水體相互聯系轉換，使水資源得以再79（三）水循環是聯系海洋與陸地的主要紐帶海洋正是通過蒸發水分源源不斷地向大陸輸送水汽而形成降水，進而影響陸地上的一系列物理、化學與生物過程。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、有機雜質、各種營養鹽類，進而影響海水的性質、海水中的生物學過程，以及海冰沉積與海盆形態等。（三）水循環是聯系海洋與陸地的主要紐帶海洋正是通過蒸發水分源80（四）水循環是一切水文現象的根源。水循環是地球上一切水文現象的根源，沒有水循環，地球上也就不會發生蒸發、降水，徑流；不存在江河、湖泊。所以研究地球上的水循環，是認識和掌握自然界錯綜復雜的水文現象的一把鑰匙；是把握自然界各種水體的性質、運動變化及其相互關系的有效方法和手段。可以說水循環與水量平衡的研究引導了以往水文學科的發展，亦將指導水文學的未來，并正從宏觀與微觀雙向尺度上，不斷拓寬與加深水文學科。（四）水循環是一切水文現象的根源。水循環是地球上一切水文現象81水分循環對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相互聯系而發生，從而影響了一地氣候的主要方面——降水與氣溫。水分循環具有物質“傳輸帶”的作用，而且又是巖石圈表層機械搬運作用以及自然地理環境中無機成分和有機成分化學元素遷移的強大動力。在水分循環過程中伴隨產生了各種常態地貌和河流、地下水、湖泊等等。水分循環也是生物有機體維持生命活動和整個生物圈構成復雜的水膠體系統的基本條件，起著有機界和無機界聯系的紐帶作用。總之，水分循環有如自然地理環境的“血液循環”，它溝通了各基本圈層的物質交換，促使各種聯系的發生。水分循環過程同時起著水文過程、氣候過程、地形過程、土壤過程、生物過程以及地球化學過程等作用。水分循環對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、水量平衡原理在現今的宇宙背景下，地球上的總水量接近一個常數。但對地球上的任何圈層或任何地段都是一個開放系統，既有水分的輸入，又有水分的輸出。根據物質不滅定律（質量守衡定律）：對于地球上的任何一個地區在任意時段內，收入的水量與支出的水量之差額必然等于該地區在該時段內的蓄水變化量，這就叫水量平衡原理(WaterBalance)。水量平衡是水循環內存的規律，是水分循環的定量表達。水量平衡原理是研究各種水循環要素之間數量關系的基本原理，也是水資源量估算的基本出發點。

一、水量平衡原理在現今的宇宙背景下，地球上的總水量接近一個常84水量平衡的基本方程為：式中，I為區域在給定時段內收入（輸入）水量；O為區域在給定時段內支出（輸出）水量；S1/S2為區域在給定時段內的始末蓄水量;ΔS為區域在給定時段內的蓄水變量。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的數學表達式，根據不同的區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以陸地上任一地區為研究對象，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，對任一閉合柱體，任一時間內的水量收入I為：式中：P—區域在給定時段內的降水量；E1—水汽凝結量；R表、R地下

—分別為在給定時段內地表、地下流入區域內的徑流量二、水量平衡方程式

（一）通用水量平衡方程現以陸地上任一地區86區域在給定時段內支出水量O為：E2——區域在給定時段內地表總蒸散發量；、——分別為地表、地下徑流流出量；q——研究時段內工農業和生活凈用水量（即區域在給定時段內人類凈用水量）區域在給定時段內支出水量O為：87則通用水量平衡方程式為由于上式中E1為負蒸發量，令E＝E2－E1為時段內凈蒸發量；△S＝S2－S1為時段內蓄水變化量，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為負蒸發量，令E＝E88降雨p蒸發E地下水（入）R地下地下水（出）地表水R表（入）地表水（出）工農業等用水q降雨p蒸發E地下水（入）R地下地下水（出）地表水R表（入）地89隨著觀測手段和實驗方法的不斷發展，水量平衡研究也愈加詳盡。如對上述閉合柱體分為若干個層次，分層研究水量的收支情況，建立各層的水量方程，則研究成果將會更加細致和精確。隨著觀測手段和實驗方法的不斷發展，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段收入水量為大氣降水P；支出水量有蒸發量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量，以徑流形式補充海洋，實現全球水量平衡。2、全球陸地水量平衡方程全球陸地在任一時段收入水量為大氣降水923、全球水量平衡方程降水、蒸發和徑流在整個水循環中，是三個重要的環節，在全球水量平衡中，它們同樣是最主要的因素。整個地球在任一時段收入水量為大氣降水P；支出水量為蒸發量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量之和，說明全球水量保持平衡，基本上長期不變。注：關于全球水量平衡數據不同學者研究結果不一樣。3、全球水量平衡方程降水、蒸發和徑流在整個水循環中，是三個重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——指河流的集水區域（補給區域），即分水線所包含的區域，包括地表集水區和地下集水區。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，二者不重合的流域為非閉合流域。可見，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；水量支出項目O有：蒸發量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。但就多年平均情況，蓄水變量ΔS趨于零（ΔS→0），即有

式中，、、