第四章 水分资源及其利用

第四章 水分资源及其利用
水作为地球上一种重要的自然资源，具有其他资源无法替代的重要作用， 即维持人类生命的作用、维持工农业生产和维持良好环境的作用。水是一种可再 生的动态的自然资源。在自然界中，水分循环过程周而复始，长年不息。但是， 在水分— 大气— 土壤— 生物系统中，周转总量是有限的。在一定的地区和时间范 围内，水资源并不是取之不尽，用之不竭的。据估计，可利用水量的理论值是陆 地上降水量与蒸发量之差，大约4× 1013 m3；其中，有效水仅占1/3。 水分资源即水资源，是指能被人类直接利用的地表水和地下水。对于一个 地区来说，水分资源包括大气降水、土壤水、地表径流和地下水4个部分，其中 大气降水直接补给土壤水和地表径流，也间接影响地下水。因此，大气降水是地 面水分资源的主要收入项，在水分资源分析中占有重要地位。但是，大气降水不 能表达水分收支情况，更不能反映大气— 土壤— 植物系统中的蒸散、地表径流等 水分支出。科学地评价某地区的水分资源，应该采用地表水分平衡方程，进行逐 项分析，最终以水分收支差值或收支比值来反映该地区的水分状况。
151
4.1所示。然而，数量如此之多的水中能被人类直接利用的却极为有限。
表 4.1 地球上积蓄水和流动水分类及数量[1] 积蓄水分类 1. 海洋水 2. 大气水 3. 陆地水 其中：河流 淡水湖 内陆咸水湖 土壤含水分 地下水 冰盖/冰川 生物群 估计数量 / km3 1 350 000 000 13 000 35 977 800 1 700 100 000 105 000 70 000 8 200 000 27 500 000 1 100 流动水分类 1. 蒸发总量 从海洋面 从陆地面 2. 降水总量 降到海洋 降到陆地 3. 入海径流总量 河流 地下供水 冰川融水 估计数量/ km3 496 000 425 000 71 000 496 000 385 000 111 000 39 700 27 000 12 000 700
§4.1 地表面的水分平衡
水是地球上大气圈和水圈的组成部分，是一切生物维持生命和生长发育的 必要条件。在大气科学中，水分因子是一个重要的气象要素，是气候分析、干湿 区划、降水预报以及人工影响天气等方面的基本内容。在气候资源学中，各个资 源要素并不是孤立的，水分资源和热量资源往往既相互联系又相互影响，而且互 为因果。一个地区的水分含量、水汽输送量和水的相变取决于该地的热力条件； 而一个地区的水分分布和变化又会调节和改变当地的热量状况，从而影响其天气 和气候。此外，一个地区的水分收支及其变化，对于工农业生产和国民经济建设 有着密切的关系和影响，如农业生产规划、水电工程和大型建筑设计等都需要估 算水资源，进行旱涝预测等。因此，了解并掌握地表的水分平衡状况很有必要。
152
2600 mm 水层。 2．地下水分 地下水又称潜水，一般可分为浅层地下水和深层地下水两部分，其中接近 地面的浅层地下水与地表水分的关系最密切。浅层地下水是指地壳表层土壤中因 地面降水或凝结水渗透的水分，即流动水；深层地下水是指在地下深层因地球内 部水汽凝结或水成岩生成的水分，称为原生水。浅层地下水直接参与全球水文循 环，补给条件好，水量可逐年更新，受人类活动的影响很大。 地下水资源的分布，主要受大气降水和地表水体分布的制约，其次是地形 地貌和水文地质条件等因素的影响。我国年平均地下水资源的总体分布趋势是从 东南沿海向西北内陆地区逐渐递减，与我国年平均降水量、年平均径流量的分布 趋势大体相似。根据水利部门的水资源评价结果[2]，我国年平均浅层地下淡水总 量约为8288×108m3，其中平原地区年平均地下水资源量为1873×108m3，山地丘 陵地区为6762×108m3，山丘区与平原区地下水资源重复计算量为348×108m3；各 流域片平均年地下水资源量，如表4结构、下渗性能等）。通常，一次降水的总径流量包括地面 径流、地表径流和地下径流三部分。 3．大气中的水汽输送 地球上的水汽输送包括垂直输送和水平输送，其根本原因是热力因素和动 力因素综合影响的结果。水汽的垂直输送和交换是通过蒸发凝结和湍流扰动等过 程以蒸发和降水的方式实现的。水汽的水平输送则是大气中和地面上的水汽在水 平方向上的输送和交换，对地球上的水分循环起很大作用。 我国的水汽来源主要有3个方面，一是由西南气流输送的来自孟加拉湾和印 度洋的水汽，二是由西北气流输送的来自大西洋和北冰洋的水汽，三是由偏南或 偏东气流输送的来自南海或东海及太平洋的水汽。这些水汽的输送与我国的环流 特征和季风进退密切相关。冬季，我国受来自西伯利亚的大陆冷高压控制，西风 和北风输送占主导作用；但由于水汽含量少，水汽输送量并不大，基本上是纬向 型分布，随纬度增高而减少，南北差异不大。夏季，因副热带高压西伸北进，东 风和南风输送大大加强，水汽输送量比冬季大得多，其分布基本上随离海洋距离 的增大而减小。 我国全年水汽输送量的最大值出现在长江以南的两湖平原地区、西南云贵 高原以及横断山区，东北辽东半岛夏季的水汽输送量也比较大，西北地区则以天 山北麓较大。由于这些地区距离水源较近，又受季风影响，再加上有利的地形条 件，所以水汽输送量都比较大。大气中的水汽含量一般随高度增大而减小，但是 由于水汽输送取决于水汽含量和风速的综合影响，因此水汽输送量并不随高度而 减小。我国的最大水汽输送高度一般在700hPa 左右，夏季略高一些而冬季稍 低。此外，青藏高原对我国的水汽输送存在着明显的屏障作用和分流作用；在高 原上空，最大水汽输送层比周围地区升高100hPa 左右，高原阻挡着下层富含水 汽的西南气流北上，致使西北内陆成为我国最干旱的地区。
4.1.2 地球上的水分输送
对于地面来说，海洋中的水分输送为洋流输送，陆地上的水分输送为径流 输送；而对于大气来说，则主要依靠大气环流和湍流运动输送水汽。 1．洋流输送 洋流是海洋中水分输送的主要方式，有了洋流才能使大量的海水从一处流 向另外一处；对于整个海洋总水量的盈亏来说，洋流输送并不起作用，但是对于 其流域的气候形成、气候变化以及海洋内生物资源的发展来说，其影响却是非常 巨大的。 2．径流输送 在水分循环过程中，地面和地下的水分汇聚到河川流域后输出的水量称为 径流。对于一个闭合的流域，其多年平均径流量就等于该流域内降水量与蒸发量 之差。影响径流的形成和径流大小的因素，主要是流域的自然地理环境，包括气 候因素（降水、蒸发等）、地理因素（地形特征、水域面积、植被覆盖等）、土
4.1.1 地球上的水分含量
地球上的水分含量极其丰富，遍布于海洋及陆地。根据近年来世界上各方 面专家的综合估计[1]，积蓄在海洋、大气和陆地上的天然水资源总量约为1.386× 1018m3；其中，海洋水大约为1.35×1018m3，占97.4%；陆地水大约3.6×1016m3， 占2.6%；大气中的水分大约为1.3×1013m3，仅占水资源总量的百万分之9.6。如表
1．地表水分 地球表面的水分包括海洋、陆地上的河川、湖泊、沼泽以及地表积雪、积 冰和冰川等所蕴藏的水。 地球表面70.8%是海洋。太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋互相沟通连成一 体，包围着亚欧大陆、非洲大陆、美洲大陆、澳大利亚大陆和南极大陆。南半球 的海洋面积大于北半球，北半球海洋面积占其表面积的61%，而南半球占81%。 世界上海洋的平均深度为3795m，所含水的总体积大约为1.35×1018 m3。 我国是世界上河流众多的国家之一，外流流域占全国总面积的64%；主要是 流入太平洋的长江、黄河、黑龙江和珠江等，占全国外流流域的88.9%；其次是 流入印度洋的怒江、雅鲁藏布江等河流，占全国外流流域面积的6.5%；流入北冰 洋的额尔齐斯河流域面积最小，位于新疆西北部。我国面积在1 km2以上的天然 湖泊有2800个，人工水库数以万计，都是我国地表水资源的组成部分。沼泽中约 75%的水分消耗于蒸发，25%形成径流且径流量主要发生在春夏半年的雨季。我 国的沼泽受地形和气候条件的影响，主要分布在东南沿海地区、东北永冻土地 区、西北内陆和青藏高原地区。 极地地区和高山的山峰上，大气降水因气温很低而以固体形式降落到地 面，而且终年不化，不断堆积形成积雪。通常，将终年不融雪地区的高度下限称 为雪线。雪线高度并不是固定的，随气温、湿度、地形条件的变化而变化，随季 节和地理纬度的不同而不同。雪线以上的积雪因温度和压力的不断变化而逐渐形 成冰层。我国喜马拉雅山、昆仑山和天山都是重要的冰川分布区；据统计，我国 西部高山的现代冰川面积有57000km2，以西藏为最多，新疆次之，再次是青海和 甘肃。当冰川滑动到雪线以下时，因吸收热量而融化，形成径流。我国现代冰川 大多数属于大陆性冰川类型，海拔高气温低，年消融量很小，仅相当于1100～
153
地球上的平均水汽压分布表明，大气中的水汽含量随地理纬度的增高而减 小，低纬度地区可比高纬度地区大6倍以上。由于大气中的水汽依靠气流上升运 动和湍流混合作用而传输到高空，因而随着高度的增加大气中水汽含量的递减速 度很快；一般从地面到1～2km 高度，水汽压减小了50%，到5km 高度水汽压只 有地面的1/10左右。由于冬夏季热力条件的差异，致使水汽压夏季最大，冬季最 小，具有明显的季节变化。 我国东南临近海洋，西北深居内陆，所以大气中年平均水汽含量从南向 北、从东到西逐渐减小；珠江流域以南及其沿海岛屿是我国水汽资源最丰富的地 区，最大值出现在西沙珊瑚岛；我国西北荒漠和戈壁地区是我国水汽资源最贫乏 的地区，最小值出现在青海的茫崖。华南地区年平均水汽含量大约为 40 ～ 45mm，长江流域30mm 左右，黄河流域在20mm 以下，到东北地区仅15mm；西 南地区全年水汽含量为20～30mm，西藏高原东南边缘的雅鲁藏布江流域约为 10～20mm；我国西部除新疆天山北麓全年可达10mm 以外，整个西部地区大气 中水汽含量都很小。东部地区不论冬夏大气中水汽含量的分布都是从南到北减小 的，且南北差异冬季大于夏季。东西部相比，夏季不论低纬度或高纬度地区，都 是东部水汽含量大于西部，但在冬季黄河以北地区却与西部相差不大。 我国大气中绝对湿度的季节变化表明[3]，无论东南沿海还是西北内陆，我国 大气中月平均绝对湿度最小值几乎都出现在温度最低的1月，最大值一般出现在 温度最高的7、8月份。春、秋季相比，从西南到东北一般秋季大于冬季，仅北疆 地区春季大于秋季；因为准格尔盆地和阿尔泰山西南迎风坡受大西洋湿润气流影 响，春季降水量多于秋季。