第五节水分循环和水量平稳方程

第五节 水分循环和水量平稳方程
一、水分循环（hydrological cycle ）
水覆盖了地球表面约71％的面积。

全世界水量大约亿km 3。

若是将这些水均匀地散布在地球表面，能够形成一个近3000m 厚的水层。

可是，如此庞大的水量中98％是人类不适用的海水，只有不足3％是淡水。

据专家推算，淡水总量为亿km 3，若是将其均匀地散布在地球表面，水层厚度只有0.32m 。

（一）水分循环的概念
水在太阳辐射作用下，由地球水陆表面蒸发变
成水汽，水汽在上升和输送进程中遇冷凝结成云，
又以降水的形式返回地表，水分进行这种不断的往
复进程，叫做水分循环。

（二）水分循环的种类
自然界的水分循环分为水分大循环和水分小
循环。

一、水分大循环
由海洋蒸发到大气中的水汽，一部份被气流带
至大陆上空，以凝结降水的形式降落地面。

这些降
水一部份蒸发还到大气中，一部份形成地表远流，
流入河流，再以河川径流的形式注入海洋，另一部
份渗入土壤后，以地下水的形式注入海洋，使海洋失去的水分取得补偿。

这种海陆之间的水分循环，称为大循环，又叫外循环。

水分大循环是指水从海洋以水汽形式随大气环流输送到大陆上空，凝结成降水，落到地面形成径流，沿地表或地下流入海洋的进程。

二、水分小循环
由海洋蒸发的水汽，上升到高空，凝结致雨，又降落到海洋上，或陆地蒸发的水汽，上升到高空，凝结致雨，又降落到陆地上，这种局部的水分循环，称为小循环，又叫内循环。

水分小循环是指水在陆地蒸发到大气中，凝结成各类形式的降水（雨、雪、雾、露、冰雹、霰等等）又落到地面的进程，或海洋中的水蒸发到海洋上空，降水后又落到海洋中的进程。

二、水量平稳方程
依照长期观测及物质不灭定律，地球上的总水量大体上是不变的，因此地球上的水分总收入与总支出是平稳的，但在短时期内，局部地域水分总收入与总支出则不必然相等，其收支差值造成了该地域该时段内蓄水量的转变，这时水分收人应等于水分支出与蓄水量转变。

这就叫做水量平稳。

水量平稳是水分循环进程的结果。

大陆上的水量平稳方程：
海洋上的水量平稳方程： 上式中，E 陆和E 海别离是大陆和海洋的蒸发量；P 陆和P 海别离为大陆和海洋的降水量；R 为径流量；ΔS 陆和ΔS 海别离为该时段内大陆和海洋蓄水量的转变值。

关于任意地域、任意时段，能够发觉有时水分的收入大于支出，ΔS 为正值，即水分有盈余；有时水分收入小于支出，ΔS 为负值，即水分有亏损。

但对大范围地域，如整个大陆或整个海洋，连年平均的情形下，水分的盈余与亏损相抵后，剩余值极小。

可略而不计。

因此可从水量平稳方程中去掉ΔS 项。

大陆的连年平均水量平稳方程为：
海洋的连年平均水量平稳方程为： 陆陆陆＝S R P E ∆±-海海海＝S R P E ∆±-R P E -陆陆＝R
P E +海海＝
上式中， 和 别离为陆地和海洋的连年平均蒸发量； 和 别离为陆地和海洋的连年平均降水量； 为连年平均径流量。

全世界的连年平均水量平稳方程为：
连年平均情形，地球上的总蒸发量与总降水量相等。

整个地球上的水分总量大体上是恒等的。

水量平稳方程各分量的大小不是固定不变的，只要改变下垫面的构造和特点，就能够使水量平稳的各个分量发生转变。

如大面积修建水库，拦蓄洪水。

使水面面积增大，地下水位提高，径流量减少，蒸发随之增大，改善了农业生产的自然条件。

又如大面积植树造林可减少地表径流，使蒸发量和土壤蓄水量相应增大，从而起到修养水源和维持水土的作用等。

三、丛林的水量平稳方程
（一）丛林对降水的从头分派
由于丛林的存在，使抵达林地的降水与空旷地有专门大不同。

抵达林区的大气降水要发生两次再分派进程。

第一，大气降水抵达林冠作用层以后，一部份被林冠截留，一部份通过林冠间隙直接抵达林地表面，被林冠截留的降水，一部份直接蒸发返回到大气中；一部份顺着枝条和树干流到林地表面，形成树干迳流（茎流或干流），而大部份以水滴或雪团的形式从枝叶上滴落到林地表面，形成滴流，这是降水的第一次再分派进程。

抵达林地的降水，要发生第二次再分派。

其中一部份向地下渗透；一部份沿地表迳流。

在下渗部份中，一部份被土壤吸附，改变土壤含水量；一部份渗入到土壤中，通过地中而流出，成为土壤迳流；一部份渗透到深层去，形成地下迳流；再有一部份被土壤直接蒸发到大气中，或由乔灌木、活地被物的根部吸收，通过蒸腾作用返回到大气中。

林冠戴持降水的蒸发、土壤蒸发和丛林植物蒸腾一起组成丛林蒸散量，林区降水要紧消耗于丛林的蒸散上。

林区的降水量为收入，丛林蒸散量和林地迳流量的损失为支出，收支相抵后剩余部份贮存在丛林土壤中，引发土壤含水量的转变。

（二）丛林的水量平稳方程
依照物质不灭定律，丛林对水分的总收入应该等于其总支出，这种水分收支在数量上的平稳关系确实是丛林的水量平稳方程。

1、林冠层的水量平稳方程
式中：Pf 为大气降水；Q 为乔灌木根系吸水量；E1为林冠物理蒸发量；E1′为林冠蒸腾量；rp 为透过林冠直接抵达林地的降水量； rf 为树干迳流量，ΔS 为植物体含水量的转变；Δq 为林内空气水汽含量的转变。

2、林地的水量平稳方程
式中：E 2为林地表面的物理蒸发；E 2′为林地表面的植物蒸腾；F 1为地表迳流；F 2为土壤迳流；f 为地下迳流；Δw 为土壤储水量的转变。

土壤储水量的转变项Δw 的连年平均值可视为0。

林内空气水汽含量的转变Δq 和植物体含水量的转变ΔS ，依照观测资料估算很小，可忽略不计。

林冠层的水量平稳方程和林地的水量平稳方程可简化为：
3、丛林的水量平稳方程 林冠层的水量平稳方程和林地的水量平稳方程相加，即可取得丛林的水量平稳方程。

陆E 海E 陆P 海P R 海陆海陆＋＝P P E E +q
S r r E E Q P f p f ∆+∆++++=+)('
11w
Q f F F E E r r f p ∆+++++'+=+)()(2122f
p f r r E E Q P +++=+)('11Q f F F E E r r f p ++++'+=+)()(212
2
林分状况不同，丛林水量平稳方程各分量的大小也不同，丛林对水量平稳各分量都有必然阻碍。

四、丛林对降水的阻碍
林内降水量由直接抵达林地的降水量、从树叶和大小枝条上淌下的降水量和树干迳流三部份组成。

林内降水量在数值上等于林外降水量与林冠截留量之差。

林内降水量的散布是不均匀的。

离树干愈远，降水量愈大，在树冠边缘处达到最大，而根际周围由于树干迳流，降水量也比较大。

林内降水强度一样小于林外，但林内的降水时刻较林外长。

在降水期间，林冠层起着调剂林内降水的作用，这种作用要紧表此刻使峰值降低，降水强度减小，降水时刻延长，林外降水停止以后，林内还能够取得一部份降水。

（一）丛林对大气垂直降水的阻碍
关于丛林可否增加大气垂直降水的问题，近百年来，世界各国许多学者都对那个问题进行过观测和研究。

目前尚未取得一致观点，归纳起来要紧有两种观点，一是丛林能增加大气的垂直降水；二是丛林对大气垂直降水没有阻碍或阻碍甚微。

一、丛林能增加大气的垂直降水
持上述观点的学者，依照林区降水量较临近无林地域大这一观测事实，以为丛林能增加大气的垂直降水。

理由如下：
（1）林冠层不断向上空蒸散大量水汽，使林区的湿度大于无林地域，为降水提供了条件。

（2）林区反射率小，吸收率大，为产生阵性降水提供了热量。

（3）丛林的存在使气流被迫抬升，其高度可达几百米、上千米，增强了空气的垂直运动，增进林区湿空气的冷却和凝结。

（4）丛林使下垫面的粗糙度增大，丛林上方乱流互换作用增强，使林木蒸腾的大量水汽迅速输送到上空，增进降水。

二、丛林对大气垂直降水没有阻碍或阻碍甚微
其理由如下：
（1）林木蒸腾使大气增加的水汽量是很少的，美国林学家R·Lee 从全世界水量平稳估量丛林对降水的阻碍时指出，全世界丛林增加的蒸发量只占全世界总蒸发量的％。

（2）林木蒸腾的水分不能增加林区及毗邻地域的降水，因为水汽一但进人大气，当即随大气环流，在几小时之内，就抵达数百千米之外，既可不能在原地上空积聚，也可不能在毗邻地域停滞，即便停滞也必需具有降水的条件才能产生降水。

降水就其形成缘故可分为气旋雨、对流雨、地形雨和台风雨，而这些降水与丛林的关系都不大。

（3）丛林是透风体，丛林对气流的抬升作用远不如地形。

（4）实际观测到的林区降水比毗邻的无林地域多的缘故，是由于地形和风的作用造成的。

风能阻碍雨量器对降水的同意量。

风大时，雨滴降落的倾斜角增大，倾斜角愈大，雨量器接收的降水量愈少。

林区的风通常较无林地域小，故雨量器接收的降水较无林地多。

丛林多散布于山地，由于地形的抬升作用，使林区的降水增多。

若是消去风和地形阻碍以后，丛林对大气垂直降水的阻碍就不显著了。

丛林只有在对流性降水和地形性降水的场合，略能增加降水量，也只只是增加1%左右，关于大规模的气旋性降水，丛林几乎没有阻碍。

（二）丛林对大气水平降水的阻碍
丛林能增加水平降水，对这一点观点是一致的。

在林区，林内空气湿度大，丛林枝叶的总表面积大，夜间强烈辐射冷却，往往产生较多的水汽凝结物，如雾、露、霜、雾淞等。

丛林的水平降水：丛林中地面及低空产生的水汽凝结物。

丛林夜雨：在夏日午夜以后，林冠由于辐射冷却作用不断增强，丛林中的湿空气随着气温的降低而趋于饱和，最后凝结成水滴，附在林木的枝叶上，气温不断下降，凝结的水滴不断增大、增多，最后象降水一样降落，形成“丛林夜雨”。

早晨日出以后，温度慢慢回升，凝结作用停止，水滴开始蒸发，“夜雨”即告终止。

在春秋季节，由于林区湿度大，加上夜间辐射冷却强烈，往往多辐射雾。

日出后，随着温度上升而慢慢消散。

丛林夜雨和辐射雾都使丛林的水平降水增加。

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五、丛林蒸散
丛林的物理蒸发与丛林植物蒸腾二者之和称为丛林蒸散。

它是由林地蒸发、林冠截持水分蒸发和丛林植物蒸腾三部份组成。

六、丛林对迳流的阻碍
沿地表或地下运动的水流，称为逐流。

按迳流的位置可分为地表迳流和地下迳流。

地表迳流是指降水沿地表运动的水量。

地下迳流是指土壤下渗的降水量在地下运动的水流，其中从地中流出的为土壤迳流，下渗到深层变成地下水的成份，又在切割深度比较大的河道中流出的为地下迳流。

某一时段的迳流量（以毫米水深表示）与同期降水量之比，叫做迳流系数。

显然迳流系数是表示某一时段内，降水量中有多少水量变成迳流而补给河流。

（一）丛林能够减少地表迳流
1、林冠使降水强度降低，雨水冲洗地面的力量减弱，因此形成的迳流较弱。

2、林地上的死地被物层能吸收大量降水，从而使地表迳流减少。

死地被物吸收水分的多少随树种组成而异，一样可达自身重量的40－260％，而山杨林下的死地被物最大吸水量可达其自身重量的倍，油松林下的则为倍，刺槐林死地被物约倍。

枯枝落叶转变成腐殖质以后，吸水量可达其自身重量的2—4倍。

3、丛林土壤疏松多孔，腐殖质含量高，水分容易被吸收和渗透下去。

4、地表迳流受树干、下木、活地被物的阻挡，流动缓慢，更有利于被土壤吸收和渗透下去，使地表迳流大部份转变成地下迳流。

5、春天林内融雪林内较林外晚，且一样比较缓慢，融雪后的雪水容易被土壤吸收和渗透下去，使地表迳流减少。

因此，丛林的存在可减少地表迳流。

（二）丛林对河川迳流的阻碍
丛林不仅能减少地表迳流，而且对河川迳流也有必然阻碍。

由于丛林有较大的持水能力和蒸散量，从而使河川中的迳流不至猛涨猛落，减弱了洪峰，减弱了迳流速度，延长了迳流时刻。