2.1 水循环及水量平衡

淡水湖水
土壤水
大气水
沼泽水
河道水
生物水
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2.1.1.2 水分循环及其模式
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2.1.1.2 水分环及其模式
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水循环的基本环节(过程、阶段)
水汽输送 蒸发散
降水
径流
蒸发散、水汽输送、降水、径流
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2.1.1.2 水分循环及其模式
流域的定义： 河流某断面以上，汇集地表水和地下水的区域（分 别称作地面集水区和地下集水区）统称为河流在该断 面以上的流域。 流域亦即分水岭 （山岭、高原、平 原或湖泊）包围的
集水区域。
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（4）流域水量平衡方程
一般流域水量平衡方程：
收入 支出 变化
(P E1R地表R地下)(E2 r地表 r地下 q)W
（6）全球海洋水量平衡方程
输入:
海洋上空的降水—P
来自大陆的径流—R
输出: 海洋蒸发—E 变化量： 海洋蓄水量变化量ΔW 海洋水量平衡方程:
P
E
R
P海 R陆E海 △ W海洋
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(7) 全球水量平衡
陆地的水量平衡方程
P 陆 - R陆 - E陆 = ΔW陆
海洋的水量平衡方程
时段：长、短 数量： 自然：降水、蒸发、径流 人为：调出或调入（开采、回注、灌溉、排水) 单位：各要素的单位：常用平均水深, mm
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（1）大气系统
PE Ain Aout ΔA
P和E分别为降水量和蒸发量； Ain和Aout分别为大气层中除降水与蒸发 以外的其他收入水量和支出水量； ΔA为大气系统中的蓄水变化量。
主要内容：
• 水量平衡？
• 可解决什么问题？
• 水量平衡方程？ • 如何构建水量平衡方程？
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2.1.2.1 水量平衡原理
定义：
根据质量守恒定律，在水分循环过程中，对 于任一区域在任一时段内收入的水量和支出 的水量之间的差额，必等于该时段内该区域 内蓄水量的变化量。 水量平衡即水量收支平衡。
流域通用水量平衡方程
令E=E2-E1为时段内的净蒸发量，则
P R地表 R地下 E r地表 r地下 q+ W
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非闭合流域/闭合流域： ★ 非闭合流域：
地面分水线与地下分水线在位置上不完全重 合，即地面和地下集水区不相重合。
★ 闭合流域：
流域的地面水和地下水分水线在位置上重合， 即地面和地下集水区相重合。
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水分循环的原因
（1）外因(动力条件)：太阳辐射、地心引力（重力） （2）内因（水的物理性质）：水的三态变化
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2.1.1.3 水分循环的类型
根据水循环的过程，分为： 1、大循环 海陆间的水分循环过程称 为水分的大循环（或外 循环）。 2、小循环 海洋与大气之间或陆地与大气之间局部地区的水 分循环过程称为水分的小循环（或内循环） 。
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2.1.1.4 水循环周期
W T＝ ΔW
是研究水资源的非常重要的一个 参数。如果一个水体的循环周期 短、更新速度快，其水资源的利 用率就高。
T——周期（单位---年、月、日、时） W——水体的储量（体积单位） ΔW ——单位时间参与水循环的量（体积/时间）
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Subsurface Capture
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降雨量 P
E 净蒸发量
非 闭 合 流 域 的 水 量 平 衡
工农业及 生活净用水量
q
从地面流出的水量
△W
r地表
r地下
从地下流出的水量
R地下
从地下流入的水量
地面分水线
地下分水线
P R地下 E r地表 r地下 q+ W P R地下 E R+ W
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无工农业及生活用水时
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降雨量 P
E 净蒸发量
闭 合 流 域 的 水 量 平 衡
从地面流出的水量
△W
r地表
地面分水线
地下分水线
P = E + R+△W
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闭合流域多年平均的水量平衡方程
短时或瞬时： 多年平均：
P = E + R+△W
P E R W
式中： P --该区的降水量 E2 --蒸发量和林木的蒸散量
E1—该区水汽的凝结量
R 地表 --流入该区的地表径流量 R 地下 --流入该区的地下径流量
r地表--从该区流出的地表径流量
r地下-- 从该区流出的地下径流量 q--该区内工农业及生活用水量
△W—该区蓄水量的变化
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（4）流域水量平衡方程
人为因素：调节径流、加大蒸发、增加降水等 /通过改变下垫面性质、形状来影响 水分循环
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人类活动对水循环的影响
水资源利用（工业、农业、生活、娱乐用…） 修筑水库（长江三峡） 跨流域调水（南水北调） 围湖造田（围湖造房） 填海造陆 不合理砍伐森林（水土流失…） 污染物排放…. 温室气体排放（温室效应的影响）
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（2）土壤系统
PCm Sin Sout E W
式中:
P为降雨入渗量； Cm为土壤中的凝结水； Sin为由地下水和壤中流形式进入土壤层的水； Sout为由土壤层向下渗入地下水和通过壤中流形式 流出土壤层的水； E为土壤层蒸发量； ΔW为土壤层中的蓄水量变化。
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145 86 234 531 820 474
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比较松花江和珠江的气候地理特性？
（5）全球陆地水量平衡方程
输入: 陆地上空的降水—P 输出: 陆地流出的径流—R 陆面蒸发散—E
E
R
P
变化量: 陆地蓄水量变化量—ΔW 陆地水量平衡方程:
P陆 R陆 E陆 W陆地
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水量平衡原理的定量表达式： I – A = ΔW
式中, I --研究时段内输入区域的水量 A --研究时段内输出区域的水量 ΔW --研究时段内区域储水量的变化，可正可负
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列水量平衡方程需要注意： （空间、时间和数量）
对象：全球、海洋、陆地、流域、森林、草原、农田、 湖泊、水库、任一地块等。
2.1 水循环及水量平衡
2.1.1 自然界的水循环 2.1.2 水量平衡
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2.1.1 自然界的水循环
2.1.1.1 地球上水的分布
水圈：各种水体共同组成了一个连续而不规则的围绕 地球表层的水壳，称为水圈。 空间：大气对流层顶部~深层地下水。
包括：海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等。
定义：地球表面的水体在太阳辐射的作用下被蒸发 上升至空中，被气流带动输送到各地，水汽在上升 和输送过程中，遇冷凝结以降水的形式回到地面或 水体上，再以径流的形式汇入海洋。水分这样往复 不断地转移交替的现象叫作水分循环，简称水循环 （water cycle或hydrologic cycle ）。
水循环不仅是物质的循环， 也是能量的循环。
2.1.1.4 水循环周期
各种水体循环交替的周期
决定淡水补充量、水体自净能力！ 更新周期较快的大气水和河流水成为人们主要的淡水来源。
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2.1.1.5 影响水循环的因素
气候因素：湿度、温度、风速、风向等/ （最主 要因素） 下垫面因素 ：地理位置、地表状况、地形等 /影 响蒸发、径流
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Km3 119000 458000 72000 505000 47000
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2.1.2.3 研究水量平衡的意义
• 有利于更深刻地认识水循环和其他水文现象。 • 有利于揭示水循环和水文现象对自然地理环境 和人类活动的影响。 • 有利于对水资源现状作出正确的评价。 • 为水文观测提供检验依据和改进方法。 • 为水利工程的规划设计提供基本参数，为评价 工程的可行性及实际效益提供参考。
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2.1.2.1 水量平衡原理
可解决的问题
推求水量平衡的未知要素 →
1. 了解和预测水体水情变化的影响源及影响程度
2. 判别观测站点的分布和测量中的系统误差
3. 定量分析人类活动引起的水循环及水资源变化
4. 为水资源合理利用、时空控制与调配提供基础
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2.1.2.2 水量平衡方程 （Water Balance Equation)
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（3）地下水系统
P EG GIN GOUT ΔG
式中， α 为地下水的降水人渗补给系数； EG 为地下水上升经土壤到地面后的蒸发量； GIN 为地下流入系统的水量； GOUT 为地下流出系统的水量； ΔG 为地下的蓄水量变化。
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（4）流域水量平衡方程
水文与水资源学
Hydrology and Water Resources
任课教师：吕国安
华中农业大学 资源与环境学院 2014年
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第2章 水循环及其要素
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 水循环及水量平衡 河流和流域 降水及其特征 蒸发与蒸散发 下渗 径流