第2章 水文循环

地球系统中的水及水平衡
存在于地球各圈层中的水可分为地面水、地下水、大气水 和生物水等四部分。 地面水主要是指储存于海洋、湖泊(水库)、河流、冰川、 沼泽等水体中的水。 地下水是指赋存于土壤和岩石孔隙、洞穴、溶穴中的水， 这里包括土壤水。 大气水主要是指悬浮于大气中的水汽，也包括以液态和固 态形式悬浮于大气中的水。 生物水是指含在生物体内的水分。
水文循环定义 Á 水的这种既无明确的 “ 开端 ” ，也无明确的 “ 终了 ” 的永无休止的循环运动过程称为水文循环，又称 水分循环或水循环。 Á 水分由海洋输送到大陆，又回到海洋的循环称为 大循环或外循环。 Á 水分由陆地输送到陆地，又回到陆地，或由海洋 输送到海洋，又回到海洋的循环称为小循环或内 循环。前者叫做内陆小循环，后者叫做海洋小循 环。
《不见不散》 ：这是喜马拉雅山，这是尼泊尔，这是青藏高原。由于印 度洋暖湿气流的影响，尼泊尔王国温暖湿润，四季如春， 而山的北麓由于寒冷则终年积雪，如果沿着山腰打开一条 通路，将湿气引到山的这一边来，那中国的青藏高原该会 变成多少鱼米之乡呵！ ：你把这个想法献给国家吧 , 我敢保证藏族人民一定不会 亏待你的。 ：拉倒吧, 真要是暖流吹过去, 冰雪化了, 青藏高原是富了 , 下面的二十几个省全泡水里了。汉族人民该跟我急了。
水的压缩率 水的压缩率很小，其体积压缩系数为4.7×10-5/1个 大气压 水几乎是不可压缩的
水文循环过程
自然界的水在太阳能和大气运动的驱动下，不断地从水面 ( 江、河、湖、海 等)、陆面(土壤、岩石等)和植物的茎叶面，通过蒸发或散发，以水汽的形式 进入大气圈。 在适当的条件下，大气圈中的水汽可以凝结成水滴，小水滴合并成为大水 滴，当凝结的水滴大到能克服空气阻力时，就在地球引力的作用下，以降水 的形式降落到地球表面。 到达地球表面的降水，一部分在分子力、毛管力和重力的作用下，通过地面 渗入地下；一部分则形成地面径流，在重力作用下流入江、河、湖泊，再汇 入海洋；还有一部分通过蒸发和散发重新逸散到大气圈。 渗入地下的那部分水，或者成为土壤水，再经由蒸发和散发逸散到大气圈， 或者以地下水形式排入江、河、湖泊，再汇入海洋。
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海洋向陆地输送水汽而陆地也向海洋输送水汽 （是双向交换），总的结果是水分以水汽形式由 海洋向陆地输送； 陆地以地面径流和地下径流的形式向海洋输 送； 上述二者是相等（平衡）的。
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流域或区域水文循环
Á 流域或区域水文循环实际上就是流域降雨径流形成过程。 Á 降落到流域上的雨水，首先满足截留、填洼和下渗要求， 剩余部分成为地面径流，汇入河网，流达流域出口断面。 Á 截留最终耗于蒸发和散发，填洼的一部分将继续下渗，而 另一部分也耗于蒸发。 Á 下渗到土壤中的水分，在满足土壤持水量需要后将形成壤 中水径流或地下水径流，从地面以下汇集到流域出口断面。 Á 被土壤保持的那部分水分最终消耗了蒸发和散发。
水文循环的相互关系 全球水文循环是全球水文学或大尺度水文学研究 的核心。 流域或区域水文循环是流域水文学或径流形成学 研究的核心。 水－土－植系统水文循环不但是流域水文学的重 要基础，而且是生态水文学研究的重要课题之一。
气候变化与水循环的关系：
水循环的季节、年际和多年的变动性，带来 气候的变动性，如旱季和雨季、干旱年和丰水年、 El Nino、La Nina等； 全球变暖是气候一个趋势性变化，这影响全 球和区域水循环在时间和空间发生变化，造成更 多的洪水和干旱。
流域多年水量平衡关系
+
全球水量平衡
流域水文气候特征:
R E + =1 将式 P = E + R 两边除以 P ，则该式变成 P P
α0 定义：
R = P
为多年平均 径流系数（ 径流系数 Runoff Coefficient ）， 反映流域径流量和降雨量的比例。
通常，α0用以描述流域的气候地理特征，如： 湿润地区：α0 > 0.5; 半干旱地区：α0 < 0.3；Biblioteka Baidu干旱地区: α0 < 0.1。
水的传热性 水的传热性比其他液体小。在 20˚C 时水的传热率 为0.5987J/( m · s · ˚C) 冰的传热率为2.261J/ (m · s · ˚C) 雪的传热率更小，当雪的密度等于 0.1kg/L 时为 0.093J /(m · s · ˚C)
水的表面张力 水的表面张力特别大，其他液体，除水银外，在 常温下表面张力都是比较小的。 水对一般固体 ( 石蜡除外 ) 的附着力大于内聚力， 故水能够很容易地湿润固体。
水－土－植系统水文循环 Á 水－土－植系统是一个由土壤、植物和水分构成 的相互作用的系统，是流域或区域水文循环的一 部分，可以小到一个微分土块。 Á 水－土－植系统水文循环是自然界空间尺度最小 的水文循环。 Á 降水进入这个系统后将在太阳能、地球引力和土 壤、植物根系产生的力场等作用下发生截留、填 洼、下渗、蒸发、散发和径流等现象，并且维持 植物生命过程。
水文循环 (hydrological cycle) 的定义： 地球上的水在太阳辐射作用下，不断蒸发变 成水汽上升到空中，被气流带动输送到各地；在 输送过程中水汽遇冷凝结，形成降水降落到地面 和海洋；降至地面的那部分水直接进入河流或渗 入地下并补给河流，再流入海洋。水分这种往返 循环、不断转移交替的现象称为水文循环或水循 环。
全球水循环中的水量
以陆地上的年降水量为基准，全球水循环中的水量关系 （100＝119,000 km3/year)，《水文手册》by D.R. Maidment, 1993
¾从全球水循环来看，
1) 在垂直方向：大气与地球表面之间通过降水和蒸 发进行垂向水分交换，在全球尺度降水等于蒸发。 2) 在横向，即海洋和陆地之间的水分交换，包括：
§3 水文循环的尺度 全球水文循环 流域或区域水文循环 水－土（壤）－植（物）系统水文循环
全球水文循环 Á 全球水文循环是空间尺度最大的水文循环，也是 最完整的水文循环，它涉及到大气、海洋和陆地 之间的相互作用，与全球气候变化的关系密切。 Á 1986 年美国水文学家伊格尔森将研究这一问题的 学科称为全球尺度水文学或大尺度水文学 (Macrohydrology )。
水文循环的作用和意义
Á 自然界水文循环的存在，不仅是水资源和水能资源可再生的根 本原因，而且是地球上生命生生不息，能千秋万代延续下去的 重要原因之一。 Á 由太阳能驱动的水文循环导致了地球上降水量和蒸发量的时空 分布不均匀，这不仅是地球上有湿润地区和干旱地区的区别， 而且是有多水季节和少水季节、多水年和少水年区别，甚至是 地球上发生洪、涝、旱灾害的根本原因，同时也是地球上具有 千姿百态自然景观的重要条件之一。 Á 水文循环是自然界众多物质循环中最重要的物质循环。水是良 好的溶剂，水流具有携带物质的能力，自然界有许多物质，如 泥沙、有机质和无机质均会以水作为载体，参与各种物质循环。
¾水文循环的范围、量及速度
z范围：水文循环的范围为从地面以上约11km的
对流层顶到地面以下1-2km深处的广大空间。
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数量：据估算，地球上每年参加水文循环的总 水量平均为 577000km3(折合地球表面的水深为 1130mm)。
z速度： 大气水分在降水－蒸发过程中，每年平
均更换约45次，即更新期约8天；河川径流的更 新期约 16天；土壤水约1年；湖泊和地下水的更 新期则更长。
水的密度 大部分液体的密度是随温度的升高而减小的，但 水的密度在4˚C时最大。 当水的温度从 0˚C 上升到 4˚C 时，水的密度反而随 温度的升高而增大。 水的密度异常还表现为 0˚C 的冰的密度比 0˚C的液 态水的密度减小约10%。
水的冰点和沸点 在标准大气压下，纯水的冻结温度为0˚C，沸点为 100˚C，与其他氢化物比较几乎都是偏高的。 水的比热不仅比其他液体和固体为大，而且随温 度也呈奇异变化。