地表水热平衡4.1

2）薄膜水（也称附着水）：当土壤的吸湿水达到 最大量后，其外层所形成的一层膜状的液态水。土 壤颗粒所能保持着的最大数量的薄膜水叫做最大分 子持水量，如砂土为1.57－4.75%；粉砂为10.80%； 粘土为44.85%。
3）毛管水 (悬着水、上升水）：靠毛管力保持在 土壤毛管孔隙中的水。悬着水：为毛管所保持又与 地下水不相连通的水分。上升水：借助于毛管力由 地下水上升进入上层土体的水。土壤中可能含有的 最大毛管水，叫最大毛管水容量，如粗砂为8－ 15%；壤土为15－20%；粘土30－45%。
全球地下水约为0.153亿km3 ，占全球水 量的1.05%；河川、湖泊、沼泽等地表水约36 万km3，大气水约为1.55万km3（分布于海洋 上空的大气水约1.1万km3 ，陆地上空的大气 水约0.45万km3），生物水约2000万km3，这些 水合计约占地球水量的0.03%。尽管地下水、
河川等地表水、大气水及生物水在水圈中所占 比例甚小，但其对人类的意义至关重要。
根据地球能量和水文试验计划1992年的研 究成果，地球水圈全部水量约为14.59亿km3，
若将其均匀覆盖于地球表面，水深可达 2860m。海洋水约有14亿km3 ，占了全球水 量的95.95%，为地球水圈的最大组成。南北 两极和高海拔地区的冰雪约为0.434亿km3， 占全球水量的2.97%，为地球水圈的次大组成。
3）张力计法
张力计是应用得很广泛的一种方法，它测量 的是土壤的基质势。张力计的关键部件是细孔毛 瓷杯，孔径约110～115μm ，瓷杯与土壤紧密接 触，杯内自由水通过杯壁孔隙与土壤水接触，水 和盐可以无阻碍地进出瓷杯，与土壤达到平衡。 通过与毛瓷杯相连的真空表或水银柱读出土壤基 质势。
优点是在土壤比较湿润的情况下测量土壤基质
4）重力水：地层中由重力作用而存在的水分。
图4.7 土壤水的类型
3、水的运动 研究地下水的运动，必须考虑气象、地形和地质
状况，水向地面下层渗透分为三个发展阶段：
1）降雨时水分从地面下渗，分子力和重力促使水从 地面渗透至饱和层，如果地面温度增高或风力加大， 则水分又按薄膜和毛管运动规律向上运动，给地面 供水。
承压水或自流水：在透水层与不透水层相互成层 的地区，地下水运动受很大限制，不透水层由页 岩、板岩、侵入岩及粘土层等形成，故又称隔水 层或管制层。在地层倾斜情况下，隔水层之间受 着很大的静水压力，故称承压水。----自流井
图4.6 地下水剖面
2、地下水的特征
地下水同样有固态、液态和气态三种状态。
•容积水：一定面积、一定厚度土壤中所含水量 的体积数。在灌排计算中常用到这一参数，一 般在不标明土体深度时，通常指1m土深，方/公 顷。
5、土壤含水量的测定方法
1）经典烘干法
目前国际上仍在沿用的标准方法。其测定的简 要过程是：先在田间地块中选择具有代表性的取样 点，按所需深度用土钻（或在土壤剖面上用采样刀） 分层采集土样，放入铝盒并立即盖好盖子（以防水 分蒸发），尽快称重（即湿土加空铝盒重，记为 W1），打开盖子，置于烘箱中，在105－110°C条 件下，烘至恒重（需6－8h），再称重（即干土加 盒重，记为W2）。设空铝盒重为W3，该土壤质量 含水量为： （ w 1 w 2 ) / ( w 2 w 3 ) 100 %
土壤中主要的是液体状态的水，这种水在地 下存在以下几种特征。
1）吸湿水（也称吸着水）：烘干的土壤从含有饱 和水蒸汽的空气中由吸附力吸附于土粒表面的水 分。土壤颗粒保持吸湿水的最大量就叫土壤最大 湿润度，也叫吸湿系数，其所含水分按重量百分 数算，如细石英砂为0.03－0.07%；砂土为1.4%； 壤土为2－6%；粘土为15－18%。
气的比例等，是农业生产上常用的土壤含水量的表
示方法。
v w 100 % fc
V：相对含水量；fc：来自百度文库间持水量；
4）土壤水贮量 土壤水贮量是指一定面积和厚度土壤中含水
的绝对数量。 在土壤物理，农田水利学、水文学中经常要用
到这一参数，它主要有两种表达方式。
•水深：在一定厚度、一定面积土壤中所含的水量 相当于相同面积水层的厚度。单位为：mm。
2）水分向土壤水层下渗超过最大分子含水容量后就 继续以薄膜运动和毛管运动下渗直至不透水层。
3）当水分到达不透水层后，逐渐集累沿着不透水层 横向运动形成地下潜流。
地表
（1）
大气
（2） （3）
不透水层
图4.8 地下水分运动示意图
4、土壤水分的表示方法
土壤含水量是表征土壤水分状况的一个指标，又 称为土壤含水率、土壤湿度等。土壤含水量有多种表 达方式，常用的有以下几种。
1、地下水的分层
按地下水的性质和条件，可以把地下水分为非饱 和水层和饱和水层两大水层。
1）非饱和水层
紧接着地面的土壤和岩石层。在通常情况下，这 层土壤和岩石孔隙中的水总是未饱和状态，除了水分 外，还包含着空气，故这层又称通气层，在这一层内， 又可分为三带:
土壤水带：土粒上面的吸着水和薄膜水。这层土壤能 从空气中吸收水分凝结为水滴，是植物根系最活跃的 地带，深度自数米到20m。当土壤水分过多时，土壤 上面的吸着水和附着水就因重力作用向下运动，渗入 下层。
图4.3 我国的冰川水资源
(中华人民共和国自然地图集,1998)
4.1.3 地下水
存在于地表土壤和地下岩层孔隙中各种形式 的水，统称为地下水。地下水来源于大气降水、 地表水、凝结水以及其他含水层的补给或人工补 给，同时又是地表河川水的重要水源，特别是在 水资源匮乏的干旱、半干旱地区和枯水季节。
图4. 4 我国的地下水资源(中华人民共和国自然地图集,1998)
地表水热平衡
刘绍民 北京师范大学地理学与遥感科学学院
第四章 地表的水分平衡
4.1 地表的水分含量 4.1.1 海洋水 4.1.2 冰雪水 4.1.3 地下水 4.1.4 地表水 4.1.5 大气水
第四章 地表的水分平衡
辐射
冰雪水
降水 100% P
地表径流 R
水汽输送 (35%)
降水 (65%)
蒸发/蒸腾 65% ET
图4.2 水圈中水在地球系统中的分布
4.1.1 海洋水
海洋水是地球水圈的最大组成，也是陆地水的 最大源地和最终归宿。地球表面总面积5.1亿km2, 海洋面积3.61亿km2 ，约占地球表面积的71%，是 陆地面积的2.4倍。海洋水总体积14亿km3，占全球 水量的95.95%，但只是地球总体积的1/800。海洋 水含盐量为3.5%，是河川水（小于0.3%的含盐量） 的11倍以上，尚无法为人类直接利用。河川水以碳 酸盐为主，海洋水则因海洋生物大都吸收碳酸钙生 长骨骼的缘故而以氯化物为主。海洋水还溶解氮气、 氧气、二氧化碳等气体。
图4.1 水圈的组成
水因其独特的性质而分布于地球系统的各个层
次。水圈与大气圏、地圈、生物圈，乃至“人文 圈”均是地球系统的次级系统，在空间上有着一 定的交叉，在物质交换、能量传递以及发生、发 展过程方面，更是紧密地联系在一起。水的循环 是地球系统中重要的物质与能量交换过程，又是 其它地球生物化学输送的载体。因此，水也分布 于水圈以外的其它圈层。水汽主要存在于大气圈 中，但岩石、土壤孔隙中仍有不少水汽。所谓的 生物水也即是存在于生物圈中的水。
蒸发 （100%）
地下水D
入海量 35%
第四章 地表的水分平衡
4.1 地表的水分含量
水是地球上分布最广泛的物质之一。地球表面 积约5.1亿km2，其中被水覆盖的面积约3.61亿km2， 占地球表面积的71%，因此地球又有“水球”之称。 地球上的水以液态、固态、气态三种形式存在于地 表、地下和空中，成为海洋水、河川水、湖泊水、 沼泽水、土壤水、地下水、冰雪水、大气水以及存 在于动植物有机体内的生物水。这些水体通过水循 环组成了一个连续的包裹地球的浩瀚水圈。
中间水带：是土壤水带下岩石和孔隙中存在的薄 膜水，渗透过程中的重力水和少量的饱和水组成。 中间水带的活动性很大，有时很厚，有时根本不 存在。
毛管水带：位于非饱和水层的最下部，紧接着地 下水面，由于土壤和岩石的性质各有不同，形成 的孔隙各处不一，因而毛细管的管径有很大的变 化，在孔隙小的部分毛细管水柱上升很高，在孔 隙较大的地方，毛细管水柱就较低，因此这层水 面是参差不齐的。
v h w 10
ρ：土壤容重；h：土层厚度；
土壤容重р：在没有遭到破坏的自然土壤结构条
件下，采取体积一定的土样称重，取样烘干，计 算单位体积内的干土重。（克/立方厘米）
M 2M1 m
100
v
m 2 m1
v
M2、M1是环刀加土样、环刀的质量； m、v是取出部分土壤的质量、体积； m2、m1是烘干土壤加铝盒、铝盒的质 量；
图4.5 地下水层示意图
2）饱和水层
土壤和岩石的孔隙中充满了水的地下层称饱和水 层，其最上面的那一层称为地下水面，我们通常看到 的井水面就是地下水面。饱和层可分为两种类型:
潜水或自由水：这是在均一性的或近似均一性的岩石 中的水，除岩石表面颗粒对水流具有相当阻力外，很 少受到其他因素影响，它只受重力作用顺着地下水面 倾斜方向自由流到最低的水位处去，这种水通常是无 压的，故称自由水，主要是河谷冲积层中水，冰川沉 积层中水和堆积物及沉积物中水，其水位决定于地表 的渗透和蒸发。
3）土壤相对含水量
田间持水量是一个应用相当普遍的土壤水分
“常数”，其定义为：在一个地下水埋藏较深、排 水条件良好的平地上，充分供水，地表覆盖避免蒸 发，待水入渗完1－2天之后，测得土壤含水量的数 值即为田间持水量。
相对含水量地指土壤含水量占田间持水量的百
分数。它可以说明土壤水的饱和程度、有效性和水、
全球陆地面积约为1.49亿km2，冰川面积 约为1620万km2，约占陆地面积的11%，其中 大陆冰川又占了全球冰川面积的97%。全球 冰川拥有的水量约为2918万km2，占陆地淡水 总体积的77%，目前基本上还未被利用。
山岳冰川呈舌状，主要分布在亚欧大陆和 北美大陆的一些高山地区，面积约50万km2。 我国西部的天山、祁连山、贡嘎山、昆仑山、 玉龙山、喜马拉雅山，欧洲的阿尔卑斯山等高 山上部都有现代冰川，这些山岳冰川往往是一 些大型河川的发源地，如长江、黄河、雅鲁藏 布江等均发源于此。
此为经典方法，较简便、准确、可靠，但也 有不足之处。如需取出土壤特别是深层比较费力， 且定期连续测定土壤含水量时，不可能在原处再 取样，而不同位置上由于土壤的空间变异性，给 测定结果带来误差。另外，烘干至恒重需时间较 长，不能及时得出结果。
2）快速烘干法
包括红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精燃 烧法等。这些方法虽可缩短烘干和测定时间，但 需要特殊设备或消耗大量药品。同时，也不能避 免由于每次取出土样和更换位置等操作所带来的 误差。
1）质量含水量
质量含水量是指土壤中水分的质量与干土质量的 比值。因为在同一地区重力加速度相同，又称为重量 含水量。数学表达方式为：（水重/ 干土重）100%
2）容积含水量
容积含水量是指单位土壤总容积中水所占的容积 百分数，又称容积湿度、土壤水的容积百分数，数学 表达式如下：（水容积 / 土壤容积）100 %
全球的雪盖集中在北极地区，其次是我国的青 藏高原。
大陆边缘的冰层断裂落入海中，漂浮在水面上， 形成浮冰，称之为海冰。全球海洋面积约为3.16亿 km2，海冰面积约为2600万km2，占海洋面积的7% 左右。海冰主要分布在两极地区，季节变化很大， 其中南极海冰年平均约为1200万km2，北极海冰约 为1100万km2。我国渤海和黄海北部每年冬季都有 不同程度的结冰现象，是北半球纬度最低的结冰海 区。
4.1.2 冰雪水
冰雪水的形式很多，包括大陆冰盖和高山冰川、 高寒地区的积雪和冻土、海洋浮冰等。
冰川可分为大陆冰川和山岳冰川。大陆冰川即 冰盖，呈盾形，主要分布在南极大陆和格陵兰岛。 几乎整个南极大陆表面（约1400万km2）都被厚厚 的冰层覆盖，面积约1390万km2，平均厚度约为 1700m，最厚超过4000m。北极地区的格陵兰岛 （200万km2），也有90%的面积覆盖着冰层，平 均厚度约1500m，最厚超过1900m。