第2章 水循环和水量平衡分解

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2.2.2.3 地表能量平衡一般方程
根据能量守恒原理，地表能量的收支平衡关系如下：
Rn Ae LE H G Po Ad
（2.2.1）
式中：Rn 为净辐射，其值为到达地面的总辐射（包括短波辐射和长 波辐射）减去返回大气的辐射；LE为潜热通量，其中L代表汽化潜热 （2.45MJ/Kg），E为被蒸发水量；H为显热通量，代表与大气的显热 交换；G为地中热传导，代表通过地表物质的热量传输； Po为植物生化 过程的能量转换，其中植物光合作用的能量吸收约占净辐射的2％； Ae Ad为移流项 为人工热辐射量（燃料等消耗对地表产生的能量释放）； （因空气或水的水平流动引起的能量净损失）。
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“天然—人工”水循环示意图
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内因（水的物理特性）
外因（太阳辐射和地心引力）
水 循 环
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2.2 水循环原理
2.2.1 水量平衡原理
Water balance（水量平衡）是指在任一时段内研究区 的输入与输出水量之差等于该区域内的储水量的变化值。水 量平衡研究的对象可以是全球、某区（流）域、或某单元的 水体（如河段、湖泊、沼泽、海洋等）。研究的时段可以是 分钟、小时、日、月、年，或更长的尺度。水量平衡原理是 物理学中“物质不灭定律”的一种表现形式。
• 海上内循环
海上内循环，就是海面上的水份蒸发成水汽，进入大气后 在海洋上空凝结，形成降水，又降到海面的过程。
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水循环周期 大气中总含水量约1.29×105亿m3，而全球年 降水总量约5.77×106亿m3，由此可推算出大气 中的水汽平均每年转化成降水44次，也就是大气 中的水汽，平均每8天多循环更新一次。 全球河流总储水量约2.12×104亿m3，而河流 年径流量为4.7×105亿m3，全球的河水每年转化 为径流22次，亦即河水平均每16天多更新一次。
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2.2.1.2 水量变化规律
水量平衡在水循环和水资源转化过程中是一个至关重 要的基本规律 。就某个地区在某一段时期内的水量平衡来 说，水量收入和支出差额等于该地区的储水量的变化量。
一般流域水量平衡方程式可表达为 ： （2.1.1） 式中，P为流域降水量，E为流域蒸发量，R为流域径流 量，△S为流域储水量的变化量。从多年平均来说，流域储 水变量△S的值趋于零。
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全球水平衡(数据来自John Mbugua et al, 1995)
1.19×106亿m3 陆地年降水量
0.72×106亿m3 陆地年蒸发量
4.58×106亿m3 海洋年降水量 5.05×106亿m3 海洋年蒸发量
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2.2.2 能量平衡原理
能量守恒定律是水循环运动所遵循的另一个基本规律， 水分的三态转换和运移都时刻伴随着能量的转换和输送。 大气传送的潜热（水汽）作为一条联系全球能量平衡 的纽带，贯穿于整个水循环过程中。
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地球的辐射平衡
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2.2.2.2 热量传送
进入到地球上的太阳能除了很少一部分供植物光合作 用的需要外，约有23%消耗于海洋表面和陆地表面的蒸发 上。 在不同纬度以及海洋和陆地之间，存在着太阳辐射的 亏损和盈余。只有当能量从盈余的地区向亏空的地区输送 后，才能达到全球的能量平衡。而这种能量输送，主要靠 水循环过程来完成。 能量输送保持了全球的能量平衡，它使得辐射的亏空 区不致于太冷，辐射的过剩区不致于太热，为生物提供了 一种适宜的生存环境。
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2.1.2 人类社会的水循环
“人类社会的水循环”是指人类在经济社会活动中 不断地取水、用水和排水而产生的人为水循环过程。它是 依附于自然水循环的一个组成部分，或者是一个环节、分 支（如同降水、蒸发、下渗等环节），而不是一个独立的 水循环过程。 水的自然循环和社会循环是交织在一起的，水的社会 循环依赖于自然循环而存在，同时又严重干扰自然界的水 循环。从“天人合一”和“人与自然协调发展”的角度， 应当将水循环研究纳入到“天然-人工”这个更为完整的 水循环体系中。
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水文循环过程如图所示
大
气
降
水
水汽水平运动
蒸腾
内陆
海陆间
海上
地面
蒸发
滴落 地表径流
蒸腾
滴落 根系吸收 根系吸收 地下径流 根系吸收 海洋
水面蒸发
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• 海陆间水循环
Hale Waihona Puke Baidu
这种海陆间的水循环又称大循环，是指海洋水与陆地水 之间通过一系列的过程所进行的相互转化。 它是陆面补水的主要形式。
• 内陆水循环
是指陆面水分的一部分或者全部通过陆面、水面蒸发和植 物蒸腾形成水汽，在高空冷凝形成降水，仍落到陆地上，从 而完成的水循环过程。
水文与水资源学
第二章 水分循环和水量平衡
第二章 水分循环和水量平衡
主要内容 2.1
2.2 2.3
水循环过程
水循环原理 水循环研究进展
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2.1 水循环过程
2.1.1 自然界的水循环
水循环是指地球上的水在太阳辐射和地心引力等作 用下，以蒸发﹑降水和径流等方式进行周而复始的运 动过程。 自然界的水循环是连接大气圈、水圈、岩石圈和生 物圈的纽带，是影响自然环境演变的最活跃因素，是 地球上淡水资源的获取途径。 在海洋与陆地之间，陆地与陆地上空之间，海洋与 海洋上空之间时刻都在进行着水循环过程。
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2.2.2.1 地球的辐射平衡
太阳辐射是水循环的原动力，也是整个地球—大气系 统的外部能源。 射入地球的太阳辐射量，其中的30％仍以短波辐射形 式被大气和地表反射回太空，余下的70％在地表与大气之 间经过辐射能、感热通量（接触和对流输热）和潜热通量 （水分蒸发吸热）等复杂的再循环过程，最终以长波辐射 形式被再度辐射回太空。
P - E - R = △S
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流域多年平均水量平衡方程式为： P0 = E0 + R0 （2.1.2） 式中P0、E0、R0分别代表多年平均降水量、蒸发量、 径流量。 海洋的蒸发量大于降水量，多年平均水量平衡方程式 可写为： P0 = E0 - R0 （2.1.3） 全球多年平均水量平衡公式为： P0 = E0
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2.2.1.1 全球储水量
地球的总储水量约1.38×1010亿m3，其中海水约 1.34×1010亿m3，占全球总水量的96.5%。余下的水量中 地表水占1.78%，地下水占1.69%。 人类可利用的淡水量约为3.5×108亿m3，主要通过海 洋蒸发和水循环而产生，仅占全球总储水量2.53%。淡 水中只有少部分分布在湖泊、河流、土壤和浅层地下水 中，大部分则以冰川、永久积雪和多年冻土的形式存储。 其中冰川储水量约2.4×108亿m3，约占世界淡水总量的 69%，大部分都存储在南极和格陵兰地区。