第一章 地球上的水循环与水量平衡

蒸发
陆地小循环
下渗
基岩 海陆间大循环
降水
蒸发
海洋
海洋小循环
（二）小循环
又称内循环或局部水循环，是指发生在海洋与 大气之间或陆地与大气之间局部地区的水分交换 过程。
1.陆地小循环 2.海洋小循环
(1)外流区小循环 1. ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ地小循环 (2)内流区小循环
指从陆地表面蒸发的水汽或海洋输向内陆的水 汽，在陆地上空凝结，然后再降落到陆地表面所 构成的局部地区的水分循环。
研究对象：全球、某区（流）域、某单元水 体（如河段、湖泊、沼泽、海洋等）。
研究时段：分钟、小时、日、月、年，更长 的尺度。
3.1 水量平衡原理 研究意义：
水量平衡是自然界的一条基本规律。它是现代水文学 的理论基础之一，是研究各种水文要素之间数量关系的 基本原理，也是水资源量估算的基本出发点，在水文和 水资源研究中得到广泛应用。
2.4 水循环的影响因素 气象因素是主导
（一）气象因素：温度、风速、风向、湿度等； （二）自然地理条件：地形地貌、地质构造、土 壤和植被情况等； （三）人类活动：水利措施和农业措施等； （四）地理位置。
2.5 水循环对地理环境的影响
（一）水分循环将地球上的四大圈层联系在一起。 （二）水分循环是海洋与陆地之间相互联系的主要纽带。 （三）地球上的水分循环，不仅是巨大的物质流， 也是巨大的能量流，是具有全球意义的能量的传递、 输送者。 （四）由于水分循环，水才能周而复始地被重复利 用，成为可再生资源。
（二）水的冰点和沸点
（1）标准大气压下，纯水的冻结温度为0°C，沸点为100°C； （2）水的比热不仅比其他液体和固体大，而且随温度呈奇异变 化，即在30°C时，水的比热最小。
（三）水的传热性
水的传热性比其他液体小。
（四）水的表面张力
水的表面张力特别大。 水对一般固体的附着力大于内聚力，所以水能够很容易 的润滑固体。
（五）水的压缩率
水几乎是不可以压缩的。
水循环：是指地球上各种形态的水，在太阳辐射和
地心引力等作用下，以蒸发、水汽输送、凝结降水、下
渗和径流等方式进行周而复始的运动过程。
凝结
凝结
水汽输送
凝结
植
物
蒸 腾
蒸
发
蒸
降
发
水
蒸发、降水、径流3个阶段 水分蒸发、水汽输送、凝结降水、水分下渗、径流5个环节。
水循环发生的原因
第二节 地球上的水循环
2.1 水的奇异的物理性质 2.2 水循环及其成因 2.3 水循环的模式和类型 2.4 水循环的影响因素 2.5 水循环对地理环境的影响 2.6 水体的更替周期
2.1 水的奇异物理属性
（一） 水的密度
（1）水的密度在4°C时最大，为1kg/L。 （2）当水的温度从0°C上升到4°C时，水的密度随温度的升高 而增大；（0℃~4℃，热缩冷胀，> 4℃时，热胀冷缩） （3）0°C的冰的密度比0°C的液态水的密度减小10%（水变成 冰体积膨胀）。
2.6 水体的更新周期 （一）概念 水体在参与水文循环过程中，全部水量被交 替更新一次所需的时间。
T W W
T—更新周期, W—水体总储水量；△W —水体年平均参与水循环量。
水体的更新周期是反映水循环强度的重要指标， 也是反映水体水资源可利用率的基本参数。
（二）地球系统中水的更新速度
地球的总储水量约13.8亿km3， 但平均每年只有57.7
研究水量平衡的意义，在于它可以定量揭示水循环 与自然地理环境和人类社会的关系，反映水文要素之间 的数量关系，检验水文观测结果的合理性，为建立水文 模型提供理论基础，为区域水资源合理开发利用提供理 论基础。
3.2 水量平衡方程
（一）通用水量平衡方程式
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。就某一系统来说，水量收入和支出差额等于该 系统的储水量的变化量。
指存储于海洋、 湖泊、河流、冰 川、沼泽等水体 中的水
地球系统中 的水的组成
指含在生物体内 的水
指赋存于土壤和 岩石孔隙、洞穴、 溶穴中的水
指悬浮于大气中的 水汽，包括以液态 和固态形式悬浮于 大气中的水
1.3 地球系统中水的储量和分布
地球的总储水量约 13.86亿km3，其中海水 约13.38亿km3，占全球 总水量的96.53%。余下 的水量中地表水占 1.77%，地下水占1.70%。
连续性——通过水分循环， 地球上各水体相互联系起来而形 成统一连续的圈层。
不规则性——分布不均，有固、液、气三态，有 海洋水与陆地水的差异，有大气水、地面水、地下 水和生物水四大水体的不同。水圈的主体是海洋， 海洋水占地球总水量的96.5%，而且在大气圈、地表 面和地下内部也不均匀。
1.2 地球系统中水的组成
1.4 地球上的水资源 （一）水资源概念 （二）水资源特性 （三）世界上的水资源 （四）中国的水资源及其特征
1.4 地球上的水资源
（一）水资源概念
广义水资源：地球上的一切水体； 狭义水资源：在一定时期内，能被人类直接或间接利用的水体。
（二）水资源特性
（1）循环再生性和有限性； （2）时空分布不均匀性； （3）利用的广泛性和不可替代性； （4）利、害的两重性。
∵ R = R表出 + R下出
W末 - W初 =±△S
∴ P = E + R ±△S （流域任一时段的水量平衡方程 ）
流域多年平均的水量平衡方程
河流水 大气水 生物水
全球
16日 6日 12小时 2400年
第三节 地球上的水量平衡 3.1 水量平衡原理 3.2 水量平衡方程
（一）通用水量平衡方程 （二）流域水量平衡方程 （三）全球水量平衡方程
3.1 水量平衡原理
水量平衡（Water balance）是指任意区域（或 水体），在任意时段内，其收入水量与支出水 量的差额，等于储水量的变化量。
（二）小循环 无论是海洋小循环还是陆地小循环，其共同的
特点是活动范围小，循环运动中可能缺少某些环 节。
2.3 水循环的模式和类型 （三）小 结 1.在自然界当中，这几种循环并不是独立存在的。 2.地球上的水循环，实际上是由一系列的既紧密 联系，相互影响，又相对独立的大小循环组成。
3.地球上的水圈是一个动态的系统。
（1）水资源总量不少，但人均、亩均水量少； （2）水资源地区分布均匀，与人口、耕地分布不相适应； （3）水资源年内、年际变化大，水旱灾害频繁； （4）水土流失和泥沙淤积严重，降低了水资源利用效益； （5）地下水是我国重要的水资源，要合理开发利用，防 止过量开采； （6）水污染日趋严重，防止水质恶化，保护水源已是当 务之急。
地球表面约有71%的面积被水 覆盖。据估算，地球上总水量 约13.86亿km3。如 果把 海洋中 所有的水均匀地铺盖在地球表 面，地球表面就会形成一个厚 度约2700m的水圈。
水圈(Hydrosphere)：指地球上的所有水体，包括海 洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、地下水和大气水等，共
同构成的一个连续而不规则的圈层。
特点： （1）循环比较复杂，从水汽来源看，既有陆面自 身蒸发的水汽，也有来自海洋的水汽； （2）从循环的强度来看，地区差别较大，具有自 海洋向内陆深处逐步递减的趋势。
2. 海洋小循环 又称海上内循环，它是指从海洋表面蒸发的
水汽，在海洋上空凝结，然后再降落到海洋表 面所构成的局部地区的水分循环。
特点：循环比较简单，只包括水分蒸发和降 水两大环节，即水分在循环过程中只有垂直交 换。
1.5 小结（地球上水的分布特点）
（一）分布广泛，形式多样。 地球上的水，以液态、固态和气态三种形式
存在于地表、地下和空中，形成了海洋水、河流 水、湖泊水、沼泽水、冰川水、地下水和大气水 等各种水体。 （二）地球上的水，在空间上分布是很不均匀的。
（三）地球上的水储量丰富，但是淡水所占比重小， 数量极其有限。
WI – WO = △WS 式中， WI—给定时段内进入系统的水量；
WO—给定时段内从系统中输出的水量； △WS—给定时段内系统中蓄水量的变化量。
时段内进入系统的水量是系统“收入”水量，时段内从系统输出的 水量是系统“支出”的水量，时段内系统中蓄水量的变化量是系统“库 存”水量的变化。 所以，该式实际上也就是系统的水量收支平衡关系 式。
内因（水的物理特性）
水
循
外因（太阳辐射和地心引力）
环
内因: 水的“三态”变化，也就是在常温的条件下，水的气态、液 态、 固态可以相互转化。这使水分循环过程的转移、交换成为可能; 外因: 太阳辐射和地心引力。太阳辐射的热力作用为水的“三态”转化 提供了条件；太阳辐射分布的不均匀性和海陆的热力性质的差异，造成 空气的流动，为水汽的移动创造了条件。地心引力（重力）则促使水从 高处向低处流动。从而实现了水分循环。
人类可利用的淡水量约为0.35 亿km3，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0.24亿km3，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。
2.3 水循环的模式和类型 （一）大循环 又称外循环或全球水分循环，是指发生于海洋
与陆地之间的水分交换过程。 特点： 1. 循环活动的范围大，循环运动中包括水汽蒸发、
水汽输送、凝结降水、水分下渗和水的流动（径 流）5个过程。
2. 水分在循环过程中既有垂向交换，又有横向交换。
水汽输送
植物蒸腾
凝结
降水
（三）世界上的水资源——以多年平均径流量表示
最能反映水资源数量和特征的是：年降水量和河流的年 均径流量。世界各国通常采用多年平均径流量表示水资源 量（P112）。
包括南极冰川在内，世界各大洲陆地年径流总量为4.68 万km3 。从各大洲水资源的分布来看，年径流量亚洲最多， 其次为南美洲、北美洲、非洲、欧洲、大洋洲。从人均径 流量的角度看，全世界河流径流总量按人平均，每人约合 10 000立方米。在各大洲中，大洋洲人均径流量最多，其 次为南美洲、北美洲、非洲、欧洲、亚洲。
万km3的水参与水文循环，按此速度，地球上全部的水
量都参与循环一次，或者说全部水量更新一次，大约需
要2400年。
水体类别 极地冰川、长
年积雪 世界大洋 高山冰川 深部地下水 湖泊水
沼泽水
地球上各种水体中水的更新时间
更新时间
水体类别
更新时间
约10000年
土壤水
1年
2500年 1600年 1400年
17年 5年
设想沿某地区边界做一垂直的柱体，以地表作为柱体的上界， 地面以下无水分交换的深度作为下界，该柱体在任一时段内水量
收入 降水量（P）、地表水汽凝结量（E1）、地表水流入量（R 项有 表入）、地下水流入量（R下入）；
支出 柱体内的蒸发量（E2）、地表水流出量（R表出）、地下水流 项有 出量（R下出）、工农业及生活净用水量（q）。
（四）我国的水资源及其特征
1. 水资源总量
我国多年平均淡水资源 总量为2.8万亿m3，占世界 总量的6％左右，仅次于巴 西、原苏联、加拿大，居 世界第四位。但人均占有 量只有2300立方米，约为世 界人均水平的1/4，世界排 名121位，是世界上13个人 均水资源贫乏国家之一。
2. 我国水资源条件和问题
第一章 地球上的水循环和水量平衡
第一节 地球上的水资源及其分布 第二节 地球上的水循环 第三节 地球上的水量平衡 第四节 水循环的基本环节
第一节 地球上的水资源及其分布 1.1 水圈 1.2 地球系统中水的组成 1.3 地球系统中水的储量和分布 1.4 地球上的水资源 1.5 小结
1.1 水圈
如果所研究的区域是一个闭合流域，即外流域的地表水 或地下水不会流入该流域，该流域的地下水也不会从地下流 到外流域，而是全部注入河流，与地表水一起流出流域。这 样，通用的水量平衡方程式当中的R表入= 0，R下入= 0。
则： P =（E2- E1）+（R表出- 0）+（R下出- 0）+（W末- W初）
即：P =（E2- E1）+（R表出+ R下出）+（W末- W初）
如果该柱体在研究时段始末的蓄水量分别为W初和W末，则 该柱体在任一时段内的水量平衡方程可写为： （P + E1 + R表入 + R下入）-（E2 + R表出+ R下出+ q）= W末- W初
即：P =（E2 - E1）+（R表出- R表入）+（R下出- R下入） + q +（W末- W初）
（二）流域的水量平衡方程