水文学第2章 地球上的水循环及水量平衡

2、中尺度水循环研究 研究范围为200～2000km2，主要利用 遥感技术研究植被～水的可利用性～蒸散 发～气候之间的关系，观测气象和气候的 变化，比较研究区域气候差异。利用大气 环流模式研究水循环对下垫面变化的响应， 修正大气环流模式，预测区域环境变化、 区域开发对水循环的影响。
3 大尺度水循环研究
P海＋R － E海= △S
式中: Es ： 海洋在时段内的蒸发量；
Ps ： 海洋在时段内的降水量； R ： 时段内由陆地流入海洋的径流量；
△ S： 海洋在该时段内蓄水量的变化量。
多年平均状态下Δs海→0，所以上式改写为：
P海＋R = E海
将上述外流区和内流区水量平衡方程组合起来，就构成整个陆 地系统的水量平衡方程。 (P外 +P内 ) - (E外 +E内 ) = R 如以 P陆 = P外 +P内 ； E陆 = E外 +E内 则有：
水体的更替周期，是指水体在参与水循环过程中全部水 量被交替更新一次所需的时间。通常可用下式作近似计算：
式中，T为更替周期（年或日、时）；W为水体总贮水量（米3）； ΔW为水体年平均参与水循环的活动量（米3/年）。
② 小循环：指发生于海洋与大气之间，或陆地与大气之间的水分交换过 程。小循环又称内部循环，前者又可称为海洋小循环，后者称陆地小 循环。 海洋 陆地 云、大气 云、大气 海洋 陆地
若以海洋为研究水量平衡对象，某时段△t内的水量平衡方程可 写成：
2.陆地水量平衡方程式
陆地上水循环可区分为外流区水循环系统及内流区水循环系统，其水量平衡 方程存在两种形式：
(1)外流区任意时段的水量平衡方程为： P外-E外-R地表-R地下=△s外 对于多年平均而言Δs外→0，并以R=R地表 + R地下，则有 P0 = E0 + R0 式中；P外、E外、R地表、R地下、△S外分别为外流区任意时段内降水 量、蒸发量、入海的地表与地下径流量。P0、E0、R0、分别为外流 区多年平均降水量，蒸发量及径流量。 (2)内流区基本上呈闭合状态，没有水量入海。水量平衡方程为： P内 = E内
水循环示意图（图中单位：×104km3）
水循环的外因： 太阳辐射能和地球引力的存在 水循环的内因： 水物理三态(气、液、固)之间的相互 转化
地球表水的循环
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三、水体的更替周期
二、水循环的类型
自然界水循环据其规模及涉及的地域可分为：大循环/小循环 ① 大循环：指发生于全球海洋与陆地之间的水分交换过程，由于广及全 球，故名大循环，又称外循环。大循环的主要特点是，在循环过程中， 水分通过蒸发与降水两大基本环节，在空中与海洋，空中与陆地之间 进行垂向交换，与此同时，又以水汽输送和径流的形式进行横向交换。 海洋 云、大气 陆地 海洋
3 全球水量平衡方程式 将上述海洋水量平衡方程式与陆地水量平衡方程式组合一起，就 构成全球水量平衡方程式： 海洋水量平衡方程式： P海＋R = E海 陆地水量平衡方程式： P陆 - E陆 = R 两者相加得： P海＋ P陆 = E海+E陆 上式说明海洋和陆地的多年平均降水量等于海洋和陆上多年平 均蒸发量，即 P全球 = E全球
• 主要关注大气圈～水圈～生物圈～冰雪圈～岩石圈～社会 圈的水循环的综合影响问题，其重点是陆面与气候相互作 用、水文学过程与生物圈过程的气候强迫、陆面反馈机理 的研究以及水文尺度问题。 • 大尺度水循环研究利用GCMs（全球大气环流模型）、遥感 技术、世界气象观测网来研究水循环状况，预测水循环变 化趋势；模拟全球水循环及其对大气、海洋和陆面的影响 ；利用可观测到的大气与陆面特征的全球观测值确定水量 循环和能量循环。
四、水循环的作用与效应
水循环作为地球上最基本的物质大循环和最 活跃的自然现象，具有重要的自然地理环境功能 和社会影响作用，是水文学重要的基础研究领域。 1 .水循环具有促进自然地理环境中物质和能量迁移转化的功
能，是自然地理环境中最重要的物质循环形式之一。 水循环不仅将地球上的各种水体组合成连续、统一的 水圈，而且在循环过程中渗入大气圈、岩石圈和生物圈， 将地球上的四大圈层联系在一起，形成相互联系、相互制 约的统一整体。
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第三节 水循环研究进展
与水循环研究关系密切的两个大型国际计划
（参考左其亭《现代水文学》）
Байду номын сангаас
一、水循环国际研究计划
近些年来，涉及水循环的一系列全球性研究计划相继 提出， 如世界气候计划、环球大气计划、国际地球物理年、国际 水文计划、国际生态计划、国际岩石圈计划、人与生物圈 计划、全球环境变化的人文科学研究计划（HDP）、国际 地圈与生物圈计划(International Geosphere-Biosphere Program ）、国际减灾十年等。各种计划的交叉与联系， 更加丰富了“人与水”关系的研究内容，促进人们对人地 关系、人水关系的理解。 IGBP的“水 循环的生物 圈方面”核 心计划 （BAHC） WCRP的“全 球能量与水 循环实验” 计划 （GEWEX）
必须指出，在水循环过程中，全球总水量不变，不等于各种水体之间相对数 量亦恒定不变。
P陆- E陆= R
二、研究水量平衡的意义 1、有助于对水循环与全球自然地理—环境、 人类社会的关系的认识。 2、有助于对水循环本身和水文现象的认识。 3、有助于水资源现状的评价和水资源供需的 预测。 4、有助于水利工程的规划、设计、效益评价、 运行。 5、有助于水文观测的检验和改进。
二、通用水量平衡方程： I – Q = △S
上式为水量平衡的一般表达式
式中: I — 给定时段内输入研究区域的总水量； Q — 给定时段内输出研究区域的总水量； △ S — 时段内研究区域蓄水量的变化量。 上式中各变量的单位：km3 或 mm
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三、全球水量平衡方程 1 海洋水量平衡方程
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第一节 水文循环
• 地球上水的存在形式：
第二章 地球上的水循环及水量平衡
汽态、液态、固态
• 存在位置：
华东师范大学资源与环境学院 师育新 空气中、地表、地下、生物体内
一、 水文循环的概念：
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、水循环过程研究进展 土壤—植被—大气界面水分输移过程（SVAT）的研究进展： 水循环界面过程是一个近年来研究的前沿和热点。代表性 研究成果有：“土壤—植被—大气系统水分运移界面过程 研究”（刘昌明等，1997），“土—根界面行为对单根吸 水的影响研究”（黄明斌等，1997），“土壤水势—植物 叶面水势—蒸腾速率关系研究”（邵明安等，1996）等。 水循环大气过程的研究进展：在中国大陆尺度和流域与区 域尺度水循环大气过程研究方面，做了系统研究，对区域 水分内循环过程的研究也取得了重要成果，揭示出在我国 自然条件下，当地蒸发的水分通过再循环形成的降水约占 当地总降水量的10%等事实（刘国纬等，1996，1997）。
三、水循环国内研究进展 1 水循环要素研究进展 降水研究进展：①在暴雨时空分布统计特征研究方面出现一些有价值 的新成果，如“中国降水与暴雨季节变化”（王家祁等，1997）；② 关于致洪暴雨中期预报研究取得了新的进展并在实际应用中取得一定 成效（章淹等，1996）。 径流研究进展：在流域产流的理论和计算方法研究中，由于水向土壤 中入渗的研究取得了新成果（唐海行等，1995），推动了超渗产流机 制和模型的研究。在汇流方面的研究进展主要表现在两个方面：①将 水力学方法和水文学方法相结合的河道汇流研究取得显著进展（谭维 炎等，1996）；②数值地貌学的理论和方法被应用于流域汇流研究， 并取得一定成果。 蒸发研究进展：近年来关于作物蒸腾和土壤与潜水蒸发的研究取得了 较大进展，提出了一些植物蒸腾计算新公式（谢贤群等，1997）和土 壤蒸发计算新公式（罗毅等，1997）。
二、水循环国际研究进展
1、中小尺度水循环研究 研究范围一般小于200km2，主要研究水、热通量从大 气进入不同植物、积雪场、土壤和水体后的迁移机理；研 究不同植物、积雪场、土壤和水体的蒸发、蒸腾机理。在 全球范围内了解各种土壤、植被和积雪冰川对水的传输机 理。从植被的小范围水循环研究发展到大气环流模式网格 单元时空尺度上的土壤—植被—大气系统中能量和水的通 用模式（SVAT）研究。
2 .水循环不断塑造地表形态 水循环过程中的流水以其持续不断的冲刷、侵蚀、搬运与 堆积作用，以及水的溶蚀作用，在地质构造的基底上重新 塑造了全球的地貌形态。 3 .水循环对天气现象和气候特征具有重大影响 4.影响生态平衡 水循环的强度及其时空变化，是制约一个地区生态环 境平衡或失调的关键；是影响地区内生物有机体活动旺盛、 繁茂，或凋萎、贫泛的主要因子。对于同一地区来说，水 循环强度的时空变化，又是造成本区洪、涝、旱等自然灾 害的主要原因。 5.由于存在水循环，水才能周而复始的被重新利用，成为可 再生资源。
第二节 水量平衡
一、水量平衡概念
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。 水量平衡是水文循环的定量描述，是质量守恒定律在 水文循环中的特定表现形式。
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