第五节地球上的水循环与水量平衡

平顶山学院环境与地理科学系

第五节地球上的水循环与水量平衡第五节地球上的水循环与水量平衡

一、地球上水体的分布与水资源一、地球上水体的分布与水资源（一）水在地理环境中的地位与作用（一）水在地理环境中的地位与作用

水是生命活动的物质基础，是人类赖以生存、发展的最宝贵的自水是生命活动的物质基础，是人类赖以生存、发展的最宝贵的自然资源。无论是过去、现在或是将来，水始终是影响人类社会发然资源。无论是过去、现在或是将来，水始终是影响人类社会发展的重要因素。展的重要因素。


水——人体的重要组成生命来源于水：原始海洋中溶解的氧、二氧化碳等物质，是细

胞进行新陈代谢时最好的“营养品”；厚厚的水体又像一个“保护罩”使娇弱的原始生命不致被太阳紫外线杀伤。

生命运动离不开水：水是生物体的基本成分。在肌体内起着输送物质的作用；维持着肌体养分平衡，起着吸收养分，排出废物的作用；起着调节温度的作用；具有支持营养的作用．

一方面，水是人类必不可少的，并给人类带来许多好处。但另一方面，水也给人们带来了许多灾害。如果水过多也会造成灾害。水灾给人类带来的危害是巨大的，洪水灾害是造成经济损失最大的自然灾害之一。由于地球表层目前可供人类直接利用的水的有限性、时间与空间分布的不均匀性，使得世界一些地区或城市或多或少地出现了缺水问题。


水是生物体的基本成分。例如，哺乳动物体内水约占 65% 。鱼类占75% ，藻类占 95% ，水母则高达 95% ～ 98% 。水在人体中起着重要作用：在肌体内起着输送物质的作用；维持着肌体养分平衡，起着吸收养分，排出废物的作用；起着调节温度的作用；具有支持营养的作用等。正常情况下，人体水分处于吸收与排出相等的平衡状态，但当这种平衡状态被打破时，就会影响人体正常生活。

当一个人吸收的水量比维持平衡的水分少1% ～ 2% ，就会感到口渴；当减少 5% 时就会皮肤皱折，神态不清；当减少 14 ～ 15% ，就会死亡。故一般人几天不吃东西尚可，若几天不喝水，其结果就可想而知。

生命运动离不开水生命运动离不开水


（二）地球上水体的分布（二）地球上水体的分布

水是由氢氧两种元素组成的的化合物，它是如何形成的，目前水是由氢氧两种元素组成的的化合物，它是如何形成的，目前学术界存在着较大的争议，尚未定论。学术界存在着较大的争议，尚未定论。关于水的起源的认识仍存在很大的分歧关于水的起源的认识仍存在很大的分歧 ,, 目前在约有目前在约有 3232 种关于种关于水的形成的学说。这里简述几种主要学说。水的形成的学说。这里简述几种主要学说。

一种学说认为在地球形成之前的初始物质中存在一种一种学说认为在地球形成之前的初始物质中存在一种 H2OH2O分子的原始星云，类似于现在平均含水分子的原始星云，类似于现在平均含水 0.5%0.5% 的陨石，地球形的陨石，地球形成后降到地球上，从而使地球上有了水。成后降到地球上，从而使地球上有了水。

另一种学说认为在地球形成后才有形成水的原始元素（氢和另一种学说认为在地球形成后才有形成水的原始元素（氢和氧）。氢与氧在适宜的条件下化合。生成羟基（氧）。氢与氧在适宜的条件下化合。生成羟基（ OHOH ）。羟基）。羟基再经过复杂的变化，形成水（再经过复杂的变化，形成水（ H2OH2O ）。）。


荷兰的天文学家奥特认为，地球上的主要来源是我们这颗行荷兰的天文学家奥特认为，地球上的主要来源是我们这颗行星的内部的岩石圈的上地幔。岩石圈的物质一半是由硅组成，星的内部的岩石圈的上地幔。岩石圈的物质一半是由硅组成，其中硅酸盐和水分。这些岩石在一定的温度和适宜的条件下其中硅酸盐和水分。这些岩石在一定的温度和适宜的条件下（如火山爆发）脱水，从而形成了地球的水。（如火山爆发）脱水，从而形成了地球的水。美国学者肯尼迪等认为岩石在熔化中完全混合时，含有硅酸美国学者肯尼迪等认为岩石在熔化中完全混合时，含有硅酸盐盐 75%75% ，含水，含水 25%25% 。在地球形成初期，火山爆发频繁，从而。在地球形成初期，火山爆发频繁，从而加快了地球水的形成。由于地球内部的高温，地球的水还在增加快了地球水的形成。由于地球内部的高温，地球的水还在增加。在研究中，有资料表明，大洋面近加。在研究中，有资料表明，大洋面近 10001000 年内上升了年内上升了 1.3m1.3m 。。不过近几十年海洋水面快速升高可能主要由于全球气候变暖造不过近几十年海洋水面快速升高可能主要由于全球气候变暖造成。成。


水圈是由地球地壳表层、表面和围饶地球的大气层中液态、气态和固态的不组成的圈层，是地球四大圈层中最为活跃的圈层。在水圈内，大部分水以液态形式存在，如海洋、地下水、地表水（湖泊、河流）和一切动植物体内存在的生物水等，少部分以水汽形式存在于大气中形成大气水，还有一部分以冰雪等固态形式

存在于地球的南北极和陆地的高山上。水圈的构成：水圈的范围：上最高可达平流层顶部，高度约 55000 米；下（地表之下）储存于地壳约 10 千米的地层中。

1. 水圈及其构成


水体水储量咸水淡水

103 km3 % 103 km3 % 103 km3 %

海洋 1338000.0

96.54 1338000 99.04

冰川与永久积雪 24064.1 1.74 24064.1 68.70

地下水 23400.0 1.69 12780 0.95 10530.0 30.06

永冻层中冰 300.0 0.02 0.86

湖泊水 176.4 0.013 85.4 0.006 0.26

土壤水 16.5 0.001 0.017

大气水 12.9 0.0009 0.037

沼泽水 11.5 0.0008 0.033

河流水 2.12 0.0002 0.006

生物水 1.12 0.0001 0.003

总计 1385984.6

1001350955.

4100 35029.2 100

2.2. 地球水圈水储量的分布地球水圈水储量的分布


地球上的水量是极其丰富的，其总储水量约为13.86 亿立方公里。水圈内水量的分布是十分不均匀的，大部分水储存在于低洼的海洋中，占 96.54 ％，而且 97.47%（分布于海洋、地下水和湖泊水中）为咸水，淡水仅占总水量的 2.53% ，且主要分布在冰川与永久积雪（占 68.70% ）和地下（占 30.36% ）之中。

地球上水体的分布态势


考虑现有的经济、技术能力，扣除无法取用的冰川和高山顶上的冰雪储量，理论上可以开发利用的淡水不到地球总水量 1 ％，实际上，人类可以利用的淡水量远低于此理论值。

人与社会因素


（三）水资源的涵义与特性（三）水资源的涵义与特性

1. 1. 水资源的涵义水资源的涵义

在《英国大百科全书》中，水资源被定义为“全部自然界任何形态的水，在《英国大百科全书》中，水资源被定义为“全部自然界任何形态的水，包括气态水、液态水和固态水”。此定义被广泛引用，这与英国大百科包括气态水、液态水和固态水”。此定义被广泛引用，这与英国大百科全书权威性有很大关系。全书权威性有很大关系。 19771977 年联合国教科文组织（年联合国教科文组织（ UNESCOUNESCO ））建议建议“水资源应指可资利用或有可能被利用的水源，这个水源应具有足够的“水资源应指可资利用或有可能被利用的水源，这个水源应具有足够的数量和可用的质量，并能在某一地点为满足某种用途而可被利用。”数量和可用的质量，并能在某一地点为满足某种用途而可被利用。”

比较公认的水资源的涵义：水资源包含水量与水质两个方面，是人类生产生活及生命生存不可替代的自然资源和环境资源，是在一定的经济技术条件下能够为社会直接利用或待利用，参与自然界水分循环，影响国民经济的淡水（姜文来等， 995a ）


2.2. 水资源的特性水资源的特性

（（ 11 ））水资源的循环再生性与其有限性水资源的循环再生性与其有限性

水资源与其它资源不同，在水文循环过程中使水不断地恢复和水资源与其它资源不同，在水文循环过程中使水不断地恢复和更新，属可再生资源。水循环过程具有无限性的特点，但在其更新，属可再生资源。水循环过程具有无限性的特点，但在其循环过程中，又受太阳辐射、地表下垫面、人类活动等条件的循环过程中，又受太阳辐射、地表下垫面、人类活动等条件的制约，每年更新的水量又是有限的，而且自然界中各种水体的制约，每年更新的水量又是有限的，而且自然界中各种水体的循环周期不同，水资源恢复量也不同，反映了水资源属动态资循环周期不同，水资源恢复量也不同，反映了水资源属动态资源的特点。所以水循环过程无限性和再生联补给水量的有限性，源的特点。所以水循环过程无限性和再生联补给水量的有限性，决定了水资源在一定限度内才是“取之不尽，用之不竭”的。决定了水资源在一定限度内才是“取之不尽，用之不竭”的。在开发利用水资源过程中，不能破坏生态环境及水资源的再生在开发利用水资源过程中，不能破坏生态环境及水资源的再生能力。能力。


作为水资源主要补给来源的大气降水、地表径流和底下径流等都具有随机性和周期性，其年内与年际变化都很大，它们在地区分布上也很不均衡，有些地方干旱水量很少，但有些地方水量又很多而形成灾害，这给水资源的合理开发利用带来很大的困难。

（ 2 ）时空分布的不均匀性


水资源是生活资料又是生产资料，在国计民生中用途广泛，各行各业都离不开它。从水资源利用方式看，可分为耗用水量和借用水体两种。生活用水、农业灌溉、工业生产用水等，都属于消耗性用水，其中一部分回归到水体中，但量已减少，而且水质也发生了变化；另一种使用形式为非消耗性的，例如，养鱼、航运、水力发电等。水资源这种综合效益是其它任何自然资源无法替代的。此外，水还有很大的非经济性价值，自然界中各种水体是环境的重要组成部分，有着巨大的生态环境效益，水是一切生物的命脉。不考虑这一点，就不能真正认识水资源的重要性。随着人口的不断增长，人民生活水平的逐步提高，以及工农业生产的日益发展，用水量将不断增加，这是必然的趋势。所以，水资源已成为当今世界普遍关注的重大问题。

（ 3 ）利用的广泛性和不可代替性


由于降水和径流的地区分布的地区不平衡和时程分配的不均匀，往往会出现洪涝、旱碱等自然灾害。开发利用水资源目的是兴利除害，造福人民。如果开发利用不当，也会引起人为灾害，例如，垮坝事故、水土流失、次生盐渍化、水质污染、地下水枯竭、地面沉降、诱发地震等，也是时有发生的。水的可供开发利用和可能引起的灾害，说明水资源具有利与害的两重性。因此，开发利用水资源必须重视其两重性这一特点，严格按自然和社会经济规律办事，达到兴利除害的双重目的。水资源不是自然之物，而且有商品属性。一些国家都建立了有偿使用制度，在开发利用中受经济规律制约，体现了水资源的社会性与经济性。

（ 4 ）利与害的两重性


(( 四四 )) 世界水资源世界水资源1.世界水资源现状

1993 年 1月 18日，第 47届联合国大会根据联合国环境与发展大会制定的《 21世纪行动议程》中提出的建议，通过了 193号决议，确定自 1993 年起，将每年的 3月 22日定为世界水日，旨在推动对水资源进行综合性统筹规划和管理，加强水资源保护，解决日益严峻的缺水问题，开展广泛的宣传教育以提高公众对开发和保护水资源的认识。

正当人类为和平与发展而不懈奋斗之时，联合国有关报告指出：缺水问题将严重制约下个世纪的经济和社会发展，并可能导致国家间的冲突。现在世界上有大约 300条主要河流穿越一些国家的边界，这里生活着世界上 40％的人口。由于水供应不足及由此而引起的纠纷，已有大大小小 140个地区出现紧张局势。为此，国际社会呼吁各国加强淡水资源管理，减少污染，保持水质，并通过磋商谈判解决地区水源分配问题。


2.2. 世界水资源供需简要分析世界水资源供需简要分析

1996 年 5月，在纽约召开的“第三届自然资源委员会”上，联合国开发支持和管理服务部 (United Nations Department of Devetopment Support and Managment)对 153 个国家（占世界人口的 98.93% ）的水资源，采用人均占有水资源量、人均国民经济总产值、人均取（用）水量等指标进行综合分析，将世界各国分为四类，即水资源丰富国（包括吉布提等 100多个国家）、水资源脆弱国（包括美国等 17 个国家）、水资源紧缺国（包括摩洛哥等 17 个国家）、水资源贫乏国（包括阿尔及利亚等 19 个国家）（潘理中等， 1996 ）。


按此种评价法目前世界上有 53 个国家和地区（占全球陆地面积的 60% ）缺水。其中包括：西班牙、意大利南部、达尔马提尼亚沿岸、希腊、土耳其、阿拉伯国家（叙利亚除外）、伊朗大部分地区、巴基斯坦、印度西部、日本、朝鲜、澳大利亚、新西兰的西部地区和南部地带、西北非和西南非沿岸、巴拿马、墨西哥北部、智利中部和美国西南部、中国。

目前的趋势和预测已经表明，到 21世纪初，水危机将成为几乎所有干旱和半干旱国家普遍存在的问题，联合国发表的《世界水资源综合评估报告》预测结果表明，到 2025年，全世界人口将增加至 83亿，生活在水源紧张和经常缺水国家的人数，将从 1990年的 3亿增加到 2025年的 30亿，后者为前者的 10倍，第三世界国家的城市面积也将大幅度增加，除非更有效地利用淡水资源、控制对江河湖泊的污染，更有效地利用净化后的水，否则，全世界将有 1/3的人口遭受中高度到高度缺水的压力。

如何合理地开发利用保护水资源，已是摆在全人类面前如何合理地开发利用保护水资源，已是摆在全人类面前刻不容缓的课题。刻不容缓的课题。


（五）中国水资源（五）中国水资源

1. 水资源数量和质量

(1 ）水资源数量

我国是一个水资源短缺、水旱灾害频繁的国家，如果按水资源总量考虑，水资源总量居世界第六位，但是我国人口众多，若按人均水资源量计算，人均占有量只有 2500 立方米，约为世界人均水量的 1/4 ，在世界排第 110位（按 149 个国家统计，统一采用联合国 1990 年人口统计结果），已经被联合国列为 13 个贫水国家之一。


(2)(2) 水资源质量水资源质量

地表水资源质量状况

多年来，我国水资源质量不断下降，水环境持续恶化，由于污染所导致的缺水和事故不断发生，不仅使工厂停产、农业减产甚至绝收，而且造成了不良的社会影响和较大的经济损失，严重地威胁了社会的可持续发展，威胁了人类的生存。为了加强水资源管理，提高人们的环境意识，引起政府和更多民众关注环境，我国每年 6月 5日“世界环境日”前夕均发表《中国环境公报》，其中水环境作为重要的组成部分予以公布，表 1-1-3是我国地表水污染状况。


Ⅰ Ⅱ、类标准32%

Ⅲ符合类标准29%

Ⅳ Ⅴ、类标39%

是根据全国 2 222 个监测站监测结果统计：


我国地表水资源污染严重，地下水资源污染也不容乐观。“八五”期间水利部组织有关部门完成了《中国水资源质量评价》，其结果表明，我国北方五省区（新疆、甘肃、青海、宁夏、内蒙古）和海河流域地下水资源，无论是农村（包括牧区）还是城市，浅层水或深层水均遭到不同程度的污染，局部地区（主要是城市周围、排污河两侧及污水灌区）和部分城市的地下水污染比较严重，污染呈上升趋势（金传良等， 1996）。


Ⅰ 类水质的城市0%

Ⅱ 类水质的城市15%

Ⅲ 类水质城市32%

Ⅳ Ⅵ、类水质的城市53%

根据北方五省区（新疆、甘肃、青海、宁夏、内蒙古） 1 995眼地下水监测井点的水质资料，按照《地下水质量标准》（ GB/T14848-93 ）在 69 个城市中进行评价结果：


(( 二二 ) ) 我国水资源简评我国水资源简评

1. 水资源人均量低，分布极不均衡

我国河川径流量 27 115亿立方米，在世界主要国家中，仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国和印尼，居世界第六位（表 1-1-4）。

国家年径流量(亿 m3)

单位国土面积产水量

(万 m3/km2)

人口（亿）

人均占有水量

(m3/人 )耕地(108m2)

单位耕地面积

水量(m3/100m2)

巴西 69500 81.5 1.49 46808 32.3 215170

前苏联 54660 24.5 2.80 19521 226.7 24111

加拿大 29010 29.3 0.28 103607 43.6 66536

中国 27115 28.4 11.54 2350 97.3 27867

印尼 25300 132.8 1.83 13825 14.2 178169

美国 24780 26.4 2.50 9912 189.3 13090

印度 20850 60.2 8.50 2464 164.7 12662

日本 5470 147.0 1.24 4411 4.33 126328

全世界 468000 31.4 52.94 8840 1326.0 35294


流域河川年径流(亿立方米 )

人口( 万 )

耕地( 万亩 )

人均水量(立方米 /人 )

亩均水量(立方米 /亩 )

松花江 742 5112 15662 1451 474

辽河 148 3400 6643 435 223

海滦河 288 10987 16953 262 170

黄河 661 9233 18244 716 362

淮河 622 14169 18453 439 337

长江 9513 37972 35171 2505 2705

珠江 3360 8202 7032 4097 4778

⑴黄、淮、海、辽⑵长江、珠江

172912873

3778946174

6029342203

4552788

2853050

⑴/⑵（%） 13.4 82 143 16.3 9.3

我国主要流域年径流及人均、亩均占有量资料来源 :水利电力部水文局， 1987，中国水资源评价，北京 :水利电力出版社 .


2. 2. 水资源供需矛盾加剧，威胁社会可持续发展水资源供需矛盾加剧，威胁社会可持续发展

我国水资源供需状况不容乐观。长期以来，我国社会经济发展一直受缺水困绕，水资源成为国民经济发展的“瓶颈”，缺水量越来越多，缺水地区迅速由点到面，几乎成为全国性问题，并且此问题越来越突出。据统计，目前我国缺水量 358 亿立方米（ P=75% ），其中农业缺水 300 亿立方米，工业及城镇缺水 58 亿立方米。

据预测， 2010年，全国总供水量为 6 200～ 6500亿立方米，相应的总需水量将达 7300亿立方米，供需缺口近 1000亿立方米， 2030年全国总需水量将达 10000亿立方米，全国将缺水 4000～ 4500亿立方米，到 2050年全国将缺水 6000～ 7000亿立方米。值得说明的是，在 1949～ 1994的 46年间，我国的供水量仅增加 4000亿立方米，在此期间水资源开采利用较容易，难度较小，如果在今后 30余年水资源供水量增加 4000～ 4500亿立方米（或者 50多年增加 6000～ 7000亿立方米），完成这项任务非常艰巨。


地球上的水循环地球上的水循环

水圈中的水并不是静止不变的，而是处于不断的运动之中，存在着明水圈中的水并不是静止不变的，而是处于不断的运动之中，存在着明显的水文循环现象。显的水文循环现象。

一一、水循环基本过程一一、水循环基本过程

水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水气输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断的发生通过蒸发、水气输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断的发生相态转换和周而复始运动的过程。相态转换和周而复始运动的过程。


水循环


整个过程可分解为水汽蒸发、水气输送、凝结降水、水分整个过程可分解为水汽蒸发、水气输送、凝结降水、水分入渗，以及地表、地下径流等入渗，以及地表、地下径流等 55 个基本环节这个基本环节这 55个环节相个环节相互联系、相互影响，又交错并存、相互独立，并在不同的互联系、相互影响，又交错并存、相互独立，并在不同的环境条件下，呈现不同的组合，在全球各地形成一系列不环境条件下，呈现不同的组合，在全球各地形成一系列不同规模的地区水循环。同规模的地区水循环。


一、水循环机理一、水循环机理

（一）循环服从质量守恒定律。

整个循环过程保持着连续性，既无开始，也没有尾。从实质上说，水循环乃是物质与能量的传送、储存和转化过程，而且存在于每一环节。

据测算全球海陆日平均蒸发量为 1.5808 万亿立米，是长江全年入海径流量的 1.6 倍，蒸发这些水汽的总消耗量高大 3.878×1021

焦耳，如折合电能为 10.77×1014 千瓦时，等于 1990 年全世界各国总发电量的近 100倍，所以地面潜热交换成为大气的热量主要来源。


（二）太阳辐射与重力作用，是水循环的基本能力（二）太阳辐射与重力作用，是水循环的基本能力

（三）水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈。其循环（三）水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈。其循环路径并非单一的，而是通过无数条路线实现循环和相变的，所以水循环路径并非单一的，而是通过无数条路线实现循环和相变的，所以水循环系统是由无数不同尺度、不同规模的局部水循环所组合而成的复杂巨系系统是由无数不同尺度、不同规模的局部水循环所组合而成的复杂巨系统。统。

（四）全球水循环是闭合系统（在当前的认识水平下），得局部水循环（四）全球水循环是闭合系统（在当前的认识水平下），得局部水循环却是开放系统。因为地球与宇宙空间之间虽亦存在水分交换，但每年交却是开放系统。因为地球与宇宙空间之间虽亦存在水分交换，但每年交换的水量还不到地球上总贮水量的换的水量还不到地球上总贮水量的 1/151/15 亿，所以可将全球水循环系统近亿，所以可将全球水循环系统近似的视为既无输入也无输出的的一个封闭系统，但对地球内部各大圈层，似的视为既无输入也无输出的的一个封闭系统，但对地球内部各大圈层，对海洋、陆地或陆地上某一特定地区，某个水体而言，既有水分输入也对海洋、陆地或陆地上某一特定地区，某个水体而言，既有水分输入也有水分的输出，因而是开放系统。有水分的输出，因而是开放系统。

（五）地理上的分在交替循环过程中，总是溶解并携带着某些物质一起（五）地理上的分在交替循环过程中，总是溶解并携带着某些物质一起运动，诸如溶于水中的各种化学元、气体及泥沙等固体杂质等。不过这运动，诸如溶于水中的各种化学元、气体及泥沙等固体杂质等。不过这些物质不可能象水分那样，构成完整的循环系统，所以通常意义上的水些物质不可能象水分那样，构成完整的循环系统，所以通常意义上的水文循环，仅指水分循环，简称水循环。文循环，仅指水分循环，简称水循环。


三、人类活动对水循环的影响三、人类活动对水循环的影响

类活动对水循环的影响主要表现在调节径流，加大蒸发，增加降水等方面上。

水利措施，如修水库建水塘、开河渠等能拦蓄洪水，扩大灌溉面积，增加枯水径流和地下水的补给，但同时由于水面面积的扩大和地下水位的抬高，又可加大蒸发；修筑梯田、鱼鳞坑、截水沟和平整土地，能增加入渗，削减洪峰，增加土壤水分，也可加大蒸发。在农林措施中，“旱改水”，深耕细作，封山育林，植树造林等，均能增加入渗，调节径流，加大蒸发，在一定程度上可调节气候，增加降水。

以上的人类社会活动主要是通过改变地球表面的性质，进而影响水循环过程的。而人工降雨、人工消雹和人工消雾等活动则直接影响水汽的运移途径和降水过程，是通过改变局部水循环来达到防灾抗灾目的的有效措施。


3 水汽输送

1蒸发4 降水

1蒸发 4 降水

1 植物蒸腾

湖6 地表径流

6 地下径流

海洋

5 蒸发

2 降水


人类活动间接影响人类活动间接影响

森林对降水的影响森林对降水的影响

森林对降水的影响极为复杂，至今还存在着各种不同的看法。例如，法国学者森林对降水的影响极为复杂，至今还存在着各种不同的看法。例如，法国学者 F.F.哥里任斯基根哥里任斯基根据对美国东北部大流域的研究得出结论，大流域上森林覆盖率增加据对美国东北部大流域的研究得出结论，大流域上森林覆盖率增加 1010％，年降水量将增加％，年降水量将增加 33％。％。根据前苏联学者在林区与无林地区的对比观测，森林不仅能保持水土，而且直接增大降水量，根据前苏联学者在林区与无林地区的对比观测，森林不仅能保持水土，而且直接增大降水量，例如，在马里波尔平原林区上空所凝聚的水平降水，平均可达年降水量的例如，在马里波尔平原林区上空所凝聚的水平降水，平均可达年降水量的 1313％。我国吉林省松％。我国吉林省松江林业局通过对森林区、疏林区及无林区的对比观测，森林区的年降水量分别比疏林区和无林江林业局通过对森林区、疏林区及无林区的对比观测，森林区的年降水量分别比疏林区和无林区高出约区高出约 5050毫米和毫米和 8383毫米毫米


林地由于林冠、枯枝落叶层的截留和增大土壤渗蓄能力而起到拦洪作林地由于林冠、枯枝落叶层的截留和增大土壤渗蓄能力而起到拦洪作用。用。在森林地区，通常约有在森林地区，通常约有 2020％左右的降水量为林冠所截留。林冠截留％左右的降水量为林冠所截留。林冠截留量主要与林木组成、林龄、郁闭度、前期降雨、雨强、降雨历时等有量主要与林木组成、林龄、郁闭度、前期降雨、雨强、降雨历时等有关。林冠截留的雨量最终消耗于蒸发。下表为我国一些地区森林最大关。林冠截留的雨量最终消耗于蒸发。下表为我国一些地区森林最大截留量的实测资料。截留量的实测资料。


林地上枯枝落叶层也能截留一定的降水量，从而减少地表径流。截林地上枯枝落叶层也能截留一定的降水量，从而减少地表径流。截留能力与树种及枯枝落叶层的厚度有关，一般森林可持水留能力与树种及枯枝落叶层的厚度有关，一般森林可持水 1010毫米，毫米，最大持水量一般不超过最大持水量一般不超过 20—3020—30 毫米，一般枯枝落叶层的截留能力毫米，一般枯枝落叶层的截留能力由其自身重量的倍数表示。川西高山区林下枯枝落叶层每公顷约由其自身重量的倍数表示。川西高山区林下枯枝落叶层每公顷约 4040吨（干重），其最大持水量为吨（干重），其最大持水量为 600600 ％，即截留能力相当于％，即截留能力相当于 2424毫米毫米的降水量。祁连山的苔藓云杉林，其枯枝落叶层的最大持水为的降水量。祁连山的苔藓云杉林，其枯枝落叶层的最大持水为 4444毫米，圆柏林仅不足毫米，圆柏林仅不足 33 毫米，苔藓灌木云杉林则为毫米，苔藓灌木云杉林则为 20.620.6 毫米，故毫米，故不同条件下持水量相差甚大。不同条件下持水量相差甚大。


水体的影响水体的影响

陆地上的江河、湖泊、水库等水域对降水量的影响，主要是由于水面上方的热力陆地上的江河、湖泊、水库等水域对降水量的影响，主要是由于水面上方的热力学、动力学条件与陆面上存在差别而引起的。学、动力学条件与陆面上存在差别而引起的。

““雷雨不过江”这句天气谚语，形象地说明了水域对降水的影响。这是由于大水雷雨不过江”这句天气谚语，形象地说明了水域对降水的影响。这是由于大水体附近空气对流作用，受到水面风速增大，气流辐散等因素的干扰而被阻，从而体附近空气对流作用，受到水面风速增大，气流辐散等因素的干扰而被阻，从而影响到当地热雷雨的形成与发展。影响到当地热雷雨的形成与发展。

根据观测，水域对降水的影响，总体来说是减少降水量，但因季节而有差异。例根据观测，水域对降水的影响，总体来说是减少降水量，但因季节而有差异。例如，夏季在太湖、巢湖及长江沿岸地带，存在程度不同的少雨区，以南京到扬中如，夏季在太湖、巢湖及长江沿岸地带，存在程度不同的少雨区，以南京到扬中平原之间的长江沿岸较为典型，夏季降水量比周围地区少平原之间的长江沿岸较为典型，夏季降水量比周围地区少 50—6050—60毫米，但冬季则毫米，但冬季则比周围略有增加，增加值不超过比周围略有增加，增加值不超过 1010毫米，所以从全年来说还是减少了降水量。又毫米，所以从全年来说还是减少了降水量。又如，新安江水库建成后，库区北部的年降水量明显减少，最大可减少如，新安江水库建成后，库区北部的年降水量明显减少，最大可减少 100100毫米毫米 //年，估计库区中心可能减少年，估计库区中心可能减少 150150毫米，占全年降水量的毫米，占全年降水量的 1111 ％左右。％左右。


四、水体的更替周期水体的更替周期四、水体的更替周期水体的更替周期

（一）计算：（一）计算：水体的更替周期，是指水体在参与水循环过程中水体的更替周期，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：用下式作近似计算：

式中，式中， TT 为更替周期（年或日、时）；为更替周期（年或日、时）； WW 为水为水体总贮水量（米体总贮水量（米 33 ）；）； ΔWΔW为水体年平均参与为水体年平均参与水循环的活动量（米水循环的活动量（米 33//年）。年）。


以世界大洋为例，总储水量为以世界大洋为例，总储水量为 13.38×1013.38×101717 米米 33 ，每年，每年海水总蒸发量为海水总蒸发量为 50.5×1050.5×101313 米米 33 ，以此计算，海水全部，以此计算，海水全部更新一次约需要更新一次约需要 26502650年；如果以入海径流量年；如果以入海径流量4.7×104.7×101313 米米 33 为准，则更新一次需要为准，则更新一次需要 2846828468年。年。

又如世界河流的河床中瞬时贮水量为又如世界河流的河床中瞬时贮水量为 21.2×1021.2×101111 米米 33 ，，而其全年输送入海的水量为而其全年输送入海的水量为 4.7×104.7×101313 米米 33 ，因此一年，因此一年内河床中水分可更替内河床中水分可更替 2222次，平均每次，平均每 1616 天就更新一次。天就更新一次。大气水更替的速度还要快，平均循环周期只有大气水更替的速度还要快，平均循环周期只有 88 天，然天，然而位于极地的冰川，更替速度极为缓慢，循环周期长达而位于极地的冰川，更替速度极为缓慢，循环周期长达万年。万年。


实际情况要复杂得多，如深海盆的水需要依靠大洋深层实际情况要复杂得多，如深海盆的水需要依靠大洋深层环流才能缓慢地发生更替；其周期要超过环流才能缓慢地发生更替；其周期要超过 26502650年，而年，而海洋表层的海水直接受到蒸发和降水的影响，其更替周海洋表层的海水直接受到蒸发和降水的影响，其更替周期显然无需期显然无需 20002000 多年。尤其是边缘海受入海径流影响，多年。尤其是边缘海受入海径流影响，周期更短。以我国渤海为例，总贮水量约周期更短。以我国渤海为例，总贮水量约 19.0×101119.0×1011米米 33 ，而黄河、辽河、海河多年平均入海水量达，而黄河、辽河、海河多年平均入海水量达14.55×101014.55×1010 米米 33 ，仅此一项就使渤水，仅此一项就使渤水 1313年内就可年内就可更新一次。又如世界湖泊平均循环周期需要更新一次。又如世界湖泊平均循环周期需要 1717年，而年，而我国长江中下游地区的湖泊，出入水量大，交换速度快，我国长江中下游地区的湖泊，出入水量大，交换速度快，一年中就可更换若干次。一年中就可更换若干次。

（二）影响水体更新周期的因素（二）影响水体更新周期的因素


（三）意义：（三）意义：

水体的更替周期水体的更替周期是反映水循环强度的重要指标，亦是反映水体水是反映水循环强度的重要指标，亦是反映水体水资源可利用率的基本参数。因为从水资源永继利用的角度来衡量，资源可利用率的基本参数。因为从水资源永继利用的角度来衡量，水体的储水量并非全部都能利用，只有其中积极参与水循环的那水体的储水量并非全部都能利用，只有其中积极参与水循环的那部分水量，由于利用后能得到恢复，才能算作可资利用的水资源部分水量，由于利用后能得到恢复，才能算作可资利用的水资源量。而这部分水量的多少，主要决定于水体的循环更新速度和周量。而这部分水量的多少，主要决定于水体的循环更新速度和周期的长短，循环速度愈快，周期愈短，可开发利用的水量就愈大。期的长短，循环速度愈快，周期愈短，可开发利用的水量就愈大。

以我国高山冰川来说，其总贮水量约为以我国高山冰川来说，其总贮水量约为 5×10135×1013 米米 33 ，而实际参，而实际参于循环的水量年平均为于循环的水量年平均为 5.46×10115.46×1011 米米 33 ，仅为总贮水量的，仅为总贮水量的1/1001/100 左右，如果我们想用人工融冰化雪的方法，增加其开发利左右，如果我们想用人工融冰化雪的方法，增加其开发利用量，就会减少其贮水量，影响到后续的利用。用量，就会减少其贮水量，影响到后续的利用。


五、水循环的作用与效应五、水循环的作用与效应

（一）水文循环与地球圈层构造水循环（一）水文循环与地球圈层构造水循环 ------ 水循环深刻地水循环深刻地影响了地球表层结构的形成以及今后的演变与发展影响了地球表层结构的形成以及今后的演变与发展

它上达它上达 1515公里的高空，成为大气圈的有机组成部分，担当了大公里的高空，成为大气圈的有机组成部分，担当了大气循环过程的主角；下深地表以下气循环过程的主角；下深地表以下 1—31—3 公里深处，积极参与岩公里深处，积极参与岩石圈中化学元素的迁移过程，成为地质大循环的主要动力因素；石圈中化学元素的迁移过程，成为地质大循环的主要动力因素；同时水作为生命活动的源泉，生物有机体的组成部分，它全面的同时水作为生命活动的源泉，生物有机体的组成部分，它全面的参与了生物大循环，成为沟通无机界和有机界联系的纽带，并将参与了生物大循环，成为沟通无机界和有机界联系的纽带，并将44 大圈层串联在一起，组合成相互影响、相互制约的统一整体。大圈层串联在一起，组合成相互影响、相互制约的统一整体。


（二）水循环与全球气候（二）水循环与全球气候• 首先，水循环是大气系统能量的主要传首先，水循环是大气系统能量的主要传

输、储存和转化者。输、储存和转化者。 • 其次，水循环通过对地表太阳辐射能的其次，水循环通过对地表太阳辐射能的

重新再分配，使不同纬度热量收支不平重新再分配，使不同纬度热量收支不平衡矛盾得到缓解。衡矛盾得到缓解。

• 再次，水循环的强弱及其路径，还会直再次，水循环的强弱及其路径，还会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征。定地区的气候基本特征。


（三）水循环与地貌形态及地壳运动（三）水循环与地貌形态及地壳运动

水循环过程中的流水以其持续不断的冲刷、侵蚀作用、搬运水循环过程中的流水以其持续不断的冲刷、侵蚀作用、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，从两极与高山地区的冰川地貌、滨塑造了全球的地貌形态，从两极与高山地区的冰川地貌、滨海地区的海岸地貌、到河流冲积、堆积地貌以及千姿百态的海地区的海岸地貌、到河流冲积、堆积地貌以及千姿百态的岩溶地貌，无不是水循环的杰作。岩溶地貌，无不是水循环的杰作。

全世界河流每年携带入海离子径流总量为全世界河流每年携带入海离子径流总量为2.74×1092.74×109吨，每年入海的固体物质多达吨，每年入海的固体物质多达22.0×10922.0×109吨，折合吨，折合 130×108130×108 米米 33 。按此速率，。按此速率，只需只需 25002500万年左右就可将大西洋填平，另据地质万年左右就可将大西洋填平，另据地质学家斯学家斯··马马··格里戈也夫估算，按现今风吹、水蚀格里戈也夫估算，按现今风吹、水蚀的速度，经的速度，经 1.11.1亿年，现在的陆地表面将被削成与亿年，现在的陆地表面将被削成与世界大洋面齐平。世界大洋面齐平。


（四）水循环与生态平衡（四）水循环与生态平衡

• 据计算地球上所有生物体中含有的水分总量约有据计算地球上所有生物体中含有的水分总量约有 11.2×101011.2×1010吨，相当于世界河流瞬时贮水量的吨，相当于世界河流瞬时贮水量的 1/21/2 ，它们积极的参与了水循，它们积极的参与了水循环过程，其平均循环周期仅几小时，远远高于一般水体的循环速环过程，其平均循环周期仅几小时，远远高于一般水体的循环速度。没有水循环，就不会有生命活动，亦就不存在生物圈。度。没有水循环，就不会有生命活动，亦就不存在生物圈。

• 同时，水循环的强度及其时空变化，还是制约一个地区生态环境同时，水循环的强度及其时空变化，还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，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。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、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，循环强度过大，可能引发洪水与涝、旱等自然灾害的主要原因，循环强度过大，可能引发洪水与涝渍灾害；循环过弱，可能产生水资源不足，形成旱灾。涝渍灾害；循环过弱，可能产生水资源不足，形成旱灾。


（五）水循环与水资源开发利用（五）水循环与水资源开发利用

如果自然界不存在水循环现象，那么水资源亦就不能如果自然界不存在水循环现象，那么水资源亦就不能再生，无法永继利用。但必须指出的是水资源的再生再生，无法永继利用。但必须指出的是水资源的再生性和可以永继利用不能简单的理解为“取之不尽，用性和可以永继利用不能简单的理解为“取之不尽，用之不竭”。因为水资源永继利用是以水资源开发利用之不竭”。因为水资源永继利用是以水资源开发利用后能获得补充、更新为条件的。更新速度和补给量要后能获得补充、更新为条件的。更新速度和补给量要受到水循环的强度、循环周期的长短的制约，一旦水受到水循环的强度、循环周期的长短的制约，一旦水资源开发强度超过地区水循环更新速度或者遭受严重资源开发强度超过地区水循环更新速度或者遭受严重的污染，那么就会面临水资源不足，甚至枯竭的严重的污染，那么就会面临水资源不足，甚至枯竭的严重局面。局面。


第三节水量平衡第三节水量平衡

一、水量平衡概述一、水量平衡概述

水量平衡概念：水量平衡概念：

所谓水量平衡，是指任意选择的区域（或水体），所谓水量平衡，是指任意选择的区域（或水体），在任意时段内，其收入的水量与支出的水量之间在任意时段内，其收入的水量与支出的水量之间差额必等于该时段区域（或水体）内蓄水的变化差额必等于该时段区域（或水体）内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说收支平衡。量，即水在循环过程中，从总体上说收支平衡。


水平衡原理示意图图 A 图 B

某一地区某一段时期内

某一地区某一段时期内

储水变量（增加）

储水变量（减少）

原有水量水量的支出水量的收入


二、通用水量平衡方程二、通用水量平衡方程

（ P + R 表 + R 地下） - （ E + R′ 表 + R′ 地下 + q ） = Δs

P 为时段内降水量； E 分别为时段内水汽凝结量和蒸发量； R 表和 R′ 表分别为时段内地表流入与流出的水量； R 地下、 R′ 地下分别为时段内从地下流入与流出的水量； q 为时段内工农业及生活净用水量；


三、全球水量平衡方程三、全球水量平衡方程

（一）海洋水量平衡方程式

如以全球海洋为研究对象，则任意时段内的水量平衡方程为： P 海 +R-E 海

=Δs 海

多年平均状态下 Δs 海→ 0 ，所以上式改写为：

式中， P 海， E 海， R 分别为海洋上任意时段降水量、蒸发量及入海径流量，

为海洋蓄水变化量。


在多年平均状态下，整个海洋的降水量加上入海径流量与海面水蒸发量处于动态平衡状态。

但对各大洋来说，降水量与入海径流量之和并非等于蒸发量，例如，北冰洋区由于气候寒冷，蒸发量小，全年汇入北冰洋的径流量是蒸发量的 1.6倍多，再加上洋面降水，北冰洋每年剩余 0.73×1013 米 3 水量。据统计太平洋每年剩余0.53×1013 米 3 的水量；而印度洋和大西洋则分别亏损 0.15×1013 米 3 和1.1×1013 米 3 的水量。这说明各大洋之间存在着水量交换。


（二）陆地水量平衡方程式（二）陆地水量平衡方程式

1. 外流区水量平衡方程对于外流区来说，任意时段的水量平衡方程为：

P 外 -E 外 -R 地表 -R 地下 =△s 外（ 2 － 7 ）

对于多年平均而言 Δs 外→ 0 ，并以 R=R 地表 + R 地下，则有

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

区多年平均降水量，蒸发量及径流量。


2. 内流区水平衡方程内流区水循环系统基本上呈闭合状态，除上空存在与外界水汽发生交换外，内流区的降水最终全部转化为蒸发，没有水量入海。因此在多年平均情况下的水量平衡方程，具有最简洁的形式：

全球内流区总面积约为 3000×104 平方公里，基本上均是降水不足、蒸发能力旺盛的荒漠、半荒漠和干旱地区，年总降水量为 9000×109 米 3 ，仅为陆地总降水量的 7 ％左右


3.陆地水量平衡方程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。

毫米，两者之差即为陆地上剩余的水量为 315毫米，它就是河流入海径流量


（三）全球水量平衡方程式（三）全球水量平衡方程式


特别提示：特别提示：


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。据分析，自本世纪初至 60年代期间，全球气温平均上升了 1.2℃ ，由此引起冰川消融，全球冰川体积每年大约减少 250×109 米 3 ；这些消融的水入海后，使海平面上升了 0.7毫米。与此同时，陆地上许多内陆湖泊，亦受蒸发旺盛等影响，水位下降，湖泊蓄水量平均每年减少 80×109

米 3 ，所减少的水量，最后以降水或径流的形式汇入海洋，相应地促使海平面上升约 0.2毫米 /年。此外地下水亦因蒸发和开采，每年减少蓄量300×109 米 3 ，最后亦汇入海洋，促使海平面相应上升 0.8毫米 /年。以上三方面加在一起，促使海平面上升 1.7毫米 /年。在此期间，世界各地修建了一大批水库，总蓄水量超过 3000×109 米 3 ，引起每年入海径流量减少 50×109 米 3 ，海平面相应下降 0.1毫米 /年。这样，在这一时期里世界海平面实际上升率为 1.6毫米 /年。


水量平衡研究是水文、水资源学科的重大基础研究课题，同时又是研究和解决一系列实际问题的手段和方法。因而具有十分重要的理论意义和实际应用价值。

首先，通过水量平衡的研究，可以定量地揭示水循环过程与全球地理环境、自然生态系统之间的相互联系、相互制约的关系；揭示水循环过程对人类社会的深刻影响，以及人类活动对水循环过程的消极影响和积极控制的效果。

其次，水量平衡又是研究水循环系统内在结构和运行机制，分析系统内蒸发，降水及径流等各个环节相互之间的内在联系，揭示自然界水文过程基本规律的主要方法；是人们认识和掌握河流、湖泊、海洋、地下水等各种水体的基本特征、空间分布、时间变化，以及今后发展趋势的重要手段。通过水量平衡分析，还能对水文测验站网的布局，观测资料的代表性、精度及其系统误差等作出判断，并加以改进。

研究意义研究意义


第三，水量平衡分析又是水资源现状评价与供需预测研究工作的核心。从降水、蒸发、径流等基本资料的代表性分析开始，到进行径流还原计算，到研究大气降水、地表水、土壤水、地下水等四水转换的关系，以及区域水资源总量评价，基本上都是根据水量平衡原理进行的。

水资源开发利用现状以及未来供需平衡计算，更是围绕着用水，需水与供水之间能否平衡的研究展开的，所以水量平衡分析是水资源研究的基础。

第四，在流域规划，水资源工程系统规划与设计工作中，同样离不开水量平衡工作，它不仅为工程规划提供基本设计参数，而且可以用来评价工程建成以后可能产生的实际效益。

此外，在水资源工程正式投入运行后，水量平衡方法又往往是合理处理各部门不同用水需要，进行合理调度，科学管理，充分发挥工程效益的重要手段。


1.0.3 城市给水工程规划的主要内容应包括：预测城市用水量，并进行水资源与城市用水量之间的供需平衡分析；选择城市给水水源并提出相应的给水系统布局框架；确定组水枢纽工程的位置和用地；提出水资源保护以及开源节流的要求和措施。


新乡 -7.8

-14.16 -23.34 -36.58 -63.64 -166.06 -301.58

生育阶段

播种 - 分蘖

分蘖 - 越冬

越冬 - 返青

返青 - 拔节

拔节 - 抽穗

抽穗 - 成熟

全过程

许昌 -12.3 -16.1 -11.2 - 18.76 -44.53 -91.26

-194.32

冬小麦农田水量平衡多年平均值冬小麦农田水量平衡多年平均值 (mm)(mm) Tab Tab ．． 1-3-1 Long-term average of water balance in 1-3-1 Long-term average of water balance in wheat fieldwheat field （（ mmmm ））


玉米农田水量平衡多年平均值玉米农田水量平衡多年平均值 (mm)(mm) Tab Tab ．． 1-3-2 Long-term average of water balance in maize field1-3-2 Long-term average of water balance in maize field（（ mmmm ））

新乡 8.3 -11.2 -33.3 3 -33.4

生育阶段

播种—拔节

拔节—抽雄

抽雄—灌浆

灌浆—收割

全生育期

许昌 37.9 -7.9 11.0 -22.8 18.0

根据有效降水量、地下水利用量、作物耗水量计算出河南省主要农作物田间水量平衡情况，如表 1 、 2 ，以黄河以北的新乡和黄河以南的许昌为代表。从多年平均的情况看，玉米生长期内明显缺水，小麦缺水更为严重。


1. 地球上水的分布、水资源的涵义与特性；

2. 水循环基本过程、水循环的类型、水体的更替周期及其意义、水循环的作用与效应

3. 水量平衡概述、通用水量平衡方程、全球水量平衡方程、水量平衡的意义；

4计算题：全球的海洋蒸发量为 420立方千米，降水量为 380立方千米；全球大陆蒸发量为 70立方千米，降水量为 110立方千米。计算入海径流量，并写出陆地水量平衡、海洋水量平衡和全球水量平衡的方程式

复习题：

第五节 地球上的水循环与水量平衡

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第五节地球上的水循环与水量平衡