水循环与水量平衡
水循环
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，通过蒸发、水 汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节， 不断地发生相态转换和周而复始运动的过 程。
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水循环机理
• 水循环服从质量守恒定律
o 循环过程保持连续性，既无开始，也无结束 o 水循环是物质与能量的传输、储存和转化过程
P海
R ∆S海E海ຫໍສະໝຸດ 通用方程：I−Q=∆S海洋水量平衡方程：P海+R− E海=∆S海 多年平均：P海+R = E海
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陆地水量平衡方程
P陆
E陆 T ∆S陆
R地表
R地下 R
P海
∆S海
E海
通用方程：I−Q=∆S
陆地水量平衡方程：P陆− R地表 − R地下− E陆− T=∆S陆 多年平均：P陆-R = E陆
o 北京市因为降水和产流异常导致径流减少量分 别为3.01亿m3和6.98亿m3 o 近年来北京市河川径流量减少的原因中，气候 变化的原因为30.1％，下垫面变化导致产流异 常的贡献率为69.9％。
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水量平衡计算
• 水量平衡方程
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水量平衡计算
• 降水量
• 径流量
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水量平衡计算
• 蒸散发
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水循环的类型与层次结构
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•
大循环和小循环
大循环：海洋→大气→大陆→海洋（纵向+横向） 小循环：海洋→大气→海洋（海洋小循环） 大陆→大气→大陆（内陆小循环）
•
1) 2) 3) 4)
水文循环的规律
海洋的蒸发量多于降水量； 大陆的降水量多于蒸发量； 大陆外流区输入水汽量与输出水量基本平衡； 大陆内流区降水量与蒸发量基本相等。
• 水量平衡方程式的通式
式中收入项I和支出项Q，可视具体情况进一步细分。其简繁 程度与所研究的对象以及时段长短有关。 例如，对于多年平均来说，Δs→0，可忽略不计；但对于短 时段水量平衡方程式而言，蓄水变化量Δs不可忽略
I−Q=ds/dt
水量平衡方程式是水循环的数学表达式
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水量平衡方程中的符号说明
水体的更替周期
• 水体的更替周期
o 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。通常用下式来估算
式中，T为更替周期；W为水体总贮水量；ΔW为水 体年平均参与水循环的活动量 o 水体的更替周期是反映水循环强度的重要指标，亦 是反映水体水资源可利用率的基本参数。 o 循环速度愈快，周期愈短，可开发利用的水量就愈 大。
水量平衡计算
• ΔW为−4.73亿m3
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+Qr
人类活动影响
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区域水量平衡方程
区域水量平衡方程： P陆+R’地表 + R’地下 − R地表 − R地下− E− T =∆S
闭合外流流域平衡方程： P陆− R地表 − R地下− E− T =∆S
闭合内流流域平衡方程： P陆− E− T =∆S
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区域水量平衡应用
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研究背景
• 北京水资源现状
• 蒸发、降水：地面向大气输送热量的过程。每 日全球蒸发量为长江年径流量的1.6倍，潜热交 换量为1990年世界发电量的近100倍。 • 降水转化为地表及地下径流：势能→动能
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水循环机理
• 水循环的基本动力
o 太阳辐射与重力作用
o 水循环的前提条件：水在常温常压下液态、气 态、固态的三相变化 o 水循环的制约因素：地理纬度、海陆分布、地 貌形态等制约了水循环的路径、规模与强度
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北京水资源现状
• 径流量
o 自产水资源量仅22.33亿m3， 下降40.3%，地表水资源量 减少到7.73亿m3 ，下降 56.4%。 o 入境水量为3.46亿m3 ，下降 78.5%。 o 出境水量为8.03亿m3 ，其中 含污水5.6亿m3
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径流变化原因
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径流变化原因
• 以现状年（2001-2009年）和多年平均 （1956-2000年）降水量、径流系数代入计 算
• • • • • • • P: precipitation 降水 ET: evapotranspiration 蒸散发 E: evaporation 蒸发 T: transpiration 蒸腾 R: runoff 径流 S: storage 蓄水量 F: infiltration 下渗量
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海洋水量平衡方程
巴黎 49° 3°C
哈尔滨 45° -22°C
大连 38° -5°C
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水量平衡
• 定义
o 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。
I
S
I−Q=∆S
Q
质量守恒原理
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水量平衡方程
o 多年平均水资源37.3亿m3 o 近年的年平均产水量仅为22.3亿m3 o 年用水量为35.3亿m3 o 为什么缺水？
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北京水资源现状
• 降水量
o 多年平均降水量584.7mm o 1956-2000前期平均年降水量620.6mm o 1956-2000后期平均年降水量543.6mm o 2001-2009平均年降水量485.4mm
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全球水量平衡方程
海洋多年平均：P海+R = E海 陆地多年平均：P陆-R = E陆 全球多年平均：P全球= E全球
E/P为多年平均蒸发系数
R/P为多年平均径流系数
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区域水量平衡方程
P R’地表 R’地下
E T ∆S R地表
R地下
通用方程：I−Q=∆S − Qd 区域水量平衡方程： P陆+R’地表 + R’地下 − R地表 − R地下− E− T =∆S
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水循环意义
1、调节气候； 2、塑造了地球表面； 3、形成了巨大的水利资源； 4、形成一切水文现象。
水循环与全球气候
• 水循环一方面受到全球气候变化的影响，另一方 面它又制约了全球气候。
o 水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者。 如果大气圈中的水汽含量减少一半，地球表面的平均 气温将降低5℃；如果完全没有水汽，平均气温将下降 16 ℃ 。
温室效应： CO2、CH4和 水蒸汽
大气能量的来源
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水循环与全球气候
o 水循环的强弱及其路径，会直接影响到各地的 天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征。 在这方面，海洋环流系统的气候效应表现得最 为强烈。
• 北大西洋暖流1月份平均气温要比同纬度亚洲与 北美洲的东海岸高出15～20℃。
伦敦 纬度 51° 1月平均气温 4°C