现代水文模型
主讲教师： 曾小凡 zengxiaofan@ 孙怀卫 huaiweisun@ 赵娜 na.zhao.2011@
第一篇 水文模型基础（8课时）
第一章 绪论
第二章 水循环过程与原理
第三章 降雨和入渗过程 第四章 蒸散发过程模拟
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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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。
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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P - E - R = △S
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）
Concept of hydrologic cycle
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The water moves from one reservoir to another, such as from river to ocean, or from the ocean to the atmosphere, by the physical processes of evaporation, condensation, precipitation, infiltration, runoff, and subsurface flow. In so doing, the water goes through different phases: liquid, solid, and gas.
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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。
• 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。
• 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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2.1.1.4 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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水文循环过程如下图所示
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
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。
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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。
全球多年平均水量平衡公式为： P0 = E0
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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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2.2.2.3 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）。
Description of hydrologic cycle
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Concept of hydrologic cycle
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The hydrologic cycle, also known as water cycle or H2O cycle, describes the continuous movement of water on, above and below the surface of the Earth. Water can change states among liquid, vapor, and ice at various places in the water cycle. Although the balance of water on Earth remains fairly constant over time, individual water molecules can come and go, in and out of the atmosphere.
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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。
第五章 产汇流过程模拟
第六章 水文模型评估
第二章 水循环过程与原理
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第二章 水循环过程与原理
主要内容
2.1 2.2 2.3
水循环过程
水循环原理
The hydrologic cycle
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2.1 水循环过程
2.1.1 自然界的水循环
Significance of hydrologic cycle
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The water cycle involves the exchange of heat energy, which leads to temperature changes. For instance, in the process of evaporation, water takes up energy from the surroundings and cools the environment. Conversely, in the process of condensation, water releases energy to its surroundings, warming the environment. The water cycle figures significantly in the maintenance of life and ecosystems on Earth.
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能量平衡方程可表示为：
Rn LE H G
（2.2.2）
式中： Rn为系统的净辐射；LE为潜热通量；H为显热通量； G为界面的热传导通量。
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2.3 the hydrologic cycle
Concept of hydrologic cycle Significance of hydrologic cycle