大学水资源学教程-左其亭-大学教学资料课件PPT
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第一章 水资源学概论,为配合普通高等教育“十一五”国家级规划教材水资源学教程使用，制作本课件。 本教材可用于水文与水资源工程专业的专业基础课，对水资源学内容做概论性介绍。本教材亦适合于非水文与水资源工程专业的教学，作为一门专业课教学，基本上能满足对水资源工作的基本了解。,2008年2月出版,1.1水资源的概念及特点,1.1.1 水资源的概念 水资源的含义比较丰富，对水资源概念的界定也是多种多样。一般来说，水资源分为：广义水资源和狭义水资源。 广义的水资源是指地球上水的总体，包括大气中的降水、河湖中的地表水、浅层和深层的地下水、冰川、海水等。 狭义的水资源是指与生态系统保护和人类生存与发展密切相关的、可以利用的、而又逐年能够得到恢复和更新的淡水，其补给来源为大气降水。,1.1.2 水资源的组成,大气降水 （广义水 资源）,地表水资源,土壤水资源,地下水资源,填洼截留 雨期蒸发,地表径流,壤中流,包气带储蓄,地下径流,地下水储蓄,有效蒸发,无效蒸发,无效蒸发,作物生长 有效蒸发,土壤 蒸发,作物生长 有效蒸发,无效蒸发,潜水 蒸发,无效 蒸发,有效 蒸发,河川径流 （狭义水 资源）,总水资源 （广义水 资源）,当地 消耗,1.1.3 水资源的特点,流动性 可再生性 多用途性 公共性 利与害的两重性 有限性,1.2 水资源学的形成与发展,1.2.1 水资源学的概念 水资源学（water resources science）是在认识水资源特性、研究和解决日益突出的水资源问题的基础上，逐步形成的一门研究水资源形成、转化、运动规律及水资源合理开发利用基础理论并指导水资源业务（如水资源开发、利用、保护、规划、管理）的知识体系。 1.2.2 水资源学的研究内容 水资源的基本认识 认识基础 水资源学的基本理论 理论支撑 水资源学工作的主要内容 应用及实践,1.2.3 水资源学的发展过程 1.2.4 水资源学的研究进展 1）认识进展,形成阶段,兴起阶段,取之不尽 用之不竭,与经济社会发展、生态系统保护 相协调，走可持续发展道路,萌芽阶段,2）实验进展 实验条件的改善和观测技术的发展，对水资源形成、转化和运动的实验手段和观测水平得到极大的提高，促进了人们对水资源规律的认识和定量化研究水平的提高。 3）理论方法进展 现代数学理论、系统理论的发展为水资源学提供了量化研究和解决复杂水资源问题的重要手段。,4）技术方法进展 计算机技术的快速发展，可以为复杂的水资源系统的数学模型提供数值解，从而更好地服务于水资源系统。 5）应用研究进展 水资源规划与管理在观念上发生了很大变化，包括从单一性向系统性转变，从单纯追求经济效益向追求社会-经济-环境综合效益转变，从只重视当前发展向可持续发展战略转变。,1.3 水资源学的研究对象和学科体系,1.3.1 水资源学的研究对象 水资源形成、转化规律 地球水资源本身 水资源数量、质量评价 经济社会发展需水预测 水资源合理配置 水资源与经济社会 之间的关系与协调 水资源规划方案优选 水资源管理措施实施 水资源价格制定 生态需水计算 水资源与生态系统 之间的关系与协调 水资源保护规划与措施,1.3.2 水资源学的学科体系,水资源概论,水资源概况,水资源的形成与转化关系,水资源利用,水资源学的基本理论,水资源评价,水资源保护,水权与水价水市场,水资源规划,水资源管理,水资源学展望,基本 知识,应用 内容,理论基础,1.4水资源学的特点和研究方法,1.4.1 水资源学的特点 多学科知识交叉 实践性很强 伴随着人们认识水平、法律、政策的发展而发展 1.4.2 水资源学的研究方法 以气象、水文要素的长期观测资料为依据，采用成因分析和统计分析相结合的方法 多学科交叉的方法 定量分析与定性分析相结合的方法 采用系统分析的方法,1.5水资源学与相关学科的联系,1.5.1 水资源学与水文学的联系 1.5.2 水资源学与系统科学的联系,水资源学,水文学,基础,发展过程 研究内容,重要应用,水资源学,系统科学,实践场所,应用工具,1.5.3 水资源学与社会科学的联系,水资源学,社会科学,支撑、保障,压力,科技进步和人口增长引起的水资源利用量增加，水污染等,1.6 水资源学教程的任务和主要内容,1.6.1 水资源学教程的任务 让学生在掌握水文学原理知识的基础上，学习水资源学的基本理论、基本知识，初步掌握这方面的分析方法、计算方法以及实际工作方法，以使学生毕业后，经过一段生产实践的锻炼能胜任这方面的工作。 1.6.2 水资源学教程的主要内容 根据国民经济发展对水资源开发利用所提出的实际要求以及水资源本身的特点和客观情况，并根据中华人民共和国水法的规定，研究如何科学合理地开发利用水资源、保护水资源，确定适应可持续发展需求的水资源规划与管理方案，制定适应现代水资源管理要求的政策、法规以及合理的水权制度与水价水市场。,第一章 水资源学概论 为配合普通高等教育“十一五”国家级规划教材水资源学教程使用，制作本课件。 本教材可用于水文与水资源工程专业的专业基础课，对水资源学内容做概论性介绍。本教材亦适合于非水文与水资源工程专业的教学，作为一门专业课教学，基本上能满足对水资源工作的基本了解。2008年2月出版1.1水资源的概念及特点1.1.1 水资源的概念 水资源的含义比较丰富，对水资源概念的界定也是多种多样。一般来说，水资源分为：广义水资源和狭义水资源。 广义的水资源是指地球上水的总体，包括大气中的降水、河湖中的地表水、浅层和深层的地下水、冰川、海水等。 狭义的水资源是指与生态系统保护和人类生存与发展密切相关的、可以利用的、而又逐年能够得到恢复和更新的淡水，其补给来源为大气降水。 1.1.2 水资源的组成大气降水（广义水资源）地表水资源土壤水资源地下水资源填洼截留雨期蒸发地表径流壤中流包气带储蓄地下径流地下水储蓄有效蒸发无效蒸发无效蒸发作物生长有效蒸发土壤蒸发作物生长有效蒸发无效蒸发潜水蒸发无效蒸发有效蒸发河川径流（狭义水资源）总水资源（广义水资源）当地消耗1.1.3 水资源的特点 流动性 可再生性 多用途性 公共性 利与害的两重性 有限性1.2 水资源学的形成与发展1.2.1 水资源学的概念 水资源学（water resources science）是在认识水资源特性、研究和解决日益突出的水资源问题的基础上，逐步形成的一门研究水资源形成、转化、运动规律及水资源合理开发利用基础理论并指导水资源业务（如水资源开发、利用、保护、规划、管理）的知识体系。1.2.2 水资源学的研究内容 水资源的基本认识 认识基础 水资源学的基本理论 理论支撑 水资源学工作的主要内容 应用及实践1.2.3 水资源学的发展过程 1.2.4 水资源学的研究进展 1）认识进展 形成阶段兴起阶段取之不尽用之不竭与经济社会发展、生态系统保护相协调，走可持续发展道路萌芽阶段 2）实验进展 实验条件的改善和观测技术的发展，对水资源形成、转化和运动的实验手段和观测水平得到极大的提高，促进了人们对水资源规律的认识和定量化研究水平的提高。 3）理论方法进展 现代数学理论、系统理论的发展为水资源学提供了量化研究和解决复杂水资源问题的重要手段。 4）技术方法进展 计算机技术的快速发展，可以为复杂的水资源系统的数学模型提供数值解，从而更好地服务于水资源系统。 5）应用研究进展 水资源规划与管理在观念上发生了很大变化，包括从单一性向系统性转变，从单纯追求经济效益向追求社会-经济-环境综合效益转变，从只重视当前发展向可持续发展战略转变。1.3 水资源学的研究对象和学科体系1.3.1 水资源学的研究对象 水资源形成、转化规律 地球水资源本身 水资源数量、质量评价 经济社会发展需水预测 水资源合理配置 水资源与经济社会 之间的关系与协调 水资源规划方案优选 水资源管理措施实施 水资源价格制定 生态需水计算 水资源与生态系统 之间的关系与协调 水资源保护规划与措施 1.3.2 水资源学的学科体系 水资源概论水资源概况水资源的形成与转化关系水资源利用水资源学的基本理论水资源评价水资源保护水权与水价水市场水资源规划水资源管理水资源学展望基本知识应用内容理论基础1.4水资源学的特点和研究方法1.4.1 水资源学的特点 多学科知识交叉 实践性很强 伴随着人们认识水平、法律、政策的发展而发展 1.4.2 水资源学的研究方法 以气象、水文要素的长期观测资料为依据，采用成因分析和统计分析相结合的方法 多学科交叉的方法 定量分析与定性分析相结合的方法 采用系统分析的方法 1.5水资源学与相关学科的联系1.5.1 水资源学与水文学的联系 1.5.2 水资源学与系统科学的联系 水资源学水文学基础发展过程研究内容重要应用水资源学系统科学实践场所应用工具1.5.3 水资源学与社会科学的联系 水资源学社会科学支撑、保障压力科技进步和人口增长引起的水资源利用量增加，水污染等1.6 水资源学教程的任务和主要内容1.6.1 水资源学教程的任务 让学生在掌握水文学原理知识的基础上，学习水资源学的基本理论、基本知识，初步掌握这方面的分析方法、计算方法以及实际工作方法，以使学生毕业后，经过一段生产实践的锻炼能胜任这方面的工作。 1.6.2 水资源学教程的主要内容 根据国民经济发展对水资源开发利用所提出的实际要求以及水资源本身的特点和客观情况，并根据中华人民共和国水法的规定，研究如何科学合理地开发利用水资源、保护水资源，确定适应可持续发展需求的水资源规划与管理方案，制定适应现代水资源管理要求的政策、法规以及合理的水权制度与水价水市场。 第二章 水资源概论,随着社会经济的发展，人口的不断增加，日益突出的水危机威胁着人类的生存和生活，影响到全球社会的安全。 本章主要对世界水资源、中国水资源作一个简单的介绍，并介绍人类所面临的三大水问题以及其给社会带来的影响。,2.1世界水资源概况,2.1.1 地球上水的组成,2.1.2 世界水资源的概况,由于受地理位置和地形地貌的影响，世界水资源在时间和空间上都存在分布不均匀的状况。,什么 原因？,从上面的图以及表格数据可以看出，全球以大洋洲（澳大利亚除外）年降水量最大，其水资源量也极为丰富，而澳大利亚由于降水稀少，荒漠和半荒漠面积达到三分之二，使得径流系数明显偏低；次之，降水量较丰沛的是南美洲，而亚洲、非洲、北美洲、欧洲的降水量都接近全球平均水平，非洲气候炎热，蒸发强烈，有大面积的沙漠存在，因此径流系数比其他洲明显偏小；南极洲降水虽然不多，但由于降水全部储存于冰川中，因此径流量等于降水量。 即使在同一个洲内，由于空间跨度大，再加上自然条件的差异，水资源的分布也是很不均匀的。,2.2中国水资源概况,2.2.1 我国水资源的概况 河川径流总量仅次于巴西、俄罗斯、加拿大、美国、印度尼西亚，位居世界第六位；地下水资源也较为丰富。同时由于我国国土面积辽阔，人口资源丰富，水资源人均占有河川径流量较少，仅相当于世界的1/4。,河川径流是由地面和地下（包括土壤）汇流到河槽并沿河槽流动的水流的统称。,2.1.2 我国水资源的特点 水资源总量丰富，但是人均占有量少 水资源空间分布不均匀 水资源时间分布不均匀,水资源总量居世界第六位，人均占有量居世界第85位,由于我国所处的地理位置和特殊的地形、地貌、气候条件，导致水资源丰枯在地区之间差异比较大，总体状况是南多北少，水量与人口和耕地分布不相适应。,我国大部分地区受季风影响明显，降水量年内分配不均匀，年际变化较大，并有枯水年和丰水年连续出现的特点,2.3水问题及影响,2.3.1 当前世界面临的三大问题 1）水少（干旱缺水）,导致水资源紧缺，主要有两个方面的影响：自然因素的制约；社会经济的发展，出现需大于供的情况,2）水多,这与水少问题形成一个对立面，也是地球上水量平衡的一个反映，同时由于气候变化以及人类活动的影响使洪水灾害日益严重。,3）水脏,水环境恶化问题已经成为影响面最广、后果最严重的问题，它严重制约了社会经济的发展,2.3.2 解决三大水问题的途径,加强水资源学理论体系的研究,全人类共同参与， 加大水资源管理与保护的投资,加强水资源规划与管理的工作力度， 全面考虑经济社会发展与生态系统相协调,2.3.3 我国面临的水问题 1）防洪标准低，洪涝灾害频繁,2）干旱缺水日趋严重 干旱缺水严重制约了我国经济社会尤其是农业的稳定发展，影响到人类的生活质量和城市化发展。,3）水环境恶化严重,松花江污染事件,2.3.4 我国水问题出现的根源 水资源的分布不均匀 自然因素 气候变化 经济经济活动的影响 人为因素 人们对水资源不合理开发、 利用及管理,2.3.5 水问题带来的社会影响 1） 水资源紧缺给国民经济带来了重大损失 目前，我国水资源出现了“需大于供”的状况，地下水的开采用远远大于水资源的可利用量，由此可见，水资源短缺已经成为制约我国经济增长的重要因素。由于水资源短缺问题，使得农业生产总值及工业生产总值增长较慢，影响了国家正个经济的发展，也带来了很大的损失。,2）水资源问题威胁到社会安全稳定 水资源问题（如水灾，旱灾，水污染等）已经严重影响到人们的生活，甚至在重大水事件发生后，对人民的生活已经造成了严重的威胁，甚至威胁到人们的生命。 此外，有些国家甚至为争取水源而引发战争，如中东战争，引起战争的原因不仅仅是石油问题，最关键的问题还是水源问题。 由此可以看出，水资源问题变得极为严重，它将威胁到整个社会的安全稳定，甚至人民的生命。,3）水资源问题会导致生态系统恶化 目前，水资源问题日趋严重，尤其是水环境问题，部分水资源已经受到严重的污染，部分水源已经不能作为饮用水的水源，同时，由于水资源的污染，水资源的可利用量更为短缺，为了社会的发展及人民的生活，水资源利用水量挤兑生态用水量，使维持生态系统正常运行的水量日益减少，引起了生态系统的不断恶化，最终也将影响到人们的生活。,第二章 水资源概论 随着社会经济的发展，人口的不断增加，日益突出的水危机威胁着人类的生存和生活，影响到全球社会的安全。 本章主要对世界水资源、中国水资源作一个简单的介绍，并介绍人类所面临的三大水问题以及其给社会带来的影响。2.1世界水资源概况2.1.1 地球上水的组成 2.1.2 世界水资源的概况 由于受地理位置和地形地貌的影响，世界水资源在时间和空间上都存在分布不均匀的状况。什么原因？ 从上面的图以及表格数据可以看出，全球以大洋洲（澳大利亚除外）年降水量最大，其水资源量也极为丰富，而澳大利亚由于降水稀少，荒漠和半荒漠面积达到三分之二，使得径流系数明显偏低；次之，降水量较丰沛的是南美洲，而亚洲、非洲、北美洲、欧洲的降水量都接近全球平均水平，非洲气候炎热，蒸发强烈，有大面积的沙漠存在，因此径流系数比其他洲明显偏小；南极洲降水虽然不多，但由于降水全部储存于冰川中，因此径流量等于降水量。 即使在同一个洲内，由于空间跨度大，再加上自然条件的差异，水资源的分布也是很不均匀的。2.2中国水资源概况2.2.1 我国水资源的概况 河川径流总量仅次于巴西、俄罗斯、加拿大、美国、印度尼西亚，位居世界第六位；地下水资源也较为丰富。同时由于我国国土面积辽阔，人口资源丰富，水资源人均占有河川径流量较少，仅相当于世界的1/4。河川径流是由地面和地下（包括土壤）汇流到河槽并沿河槽流动的水流的统称。 2.1.2 我国水资源的特点 水资源总量丰富，但是人均占有量少 水资源空间分布不均匀 水资源时间分布不均匀 水资源总量居世界第六位，人均占有量居世界第85位由于我国所处的地理位置和特殊的地形、地貌、气候条件，导致水资源丰枯在地区之间差异比较大，总体状况是南多北少，水量与人口和耕地分布不相适应。 我国大部分地区受季风影响明显，降水量年内分配不均匀，年际变化较大，并有枯水年和丰水年连续出现的特点 2.3水问题及影响2.3.1 当前世界面临的三大问题 1）水少（干旱缺水）导致水资源紧缺，主要有两个方面的影响：自然因素的制约；社会经济的发展，出现需大于供的情况2）水多这与水少问题形成一个对立面，也是地球上水量平衡的一个反映，同时由于气候变化以及人类活动的影响使洪水灾害日益严重。3）水脏水环境恶化问题已经成为影响面最广、后果最严重的问题，它严重制约了社会经济的发展2.3.2 解决三大水问题的途径 加强水资源学理论体系的研究全人类共同参与，加大水资源管理与保护的投资加强水资源规划与管理的工作力度，全面考虑经济社会发展与生态系统相协调2.3.3 我国面临的水问题 1）防洪标准低，洪涝灾害频繁 2）干旱缺水日趋严重 干旱缺水严重制约了我国经济社会尤其是农业的稳定发展，影响到人类的生活质量和城市化发展。 3）水环境恶化严重松花江污染事件2.3.4 我国水问题出现的根源 水资源的分布不均匀 自然因素 气候变化 经济经济活动的影响 人为因素 人们对水资源不合理开发、 利用及管理2.3.5 水问题带来的社会影响 1） 水资源紧缺给国民经济带来了重大损失 目前，我国水资源出现了“需大于供”的状况，地下水的开采用远远大于水资源的可利用量，由此可见，水资源短缺已经成为制约我国经济增长的重要因素。由于水资源短缺问题，使得农业生产总值及工业生产总值增长较慢，影响了国家正个经济的发展，也带来了很大的损失。 2）水资源问题威胁到社会安全稳定 水资源问题（如水灾，旱灾，水污染等）已经严重影响到人们的生活，甚至在重大水事件发生后，对人民的生活已经造成了严重的威胁，甚至威胁到人们的生命。 此外，有些国家甚至为争取水源而引发战争，如中东战争，引起战争的原因不仅仅是石油问题，最关键的问题还是水源问题。 由此可以看出，水资源问题变得极为严重，它将威胁到整个社会的安全稳定，甚至人民的生命。 3）水资源问题会导致生态系统恶化 目前，水资源问题日趋严重，尤其是水环境问题，部分水资源已经受到严重的污染，部分水源已经不能作为饮用水的水源，同时，由于水资源的污染，水资源的可利用量更为短缺，为了社会的发展及人民的生活，水资源利用水量挤兑生态用水量，使维持生态系统正常运行的水量日益减少，引起了生态系统的不断恶化，最终也将影响到人们的生活。第三章 水资源的形成及转化关系,水以各种形式存在于地球上，形成了一个巨大的水圈，水资源在这个水圈中不断地循环转化，不断地更新利用，但是水资源的形成及转化过程极为复杂。 本章就水资源的形成及转化问题作出简单的介绍，以及气候变化、人类活动对水资源产生的影响作用。,3.1水循环过程及水资源形成,3.1.1 水循环的认识 水循环（water cycle），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。 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，是自然环境中发展演变最活跃的因素，并形成了地球上的淡水资源。,水循环示意图,从上面的水循环示意图中，可以看出，水循环不断地发生在陆地之间、海洋之间以及陆地与海洋之间，这就形成所谓的内陆循环、海上循环以及海陆循环。有时也将海陆循环称之为大循环或外循环，内陆循环和海上循环称之为小循环或内循环，前者称为内陆小循环，后者称为海洋小循环。 人们常常所说的水循环是指自然界中通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节形成的水循环，称为自然水循环。通常把有人类活动影响或参与的部分水循环过程称为社会水循环。,3.1.2自然水循环过程及水资源形成 1）自然水循环过程 自然水循环过程一般包括蒸发、水气输送、凝结降水、下渗以及径流。 蒸发 蒸发是水分通过热能交换从固态或液态转换为气态的 过程，是水分从地球地面和水体进入大气的过程。 陆地上年降水量的66%是通过蒸发（包括蒸腾）返回大气的。,蒸发主要包括：水面蒸发、土壤蒸发、植物蒸发等。 各种蒸发的影响因素各不相同，总的来说，蒸发的影响因素主要有：首先取决于热能的供应，其次还受到水温、气温、风、气压及太阳辐射等气象因素的影响。 目前，计算蒸发的主要方法有：器测法、间接计算法（经验公式法、水量平衡法、水气输送法、热量平衡法等）、微气象学方法（如能量平衡法，空气动力学法，能量平衡空气动力学法）和遥感法等。, 水气输送 水汽输送，是指大气中的水汽由气流携带着从一个地区上空输送到另一个地区的过程。它揭示了一个地区上空水汽输送的源地、水汽输送路径、水汽输送强度、水汽输送场的结构以及它们随时间的变化。 大气中的水汽含量虽然只占全球水循环系统中总水量的 1.53%，但却是全球水循环过程中最活跃的成分。正是由于大气中的水汽如此活跃的更新和输送，才实现了全球各水体间的水量连续转换和更新。,凝结降水 降水是水汽在大气层中微小颗粒周围进行凝结，形成雨滴，再降落到地面的过程。 降水是水文循环中最活跃的因子，是一种水文要素，也是一种气象要素。 降水的特征常用几个基本要素来表示，如降水量、降水历时、降水强度、降水面积及暴雨中心等。 与降水有关的气象因素有：气温、气压、风、湿度、云、蒸发等。只有具备了一定的条件，才能形成降水。 降雨量可采用器测法、雷达探测或利用气象卫星云图估算。, 下渗 下渗是指降落到地面上的雨水从地表渗入土壤内的运动过程。 按照水分所受的力和运动特征，下渗可分为三个阶段：渗润、渗漏、渗透阶段。 影响下渗的主要因素有：土壤因素（包括土壤均质性、土壤质地和孔隙率等）、土壤初始含水率、地表结皮（表土结皮能减少入渗量）、降雨因素（包括雨型、降雨强度等）和下垫面因素（包括植被、坡度、坡向、耕作措施等）等。,反映流域的平均下渗特性及定量规律,流域某些单点的下渗特性及定量规律,天然条件下的下渗可通过野外现场实验来确定。通常有两种途径：一是直接测定法；二是分析法。 径流 径流又称为河川径流，亦即地表径流和地下径流、壤中流之和。 在大气降水降到地面以后，一部分水分通过蒸发返回到大气；一部分通过下渗进入到土壤（包括植物吸收、壤中流）；一部分可能蓄积在地表低洼处；剩余的水量在一定条件下可能会形成地表径流，当下渗的水量达到一定程度后会形成地下径流。,径流过程是地球上水文循环中的重要一环。在水文循环中，大陆上降水的34%转化为地面径流和地下径流汇入海洋。 径流过程又是一个复杂多变的过程，与人类同洪旱灾害进行斗争，以及水资源的开发利用和水环境保护等生产经济活动密切相关。 影响径流量大小的主要因素包括：流域气象条件（如降水、蒸发、气温、湿度、风等）、地理位置、地形条件、植被以及人为因素（如水利工程、开垦、城市建设等）。,2）水资源形成 水资源的形成可以看成是地表水和地下水的形成过程。 降雨降落到地面后，一部分由于蒸发作用返回到大气中，一部分通过土壤下渗，一部分可能积蓄在低洼处，当降雨量满足填洼量后开始形成地面径流；下渗到土壤中的水分首先被土壤吸收，当达到田间持水量后，下渗趋于稳定。继续下渗的雨水，一部分从侧面土壤流出，注入河槽形成壤中流，继续下渗的雨水到达地下水面后，形成地下径流。,3.1.3水循环的机理及特点 水循环是永无止境的，但是全球水资源量是不变的，服从质量守恒定律。 太阳辐射能和重力作用是水循环的基本动力。 全球水循环是闭合系统，但局部水循环是开放系统。 永无止境的水循环赋予水体再生性。其循环强度一般有水体的更新周期来度量。,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要的时间。,水循环是一个非常复杂的系统，它受到人类活动及气候变化的影响，从而引起水循环的形成及特征的变化。 3.1.4 水循环的作用及意义 形成可再生的水资源 影响全球的气候变化 形成丰富多样的地形地貌 为生态系统提供生命支撑 形成一切水文现象,3.2 水资源转化关系,3.2.1自然水循环形成的水资源转化关系 自然界中的水资源转化过程主要表现在大气水、地表水、地下水之间的相互转化，称为“三水”转化。,大气降水,地表水,地下水,植物截流,地表径流,地下径流,蒸发,下渗,如果考虑土壤水，则称为“四水”转化关系,3.2.2社会水循环形成的水资源转化关系 在人类活动影响作用下，人为改变原有的水资源系统（包括水资源系统结构、径流过程以及作用机理等），使原来的水资源系统更加复杂。 人类活动的影响作用主要表现在：兴建蓄水、调水工程，改变水资源自然的流动特性和转化过程；兴建引水、提水工程，大量开采地表、地下水，增加水资源的使用量和消耗量；生活污水、工业废水、灌溉退水的排放，改变了天然水体的水质状况。,图3-2水资源形成与转化关系示意图,在干旱地区，一般水资源来源比较单一，主要是由上游山区降水或冰雪融水产生的出山径流量，而坐落于中下游平原区的城市和灌区则靠大量引用地表水、地下水得以维持和发展。随着地表水、地下水的引入，复杂的水资源转化过程在城市和灌区中开始。 总的来说，一般可归结为以下转化关系： 地表水包括城市和灌区引用的水库蓄水、河川径流和外流域调水。引用的径流在渠道输水、用水过程中，通过蒸发、渗漏转化为大气水、土壤水和地下水。,地下水来源于地表水与降水的入渗补给、区外（山前）侧渗补给，其消耗是：通过潜水蒸发补给非饱和带土壤水、通过侧渗以地下水的形式排入河道、通过抽水作为引用水水源、通过越层入渗补给深层地下水。 土壤水是四水转化的中心环节，来源于地表水的入渗和地下水的潜水蒸发补给。土壤水除少量补给地下水外，主要转化为大气水、消耗于蒸发。 大气水指降水与蒸散发的水量。城市和灌区的降水除少量入渗补给地下水和排水外，多数直接被蒸发而消耗掉。蒸发总量是当地最终的水资源消耗量。,3.3人类活动和气候变化对水资源的影响,3.3.1人类活动对水资源的影响 兴建水库、大坝等水利工程，改变水资源形成和转化关系 兴建水库、大坝等水利工程为国民经济建设作出了巨大贡献，也是“兴水利，除水害”的重要举措，但同时水库、大坝的兴建，改变了水资源的形成及转化关系，对下游水资源系统和滨河居民的生产、生活造成一定的负面影响，这些影响涉及洪泛平原上的农牧业、渔业以及依赖天然河水直接或间接补给的生态系统。,人工引用水，增加水循环的复杂性，加剧水资源消耗和供需矛盾 由于人类生活、生产的需要，从地表、地下取水，其中一部分水分被消耗，一部分水分在使用后又排入到河道、渠道或其他水体，改变了自然水循环过程，使原本复杂的水循环过程更加复杂。 另外，由于人工引用水，导致部分水分消耗，可能会加剧水资源的供需矛盾。 城市建设，形成以“社会水循环”为主导的“自然社会”水循环模式 城市水循环是一个比自然水循化更复杂，更具有特殊性的过程。,从蒸发过程看， 自然路面蒸发 人工路面蒸发 从降雨过程看，接受降雨覆盖条件发生了变化 覆盖植被的陆面 路面、房屋屋顶 从下渗过程看 透水的地面 不透水的地面 从径流过程看 降到地面的水，由原来的蒸发、下渗，形成地表和地下径流变为雨水流入排水管道，形成地表径流的时间缩短，地下径流的过程滞后。,3.3.2气候变化对水资源的影响 引起气候变化的因素很多，既有自然因素，也有人为因素。多数科学家研究认为，由于人类活动排放大量温室气体引起全球变暖将是未来全球气候变化的主流趋势。 气候变化必然会引起水循环的变化，特别是降水变化直接决定着水循环的强弱，引起水资源在时空上的重新分配和水资源数量的改变，进而影响生态系统格局和经济社会发展布局。,第三章 水资源的形成及转化关系 水以各种形式存在于地球上，形成了一个巨大的水圈，水资源在这个水圈中不断地循环转化，不断地更新利用，但是水资源的形成及转化过程极为复杂。 本章就水资源的形成及转化问题作出简单的介绍，以及气候变化、人类活动对水资源产生的影响作用。3.1水循环过程及水资源形成3.1.1 水循环的认识 水循环（water cycle），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。 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，是自然环境中发展演变最活跃的因素，并形成了地球上的淡水资源。 水循环示意图 从上面的水循环示意图中，可以看出，水循环不断地发生在陆地之间、海洋之间以及陆地与海洋之间，这就形成所谓的内陆循环、海上循环以及海陆循环。有时也将海陆循环称之为大循环或外循环，内陆循环和海上循环称之为小循环或内循环，前者称为内陆小循环，后者称为海洋小循环。 人们常常所说的水循环是指自然界中通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节形成的水循环，称为自然水循环。通常把有人类活动影响或参与的部分水循环过程称为社会水循环。3.1.2自然水循环过程及水资源形成 1）自然水循环过程 自然水循环过程一般包括蒸发、水气输送、凝结降水、下渗以及径流。 蒸发 蒸发是水分通过热能交换从固态或液态转换为气态的 过程，是水分从地球地面和水体进入大气的过程。 陆地上年降水量的66%是通过蒸发（包括蒸腾）返回大气的。 蒸发主要包括：水面蒸发、土壤蒸发、植物蒸发等。 各种蒸发的影响因素各不相同，总的来说，蒸发的影响因素主要有：首先取决于热能的供应，其次还受到水温、气温、风、气压及太阳辐射等气象因素的影响。 目前，计算蒸发的主要方法有：器测法、间接计算法（经验公式法、水量平衡法、水气输送法、热量平衡法等）、微气象学方法（如能量平衡法，空气动力学法，能量平衡空气动力学法）和遥感法等。 水气输送 水汽输送，是指大气中的水汽由气流携带着从一个地区上空输送到另一个地区的过程。它揭示了一个地区上空水汽输送的源地、水汽输送路径、水汽输送强度、水汽输送场的结构以及它们随时间的变化。 大气中的水汽含量虽然只占全球水循环系统中总水量的 1.53%，但却是全球水循环过程中最活跃的成分。正是由于大气中的水汽如此活跃的更新和输送，才实现了全球各水体间的水量连续转换和更新。 凝结降水 降水是水汽在大气层中微小颗粒周围进行凝结，形成雨滴，再降落到地面的过程。 降水是水文循环中最活跃的因子，是一种水文要素，也是一种气象要素。 降水的特征常用几个基本要素来表示，如降水量、降水历时、降水强度、降水面积及暴雨中心等。 与降水有关的气象因素有：气温、气压、风、湿度、云、蒸发等。只有具备了一定的条件，才能形成降水。 降雨量可采用器测法、雷达探测或利用气象卫星云图估算。 下渗 下渗是指降落到地面上的雨水从地表渗入土壤内的运动过程。 按照水分所受的力和运动特征，下渗可分为三个阶段：渗润、渗漏、渗透阶段。 影响下渗的主要因素有：土壤因素（包括土壤均质性、土壤质地和孔隙率等）、土壤初始含水率、地表结皮（表土结皮能减少入渗量）、降雨因素（包括雨型、降雨强度等）和下垫面因素（包括植被、坡度、坡向、耕作措施等）等。反映流域的平均下渗特性及定量规律流域某些单点的下渗特性及定量规律 天然条件下的下渗可通过野外现场实验来确定。通常有两种途径：一是直接测定法；二是分析法。 径流 径流又称为河川径流，亦即地表径流和地下径流、壤中流之和。 在大气降水降到地面以后，一部分水分通过蒸发返回到大气；一部分通过下渗进入到土壤（包括植物吸收、壤中流）；一部分可能蓄积在地表低洼处；剩余的水量在一定条件下可能会形成地表径流，当下渗的水量达到一定程度后会形成地下径流。 径流过程是地球上水文循环中的重要一环。在水文循环中，大陆上降水的34%转化为地面径流和地下径流汇入海洋。 径流过程又是一个复杂多变的过程，与人类同洪旱灾害进行斗争，以及水资源的开发利用和水环境保护等生产经济活动密切相关。 影响径流量大小的主要因素包括：流域气象条件（如降水、蒸发、气温、湿度、风等）、地理位置、地形条件、植被以及人为因素（如水利工程、开垦、城市建设等）。 2）水资源形成 水资源的形成可以看成是地表水和地下水的形成过程。 降雨降落到地面后，一部分由于蒸发作用返回到大气中，一部分通过土壤下渗，一部分可能积蓄在低洼处，当降雨量满足填洼量后开始形成地面径流；下渗到土壤中的水分首先被土壤吸收，当达到田间持水量后，下渗趋于稳定。继续下渗的雨水，一部分从侧面土壤流出，注入河槽形成壤中流，继续下渗的雨水到达地下水面后，形成地下径流。3.1.3水循环的机理及特点 水循环是永无止境的，但是全球水资源量是不变的，服从质量守恒定律。 太阳辐射能和重力作用是水循环的基本动力。 全球水循环是闭合系统，但局部水循环是开放系统。 永无止境的水循环赋予水体再生性。其循环强度一般有水体的更新周期来度量。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要的时间。 水循环是一个非常复杂的系统，它受到人类活动及气候变化的影响，从而引起水循环的形成及特征的变化。3.1.4 水循环的作用及意义 形成可再生的水资源 影响全球的气候变化 形成丰富多样的地形地貌 为生态
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