环境管理_地球水分基础知识介绍

第四章水分 本章要点 通过学习 学生要了解土壤和大气中水分存在的状态 理解作物生长 发育时期对水分的需求 土壤水分 水土保持的基本知识 一 水的自然属性和社会属性水作为一种自然物质 具有本身的自然属性 1 地球上的水广泛渗透于地球系统的各个圈层 2 水是良好的溶剂 水流是重要的载体 3 水是一种可再生的清洁能源 第一节地球上的水 水与人类社会息息相关 具有如下一些社会属性 1 水是 生命之源 2 水旱灾害 水污染对人类生产生活用水需求构成威胁 3 人类开发利用水资源遇到的各种问题 水的社会属性 黄河断流 指存储于海洋 湖泊 河流 冰川 沼泽等水体中的水 生物水 指赋存于土壤和岩石孔隙 洞穴 溶穴中的水 指含在生物体内的水 指悬浮于大气中的水汽 包括以液态和固态形式悬浮于大气中的水 二 地球系统中水的组成 地球的总储水量约13 86亿km3 其中海水约13 5亿km3 占全球总水量的96 5 余下的水量中地表水占1 76 地下水占1 69 三 地球系统中水的储量和分布 人类可利用的淡水量约为 仅占全球总储水量0 26 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 三 地球系统中水的储量和分布 全球水储量表 四 地球上的水资源 一 水资源概念 广义水资源 地球上的一切水体 狭义水资源 在一定时期内 能被人类直接或间接利用的水体 二 水资源特性 1 循环再生性和有限性 2 时空分布不均匀性 3 利用的广泛性和不可替代性 4 利 害的两重性 三 世界上的水资源 水资源分布极不平衡 巴西 俄罗斯 加拿大 中国 美国 印度尼西亚 印度 哥伦比亚和刚果9个国家的淡水资源占了世界淡水资源的60 约占世界人口40 的80多个国家和地区严重缺水 四 我国的水资源 全国多年平均地表水资源量27115 108m3 平均地下水资源量8288 108m3 水资源人均占有量为2240m3 约为世界人均的1 4 1 水资源总量 2 我国水资源条件和问题 1 水资源总量不少 但人均 亩均水量少 2 水资源地区分布不均匀 与人口 耕地分布不相适应 3 水资源年内 年际变化大 水旱灾害频繁 2 我国水资源条件和问题 4 水土流失和泥沙淤积严重 降低了水资源利用效益 5 地下水是我国重要的水资源 要合理开发利用 防止过量开采 6 水污染日趋严重 防止水质恶化 保护水源已是当务之急 是指地球上各种形态的水 在太阳辐射和地心引力等作用下 以蒸发 水汽输送 凝结降水 下渗和径流等方式进行周而复始的运动过程 一 水文循环概念 五 水文循环现象 水文循环过程示意图 整个水文循环过程包括了水分蒸发 水汽输送 凝结降水 水分下渗 径流5个环节 二 水循环基本过程 内因 水的物理特性 外因 太阳辐射和地心引力 水循环 内因 水的 三态 变化 也就是在常温的条件下 水的气态 液态 固态可以相互转化 这使水分循环过程的转移 交换成为可能 三 水循环发生的原因 外因 太阳辐射和地心引力 太阳辐射的热力作用为水的 三态 转化提供了条件 太阳辐射分布的不均匀性和海陆的热力性质的差异 造成空气的流动 为水汽的移动创造了条件 地心引力 重力 则促使水从高处向低处流动 从而实现了水分循环 海陆间水循环 四 水文循环类型 是指从海洋表面蒸发的水汽 被气流带到大陆上空 在适当的条件下 以降水的形式降落到地面后 其中一部分蒸发到空中 另一部分经过地表和地下径流又流到海洋 这种海陆间的水循环又称大循环 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 从而完成的水的循环过程 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 第二节大气湿度 表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量称为空气湿度 大气的湿度状况是决定云 雾 降水等天气现象的重要因素 1 水汽压e大气中由水汽所产生的分压力叫水汽压 单位与气压一样是hpa 水汽压又分成饱和 saturation 水汽压es 空气实际 actual 水汽压ea 在温度一定条件下 单位体积空气中所能容纳的水汽数量是一定的 如果水汽含量已达到这个限量 空气就成饱和状态 此时的空气称为饱和空气 饱和空气的水汽压称为饱和水汽压 饱和水汽压es是温度的函数 t单位一定用 es单位是pa 不是hpa 一 空气湿度的几种表示方法 当空气温度不变时 水汽未达到饱和状态时的水汽压成为实际水汽压 实际水汽压大小 不仅与温度有关 还与空气中水汽的多少有关 3 相对湿度 RH 空气中实际水汽压 ea 与同温度下饱和水汽压 es 的百分比 叫相对湿度 4 饱和差 d 在一定温度下 es ea pa 表示空气中的水汽含量距离饱和的绝对数值 2 绝对湿度单位体积空气中所含水汽质量 称为绝对湿度 又称为水汽密度 单位g m3 5 露点温度td dew pointtemperature当空气中水汽含量不变 大气压力也无大变化时 降温使水汽达到饱和的那点温度叫露点温度 当大气压力一定时 td高低只与空气中水汽含量有关 水汽含量越多 td就越高 达到饱和时td ta 所以td也是反映空气中水汽实际含量的物理量 例1 观测员观测到气象站百叶箱中Ta 30 TW 20 求此时 1 空气实际水汽压 2 空气的相对湿度 3 饱和差d 解 ea esw ta tw 2337 30 66 30 20 1677pa RH ea es ea esa 1677 4241 8 40 d esa ea 2564 8pa 二 空气湿度的时空变化1 空气湿度的空间变化水汽压随高度减小的关系 一般可用下式表示 ea ea0 10 Z 2 空气湿度的时间变化1 水汽压的日变化 单峰型 双峰型2 水汽压的年变化 与温度高低一致 7 8月高 1 2月低 第三节蒸发和蒸腾 一蒸发在一定温度下 由液态或固态水转为水汽的过程称为蒸发 蒸发过程的发生取决于实际水汽压与饱和水汽压两者的对比关系 当e E 未饱和 时 出现蒸发 e E 过饱和 时 蒸发停止并出现凝结 e E 饱和 时 进入水中的水分子数和逸出水面的水分子数相等 处于动态平衡状态 由蒸发消耗的水量称为蒸发量 它以蒸发失去的水层厚度毫米 表示 蒸发 腾 单位 蒸发 腾 率E g m2 Smm m2 S 或mm 时 问 1mm m2 S g m2 S 影响蒸发速度快慢的因素主要有以下几种 水面蒸发 1 水源 2 热源 3 饱和差 4 风速与湍流扩散 5 溶质浓度土壤表面的蒸发 1 蒸发面温度 蒸发面温度愈高 蒸发速度愈快 相反蒸发速度愈慢 2 蒸发面性质 在相同的温度下 冰面的饱和水汽压小于水面的饱和水汽压 溶液面的饱和水汽压小于纯水面的饱和水汽压 3 空气湿度和风 空气湿度大 饱和差小蒸发速度慢 相反空气湿度小时 饱和差大蒸发速度快 有风时蒸发快 无风时蒸发慢 蒸发变化与气温变化相同蒸发量的空间分布 因气温高低 海陆分布 水汽含量多少等而发生变化 低纬度气温高 蒸发量也大 在温度相同的情况下 海洋蒸发量多与大陆 并有自沿海向内陆显著减少的趋势 蒸发量与所在地区的降水量也有关系降水量多的地方蒸发量也大 反之 蒸发量小 干旱地区蒸发能力强 而实际蒸发量却很少 北半球大陆各纬度平均年降水量 蒸发量 mm 二 植物蒸腾1 植物的蒸腾作用 书P77 要了解植物叶子的蒸腾过程及叶子的气孔阻抗 水分最开始从叶肉细胞壁开始 然后扩散到气孔穴 水汽通过气孔到达叶子表面 然后通过片流边界层再到达大气中 再通过湍流输送到大气上空 水分从叶肉细胞开始向外扩散直到最后到达大气上空 这个输送过程必须克服四种不同阻力 把这种阻力称为阻抗 用 表示 植物存在水汽压差 因叶子内水汽一定是饱和的 否则会蔫 而大气中水汽一般是不饱和的 两者间存在水汽梯度 e 蒸腾率E e 为系数 且 MV RT这里MV是水汽分子量 R 气体常数8 31J mol K T是空气温度 K E为蒸发量 则蒸发所需热量为LE 只要知道叶片温度 空气干湿球温度 或ta RH td 及 t 就知道叶片蒸腾率 实际上叶面除了把从太阳辐射得到的热量用于蒸腾外 也象地面一样要加热贴近地表面的空气 我们叫它感热H 与地面一样 它在输送热量给空气时也有一个阻力 叫感热阻抗 H 由于这种输送只在叶表面发生 所以就得有象水汽那样要经过叶肉细胞和气孔 H要比 t小 见书P97分析例题 LERnH 例2 某天测到玉米叶层温度25 空气的干湿球温度分别为22 和17 t 2s cm 问 1 此时叶子蒸腾率E1 2 如果阻力减少一半即 t 1s cm E2 解 MV H2O 2 16 18R 8 31J mol KT 22 273 295KeL一定是饱和的 esL 610 78exp 17 269 25 237 3 25 3167 6paesw 610 78exp 17 269 17 237 3 17 1936 7paea esw ta tW 1936 7 66 22 17 1606paE 18 3167 6 1606 8 31 295 200 0 0573g m2 s当 t 1s m0 573 2 0 1147g m2 s相当于mm m2 h 0 0573g 3600s 1000g 0 206mm m2 h 例3 某白天玉米叶片向大气输送感热H 100W 已知叶片的 H 0 5s t 1 5s 此时测到空气干湿球温度分别为ta 20 tw 15 问 叶片蒸腾率E 叶片所得Rn 如果此时土壤干旱无水供蒸腾 叶温将升高多少 解 MV 18g mol T 273 20 293k R 8 31J mol k t 150s mea eSW 66 ta tW 1705 7pa 330 1375 7pa已知 H 100W CVTL Ta HtL ta H H CV 100 50 1300 3 9 tL 3 9 20 23 9 E 0 078g m2 s LE 0 078 10 3 2 5 106 191 Rn H LE 100 191 291W 如果叶片不蒸腾 则全部热量将都用于H即Rn H LE H则H Rn 291 1300 tL 20 50 tL 291 50 1300 ta 11 2 20 31 2 如果此时土壤干旱无水供蒸腾 叶温将升高 31 2 23 9 7 3 重要结论 如农田作物叶片明显升温 说明农田已缺水了 需进行灌溉了 有所求数据和公式 2 植物的蒸腾系数 KT见书P98蒸腾作用所消耗的水分 通常用蒸腾系数KT来表示 蒸腾系数是指植物形成单位重量干物质所消耗的水量 KT是一个无量纲数 无单位 KT越大说明植物需水量越多 水分利用率越低 反之KT越小 表示植物需水量少 水分利用率越高 所以 缺水地区就要选KT值小的作物栽种 如何提高水分利用率 水利通过水资源的调度 输水 配水 灌水等环节 控制水的利用率 达到节水的目的 而农艺技术则通过解决土壤蒸发 植物对水分的吸收和蒸发散等 提高灌溉水的生产效率 因此 可考虑如何将节水工程技术体系与农艺技术体系有机结合 1 节水灌溉 适度发展喷灌和微灌技术 2 根据作物水分 养分 环境 生产力的关系 在工程节水技术的基础上 发展综合一体化农业管理节水技术 一是根据降雨时空分布特征 地下水资源 水利工程现状 通过合理调整作物布局和播期 增加需水与降水耦合性好的作物和耐旱 水分利用率高的作物品种 并确保作物生育期耗水与降水相耦合 提高作物对降水的有效利用 二是推行深耕蓄水和覆盖技术 三是增施有机肥 探索研究水肥耦合技术 四是引进推广作物节水高产的化学调控技术 3 Penman Monteith公式 三 农田蒸散 evaportranspiration 书P981 蒸散的定义 蒸散种类 ETP和ETa在农田中既有土壤蒸发又有植物叶片蒸腾 因此在农田中把蒸发加蒸腾一起叫蒸散 降水量 灌溉量 剩下的 蒸散量2 获得农田蒸散的方法 A公式计算法 B仪器测量法 图 4 3水汽凝结与大气降水 一水汽凝结水汽凝结 气态水变为液态水的过程 1 水汽凝结物水汽的凝结可产生于地表或地物上 也可产生于空气中 前者主要有露 霜 雾淞 雨淞等 后者主要有云和雾 2 水汽凝结的条件 1 空气中的水汽达到饱和与过饱和要满足这个条件 一是增加空气的水汽含量 使水汽压增大到饱和状态 二是使含有一定量水汽的空气冷却 使之达到露点 大气降温过程有下面四种 1 绝热冷却 2 辐射冷却 3 平流冷却 4 混合冷却2 凝结核凝结核主要起两个作用 一是对水汽的吸附作用 二是使形成的滴粒比单纯由水分子聚集而成的滴粒大得多 使之处于潮湿环境中 有利于水汽继续凝结 3 水汽的凝结现象 一 地表面的凝结现象1 露与霜霜与霜冻的区别入冬后第一次出现的霜日为初霜日 冬天过后最后一次出现的霜日为终霜日 自终霜日到初霜日的的持续期为无霜期 又叫生长期 露的形成机制露是近地层空气受到地面辐射冷却的影响而降温到露点以下 所含水汽的过饱和部分在地被物上凝结而成的液水 Monteith认为 露在开始形成时 并不需要周围空气的相对湿度达到100 91 99 即可 只要发生凝结现象的表面比它所接触的空气露点低 就有露形成 如图 勐仑稀疏矮草地测得的夜间近地层温度层结变化 从图可看出 日落后地表层气温下降很快 19 00 20cm以下已有较强的逆温形成 20 00 150cm以下均为逆温分布 且20cm以下逆温强度有所减弱 此时在20cm高的矮草上因叶温低于周围空气的露点 叶片上已有露水形成 20 30 随着露水凝结而释放潜热的增多 20cm以下逆温进一步消弱 且影响到上面的温度层结 随后温度层结基本不变 但近地层气温因水汽向上辐射失热而仍在下降 01 00前后 已有地面雾形成 且不断加厚变浓 露水与吐水的区别在天气现象的记录里 有时会把植物吐水误记为 露 露是水汽在地物上的凝结物 而吐水则是植物的一种生理现象 在初春或盛夏的日子里 植物生长得比较旺盛 根系也较为发达 到了夜间 气温下降 植物叶面收缩 水分蒸发减少 而根部所处土壤中温度下降较少 相对叶面来说 温度高 生理活动很活跃 吸收的水分较多 造成叶面的水压较大 把水分从叶尖或茎上挤出 由于外界气温较低 被挤出的水份不会马上蒸发掉 则留于叶尖 形成小水珠 即为吐水 露珠比较稠密 遍布植物周身 出现的面积大 特别是地温表和日照计上表现明显 而吐水的水珠比较稀疏 只限于植物茎部及叶尖上 不是所有的植物茎上或叶上都有 面积较小 在自然界里 地面物体上形成的冰晶和水滴并不都是霜和露 有一些貌似霜 露的现象 却是由其他气象条件造成的 例如 某地区原来温度较低 各种地面物体的温度也就较低 遇到天气急剧变暖 例如温度急升10 C 有些大而重的物体却不能一下子变得和周围的空气一样暖 这样 在空气和这些物体之间便形成一个比较大的温差 如果这时温度在0 C以下 便会在物体上形成冰晶 它叫做 硬凇 如果温度在0 C以上 便会在物体表面凝结成水滴 叫做 水凇 冬天玻璃窗上的 窗霜 和 呵水 的形成就与此相似 硬凇和水凇与霜 露都是由于空气和地面物体之间存在着温度差而形成的 但是 形成硬凇和水凇的温度差是由天气变暖而引起的 形成霜 露的温度差却是由于地面物体辐射冷却所引起的 所以 它们所反映的天气条件不同 附着的物体也不尽一样 它们是不同的天气现象 2 雨淞和雾凇雾凇是集聚在地面物体 树 电线杆等 迎风面上呈针状和粒状的一种白色疏松微小固体凝结物 雨淞是在0 以下由过冷却的雨滴或毛毛雨雨滴 在接触的物体表面形成的光滑而透明的冰层 雾淞 雨淞 初冬或冬末 有时会出现一种奇怪现象 从空中掉下来的液态雨滴落在树枝 电线或其它物体上时 会突然冻成一层外表光滑晶莹剔透的冰层 这就是 雨淞 这种滴雨成冰的现象是怎么回事呢 实际上这里的雨滴不是一般的雨滴 而是过冷雨滴 这种情形并不常见 多在冷暖空气交锋 而且暖空气势力较强的情况下才会发生 这是靠近地面一层的空气温度较低 稍低于摄氏零度 而其上又有温度高于摄氏零度的空气层或云层 再往上则是温度低于摄氏零度的云层 从这里掉下来的雪花通过暖层时融化成雨滴 接着当它进入靠近地面的冷气层时 雨滴便迅速冷却 由于这些雨滴的直径很小 温度虽然降到0 C以下 但还来不及冻结便掉了下来 当其接触到地面冷的物体时 就立即冻结 变成了我们所说的 雨淞 在有过冷却雾的时候 特别有利于冰晶在地面物体上增长 这时在电线上 树枝上形成了白色的冰花 叫做 雾凇 在有雾而温度又高于0 C的时候 雾滴沾附 汇聚在树叶或其他物体上 叫做 雾凝 这在森林中最常见 它们也都不是霜和露 因为形成的原因不同 二 空中凝结物空中凝结物主要有雾和云 1 雾悬浮在近地面空气中的大量水滴或冰晶 使水平能见度小于1 的物理现象称为雾 在近地面空气中悬浮大量极微小的干燥尘粒 烟粒 尘粒 使水平能见度小于1 的空气混浊现象称为霾 雾形成的条件取决于空气冷却过程 一般可分为辐射雾 平流雾 上坡雾 锋面雾等 由地面强烈辐射冷却形成的雾称为辐射雾 由暖湿空气平流到冷海面上而形成的雾称为平流雾 2 云云是空中凝结物 空气对流 锋面抬升 地形抬升等作用使空气上升到凝结高度时 就会形成云 云吃雾下 雾吃云晴 见到雾之后来了云 可能低气压要来临 是下雨的兆头 反之 如云消雾起 表示低气压已过 晴朗天气即将来临 云的演变能预示未来天气的变化 云是天气变化最明显 最直接的标志 云的形状 数量 移动 颜色 厚度以及出现方位等反映了大气的运动和水分状态 1 积状云积状云包括淡积云 浓积云和积雨云 洁白光亮 一丝一缕的叫 卷 弥漫大片 看不见边缘的叫 层 一堆堆 一团团的叫 积 2 层状云 包括卷云 卷层云 高层云和雨层云 3 波状云包括层积云 层云 高积云 和卷积云 层积云 层云 看云识天气 族属学名简写英文高云卷云CiCirrus云底高度卷积云CcCirro cumulus5000m以上卷层云CsCirro stratus中云高积云AcAlto cumulus云底高度高层云AsAlto stratus2500m 5000m低云积云CuCumulus云底高度积雨云CbCumulo nimbus2500m以下层积云ScStratus cumulus层云StStratus雨层云NsNimbo strarus 2 云的分类书P106表4 2 云遮蔽天空视野的成数称为云量 用0 10的份数表示 全球大致可分成以下三个云量带 1 赤道多云带 赤道地区气温高 水汽来源充沛 全年以上升气流为主 是全球的高云量带 平均云量为6 2 纬度20 30 少云带 全年以下沉气流为主 空气下沉绝热增温 十分干燥 是全球天空相对明净的少云带 平均云量为4 荒漠地带不足2 3 中纬度多云带 该带内气团活动频繁 冷暖空气常在此形成锋面 是全球的高云量带 平均云量为6 5 7 卷云 Cirrus层云 Stratus积云 Cumulus雨云 Nimbus卷云词头 Cirro 高云词头 Alto 积云词头 Cumulo 层云词头 Strato 雨云词头 Nimbo 云图 三 降水的时间变化1 降水强度单位时间内的降水量 称为降水强度 降水量是指降落到地面的雨 雪 霰等 未经蒸发 渗透流失而积聚在水平面上的水层厚度 以毫米 为单位 单位时间内降水量愈多 降水强度愈大 反之 则降水强度愈小 2 降水的日变化 1 大陆型 中纬度大陆气候条件下 降水特点有两个最大值 分别出现在午后和清晨 两个最小值 分别出现在夜间和午前 2 海洋型或海岸型 其特点是一天只有一个最大值 出现在清晨 最小值出现在午后 3 降水的季节变化降水季节变化因纬度 海陆位置 大气环流等因素而不同 1 赤道型 全年多雨 其中有两个高值与两个低值时期 春 秋分之后 降水量最多 冬 夏至之后 降水量出现低值 2 热带型 由于太阳在天顶的时间不像在赤道上间隔相等 随着纬度的增加 两段最多降水量时间逐渐接近 至回归线附近合并为一 3 副热带型副热带全年降水量只有有一个最高值 一个最低值 4 温带及高纬型内陆及东海岸以夏季对流雨为主 西海岸则以秋冬气旋雨为最重要 4 降水变率 用来表征降水量的变化程度 为各年降水量的距平数与多年平均降水量的百分比 距平数 平均数 100 降水变率大小 反映降水的稳定性或可靠性 一个地区降水量丰富 变率小 表明水资源利用价值高 降水变率愈大 表明降水愈不稳定