地球上的水循环与水量平衡.ppt

第一节地球上的水资源及其分布第二节地球上的水循环第三节地球上的水量平衡第四节水循环的基本环节 第一章地球上的水循环和水量平衡 1 第一节地球上的水资源及其分布 1 1水圈1 2地球系统中水的组成1 3地球系统中水的储量和分布1 4地球上的水资源1 5小结 2 地球表面约有71 的面积被水覆盖 据估算 地球上总水量约13 86亿km3 如果把海洋中所有的水均匀地铺盖在地球表面 地球表面就会形成一个厚度约2700m的水圈 1 1水圈 水圈 Hydrosphere 指地球上的所有水体 包括海洋 河流 湖泊 沼泽 冰川 地下水和大气水等 共同构成的一个连续而不规则的圈层 3 连续性 通过水分循环 地球上各水体相互联系起来而形成统一连续的圈层 不规则性 分布不均 有固 液 气三态 有海洋水与陆地水的差异 有大气水 地面水 地下水和生物水四大水体的不同 水圈的主体是海洋 海洋水占地球总水量的96 5 而且在大气圈 地表面和地下内部也不均匀 4 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 1 2地球系统中水的组成 5 地球的总储水量约13 86亿km3 其中海水约13 38亿km3 占全球总水量的96 53 余下的水量中地表水占1 77 地下水占1 70 1 3地球系统中水的储量和分布 6 人类可利用的淡水量约为0 35亿km3 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0 24亿km3 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 7 8 9 1 4地球上的水资源 一 水资源概念 二 水资源特性 三 世界上的水资源 四 中国的水资源及其特征 10 1 4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 11 三 世界上的水资源 以多年平均径流量表示 包括南极冰川在内 世界各大洲陆地年径流总量为4 68万km3 从各大洲水资源的分布来看 年径流量亚洲最多 其次为南美洲 北美洲 非洲 欧洲 大洋洲 从人均径流量的角度看 全世界河流径流总量按人平均 每人约合10000立方米 在各大洲中 大洋洲人均径流量最多 其次为南美洲 北美洲 非洲 欧洲 亚洲 最能反映水资源数量和特征的是 年降水量和河流的年均径流量 世界各国通常采用多年平均径流量表示水资源量 P112 12 我国多年平均淡水资源总量为2 8万亿m3 占世界总量的6 左右 仅次于巴西 原苏联 加拿大 居世界第四位 但人均占有量只有2300立方米 约为世界人均水平的1 4 世界排名121位 是世界上13个人均水资源贫乏国家之一 四 我国的水资源及其特征 1 水资源总量 13 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 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 14 一 分布广泛 形式多样 地球上的水 以液态 固态和气态三种形式存在于地表 地下和空中 形成了海洋水 河流水 湖泊水 沼泽水 冰川水 地下水和大气水等各种水体 二 地球上的水 在空间上分布是很不均匀的 三 地球上的水储量丰富 但是淡水所占比重小 数量极其有限 1 5小结 地球上水的分布特点 15 第二节地球上的水循环 2 1水的奇异的物理性质2 2水循环及其成因2 3水循环的模式和类型2 4水循环的影响因素2 5水循环对地理环境的影响2 6水体的更替周期 16 一 水的密度 1 水的密度在4 C时最大 为1kg L 2 当水的温度从0 C上升到4 C时 水的密度随温度的升高而增大 0 4 热缩冷胀 4 时 热胀冷缩 3 0 C的冰的密度比0 C的液态水的密度减小10 水变成冰体积膨胀 1 标准大气压下 纯水的冻结温度为0 C 沸点为100 C 2 水的比热不仅比其他液体和固体大 而且随温度呈奇异变化 即在30 C时 水的比热最小 二 水的冰点和沸点 H20 2 1水的奇异物理属性 17 三 水的传热性 四 水的表面张力 五 水的压缩率 水的传热性比其他液体小 水的表面张力特别大 水对一般固体的附着力大于内聚力 所以水能够很容易的润滑固体 水几乎是不可以压缩的 18 水循环 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 蒸发 降水 径流3个阶段水分蒸发 水汽输送 凝结降水 水分下渗 径流5个环节 19 内因 水的物理特性 外因 太阳辐射和地心引力 水循环 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 水循环发生的原因 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 20 一 大循环 又称外循环或全球水分循环 是指发生于海洋与陆地之间的水分交换过程 1 循环活动的范围大 循环运动中包括水汽蒸发 水汽输送 凝结降水 水分下渗和水的流动 径流 5个过程 2 水分在循环过程中既有垂向交换 又有横向交换 2 3水循环的模式和类型 特点 21 海洋 水汽输送 基岩 海洋小循环 海陆间大循环 陆地小循环 22 二 小循环 又称内循环或局部水循环 是指发生在海洋与大气之间或陆地与大气之间局部地区的水分交换过程 1 陆地小循环 2 海洋小循环 23 1 陆地小循环 指从陆地表面蒸发的水汽或海洋输向内陆的水汽 在陆地上空凝结 然后再降落到陆地表面所构成的局部地区的水分循环 特点 1 循环比较复杂 从水汽来源看 既有陆面自身蒸发的水汽 也有来自海洋的水汽 2 从循环的强度来看 地区差别较大 具有自海洋向内陆深处逐步递减的趋势 1 外流区小循环 2 内流区小循环 24 2 海洋小循环 又称海上内循环 它是指从海洋表面蒸发的水汽 在海洋上空凝结 然后再降落到海洋表面所构成的局部地区的水分循环 特点 循环比较简单 只包括水分蒸发和降水两大环节 即水分在循环过程中只有垂直交换 25 二 小循环 无论是海洋小循环还是陆地小循环 其共同的特点是活动范围小 循环运动中可能缺少某些环节 26 1 在自然界当中 这几种循环并不是独立存在的 2 地球上的水循环 实际上是由一系列的既紧密联系 相互影响 又相对独立的大小循环组成 3 地球上的水圈是一个动态的系统 三 小结 2 3水循环的模式和类型 27 一 气象因素 温度 风速 风向 湿度等 二 自然地理条件 地形地貌 地质构造 土壤和植被情况等 三 人类活动 水利措施和农业措施等 四 地理位置 2 4水循环的影响因素 气象因素是主导 28 2 5水循环对地理环境的影响 一 水分循环将地球上的四大圈层联系在一起 二 水分循环是海洋与陆地之间相互联系的主要纽带 三 地球上的水分循环 不仅是巨大的物质流 也是巨大的能量流 是具有全球意义的能量的传递 输送者 四 由于水分循环 水才能周而复始地被重复利用 成为可再生资源 29 2 6水体的更新周期 一 概念 水体在参与水文循环过程中 全部水量被交替更新一次所需的时间 T 更新周期 W 水体总储水量 W 水体年平均参与水循环量 水体的更新周期是反映水循环强度的重要指标 也是反映水体水资源可利用率的基本参数 30 二 地球系统中水的更新速度 地球的总储水量约13 8亿km3 但平均每年只有57 7万km3的水参与水文循环 按此速度 地球上全部的水量都参与循环一次 或者说全部水量更新一次 大约需要2400年 地球上各种水体中水的更新时间 31 第三节地球上的水量平衡 3 1水量平衡原理 3 2水量平衡方程 一 通用水量平衡方程 二 流域水量平衡方程 三 全球水量平衡方程 32 水量平衡 Waterbalance 是指任意区域 或水体 在任意时段内 其收入水量与支出水量的差额 等于储水量的变化量 3 1水量平衡原理 研究对象 全球 某区 流 域 某单元水体 如河段 湖泊 沼泽 海洋等 研究时段 分钟 小时 日 月 年 更长的尺度 33 3 1水量平衡原理 研究意义 水量平衡是自然界的一条基本规律 它是现代水文学的理论基础之一 是研究各种水文要素之间数量关系的基本原理 也是水资源量估算的基本出发点 在水文和水资源研究中得到广泛应用 研究水量平衡的意义 在于它可以定量揭示水循环与自然地理环境和人类社会的关系 反映水文要素之间的数量关系 检验水文观测结果的合理性 为建立水文模型提供理论基础 为区域水资源合理开发利用提供理论基础 34 WI WO WS 式中 WI 给定时段内进入系统的水量 WO 给定时段内从系统中输出的水量 WS 给定时段内系统中蓄水量的变化量 时段内进入系统的水量是系统 收入 水量 时段内从系统输出的水量是系统 支出 的水量 时段内系统中蓄水量的变化量是系统 库存 水量的变化 所以 该式实际上也就是系统的水量收支平衡关系式 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 就某一系统来说 水量收入和支出差额等于该系统的储水量的变化量 3 2水量平衡方程 一 通用水量平衡方程式 35 设想沿某地区边界做一垂直的柱体 以地表作为柱体的上界 地面以下无水分交换的深度作为下界 该柱体在任一时段内水量 P E1 R表入 R下入 E2 R表出 R下出 q W末 W初 即 P E2 E1 R表出 R表入 R下出 R下入 q W末 W初 降水量 P 地表水汽凝结量 E1 地表水流入量 R表入 地下水流入量 R下入 柱体内的蒸发量 E2 地表水流出量 R表出 地下水流出量 R下出 工农业及生活净用水量 q 如果该柱体在研究时段始末的蓄水量分别为W初和W末 则该柱体在任一时段内的水量平衡方程可写为 收入项有 支出项有 36 二 流域的水量平衡方程 如果所研究的区域是一个闭合流域 即外流域的地表水或地下水不会流入该流域 该流域的地下水也不会从地下流到外流域 而是全部注入河流 与地表水一起流出流域 这样 通用的水量平衡方程式当中的R表入 0 R下入 0 则 P E2 E1 R表出 0 R下出 0 W末 W初 即 P E2 E1 R表出 R下出 W末 W初 R R表出 R下出 W末 W初 S P E R S 流域任一时段的水量平衡方程 流域多年平均的水量平衡方程 37 中国主要河流流域多年水量平衡值 R0 E0 P0 多年平均径流系数 多年平均蒸发系数 38 三 全球的水量平衡方程式 陆地的水量平衡方程 海洋的水量平衡方程 P陆 E陆 R S陆 P海 E海 R S海 式中 S陆 S海为研究时期内陆地和海洋蓄水量的变化量 R为由陆地经地面和地下入海的径流量 陆地和海洋多年平均的水量平衡方程为 全球的水量平衡方程 39 复习与思考题1 试述水分循环的成因及其影响因素 2 绘图说明水分循环的类型模式及其特点 3 试述水分循环的作用与效应 4 试写出闭合流域的水量平衡方程 并说明其含义 40 第四节水循环的基本环节 4 1蒸发与散发4 2水汽扩散与输送4 3降水4 4下渗4 5径流 41 蒸散发 水在有水分子的物理表面上由液态或固态转化为气态向大气逸散的现象 蒸散发是水循环的重要环节 是海洋与陆地上的水返回大气的唯一途径 陆地上约60 的降水消耗于蒸散发 对陆地水来讲 蒸散发是降水转变为径流过程中的一项主要损失 4 1蒸发与散发 Evapotrasnspiration 据蒸发面不同分 水面蒸发 土壤蒸发和植物散发 42 一 水面蒸发 二 土壤蒸发 三 植物散发 四 区域蒸散发 物理过程影响因素确定方法 4 1蒸发与散发 43 一 水面蒸发 蒸发与凝结同时进行 1 水面蒸发的物理过程 1 从分子运动观点看 水面蒸发可视为水体与大气之间界面上的分子交换现象 2 从能态理论看 水分子具有一定的动能 动能大的分子先逸出水面 使水面动能减小 温度降低 44 2 水面 蒸发的控制条件 蒸发面储存的水分多少 蒸发面上水分子获得的能量多少 蒸发面上空水汽输送的速度 扩散 对流 风 水面蒸发 供水条件 供能条件 动力条件 45 内因 水体因素 外因 气象因素 水面蒸发 外因 太阳辐射 水面温度 水汽压差 气温 湿度 气压和风速等 3 水面蒸发的影响因素 内因 水面大小和形状 水深 水质等 46 太阳辐射 自然界水的汽化所需要的热能主要来自于太阳辐射 蒸发强弱与太阳辐射强弱密切相关 太阳辐射越强烈 所提供的热能越多 蒸发面温度越高 从水面逸出的水分子就越多 蒸发就越强烈 太阳辐射随纬度变化而有差异 并有强烈的季节变化和昼夜变化 因此 水面蒸发也呈现强烈的时空变化特性 图 47 器测法 20cm口径蒸发器 80cm口径套盆蒸发器 E601蒸发器 20m2和100m2的大型蒸发池 由于蒸发器受到自身结构和周围气候的影响 水热条件与天然条件有所差异 故观测的蒸发量必需要通过折算转化成天然水面的蒸发量 折算系数与蒸发器类型 自然环境 季节变化等因素有关 实际工作中 应根据当地实测资料分析 4 水面蒸发的确定方法器测法 理论模型法 经验公式法 水量平衡法 48 土壤蒸发过程示意图 二 土壤蒸发 土壤空隙中的水分离开土壤表面向大气逸散的现象 根据土壤供水条件差别及蒸发率的变化 分三个阶段 1 定常蒸发率阶段 2 蒸发率下降阶段 3 蒸发率微弱阶段 49 二 土壤蒸发 1 定常蒸发率阶段 土壤含水量大于田间持水量 蒸发速度快 蒸发率相对稳定 蒸发量大小主要受气象条件影响 2 蒸发率下降阶段 土壤含水量降至田间持水量以下时 蒸发率明显下降 蒸发量随之减小 直至毛管断裂含水量 蒸发量主要受土壤含水量的影响和控制 3 蒸发率微弱阶段 土壤含水量降至毛管断裂含水量以下时 土壤通过毛管作用向土壤表面输