水分循环和水量平衡方程

1、7 / 5第五节水分循环和水量平衡方程一、水分循环（ hydrological cycle）水覆盖了地球表面约71%的面积。全球水量大约14.1亿km3。如果将这些水均匀地分布在地球表面，可以形成一个近3000m厚的水层。但是，这样巨大的水量中98%是人类不适用的海水，只有不足 3%是淡水。据专家推算，淡水总量为15.2亿km3，如果将其均匀地分布在地球表面，水层厚度只有0.32m。（一）水分循环的定义水在太阳辐射作用下，由地球水陆表面蒸发 变成水汽，水汽在上升和输送过程中遇冷凝结成 云，又以降水的形式返回地表，水分进行这种不断的往复过程，叫做水分循环。（二）水分循环的种类自然界的水分循环分为

2、水分大循环和水分 小循环。1水分大循环由海洋蒸发到大气中的水汽， 一部分被气流 带至大陆上空，以凝结降水的形式降落地面。这 些降水一部分蒸发回到大气中，一部分形成地表 远流，流入河流，再以河川径流的形式注入海洋， 另一部分渗入土壤后， 以地下水的形式注入海洋， 间的水分循环，称为大循环，又叫外循环。水分大、小循环示盘使海洋失去的水分得到补偿。这种海陆之水分大循环是指水从海洋以水汽形式随大气环流运送到大陆上空，凝结成降水，落到地面形成径流，沿地表或地下流入海洋的过程。2、水分小循环由海洋蒸发的水汽，上升到高空，凝结致雨，又降落到海洋上，或陆地蒸发的水汽，上 升到高空，凝结致雨，又降落到陆地上，这

3、种局部的水分循环，称为小循环，又叫内循环。水分小循环是指水在陆地蒸发到大气中，凝结成各种形式的降水（雨、雪、雾、露、冰 雹、霰等等）又落到地面的过程，或海洋中的水蒸发到海洋上空，降水后又落到海洋中的过程。、水量平衡方程根据长期观测及物质不灭定律，地球上的总水量大体上是不变的，因而地球上的水分总收入与总支出是平衡的， 但在短时期内，局部地区水分总收入与总支出则不一定相等，其收支差值造成了该地区该时段内蓄水量的变化，这时水分收人应等于水分支出与蓄水量变化。 这就叫做水量平衡。水量平衡是水分循环过程的结果。大陆上的水量平衡方程:f=p击一 R S击海洋上的水量平衡方程：E=P海一 R Sg上式中，E

4、陆和E海分别是大陆和海洋的蒸发量；海击和海海分别为大陆海海洋的降水量；R为径流量； S陆和S海分别为该时段内大陆和海洋蓄水量的变化值。对于任意地区、任意时段，可以发现有时水分的收入大于支出，S为正值，即水分有盈余；有时水分收入小于支出，S为负值，即水分有亏损。但对大范围地区，如整个大陆或整个海洋，多年平均的情况下，水分的盈余与亏损相抵后，剩余值极小。可略而不计。因 此可从水量平衡方程中去掉 S项。大陆的多年平均水量平衡方程为：和巨击分别为陆地和海洋海洋的多年平均水量平衡方程为:上式中， E和 E分别为陆地和海洋的多年平均蒸发量; 匚陆E海的多年平均降水量；为多年平均径流量。全球的多年平均水量平

5、衡方程为：E陆 E海一丘击+ P海多年平均情况，地球上的总蒸发量与总降水量相等。整个地球上的水分总量大体上是恒等的。水量平衡方程各分量的大小不是固定不变的，只要改变下垫面的构造和特征，就能使水量平衡的各个分量发生变化。如大面积修建水库，拦蓄洪水。使水面面积增大，地下水位提高，径流量减少，蒸发随之增大，改善了农业生产的自然条件。又如大面积植树造林可减少 地表径流，使蒸发量和土壤蓄水量相应增大，从而起到涵养水源和保持水土的作用等。三、森林的水量平衡方程（一）森林对降水的重新分配由于森林的存在，使到达林地的降水与空旷地有很大不同。到达林区的大气降水要发 生两次再分配过程。首先，大气降水到达林冠作用层

6、以后，一部分被林冠截留，一部分通过林冠空隙直接到 达林地表面，被林冠截留的降水，一部分直接蒸发返回到大气中；一部分顺着枝条和树干流到林地表面，形成树干迳流（茎流或干流），而大部分以水滴或雪团的形式从枝叶上滴落到 林地表面，形成滴流，这是降水的第一次再分配过程。到达林地的降水，要发生第二次再分配。其中一部分向地下渗透；一部分沿地表迳流。 在下渗部分中，一部分被土壤吸附，改变土壤含水量；一部分渗入到土壤中，通过地中而流 出，成为土壤迳流；一部分渗透到深层去，形成地下迳流；再有一部分被土壤直接蒸发到大 气中，或由乔灌木、活地被物的根部吸收，通过蒸腾作用返回到大气中。林冠戴持降水的蒸发、土壤蒸发和森林

7、植物蒸腾共同构成森林蒸散量，林区降水主要消耗于森林的蒸散上。林区的降水量为收入，森林蒸散量和林地迳流量的损失为支出，收支相抵后剩余部分储存在森林土壤中，引起土壤含水量的变化。（二）森林的水量平衡方程根据物质不灭定律，森林对水分的总收入应该等于其总支出，这种水分收支在数量上的平衡关系就是森林的水量平衡方程。i林冠层的水量平衡方程P Q（E<E1'） rp rr S q式中：Pf为大气降水；Q为乔灌木根系吸水量；E1为林冠物理蒸发量；E1 '为林冠蒸腾量； rp为透过林冠直接到达林地的降水量；rf为树干迳流量， S为植物体含水量的变化； q为林内空气水汽含量的变化。2、林地的

8、水量平衡方程rp"=乍2讣2)+ (尺仃2)十 f + Q+£ 式中：E2为林地表面的物理蒸发； E2为林地表面的植物蒸腾； Fl为地表迳流；F2为土壤 迳流；f为地下迳流； w为土壤储水量的变化。土壤储水量的变化项 w的多年平均值可视为 0。林内空气水汽含量的变化 q以及植 物体含水量的变化 S,根据观测资料估算很小，可忽略不计。林冠层的水量平衡方程和林地的水量平衡方程可简化为：Pf Q = (EE；) rp “rp + n = (E2+E2)+(R+F2)+ f+Q3、森林的水量平衡方程林冠层的水量平衡方程和林地的水量平衡方程相加，即可得到森林的水量平衡方程。Pf =(

9、Ei+E；) + (E2+E2)+(Fi + F2)+ f林分状况不同，森林水量平衡方程各分量的大小也不同，森林对水量平衡各分量都有一定影响。四、森林对降水的影响林内降水量由直接到达林地的降水量、从树叶和大小枝条上滴下的降水量和树干迳流三部分组成。林内降水量在数值上等于林外降水量与林冠截留量之差。林内降水量的分布是不均匀的。离树干愈远，降水量愈大，在树冠边缘处达到最大，而根际周围由于树干迳流， 降水量也比较大。林内降水强度一般小于林外，但林内的降水时间较林外长。在降水期间，林冠层起着调节林内降水的作用，这种作用主要表现在使峰值降低，降水强度减小，降水时间延长，林外降水停止以后，林内还可以得到一

10、部分降水。(一)森林对大气垂直降水的影响关于森林能否增加大气垂直降水的问题，近百年来，世界各国许多学者都对这个问题进行过观测和研究。目前尚未取得一致看法， 概括起来主要有两种观点， 一是森林能增加大气 的垂直降水；二是森林对大气垂直降水没有影响或影响甚微。1、森林能增加大气的垂直降水持上述观点的学者，根据林区降水量较邻近无林地区大这一观测事实，认为森林能增加大气的垂直降水。理由如下：(1) 林冠层不断向上空蒸散大量水汽，使林区的湿度大于无林地区，为降水提供了条件。(2) 林区反射率小，吸收率大，为产生阵性降水提供了热量。(3) 森林的存在使气流被迫抬升，其高度可达几百米、上千米，加强了空气的垂

11、直运动， 促进林区湿空气的冷却和凝结。(4) 森林使下垫面的粗糙度增大，森林上方乱流交换作用加强，使林木蒸腾的大量水汽迅 速输送到上空，促进降水。2、森林对大气垂直降水没有影响或影响甚微其理由如下：(1) 林木蒸腾使大气增加的水汽量是很少的，美国林学家R- Lee从全球水量平衡估计森林对降水的影响时指出，全球森林增加的蒸发量只占全球总蒸发量的1.3 。(2) 林木蒸腾的水分不能增加林区及毗邻地区的降水，因为水汽一但进人大气，立即随大 气环流，在几小时之内， 就到达数百公里之外，既不会在原地上空积聚，也不会在毗邻地区 停滞， 即使停滞也必须具备降水的条件才能产生降水。 降水就其形成原因可分为气旋

12、雨、 对 流雨、地形雨和台风雨，而这些降水与森林的关系都不大。(3) 森林是透风体，森林对气流的抬升作用远不如地形。(4) 实际观测到的林区降水比毗邻的无林地区多的原因，是由于地形和风的作用造成的。风能影响雨量器对降水的接受量。风大时，雨滴降落的倾斜角增大，倾斜角愈大，雨量器接收的降水量愈少。林区的风通常较无林地区小，故雨量器接收的降水较无林地多。森林多分布于山地，由于地形的抬升作用，使林区的降水增多。 如果消去风和地形影响之后，森林对大气垂直降水的影响就不显著了。森林只有在对 流性降水和地形性降水的场合，略能增加降水量，也只不过增加1%左右，对于大规模的气旋性降水，森林几乎没有影响。(二)森

13、林对大气水平降水的影响森林能增加水平降水，对这一点看法是一致的。在林区，林内空气湿度大，森林枝叶的总表面积大，夜间强烈辐射冷却，往往产生较 多的水汽凝结物，如雾、露、霜、雾淞等。森林的水平降水：森林中地面及低空产生的水汽凝结物。 森林夜雨：在夏季午夜以后，林冠由于辐射冷却作用不断增强，森林中的湿空气随着 气温的降低而趋于饱和， 最后凝结成水滴，附在林木的枝叶上，气温不断下降，凝结的水滴 不断增大、 增多， 最后象降水一样降落， 形成 “森林夜雨” 。早晨日出以后， 温度逐渐回升， 凝结作用停止，水滴开始蒸发，“夜雨”即告结束。在春秋季节，由于林区湿度大，加上夜间辐射冷却强烈，往往多辐射雾。日出

14、后，随 着温度上升而逐渐消散。森林夜雨和辐射雾都使森林的水平降水增加。五、森林蒸散森林的物理蒸发与森林植物蒸腾二者之和称为森林蒸散。它是由林地蒸发、林冠截持 水分蒸发和森林植物蒸腾三部分组成。六、森林对迳流的影响沿地表或地下运动的水流，称为逐流。按迳流的位置可分为地表迳流和地下迳流。 地表迳流是指降水沿地表运动的水量。地下迳流是指土壤下渗的降水量在地下运动的水流，其中从地中流出的为土壤迳流， 下渗到深层变成地下水的成分，又在切割深度比较大的河道中流出的为地下迳流。某一时段的迳流量(以毫米水深表示)与同期降水量之比，叫做迳流系数。显然迳流 系数是表示某一时段内，降水量中有多少水量变为迳流而补给河流。(一)森林可以减少地表迳流1、林冠使降水强度降低，雨水冲刷地面的力量减弱，因而形成的迳流较弱。2、林地上的死地被物层能吸收大量降水，从而使地表迳流减少。死地被物吸收水分的多少随树种组成而异，一般可达自身重量的40260，而山杨林下的死地被物最大吸水量可达其自身重量的 3.16 倍，油松林下的则为 2.21 倍，刺槐林死地被物约 1.8 倍。枯枝落叶 转变为腐殖质以后，吸水量可达其自身重量的24 倍。3、森林土壤疏松多孔，腐殖质含量高，水分容