第五节水分循环和水量平衡方程.doc

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，使海洋失去的水分得到补偿。这种海陆之间的水分循环，称为大循环，又叫外循环。 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。二、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： 海洋上的水量平衡方程：上式中，E陆和E海分别是大陆和海洋的蒸发量；P陆和P海分别为大陆和海洋的降水量；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： 海洋的多年平均水量平衡方程为:上式中， 和 分别为陆地和海洋的多年平均蒸发量； 和 分别为陆地和海洋的多年平均降水量; 为多年平均径流量。全球的多年平均水量平衡方程为： 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。1、林冠层的水量平衡方程式中：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、林地的水量平衡方程式中：E2为林地表面的物理蒸发；E2为林地表面的植物蒸腾;F1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： 3、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. 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RLee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,水分容易被吸收和渗透下去。4、地表迳流受树干、下木、活地被物的阻挡,流动缓慢，更有利于被土壤吸收和渗透下去，使地表迳流大部分转变为地下迳流。5、春季林内融雪林内较林外晚，且一般比较缓慢，融雪后的雪水容易被土壤吸收和渗透下去,使地表迳流减少。因此，森林的存在可减少地表迳流。（二）森林对河川迳流的影响森林不仅能减少地表迳流，而且对河川迳流也有一定影响。由于森林有较大的持水能力和蒸散量，从而使河川中的迳流不至猛涨猛落,削弱了洪峰,减弱了迳流速度,延长了迳流时间。