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水循環的數量表示在給定任意尺度的時域空間中,水的運動(包括相變)有連續性,在數量上保持著收支平衡。平衡的基本原理是質量守恆定律。水量平衡是水文現象和水文過程分析研究的基礎,也是水資源數量和質量計算及評價的依據。

1簡況

水量平衡

  水量平衡

水量平衡可與能量平衡結合起來進行研究,即水熱平衡的研究。它是現代自然地理學物質與能量交換研究的主要內容之一。水量平衡各要素組合特徵(它們的數量和對比關係)構成地理地帶劃分的物理背景,常用以劃分地理區域。因受人類活動影響而出現一系列的環境問題,多數與人們改變了水量平衡有關。

2研究

公元前,人類就有了水循環的觀念。17世紀時,隨著人們對降水量和河流流量的觀測增多,促進和加深了人類對水量平衡的認識。當時法國的E.馬略特確定了塞納河的年徑流少於年降水量的六分之一。此後,許多學者對全球水量平衡進行了多次計算。20世紀60年代以來,由於開發利用水資源的需要,已逐漸轉向對中小尺度區域,包括流域及國家範圍內的水量平衡研究。中國各地區水文和水資源的研究中,均包含有水量平衡各要素如降水、蒸發、徑流、地下水等和水量平衡的計算。

3方程式

水量平衡方程式  水量平衡方程式可由水量的收支情況來制定。系統中輸入的水(I)與輸出的水(O)之差就是該系統內的蓄水量(△S),其通式為:
I-O=±△S按系統的空間尺度,大可到全球,小至一個區域;也可從大氣層到地下水的任何層次,均可根據通式寫出不同的水量平衡方程式。
全球水量平衡方程式可寫為:
水量平衡

  水量平衡

式中c為大陸的降水量;為海洋的降水量;為大陸的蒸發量;為海洋的蒸發量。局部區域可理解為任意給定的空間,如河流、湖泊、冰雪等水體,各大小流域,山區、平原、盆地、農田、城鎮、森林、草場等各種自然土地和土地利用的不同地段。還有按自然和行政劃分的海洋區域。它們的區域界線可以是閉合的,也可以是非閉合的。從水量交換的角度也可把水量平衡的區域劃分為4個自然系統,並可相應列出水量平衡方程式。
大氣系統,其水量平衡方程式為:
Ai-+E-P=±△A
式中Ai和 分別為大氣層中除降水與蒸發以外的其他收入水量和支出水量;PE分別為降水量和蒸發量;△A為大氣系統中的蓄水量。
流域系統,其水量平衡方程式為:
P-R-E=±△S
式中流域蓄水量 (△S)為降水量(P)減去徑流量(R)和蒸發量(E)之差。
土壤系統,其水量平衡方程式為:
P+Cm-R+Si--E=±△W
式中Cm為土壤中的凝結水,Si為由地下水和壤中流形式進入土壤層的水;為由土壤層向下滲入地下水和壤中流形式流出土壤層的水;△W為土壤層中的蓄水量。
地下水系統,其水量平衡方程式為:
αP+Ui--Eu=±△U
式中 α為地下水的降水入滲補給係數;Eu為地下水上升經土壤到地面后的蒸發量;Ui為地下流入系統的水量;為地下流出系統的水量;△U為地下的蓄水量。
以上 4個系統的水量平衡可以相互結合列成聯立方程,用於水循環或水量交換的研究。對於特定區域、空間層或水體的水量平衡方程可視具體的條件列出。

4全球水量平衡

由大洋和大陸的水量平衡組成的全球水量平衡,是全球水循環
水量平衡

  水量平衡

的定量描述。這種描述從1905年開始以後,不同的學者提出的估算值都不相同(表1)。   從資料的系列和數量看,近期的估算值比較接近實際。全球的水量平衡要素中,大洋與大陸不同,前者蒸發量大於降水量,其差值作為大陸水體的來源,參加降水過程;後者則是降水量大於蒸發量,其差值為徑流量,成為大洋水量的收入項之一。在大洋多年平均的水量平衡中,出現了淡水平衡的概念,年平均大洋淡水平衡可用下式表示:
P+R-E=0
式中P為年降水量;R為大陸入海年徑流量;E為年蒸發量。在大洋的海冰中還包含著大量的淡水。大陸湖泊、水庫、地下水及大陸冰川的蓄水變化,均會導致海平面的升降,對地球的生態環境有重要意義。
大陸水量平衡各洲都不相同,降水量、蒸發量、徑流量、入海徑流量等收支情況見表(表2 )。

5中國水量平衡

與世界大陸相比,中國年降水量偏低,但年徑流係數均高,這是中國多山地形和季風氣候影響所致。中國內陸區域的降水和蒸發均比世界內陸區域的平均值低,其原因是中國內陸流域地處歐亞大陸的腹地,遠離海洋之故(表3 )。
水量平衡

  水量平衡

中國水量平衡要素組成的重要界線,是1200毫米年等降水量。年降水量大於1200毫米的地區,徑流量大於蒸散發量;反之,蒸散發量大於徑流量,中國除東南部分地區外,絕大多數地區都是蒸散發量大於徑流量。越向西北差異越大。水量平衡要素的相互關係還表明在徑流量大於蒸發量的地區,徑流與降水的相關性很高,蒸散發對水量平衡的組成影響甚小。在徑流量小於蒸發量的地區,蒸散發量則依降水而變化。這些規律可作為年徑流建立模型的依據。另外,中國平原區的水量平衡均為徑流量小於蒸發量,說明水循環過程以垂直方向的水量交換為主。
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