第五節(jié) 水分循環(huán)和水量平衡方程

1、第五節(jié) 水分循環(huán)和水量平衡方程一、水分循環(huán)（hydrological cycle）水覆蓋了地球表面約71的面積。全球水量大約14.1億km3。如果將這些水均勻地分布在地球表面，可以形成一個近3000m厚的水層。但是，這樣巨大的水量中98是人類不適用的海水，只有不足3是淡水。據(jù)專家推算，淡水總量為15.2億km3，如果將其均勻地分布在地球表面，水層厚度只有0.32m。（一）水分循環(huán)的定義水在太陽輻射作用下，由地球水陸表面蒸發(fā)變成水汽，水汽在上升和輸送過程中遇冷凝結(jié)成云，又以降水的形式返回地表，水分進行這種不斷的往復(fù)過程，叫做水分循環(huán)。（二）水分循環(huán)的種類自然界的水分循環(huán)分為水分大循環(huán)和水分小循環(huán)

2、。1、水分大循環(huán) 由海洋蒸發(fā)到大氣中的水汽，一部分被氣流帶至大陸上空，以凝結(jié)降水的形式降落地面。這些降水一部分蒸發(fā)回到大氣中，一部分形成地表遠流，流入河流，再以河川徑流的形式注入海洋，另一部分滲入土壤后，以地下水的形式注入海洋，使海洋失去的水分得到補償。這種海陸之間的水分循環(huán)，稱為大循環(huán)，又叫外循環(huán)。 水分大循環(huán)是指水從海洋以水汽形式隨大氣環(huán)流運送到大陸上空，凝結(jié)成降水，落到地面形成徑流，沿地表或地下流入海洋的過程。2、水分小循環(huán) 由海洋蒸發(fā)的水汽，上升到高空，凝結(jié)致雨，又降落到海洋上，或陸地蒸發(fā)的水汽，上升到高空，凝結(jié)致雨，又降落到陸地上，這種局部的水分循環(huán)，稱為小循環(huán)，又叫內(nèi)循環(huán)。 水分小

3、循環(huán)是指水在陸地蒸發(fā)到大氣中，凝結(jié)成各種形式的降水（雨、雪、霧、露、冰雹、霰等等）又落到地面的過程，或海洋中的水蒸發(fā)到海洋上空，降水后又落到海洋中的過程。二、水量平衡方程 根據(jù)長期觀測及物質(zhì)不滅定律，地球上的總水量大體上是不變的，因而地球上的水分總收入與總支出是平衡的，但在短時期內(nèi)，局部地區(qū)水分總收入與總支出則不一定相等，其收支差值造成了該地區(qū)該時段內(nèi)蓄水量的變化，這時水分收人應(yīng)等于水分支出與蓄水量變化。這就叫做水量平衡。水量平衡是水分循環(huán)過程的結(jié)果。 大陸上的水量平衡方程： 海洋上的水量平衡方程：上式中，E陸和E海分別是大陸和海洋的蒸發(fā)量；P陸和P海分別為大陸和海洋的降水量；R為徑流量；S陸

4、和S海分別為該時段內(nèi)大陸和海洋蓄水量的變化值。對于任意地區(qū)、任意時段，可以發(fā)現(xiàn)有時水分的收入大于支出，S為正值，即水分有盈余；有時水分收入小于支出，S為負值，即水分有虧損。但對大范圍地區(qū)，如整個大陸或整個海洋，多年平均的情況下，水分的盈余與虧損相抵后，剩余值極小?？陕远挥嫛Ｒ虼丝蓮乃科胶夥匠讨腥サ鬝項。大陸的多年平均水量平衡方程為： 海洋的多年平均水量平衡方程為：上式中， 和 分別為陸地和海洋的多年平均蒸發(fā)量； 和 分別為陸地和海洋的多年平均降水量； 為多年平均徑流量。全球的多年平均水量平衡方程為： 多年平均情況，地球上的總蒸發(fā)量與總降水量相等。整個地球上的水分總量大體上是恒等的。水量平衡

5、方程各分量的大小不是固定不變的，只要改變下墊面的構(gòu)造和特征，就能使水量平衡的各個分量發(fā)生變化。如大面積修建水庫，攔蓄洪水。使水面面積增大，地下水位提高，徑流量減少，蒸發(fā)隨之增大，改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然條件。又如大面積植樹造林可減少地表徑流，使蒸發(fā)量和土壤蓄水量相應(yīng)增大，從而起到涵養(yǎng)水源和保持水土的作用等。三、森林的水量平衡方程（一）森林對降水的重新分配 由于森林的存在，使到達林地的降水與空曠地有很大不同。到達林區(qū)的大氣降水要發(fā)生兩次再分配過程。 首先，大氣降水到達林冠作用層以后，一部分被林冠截留，一部分通過林冠空隙直接到達林地表面，被林冠截留的降水，一部分直接蒸發(fā)返回到大氣中；一部分順著枝條和樹

6、干流到林地表面，形成樹干逕流（莖流或干流），而大部分以水滴或雪團的形式從枝葉上滴落到林地表面，形成滴流，這是降水的第一次再分配過程。到達林地的降水，要發(fā)生第二次再分配。其中一部分向地下滲透；一部分沿地表逕流。在下滲部分中，一部分被土壤吸附，改變土壤含水量；一部分滲入到土壤中，通過地中而流出，成為土壤逕流；一部分滲透到深層去，形成地下逕流；再有一部分被土壤直接蒸發(fā)到大氣中，或由喬灌木、活地被物的根部吸收，通過蒸騰作用返回到大氣中。 林冠戴持降水的蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和森林植物蒸騰共同構(gòu)成森林蒸散量，林區(qū)降水主要消耗于森林的蒸散上。 林區(qū)的降水量為收入，森林蒸散量和林地逕流量的損失為支出，收支相抵后剩余

7、部分儲存在森林土壤中，引起土壤含水量的變化。（二）森林的水量平衡方程 根據(jù)物質(zhì)不滅定律，森林對水分的總收入應(yīng)該等于其總支出，這種水分收支在數(shù)量上的平衡關(guān)系就是森林的水量平衡方程。1、林冠層的水量平衡方程式中：Pf為大氣降水；Q為喬灌木根系吸水量；E1為林冠物理蒸發(fā)量；E1為林冠蒸騰量；rp為透過林冠直接到達林地的降水量； rf為樹干逕流量，S為植物體含水量的變化；q為林內(nèi)空氣水汽含量的變化。2、林地的水量平衡方程式中：E2為林地表面的物理蒸發(fā)；E2為林地表面的植物蒸騰；F1為地表逕流；F2為土壤逕流；f為地下逕流；w為土壤儲水量的變化。 土壤儲水量的變化項w的多年平均值可視為0。林內(nèi)空氣水汽含

8、量的變化q以及植物體含水量的變化S，根據(jù)觀測資料估算很小，可忽略不計。 林冠層的水量平衡方程和林地的水量平衡方程可簡化為： 3、森林的水量平衡方程 林冠層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。 林分狀況不同，森林水量平衡方程各分量的大小也不同，森林對水量平衡各分量都有一定影響。四、森林對降水的影響 林內(nèi)降水量由直接到達林地的降水量、從樹葉和大小枝條上滴下的降水量和樹干逕流三部分組成。林內(nèi)降水量在數(shù)值上等于林外降水量與林冠截留量之差。 林內(nèi)降水量的分布是不均勻的。離樹干愈遠，降水量愈大，在樹冠邊緣處達到最大，而根際周圍由于樹干逕流，降水量也比較大。林內(nèi)降水強度一般小

9、于林外，但林內(nèi)的降水時間較林外長。在降水期間，林冠層起著調(diào)節(jié)林內(nèi)降水的作用，這種作用主要表現(xiàn)在使峰值降低，降水強度減小，降水時間延長，林外降水停止以后，林內(nèi)還可以得到一部分降水。（一）森林對大氣垂直降水的影響 關(guān)于森林能否增加大氣垂直降水的問題，近百年來，世界各國許多學者都對這個問題進行過觀測和研究。目前尚未取得一致看法，概括起來主要有兩種觀點，一是森林能增加大氣的垂直降水；二是森林對大氣垂直降水沒有影響或影響甚微。1、森林能增加大氣的垂直降水持上述觀點的學者，根據(jù)林區(qū)降水量較鄰近無林地區(qū)大這一觀測事實，認為森林能增加大氣的垂直降水。理由如下：（1）林冠層不斷向上空蒸散大量水汽，使林區(qū)的濕度大

10、于無林地區(qū)，為降水提供了條件。（2）林區(qū)反射率小，吸收率大，為產(chǎn)生陣性降水提供了熱量。 （3）森林的存在使氣流被迫抬升，其高度可達幾百米、上千米，加強了空氣的垂直運動，促進林區(qū)濕空氣的冷卻和凝結(jié)。（4）森林使下墊面的粗糙度增大，森林上方亂流交換作用加強，使林木蒸騰的大量水汽迅速輸送到上空，促進降水。2、森林對大氣垂直降水沒有影響或影響甚微 其理由如下：（1）林木蒸騰使大氣增加的水汽量是很少的，美國林學家RLee從全球水量平衡估計森林對降水的影響時指出，全球森林增加的蒸發(fā)量只占全球總蒸發(fā)量的1.3。（2）林木蒸騰的水分不能增加林區(qū)及毗鄰地區(qū)的降水，因為水汽一但進人大氣，立即隨大氣環(huán)流，在幾小時之

11、內(nèi)，就到達數(shù)百公里之外，既不會在原地上空積聚，也不會在毗鄰地區(qū)停滯，即使停滯也必須具備降水的條件才能產(chǎn)生降水。降水就其形成原因可分為氣旋雨、對流雨、地形雨和臺風雨，而這些降水與森林的關(guān)系都不大。（3）森林是透風體，森林對氣流的抬升作用遠不如地形。 （4）實際觀測到的林區(qū)降水比毗鄰的無林地區(qū)多的原因，是由于地形和風的作用造成的。 風能影響雨量器對降水的接受量。風大時，雨滴降落的傾斜角增大，傾斜角愈大，雨量器接收的降水量愈少。林區(qū)的風通常較無林地區(qū)小，故雨量器接收的降水較無林地多。 森林多分布于山地，由于地形的抬升作用，使林區(qū)的降水增多。如果消去風和地形影響之后，森林對大氣垂直降水的影響就不顯著了

12、。森林只有在對流性降水和地形性降水的場合，略能增加降水量，也只不過增加1%左右，對于大規(guī)模的氣旋性降水，森林幾乎沒有影響。（二）森林對大氣水平降水的影響森林能增加水平降水，對這一點看法是一致的。在林區(qū)，林內(nèi)空氣濕度大，森林枝葉的總表面積大，夜間強烈輻射冷卻，往往產(chǎn)生較多的水汽凝結(jié)物，如霧、露、霜、霧淞等。森林的水平降水：森林中地面及低空產(chǎn)生的水汽凝結(jié)物。森林夜雨：在夏季午夜以后，林冠由于輻射冷卻作用不斷增強，森林中的濕空氣隨著氣溫的降低而趨于飽和，最后凝結(jié)成水滴，附在林木的枝葉上，氣溫不斷下降，凝結(jié)的水滴不斷增大、增多，最后象降水一樣降落，形成“森林夜雨”。早晨日出以后，溫度逐漸回升，凝結(jié)作用

13、停止，水滴開始蒸發(fā)，“夜雨”即告結(jié)束。在春秋季節(jié)，由于林區(qū)濕度大，加上夜間輻射冷卻強烈，往往多輻射霧。日出后，隨著溫度上升而逐漸消散。森林夜雨和輻射霧都使森林的水平降水增加。五、森林蒸散森林的物理蒸發(fā)與森林植物蒸騰二者之和稱為森林蒸散。它是由林地蒸發(fā)、林冠截持水分蒸發(fā)和森林植物蒸騰三部分組成。六、森林對逕流的影響沿地表或地下運動的水流，稱為逐流。按逕流的位置可分為地表逕流和地下逕流。地表逕流是指降水沿地表運動的水量。地下逕流是指土壤下滲的降水量在地下運動的水流，其中從地中流出的為土壤逕流，下滲到深層變成地下水的成分，又在切割深度比較大的河道中流出的為地下逕流。某一時段的逕流量（以毫米水深表示）與同期降水量之比，叫做逕流系數(shù)。顯然逕流系數(shù)是表示某一時段內(nèi)，降水量中有多少水量變?yōu)檗熈鞫a給河流。（一）森林可以減少地表逕流1、林冠使降水強度降低，雨水沖刷地面的力量減弱，因而形成的逕流較弱。2、林地上的死地被物層能吸收大量降水，從而使地表逕流減少。死地被物吸收水分的多少隨樹種組成而異，一般可達自身重量的40260，而山楊林下的死地被物最大吸水量可達其自身重量的3.16倍，油松林下的則為2.21倍，刺槐林死地被物約1.8倍?？葜β淙~轉(zhuǎn)變?yōu)楦迟|(zhì)以后，吸水量可達其自身重量的24倍。3、森林土壤疏松多孔，腐殖質(zhì)含量高，水分容易被吸收和滲透下