- 水資源學教程(第二版)
- 鄭州大學 左其亭 竇明 馬軍霞
- 4365字
- 2021-11-05 20:04:20
第一節 水循環過程及水資源形成
水循環是聯系大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈相互作用的紐帶,形成自然界千差萬別的水文現象,是水資源形成的基礎。也正是由于水循環作用,使水處在永無止境的循環之中,使水成為一種可再生的資源。人類活動對自然界的改造(如城市化建設、土地開發利用),在一定程度上改變了水循環過程,進而影響到了水循環過程和水資源形成特征。因此,學習水資源形成過程需要從認識水循環開始。
一、對水循環的認識
水循環(water cycle),是指地球上各種形態的水,在太陽輻射、地心引力等作用下,通過蒸發、水汽輸送、凝結降水、下滲以及徑流等環節,不斷地發生相態轉換和周而復始運動的過程。自然界的水循環是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶,是自然環境中發展演變最活躍的因素,并形成了地球上的淡水資源。全球水循環時刻都在進行著,它發生的領域有:海洋與陸地之間,陸地與陸地之間,海洋與海洋之間。水循環示意如圖3-1所示。
海陸間水循環,是指海洋水與陸地水之間通過一系列的過程所進行的相互轉化。具體過程是:廣闊海洋表面的水經過蒸發變成水汽,水汽上升到空中隨著氣流運動,被輸送到大陸上空,其中一部分水汽在適當的條件下凝結,形成降水。降落到地面的水,一部分沿地面流動形成地表徑流;一部分滲入地下,形成地下徑流。二者經過江河匯集,最后又回到海洋。這種海陸間的水循環又稱大循環。通過這種循環運動,陸地上的水就不斷地得到補充,水資源得以再生。
降落到陸地上的水,其中一部分或全部(指內流區域)通過陸地、水面蒸發和植物蒸騰形成水汽,被氣流帶到上空,又冷卻凝結形成降水,仍降落到陸地上,這就是內陸水循環。
海上內循環,就是海洋面上的水蒸發成水汽,進入大氣后在海洋上空凝結,形成降水,又降落到海面。
圖3-1 水循環示意圖[1]
傳統意義上的水循環是指自然界中通過蒸發、水汽輸送、凝結降水、下滲以及徑流等環節形成的水循環,稱為自然水循環。實際上,水循環還受人類活動(如水庫蓄水、大壩攔水、調水、引用水等)的影響,且隨著人類活動的加劇這種影響越來越嚴重。為了便于與前者區分把有人類活動影響或參與的部分水循環過程稱為社會水循環。
二、自然水循環過程及水資源形成
自然界的水循環一般包含蒸發、水汽輸送、凝結降水、下滲以及徑流等環節。本書所指的蒸發包括水面蒸發、陸地蒸發、植物蒸騰。
1.蒸發
蒸發是水分通過熱能交換從固態或液態轉換為氣態的過程,是水分從地球地面和水體進入大氣的過程[2]。蒸發過程是水循環的重要環節,陸地上年降水量的66%是通過蒸發(包括蒸騰)返回大氣的。
影響蒸發的因素很多,首先它取決于熱能的供應(如太陽輻射),蒸發1g水約需2.5kJ熱量。其次,它必須有水汽運動機制,主要取決于水汽梯度。另外,還受水溫、氣溫、風、氣壓、太陽輻射等氣象因素的影響。這些因素綜合作用影響著蒸發過程及蒸發量大小,因此,計算蒸發量不是一件易事。盡管如此,還有很多方法可以測定或計算蒸發量,主要包括:器測法、經驗公式法、微氣象學方法(如能量平衡法,空氣動力學法,能量平衡-空氣動力學法)和遙感法等。
2.水汽輸送
水汽輸送,是指大氣中的水汽由氣流攜帶著從一個地區上空輸送到另一個地區的過程。它揭示了一個地區上空水汽輸送的源地、路徑、強度、場的結構以及它們隨時間的變化[3]。
陸地和海洋表面的水經蒸發后,如果不經過水汽輸送就只能降落到原地,不會形成地區間或全球水循環。而實際上,蒸發返回大氣中的水分通過水汽輸送可能會降落到其他地方,增加了水循環的復雜性和多樣性。
大氣中的水汽含量雖然只占全球水循環系統中總水量的1.53%,但卻是全球水循環過程中最活躍的成分。全球大氣水更新一次平均只需8天,即一年中大氣中的水汽可更新45次,其更新速度遠快于其他任何水體。正是由于大氣中的水汽如此活躍的更新和輸送,才實現了全球各水體間的水量連續轉換和更新[3]。
3.降水
降水是水汽在大氣層中微小顆粒周圍進行凝結,形成雨滴,再降落到地面的過程。因此,降水主要來自于大氣中的云。但有云并不一定能形成降水,因為云滴的體積很小,不能克服空氣的阻力和上升氣流的頂托。只有當云滴增長為雨滴并足以克服空氣阻力和上升氣流的頂托時,在降落至地面的過程中才不致被蒸發掉時,降水才能形成[3]。
降水是水循環中一個十分重要的過程,自然界中的水資源或能被人類所利用的水資源均來自于大氣的降水。因此,人們在計算水資源量時,常常把降水量看作是一個地區或流域的“廣義水資源量”。
4.下滲
降落到地面上的水并不是都能形成徑流,可能有一部分水被蒸發掉,一部分下滲到地面以下,只有一部分會變成徑流。下滲是地下徑流和地下水形成的重要過程,它不僅直接決定著地面徑流量的大小,同時也影響著土壤水分的增長和地下徑流的形成。下滲的物理過程分為滲潤、滲漏和滲透三個階段。其中前兩個階段屬于非飽和水流運動,而滲透屬于飽和水流運動。
影響下滲的因素很多,主要有土壤因素(包括土壤均質性、土壤質地和孔隙率等)、土壤初始含水率、地表結皮(表土結皮能減少入滲量)、降雨因素(包括雨型、降雨強度等)和下墊面因素(包括植被、坡度、坡向、耕作措施等)等。
5.徑流(形成水資源)
徑流又稱為河川徑流,亦即地表徑流和地下徑流、壤中流之和。在大氣降水降到地面以后,一部分水分通過蒸發返回到大氣;一部分通過下滲進入到土壤(包括植物吸收、壤中流);一部分可能蓄積在地表低洼處;剩余的水量在一定條件下可能會形成地表徑流,當下滲的水量達到一定程度后會形成地下徑流。河川徑流是由地面和地下(包括土壤)匯流到河槽并沿河槽流動的水流的統稱。
地表徑流過程,以降雨補給的河流為例,可以分為降水過程、蓄滲過程、坡地漫流過程、河槽集流過程四個階段。地表徑流量,等于降水總量減去地表蓄水量和下滲量、蒸發量。影響徑流量大小的主要因素包括:流域氣象條件(如降水、蒸發、氣溫、濕度、風等)、地理位置、地形條件、植被以及人為因素(如水利工程、開墾、城市建設等)。人類活動對徑流的形成過程和徑流量大小的影響是顯而易見的,比如,自然的流域區如果被建設成公路、廣場和房屋密集的城市,使下墊面發生很大變化,就會直接影響到地表徑流的形成(詳見本章第三節)。
地下徑流過程,先由降水下滲到透水層形成地下水,再經過一段相當長時間,通過滲透流動形成地下徑流。它與地表徑流不同,在數量和變化過程上表現得更穩定,流速也要比地表徑流慢得多。其形成和變化也受氣象、地理、地質、植被以及人為因素等的影響,但響應速度和受影響的程度明顯小于地表徑流。
三、水循環的機理與特點
(1)水循環是永無止境的,既無開始也無結尾。但是,全球的總水量是不變的,服從質量守恒定律,這是建立水量平衡方程的基礎。
(2)太陽輻射與重力作用是水循環的基本動力。此動力不消失,水循環將永恒存在。
(3)全球水循環是閉合系統,但局部水循環卻是開放系統。對全球而言,水循環相對封閉在一巨系統中,是一個閉合系統。但對海洋、陸地或某一地區來說,由于它與外界發生不同程度的交換,又是一個局部開放系統。
(4)永無止境的水循環賦予水體可再生性。其循環強度一般用水體的更替周期來度量。水體的更替周期,是指水體在參與水循環過程中全部水量被交替更新一次所需要的時間。水體的更替周期是反映水循環強度的重要指標。從水資源可持續利用的角度分析,水體的總儲水量并不是都可利用的,只有能夠不斷更新的那部分水量才能算作可利用量。如果不能及時更新,就無法保證水資源的可持續利用。
(5)水循環過程是一個十分復雜的過程,在人類活動作用下,可能會導致水循環過程的變化,從而影響到水資源的形成和特征的變化。
四、水循環的作用和意義
地球上的多年平均降水量為1130mm,與多年平均蒸發量持平,折合水量577000km3,還不到地球上總水量13.86億km3的0.042%。所以,經常參與水循環運動的有效水量只不過是地球上總水量的很小一部分。這部分水量雖然不多,但它對自然界,特別是人類的生存和生產活動具有重大的作用和意義。
1.形成可再生的水資源
正是由于水循環作用,才形成了人類賴以生存的水資源。如果沒有水循環的這個特性,也就談不上水資源的可再生,更不用說保證人類能持續利用水資源。可以說,這是水循環對人類的最大恩賜。
2.影響全球的氣候變化
水循環一方面受全球氣候變化,尤其是大氣環流的影響,另一方面又影響到全球氣候的變化。這可以從它們之間的關系來簡單分析。首先,水循環是大氣系統能量的主要傳輸、儲存和轉化者,因此,水循環的變化必然會影響到大氣的變化,反過來,大氣的變化導致水循環方式的改變,從而影響水循環。其次,促成水循環的重要作用之一是太陽輻射能,水體接受太陽輻射能的變化必然會帶動水循環的變化。同時,水循環通過對地表太陽輻射能的重新分配,使不同緯度熱量收支不平衡的矛盾得到緩解。如果水循環發生變化,必然會改變水循環對太陽輻射能的分配作用,從而影響氣候變化。再次,水循環的強弱及其路徑,還會直接影響到各地的天氣過程,甚至可以決定地區的氣候基本特征,如雨、雪、霜、冰雹、暴風雨等天氣現象本身就是水循環的產物。
3.形成豐富多樣的地形地貌
大氣降水降落到地面后,除了蒸發和下滲,便形成徑流。由于地表徑流長時期沖刷和侵蝕地面,在陸地上形成了大小不等的溝壑溪流,同時徑流的沖刷作用又將大量的泥沙輸送到低洼的地方去,因此在河流的出山口處往往由于泥沙的堆積而形成巨大的沖積平原。這里的土地肥沃,常常是人類的聚集地和文明的發源地。在某些地面徑流流動緩慢的地區,因積水過多而形成沼澤和濕地,又是各類動物棲息繁殖的場所。所以,水循環運動不僅創造了江河、湖泊等豐富多樣的地形地貌,也為地球帶來了勃勃生機。
同樣,水循環過程的作用也表現在地下。部分水下滲到地下形成土壤水和地下水,這些水同地殼中不同物質長期接觸,使得這些物質不斷被溶解、輸送到其他地方,最終以鹽的形式匯集于海洋中。溶解物質中的部分鹽類漸漸沉積形成沉積巖。某些地區的地層是由易溶解的巖石組成,這些巖石受到地下水的侵蝕和溶解,形成巖溶地貌。
4.為生態系統提供生命支撐
水循環運動既為地球上一切生物提供了不可缺少的水分,又可對生物的循環產生積極的促進作用。大氣降水可以把空氣中游離的氮元素帶到地面,供植物吸收;土壤水則是植物吸收營養物質的必要介質;地表徑流又把地面上大量的有機物帶入到海洋,為海洋生物的繁衍提供養料。同時,生物體內也存在著微小的水循環系統,如人體組織中70%是水,并且它們積極參與水循環過程,其平均循環周期僅為幾小時,遠高于一般水體的循環速度。因此,沒有水循環,就不會有生命活動。
5.形成一切水文現象
水循環是一切水文現象的根源。沒有水循環,就不存在水的運動和更替,也就沒有一切水文現象。水循環不是一個簡單的環節,而是一組路徑,水通過這些路徑在自然界中循環并從一種狀態變到另一種狀態,這就形成了水文現象的千變萬化。