水量平衡

水循环的数量表示。在给定任意尺度的时域空间中,水的运动(包括相变)有连续性,在数量上保持着收支平衡。平衡的基本原理是质量守恒定律。水量平衡是水文现象和水文过程分析研究的基础,也是水资源数量和质量计算及评价的依据。水量平衡可与能量平衡结合起来进行研究,即水热平衡的研究。它是现代自然地理学物质与能量交换研究的主要内容之一。水量平衡各要素组合特征(它们的数量和对比关系)构成地理地带划分的物理背景,常用以划分地理区域。因受人类活动影响而出现一系列的环境问题,多数与人们改变了水量平衡有关。

简况

公元前,人类就有了水循环的观念。17世纪时,随着人们对降水量和河流流量的观测增多,促进和加深了人类对水量平衡的认识。当时法国的E.马略特确定了塞纳河的年径流少于年降水量的六分之一。此后,许多学者对全球水量平衡进行了多次计算。20世纪60年代以来,由于开发利用水资源的需要,已逐渐转向对中小尺度区域,包括流域及国家范围内的水量平衡研究。中国各地区水文和水资源的研究中,均包含有水量平衡各要素如降水、蒸发、径流、地下水等和水量平衡的计算。

水量平衡方程式

水量平衡方程式可由水量的收支情况来制定。系统中输入的水(I)与输出的水(O)之差就是该系统内的蓄水量(△S),其通式为:

I-O=±△S

按系统的空间尺度,大可到全球,小至一个区域;也可从大气层到地下水的任何层次,均可根据通式写出不同的水量平衡方程式。

全球水量平衡方程式可写为:

公式 符号

式中c为大陆的降水量;公式 符号为海洋的降水量;公式 符号为大陆的蒸发量;公式 符号为海洋的蒸发量。局部区域可理解为任意给定的空间,如河流、湖泊、冰雪等水体,各大小流域,山区、平原、盆地、农田、城镇、森林、草场等各种自然土地和土地利用的不同地段。还有按自然和行政划分的海洋区域。它们的区域界线可以是闭合的,也可以是非闭合的。从水量交换的角度也可把水量平衡的区域划分为4个自然系统,并可相应列出水量平衡方程式。

大气系统,其水量平衡方程式为:

Ai-A公式 符号+E-P=±△A

式中Ai A公式 符号分别为大气层中除降水与蒸发以外的其他收入水量和支出水量;PE分别为降水量和蒸发量;△A为大气系统中的蓄水量。

流域系统,其水量平衡方程式为:

 P-R-E=±△S

式中流域蓄水量 (△S)为降水量(P)减去径流量(R)和蒸发量(E)之差。

土壤系统,其水量平衡方程式为:

P +Cm-R +Si-S公式 符号-E=±△W

式中Cm为土壤中的凝结水,Si为由地下水和壤中流形式进入土壤层的水;S公式 符号为由土壤层向下渗入地下水和壤中流形式流出土壤层的水;△W为土壤层中的蓄水量。

地下水系统,其水量平衡方程式为:

αP +Ui-U公式 符号-Eu=±△U

式中 α为地下水的降水入渗补给系数;Eu为地下水上升经土壤到地面后的蒸发量;Ui为地下流入系统的水量;U公式 符号为地下流出系统的水量;△U为地下的蓄水量。

以上 4个系统的水量平衡可以相互结合列成联立方程,用于水循环或水量交换的研究。对于特定区域、空间层或水体的水量平衡方程可视具体的条件列出。

全球水量平衡

由大洋和大陆的水量平衡组成的全球水量平衡,是全球水循环的定量描述。这种描述从1905年开始以后,不同的学者提出的估算值都不相同(表1)。

图

从资料的系列和数量看,近期的估算值比较接近实际。全球的水量平衡要素中,大洋与大陆不同,前者蒸发量大于降水量,其差值作为大陆水体的来源,参加降水过程;后者则是降水量大于蒸发量,其差值为径流量,成为大洋水量的收入项之一。在大洋多年平均的水量平衡中,出现了淡水平衡的概念,年平均大洋淡水平衡可用下式表示:

P +R-E=0

式中P为年降水量;R为大陆入海年径流量;E为年蒸发量。在大洋的海冰中还包含着大量的淡水。大陆湖泊、水库、地下水及大陆冰川的蓄水变化,均会导致海平面的升降,对地球的生态环境有重要意义。

大陆水量平衡各洲都不相同,降水量、蒸发量、径流量、入海径流量等收支情况见表(表2 )。

图 中国水量平衡

与世界大陆相比,中国年降水量偏低,但年径流系数均高,这是中国多山地形和季风气候影响所致。中国内陆区域的降水和蒸发均比世界内陆区域的平均值低,其原因是中国内陆流域地处欧亚大陆的腹地,远离海洋之故(表3 )。

图

中国水量平衡要素组成的重要界线,是1200毫米年等降水量。年降水量大于1200毫米的地区,径流量大于蒸散发量;反之,蒸散发量大于径流量,中国除东南部分地区外,绝大多数地区都是蒸散发量大于径流量。越向西北差异越大。水量平衡要素的相互关系还表明在径流量大于蒸发量的地区,径流与降水的相关性很高,蒸散发对水量平衡的组成影响甚小。在径流量小于蒸发量的地区,蒸散发量则依降水而变化。这些规律可作为年径流建立模型的依据。另外,中国平原区的水量平衡均为径流量小于蒸发量,说明水循环过程以垂直方向的水量交换为主。

参考书目
  1. 中国科学院《中国自然地理》编辑委员会:《中国自然地理·地表水》,科学出版社,北京,1981。
  2. UNESCO,World Water Balance and Water Resourcesof the Earth,The UNESCO Press,Paris,1978.