1、自然界的水循环-备课资料一、水循环概述（一）水循环基本过程1.水循环基本过程水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。从全球整体角度来说，这个循环过程可以设想从海洋的蒸发开始；蒸发的水汽升入空中，并被气流输送至各地，大部分留在海洋上空，少部分深入内陆，在适当条件下，这些水汽凝结降水。其中海面上的降水直接回归海洋，降落到陆地表面的雨雪，除重新蒸发升入空中的水汽外，一部分成为地面径流补给江河、湖泊，另一部分渗入岩土层中，转化为壤中流与地下径流。地面径流、壤中流与地下径流，最后亦流入海洋，构成
2、全球性统一的、连续有序的动态大系统。为全球海陆间水循环过程的概化图。整个过程可分解为水汽蒸发、水汽输送、凝结降水、水分入渗，以及地表径流、地下径流等5个基本环节。这5个环节相互联系、相互影响，又交错并存、相对独立，并在不同的环境条件下，呈现不同的组合，在全球各地形成一系列不同规模的地区水循环。2.水循环机理第一，水循环服从于质量守恒定律。整个循环过程保持着连续性，既无开始，也没有结尾。从实质上说，水循环乃是物质与能量的传输、储存和转化过程，而且存在于每一环节。在蒸发环节中，伴随液态水转化为气态水的是热能的消耗，伴随着凝结降水的是潜热的释放，所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过程。据测算，全
3、球海陆日平均蒸发量为1.5808万亿立方米，是长江全年入海径流量的1.6倍，蒸发这些水汽的总耗热量高达3.8781021焦耳，如折合电能为10.771014千瓦时，等于1990年全世界各国总发电量的近100倍，所以地面潜热交换成为大气热量的主要来源。由降水转化为地面与地下径流的过程，则是势能转化为动能的过程。这些动能成为水流的动力，消耗于沿途的冲刷、搬运和堆积作用，直到注入海洋才消耗殆尽。第二，太阳辐射与重力作用，是水循环的基本动力。此动力不消失，水循环将永恒存在，水的物理性质，在常温、常压条件下液态、气态、固态三相变化的特性是水循环的前提条件；外部环境包括地理纬度、海陆分布、地貌形态等则制约
4、了水循环的路径、规模与强度。第三，水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈。其循环路径并非单一的，而是通过无数条路线实现循环和相变的，所以水循环系统是由无数不同尺度、不同规模的局部水循环所组合而成的复杂巨系统。第四，全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统。因为地球与宇宙空间之间虽亦存在水分交换，但每年交换的水量还不到地球上总贮水量的1/15，所以可将全球水循环系统近似地视为既无输入，又无输出的一个封闭系统，但对地球内部各大圈层，对海洋、陆地或陆地上某一特定地区，某个水体而言，既有水分输入，又有水分输出，因而是开放系统。第五，地球上的水分在交替循环过程中，总是溶解并携带着某些物质
5、一起运动，诸如溶于水中的各种化学元素、气体以及泥沙等固体杂质。不过这些物质不可能像水分那样，构成完整的循环系统，所以通常意义上的水文循环仅指水分循环，简称水循环。（二）水循环的类型与层次结构1.水循环的基本类型通常按水循环的不同途径与规模，将全球的水循环区分为大循环与小循环。（1）大循环发生于全球海洋与陆地之间的水分交换过程，由于广及全球，故名大循环，又称外循环。大循环的主要特点是，在循环过程中，水分通过蒸发与降水两大基本环节，在空中与海洋、空中与陆地之间进行垂向交换，与此同时，又以水汽输送和径流的形式进行横向交换。交换过程中，海面上的年蒸发量大于年降水量，陆面上情况正好相反，降水大于蒸发；在
6、横向交换过程中，海洋上空向陆地输送的水汽要多于陆地上空向海洋回送的水汽，两者之差称为海洋的有效水汽输送。正是这部分有效的水汽输送，在陆地上转化为地表及地下径流，最后回流入海，在海陆之间维持水量的相对平衡。（2）小循环是指发生于海洋与大气之间，或陆地与大气之间的水分交换过程。小循环又称内部循环，前者又可称为海洋小循环，后者称陆地小循环。海洋小循环主要包括海面的蒸发与降水两大环节，所以比较简单。陆地小循环的情况则要复杂得多，并且内部存在明显的差别。从水汽来源看，有陆面自身蒸发的水汽，也有自海洋输送来的水汽，并在地区分布上很不均匀，一般规律是距海愈远，水汽含量愈少，因而水循环强度具有自海洋向内陆深处
7、逐步递减的趋势，如果地区内部植被条件好，贮水比较丰富，那么自身蒸发的水汽量比较多，有利于降水的形成，因而可以促进地区小循环。陆地小循环可进一步区分为大陆外流区小循环和内流区小循环。其中外流区小循环除自身垂向的水分交换外，还有多余的水量，以地表径流及地下径流的方式输向海洋，高空中必然有等量的水分从海洋送至陆地，所以还存在与海洋之间的横向水分交换。而陆地上的内流区，其多年平均降水量等于蒸发量，自成一个独立的水循环系统，地面上并不直接和海洋相沟通，水分交换以垂向为主，仅借助于大气环流运动，在高空与外界之间，进行一定量的水汽输送与交换活动。2.全球水循环系统的层次结构如前所述，全球水循环是由海洋的、陆
8、地的以及海洋与陆地之间的各种不同尺度、不同等级的水循环所组合而成的动态大系统。由于这些分子水循环系统既紧密联系、相互影响，又相对独立。所以对这个全球性的动态大系统，可以根据海陆分布，各分子系统的尺度、规模不同，以及相互之间上下隶属关系，建立如图所示的水循环分子等级系统。陆地水循环系统结构比海洋水循环系统要复杂，而且在四级以下还可进一步区分，例如长江流域为四级水循环系统，汉江作为长江的一级支流，就属于五级水循环系统，而丹江是汉江的支流，是长江的二级支流，因而属于六级水循环系统。（三）水体的更替周期水体的更替周期，是指水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新一次所需的时间，通常可用下式作近似计算：
9、式中，T为更替周期（年或日、时）；W为水体总贮水量（米3）；W为水体年平均参与水循环的活动量（米3/年）。以世界大洋为例，总储水量为13.381017米3，每年海水总蒸发量为50.51013米3，以此计算，海水全部更新一次约需要2650年；如果以入海径流量4.71013米3为准，则更新一次需要28468年。又如世界河流的河床中瞬时贮水量为21.21011米3，而其全年输送入海的水量为4.71013米3，因此一年内河床中水分可更替22次，平均每16天就更新一次。大气水更替的速度还要快，平均循环周期只有8天，然而位于极地的冰川，更替速度极为缓慢，循环周期长达万年。各种水体更替周期水体周期水体周期极
10、地冰川10000 a沼泽水5 a永冻地带地下冰9700 a土壤水1 a世界大洋2500 a河水16天高山冰川1600 a大气水8天深层地下水1400 a生物水12 h湖泊水17 a表中所列的更替周期，是在有规律的逐步轮换这一假设条件下得出的平均所需时间。实际情况要复杂得多，如深海盆的水需要依靠大洋深层环流才能缓慢地发生更替；其周期要超过2650年，而海洋表层的海水直接受到蒸发和降水的影响，其更替周期显然无需2000多年。尤其是边缘海受入海径流影响，周期更短。以我国渤海为例，总贮水量约19.01011米3，而黄河、辽河、海河多年平均入海水量达14.551010米3，仅此一项就使渤水13年内就可更
11、新一次。又如世界湖泊平均循环周期需要17年，而我国长江中下游地区的湖泊，出入水量大，交换速度快，一年中就可更换若干次。水体的更替周期是反映水循环强度的重要指标，亦是反映水体水资源可利用率的基本参数。因为从水资源永续利用的角度来衡量，水体的储水量并非全部都能利用，只有其中积极参与水循环的那部分水量，由于利用后能得到恢复，才能算作可利用的水资源量。而这部分水量的多少，主要决定于水体的循环更新速度和周期的长短，循环速度愈快，周期愈短，可开发利用的水量就愈大。以我国高山冰川来说，其总贮水量约为51013米3，而实际参与循环的水量年平均为5.461011米3，仅为总贮水量的1/100左右，如果我们想用人
12、工融冰化雪的方法，增加其开发利用量，就会减少其贮水量，影响到后续的利用。（四）水循环的作用与效应水循环作为地球上最基本的物质大循环和最活跃的自然现象，它深刻地影响到全球地理环境，影响生态平衡，影响水资源的开发利用，对自然界的水文过程来说，水循环是千变万化的水文现象的根源。1.水文循环与地球圈层构造地球表层系由大气圈、岩石圈、生物圈以及水圈组合而成。在这一有序的庞大层次结构中，水圈居于主导地位，正是水圈中的水，通过周流不息的循环运动，积极参与了圈层之间界面活动，并且深入四大圈层内部，将它们耦合在一起。水循环，它上达15千米的高空，成为大气圈的有机组成部分，担当了大气循环过程的主角；下深地表以下1
13、3千米深处，积极参与岩石圈中化学元素的迁移过程，成为地质大循环的主要动力因素；同时水作为生命活动的源泉，生物有机体的组成部分，它全面地参与了生物大循环，成为沟通无机界和有机界联系的纽带，并将四大圈层串联在一起，组合成相互影响、相互制约的统一整体。从这一意义上说，水循环深刻地影响了地球表层结构的形成以及今后的演变与发展。2.水循环与全球气候水循环一方面受到全球气候变化，尤其是大气环流活动的影响，另一方面它又深入大气系统内部，极其深刻地制约了全球气候。首先，水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者。因为虽然太阳辐射是地球表层的根本热源，但是大气得到太阳的直接辐射，仅占它吸收总能量的30，而来自
14、地面的长波辐射占23，地面与大气之间湿热交换占11，来自蒸发潜热输送的能量要占到36，居第一位。对此，前苏联学者M.H.德科研究指出，大气循环的能量，主要是由水循环过程中汽化潜热的转化所提供的。他还通过计算表明，如果大气圈中的水汽含量比现在减少一半，地球表面的平均气温将降低5 ，两极地区的冰盖将大大扩展，地球将进入冰期。其次，水循环通过对地表太阳辐射能的重新再分配，使不同纬度热量收支不平衡矛盾得到缓解。在南北纬35之间地区，吸收太阳辐射量大于地面辐射支出量；而在纬度高于35的地带则支出大于收入。据估算，如果没有热平流来调节高低纬度之间的这种热量分配的不均状态，那么赤道附近地区的温度要比现今增加
15、10 以上，两极地区则要降低20 。此外，昼夜的温差亦要远远超过现今的状况。再次，水循环的强弱及其路径，还会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征。在这方面，海洋环流系统的气候效应表现得最为强烈。诸如墨西哥湾流与北大西洋西风漂流对整个西北欧地区的天气影响，使得55N70N大洋东岸最冷月平均气温比之同纬度大洋西岸高出1620 ，并在北极圈内出现了不冻港。太平洋的黑潮海流对大陆东海岸的影响，以及著名的厄尔尼诺现象与秘鲁海流的关系等，就是这方面典型的例子。此外，像雨、雪、霜、霰以及台风暴雨等天气现象，本身就是水循环的产物，没有水循环，亦就不存在这类天气现象。3.水循环与地貌形态及地
16、壳运动地壳构造运动奠定了全球海陆分布，以及陆地表面上高山、深谷、盆地、平原等地表形态的基本轮廓。水循环过程中的流水以其持续不断的冲刷、侵蚀作用、搬运与堆积作用，以及水的溶蚀作用，在地质构造的基底上重新塑造了全球的地貌形态，从两极与高山地区的冰川地貌、滨海地区的海岸地貌、到河流冲积、堆积地貌以及千姿百态的岩溶地貌，无不是水循环的杰作。水循环不仅重新塑造了地表形态，而且还影响到地壳表层内应力的平衡，是触发地震，甚至引起地壳运动的重要原因。据统计，由于流水的冲刷、搬运作用，全世界河流每年携带入海离子径流总量为2.74109吨，每年入海的固体物质多达22.0109吨，折合130108米3。按此速率，只
17、需2500万年左右就可将大西洋填平，另据地质学家斯马格里戈也夫估算，按现今风吹、水蚀的速度，经1.1亿年，现在的陆地表面将被削成与世界大洋面齐平。这种日积月累的迁移、搬运与堆积作用，逐渐改变地壳表层的应力平衡，一旦超出其平衡点，就可能触发地震，甚至引起地壳运动，发生沧海桑田的剧变。像我国新丰江等大型水库在建成蓄水后，诱发六级地震，是这方面的具体例征。4.水循环与生态平衡水是生命之源，又是生物有机体的基本组成物质，无论是动物还是植物，细胞原生质中大部分是水，如人体组织中70是水。据计算地球上所有生物体中含有的水分总量约有11.21010吨，相当于世界河流瞬时贮水量的1/2，它们积极地参与了水循环
18、过程，其平均循环周期仅几小时，远远高于一般水体的循环速度。没有水循环，就不会有生命活动，亦就不存在生物圈。同时，水循环的强度及其时空变化，还是制约一个地区生态环境平衡或失调的关键；是影响地区内生物有机体活动旺盛、繁茂，或凋萎、贫泛的主要因子。例如，同属于热带，水循环强盛的地区，可以成为生物繁茂的热带雨林，水循环弱的地区可能成为干旱草原，甚至热带沙漠。处于同一纬度带的大陆东西两岸，凡是受海洋影响大的海岸，水循环强盛，往往风调雨顺，生态环境比较适合生物生长；反之水循环弱的海岸，相对来说生态环境比较脆弱，自然灾害比较频繁。此外，对于同一地区来说，水循环强度的时空变化，又是造成本区洪、涝、旱等自然灾害
19、的主要原因，循环强度过大，可能引发洪水与洪涝灾害；循环过弱，可能产生水资源不足，形成旱灾。我国华北、西北地区相对于东南沿海地区来说，生态环境显得比较严峻，主要原因一是本地区水循环强度总体上比较弱，二是时空变化比较大。5.水循环与水资源开发利用水是人类赖以生存、发展的宝贵资源，是廉价、清洁的能源，是农业的命脉、工业的血液和运输的大动脉，它与其他自然资源相比较主要不同点是水资源具有再生性和可以永续利用的特点。这一特点正是水循环所赋予的。如果自然界不存在水循环现象，那么水资源亦就不能再生，无法永续利用。但必须指出的是水资源的再生性和可以永续利用不能简单地理解为“取之不尽，用之不竭”。因为水资源永续利
20、用是以水资源开发利用后能获得补充、更新为条件的。更新速度和补给量要受到水循环的强度、循环周期的长短的制约，一旦水资源开发强度超过地区水循环更新速度或者遭受严重的污染，那么就会面临水资源不足，甚至枯竭的严重局面。所以对于特定地区而言，可开发利用的水资源量是有限的。必须重视水资源的合理利用与保护。只有在开发利用强度不超过地区水循环更新速度以及控制水污染的条件下，水资源才能不断获得更新，才能永续利用。（六）水循环与水文现象以及水文学科的发展水循环是地球上一切水文现象的根源，没有水循环，地球上也就不会发生蒸发、降水，径流；不存在江河、湖泊。所以研究地球上的水循环，是认识和掌握自然界错综复杂的水文现象的
21、一把钥匙；是把握自然界各种水体的性质、运动变化及其相互关系的有效方法和手段。可以说水循环与水量平衡的研究引导了以往水文学科的发展，亦将指导水文学的未来，并正从宏观与微观双向尺度上，不断拓宽与加深水文学科。从宏观上讲，着重全球水循环与全球生物圈、全球气候系统以及岩石圈之间界面过程的研究，借助卫星遥感手段，全球大气圈层和陆地表面的系统观测资料，用以确定全球尺度的水文循环与能量通量，以及它们对环境变迁、人类活动的影响等。从微观方面来说，除了继续发展各类流域水文模型外，正深入到单元尺度的细微观测与计算模拟，开展不同自然地理区的水循环微观过程的实证，以及土壤水分动态平衡、蒸发、蒸腾水文模型等研究。总之，宏观与微观水循环的研究相结合，将进一步推动今后水文学向纵深方向发展。
