3 第三章 水资源的形成及转化关系

《水资源学教程》ZuoQiting第三章水资源的形成及转化关系水以各种形式存在于地球上，形成了一个巨大的水圈，水资源在这个水圈中不断地循环转化，不断地更新利用，但是水资源的形成及转化过程极为复杂。本章就水资源的形成及转化问题作出简单的介绍，以及气候变化、人类活动对水资源产生的影响作用。ZuoQiting《水资源学教程》3.1水循环过程及水资源形成3.1.1水循环的认识水循环（watercycle），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。自然界的水循环是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的纽带，是自然环境中发展演变最活跃的因素，并形成了地球上的淡水资源。ZuoQiting《水资源学教程》大气降水水汽水平运动蒸腾内陆海陆间海上地面蒸发滴落蒸腾地表径流滴落水面蒸发根系吸收根系吸收地下径流海洋根系吸收水循环示意图ZuoQiting《水资源学教程》从上面的水循环示意图中，可以看出，水循环不断地发生在陆地之间、海洋之间以及陆地与海洋之间，这就形成所谓的内陆循环、海上循环以及海陆循环。有时也将海陆循环称之为大循环或外循环，内陆循环和海上循环称之为小循环或内循环，前者称为内陆小循环，后者称为海洋小循环。人们常常所说的水循环是指自然界中通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节形成的水循环，称为自然水循环。通常把有人类活动影响或参与的部分水循环过程称为社会水循环。ZuoQiting《水资源学教程》3.1.2自然水循环过程及水资源形成1）自然水循环过程自然水循环过程一般包括蒸发、水气输送、凝结降水、下渗以及径流。①蒸发蒸发是水分通过热能交换从固态或液态转换为气态的过程，是水分从地球地面和水体进入大气的过程。陆地上年降水量的66%是通过蒸发（包括蒸腾）返回大气的。ZuoQiting《水资源学教程》蒸发主要包括：水面蒸发、土壤蒸发、植物蒸发等。各种蒸发的影响因素各不相同，总的来说，蒸发的影响因素主要有：首先取决于热能的供应，其次还受到水温、气温、风、气压及太阳辐射等气象因素的影响。目前，计算蒸发的主要方法有：器测法、间接计算法（经验公式法、水量平衡法、水气输送法、热量平衡法等）、微气象学方法（如能量平衡法，空气动力学法，能量平衡—空气动力学法）和遥感法等。ZuoQiting《水资源学教程》②水气输送水汽输送，是指大气中的水汽由气流携带着从一个地区上空输送到另一个地区的过程。它揭示了一个地区上空水汽输送的源地、水汽输送路径、水汽输送强度、水汽输送场的结构以及它们随时间的变化。大气中的水汽含量虽然只占全球水循环系统中总水量的1.53%，但却是全球水循环过程中最活跃的成分。正是由于大气中的水汽如此活跃的更新和输送，才实现了全球各水体间的水量连续转换和更新。ZuoQiting《水资源学教程》③凝结降水降水是水汽在大气层中微小颗粒周围进行凝结，形成雨滴，再降落到地面的过程。降水是水文循环中最活跃的因子，是一种水文要素，也是一种气象要素。降水的特征常用几个基本要素来表示，如降水量、降水历时、降水强度、降水面积及暴雨中心等。与降水有关的气象因素有：气温、气压、风、湿度、云、蒸发等。只有具备了一定的条件，才能形成降水。降雨量可采用器测法、雷达探测或利用气象卫星云图估算。ZuoQiting《水资源学教程》④下渗下渗是指降落到地面上的雨水从地表渗入土壤内的运动过程。按照水分所受的力和运动特征，下渗可分为三个阶段：渗润、渗漏、渗透阶段。影响下渗的主要因素有：土壤因素（包括土壤均质性、土壤质地和孔隙率等）、土壤初始含水率、地表结皮（表土结皮能减少入渗量）、降雨因素（包括雨型、降雨强度等）和下垫面因素（包括植被、坡度、坡向、耕作措施等）等。ZuoQiting《水资源学教程》反映流域的平均下渗特性及定量规律流域某些单点的下渗特性及定量规律天然条件下的下渗可通过野外现场实验来确定。通常有两种途径：一是直接测定法；二是分析法。⑤径流径流又称为河川径流，亦即地表径流和地下径流、壤中流之和。在大气降水降到地面以后，一部分水分通过蒸发返回到大气；一部分通过下渗进入到土壤（包括植物吸收、壤中流）；一部分可能蓄积在地表低洼处；剩余的水量在一定条件下可能会形成地表径流，当下渗的水量达到一定程度后会形成地下径流。ZuoQiting《水资源学教程》径流过程是地球上水文循环中的重要一环。在水文循环中，大陆上降水的34%转化为地面径流和地下径流汇入海洋。径流过程又是一个复杂多变的过程，与人类同洪旱灾害进行斗争，以及水资源的开发利用和水环境保护等生产经济活动密切相关。影响径流量大小的主要因素包括：流域气象条件（如降水、蒸发、气温、湿度、风等）、地理位置、地形条件、植被以及人为因素（如水利工程、开垦、城市建设等）。ZuoQiting《水资源学教程》2）水资源形成水资源的形成可以看成是地表水和地下水的形成过程。降雨降落到地面后，一部分由于蒸发作用返回到大气中，一部分通过土壤下渗，一部分可能积蓄在低洼处，当降雨量满足填洼量后开始形成地面径流；下渗到土壤中的水分首先被土壤吸收，当达到田间持水量后，下渗趋于稳定。继续下渗的雨水，一部分从侧面土壤流出，注入河槽形成壤中流，继续下渗的雨水到达地下水面后，形成地下径流。ZuoQiting《水资源学教程》3.1.3水循环的机理及特点①水循环是永无止境的，但是全球水资源量是不变的，服从质量守恒定律。②太阳辐射能和重力作用是水循环的基本动力。③全球水循环是闭合系统，但局部水循环是开放系统。④永无止境的水循环赋予水体再生性。其循环强度一般有水体的更新周期来度量。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要的时间。ZuoQiting《水资源学教程》⑤水循环是一个非常复杂的系统，它受到人类活动及气候变化的影响，从而引起水循环的形成及特征的变化。3.1.4水循环的作用及意义形成可再生的水资源影响全球的气候变化形成丰富多样的地形地貌为生态系统提供生命支撑形成一切水文现象ZuoQiting《水资源学教程》3.2水资源转化关系3.2.1自然水循环形成的水资源转化关系自然界中的水资源转化过程主要表现在大气水、地表水、地下水之间的相互转化，称为“三水”转化。大气降水地表水地下水植物截流地表径流地下径流蒸发下渗如果考虑土壤水，则称为“四水”转化关系ZuoQiting《水资源学教程》3.2.2社会水循环形成的水资源转化关系在人类活动影响作用下，人为改变原有的水资源系统（包括水资源系统结构、径流过程以及作用机理等），使原来的水资源系统更加复杂。人类活动的影响作用主要表现在：①兴建蓄水、调水工程，改变水资源自然的流动特性和转化过程；②兴建引水、提水工程，大量开采地表、地下水，增加水资源的使用量和消耗量；③生活污水、工业废水、灌溉退水的排放，改变了天然水体的水质状况。ZuoQiting《水资源学教程》土壤水调蓄地下水调蓄地表水调蓄大气降水地面蒸发蒸发植物截留灌溉水回归植物蒸腾植物吸收蒸发潜水蒸发下渗下渗水面蒸发地表径流壤中流地下径流河川水库调蓄地表水引水或调水工农业生活用水外来水损耗土地利用覆被变化河川径流地下潜流地下水处理系统渗漏渗漏污废水自然水循环社会水循环图3-2水资源形成与转化关系示意图ZuoQiting《水资源学教程》在干旱地区，一般水资源来源比较单一，主要是由上游山区降水或冰雪融水产生的出山径流量，而坐落于中下游平原区的城市和灌区则靠大量引用地表水、地下水得以维持和发展。随着地表水、地下水的引入，复杂的水资源转化过程在城市和灌区中开始。总的来说，一般可归结为以下转化关系：①地表水包括城市和灌区引用的水库蓄水、河川径流和外流域调水。引用的径流在渠道输水、用水过程中，通过蒸发、渗漏转化为大气水、土壤水和地下水。ZuoQiting《水资源学教程》②地下水来源于地表水与降水的入渗补给、区外（山前）侧渗补给，其消耗是：通过潜水蒸发补给非饱和带土壤水、通过侧渗以地下水的形式排入河道、通过抽水作为引用水水源、通过越层入渗补给深层地下水。③土壤水是四水转化的中心环节，来源于地表水的入渗和地下水的潜水蒸发补给。土壤水除少量补给地下水外，主要转化为大气水、消耗于蒸发。④大气水指降水与蒸散发的水量。城市和灌区的降水除少量入渗补给地下水和排水外，多数直接被蒸发而消耗掉。蒸发总量是当地最终的水资源消耗量。ZuoQiting《水资源学教程》3.3人类活动和气候变化对水资源的影响3.3.1人类活动对水资源的影响⑴兴建水库、大坝等水利工程，改变水资源形成和转化关系兴建水库、大坝等水利工程为国民经济建设作出了巨大贡献，也是“兴水利，除水害”的重要举措，但同时水库、大坝的兴建，改变了水资源的形成及转化关系，对下游水资源系统和滨河居民的生产、生活造成一定的负面影响，这些影响涉及洪泛平原上的农牧业、渔业以及依赖天然河水直接或间接补给的生态系统。ZuoQiting《水资源学教程》⑵人工引用水，增加水循环的复杂性，加剧水资源消耗和供需矛盾由于人类生活、生产的需要，从地表、地下取水，其中一部分水分被消耗，一部分水分在使用后又排入到河道、渠道或其他水体，改变了自然水循环过程，使原本复杂的水循环过程更加复杂。另外，由于人工引用水，导致部分水分消耗，可能会加剧水资源的供需矛盾。⑶城市建设，形成以“社会水循环”为主导的“自然—社会”水循环模式城市水循环是一个比自然水循化更复杂，更具有特殊性的过程。ZuoQiting《水资源学教程》从蒸发过程看，自然路面蒸发人工路面蒸发从降雨过程看，接受降雨覆盖条件发生了变化覆盖植被的陆面路面、房屋屋顶从下渗过程看透水的地面不透水的地面从径流过程看降到地面的水，由原来的蒸发、下渗，形成地表和地下径流变为雨水流入排水管道，形成地表径流的时间缩短，地下径流的过程滞后。ZuoQiting《水资源学教程》3.3.2气候变化对水资源的影响引起气候变化的因素很多，既有自然因素，也有人为因素。多数科学家研究认为，由于人类活动排放大量温室气体引起全球变暖将是未来全球气候变化的主流趋势。气候变化必然会引起水循环的变化，特别是降水变化直接决定着水循环的强弱，引起水资源在时空上的重新分配和水资源数量的改变，进而影响生态系统格局和经济社会发展布局。