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本文属于“水循环”系列文章的第一发文,主要说明了水循环的基本内容和水量平衡的概念。以下内容均围绕水循环一点进行简单性说明,读者可放心阅读。
地球上的水从来不是静止不动的,而是不断地运动、相变在空间中进行转移。水循环不仅是一个复杂的过程,更是一个重要的自然过程。它将地球上的各种水体组合成连续统一的水圈,在循环过程中将水圈、岩石圈、大气圈和生物圈紧密地联系在一起,形成相互联系、制约的统一体。
——水循环其本质是地球上不同圈层内的水不断发生相变、移动、交换的过程。
“水循环”,又称水分循环,是指自然界中各种形态的水,在太阳辐射、地球引力等的作用下,通过水的蒸发、水汽输送、凝结降落、下渗、径流等环节,不断发生的周而复始的运动过程。
这一循环过程将地球上不同的圈层有机联系起来,使其中的水处于不同周期一直更新的状态,从而维持了全球水量的动态平衡。与此同时,一直在变化、循环的水还进一步影响了地球上物质的迁移、地形的塑造和能量的转换。如地表流水不断地侵蚀、搬运、堆积地表物质,形成了独特的流水地貌。如河川径流不断地向大海输送泥沙、有机物和无机盐类,影响着近海环境。又如水相变化过程中水的吸热、放热及其热量的传输,缓解了不同纬度地区热量收支不平衡的矛盾。
水流侵蚀地表,改变了它原本的样貌。(图片来源于湘教版《普通高中地理课程标准实验教科书·地理Ⅰ》)
——水循环发生的原因可大致分为内、外两方面:形成水循环的内因是水自身的物理特性,外因是太阳辐射和地心引力。
水循环的动力是太阳辐射和地心引力,水分在太阳辐射的作用下离开水体上升到空中并向各地运动,又在重力作用下回到地面并流向海洋,太阳辐射和地心引力为水循环的发生提供了动力条件,这是水循环发生的外因。
水循环在本质上就是地球上不同圈层内的水不断发生相变、移动的过程,而水的物理性质正决定了水在常温下不发生化学变化就能实现固液气三态的相互转化,这是水循环发生的内因。
——水循环一般来说包括蒸散(蒸发+蒸腾)、水汽输送、降水、下渗和径流五个环节,其中蒸散、降水和径流是水循环中最主要的三个环节。
蒸散,是指在液态或固态水表面作布朗运动且克服液态、固态水分子吸引力的水分子,不断向大气中逃逸的现象。从宏观上来看,它是液态水或固态水转变为气态水的一种现象,包括蒸发和(植物)蒸腾两部分。
水汽输送是指大气中的水分因扩散(或指气流运动)而由一地向另一地运移,或由低空输送到高空的过程。以空间尺度为准,水汽输送有水平输送和垂直输送两种方式,前者主要把海洋上空的水汽带到陆地上空,是水汽输送的主要形式,而后者由空气上升运动把低层水汽输送到高空。
降水,是指大气中的水以液态或固态的形式从空中降落到地面的现象。我们将从空中降下的雨、雪、雹等统称为降水现象,其中降雨和降雪是主要形式。
下渗,又称入渗,是指水分从地表渗入到地下的运动过程,是降雨径流形成过程的重要环节,直接决定地表径流、壤中流和地下径流的生成和大小,并影响土壤水和地下水的动态过程。
径流是指沿地表或地下水运动汇入河网向流域出口断面汇集的水流。根据降水的形式可以把径流分为“降雨径流”和“冰雪融水径流”两种。同时还能根据径流的形成过程及径流途径的不同将径流分为“地表径流”、“壤中流”、“地下径流”三类。
水汽上升凝结成云后,又以降水的形式回到陆地和海洋(图片来源于《气象学与生活》)
——根据水循环的过程,我们大家可以将水循环分为“大循环”和“小循环”。“大循环”又称外循环、海陆间循环,指发生在海洋和陆地间的水循环。“小循环”又称内循环、局部水循环,是指发生在海洋内部或陆地内部的水循环,在小循环中还能再分为“陆地内循环”和“海洋内循环”。
海陆间循环是指发生在海洋与陆地之间的水循环。海洋上蒸发的水汽,被气流带到陆地上空,部分水汽在适当的条件下凝结形成降水落到地面。一部分水在地面流动,形成地表径流;一部分水渗入地下,形成地下径流。二者经过江河汇集最终又回到海洋。
陆地上的水在没有回到海洋之前,经过蒸发和蒸腾上升到空中,与从海洋输送来的水汽一起再向内陆输送至离海更远的地方,凝结降水,然后再蒸散到上空气团中向内陆运动,直到不能形成降水为止。
海面上的水蒸发形成水汽,进入大气后在海洋上空凝结,形成降水,又降回到海面。
——影响水循环的因素大概能概括为三类:气候因素、下垫面因素、人类因素。
主要包括“湿度”、“温度”、“风速”、“风向”等,是影响水循环的重要的因素。正常的情况下,温度越高,蒸散越旺盛,水分循环越快;风速越大,水汽输送越快,水分循环越活跃;湿度越高,降水量越大,参与水循环的水量越多。
主要包括“地理位置”、“地表状况”、“地形”等,它对水循环的影响主要是通过影响蒸发和径流起作用的。有利于蒸散的地区,水循环活跃,而有利于径流的地区,水循环不活跃。
人类活动主要是通过改变下垫面的性质、形状来影响水循环,对水循环的影响也主要是在调节径流、加大蒸发、增加降水等环节上。如修建水库、淤地坝等措施促进了水分循环。
——水循环周期是研究水资源的一个重要参数,如果某一水体的循环周期短、更新速度快,那么水资源的利用率就高。
(其中T为周期年、月、日、时;W为水体的储量;△w为单位时间内参与水循环的量)
例如,大气中总含水量约1.29×10^13m³,而全球年降水总量约5.77×10^14m³,大气中的水汽平均每年转化成降水44次。
——地球上的水和宇宙空间中的水基本上不会互换,地球上水的总量可以看做是一个不变的常量。水在循环过程中,始终遵守着质量和能量守恒定律,总量保持不变。所以,我们大家可以得到水量平衡的概念。
水量平衡是指地球上任意区域在任意时段内,其收入水量与支出水量的差额,始终等于蓄水量的变化量。可以写为:流入量=流出量±储量变化量。
根据水量平衡的定义,我们可以把等式中的各项变换一下。设I是时段内输入区域的水量,即流入量;A是时段内输出区域的水量,即流出量;△W是时段内区域储水量的变化,即储量变化量(当为正值时,表明该时段内区域储水量增加,反之,储水量减少)。
莫诺湖位于内华达山脉东坡,毗邻约塞米蒂国家公园东门。莫诺湖是一个内陆湖,接受降水、溪流与地下水的补给,但只通过蒸发来排泄。蒸发量=湖水面积×蒸发厚度,当蒸发量与流入量相等时湖水位不变,流入量大于蒸发量时湖水位上升,流入量小于蒸发量时湖水位下降。
1941年开始引水前的莫诺湖面积为2.167×10^8㎡。在自然条件下,莫诺湖的多年平均降水量约为200mm,测流计得到地表径流量为每年1.85×10^8m³,未测的径流与地下水平均流量为每年4.56×10^7m³,而多年平均蒸发量约为1100mm。所以,通过计算能够获得莫诺湖的年均径流输入水量为2.306×10^8m³,除去面积便得到年均径流输入水量高度约为1064mm。最终,我们能发现莫诺湖的年平均输入水量是要多于年平均蒸发量的,那么莫诺湖的水位在自然条件下应是有不断增高的趋势。但是,湖水位随着气候平均状态随时间的变化而波动,如1919年水位高达1959m,1941年水位降至1954m。
自1941年引水工程使用以来(年平均引水量为1.23×10^8m³,相当于每年从湖中取走深度为0.76m的水),莫诺湖的水位显著下降(如图)。1981年12月达到历史最低水位1942.2m,此时的湖面面积已减少至16200hm²。
1982年到1984年降水丰沛,缓解了湖水位的下降,水位恢复到1945m。随着降水恢复到正常水平,湖水位又逐渐下降。1989年,根据一项防止湖水位降低至1944m的临时性水资源保护令,引水工程被叫停。尽管执行了这项法令,但由于内华达山脉东部的持续干旱,莫诺湖的水位依然持续下降,1992年底水位为1942.6m。1994年,加州水资源管理局颁发了1631号决议,为保护莫诺湖支流中的鱼类,规范了各条支流的最小流量。另外,以1949m作为莫诺湖的保护水位,当湖水位低于该值时禁止以任何形式从支流引水。之后,随着流域降水的丰富和引水工程的停用,到2000年1月,湖水位恢复到1947.2m。
所以,我们能看到莫诺湖水位下降的原因是引水量与湖面的天然蒸发量之和远大于湖面接受的降水量与地表水及地下水的流入量之和。其中,人工引水对湖水水位的变动有较大的影响。
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