水平衡要素与区域水循环系统

虽然地球上的水处于不停地运动变化之中,但水也满足物质守恒定律。水平衡指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。水平衡要素指一定空间系统的水量收入项和支出项。

不论尺度大小,一定空间系统的输入的水I与输出的水O之差应该等于该系统内的蓄水量变化ΔS,用水量平衡表达式表示为:

按系统的空间尺度,从横向上可大到全球小至一个区域;在纵向上可从大气层到地下水的任何层次,均可写出具体不同的水量平衡方程式。全球水量平衡方程式可写为:

式中:Pc为大陆的降水量;Ps为海洋的降水量;Ec为大陆的蒸发量;Es为海洋的蒸发量;ΔSa为全球大气所含水量的变化;ΔSc为陆地蓄水量(包括地表水、地下水和土壤水)的变化;ΔSs为海洋蓄水量的变化。

因为全球年均降水量是大气含水量的30多倍,大气含水量比起降水和蒸发是小量,其变化是更小的小量,所以对于较长(如年以上)的时间尺度,可以认为ΔSa等于零。因而有:

式(2-3)表明从全球尺度来看,降水总量与蒸发总量是相等的。

式(2-4)表明陆地蓄水量的变化与海洋蓄水量的变化数量相等、符号相反。就是说,当陆地蓄水量增加时海洋蓄水量必然减少,当陆地蓄水量减少时海洋蓄水量必然增加。所以,在温度低的冰期,很多水被冻结在陆地,因此海洋蓄水量减少,海平面下降,海岸线向海洋方向移动;当温度较高时,陆地冰雪融化,海洋蓄水量增加,海平面上升,海岸线向大陆方向移动。

对于全球海洋,其水量支出项为海面蒸发,其收入项有海上降水和大陆流入海洋的径流R,其水量平衡方程为:

对于全球大陆

对于任何局部区域,其水量平衡方程式为:(www.xing528.com)

式中:ΔS为区域蓄水量;P为降水量;Rin为区外输入的径流量;Rout为输往区外的径流量;E为蒸发量。

局部区域可理解为任意给定的自然或社会意义的空间,如河流、湖泊、冰雪等水体,各大小不同的流域或行政区域,以及按地质地貌类型、气候类型、植被类型、土地类型、土地利用类型等划分的地域或地段。

大气系统水量平衡方程式为:

式中:Ain和Aout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;P和E分别为降水量和蒸发量;ΔSa为大气系统中的蓄水量。

对于土壤系统,其水量平衡方程式为:

式中:Cm为土壤中的凝结水;Sin为由地下水和壤中流形式进入土壤层的水;Sout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;ΔW为土壤层中的蓄水量变化。

地下水系统的水量平衡方程式为:

式中:β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,即潜水蒸发量;Uin为从水平方向和地下流入系统的水量;Uout为从水平方向或地下流出系统的水量;ΔU为地下的蓄水量变化。

对于一个区域的由大气水、地表水、土壤水和地下水组成的完整的水循环系统,可以把各个子系统的水平衡方程联立起来组成方程组,以研究整个系统的水循环。