水资源评价中水平衡三要素间的变化关系

时间：2022-01-26 励志故事版权反馈

【摘要】：水资源评价中水平衡三要素间的变化关系一、全国水平衡三要素的分布情况水平衡三要素指降水量、径流量及陆地蒸发量。在山区闭合流域，这三个要素之间是基本平衡的，即陆地蒸发量等于降水量与径流深之差。后者所携带的水汽仅影响新疆西部，前三者则影响我国大部地区。

水资源评价中水平衡三要素间的变化关系_陈满祥水文水资源

水资源评价中水平衡三要素间的变化关系

一、全国水平衡三要素的分布情况

水平衡三要素指降水量、径流量及陆地蒸发量。在山区闭合流域，这三个要素之间是基本平衡的，即陆地蒸发量等于降水量与径流深之差。不同地区，三要素的变化是很大的。

1.降水量的分布

降水量的分布，全国大体可以分为以下地区：

（1）干旱区：年降水量在200mm以下，200mm的等雨量线东起内蒙古西部，经腾格里沙漠南缘、祁连山、昆仑山北麓，至塔里木沙漠的西缘，除去新疆天山山地及阿尔泰山区。最干旱的地区在甘新交界以西至塔里木沙漠东段及吐鲁番这一三角地带。实测最小年平均降水量出现在吐鲁番盆地的托克逊站，20年平均降水量为6.3mm。

（2）半干旱区：年降水量在200～400mm之间，400mm等雨量线的分布，东起大兴安岭西侧经呼和浩特以东、榆林、环县、定西、昆仑山中段至拉莎以南，最西止于喜马拉雅山脉西段。部分高山区如祁连山脉、贺兰山等降水量较大。

（3）半湿润区：年降水量介于400～800mm之间，其南界东起淮河干流，沿伏牛山脉、秦岭北坡至川西高原、滇北、藏东南。这条分界线也是我国南北气候带的主要分界线。

（4）亚热带湿润区：包括长江流域大部。年雨量800～1500mm。

（5）热带季风雨林区：包括两广、台、闽云南南部及藏东南雅鲁藏布江大拐弯地区。年降水量一般超过1500mm。

2.年径流深的分布

年径流深的分布，基本决定于降水量的分布，但是受下垫面的制约。

（1）北方

①山地高径流带。大小兴安岭，张广才岭，长白山地，山东半岛沂蒙山地。

②迎风坡高径流带。太行山东侧，燕山东南侧等。

③背风坡及高原低径流带。山西省太行山西侧，内蒙古大部。

④平原区、河谷盆地低径流带。华北大平原，汾、渭河谷地，永定河上游谷地等。

⑤黄土高原低径流带。

（2）西北

①高山区高径流带：如祁连山、天山、阿尔泰山、昆仑山、喀啦昆仑山等，其中以高山冰川作用地区及阿尔泰山融雪区为最。

②高原、盆地低径流带，或径流消失带。如内蒙古高原，塔里木盆地、准格尔盆地、柴达木盆地等。

③高寒草原中等径流带。如甘肃南部草原及青海高原草原等。

（3）中部及长江流域

①山区高径流带；

②山间盆地低径流带；

③大盆地低径流带；

④河网区低径流带。

（4）南部地区

①台风山脉迎风坡特高径流带；

②台风背风坡相对低径流带；

③河谷盆地低径流带；

④平原河网低径流带。

（5）西南

①热带西南季风高山迎风坡高径流带：云南西南部及横断山脉西坡。

②背风坡相对低径流带；

③河谷干燥带；

④小盆地低径流带；

⑤高原中部低径流带；

⑥羌塘高原干旱带。

3.陆地蒸发量分布

陆地蒸发量虽然是降水量与径流量之差值，但它受着多种因素的影响。在我国，陆地蒸发量的最低值在干旱地区，基本由降水量决定。在降水量较充分的地区，则主要为植物或者植物群落的存在条件所决定。在降水量均匀且充分的地区，陆地蒸发的最大值接近于大水体的蒸发量，这是就大范围的气候条件来说的。如果考虑具体流域的千变万化的下垫面因素影响，则三要素的平衡关系，就发生了很大的变化。

我国陆地蒸发量的分布基本上是从北到南亦即从降水量较少的干旱，半干旱区向南部增加。北部及西北地区干旱草原带年降水量200mm左右，陆地蒸发量亦近于此数，草原带年降水量400mm左右，陆地蒸发量300～350mm；温带森林带，降水量450～700mm，陆地蒸发400～500mm左右；再向南落叶混交林带陆地蒸发量500～600mm，阔叶常绿林带600～800mm，热带雨林800～1000mm以上。

二、水平衡要素地理分布的影响因素

气候和自然下垫面因素，决定着水平衡三要素的相互关系，河流是水平衡三要素的综合产物，不同的气候类型带，发育着不同类型的河流。气候的地带性主要决定于温湿条件，具体来说决定于纬度带、环流类型、距海洋远近、地势高低等因素。

纬度是影响我国热量分布的主要因素，温度状况又影响水汽输送通量。在环流类型和距海远近相同的条年下，低纬度水汽通量要比高纬度大得多，这就造成我国南方比北方总的降水多的主要原因。

我国主要受以下这些环流类型的影响，热带、副热带东南季风，热带西南季风，温带东南季风，西风带环流等。后者所携带的水汽仅影响新疆西部，前三者则影响我国大部地区。夏季东南气流从南海及东海将水汽吹向大陆，影响所及，遍及我国大部地区；热带西南气流由孟加拉湾吹来，越过西藏高原，横断山脉而达西南及西北部分地区。一小部分水汽由阿拉伯海经印度河谷到达西藏的最西部及新疆西南部。

在水汽输送的过程中，经过节节降落和大山阻隔，至腹地则已经很少了，在甘肃和新疆的交界带，即甘肃敦煌以西至新疆的吐鲁番以东，是东西气流所携带水汽难以到达的地段，即使这里动力条件很好，如安西有“世界风库”之称，也难以增加多少降水量。

地势高低和山脉分布，起着几种作用。其一是“地高天寒”天寒则改变“三要素”的平衡条件。随着山脉的升高，气候的垂直地带性明显，它和纬向的水平地带性分布有某种类似。大体每升高1公里，相当于纬向北移500～1000公里的气候变化。其阻隔水汽输送通道，尤以垂直于上述主要水汽输送方向的大山体为然。此外还有一个重要的作用，就是山脉的存在，可以增加降水量，有类似凝结器的作用。从我国的降水量图上可以看出：山区降水一般多于平原，大平原中部，往往存在少雨区，华北平原中段即是。在黄土高原上，断续存在的高山区成为降水量的高值带，对缓和这里的干旱状况很有好处。如果我国广阔的大西北没有天山、祁连山和昆仑山脉，不可能有“富饶的河西走廊”和“天山南北好地方”。

造成大气降水量的多寡，除了水汽这个基本条件外，还要有动力因素相配合。盛行风向的山脉迎背坡向，形成多雨区和少雨区。这种“一高一低”降水带的分布，在我国有很多。如天山西段口袋形多雨区，昆仑山西段北坡多雨区，祁连山北坡多雨区，太行山东侧多雨区，大兴安岭东侧多雨区，四川盆地川西边缘山地多雨区，横断山脉西坡多雨区等。小地形的迎背风坡影响也是显著的，这从各省所绘的细致的等雨线图上可以看出来，不少小的闭合圈往往偏向山脉迎风坡的一侧。

三、下垫面的作用

下垫面是水平衡三要素的主要作用层，它的物理特性有两方面。其一是作用层的状况，包括岩性（土质、地质）及被覆等；其二是作用层的地面坡度等。下垫面作用层包括从潜水位以上至地表的包气带及地表面结构。作用层土质指土层的机械组成，可划分为戈壁、沙漠、沙土、壤土、黏土、腐殖土等类型。作用层的地质条件指岩性、裂缝、断层、岩溶等。此外还有作用层的分层特性及水分储运条件等。被覆类型分为森林、草原、草甸、荒漠、裸露、农田（水田、旱田）等。以上这些是降水入渗、产流的基本物理条件。

地表坡度，从大范围看有山地、丘陵平原，对于一个流域或集水区，则有流域坡度、河网类型、河道纵坡、流域平均高程等，或者说流域的崎岖或开阔程度。这些因素影响着流域的地表汇流及地下汇流。

我们在分析甘肃省的年径流分布规律时，将径流区域划分为以下类型：①石山森林区②土山森林区③土石山林区④黄土丘陵区⑤高原草原区。有关指标列入下表。

从表中可以看出，在年降水量相差不大的情况下，径流系数的差别很大。突出的是黄土高原的径流系数很小，一般不超过0.10和同类年降水量地区相比，年径流深相差5～10倍。因此，黄土高原地区河流水资源显得特别小。

此外，根据外省的情况，还可以列出一些类型，如陕北榆林至内蒙古乌审旗风沙地区。这里有较大面积的沙漠及沙区河流湖泊分布，年降水量350～400mm，年径流深50～100mm，年径流系数0.15～0.25，远较黄土高原径流系数大。再如大平原类型，如华北平原、淮北平原、东北平原等，它们的水平衡条件又依其水分的储运结构的差异而各有特点。其他类型如冰川、沼泽等。

四、水分的储运结构

所谓水分的储运结构，是指降水下渗到土层中以后，其运动储存形式。这在河川径流的形成中有着重要的作用。主要包括两方面的内容，一是土层包气带的厚度，一是土质特性。如果潜水位低，土层包气带厚，则下渗后的水分运程就长，包气带的蓄水容量就大，结果造成的水分损失很大。如黄土高原，黄土层深厚，潜水位很低，包气带容量很大。降水后在表层形成湿润层（下渗锋区），在中小强度降水条件下，一般1mm降水量可以浸润1cm土层。在下渗锋区下部，土壤含水量较小，由重力作用及毛管作用，上层水分节节下渗，使得整个土层土壤含水量趋于一致。也有少部分重力水补给地下水，提高潜水位，最终补给河流，成为河川径流中的地下水部分。

在地表则进行着强烈土壤蒸发，直至将表层晒干。这时较湿润的下层水分又以毛管的形式补充上来。在降水量不充分的情况下，下渗水量锋区，不仅不能继续下降，反而又被拉了上来。这样，一场降雨，一部分超渗雨产生径流，这部分占比重较小，陇东地区多年平均洪水径流量约10～20mm；一部分重力水抵达潜水位，约占10～15mm，其余则全部耗于土壤蒸发，其量约占年降水量的90%以上。这就造成黄土高原陆地蒸发量较大，径流深较小的根本原因。

另一种情况是当潜水位很高，由于土壤毛管水源源不断地补给地表蒸发，因此也大量地增加陆地总蒸发量。潜水位高，有利于产生洪水径流，增加地面径流总量，这在华北平原的下游地区有明显的反应，但它受到地形等限制，排水不畅，而造成涝渍或沼泽，其蒸发损失量加大，而形成低径流区域。我国东部北部平原及河流下游河网地区径流的明显减少就是例证。

土质特性的不同，对径流形成的作用。在沙漠地带，上层全为砂粒组成，透水性很好，在同样包气带厚度下，由于粒径较大，其沙层自然储水容量远小于土层，所以雨水下渗速度快（重力水）达到地下潜水位的水量多,补给地下水的数量大。在表层干燥以后，下层水分由于毛管上升高度小，所以干燥层较浅。在这种情况下，干燥的表层，实际起着保护下层水分又被蒸发的作用，粒径较粗，这种作用更明显，西北的铺砂田（田面铺砂厚5～10cm,粒径0.1～5cm），就是利用这种作用，达到增产的目的。因此，在年降水量仅有100～200毫米的沙漠中，如腾格里沙漠，也能有众多的由地下水补给的小湖泊存在，而且其水质还略好（矿化度1～2克/升），说明其蒸发耗水和浓缩作用较小。在前述鄂尔多斯—榆林沙漠地带，年降水量虽不及陕北多，却形成一个年径流明显的高值区，主要是由于这种原因造成的。

考察西北干旱荒漠地带，可以发现这样的特点，在低丘形沙漠地区，能够存在一定的沙生植物被覆，而在戈壁地区特别是准平原化的石戈壁地区，则多见裸露不毛之地，因此可以这样认为：在干旱荒漠地带，沙漠的存在有利于水分的保存。

在绘制全国陆地蒸发量等值线时，我们发现600mm等值线在淮北地区突出地向北移，通过资料分析，还发现在淮河干流及南岸一带有一个陆地蒸发量值低于600mm的地带（因为资料不充分，在绘线时没有绘出）明显地违背了陆地蒸发值由北向南递增的规律。将淮北淮南降水、径流、陆地蒸发值列出以作比较。

可以看出年降水量差别不大，年径流深差别较大，年径流系数差别较大。我们认为造成水平衡条件的差别的主要原因是：淮北平原主要由黄河冲积物形成，其地表（指平原面）较河床（一系列的平行河流）高出10米左右，有的地段更高，形成水低地高这样一个平原。平原区潜水位较低，土壤包气带较厚（当然远比黄土高原小）造成类似黄土高原那样的水分储运情况。其结果不仅表现出水文特性的差异，而且也使淮河干流成为我国温带气候和付热带气候（南北气候）的分界线的重要原因之一。

五、植被带的影响

在不同气候条件下及不同的岩性的基底上发育着不同的植被带，这种不同的植被带对水平衡三要素间的变化的影响也是复杂的。可分为以下几种情况。

1.森林植被带

一种是发育于石质山区域以石山为主的森林类型，一种是发育于黄土高原的森林类型。

（1）在石山林区内，森林的根系罗织于岩层表面风化层，并形成腐殖层。风化层的下部即原状基岩，属于不透水层。其储水结构主要为岩石裂隙及表层腐殖层。它的地下水即为岩石裂隙水。降水以后，疏松的腐殖层透水作用很强，并且很快补给岩隙。当岩隙储满以后，又以地下径流的形式补给河川。因此在相同降水量的情况下，它较其他地貌类型补给河川径流大。

在降水量较丰沛地区，由于森林覆盖，陆地蒸发损失以森林蒸腾为主要形式，其表层土壤蒸发远较裸露地面为小，常见林下地面总是很湿润的，就是例证。因此，在这种条件下，森林的存在，一般地表现为增加地面径流量。

在降水量一般的地区（如降水量500～600mm左右），在多雨季节，地下水丰富，及时补给河川，在少雨季节，仍以一部分裂隙残存水分供给植物生长需要，因此较喜湿的松林，在这类地区得以生存。

以上两种情况说明，在降水量相对较多的石山森林景观带，一般利于径流量的增加。从全国径流深分布看，森林区一般的对应于高径流区。从水量平衡要素来分析，在相同降水条件下，径流的增加就是陆地蒸发的减少，这也说明南方陆地蒸发量的低值区一般对应于石山林区。

在降水量偏小（年降水量400～450mm）的森林区，由于水分不充分，特别是阴坡阳坡水分条件差别很大，因而造成林相的差别，阳山坡又多为草原或裸露。在这种条件下，森林的存在往往又造成径流的减少，所谓“涵养水源”，应理解为森林对年径流的调节作用，减少洪峰流量，提高枯季流量，因为涵养的概念是非常模糊的。

（2）黄土高原林区

以黄土层为基底的森林区，由于林下表层腐殖土的发育，改变了下垫面的物理条件，增加了降水量的地表入渗量及植物截留、叶面蒸发量。并调节了地面温湿状况，使对流性暴雨减弱，也相应地减弱了暴雨洪水，增加了流域拦蓄量。拦蓄的水分，补充土壤包气带，同时改善了森林本身的供水条件，这是干旱地区森林存在的特有条件之一。土壤包气带内多余存蓄的水分，大部分又为森林的蒸腾和土壤蒸发所损耗，这就使得黄土高原林区年径流较无森林流域明显减少的原因。仅以下例说明。

泾河上游支流柔远川悦乐站年径流深33mm，该流域基本无林；合水川（森林面积约占流域面积一半以上）板桥站年径流深21.3mm；北洛河支流葫芦河（基本为林区）张村驿站年径流深25mm。可以看出黄土高原森林对年径流的削减量约为25%～35%。另一方面，由于森林削减了洪峰流量，相应地增加了年径流量中的清水流量的比例，其值约35%；也增加了地下径流量的比例，其值约31%。它的直观表现就是：干旱或半干旱的黄土高原地区，裸露流域枯水季节河沟常干涸，而林区则清水不断。这就表现为森林的涵养水源作用。

在两种林区（黄土林区和石山林区）共存于一个大的林带时，可以看到以下现象：子午岭林区，它的西侧在甘肃省境内，东侧在陕西省境内，它们的林相（或森林的种类）差异性很大。在正宁—铜川公路沿线，在陕西境内松林占优势，甘肃境内则基本没有松林，以山白杨等杂林占优势。原来，子午岭两侧，由于河流侵蚀基面的不同，流域和河谷的侵蚀切割情况大不一样。东侧切割较深，顶部仅剩残存黄土层，且较薄，坡面已全剩岩层；西侧则较完整地覆盖着深厚的黄土层，和陇东其他部分类似。

黄土中和岩隙中水分的储存形式不同，一种是集中性储存，即高含水率的储存形式；一种则是均匀地分布在土层中的低含水率的储存形式，前者有利于松林的生长，后者则不利于松林的生长，只能发育一些水分条件要求较低的白杨杂木林，这与前述干旱林区内阴坡生长松林，侧坡生长白杨、桦属等杂木林的特点是一致的。除了产生林相的差别外，也造成河川径流的差异，如子午岭的西部年径流深一般25～30mm，而东侧则达45～60mm。

2.草原植被带

由森林景观转变为草原景观，主要是由于降水量的不足造成的。在高山区又有温度条件的限制。草原的地面层结构与森林区最大差别是腐殖层减少，更没有上部的林冠，因此地面容易暴露，这就无疑增加了土壤的直接蒸发量，并增加了陆地的总蒸发量，表现为草原地貌类型的径流系数明显地低于石山森林带的特点。

六、植物带的分布和水平衡要素间的关系

天然植物带的分布，客观上是水平衡和气候条件的综合表征，任何植物群落的形成无疑地受气象条件的制约，并在很大程度上决定于它。其主要指标就是温湿状况，可以干旱指数和活动积温（日平均气温连续大于等于10℃的累积数）来反映。而陆地蒸发量也可以说是一个较好的综合指标，它与植物带的分布有着明显的一致性。

例如，200～300毫米年降水量与干旱气候耐旱或沙生植物群落相对应。兰州市北部、鄂尔多斯中西部，年降水量200～300毫米，以蒿属植物群落为主，在人为破坏较少的情况下，可以形成大面积的天然植被带，成为良好的防止流沙和土壤继续沙化的植被。

在温带地区，400～450mm降水量，可以近似地做为森林存在的下限，在这里径流深较小，陆地蒸发量约400mm，随着向南方推移，以森林蒸散发量为主的陆地蒸发量节节增加：黄河、淮河间500～600mm，长江流域600～800mm至两广达到800～1000mm，接近或略小于当地大水体水面蒸发量。从全国陆地蒸发图的趋势看，这些基本点是很明显的。

在一定的水平衡带内，森林区以植物蒸腾和散发量为主体的陆地蒸发量值是有一定范围的，或者说是比较稳定的。因此在不同的降水量及不同的土层结构下，森林就表现为减少或增加径流这样两种不同的特点。

我国西部青藏高原及其他地区，包括大山脉的垂直地带性分布，它们的植被带也明显地对应着一定的陆地蒸发量级。如高山极地气候带（高山冻土荒漠，并包括冰川作用地区），主要以苔原植物群落为主，其陆地蒸发值约200毫米左右。因此在一些高山区，特别是冰川作用地区，由于陆面蒸发量的减少，其径流系数很大，一般达0.75～0.85左右。高原草原、高原沼泽地带，其陆面蒸发量约200～300毫米，草原带300～400毫米，高山森林带略大于400毫米。如呼伦贝尔草原，年降水量350～400毫米，年径流深25毫米左右，其陆地蒸发量325～375毫米。

对于平原或河谷平原地区，由于人类活动影响较大，自然植物的破坏，开垦农田，发展水田，致使下垫面条件变化，增加了水分的总损耗量。山区森林的砍伐，增加了裸露地面的土壤蒸发量（据国外文献，森林中土壤表面的蒸发量比田野少2.5～2.7倍），在前述的条件下，一般地均增加了陆地蒸发量。因此，在这些地区，河流径流量减少。这在全国径流深图的分布上，看得很清楚。将径流深图和陆地卫星假彩色照片加以对照，就可以发现：在同一地区，深桔红色的山区（反映森林带）往往对应于高径流区；而由桔红色过渡到桔黄色或土黄色（反映森林的破坏或农田的开垦）其径流深明显地减低。水平衡三要素与下垫面自然景观带的关系可以综合归纳如下图。

七、岩溶地区

岩溶地区，由于地面流域与地下流域不一致，或有漏水及泉涌地段，造成了流域补给来源超过了水文站断面控制范围，致使实测资料不能有规律的反映地区水平衡特点。实际上岩溶或漏水现象只是河川径流的再分配过程，一般地不影响地区水平衡三要素间的相互关系。因此，可以通过适当的处理，即可恢复或接近实际地反映地区径流及陆地蒸发量和变化规律。在绘制年径流等值线时可以选择不受岩溶等影响的资料作为依据资料，或者选用较大控制站的办法，使一些小的岩溶区域包括在一个较大的流域内。通过这样处理以后一般可以使径流深的分布趋于合理。

八、关于绘制三要素图等值线的若干问题