书城科普有趣的物质循环(探索神秘的大自然)
7860500000022

第22章 认识水循环(2)

散度为正的地区表示水汽自该地区向四周辐散,称该地区为水汽源,在这种情况下降水比较少;反之散度为负的地区,表示四周有水汽向该地区汇集,称该地区为水汽汇,降水比较多。例如,我国大陆东半部水汽总输送场中,其主要水汽耦合区与主要降水区的分布就存在良好的对应关系。黄土高原与华北平原常年为水汽源,东南沿海地区为主要水汽耦合区,所以前者降水远少于后者。

(2)影响水汽输送的主要因素

影响水汽含量与水汽输送的因素很多,主要因素如下:

①大气环流的影响。如前所述水汽输送形式有两种,其中环流输送处于主导地位。这和大气环流决定着全球流场和风速场有关。流场和风速场直接影响全球水汽的分布变化,以及水汽输送的路径和强度。因此,大气环流的任何改变,必然通过流场和风速场的改变而影响到水汽输送的方向、路径和强度。

②地理纬度的影响。地理纬度的影响主要表现为影响辐射平衡值,影响气温、水温的纬向分布,进而影响蒸发以及空中水汽含量的纬向分布,基本规律是水汽含量随纬度的增高而减少。

③海陆分布的影响。海洋是水汽的主要源地,因而距海远近直接影响空中水汽含量的多少,这也正是我国东南沿海暖湿多雨,愈向西北内陆腹地伸展,水循环愈弱、降水愈少的原因。

④海拔高度与地形屏障作用的影响。这一影响包括两方面:其一是随着地表海拔高度的增加,近地层湿空气层逐步变薄,水汽含量相应减少,这也是青藏高原上雨量较少的重要原因;其次是那些垂直于气流运行方向的山脉,常常成为阻隔暖湿气流运移的屏障,迫使迎风坡成为多雨区,背风坡绝热升温,湿度降低,水汽含量减少,成为雨影区。

降水

降水是水循环过程的最基本环节,是地表径流的本源,亦是地下水的主要补给来源。降水在空间分布上的不均匀与时间变化上的不稳定性又是引起洪、涝、旱灾的直接原因。所以在水文学水资源的研究与实际工作中,十分重视降水的分析与计算。

降水是受地理位置、大气环流、天气系统、下垫面条件等因素综合影响的产物。地理位置、大气环流等的影响已在水汽输送一节中阐述,这里主要介绍地形、森林、水体等下垫面条件以及人类活动对降水的影响。

1.地形条件影响

地形主要是通过气流的屏障作用与抬升作用对降水的强度与时空分布发生影响的。这在我国表现得十分强烈。许多丘陵山区的迎风坡。常成为降水日数多、降水量大的地区,而背向的一侧则成为雨影区。

1963年8月海河流域邢台地区的特大暴雨,其雨区就是沿着太行山东麓迎风侧南北向延伸,呈带状分布,轴向与太行山走向一致,即是典型实例。地形对降水的影响程度决定于地面坡向、气流方向以及地表高程。

位于台湾岛的中央山脉,因受湿热气流的影响最强,所以递减率最大,达105毫米/100米;而位于内陆的甘肃省祁连山,由于当地水汽含量少,降水的年递增率仅7.5毫米/100米。但是,这种地形的抬升增雨并非是无限制的,当气流被抬升到一定高度后雨量达最大值,此后雨量不再随地表高程的增加而继续增大,甚至反而减少。

2.森林对降水的影响

森林对降水的影响极为复杂,至今还存在着各种不同的看法。例如,法国学者F·哥里任斯基根据对美国东北部大流域的研究得出结论,大流域上森林覆盖率增加10%,年降水量将增加3%。

根据前苏联学者在林区与无林地区的对比观测,森林不仅能保持水土,而且直接增大降水量。例如,在马里波尔平原林区上空所凝聚的水平降水,平均可达年降水量的13%。我国吉林省松江林业局通过对森林区、疏林区及无林区的对比观测,森林区的年降水量分别比疏林区和无林区高出约50毫米和83毫米。

总体来说,森林对降水的影响肯定存在,至于影响的程度,是增加或是减少,还有待进一步研究。森林对降水的影响,与森林面积、林冠的厚度、密度、树种、树龄以及地区气象因子、降水本身的强度、历时等特性有关。

3.水体的影响

陆地上的江河、湖泊、水库等水域对降水量的影响,主要是由于水面上方的热力学、动力学条件与陆面上存在差别而引起的。

“雷雨不过江”这句天气谚语,形象地说明了水域对降水的影响。这是由于大面积水体附近空气对流作用,受到水面风速增大、气流辐散等因素的干扰而被阻,从而影响到当地热震雨的形成与发展。

根据观测,水域对降水的影响,总体来说是减少降水量,但因季节而有差异。例如,夏季在太湖、巢湖及长江沿岸地带,存在程度不同的少雨区,以南京到扬中平原之间的长江沿岸较为典型,夏季降水量比周围地区少50~60毫米,但冬季则比周围略有增加,增加值不超过10毫米,所以从全年来说还是减少了降水量。

又如,新安江水库建成后,库区北部的年降水量明显减少,最大可减少100毫米/年,估计库区中心可能减少150毫米,占全年降水量的11%左右。但在迎风的库岸地带,当气流自水面吹向陆地时,因地面阻力大,风速减小,加上热力条件不同,容易造成上升运动,促使降水增加。

4.人类活动的影响

人类对降水的影响一般都是通过改变下垫面条件而间接影响降水。例如,植树造林、或大规模砍伐森林、修建水库、灌溉农田、围湖造田、疏干沼泽等,其影响的后果有的是减少降水量,有的增大降水量,影响机理如前所述。

在人工直接控制降水方面,例如,使用飞机、火箭直接行云播雨,或者驱散雷雨云、消除雷雹等,虽然这些方法早已得到了实际的运用,但迄今由于耗资过多,只能对局部地区的降水产生影响。

需要着重指出的是,城市对降水的影响。这种影响主要表现为城市的增雨作用。例如,南京市区年降水量比郊区多22.6毫米,而且增加了大雨的机遇,雷暴和降雪的日子亦较多。其具体影响的程度、增雨量的大小,则视城市的规模、工厂的多少、当地气候湿润的程度等情况而定。

下渗

下渗,是水透过地面渗入土壤的过程,是水在分子力、毛细管引力和重力的作用下在土壤中发生的物理过程,是径流形成的重要环节。它直接决定地面径流量的生成及其大小,影响土壤水和潜水的增长,从而影响表层流、地下径流的形成及其大小。按水的受力状况和运行特点,下渗过程分为3个阶段:

①渗润阶段。水主要受分子力的作用,吸附在土壤颗粒之上,形成薄膜水。

②渗漏阶段。下渗的水分在毛细管引力和重力作用下,在土壤颗粒间移动,逐步充填粒间空隙,直到土壤孔隙充满水分。

③渗透阶段。土壤孔隙充满水,达到饱和时,水便在重力作用下运动,称饱和水流运动。

下渗状况可用下渗率和下渗能力来定量表示。下渗率指单位面积、单位时间渗入土壤的水量,也称下渗强度;下渗能力指在充分供水和一定土壤类型、一定土壤湿度条件下的最大下渗率。

影响下渗的因素有土壤的物理特性、降雨特性、流域地貌、植被和人类活动等。

下渗可通过野外实验用直接测定法和水文分析法加以测定。

径流

径流是水循环的基本环节,是水量平衡的基本要素,又是自然地理环境中最活跃的因素。从狭义的水资源角度来说,在当前的技术经济条件下,径流则是可资长期开发利用的水资源。河川径流的运动变化,直接影响着防洪、灌溉、航运和发电等工程设施。因而径流是人们最关心的水文现象。

影响径流形成和变化的因素主要有:气候因素、流域下垫面因素和人类活动因素。

1.气候因素

气候因素包括降水、蒸发、气温、风、湿度等。降水是径流的源泉,径流过程通常是由流域上降水过程转换来的。降水和蒸发的总量、时空分布、变化特性,直接导致径流组成的多样性、径流变化的复杂性。

气温、湿度和风是通过影响蒸发、水汽输送和降水而间接影响径流的。因此,人们称“河流是气候的产物”不无道理。

降水是产生径流的重要因素,但不是决定径流过程的唯一因素。出口断面流量过程线是流域降水与流域下垫面因素综合作用的直接后果,相同时空分布的降水,在不同流域所产生的流量过程具有完全不同的特性。

2.流域下垫面因素

流域下垫面因素包括:地理位置,如纬度、距海远近等;地貌特征,如山地、丘陵、盆地、平原、谷地、湖沼等;地形特征,如高程、坡度、坡向;地质条件,如构造、岩性;植被特征,如类型、分布、水理性质(阻水、吸水、持水、输水性能)等。

上述流域因素在空间上的随机组合,构成了下垫面条件的差异,这种差异足以构成产流方式(指各种径流成分产流机制的组合)及产流条件上的差异。流域中不同产流方式的空间分布及组合,便构成了流域产流机制的定态问题,这是一个缓变的因素。

流域也是各种水变化因素作用下的综合体。这些因素是降雨、蒸发、下渗、土壤湿度及地下水位等的时空分布与组合。它们直接导致不同产流模式在时程上的相互转换及产流过程中产流面积在空间上的发展,它们决定了流域产流特征的变化与发展,因而构成了流域产流机制中的动态问题,这是流域产流机制中的另一个核心问题,是一个可以迅速变化的因素。

总之,径流形成过程,除了降雨条件外,另一个重要条件就是流域下垫面。只有当雨水降落在一个流域上,水的运行过程才开始,也只有通过流域的下垫面,各种垂向、侧向的运行过程才能出现,并显示出它们在径流形成中的功能。

这种功能首先表现在:同样的降水条件下,不同的下垫面可以具有完全不同的径流效应。大量实测资料表明,尽管降水量、强度、历时等降雨特征相同,但在不同下垫面因素组合的山坡小流域中,出现了多种多样的径流过程。其差异主要表现如下:

①流量上,有大有小,各不相同。

②过程形态上,有的陡涨陡落,有的陡涨缓落,有的缓涨缓落,有单峰,有双峰,峰现时间的滞后时间长短也有差别。

③从径流组成上也有明显的差别。径流由地面径流、壤中流、地下径流所组成。

上述径流量和过程形态上的差别,主要是由于不同径流成分及其生成条件所决定的。出现成分、量、形的差异,归根结蒂是由于流域下垫面不同的构成和特性所致。

总之,流域具有对降雨再分配的功能。流域对垂向运行的水的再分配,形成了不同径流成分;对侧向运行的水的再分配,形成出口断面的流量过程。因此,相对于降水是径流的源泉来说,流域则是径流的发生场和分配场,也是径流形成中的重要因素。知识点蒸腾作用蒸腾作用,是水分从活的植物体表面(主要是叶子)以水蒸气状态散失到大气中的过程。与物理学的蒸发过程不同,蒸腾作用不仅受外界环境条件的影响,而且还受植物本身的调节和控制,因此它是一种复杂的生理过程。植物幼小时,暴露在空气中的全部表面都能蒸腾。