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探索大自然的水循环与水量平衡的数学原理

其范围可由地表向上伸展至大气对流层顶以上,地表向下可及的深度平均约1000米。

全球性的水循环称为大循环,由海洋、陆地和一系列大小区域的水循环所组成。

水循环按其发生的空间又可以分为海洋水循环、陆地水循环(包括内陆水循环)。

因此,水循环的尺度大至全球,小至局部地区。从时间上划分,可以是长时期的平均,也可以是短时段的状况。

相应的,研究水循环时,研究的区域可大至全球、某一流域,也可小至某一地域内的土壤或地下含水层内的水循环,时间也可长可短。

形成水循环的原因

形成水循环的内因是水在通常环境条件下气态、液态、固态易于转化的特性,外因是太阳辐射和重力作用,为水循环提供了水的物理状态变化和运动的能量。

地球上的水分布广泛,贮量巨大,是水循环的物质基础。

由于地球上太阳辐射的强度不均匀,不同地区的水循环的情况也就不相同。如在赤道地区太阳辐射强度大,降水量一般比中纬地区多,尤其比高纬地区多。

影响水循环的因素

自然因素主要有气象条件(大气环流、风向、风速、温度、湿度等)和地理条件(地形、地质、土壤、植被等)。人为因素对水循环也有直接或间接的影响。

人类生产和消费活动排出的污染物通过不同的途径进入水循环。矿物燃料燃烧产生并排入大气的二氧化硫和氮氧化物,进入水循环能形成酸雨,从而把大气污染转变为地面水和土壤的污染。大气中的颗粒物也可通过降水等过程返回地面。土壤和固体废物受降水的冲洗、淋溶等作用,其中的有害物质通过径流、渗透等途径,参加水循环而迁移扩散。人类排放的工业废水和生活污水,使地表水或地下水受到污染,最终使海洋受到污染。

水在循环过程中,沿途挟带的各种有害物质,可由于水的稀释扩散,降低浓度而无害化,这是水的自净作用。但也可能由于水的流动交换而迁移,造成其他地区或更大范围的污染。

地理意义

水循环的地理意义有五方面:

①水在水循环这个庞大的系统中不断运动、转化,使水资源不断更新。

②水循环维护全球水的动态平衡。

③水循环进行能量交换和物质转移。陆地径流向海洋源源不断地输送泥沙、有机物和盐类;对地表太阳辐射吸收、转化、传输,缓解不同纬度间热量收支不平衡的矛盾。

④造成侵蚀、搬运、堆积等外力作用,不断塑造地表形态。

⑤水循环可以对土壤的优质产生影响。

水量平衡方程式 水量平衡方程式可由水量的收支情况来制定。系统中输入的水(I)与输出的水(O)之差就是该系统内的蓄水量(△S),其通式为:I-O=±△S按系统的空间尺度,大可到全球,小至一个区域;也可从大气层到地下水的任何层次,均可根据通式写出不同的水量平衡方程式。

大气系统,其水量平衡方程式为:Ai-+E-P=±△A 式中Ai和 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;△A为大气系统中的蓄水量。

流域系统,其水量平衡方程式为:

P-R-E=±△S 式中流域蓄水量 (△S)为降水量(P)减去流量(R)和蒸发量(E)之差。

土壤系统,其水量平衡方程式为:P +Cm-R +Si--E=±△W

式中Cm为土壤中的凝结水,Si为由地下水和壤中流形式进入土壤层的水;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;△W为土壤层中的蓄水量。

地下水系统,其水量平衡方程式为:αP +Ui--Eu=±△U

式中 α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;Ui为地下流入系统的水量;为地下流出系统的水量;△U为地下的蓄水量。

水循环的数量表示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。平衡的基本原理是质量守恒定律。水量平衡是水文现象和水文过程分析研究的基础,也是水资源数量和质量计算及评价的依据。

水量平衡可与能量平衡结合起来进行研究,即水热平衡的研究。它是现代自然地理学物质与能量交换研究的主要内容之一。水量平衡各要素组合特征(它们的数量和对比关系)构成地理地带划分的物理背景,常用以划分地理区域。因受人类活动影响而出现一系列的环境问题,多数与人们改变了水量平衡有关。

用户评论

堕落爱人!

这篇文章把地球上的水循环讲得清晰易懂!特别是那个公式,感觉很有力量,就像数学能够解释自然规律一样神奇。

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放血

我一直对水的存在状态变化感到好奇,没想到有这么详细的介绍,学习到很多知识,这下我理解为什么海水可以淡化了。

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一生只盼一人

标题看着就很严肃的样子,以为要讲些复杂的水化学反应,结果还是比想象中的轻松好懂得多!

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愁杀

其实我一直不太关注水循环,因为觉得和日常生活没什么关系,看了这篇文章才发现它对我们人类影响非常大,比如天气预测啊、农业灌溉啊等等。

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发型不乱一切好办

感觉公式有点复杂,我数学不是太好,很难一下子理解。希望文章里能加入一些图解或者动画来解释公式的含义。

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君临臣

水循环这种自然现象确实很神奇!从小到大就没想过要把它的方程式计算出来,这篇文章让我对大自然的奥妙充满了敬畏之心。

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全网暗恋者

看来水资源还是真的宝贵啊!以前觉得水随处可见所以从来没意识到它面临着挑战,希望我们能保护好环境,维持水量平衡。

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呆檬

文章写得很好,但我觉得有些地方细节处理的不太到位,比如蒸发和降水的比例计算,可以更加具体一些,帮助读者更好地理解整个过程。

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命运不堪浮华

感觉这篇文章缺少趣味性,虽然信息准确,但是讲起来有点枯燥乏味。

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半梦半醒i

我很想学习更多关于水循环的知识,可是文章里的公式太复杂了,我需要多查阅一些资料或者视频来帮助理解。

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柠栀

大自然确实太神奇了!从微观到宏观的现象都有着自身的规律,这篇文章让我对自然界充满了好奇和探索之心。

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月下独酌

希望以后的文章能更加注重易于理解性,把复杂的知识用更生动的语言讲解出来,吸引更多人关注环境保护问题。

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烟雨萌萌

水循环跟我的生活息息相关!比如下雨的时候,我就知道要拿伞了,这篇文章让我感受到了水的奇妙之处,也让我更加珍惜它。

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冷落了♂自己·

这篇文章让我意识到,很多看似微不足道的事情背后其实都蕴含着深刻的科学道理,所以我们应该保持好奇心,不断学习和探索。

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呆萌

公式看起来很吓人,但我还是很佩服作者能够把水循环用数学形式表达出来,这也体现了科学研究的力量。

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秒淘你心窝

这篇文章让我对环境保护有了更多思考,保护水资源就是保护我们人类自身的未来,希望越来越多的人能意识到这一点。

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孤单*无名指

感觉文章缺乏互动性,希望能加入一些问题或者引导读者的思考,这样读者才能更深层次地理解水循环的重要性。

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