自然水循环系统特征解读

2023-10-26 理论教育版权反馈

【摘要】：如根据地面分水岭，把整个流域自然水循环系统划分为若干个相对独立的一级子流域水循环系统，各个一级子流域水循环系统由一级河道串联、并联或混联起来，一级子流域水循环系统和一级河道水循环系统就是自然水循环系统的要素。在这种划分方法中，河道水循环系统犹如一棵树的树干和树枝，子流域系统犹如树叶，故称这种结构为自然水循环系统的“树状结构”。在地表以上，子流域水循环系统之间存在分水岭，一般不会发生水力联系。

本书中自然水循环系统为流域自然水循环系统的简称，又称一元流域水循环系统，即没有人类活动干扰或人类活动干扰很小的水循环系统。

1.结构和要素

自然水循环系统结构复杂，根据需要有不同的划分方法。如根据地面分水岭，把整个流域自然水循环系统划分为若干个相对独立的一级子流域水循环系统，各个一级子流域水循环系统由一级河道串联、并联或混联起来，一级子流域水循环系统和一级河道水循环系统就是自然水循环系统的要素。一级子流域水循环系统同样可以继续划分为次一级的子流域水循环系统和次一级的河道水循环系统，如此划分下去直至最末一级子流域水循环系统和最末一级河道水循环系统。每一级子流域水循环系统既是上一级水循环系统的要素，又由下一级子流域水循环组成，各级子流域水循环系统层层嵌套，结构上具有相似性。自然水循环系统的这种结构称为“自相似嵌套层次结构”（图3-4）。

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图3-4　流域自然水循环系统的自相似嵌套层次结构

另一种划分方法，把自然水循环系统看做由若干相对独立的基本子流域单元系统（和前面的末级子流域水循环系统对应）和河道水循环系统组成。河道水循环系统可以分为干流和一级支流水循环系统，一级支流水循环系统又可以分为一级支流和二级支流水循环系统，如此直至最末一级河道水循环系统。在这种划分方法中，河道水循环系统犹如一棵树的树干和树枝，子流域系统犹如树叶，故称这种结构为自然水循环系统的“树状结构”（图3-5）。但是，单独对于河道水循环系统来说，也属于一类“自相似嵌套层次结构”，而且，“树叶”也不是乱挂的，“树叶”和“树枝”的关系相当明晰。

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图3-5　流域自然水循环系统的树状结构

由上可知，以上两种划分方法都基于地面分水岭的概念，基本单元都是最小的子流域单元系统和末级河道水循环系统，结构系统在本质上也是一样的，区别仅在于前者把河道看做子系统的一部分，后者则把河道单独分开。这两种划分方法从不同的角度反映了水循环的规律。比如在“自相似嵌套层次结构”划分方法中，我们可以看到，任一层次的水循环系统都具有结构上的相似性，不同层次的水循环系统只是在尺度大小上有所不同，水循环系统结构上的相似性决定了水文参数和特性随尺度规律性变化的特点。而流域水循环的树状结构和我们认识水分运动规律的习惯比较一致：降雨通过坡面（基本子流域单元系统）产流进入河道，然后经过各级河道层层汇流，最后流到出口断面。在以子流域为基本单元的水文模型中，通常先模拟子流域产流过程，然后模拟各级河道汇流过程。网格单元的水文模型基本思想也差不多，先模拟网格单元的产流过程，然后模拟各级河道汇流过程。

构成基本子流域单元系统和最末一级河道水循环系统的要素称为自然水循环系统的基本要素。自然水循环系统最基本的要素可以分为两类：一类是水体（简称水），包括水和为水所携带的溶解物或悬浊物；另一类是介质，即形成水体赋存和运动空间的实体。组成基本子流域单元系统的介质类要素包括地面覆被、土壤、岩层、河沟等；组成各级河道水循环系统的介质类要素包括河槽、河漫滩和河岸等。河道行进过程中串连的湖泊是由特定的地形地貌形成，由蓄水区、湖滩和湖岸组成，可以看做河道系统的特定形式。

水循环系统的各个要素都具有一定的时空结构。空间上，各个子流域水循环系统都具有一定的空间位置；基本子流域单元系统的构成要素既在水平方向上具有特定的坐标位置，又在垂直方向上具有一定的分层结构。时间上，各要素具有随时间变化的特征，比如一个子流域系统内部地面覆盖物的种类、各类覆盖物的比例都不是固定不变的，地表水、土壤水和地下水的水量也是经常变化的。

2.各要素之间的联系

水循环系统的各要素之间相互影响、相互作用，水量交换是各要素之间最普遍的联系方式。

河道水循环系统起到联系各子流域系统的桥梁、纽带作用，子流域水循环系统和河道系统之间存在密切的地表水和地下水的交换。水进入河道以后，由次级河道水循环系统向上一级运动，最终到达流域出口。

子流域水循环系统之间的水量交换则比较复杂。在地表以上，子流域水循环系统之间存在分水岭，一般不会发生水力联系。而在地表以下，它们之间的联系取决于地下分水岭的存在与否或者所处的位置，如果地下分水岭与地上分水岭重合，则不存在地下水交换；如果不存在地下分水岭，则存在地下水的交换，甚至有可能是双向交换；如果地下分水岭偏向某一边，则这边的地表水会补给另一边的地下水。(www.chuimin.cn)

在基本子流域单元系统内部，水分通过冠层截留、下渗、产流、坡面汇流等过程在地面覆被、土壤、透水岩层和河沟之间运动和转化。

除了水量交换以外，水循环系统的各要素之间的物质交换还包括水体中挟带的泥沙、盐分、有机物等物质的交换。特别是泥沙的交换，对河道系统的形态变化有着重要的影响。

水循环系统的各要素之间不仅存在着物质交换，同时还存在水量承载着的能量的交换。在自然水循环系统中，水由高处向低处流动的过程，也是势能向动能转化的过程。特别是坡面漫流和地表径流挟裹着的动能，对重塑地形、地貌和河道形态甚至改变流域的范围和主流的走向（改道）具有重要的作用。

从认识论来说，信息是消除不确定性的一种指标。从本体论来说，信息就是表征事物存在和运动变化状态的一种基本形式。各个流域有一定的地理位置，土壤含水量有一定的大小，河流里的水具有一定的速度，这些都是涵盖在水循环系统中的信息。水是水循环系统中最活跃的因子，在运动过程中和其他要素之间不断进行信息传递和交换。水在流经坡面、土壤或者河道的过程中，沿途会不断加入一些物质，水体的组成成分因而发生改变；流经某些地热丰富的地区，温度会发生变化；在流动的过程中，水体所承载的势能和动能会发生转化，在转化的过程中能量还会发生一些损耗。这些变化不仅仅是物质和能量的改变，同时也意味着水体中所承载的信息的改变。水体由水循环系统的某一个要素进入另一个要素时，水体中所承载的信息也随之发生转移。

3.环境

与自然水循环系统发生联系的外部系统主要有日地系统和大气系统（图3-6）。

日地系统主要为水分的运动和转化提供源源不断的驱动力。在地球的重力作用下，大气中冷凝产生的水得以向下降落到地面，接下来降落到地面的水又由高处向低处运动，得以完成下渗、产流、河道汇流的过程。而太阳为水体的蒸散发提供源源不断的能量，使水分重新回归大气，为水分参与下一次循环过程做准备。不仅水体的运动过程受到日地系统的作用，流域的地势、地形、地貌等无不是日地系统长期演化的结果。以黄河流域为例，在晚更新世以前，黄河流域内曾经散布着许多自成独立水系的内陆湖泊，相互之间并不连通。由于强烈的喜马拉雅造山运动，使西部隆起，东部下沉，湖泊之间的支流加速溯源侵蚀，终于在全新世初期，形成了现代全线贯通、汇流入海的黄河水系。

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图3-6　自然水循环系统与环境的关系

频繁的物质和能量的交换是大气系统和水循环系统之间相互作用的主要形式。大气中的水冷凝以后落到地上，就脱离了大气系统，参与到陆面水循环过程中来，降水不仅给水循环系统带来了必要的物质（水），而且带来了附载在水中的能量（重力势能），使得水循环过程得以进行。水循环系统中的水分从太阳辐射获取能量，通过蒸发作用又回归到大气系统中去。作为水循环系统的外部环境，大气的温度、湿度、风等因素也对水分的蒸发过程发生影响。

日地系统和大气系统不仅与水循环系统发生作用，它们自身也互相发生作用。比如大气升温降温主要取决于太阳辐射的强弱；太阳对大气温度加热不均匀导致空气的方向性运动（风）；太阳的辐射使得水分源源不断地进入大气。日地系统对大气的影响可以进一步作用于水循环系统。大气系统虽然对日地系统没有什么影响，但是天气变化对作用于水循环系统的太阳辐射量的大小存在影响。

4.功能

水循环系统的功能就是完成水分从进入水循环系统直至离开水循环系统的整个运动和转化过程，包括前面所说的截留、蒸发、下渗、产流、河道汇流等过程。自然水循环系统是一个自组织的系统，不管是水体循环往复的整个过程，还是土壤侵蚀、河道冲淤平衡、河水泛滥改道等，无不处于水循环系统自身规律的控制之下，整个水循环系统中的各个子系统以水为纽带维系一种和谐的动态平衡。

自然水循环系统特征解读

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