降水分布
降水向下滑地球的表面可能会出现几个命运。它可能会蒸发下降期间或之后到达地面。如果表面覆盖着密集的植被,大量的降水可能在叶子和举行植物四肢和茎。这个过程称为拦截并可能导致小到达地面,因为水可以直接从植物表面回蒸发大气。如果降水到达地面的雪,它可能仍有一段时间了。另一方面,如果降水雨,它可能蒸发、渗透土壤、被拘留在小集水区或成为内陆的流动形式径流。陆路流(Ro)可能被表达的强度单位,每单位时间内水深(如厘米每小时,或每小时英寸),
在哪里P是沉淀率和我渗透速率(条目和向下运动的水到土壤剖面)。入渗率等于降水率直到渗透速率的限制,或渗透能力是达到了。土壤入渗率通常是高初雨之前干旱和减少降雨仍在继续。这种速度的改变是由于土壤孔隙的堵塞微粒从上面带的渗透雨水和土壤胶体粒子的肿胀,因为它们吸收水分。因此,快速降低入渗率在雨中更有可能发生粘土丰富的土壤比沙土。
降雨时期之间,水在土壤水分逐渐失去了通过直接蒸发或通过提取植物。蒸发进入大气开放发生在表面的土壤和土壤干随时间逐渐下降。土壤中的水蒸气向上扩散,补充蒸发水,反过来是消失了。的泵空气的土壤大气压力变化增强了土壤水分向上的运动。已经表明,蒸发的水滴在自由的气氛,和第一次近似在不同土壤大气,液滴的表面积成正比4πr2(平方厘米r液滴的半径),在液滴表面水的扩散通量,以及液滴蒸发的热量的传递。的方程的速度收缩的水滴由于蒸发
在哪里博士/dt变化的速度在水滴的半径(厘米/秒),D是扩散水蒸气在空气系数(立方厘米每秒),ρ签证官是平衡蒸气浓度在液滴表面,Sp欠饱和水蒸气的程度是环境,ρl是水的密度(克每立方厘米),然后呢X是一个无量纲参数根据D,ρ签证官、温度、水蒸汽的蒸发热,空气的导热系数,球面坐标系统必须定义一个球形水滴过程发生。水滴收缩,博士/dt< 0,蒸发掉水蒸气浓度环境(大气或土壤大气)小于饱和水蒸气浓度在液滴表面。他们的成长,博士/dt> 0,condense-when反过来也是正确的自由气氛。这个词博士/dt有负面价值为冷凝蒸发和积极的。使用这个方程显示,作为一个例子,需要23分钟的水滴收缩(蒸发)从50到5微米(0.002到0.0002英寸)在空气中10°C (50°F)和1%的水蒸气欠饱和。
除了简单的蒸发的水从土壤,水也回到大气中蒸腾作用在植物。植物从土壤水分通过他们打水巨大的根头发和延伸出来的网络。这水是向上穿过植物树干和树枝的树叶,以水蒸气形式释放。这个词土壤水分蒸发蒸腾损失总量用于气候和水文研究包括合并后的水损失造成地球表面蒸发和植物蒸腾作用的。最大可能蒸散称为潜在蒸散和适用热能量。它作为等于从大型水面蒸发,通常远低于实际蒸散。实际蒸散是永远大于降水灌溉土地上除了因为地下水渗流的水变成尸体和表面径流。
土壤水分区获得水和降水的渗透和失去水蒸散,坡面流和渗流水下降的原因重力到地下水区。地下水之间的接触区域(潜水区)和上覆非饱和区(包气带)称为地下水位。水平衡方程给出了改变土壤的水分储存
在哪里年代是存储,P降水,E蒸发,R是地表径流+渗透率地下水区;所有的条款都在单位时间单位(如每天毫米、厘米/月)。在潮湿的中间纬度气候在冬季和夏季气温存在之间的强烈对比,有一个年度周期的土壤的含水量。土壤中水分的年度周期在俄亥俄州,美国,为example, demonstrates the processes controlling soil moisture. Of special importance is the fact that the soils are saturated in this temperate气候在春天蒸发率低,因为低投入的辐射能从太阳。相比之下,在夏天,蒸发增加,因为增加太阳辐射,植物的生长也蒸腾。土壤水分降低到很低的水平在每年的这个时候。
地下水和河流径流
这个词R在水平衡方程的变化上面代表地下水和土壤水分存储河从土壤水分区径流损失。水的想法从土壤水分区通过不饱和(渗流)区水位。通过非饱和区流是复杂的。降雨后,水几乎形成一个连续相在毛孔在这个区,但是,干燥,最后的水是在集群举行的接触点的固体颗粒和薄膜在固体表面上。水的流动路径变得更加曲折,输水性能迅速下降。结构化的土壤和断裂岩石在包气带可以作为管道为液体实现水位。由于复杂的几何非饱和区中包含的水,水的属性表示通过经验的关系。达西定律,从1856年法国工程师实验亨利·达西,允许量化的水通过多孔介质流。法律规定,流动的速度问流体通过多孔介质层(例如,一个沙子床)成正比一个Δ层和的区别h之间的流体在进口和出口处标头的层和厚度成反比l的层。表达分析,
在哪里K是一个常数媒介的特征。这个词K对于一个多孔岩石介质的流体的体积单位粘度经过一个单位横截面岩石的单位时间单位压力梯度的作用下;这种特性称为磁导率。岩石的渗透性取决于岩石的几何性质,如孔隙度、形状和大小的分布组成岩石颗粒、胶结程度的岩石。岩石渗透率有很大区别。疏松的金沙可能在数以百计的渗透率测量吗达西,而合并金沙,传播合理数量的达西流体渗透率的0.01比1。一个粗略的一达西渗透的意义(等于9.869×10−12(1.261×10平方米−11平方英尺)可以通过想象一个立方体的沙子一只脚。如果沙滩上有一个达西的渗透率,大约每天一桶水将通过比喻多维数据集与一个一磅重的压头。达西的一般方程可以被修改来表达流在非饱和区和地下水饱和区。
地下水不断运动。当一个湖泊或流相交的地下水位,地下水与这些水体的直接沟通。如果地下水位高于流或湖层面,一个压头将开发的地下水流入水体;相反,如果地下水位低于河流或湖泊,压力梯度引起流入地下水。大部分地下水最终到达渠道表面的小溪和河流,流向大海。平均地下水导致总河径流大约30%的水在全球基础上。
水从地表径流是沉淀,最终出现在的一部分常年或断断续续的表面流。Streamflow-generation机制已经研究了几十年,现在有相当多的知识关于降雨径流过程及其控制。这种理解是两个的结果从田间试验和仔细的观察启发式模拟假设现实与严格的数学模型。下游的流量测量的通道是由通道流入上游到达和年底外侧进入的通道流入hillslope达到。外侧流入可能到达流三种形式之一:(1)地下水流动,(2)地下风暴流,或(3)陆路流。
地下水流动提供的基本流组件流,维持他们的风暴之间流动。“华丽”回应的流速及流水量个人降水事件认为地下暴雨径流或地面水流。在强降雨期间表面土层变得饱和深度,水是能够通过“优先路径”迅速迁移提供足够的贡献流径流峰值期间。的条件地下暴雨径流是相当严格的。陡峭的机制是最有可能的,潮湿的森林,山坡透水表面土壤。
坡面流生成表面后在hillslope只有一个点吗水洼。水洼不能直到表层土壤发生层成为饱和。现在公认的是,表面饱和可能发生因为两个截然不同的mechanisms-specifically,霍顿地面水流(以美国液压工程师和水文专家罗伯特·e·霍顿),邓恩地面水流(以英国水文专家托马斯·邓恩)。
前经典机制的降水率超过了表层土壤的饱和导水率。水分含量与深度剖面在这样的降雨事件将显示水分含量增加的表面作为时间的函数。在某个时间点上表面变得饱和,和一个反向饱和层开始传播向下进入土壤。在这个时候,渗透速率低于降雨率和陆路流生成。时间称为水洼。代地面水流的必要条件的霍顿机制(1)降雨率大于土壤的饱和导水率和(2)一个降雨持续时间超过所需的水洼时间对于一个给定的初始水分剖面。霍顿hillslope生成地面水流从部分地区的地表液压导率最低。
在邓恩地面水流,降水率小于饱和导水率,和初始水位浅或浅阻碍层。表面饱和发生由于水位上升;水洼和坡面流发生时不再土壤水分存储是可用的。邓恩机制near-channel地区更为普遍。邓恩生成地面水流从hillslope部分地区的地下水位是最浅的。霍顿和邓恩机制导致变量来源区域扩张和收缩通过湿和干燥的时间。
总河放电和放电的化学变化大陆大陆;一些大洲是潮湿和干燥比世界平均水平,但偏差不极端。亚洲和欧洲的径流单位面积几乎完全等于世界平均水平;这是在非洲和北美稍低;这是相当高的南美。南极洲是冻结和澳大利亚干旱,所以他们贡献小径流。而且,由于他们的区域相对较小,不影响全球径流平均显著。水排水大陆截然不同的化学反应;那些来自欧洲很富含钙和碳酸氢,而那些来自非洲和南美洲。北美和亚洲河流中间的这些溶解浓度成分。这样的差异作文反映各种因素,包括径流,温度,和救援,但肯定大陆的大部分组成岩石接触这些水域及其地下资源中发挥重要作用。地表岩石富含碳酸盐,欧洲和南美洲就不明智了;后者是由沉积物丰富硅酸盐矿物。
地下水和河流径流的化学是被人类活动在全球范围内修改。主要成分的自然溶解河边的输入海洋已经因为人类活动增加了超过10%。的钠、氯、硫酸,增长高达30%。在美国孤独,总用水量相当于三分之一的总径流,约有2%的水来自地下井使用。在中国西南地区,水供应了严重,在一些地区已经筋疲力尽,没有替换的希望。的广泛使用新鲜的水在美国和整个世界让他们特别容易污染。渗滤液中化肥,除草剂,农药在一些淡水的身体;毒素或过量的某些无机或有机化合物存在;放射性元素被检测到;和一些地表水体的盐度急剧增加,呈现他们无用的人类消费。因此必要的密切关注国家淡水系统的使用,促进他们的保护。