第2章　水文循环与水量平衡

2.1　水文循环

水文循环是地球上一个重要的自然过程，它通过降水、蒸散发、下渗、地面径流与地下径流等环节，将大气圈、水圈、岩石圈与生物圈联系起来，并在它们之间进行水量和能量交换。正是由于水文循环，大气水、地表水、土壤水和地下水之间才能相互转化，形成不断更新的统一系统。也正是由于水文循环作用，水资源才能够成为可再生资源，才能被人类及一切生物持续利用。

2.1.1　水文循环现象

地球上的水以液态、固态和气态的形式分布于海洋、陆地、大气和生物体内，这些水体构成了地球的水圈。水文循环现象如图2.1所示。水圈中的各种水体在太阳能和大气运动的驱动下，不断地从水面（江、河、湖、海等）、陆面（土壤、岩石等）和植物的茎叶表面，通过蒸发或散发以水汽形式进入大气圈。在适当的条件下，大气圈中的水汽可以凝结成小水滴，小水滴相互碰撞合并成大水滴，当凝结的水滴大到能克服空气阻力时，就在地球引力的作用下，以降水形式降落到地球表面。到达地球表面的降水，一部分在分子力、毛管力和重力的作用下通过地面渗入地下；一部分则形成地面径流，主要在重力作用下流入江、河、湖泊，再汇入海洋；还有一部分通过蒸发和散发重新逸散到大气圈。渗入地下的那部分降水，或者被土壤颗粒吸收变成土壤水，再经蒸发或散发回到大气中，或者以地下水形式排入江、河、湖泊，再汇入海洋。水圈中的各种水体在太阳辐射和地心引力作用下通过这种不断蒸发、水汽输送、凝结、降落、下渗、地面和地下径流的往复循环过程，称为水文循环，又称为水分循环或水循环。水文循环的范围贯穿整个水圈，向上延伸到地表以上10km左右，下至地表以下平均约1km深处。

全球发生水文循环的主要原因有两个方面：一是水的“三态”变化，为内因，即水在常温下就能实现固态、液态和气态之间的相互转化而不发生化学变化；二是地心引力和太阳辐射，为外因。内因是根据，外因是条件，内因通过外因起作用。水文循环的发生，以上两者缺一不可。

2.1.2　水文循环分类

按水文循环的规模与过程，可分为大循环和小循环。从海洋蒸发的水汽，被气流输送到大陆上空形成降水，其中一部分以地面和地下径流的形式通过河流汇入海洋；另一部分重新蒸发返回大气。这种海陆间的水分交换过程，称为大循环或外循环。在大循环运动中，水分一方面在地面和大气间通过降水和蒸发进行纵向交换，另一方面通过河流在海洋和陆地之间进行横向交换。海洋从空中向陆地输送大量水汽，陆地则通过河流把水输送到海洋里。陆地也向海洋输送水汽，但与海洋向陆地输送的水汽相比，其量很少，约占海洋蒸发量的8%。所以，海洋是陆地降水的主要水汽来源。从海洋蒸发至海洋的水汽在海洋上空凝结后，以降水的形式降落至海洋里，或陆地上的水经蒸发凝结后又降落到陆地上，这种局部的水文循环称为小循环或内循环。前者称为海洋小循环，后者称为陆地小循环。陆地小循环对内陆地区的降水有着重要作用。因为内陆地区远离海洋，从海洋直接输送至内陆的水汽量有限，通过内陆局部地区的水文循环，使水汽逐步向内陆输送，这是内陆地区主要的水汽来源。由于水汽在向内陆输送的过程中，沿途会逐渐损耗，故而内陆距离海洋越远，输送的水汽量越少，降水量越小。

按照研究尺度的不同，水文循环又可以分为全球水文循环、流域或区域水文循环和水-土壤-植物系统水文循环3种。全球水文循环是空间尺度最大的水文循环，也是最完整的水文循环，它涉及到海洋、大气、陆地之间的相互作用，与全球气候变化关系密切。流域或区域水文循环等同于流域降雨径流形成过程。降落到流域上的雨水，首先满足植物截留、填洼和下渗，剩余雨水形成地面、地下径流，汇入河网，再流至流域出口断面。流域或区域水文循环的空间尺度范围一般为1～10000km2，相对于全球水文循环而言，它是一类开放式的水文循环。水-土壤-植物系统是一个由水分、土壤和植物构成的三者之间相互作用的系统，其特殊意义在于将水文循环与植物系统联系起来。渗入土壤的雨水会被植物根系吸收，在植物生理作用下通过茎、叶等输送维持植物的生命过程，并通过叶面散发回到大气中。水-土壤-植物系统水文循环也是一个开放式的循环系统。

2.1.3　水文循环作用与意义

水文循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一，它对自然环境的形成、演化和人类的生存产生巨大影响：①直接影响气候变化。通过蒸散发进入大气的水汽，是产生云、雨和闪电等现象的主要物质基础。蒸发产生水汽，水汽凝结成雨（冰、雪），吸收或放出大量潜热。空气中的水汽含量直接影响气候的湿润或干燥，调节地面气候。②改变地表形态。降水形成的径流，冲刷和侵蚀地面，形成沟溪江河；水流搬运大量泥沙，可淤积成冲积平原；渗入地下的水，溶解岩层中的物质，富集盐分，输入大海；易溶解的岩石受到水流强烈侵蚀和溶解作用，可形成岩溶地貌。③形成再生资源。水文循环形成了巨大的、可以重复使用的水资源，使人类获得永不枯竭的水源和能源，为一切生物提供不可缺少的水分；大气降水把天空中游离的氮素带到地面，滋养植物；陆地上的径流又把大量的有机质送入海洋，供养海洋生物；而海洋生物又是人类食物和制造肥料的重要来源。④水文循环所带来的洪水和干旱，也会给人类和生物造成威胁。

在水文循环过程中，水的物理状态、水质、水量等都在不断变化，水通过蒸发、降水、下渗和径流四个主要环节进行着交换。自然界水文循环的存在，不仅是水资源和水能资源可再生的根本原因，而且是地球上生命生生不息，能千秋万代延续下去的重要原因之一。由于太阳能在地球上分布不均匀，而且时间上也有变化，因此，主要由太阳能驱动的水文循环导致了地球上降水量和蒸发量的时空分布不均匀，这不仅是地球上有湿润地区和干旱地区的区别，而且是有多水季节和少水季节、多水年和少水年的区别，甚至是地球上发生洪、涝、旱灾害的根本原因，同时也是地球上具有千姿百态自然景观的重要条件之一。水文循环是自然界众多物质循环中最重要的物质循环。水是良好的溶剂，水流具有携带物质的能力，因此，自然界有许多物质，如泥沙、有机质和无机质均会以水作为载体，参与各种物质（如：碳、氮、磷等）循环。研究水文循环的目的，在于认识它的基本规律，揭示其内在联系，这对于合理开发利用水资源，抗御洪旱灾害，改造自然，利用自然都具有十分重要的意义。

2.1.4　水文循环的影响因素

影响水文循环的因素很多，可以归纳为以下4种：

（1）气象因素。如温度、风速、风向、湿度等。在水文循环的环节中，蒸发、水汽输送、降水取决于气象条件，因此，气象因素对水文循环的影响起着主导作用。

（2）自然地理条件。如地形、地质、土壤、植被等。自然地理条件主要是通过蒸发和径流来影响水文循环的。蒸发比重大的地区，水文循环活跃，而径流比重大的地区，水文循环相对平稳。

（3）地理位置。一般而言，距离海洋越近，水文循环强度越大，反之，则越弱。

（4）人类活动。人类活动包括各种农业生产、水利工程和城市建设等。人类活动通过改变流域下垫面条件间接影响水文循环各环节；另外，人类还通过兴建大坝、水库等径流调节工程，以及引水、调水工程直接影响水文循环。

一般而言，低纬度湿润地区，降雨较多，雨季降水集中，气温较高，蒸发量大，水文循环过程强烈；高纬度地区，气温低，冰雪覆盖期长，水文循环过程较弱；干旱地区降水稀少，蒸发能力大，但实际蒸发量小，水文循环微弱。同一地区不同季节水文循环强度也存在差异，水文循环的这种不均匀现象造成了洪涝、干旱等多变的水文情势。

2.1.5　我国的水文循环路径

我国的地理位置、与各大洋的相对位置以及大气环流和季风的影响，决定了我国的水汽来源主要有太平洋、印度洋、大西洋、北冰洋和鄂霍次克海，形成了相应的水文循环系统。

（1）太平洋水文循环。我国有相当长的太平洋海岸线。太平洋的暖流，流经我国东南沿海，暖流洋面温度高，蒸发旺盛，洋面上的暖湿空气受到东南季风和台风的影响，大量向内陆输送。暖湿空气到达大陆后，又与西伯利亚冷气团相遇，形成华东、华北地区的主要降雨。降水分布从东南向西北逐渐递减。我国的主要流域，如松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、钱塘江、闽江、珠江以及台湾的河流，其水源主要来自太平洋水文循环的降雨，所形成的径流最后又汇入太平洋。

（2）印度洋水文循环。印度洋是我国大陆降水的主要水汽来源之一。冬季有明显湿舌从孟加拉湾伸向我国的西南部，形成这一地区的冬季降水；夏季，由于印度洋低压的发展，盛行西南季风，把大量的水汽输送到我国西南、中南、华东以及河套以北地区，成为我国夏季的主要降水水汽来源。所形成的降水，一部分经西南地区的河流汇入印度洋，如雅鲁藏布江、怒江等；另一部分降水还参与太平洋的水文循环。

（3）内陆水文循环。我国西北内陆地区的水文循环主要为内陆水文循环系统，虽然距离太平洋较远，但由于高空西风盛行，地势平坦，仍有少量大西洋水汽于春季随气旋向东运行，参与内陆水文循环。

（4）北冰洋水文循环。北冰洋水汽，借助强盛的西北风随西伯利亚气团进入我国西北。当西伯利亚气团强盛时，也可深入我国腹地，因其水汽含量较少，引起的降水量不多。我国新疆北部的降水转变为额尔齐斯河径流汇入北冰洋，构成北冰洋水文循环的一部分。

（5）鄂霍次克海水文循环。鄂霍次克海与日本海的冷湿气团，在春夏之间由东北季风进入我国东北北部地区，降水后形成的径流，经黑龙江注入鄂霍次克海。

此外，华南地区受热带辐合带的影响，可把南海的水汽输送到华南地区，形成降水后经珠江流入南海。

我国大陆上空的水汽输入输出量从多年平均情况来看，总输入量为15023.2km3，总输出量为12362.7km3，净输入量为2660.5km3，平均到全国面积上的深度为279.4mm，与全国的入海径流量很接近。这意味着说进入我国上空的水汽，并不全部参与水文循环，其中只有13%参与循环，以径流形式汇入海洋。