第三章 水文循环与水量平衡

第一节 水文循环

一、水文循环现象

地球是人类生存的家园，地球表面约有70%的面积被水覆盖。在太阳辐射和地球引力的作用下，水通过蒸发、降水、下渗、径流等方式，在地球的水圈系统中周而复始地循环运动着。水文循环（hydrology cycle）是地球上一个重要的自然过程，它将大气圈、水圈、岩石圈与生物圈联系起来，并在它们之间进行着水量和能量交换。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，水资源才能够称为可再生资源，才能被人类以及一切生物持续利用。

地球上的水是以液态、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。水圈中的水运动，其主要表现形式可概括为降水、蒸发、径流和下渗四大类型，统称为水文现象。大气中的水汽凝结后以液态或固态的形式降落到地面的现象称为降水，降水的形式有雨、雪、雾、霰、雹等。水分以水汽形式从蒸发面逸出的现象称为蒸发，根据蒸发面的不同可分为植物截留蒸发、土壤蒸发、水面蒸发、植物散发、冰雪蒸发等。降落在地表的雨水满足各种损失后，在重力作用下能够沿着一定方向和路径流动、并最终汇集到河流中的部分雨量称为径流，也称为净雨，一般分为地面径流（净雨）和地下径流（净雨）。地表水在重力、土壤分子力和毛管力的作用下，经过土壤表面渗入土壤的过程称为下渗，它是地下径流形成的关键环节。

水文循环现象如图3-1所示。水圈中的各种水体在太阳辐射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，通过蒸发或散发并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（或冰晶）大到其重力能克服空气阻力时，就在地球引力的作用下，以降水的形式降落到地球表面。到达地球表面的降水，其中一小部分首先被植物截留和填洼；另一部分在分子力、毛管力和重力的作用下通过地面渗入地下，渗入地下的水量满足土壤吸附后，余下部分则形成地下径流；还有一部分降水则形成地表径流。产生的径流，主要在重力作用下流入江、河、湖泊，最后汇入海洋；在这个过程中，还有一部分降水通过蒸发和散发重新逸散到大气层。渗入地下被土壤颗粒吸附的那部分降水变成土壤水，再经蒸发或散发回到大气中。地下径流则以地下水的形式排入江、河、湖泊，再汇入海洋。水圈中的各种水体在太阳辐射和地球引力的作用下，通过这种不断蒸发、水汽输送、凝结、降落、下渗和径流等形式的往复循环过程称为水文循环，又称水分循环或水循环。太阳向宇宙空间辐射大量热能，在到达地球表面的总热量中约有23%消耗于海洋和陆地表面的水分蒸发。平均每年有57.7万km³的水量通过蒸发进入大气层，又通过降水返回地球表面。水文循环的空间范围上至地面以上平均约11km的对流层顶，下至地面以下平均约1km的深处。水以各种形态常年往返于大气、陆地和海洋之间，从不间断。

从机理上看，发生水文循环既有内因也有外因。其内因是水的“三态”变化，即水在常温下能实现固态、液态和气态之间的相互转化而不发生化学变化，其外因是地球引力和太阳辐射提供强大的驱动力。内因是根据，外因是条件，内因通过外因起作用，以上两个条件缺一不可，否则就不可能形成自然界的水文循环。

二、水文循环的分类

按照水文循环过程的整体性与局部性，根据其尺度大小，可把水文循环分为大循环、小循环和微循环。

1.大循环

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，如图3-1中的1线所示。大循环也称为全球尺度的水文循环，在大循环中，一方面水分在地面和大气中通过降水和蒸发进行纵向交换，另一方面水分还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，陆地则通过河流把液态水输送到海洋里。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。

大循环是空间尺度最大的水文循环，也是最完整的水文循环，它涉及海洋、大气、陆地之间的相互作用，它与全球气候变化有密切关系。

2.小循环

海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后，以降水的形式直接降落到海洋里，或陆地上的水经蒸发或散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，如图3-1中的2线所示。小循环也称为区域或流域水文循环，主要是水分通过降水与蒸发进行纵向交换。此外，在陆地小循环中还有一类特殊的小循环，称为内陆水循环，它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。小循环往往是区域性的，多数是以流域为研究单元，等同于流域降雨径流形成过程。例如我国比较典型的内陆水循环有塔里木河流域、甘肃黑河流域以及青海的格尔木河流域等。

流域或区域水文小循环的空间尺度一般在1～10000km²，相对于全球水文循环而言，它是一种开放式的水文循环系统。

3.微循环

水文微循环是指水—土壤—植物系统中的水分循环，是最小尺度的循环。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、土壤有机地联系起来。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、叶输送来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。

三、水文循环的作用

水文循环维持了多种多样的生命，从这个意义上也可以说水循环的功能就像人体的血液循环一样。

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的影响，其主要作用表现在以下几方面。

1.调节气候

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，通过水文循环调节地面气候，使生物包括人类得到适合生存的温度，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。

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，所以，水文循环是造就地球上具有千姿百态自然景观的重要条件之一。

3.导致水资源再生

水文循环形成了可以重复使用的水资源，是水资源和水能资源可再生的根本原因。它使人类获得永不枯竭的水源和能源，为一切生物提供了不可缺少的水分。过去人们常说水是“用之不尽，取之不竭”，就是因为水文循环的缘故。但由于水文循环的水量是有限的，而且每年具有很大的不确定性，所以“用之不尽，取之不竭”之说是有局限性的，或者说是不科学的。

4.引起旱涝交替

由于水文循环受多种因素的影响，其中有许多是不确定的，特别是气候因素的随机性很大，所以水文循环还时常带来洪涝和干旱，这种洪涝和干旱交替发生，给人类和生物安全造成威胁。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，这不仅使地球上有湿润地区和干旱地区之分，还有丰水季节和枯水季节、多水年和少水年之分，也是地球上发生洪、涝、旱等灾害的根本原因。

5.促进物质循环

水文循环过程还是许多物质的重要载体，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。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、有机质和无机质均以水为载体，参与各种物质循环。

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。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，这对合理开发利用水资源，抗御洪涝灾害，改造自然，利用自然都具有十分重要的意义。

四、影响水文循环的因素

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。在水文循环的各环节中，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。自然地理条件主要通过蒸发和径流影响水文循环。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。人类的农业生产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，人类还通过兴建水库等径流调节工程，以及引水、调水工程等直接影响水文循环。目前，有人提出由人类活动引起的循环称之为社会水文循环，而由气候因素引起的循环称之为自然水文循环。

一般来说，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，水文循环过程相对较弱；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、干旱等多变的复杂的水文情势。

五、我国水文循环路径

由于我国的地理位置距离各大洋的远近，以及大气环流和季风的影响，决定了我国的水汽来源，也就形成了我国相应的水文循环系统。

1.太平洋水文循环

我国沿太平洋有相当长的海岸线，太平洋的暖流流经我国的东南沿海，暖流洋面温度较高，蒸发量大，洋面上的暖湿空气受到东南季风和台风的影响，向内陆输送大量水汽。暖湿空气到达大陆后，又与西伯利亚冷气团相遇，成为华东、华北地区的主要降雨水汽来源，而且降水量从东南向西北递减。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，其水源主要来自该水文循环的降雨，所形成的径流又汇入太平洋。

2.印度洋水文循环

印度洋也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。形成降水产生径流后，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.大西洋水文循环

我国西北内陆地区的水文循环主要为内陆水文循环，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。当西伯利亚冷气团强盛时，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的径流汇入北冰洋，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15023km³，总输出量为12363km³，净输入量为2660km³，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。