第二章　水文现象

第一节　水文循环及水量平衡

地球上的一切生命存在都与水息息相关，水是人类社会存在和发展不可或缺的基础资源。水在地球上分布范围十分广泛，其存在的主要形态为气态、液态和固态，正是由于水能够在自然界以这三种形态存在，才使得水能够在太阳辐射和地球引力的作用下，通过蒸发、降水、径流和入渗等水文现象，在地球上的不同地方做周而复始的循环运动。水循环使得不同类型的水互相转化，成为可以持续利用的可再生能源。同时，水的总量在地球上基本上是保持不变的，这也是物质不灭定律在水文学中的体现。水量平衡原理建立在上述理论和实践基础上，并成为了定量研究水文现象的基本工具。

一、水文循环现象及分类

海洋、陆地、大气以及生物体内存在着以固态、液态和气态形式分布的水，由这些水构成的系统可称之为地球的水圈。依靠太阳辐射和地球引力的作用，水圈中的水在海洋、陆地、大气间不断地循环运动，具体的表现形式主要有降水、蒸发、径流和下渗四种类型。上述表现形式统称为水文循环现象。水文循环之所以能够发生，有两个原因：一是内因，即水能够实现固态、液态和气态的“三态”变化；二是外因，即太阳辐射和地球引力提供了动力。这两者为水文循环提供了基础，密不可分。降水是指大气水凝结后降落到地球表面的现象；蒸发则是指从水面、冰面或其他含水物质表面逸出水汽的现象。径流是指降水在重力作用下在地表或地下按一定方向和路径流动的水流。而下渗则是指水在分子力、毛细管引力和重力的作用下透过地表渗入土壤的现象，是地下径流形成的重要环节。

图2-1给出了水文循环的一般过程。海洋、江河湖泊、陆地表面和植被中的水在太阳辐射的驱动下，通过蒸散发作用以水汽形式进入大气层。大气层中的水汽会在一定的条件下凝结成小水滴，小水滴随气流运动不断碰撞形成大水滴，当水滴自身重量大于空气阻力时，便从空中落下，形成降水。大部分降水会落在海洋等水面上，另一部分降水则落在陆面上。落在陆面上的水一部分入渗到地下，有的吸附在土壤颗粒周围成为土壤水，有的又蒸散发到大气中，还有的以地下径流的形式汇入江河湖泊，然后回到海洋；一部分形成地表径流，进入江河湖泊，最终流入海洋；还有一部通过蒸散发作用又回到大气层。上述过程是循环往复不断进行的。通常把水圈中这些水体在太阳辐射和地球引力作用下不断蒸散发、随大气输移、凝结、降落、下渗和径流的这种往复循环过程成为水文循环，也叫水循环，其空间范围上达地面以上平均11km的对流层，下至地面以下1km深处。太阳辐射热中的23%消耗与海洋和陆地的水分蒸发作用，平均每年有57.7×104km3的水在这种蒸发作用中进入大气，然后又在重力作用下以降水的形式返回陆地和海洋。

根据水文循环的规模大小，一般把水文循环分为大循环和小循环。大循环是指水分从海洋上蒸发，随气流运动到陆地上空以降水的形式落下，这些降水的一部分以径流的方式通过河流重新回到海洋；另一部分降水则重新蒸发回到大气中，大循环也称为外循环。在大循环运动中，既存在地面和大气间的纵向水分交换，主要以降水和蒸散发的形式进行，也存在海洋和陆地间的横向水分交换，主要是径流的形式进行。海洋与陆地之间互有水分输送，但陆地向海洋输送的水分只占海洋向陆地输送水分的8%，由此可见，海洋是陆地水分的主要来源。小循环是指从海洋蒸发到大气中的水汽凝结后，以降水的形式又回到海洋，也称之为海洋小循环，或陆地上的水分蒸散发到大气中又降落在陆地上，也称为陆地小循环。

水文循环尺度由大到小可分为全球水循环、流域或区域水循环和水－土壤－植物系统水循环。全球水循环是空间尺度最大的水文循环，涉及地球上的海洋、大气、陆地之间的水分交换过程；流域或区域水循环则指水分在流域上通过降水、蒸发、下渗和径流发生的循环现象，其空间尺度约在1～1万km2之间，同时还与流域外或区域外存在水分的交换，因此是开放式水循环；水－土壤－植物系统则是尺度最小的水循环系统，通过入渗和植物的生理作用实现水分在三者之间的循环，利用蒸散发与外界保持水分交换，也是开放式水循环系统。

水文循环对于人类来说是最重要的物质循环之一。它对全球气候变化、地表形态的形成均起着至关重要的作用，它为人类和其他一切生物提供了可再生的水资源，对自然环境产生深刻的影响；与此同时，洪涝和干旱等自然灾害也与水文循环密切相关。因此，研究水文循环的客观规律，揭示其内在机理，这对于合理有效开发利用水资源、抵御水灾害造福人类有着十分重要的意义。

二、影响水文循环的因素

水文循环范围广，影响其过程的因素很多，主要有气象因素、自然地理条件、地理位置和人类活动四大类：

（1）气象因素。温度因素、风力因素和湿度因素等都属于气象因素。气象条件对蒸发、水分随大气的输移和降水起着决定性的作用，在整个水文循环过程中处于主导地位。

（2）自然地理条件。土壤、地质、地形和植被等都属于自然地理条件。蒸发和径流环节都受到自然地理条件的影响。

（3）地理位置。通常离海洋越远，水文循环越弱；反之则越强。

（4）人类活动。人类社会的工业、农业和生活等各类经济活动在改变自然环境的同时也对水文循环产生不同程度的影响。如修建水库、调水工程会直接影响水文循环的过程，农业活动通常会改变流域的下垫面而间接影响水文循环的蒸发、入渗和径流等过程。

水文循环通常具有以下特点：从蒸发和径流的比例上看，活跃的地区蒸发比重大，而水文循环平稳的地区径流比重大。从地理条件上看，低纬度地区一般气温较高，降水较多且集中，蒸发量大，因此水文循环活跃，而高纬度地区一般气温较低，降水较少且多冰雪封冻期，水文循环较弱。另外同一区域不同时节的水文循环也存在差异，使得当地水文现象多变，如洪涝和干旱在同一区域均有发生的可能。

三、我国的主要水文循环系统

我国受大气环流和季风的影响，形成了以下水文循环系统：

（1）太平洋水文循环系统。我国东部及南部沿太平洋有着漫长的海岸线，因而太平洋暖流携带大量的水汽，在东南季风和台风的作用下，从我国东南部登陆，向内陆移动。太平洋暖湿空气达到内陆后，与来自北方的西伯利亚冷空气相遇，在我国的华东、华北地区形成降水。降水沿东南至西北逐渐减弱。我国的长江、黄河、珠江等主要流域的水源均来自太平洋水文循环，而这些河流最终又汇入太平洋。

（2）印度洋水文循环系统。印度洋是世界第三大洋，位于我国西南方向，也是我国大陆降水的主要来源之一。冬季印度洋的湿润空气从孟加拉湾进入我国西南部，形成了冬季降水；夏季则借助西南季风将大量水汽输送到我国西南、中南、华东及河套以北地区，形成夏季主要降水。由印度洋输送的水汽所形成的这些降水，一部分经雅鲁藏布江、怒江等西南流域河流又重新汇入印度洋，一部分则参与到太平洋的水文循环中。

（3）内陆水文循环。我国幅员辽阔，除了靠近海洋的平原地区外，还有西北内陆这样远离海洋的地区。这一地区距离太平洋较远，但由于风力作用，大西洋的部分水汽能够向东输运进来，为其内陆水文循环提供了水分来源。

（4）北冰洋水文循环。我国西北部由于西伯利亚冷气团的运动而带来降水，然后部分降水又形成径流汇入北冰洋，如新疆北部降水汇入额尔齐斯河并最终流入北冰洋，成为北冰洋水文循环的一部分。

（5）鄂霍次克海水文循环。每年的春夏之交，东北季风将鄂霍次克海和日本海的冷湿气团输送到我国东北部地区形成降水，降水后形成的径流经黑龙江注入鄂霍次克海的循环过程。

多年平均统计的结果显示，我国陆地上空总的水汽输出量为12363km3，总输入量为15023km3，多年平均净输入量为2660km3，接近全国多年平均入海径流量。

四、水量平衡

地球上的水的总储量约为13.86×108km3，其中地表水约为13.62×108km3，占地球总水量的98.27%；地下水约为0.24×108　km3，占地球总水量的1.73%；生物水约为0.11×104km3，占地球总水量的0.0001%；大气水约为1.29×104km3，占地球总水量的0.001%，不过却是地球上最活跃的水体。水文循环使上述四类水体互相不断转换，保持着地球水量的动态平衡。

上述水体的循环过程中，水分本身并没有消失，仍然遵守物质不灭定律。因此可以应用水量平衡原理来定量研究水文循环过程，计算降水、蒸发、径流和下渗之间的定量关系，从而为水资源评价、水文水利计算以及水文预报提供分析依据。

由物质不灭定律可以知道，水文循环过程中水的质量应该是守恒的，也即在一个确定的空间和时间范围内，某一水体输入的水量与输出水量之差应等于其蓄水量的变化量。则任一水体在任一时段Δt内有如下水量平衡方程：

式中：I为Δt时段内的输入水量；O为Δt时段内的输出水量；W1、W2分别为Δt时段始末阶段蓄水量；ΔW为Δt时段内蓄水变化量。

在使用式（2-1）时需要明确空间和时间范围：第一要有具体的研究对象，即是哪一个流域、海洋或水库需要明确；第二是要明确计算的时间长度，是以年、月还是日为计算时段。式（2-1）也是进行河道洪水演进、水库调洪兴利计算的基础。

依据水量平衡原理，在式（2-1）的基础上可以分别建立Δt时段内海洋和陆地的水量平衡方程。

式中：Po为Δt时段内海洋上的降水量；R为Δt时段内流入海洋的径流量；Eo为Δt时段内海洋蒸发量；ΔWo为Δt时段内海洋蓄水量变化；Pl为Δt时段内陆地上的降水量；El为Δt时段内的陆地蒸发量；ΔWl为Δt时段内陆地蓄水量变化。

合并式（2-2）和式（2-3）则为Δt时段内的全球水量平衡方程：

式中：P为Δt时段内全球降水量；E为Δt时段内全球蒸发量；ΔWe为Δt时段内全球蓄水量变化。

短期内的蓄水量量变化可能为正也可能为负，长期来看，多年平均蓄水量变化接近为零。因此海洋和陆地的水量平衡方程可以改写为：

式中：为海洋多年平均降水量； 为流入海洋的多年平均径流量；为海洋多年平均蒸发量；为陆地多年平均降水量；为陆地多年平均蒸发量。

合并式（2－5）和式（2－6）则得到全球多年平均水量平衡方程：

式中：为全球多年平均降水量；为全球多年平均蒸发量。

式（2-7）表明，全球多年平均降水量与全球多年平均蒸发量相等，两者都约为1130mm。

五、人类活动与水文循环

现代人类经济社会的工业、农业和生活等各类活动无时无刻不影响并改变着自然环境，而自然环境的改变又会对水文循环产生影响，改变水文循环的过程。人类活动对水文循环的影响既有直接的也有间接的：对于地表或地下径流是直接影响，而对于大气中水汽的输移则是间接影响。

1.工农业生产及生活用水的影响

人类活动会明显改变下垫面条件，从而影响水文循环过程。农田面积的增大会改变原始植被状况，使蒸发条件发生改变，进而影响当地的蒸散发量；城市面积的扩大则使不透水面积增加，影响降水后的产流量和径流过程；工业废气的排放改变原有大气的构成，影响大气热量的传递，使海洋陆地的表面温度发生变化，进而影响水汽的输送，使降水量发生变化。而农业生产中农药的使用、工业污水和废水的排放则污染了水体，使水质变差。

工农业生产和生活需要从地表水或地下水直接取水使用，使用后的水一部分通过排水或下渗重新回到地表或地下，一部分蒸散发成为大气水，剩下部分返回当地水文循环系统，因而会改变当地水文循环要素的时空变化。像干旱季节农作物需大量引水灌溉，可能会使部分河流断流，如我国新疆的某些降水稀少、气候干旱的地区；有些地区因为农田引水灌溉使得陆面蒸发显著增大、下游流量明显小于上游流量，甚至河流年径流量有逐年下降的趋势，如黄河。

近年来，人们已经着手采用退耕还林还草、地下水回灌、节水器具等各种手段来缓解人类活动对水文循环的影响。

2.水利工程的影响

为开发利用水资源，人们很早就开始修建各种水利工程。像我国先秦时代修建的都江堰、郑国渠等大型水利工程无不为当时社会生产的发展起到了极大的促进作用。到了现代各种水电站、水库和调水工程不断兴建起来，既大大提高了水资源的有效利用，同时也对区域内的水文循环起到了深刻的影响。如水库蓄水增大了河道的水面面积，必然使当地的蒸发量增大，蒸发量的增大必然又会改变内陆水文循环中的水汽含量，进而影响降水量的多寡；调水工程，尤其是跨流域调水工程，直接改变了水文循环的路径，使原有水文循环各要素之间的平衡被打破。例如我国的南水北调工程，减少了长江流域的水量，增加了黄河、淮河和海河流域的水量。调出水量的长江流域，当地的生态系统是否受到影响，入海口处是否会产生海水入侵都需要研究；而水量调入区会缓解当地的用水紧张局面，同时有利于补充地下水。

总之，人类活动范围和强度不断扩大，其对水文循环的影响也在不断增大。到底这种影响会使自然环境更有利于人类生存发展还是不利于人类生存发展，还需要进一步研究。