第三章 区域水资源估算

第一节 区域水循环和水平衡

一、自然界的水循环

在自然条件下，地球上的水以液态、固态和气态的形式分布在海洋、陆地、大气和生物机体，构成了地球的水圈。不同形态的水体，在水圈中不断运动和相互转换就形成了自然界的水文循环。水文循环的能量来源于太阳辐射，水分通过蒸发逸入大气，并随着大气环流输送到各地，并在一定条件下凝结，形成降水返回地面或海洋。地心引力为自然界水循环提供动力支持。在地心引力的作用下地表水通过下渗或径流回归海洋。

自然界的水循环按所涉及的地域和规模可分为大循环和小循环。从海洋蒸发的水汽，随大气环流运动输送回内陆，凝结后形成降水，到达地面以后，一部分被植物截留并蒸发返回大气，一部分形成地表或地下径流，最终汇入海洋，这种海陆间的水量交换，称为大循环。有些时候水汽交换并没有经过由海洋输送到陆地，再从陆地汇入海洋的过程，而是通过蒸发从海洋（或陆地）输送到大气，在空中形成降水又降落回海洋（或陆地），这种局部的水循环称为小循环。水循环过程如图3-1所示。

二、影响水循环的因素

无论是大循环还是小循环，降水、蒸发、径流和水汽输送都是构成水循环不可或缺的环节。影响水循环的因素有很多，但都是通过影响水循环的某个环节起作用的。主要的影响因素包括以下三个方面：

（1）气象因素：包括太阳辐射、风速、温度、湿度等。

（2）下垫面因素：包括地形、地貌、土壤、植被等。

（3）人类活动：包括水利设施的修建，对下垫面的改造等。

在这三类影响因素中，气象因素是最重要的因素，因为地球表面某一区域所收到的太阳辐射，以及大气环流的情况可以基本决定地区蒸发、降水和水汽输送情况。普遍意义上认为，某一地区的径流是该区域 “降水—蒸发”过程的残留，所以径流过程虽然受到下垫面条件的影响，但气象要素依然是影响径流的主要因素。下垫面因素主要通过蒸发和径流来影响水循环的过程。随着人类改造自然环境的力度不断加大，人类活动因素在水循环过程中起到的作用越来越难以忽视。一方面，人类通过修建水利设施，如水库、跨流域调水等，直接影响到径流的调节；另一方面，通过对下垫面的改造影响了流域内水分的蒸发、入渗及产汇流过程，从而影响到水循环过程。

三、水平衡

水圈中的水通过水文循环作用，在多年平均的意义上，海洋中的水量保持平衡，陆地上各种水体的水量，经过不断地更新补充也基本上收支相抵，而地球上的水与地球以外的太空中的水量交换可以忽略不计。也就是说在一定历史时期地球上的水总量是保持不变的，而在不同介质中的水量在各年间会产生一定变化，即地球上的水量在不同年间的分配上会产生一定变化，但是总量不变，这就是地球上的水平衡的基础。

水量平衡方程式是水文科学中广泛应用的极其重要的基本方程式之一，它可以用来定量描述水循环要素间的相互关系和作用。就多年平均情况而言，地球上海洋系统和陆地系统的蓄水量变化为零，因此海洋系统的多年平均水量平衡方程式为：

陆地系统的多年平均水量平衡方程式为：

式中、——海洋和陆地的多年平均年蒸发量，亿m3；

、——海洋和陆地的多年平均年降水量，亿m3；

——从陆地注入海洋的多年平均年径流量，亿m3。

将以上两式相加，可以得到全球多年平均水量平衡方程式为

即，全球的多年平均年蒸发量等于多年平均年降水量。

对于一闭合区域来说，水平衡体现在，总补给量与总排泄量之差等于区域内地表、地下、及土壤中的蓄水量的变化。如果把地表水、地下水及土壤水作为一个整体对待，那大气降水就是该区域水资源的总补给量；河川径流量、总蒸散发量及地下潜流量则是该区域水资源的总排泄量，则水量平衡方程式可表示为

式中 P——年降水量，亿m3；

R——年河川径流量，亿m3；

E——年总蒸发量，亿m3；

Ug——年地下潜流量（包括周边流出量），亿m3；

ΔV——地表、地下、土壤水的年蓄水变化量，亿m3。