7.1.3 自然界水循环
地球上的生命依赖于空气、水、土壤和生物圈中物质的不断流动。水属于可更新的自然资源，处在不断循环之中，以雪和雨水的形式每年向陆地输送大约11万立方千米的水。这部分水容易被人类社会所利用，具有经济价值，正是我们所说的水资源，从而供应维持着地球上陆地、河口和淡水生态系统中的生命，为人类健康和福祉提供多种服务，包括饮用水，工业用水，灌溉用水，鱼类、水禽和贝类的生产用水等。
一、水循环的概念和作用
地球上各种形态的水总是处于不断的变化之中，这种变化可能是热力条件下的相态转换，也可能是在重力作用下的斜面运动，或是沿压力梯度、密度梯度的垂直、水平输送。通过蒸发、水汽输送、降水、下渗和径流等过程，分布在地球系统各个层次的水被联结起来，进行着周而复始的跨越水圈、大气圈、土壤圈和生物圈四大圈层的水分循环，称为水循环。图7-1为自然界的水循环示意图。
太阳能和地心引力是水循环的动力，从海洋表面、湖泊、江河、土壤和植物（蒸腾作用）蒸发大量水分，水蒸气上升至大气层，在那里冷却、浓缩，最后变成雨水，降落在陆地的部分汇流到河流和湖泊，最后又重新流入海洋，由此形成淡水的动态循环。
水循环系统是多环节的庞大动态系统，自然界中的水是通过多种路线实现其循环和相变的。其范围可由地表向上伸展至大气对流层顶以上，地表向下可及的深度平均约为1000 m。水循环根据其循环途径分为大循环和小循环。环境中水的循环是大、小循环交织在一起的，并在全球范围内和在地球上各个地区内不停地进行着。
全球性的水循环称为大循环，是指水在大气圈、水圈、岩石圈之间的循环过程。具体表现为：海洋中的水蒸发到大气中以后，一部分飘移到大陆上空形成积云，然后以降水的形式降落到地面；降落到地面的水，其中一部分形成地表径流，通过江河汇流入海洋；另一部分则渗入地下形成地下水，又以地下径流或泉流的形式慢慢地注入江河或海洋。
仅在局部地区如陆地和海洋进行的水循环称为水的小循环。陆地上的水，通过蒸发作用（包括江、河、湖、水库等水面蒸发，潜水蒸发，陆面蒸发及植物蒸腾等）上升到大气中形成积云，然后以降水的形式降落到陆地表面形成径流。海洋本身的水循环主要是海水通过蒸发形成水蒸气而上升，然后再以降水的方式降落到海洋中。
水循环是地球上主要的物质循环之一，是联系地球各圈和各种水体的纽带。通过形态的变化，水在地球上起到输送热量和调节气候的作用，对于地球环境的形成、演化和人类生存都有着重大的作用和影响。水的不断循环和更新为淡水资源的不断再生提供条件，为人类和生物的生存提供基本的物质基础。
二、水循环的过程
水循环的过程十分繁杂，主要包括蒸发、水汽输送、降水、下渗和径流等环节。其中，降水、蒸发和径流是三个最主要的环节，决定了全球的水量平衡，也决定了一个地区的水资源总量。
蒸发是水循环中重要的环节之一。海洋、河川、湖泊、沼泽中的水，以及植被叶面、浸入土壤表面的水等在受热后都会向空中蒸发，另外，植被呼吸时的蒸腾，冰雪表面的升华也将水汽输入大气。蒸发量的大小受近地层大气的温度、湿度、风及下垫面影响。海洋蒸发量最大，大气中的水汽主要来自海洋；沙漠和半沙漠地区，全年蒸发量往往接近于本地区的降水量，地面水量收入几乎为零，水资源十分贫乏。
图7-1 水循环示意图
由蒸发产生的水汽进入大气并随大气活动而运动。大气层中水汽的循环是“蒸发—凝结—降水—蒸发”的周而复始的过程。海洋上空的水汽可被输送到陆地上空凝结降水，称为外来水汽降水；大陆上空的水汽直接凝结降水，称内部水汽降水。一地总降水量与外来水汽降水量的比值称该地的水分循环系数。全球的大气水分交换的周期为10天。在水循环中水汽输送是最活跃的环节之一。
地面从大气中获得的水汽凝结物，总称为降水，它包括两部分：一部分是大气中水汽直接在地面或地物表面及低空的凝结物，如霜、露、雾等，又称为水平降水；另一部分是由空中降落到地面上的水汽凝结物，如雨、雪等，又称为垂直降水。降水的多少受水汽输送影响，具有纬度地带性和海陆地带性。
蒸发和降水发生在水循环的垂直方向上，它以相态的变化实现水分和热量的转移，平衡了水因垂直结构的失调。这是一对互逆的组合，缺一不可，蒸发使地表损失水分以补充大气，同时消耗了大气的热量；降水却从大气获取水分，同时向大气释放热量。(https://www.daowen.com)
降水及冰雪融水在重力作用下沿地表或地下流动的水流称为径流。径流受流域中气候、下垫面等自然地理因素的影响。气候因素是影响河川径流最基本和最重要的因素。气候要素中的降水和蒸发直接影响河川径流的形成和变化。多年平均的大洋水量平衡方程为：蒸发量=降水量+径流量。多年平均的陆地水量平衡方程是：降水量=径流量+蒸发量。
陆地上（或一个流域内）发生的水循环是“降水—地表”和“地下径流—蒸发”的复杂过程。陆地上的大气降水、地表径流及地下径流之间的交换又称三水转化。
三、水的更替周期
水循环使地球上各种形式的水以不同的周期或速度更新。水的这种循环复原特性，可以用水的更替周期来表示。在多年均衡状态下，水体的储存量称为静态水量，水体的补给量称为动态水量，前者与后者的比值即为更替周期。由于各种形式水的储蓄形式不一致，各种水的更替周期也不一致。表7-3给出了地球上各种水体的更替周期。更替周期长的水体，如湖泊为17年，深层地下水为1400年，取用后难以恢复，一般不宜作为长期稳定的供水水源；更替周期短的水体，如河水为16天，浅层地下水约为一年，取用后容易恢复，是人类开发利用的主要对象。在开发利用水资源过程中，应该充分考虑不同水体的更替周期和活跃程度，合理开发，以防止由于更替周期长或补给不及时，造成水资源的枯竭。
表7-3 地球各种水的更替周期
（联合国水会议文件，1977）
四、水量平衡
地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在，并处在不停地运动过程中。从全球角度来认识水的自然循环过程，其总水量是平衡的。地球上任一区域在一定时间内，进入的水量与输出水量之差等于该区域内的蓄水变化量，这一关系称为水量平衡。水量平衡通常用水量平衡方程表述：
式中：I——所研究区域在某时段内收入的水量；
O——相应支出的水量；
ΔS——蓄水变量。
在现代气候条件下，全球水量的多年平均值基本上是恒定的。平均每年从海洋和陆地蒸发的水量为57.7万立方千米，等于平均每年的降水量。大气中一定地区在一定时段内收入的水分为随水平气流输入的水分、来自下垫面的蒸发水分，支出的水分为随水平气流输出的水分、降水量。收入与支出水量之差等于该地区上空大气在研究时段始末所含水分的变量。闭合流域的水量平衡收入项为研究时段的总降水量，支出项为研究时段的流域总蒸发量和出口断面处的总径流量。一个湖泊的水量平衡中的收入项为湖面降水量、地表径流和地下径流入湖水量，支出项为湖面蒸发量、地表径流和地下径流出湖水量。湖泊的蓄水变量是研究时段始末湖水位的变化幅度和相应湖面平均面积的乘积。
中国水量平衡要素组成的重要界线是年均降水量1200 mm。年均降水量大于1200 mm的地区，径流量大于蒸散发量；反之，蒸散发量大于径流量。中国除东南部分地区外，绝大多数地区都是蒸散发量大于径流量，越向西北差异越大。水量平衡要素的相互关系还表明在径流量大于蒸发量的地区，径流与降水的相关性很高，蒸散发对水量平衡的组成影响甚小。在径流量小于蒸发量的地区，蒸散发量则依降水而变化。这些规律可作为年径流建立模型的依据。另外，中国平原区的水量平衡均为径流量小于蒸发量，说明水循环过程以垂直方向的水量交换为主。
