第三章 區域水資源估算

第一節 區域水循環和水平衡

一、自然界的水循環

在自然條件下，地球上的水以液態、固態和氣態的形式分布在海洋、陸地、大氣和生物機體，構成了地球的水圈。不同形態的水體，在水圈中不斷運動和相互轉換就形成了自然界的水文循環。水文循環的能量來源于太陽輻射，水分通過蒸發逸入大氣，并隨著大氣環流輸送到各地，并在一定條件下凝結，形成降水返回地面或海洋。地心引力為自然界水循環提供動力支持。在地心引力的作用下地表水通過下滲或徑流回歸海洋。

自然界的水循環按所涉及的地域和規模可分為大循環和小循環。從海洋蒸發的水汽，隨大氣環流運動輸送回內陸，凝結后形成降水，到達地面以后，一部分被植物截留并蒸發返回大氣，一部分形成地表或地下徑流，最終匯入海洋，這種海陸間的水量交換，稱為大循環。有些時候水汽交換并沒有經過由海洋輸送到陸地，再從陸地匯入海洋的過程，而是通過蒸發從海洋（或陸地）輸送到大氣，在空中形成降水又降落回海洋（或陸地），這種局部的水循環稱為小循環。水循環過程如圖3-1所示。

二、影響水循環的因素

無論是大循環還是小循環，降水、蒸發、徑流和水汽輸送都是構成水循環不可或缺的環節。影響水循環的因素有很多，但都是通過影響水循環的某個環節起作用的。主要的影響因素包括以下三個方面：

（1）氣象因素：包括太陽輻射、風速、溫度、濕度等。

（2）下墊面因素：包括地形、地貌、土壤、植被等。

（3）人類活動：包括水利設施的修建，對下墊面的改造等。

在這三類影響因素中，氣象因素是最重要的因素，因為地球表面某一區域所收到的太陽輻射，以及大氣環流的情況可以基本決定地區蒸發、降水和水汽輸送情況。普遍意義上認為，某一地區的徑流是該區域 “降水—蒸發”過程的殘留，所以徑流過程雖然受到下墊面條件的影響，但氣象要素依然是影響徑流的主要因素。下墊面因素主要通過蒸發和徑流來影響水循環的過程。隨著人類改造自然環境的力度不斷加大，人類活動因素在水循環過程中起到的作用越來越難以忽視。一方面，人類通過修建水利設施，如水庫、跨流域調水等，直接影響到徑流的調節；另一方面，通過對下墊面的改造影響了流域內水分的蒸發、入滲及產匯流過程，從而影響到水循環過程。

三、水平衡

水圈中的水通過水文循環作用，在多年平均的意義上，海洋中的水量保持平衡，陸地上各種水體的水量，經過不斷地更新補充也基本上收支相抵，而地球上的水與地球以外的太空中的水量交換可以忽略不計。也就是說在一定歷史時期地球上的水總量是保持不變的，而在不同介質中的水量在各年間會產生一定變化，即地球上的水量在不同年間的分配上會產生一定變化，但是總量不變，這就是地球上的水平衡的基礎。

水量平衡方程式是水文科學中廣泛應用的極其重要的基本方程式之一，它可以用來定量描述水循環要素間的相互關系和作用。就多年平均情況而言，地球上海洋系統和陸地系統的蓄水量變化為零，因此海洋系統的多年平均水量平衡方程式為：

陸地系統的多年平均水量平衡方程式為：

式中、——海洋和陸地的多年平均年蒸發量，億m3；

、——海洋和陸地的多年平均年降水量，億m3；

——從陸地注入海洋的多年平均年徑流量，億m3。

將以上兩式相加，可以得到全球多年平均水量平衡方程式為

即，全球的多年平均年蒸發量等于多年平均年降水量。

對于一閉合區域來說，水平衡體現在，總補給量與總排泄量之差等于區域內地表、地下、及土壤中的蓄水量的變化。如果把地表水、地下水及土壤水作為一個整體對待，那大氣降水就是該區域水資源的總補給量；河川徑流量、總蒸散發量及地下潛流量則是該區域水資源的總排泄量，則水量平衡方程式可表示為

式中 P——年降水量，億m3；

R——年河川徑流量，億m3；

E——年總蒸發量，億m3；

Ug——年地下潛流量（包括周邊流出量），億m3；

ΔV——地表、地下、土壤水的年蓄水變化量，億m3。