一、水循环

(一)水循环基本过程

水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。

从全球整体角度来说，这个循环过程可以设想从海洋的蒸发开始：蒸发的水汽升入空中，并被气流输送至各地，大部分留在海洋上空，少部分深入内陆，在适当条件下，这些水汽凝结降水。其中海面上的降水直接回归海洋，降落到陆地表面的雨雪，除重新蒸发升入空中的水汽外，一部分成为地面径流补给江河、湖泊，另一部分渗入岩土层中，转化为壤中流与地下径流。地面径流、壤中流与地下径流，最后亦流入海洋，构成全球性统一的、连续有序的动态大系统。图9-4为全球海陆间水循环过程的概化图。

图9-4　全球海陆水循环过程概化图

整个过程可分解为水汽蒸发、水汽输送、凝结降水、水分入渗，以及地表、地下径流等5个基本环节。这5个环节相互联系、相互影响，又交错并存、相对独立，并在不同的环境条件下，呈现不同的组合，在全球各地形成一系列不同规模的地区水循环。

(二)水循环的基本类型

通常按水循环的不同途径与规模，将全球的水循环区分为大循环与小循环，如图9-5所示。

图9-5　水循环基本类型示意图

1.大循环

发生于全球海洋与陆地之间的水分交换过程，由于广及全球，故名大循环，又称外循环。

大循环的主要特点是，在循环过程中，水分通过蒸发与降水两大基本环节，在空中与海洋，空中与陆地之间进行垂向交换，与此同时，又以水汽输送和径流的形式进行横向交换。交换过程中，海面上的年蒸发量大于年降水量，陆面上情况正好相反，降水大于蒸发；在横向交换过程中，海洋上空向陆地输送的水汽要多于陆地上空向海洋回送的水汽，两者之差称为海洋的有效水汽输送。正是这部分有效的水汽输送，在陆地上转化为地表及地下径流，最后回流入海，在海陆之间维持水量的相对平衡。

2.小循环

小循环是指发生于海洋与大气之间，或陆地与大气之间的水分交换过程。小循环又称内部循环，前者又可称为海洋小循环，后者称为陆地小循环。

海洋小循环主要包括海面的蒸发与降水两大环节，所以比较简单。陆地小循环的情况则要复杂得多，并且内部存在明显的差别。从水汽来源看，有陆面自身蒸发的水汽，也有自海洋输送来的水汽，并在地区分布上很不均匀，一般规律是距海愈远，水汽含量愈少，因而水循环强度具有自海洋向内陆深处逐步递减的趋势，如果地区内部植被条件好，贮水比较丰富，那么自身蒸发的水汽量比较多，有利于降水的形成，因而可以促进地区小循环。

陆地小循环可进一步区分为大陆外流区小循环和内流区小循环。其中外流区小循环除自身垂向的水分交换外，还有多余的水量，以地表径流及地下径流的方式输向海洋，高空中必然有等量的水分从海洋送至陆地，所以还存在与海洋之间的横向水分交换。而陆地上的内流区，其多年平均降水量等于蒸发量，自成一个独立的水循环系统，地面上并不直接和海洋相沟通，水分交换以垂向为主，仅借助于大气环流运动，在高空与外界之间，进行一定量的水汽输送与交换活动。

(三)全球水循环系统的层次结构

如前所述，全球水循环是由海洋的、陆地的以及海洋与陆地之间的各种不同尺度、不同等级的水循环所组合而成的动态大系统。由于这些分子水循环系统既紧密联系，相互影响，又相对独立，所以，对这个全球性的动态大系统，可以根据海陆分布，各分子系统的尺度、规模不同，以及相互之间上下隶属关系，建立如图9-6所示的水循环分子等级系统。

图9-6　全球水循环分子等级系统示意图

陆地水循环系统结构比海洋水循环系统要复杂，而且在四级以下可进一步区分，例如长江流域为四级水循环系统，汉江作为长江的一级支流，就属于五级水循环系统，而丹江是汉江的支流，是长江的二级支流，因而属于六级水循环系统。

(四)水体的更替周期

水体的更替周期，是指水体在参与水循环过程中全部水量被交替更新一次所需的时间，通常可用下式作近似计算：

式中：T为更替周期(年或日、时)；W为水体总贮水量(m³)；ΔW为水体年平均参与水循环的活动量(m³/a)。

以世界大洋为例，总储水量为1.338×10¹⁸m³，每年海水总蒸发量为5.05×10¹⁴m³，依此计算，海水全部更新一次约需要2650a；如果以入海径流量4.7×10¹³m³为准，则更新一次需要28468a。又如世界河流的河床上瞬时贮水量为2.12×10¹²m³，而其全年输送入海的水量为4.7×10¹³m³，因此一年内河床中水分可更替22次，平均每16天就更新一次。大气水更替的速度还要快，平均循环周期只有8天，然而位于极地的冰川，更替速度极为缓慢，循环周期长达万年。

表9-1所列的更替周期，是在有规律的逐步轮换这一假设条件下得出的平均所需时间。实际情况要复杂得多，如深海的水需要依靠大洋深层环流才能缓慢地发生更替，其周期要超过2650a；而海洋表层的海水直接受到蒸发和降水的影响，其更替周期显然无需2000多年。尤其是边缘海受入海径流影响，周期更短。以我国渤海为例，总贮水量约1.9×10¹²m³，而黄河、辽河、海河多年平均入海水量达1.455×10¹¹m³，仅此一项就可使渤水13年内更新一次。又如世界湖泊平均循环周期需要17a，而我国长江中下游地区的湖泊出入水量大，交换速度快，一年中就可更换若干次。

表9-1　各种水体更替周期

水体的更替周期是反映水循环强度的重要指标，亦是反映水体水资源可利用率的基本参数。

因为从水资源永续利用的角度来衡量，水体的储水量并非全部都能利用，只有其中积极参与水循环的那部分水量，由于利用后能得到恢复，才能算做可资利用的水资源量。而这部分水量的多少，主要决定于水体的循环更新速度和周期的长短，循环速度愈快，周期愈短，可开发利用的水量就愈大。以我国高山冰川来说，其总贮水量约为5×10¹³m³，而实际参与循环的水量年平均为5.46×10¹¹m³，仅为总贮水量的1/100左右，如果我们想用人工融冰化雪的方法增加其开发利用量，就会减少其贮水量，影响到后续的利用。