第一节 水循环过程及水资源形成
水循环是联系大气圈、水圈、岩石圈和生物圈相互作用的纽带，形成自然界千差万别的水文现象，是水资源形成的基础。也正是由于水循环作用，使水处在永无止境的循环之中，使水成为一种可再生的资源。人类活动对自然界的改造（如城市化建设、土地开发利用），在一定程度上改变了水循环过程，进而影响到了水循环过程和水资源形成特征。因此，学习水资源形成过程需要从认识水循环开始。
一、对水循环的认识
水循环（water cycle），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。自然界的水循环是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的纽带，是自然环境中发展演变最活跃的因素，并形成了地球上的淡水资源。全球水循环时刻都在进行着，它发生的领域有：海洋与陆地之间，陆地与陆地之间，海洋与海洋之间。水循环示意如图3-1所示。
海陆间水循环，是指海洋水与陆地水之间通过一系列的过程所进行的相互转化。具体过程是：广阔海洋表面的水经过蒸发变成水汽，水汽上升到空中随着气流运动，被输送到大陆上空，其中一部分水汽在适当的条件下凝结，形成降水。降落到地面的水，一部分沿地面流动形成地表径流；一部分渗入地下，形成地下径流。二者经过江河汇集，最后又回到海洋。这种海陆间的水循环又称大循环。通过这种循环运动，陆地上的水就不断地得到补充，水资源得以再生。
降落到陆地上的水，其中一部分或全部（指内流区域）通过陆地、水面蒸发和植物蒸腾形成水汽，被气流带到上空，又冷却凝结形成降水，仍降落到陆地上，这就是内陆水循环。
海上内循环，就是海洋面上的水蒸发成水汽，进入大气后在海洋上空凝结，形成降水，又降落到海面。
图3-1 水循环示意图［1］
传统意义上的水循环是指自然界中通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节形成的水循环，称为自然水循环。实际上，水循环还受人类活动（如水库蓄水、大坝拦水、调水、引用水等）的影响，且随着人类活动的加剧这种影响越来越严重。为了便于与前者区分把有人类活动影响或参与的部分水循环过程称为社会水循环。
二、自然水循环过程及水资源形成
自然界的水循环一般包含蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节。本书所指的蒸发包括水面蒸发、陆地蒸发、植物蒸腾。
1.蒸发
蒸发是水分通过热能交换从固态或液态转换为气态的过程，是水分从地球地面和水体进入大气的过程［2］。蒸发过程是水循环的重要环节，陆地上年降水量的66%是通过蒸发（包括蒸腾）返回大气的。
影响蒸发的因素很多，首先它取决于热能的供应（如太阳辐射），蒸发1g水约需2.5kJ热量。其次，它必须有水汽运动机制，主要取决于水汽梯度。另外，还受水温、气温、风、气压、太阳辐射等气象因素的影响。这些因素综合作用影响着蒸发过程及蒸发量大小，因此，计算蒸发量不是一件易事。尽管如此，还有很多方法可以测定或计算蒸发量，主要包括：器测法、经验公式法、微气象学方法（如能量平衡法，空气动力学法，能量平衡-空气动力学法）和遥感法等。
2.水汽输送
水汽输送，是指大气中的水汽由气流携带着从一个地区上空输送到另一个地区的过程。它揭示了一个地区上空水汽输送的源地、路径、强度、场的结构以及它们随时间的变化［3］。
陆地和海洋表面的水经蒸发后，如果不经过水汽输送就只能降落到原地，不会形成地区间或全球水循环。而实际上，蒸发返回大气中的水分通过水汽输送可能会降落到其他地方，增加了水循环的复杂性和多样性。
大气中的水汽含量虽然只占全球水循环系统中总水量的1.53%，但却是全球水循环过程中最活跃的成分。全球大气水更新一次平均只需8天，即一年中大气中的水汽可更新45次，其更新速度远快于其他任何水体。正是由于大气中的水汽如此活跃的更新和输送，才实现了全球各水体间的水量连续转换和更新［3］。
3.降水
降水是水汽在大气层中微小颗粒周围进行凝结，形成雨滴，再降落到地面的过程。因此，降水主要来自于大气中的云。但有云并不一定能形成降水，因为云滴的体积很小，不能克服空气的阻力和上升气流的顶托。只有当云滴增长为雨滴并足以克服空气阻力和上升气流的顶托时，在降落至地面的过程中才不致被蒸发掉时，降水才能形成［3］。
降水是水循环中一个十分重要的过程，自然界中的水资源或能被人类所利用的水资源均来自于大气的降水。因此，人们在计算水资源量时，常常把降水量看作是一个地区或流域的“广义水资源量”。
4.下渗
降落到地面上的水并不是都能形成径流，可能有一部分水被蒸发掉，一部分下渗到地面以下，只有一部分会变成径流。下渗是地下径流和地下水形成的重要过程，它不仅直接决定着地面径流量的大小，同时也影响着土壤水分的增长和地下径流的形成。下渗的物理过程分为渗润、渗漏和渗透三个阶段。其中前两个阶段属于非饱和水流运动，而渗透属于饱和水流运动。
影响下渗的因素很多，主要有土壤因素（包括土壤均质性、土壤质地和孔隙率等）、土壤初始含水率、地表结皮（表土结皮能减少入渗量）、降雨因素（包括雨型、降雨强度等）和下垫面因素（包括植被、坡度、坡向、耕作措施等）等。
5.径流（形成水资源）
径流又称为河川径流，亦即地表径流和地下径流、壤中流之和。在大气降水降到地面以后，一部分水分通过蒸发返回到大气；一部分通过下渗进入到土壤（包括植物吸收、壤中流）；一部分可能蓄积在地表低洼处；剩余的水量在一定条件下可能会形成地表径流，当下渗的水量达到一定程度后会形成地下径流。河川径流是由地面和地下（包括土壤）汇流到河槽并沿河槽流动的水流的统称。
地表径流过程，以降雨补给的河流为例，可以分为降水过程、蓄渗过程、坡地漫流过程、河槽集流过程四个阶段。地表径流量，等于降水总量减去地表蓄水量和下渗量、蒸发量。影响径流量大小的主要因素包括：流域气象条件（如降水、蒸发、气温、湿度、风等）、地理位置、地形条件、植被以及人为因素（如水利工程、开垦、城市建设等）。人类活动对径流的形成过程和径流量大小的影响是显而易见的，比如，自然的流域区如果被建设成公路、广场和房屋密集的城市，使下垫面发生很大变化，就会直接影响到地表径流的形成（详见本章第三节）。
地下径流过程，先由降水下渗到透水层形成地下水，再经过一段相当长时间，通过渗透流动形成地下径流。它与地表径流不同，在数量和变化过程上表现得更稳定，流速也要比地表径流慢得多。其形成和变化也受气象、地理、地质、植被以及人为因素等的影响，但响应速度和受影响的程度明显小于地表径流。
三、水循环的机理与特点
（1）水循环是永无止境的，既无开始也无结尾。但是，全球的总水量是不变的，服从质量守恒定律，这是建立水量平衡方程的基础。
（2）太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力。此动力不消失，水循环将永恒存在。
（3）全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统。对全球而言，水循环相对封闭在一巨系统中，是一个闭合系统。但对海洋、陆地或某一地区来说，由于它与外界发生不同程度的交换，又是一个局部开放系统。
（4）永无止境的水循环赋予水体可再生性。其循环强度一般用水体的更替周期来度量。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要的时间。水体的更替周期是反映水循环强度的重要指标。从水资源可持续利用的角度分析，水体的总储水量并不是都可利用的，只有能够不断更新的那部分水量才能算作可利用量。如果不能及时更新，就无法保证水资源的可持续利用。
（5）水循环过程是一个十分复杂的过程，在人类活动作用下，可能会导致水循环过程的变化，从而影响到水资源的形成和特征的变化。
四、水循环的作用和意义
地球上的多年平均降水量为1130mm，与多年平均蒸发量持平，折合水量577000km3，还不到地球上总水量13.86亿km3的0.042%。所以，经常参与水循环运动的有效水量只不过是地球上总水量的很小一部分。这部分水量虽然不多，但它对自然界，特别是人类的生存和生产活动具有重大的作用和意义。
1.形成可再生的水资源
正是由于水循环作用，才形成了人类赖以生存的水资源。如果没有水循环的这个特性，也就谈不上水资源的可再生，更不用说保证人类能持续利用水资源。可以说，这是水循环对人类的最大恩赐。
2.影响全球的气候变化
水循环一方面受全球气候变化，尤其是大气环流的影响，另一方面又影响到全球气候的变化。这可以从它们之间的关系来简单分析。首先，水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者，因此，水循环的变化必然会影响到大气的变化，反过来，大气的变化导致水循环方式的改变，从而影响水循环。其次，促成水循环的重要作用之一是太阳辐射能，水体接受太阳辐射能的变化必然会带动水循环的变化。同时，水循环通过对地表太阳辐射能的重新分配，使不同纬度热量收支不平衡的矛盾得到缓解。如果水循环发生变化，必然会改变水循环对太阳辐射能的分配作用，从而影响气候变化。再次，水循环的强弱及其路径，还会直接影响到各地的天气过程，甚至可以决定地区的气候基本特征，如雨、雪、霜、冰雹、暴风雨等天气现象本身就是水循环的产物。
3.形成丰富多样的地形地貌
大气降水降落到地面后，除了蒸发和下渗，便形成径流。由于地表径流长时期冲刷和侵蚀地面，在陆地上形成了大小不等的沟壑溪流，同时径流的冲刷作用又将大量的泥沙输送到低洼的地方去，因此在河流的出山口处往往由于泥沙的堆积而形成巨大的冲积平原。这里的土地肥沃，常常是人类的聚集地和文明的发源地。在某些地面径流流动缓慢的地区，因积水过多而形成沼泽和湿地，又是各类动物栖息繁殖的场所。所以，水循环运动不仅创造了江河、湖泊等丰富多样的地形地貌，也为地球带来了勃勃生机。
同样，水循环过程的作用也表现在地下。部分水下渗到地下形成土壤水和地下水，这些水同地壳中不同物质长期接触，使得这些物质不断被溶解、输送到其他地方，最终以盐的形式汇集于海洋中。溶解物质中的部分盐类渐渐沉积形成沉积岩。某些地区的地层是由易溶解的岩石组成，这些岩石受到地下水的侵蚀和溶解，形成岩溶地貌。
4.为生态系统提供生命支撑
水循环运动既为地球上一切生物提供了不可缺少的水分，又可对生物的循环产生积极的促进作用。大气降水可以把空气中游离的氮元素带到地面，供植物吸收；土壤水则是植物吸收营养物质的必要介质；地表径流又把地面上大量的有机物带入到海洋，为海洋生物的繁衍提供养料。同时，生物体内也存在着微小的水循环系统，如人体组织中70%是水，并且它们积极参与水循环过程，其平均循环周期仅为几小时，远高于一般水体的循环速度。因此，没有水循环，就不会有生命活动。
5.形成一切水文现象
水循环是一切水文现象的根源。没有水循环，就不存在水的运动和更替，也就没有一切水文现象。水循环不是一个简单的环节，而是一组路径，水通过这些路径在自然界中循环并从一种状态变到另一种状态，这就形成了水文现象的千变万化。