第三节 水量平衡
一、基本原理
水量平衡（water balance or water budget）是物质不灭定律在水文学中的具体应用，是定量研究水文现象的基本工具。应用水量平衡原理可对水文循环建立定量概念，从而了解各循环要素（如降水、蒸发、径流、下渗）之间的定量关系，对于水资源评价、水文分析和水利计算、水文预报等具有重要作用，也是水文学研究的有力工具。
水量平衡的基本原理就是基于物质不灭定律或质量守恒定律，即：对任意区域（或水体）、在任一时段内，其输入的水量和输出的水量之差等于其蓄水量的变化量，即某一区域或水体任一时段Δt内的水量平衡方程为
式中：I为给定时段Δt内输入水量，m3；O为给定时段Δt内输出水量，m3；W1、W2分别为时段Δt初、末蓄水量，m3；ΔW=W2-W1为时段Δt内蓄水量的变化量，m3。
当ΔW>；0，蓄水量增加；当ΔW=0，蓄水量不变；当ΔW<；0，蓄水量减小。
式（3-2）为水量平衡的基本方程，应用时要注意以下几点：一是要指定研究区域；二是指定计算时段；三是使用单位要一致。研究区域可以是一个流域或某一水体，如海洋、湖泊、水库等，也可以是流域或水体的一部分，如某一河段。计算时段要根据所研究的问题而定，如果是研究大范围的水量平衡问题，计算时段常取月、年、多年。如果是研究某个不大的水体，一般取较短的计算时段，如日、时、分等。水量平衡中的各项，要注意使用统一的单位，如mm、m3、m3/s等。
二、全球水量平衡方程
地球是由海洋和陆地两大部分组成的，分别以海洋和陆地为研究对象，时段为Δt的水量平衡方程为
海洋：陆地：以上两式中：Po为时段Δt内海洋面上的降水量；R为时段Δt内汇入海洋的径流量；Eo为时段Δt内的海洋蒸发量；ΔWo为时段Δt内的海洋蓄水变化量；Pl为时段Δt内陆地上的降水量；El为时段Δt内的陆地蒸发量；ΔWl为时段Δt内的陆地蓄水变化量。
合并式（3-3）与式（3-4），则可得到时段为Δt的全球水量平衡方程：
或其中式中：P为时段Δt内全球降水量；E为时段Δt内全球蒸发量；ΔW为时段Δt内全球的蓄水变化量。
短时段内蓄水变化量ΔW可正可负，但对多年平均情况而言，正负可以抵消，即蓄水变化量的均值近似为零：
。因此，海洋和陆地多年平均的水量平衡方程为
海洋陆地式中：
为海洋多年平均降水量；
为多年平均汇入海洋径流量；
为海洋多年平均蒸发量；
为陆地多年平均年降水量；
为陆地多年平均年蒸发量。
合并式（3-7）与式（3-8），则可得全球的多年平均水量平衡方程：
或式中：
为全球多年平均年降水量；
为全球多年平均年蒸发量。
由式（3-10）可知，全球多年平均年降水量等于多年平均年蒸发量。经分析计算，全球的多年平均年降水量与蒸发量均为1130mm。
经计算，全球水量平衡各分量的结果见表3-3。全球年平均蒸发量为57.7万km3，其中海洋为50.5万km3，陆地为7.2万km3。全球年平均降水量也为57.7万km3，其中海洋为45.8万km3，陆地为11.9万km3。值得一提的是，地球并不是一个完全封闭的系统，地球与宇宙空间存在水量交换，比如陨石降落、大气中的水汽分解后散逸于宇宙空间等，但两者之间的水量交换基本保持平衡，对全球水量平衡的影响基本可不予考虑。
表3-3 全球水量平衡各要素值
三、流域水量平衡方程
对于任意流域，时段为Δt的水量平衡方程为
式中：P为时段Δt内流域上的降水量；RsI为时段Δt内流入流域的地表径流量；RgI为时段Δt内流入流域的地下径流量；E为时段Δt内流域上的蒸散发量；Rso为时段Δt内流出流域的地面径流量；Rgo为时段Δt内流出流域的地下径流量；q为时段Δt内流域的用水量；ΔW为时段内流域的蓄水变化量。
实际上，方程式（3-11）就是基本水量平衡式（3-2）的展开式。
式（3-11）为流域水量平衡方程的一般形式。如果流域为闭合流域，且用水量很小，即q≈0，式（3-11）可写成更简单的形式：
式中：R为时段Δt内流出流域的地下、地面径流之和。
同样，还可以写出多年平均情况下闭合流域水量平衡方程：
式中：
为流域多年平均年降水量；E为流域多年平均蒸散发量
为流域多年平均年径流量。
闭合流域的多年平均水量平衡方程式（3-13）用途很广，在许多课程中将会用到。我国主要河流的多年平均水量平衡要素见表3-4。
表3-4 我国主要河流的多年平均水量平衡要素
续表
① 中国境内的流域面积。
四、通用水量平衡方程
对于任意空间体或水体，如一个流域、一个河段或一座水库等，都可以写出它的水量平衡方程式。根据式（3-2），两边同除以时段Δt得：
或
式中：
为时段Δt内的平均输入率，m3/s；
为时段Δt内的平均输出率，m3/s。
当时段Δt→0时，则
，
。因此式（3-14）又可写成微分形式，即
式（3-16）就是通用的水量平衡方程的微分式。
五、研究水量平衡的意义
研究水量平衡是水文、水资源学科的重大基础研究课题，同时又是研究和解决一系列实际问题的手段和方法。因而具有十分重要的理论意义和实际应用价值。
（1）通过水量平衡研究，可以定量地揭示水文循环过程与全球地理环境、自然生态系统之间相互联系、相互制约的关系；揭示水文循环过程对人类社会的深刻影响，以及人类对水文循环过程的消极影响和积极控制的效果。
（2）水量平衡又是研究水文循环系统内在结构和运行机制，分析系统内蒸发、降水以及径流等各个环节之间的内在联系，揭示自然界水文过程基本规律的主要方法；是人们认识和掌握河流、湖泊、海洋、地下水等各种水体的基本特征、空间分布、时间变化，以及今后发展趋势的重要手段。通过水量平衡分析，还能对水文测验站网的布局，观测资料的代表性、精度及其系统误差等做出判断，并加以改进。
（3）水量平衡分析还是水资源现状评价与供需预测研究工作的核心。从降水、蒸发、径流等基本资料的代表性分析开始，到进行径流还原计算，再到研究大气水、地表水、土壤水、地下水等四水转换关系，以及区域水资源总量评价，基本上都是根据水量平衡原理进行的。水资源开发利用现状以及未来的供需平衡计算，更是围绕着用水、需水与供水之间能否平衡的研究展开的，所以水量平衡分析是水资源研究的基础。
（4）在流域规划、水资源工程系统规划和设计中，同样离不开水量平衡工作。它不仅为工程规划提供基本参数，而且可以评价水利工程建设后可能产生的实际效益。
此外，在水资源工程正式投入运行后，水量平衡方法又往往是恰当地协调各部门用水要求，进行合理调度，科学管理，充分发挥用水效益的重要手段。
六、人类活动对水量平衡的影响
由于人类活动使得自然地理条件发生变化，从而导致水文循环要素、过程、强度、水文情势等发生变化，进而使水量平衡也产生变化。人类活动对水文循环的路径以及水量平衡各项值，既有直接影响也有间接影响。在水文循环中有两个重要环节，一是空中水汽输送；二是地面径流。人类活动对前者的影响是间接的，而对后者的影响是直接的。此外，人类活动不仅改变了水循环过程中水的数量，也改变了水的质量，即水的物理化学性质。
1.人类用水对水量平衡的影响
人类为了满足生活和工农业生产的需要，把水从河流或地下含水层中直接取出。其中一部分通过排水或下渗重新回到河流或地下含水层中，一部分通过蒸发和散发成为大气水，只有一小部分返回当地水文循环系统。从而使该区域水循环各要素的时空分布直接发生变化，这种影响在干旱区尤为突出。例如我国新疆地区气候干旱，农作物需水迫切，农田灌溉大量引水，导致许多河流季节性断流。在黄河流域，因内蒙河套地区大量引水灌溉，出现了河套流量比上游兰州段流量小的反常现象。由于大量引水灌溉，河水大量引入农田，增大了陆面蒸发，减小了河川径流，造成黄河年径流量有逐年下降的趋势。同时，随着人口增长，城市与工业的发展，生活与工业引水量也日益加大。这些因素使用水量急剧增大，以致到20世纪末黄河这样的大河也发生了连续数年的断流现象。
人类活动还在于明显地改变了下垫面状况。农业方面耕作面积的增加改变了原有植被状况，改变了蒸发条件，进而改变了水汽输送量；农田排出水含有不同量值的养分和农药，使水质发生了变化。城市化的发展，使大量透水地面变为不透水地面，使得相同降雨量所产生的径流量及径流过程不同。现代工业排放的废气降低了近地面的大气透明度，从而改变了辐射状况，影响了陆面能量平衡，导致海洋与陆地表面温度发生变化，而降水量也随之发生了变化。工业排放的污水、废水含有比农田排水更多的有害物质。而近年来，黄土高原地区的人类活动，包括修筑梯田和淤地坝等工程措施，以及退耕还林还草等改变土地利用状况的措施，则在一定程度上减轻了人类对水文循环的影响。
2.水利工程的影响
为了满足人类用水、用电的需要，我国在河流上兴建了大量水库、水电站等水利工程。这些工程改变了河川径流时程分配过程，水库蓄水增大了水面面积。由于水面蒸发远大于陆面蒸发，因而总体上蒸发量增大。蒸发的水量改变了内陆水文循环中的水汽量，在一定程度上增强了陆地水文循环。由于这些工程在蓄水过程中，改变了径流的运动条件，改变了水的温度状况以及水中微生物和生物的生存条件，也相应会引起水质的变化。
跨流域调水改变了水文循环的路径，同时也改变了水文循环各要素之间的平衡关系，进而对水文循环产生很大影响。不仅对调出区有影响，对调入区也有不可忽视的影响。例如，我国的南水北调工程，使长江流域水量减少，使黄河、淮河、海河流域水量增加；长江流域水量减少量值相对有限，而黄淮海流域水量增加比例较大。因此南水北调工程对长江的影响，如是否会产生入海口区淡水退缩及咸水入侵，河口侵蚀量增加等负面影响都需要研究；对黄淮海调入区而言，调入水量将缓解调入区用水紧张程度，在一定程度上补充长期超采的地下水等方面都是有利的，但是否会改变调入区水文循环状况还有待进一步研究。
不同的人类活动，其水文效应的影响规模、变化过程和变化性质，以及可否逆转等均不同。例如，跨流域引水、大型水库等水利工程虽然时间短暂，但将骤然改变水循环要素，而且一旦改变就将持久而不可逆转的存在下去。植树造林、城市化等历时较长的人类活动，对水文要素的影响则是逐渐变化的。水文效应的影响与原水体水量大小有关，影响改变的量和质与总水量和总体水质都是相对而言的。
总而言之，随着人类活动强度增大对水文循环的影响也在增大，而水文循环的改变又会引起自然环境的变化。这种变化可以是朝着有利于人类的方向发展，也可能朝着不利于人类的方向发展，弄清其机理，在水文学理论上和经济社会实践中都有重大的意义。