[科普中国]-水循环

水循环

地球表面各种形式的水体是不断地相互转化的，水以气态，液态和固态的形式在陆地、海洋和大气间不断循环的过程就是水循环。1地球表面的水通过形态转化和在地表及其邻近空间（对流层和地下浅层）迁移。

水循环的成因形成水循环的外因是太阳辐射和重力作用，其为水循环提供了水的物理状态变化和运动能量：形成水循环的内因是水在通常环境条件下气态、液态、固态三种形态容易相互转化的特性。

降水、蒸发和径流是水循环过程的三个最重要环节，这三个环节构成的水循环决定着全球的水量平衡，也决定着一个地区的水资源总量。1

水循环的分类水循环还可以分为海陆间循环、陆上内循环和海上内循环三种形式1

环节水循环是多环节的自然过程，全球性的水循环涉及蒸发、大气水分输送、地表水和地下水循环以及多种形式的水量贮蓄降水、蒸发和径流是水循环过程的三个最主要环节，这三者构成的水循环途径决定着全球的水量平衡，也决定着一个地区的水资源总量。

蒸发是水循环中最重要的环节之一。由蒸发产生的水汽进入大气并随大气活动而运动。大气中的水汽主要来自海洋，一部分还来自大陆表面的蒸散发。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。

径流是一个地区（流域）的降水量与蒸发量的差值。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。但是，无论是海洋还是陆地，降水量和蒸发量的地理分布都是不均匀的，这种差异最明显的就是不同纬度的差异。

中国的大气水分循环路径有太平洋、印度洋、南海、鄂霍茨克海及内陆等 5个水分循环系统。它们是中国东南、西南、华南、东北及西北内陆的水汽来源。西北内陆地区还有盛行西风和气旋东移而来的少量大西洋水汽。

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。流域径流是陆地水循环中最重要的现象之一。

地下水的运动主要与分子力、热力、重力及空隙性质有关，其运动是多维的。通过土壤和植被的蒸发、蒸腾向上运动成为大气水分；通过入渗向下运动可补给地下水；通过水平方向运动又可成为河湖水的一部分。地下水储量虽然很大，但却是经过长年累月甚至上千年蓄集而成的，水量交换周期很长，循环极其缓慢。地下水和地表水的相互转换是研究水量关系的主要内容之一，也是现代水资源计算的重要问题。

据估计，全球总的循环水量约为496′1012立方米/年，不到全球总储水量的万分之四。在这些循环水中，约有22.4%成为陆地降水，这其中的约三分之二又从陆地蒸发掉了。但总算蒸发量小于降水量，这才形成了地面径流。

交换周期综述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1000米。全球性的水循环称为大循环，由海洋、陆地和一系列大小区域的水循环所组成。水循环按其发生的空间又可以分为海洋水循环、陆地水循环（包括内陆水循环）。因此，水循环的尺度大至全球，小至局部地区。从时间上划分，可以是长时期的平均，也可以是短时段的状况。相应的，研究水循环时，研究的区域可大至全球、某一流域，也可小至某一地域内的土壤或地下含水层内的水循环，时间也可长可短。

水循环分为海陆间循环（大循环）以及陆地内循环和海上内循环（小循环）。从海洋蒸发出来的水蒸气，被气流带到陆地上空，凝结为雨、雪、雹等落到地面，一部分被蒸发返回大气，其余部分成为地面径流或地下径流等，最终回归海洋。这种海洋和陆地之间水的往复运动过程，称为水的大循环。仅在局部地区(陆地或海洋)进行的水循环称为水的小循环。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。

水交换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，可以用水的交替周期表示。由于各种形式水的贮蓄形式不一致，各种水的交换周期也不一致。

水循环周期表水体名称：更新周期/年大气水：0.025～0.03 年 河水（外流）： 0.03～0.05年 湖泊淡水： 10～100年 地下水：100～1000年海洋水：约5000年 冰川： 约10 0005年。水循环的形成和影响因素。

主要作用水是一切生命机体的组成物质，也是生命代谢活动所必需的物质，又是人类进行生产活动的重要资源。 地球上的水分布在海洋、湖泊、沼泽、河流、冰川、雪山，以及大气、生物体、土壤和地层。水的总量约为1.4×109km³，其中96.5%在海洋中，约覆盖地球总面积的70%。陆地上、大气和生物体中的水只占很少的一部分。

水循环的主要作用表现在三个方面：

① 水是所有营养物质的介质，营养物质的循环和水循环不可分割地联系在一起；

② 水对物质是很好的溶剂，在生态系统中起着能量传递和利用的作用；

③ 水是地质变化的动因之一，一个地方矿质元素的流失，而另一个地方矿质元素的沉积往往要通过水循环来完成。

地球上的水圈是一个永不停息的动态系统。在太阳辐射和地球引力的推动下，水在水圈内各组成部分之间不停的运动着，构成全球范围的海陆间循环（大循环），并把各种水体连接起来，使得各种水体能够长期存在。海洋和陆地之间的水交换是这个循环的主线，意义最重大。在太阳能的作用下，海洋表面的水蒸发到大气中形成水汽，水汽随大气环流运动，一部分进入陆地上空，在一定条件下形成雨雪等降水；大气降水到达地面后转化为地下水、土壤水和地表径流，地下径流和地表径流最终又回到海洋，由此形成淡水的动态循环。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。

水循环是联系地球各圈和各种水体的“纽带”，是“调节器”，它调节了地球各圈层之间的能量，对冷暖气候变化起到了重要的因素。水循环是“雕塑家”，它通过侵蚀，搬运和堆积，塑造了丰富多彩的地表形象。水循环是“传输带”，它是地表物质迁移的强大动力，和主要载体。更重要的是，通过水循环，海洋不断向陆地输送淡水，补充和更新新陆地上的淡水资源，从而使水成为了可再生的资源。

影响自然因素主要有气象条件(大气环流、风向、风速、温度、湿度等)和地理条件(地形、地质、土壤、植被等)。人为因素对水循环也有直接或间接的影响。

大气环流变化引起的降水时空分布、 强度和总量的变化, 雨带的迁移以及气温、 空气湿度、 风速的变化以及太阳辐射强迫的变化直接影响土壤水, 蒸发及径流的生成。受气候因素的制约, 我国湿润气候区、 半湿润气候区及干旱半干旱地区的陆地水循环有显著差异。2

人类活动不断改变着自然环境，越来越强烈地影响水循环的过程。人类构筑水库，开凿运河、渠道、河网，以及大量开发利用地下水等，改变了水的原来径流路线，引起水的分布和水的运动状况的变化。农业的发展，森林的破坏，引起蒸发、径流、下渗等过程的变化。城市和工矿区的大气污染和热岛效应也可改变本地区的水循环状况。

人类活动对水循环的影响反映在两方面。最重要的方面是由于人类生产和社会经济发展使大气的化学成分发生变化, 如 CO2、 CH 4、 CFCs 等温室气体浓度的显著增加改变了地球大气系统辐射平衡而引起气温升高, 全球性降水增加, 蒸发加大和水循环的加快以及区域水循环变化。这种变化的时间尺度可持续几十年到几百年。另一种人类活动主要作用于流域的下垫面, 如土地利用的变化、 农田灌溉、 农林垦殖、 森林砍伐、 城市化不透水层面积的扩大、 水资源开发利用和生态环境变化等引起的陆地水循环变化。这种人类活动的影响虽然是局部的, 但往往强度很大, 有时对水循环的影响可扩展至较大地区。2

环境中许多物质的交换和运动依靠水循环来实现。陆地上每年有3.6×1013 m3的水流入海洋，这些水把约3.6×10^9吨的可溶解物质带入海洋。

人类生产和消费活动排出的污染物通过不同的途径进入水循环。矿物燃料燃烧产生并排入大气的二氧化硫和氮氧化物，进入水循环能形成酸雨，从而把大气污染转变为地面水和土壤的污染。大气中的颗粒物也可通过降水等过程返回地面。土壤和固体废物受降水的冲洗、淋溶等作用，其中的有害物质通过径流、渗透等途径，参加水循环而迁移扩散。人类排放的工业废水和生活污水，使地表水或地下水受到污染，最终使海洋受到污染。

水在循环过程中，沿途挟带的各种有害物质，可由于水的稀释扩散，降低浓度而无害化，这是水的自净作用。但也可能由于水的流动交换而迁移，造成其他地区或更大范围的污染。

地球上大量的热能用于将冰融化为水（335J·g）使水温升高（1℃需4.18J·g）,并将水转换为蒸汽（2243J·g）。因此，水有防止温度发生剧烈波动的重要生态作用。

水量平衡水量平衡是说，在一个足够长的时期里，全球范围的总蒸发量等于总降水量。与世界大陆相比，中国年降水量偏低，但年径流系数均高，这是中国多山地形和季风气候影响所致。中国内陆区域的降水和蒸发均比世界内陆区域的平均值低，其原因是中国内陆流域地处欧亚大陆的腹地，远离海洋之故。中国水量平衡要素组成的重要界线，是1200毫米年等降水量。年降水量大于1200毫米的地区，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。

意义当前已经把水循环看作为一个动态有序系统。按系统分析，水循环的每一环节都是系统的组成成分，也是一个亚系统。各个亚系统之间又是以一定的关系互相联系的，这种联系是通过一系列的输入与输出实现的。例如，大气亚系统的输出──降水，会成为陆地流域亚系统的输入，陆地流域亚系统又通过其输出──径流，成为海洋亚系统的输入等。以上的水循环亚系统还可以细分为若干更次一级的系统。

水循环是地球上最重要的物质循环之一，它实现了地球系统水量、能量和地球生物化学物质的迁移和转换、构成了全球性的连续有序的动态大系统。水循环联系着海陆两大系统，塑造着地表形态，制约着地球生态环境的平衡和协调，不断提供再生的淡水资源。因此，水循环对于地球表层结构的演变和人类可持续发展都意义重大。

1，水循环深刻地影响着地球表层结构的形成、演化和发展。

2，水循环的实质就是物质与能量的传输过程。

3，水循环是海陆间联系的纽带。

4，水循环是地球系统中各种水体不断更新的总和，这使得水成为可再生资源，根植于人类社会和历史的变迁之中。3

水循环的地理意义有五方面：

①水在水循环这个庞大的系统中不断运动、转化，使水资源不断更新（所谓更新，在一定程度上决定了水是可再生资源）。

②水循环维持全球水的动态平衡。

③水循环进行能量交换和物质转移。陆地径流向海洋源源不断地输送泥沙、有机物和盐类；对地表太阳辐射吸收、转化、传输，缓解不同纬度间热量收支不平衡的矛盾，对于气候的调节具有重要意义。

④造成侵蚀、搬运、堆积等外力作用，不断塑造地表形态。

⑤水循环可以对土壤的优质产生影响。水循环简表

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其他社会水循环人类社会对自然水循环的持续干预,破坏其原有的路线和发展进程,加之地表水资源、地下水资源的过度开发利用,导致水资源逐渐成为稀缺资源。同时,城市化、工业化的不断扩张,排放污水、废水与日俱增,滋生一系列违背自然水循环规律的水资源问题。社会水循环的提出,为水资源高效利用及与自然水循环和谐共处提供新的契机,科学解决当前面临的水资源开发、利用、节约、保护等难题。4

全球变暖背景下水循环在加强全球变暖背景下水循环在加强。水循环的改变一方面能够影响海洋的淡水通量，诱导出海洋盐度，流场，以及温度场的异常。海洋的异常能够进一步反馈给大气，从而激发全球气候的调整。另一方面，水循环的改变还能够影响大气中的水汽含量和非绝热加热率。大气中的水汽是最主要的温室气体之一，水汽反馈是全球变暖过程中最显著的正反馈过程。水汽的相变过程导致潜热通量发生异常，最终能够影响气候系统中的极向热输送。5

寒区水循环寒区因为冻土层的广泛存在, 该地区水循环、 水平衡和水资源驱 动机制具有其自身特色, 水文特点 与无冻土 区相比有着显著差别。永久冻土和季节性冻土对上层土壤含水量、 土壤蒸发能力和土壤入渗有着深刻影响, 从而影响 区域或流域的产汇流机制甚至水循环特性。此外, 由于气 候变化的影响和 人类活动的日益加剧, 寒区水循环 与水资源对于这些变化和影响的响应因其自身的水文特性与其他地 区的响应有着相当大的区别。6