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水文循环

地球上的水在太阳辐射和重力作用下,以蒸发、降水和径流等方式进行的周而复始的运动过程。又称“水分循环”或“水循环”。水的三态转化特性是产生水文循环的内因,太阳辐射和重力作用是这一过程的动力。太阳向宇宙空间辐射大量热能,在到达地球的总热量中约有23%消耗于海洋和陆地表面的水分蒸发。平均每年有577000立方公里的水通过蒸发进入大气,通过降水又返回海洋和陆地。水文循环的空间范围上达地面以上平均约11公里的对流层顶,下至地面以下平均约 1公里深处。水以各种形态往返于大气、陆地和海洋之间。

认识史

古希腊柏拉图臆测地下有一个大水库,是一切水的来源,大水库中的水来回摆动,形成河流,汇入大海,通过地下通道,海水又返回水库。亚里士多德认为,地下空穴中的空气冷却凝结成水,成为许多发源于高山的河流的水源。他也曾提出,降水是河水的来源之一。古罗马建筑师M.V.P.维特鲁维吸收了前人关于水文循环概念的科学描述部分,提出了一个包括雨水入渗形成地下水等比较完整的水文循环概念。中国古代《黄帝内经素问》(公元前 400余年)一书中提出:“地气上为云,天气下为雨,雨出地气,云出天气。”比较科学地描述了成云致雨的水文现象。成书于公元前 3世纪的《吕氏春秋·圜道》篇比较完整地记述了水文循环现象:“云气西行云云然,冬夏不辍;水泉东流,日夜不休。上不竭,下不满,小为大,重为轻。圜道也。”法国水文学家P.佩罗1674年在《泉水之源》一书中,把观测的年降水量与塞纳河的估计流量作了比较,得出塞纳河年径流量是降水量的六分之一的结论。这个科学的定量概念的提出被公认为现代科学水文学的开始。20世纪60年代以来,随着现代科学技术的发展,把水文循环视为一个动力连续系统在不断地探索和研究。

物理过程

(1)蒸散发。太阳辐射使水从海洋和陆地表面蒸发,从植物表面散发变为水汽,成为大气的一部分(见植物散发)。

(2)水汽输送。水汽随着气流从一个地区被输送到另一地区,或由低空被输送到高空。

(3)降水。进入大气的水汽在适当条件下凝结,并在重力作用下以雨、雪和雹等形态降落。

(4)径流。降水在下落过程中一部分蒸发,返回大气,一部分经植物截留、下渗、填洼及地面滞留后,通过不同途径形成地面径流、表层流和地下径流,汇入江河,流入湖海。海洋同大陆之间的水分交换过程称大循环或外循环;海洋或大陆上的降水同蒸发之间的垂向交换过程称为小循环(见图)。

图水量变化规律

(1)总水量保持平衡。在全球范围内,在相当长期的水文循环中,从地球表面的蒸发量同返回地球表面的降水量相等,处于相对平衡状态。在海洋,蒸发量虽然大于降水量,但来自大陆的径流使这部分缺水得到补偿,所以海水量不会减少。在大陆,虽然降水量大于实际蒸发量,但多余的水量形成径流汇入海洋,因此大陆上的水也不会增多。

(2)时空分布不均匀。水文循环中水量的年际变化很明显,一些地区河川径流的丰水、枯水年往往交替出现。一般说,低纬度湿润地区,降雨较多,雨季降水集中,气温较高,蒸发量大,水文循环强烈;高纬度地区冰雪覆盖期长,气温低,水文循环较弱;而干旱地区降水稀少,蒸发能力大,但实际蒸发量小,水文循环微弱。水文循环这种不均匀现象造成了洪涝、干旱等多变的复杂的水文情势。

循环速度

据估算,地球上每年参加水文循环的总水量平均为577000立方公里(折合水深为1130毫米),而大气对流层中的水分总量约为 12900立方公里(折合水深25毫米)。这些水分通过蒸发和降水每年平均更换约45次,即更新期约8天。河川径流的更新期约16天,土壤水约 1年。地球上各种水体在水文循环中有不同的更新期(见水资源)。

中国的水文循环路径

中国上空的水汽主要来自印度洋的孟加拉湾和南海地区。也来源于西风环流带来的大西洋水汽。强盛的北风带来北冰洋的水汽,鄂霍次克海的水汽随东北风来到东北地区。上述水汽在一定条件下形成大量降水。径流主要通过黑龙江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、珠江等水系,浙、闽、台水系及西南诸河水系入海。中国的外流流域约占全国总面积的64%,即流入太平洋的约占57%,流入印度洋的约占6.5%,尚有小部分流入北冰洋,只占0.5%。

水文循环的意义

水文循环是自然界物质运动、能量转化和物质循环的重要方式之一,它对自然环境的形成、演化和人类的生存产生巨大的影响:

(1)直接影响气候变化。通过蒸散发进入大气的水汽,是产生云、雨和闪电等现象的主要物质基础。蒸发产生水汽,水汽凝结成雨(冰、雪),吸收或放出大量潜热。空气中的水汽含量直接影响气候的湿润或干燥,调节地面气候。

(2)改变地表形态。降水形成的径流,冲刷和侵蚀地面,形成沟溪江河;水流搬运大量泥沙,可堆积成冲积平原;渗入地下的水,溶解岩层中的物质,富集盐分,输入大海;易溶解的岩石受到水流强烈侵蚀和溶解作用,可形成岩溶等地貌。

(3)造成再生资源。水文循环造成巨大的、可以重复使用的再生水资源,使人类获得永不枯竭的水源和能源,为一切生物提供不可缺少的水分;大气降水把天空中游离的氮素带到地面,滋养植物;陆地上的径流又把大量的有机质送入海洋,供养海洋生物;而海洋生物又是人类食物和制造肥料的重要来源。水文循环所带来的洪水和干旱,也会给人类和生物造成威胁。

参考书目
    R.K.林斯雷等著,刘光文等译:《工程水文学》,水利出版社,北京,1981。(R.K.Linsley,Jr.,et al.,Hydrology for Engineers,2nd ed.,McGraw-Hill,New York,1975.)