第二節 水資源的形成與轉化

一、水循環與水資源形成

水循環，是指地球上各種形態的水，在太陽輻射、地心引力等作用下，通過蒸發、水汽輸送、凝結降水、下滲以及徑流等環節，不斷地發生相態轉換和周而復始運動的過程。對水循環過程的描述如圖1-2所示。水循環是聯系大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈相互作用的紐帶，形成自然界千差萬別的水文現象，是水資源形成的基礎。也正是由于水循環作用，水才處在永無止境的循環之中，使水成為一種可再生的資源。人類活動對自然界的改造（如城市化建設、土地開發利用），在一定程度上改變了水循環過程，進而影響到了水循環過程和水資源形成特征^［5］。

自然界的水循環一般包含蒸發、水汽輸送、凝結降水、下滲以及徑流等環節。本書所指的蒸發包括水面蒸發、陸地蒸發、植物蒸騰。水循環各環節及水資源形成介紹如下^［5］。

1.蒸發

蒸發是水分通過熱能交換從固態或液態轉換為氣態的過程，是水分從地球地面和水體進入大氣的過程^［7］。蒸發過程是水循環的重要環節，陸地上年降水量的66%是通過蒸發（包括蒸騰）返回大氣的。

影響蒸發的因素很多。首先它取決于熱能的供應（如太陽輻射），蒸發1g水約需2.5kJ熱量。其次，它必須有水汽運動機制，主要取決于水汽梯度。另外，還受水溫、氣溫、風、氣壓、太陽輻射等氣象因素的影響。這些因素綜合作用影響著蒸發過程及蒸發量大小。因此，計算蒸發量不是一件易事。盡管如此，還是有很多方法可以測定或計算蒸發量，主要包括：器測法、經驗公式法、微氣象學方法（如能量平衡法、空氣動力學法、能量平衡——空氣動力學法）和遙感法等。

2.水汽輸送

水汽輸送，是指大氣中的水汽由氣流攜帶著從一個地區上空輸送到另一個地區的過程。它揭示了一個地區上空水汽輸送的源地、水汽輸送路徑、水汽輸送強度、水汽輸送場的結構以及它們隨時間的變化^［8］。

陸地和海洋表面的水經蒸發后，如果不經過水汽輸送就只能降落到原地，不會形成地區間或全球水循環。而實際上，蒸發返回大氣中的水分通過水汽輸送可能會降落到其他地方，增加了水循環的復雜性和多樣性。

大氣中的水汽含量雖然只占全球水循環系統中總水量的1.53%，但卻是全球水循環過程中最活躍的成分。全球大氣水更新一次平均只需8天，即一年中大氣中的水汽可更新45次，其更新速度遠快于其他任何水體。正是由于大氣中的水汽如此活躍的更新和輸送，才實現了全球各水體間的水量連續轉換和更新^［8］。

3.降水

降水是水汽在大氣層中的微小顆粒周圍進行凝結，形成雨滴，再降落到地面的過程。因此，降水主要來自于大氣中的云。但有云并不一定能形成降水，因為云滴的體積很小，不能克服空氣的阻力和上升氣流的頂托。只有當云滴增長為雨滴并足以克服空氣阻力和上升氣流的頂托時，在降落至地面的過程中才不致被蒸發掉時，降水才能形成^［8］。

降水是水循環中一個十分重要的過程，自然界中的水資源或能被人類所利用的水資源均來自于大氣的降水。因此，人們在計算水資源量時，常常把降水量看作是一個地區或流域的“廣義水資源量”。

4.下滲

降落到地面上的水并不是都能形成徑流，可能有一部分水被蒸發掉，一部分下滲到地面以下，只有一部分會變成徑流。下滲是地下徑流和地下水形成的重要過程，它不僅直接決定著地面徑流量的大小，同時也影響著土壤水分的增長和地下徑流的形成。下滲的物理過程分為滲潤、滲漏和滲透三個階段。其中前兩個階段屬于非飽和水流運動，而滲透屬于飽和水流運動。

影響下滲的因素很多，主要有：土壤因素（包括土壤均質性、土壤質地和孔隙率等）、土壤初始含水率、地表結皮（表土結皮能減少入滲量）、降雨因素（包括雨型、降雨強度等）和下墊面因素（包括植被、坡度、坡向、耕作措施等）等。

5.徑流（形成水資源）

徑流又稱為河川徑流，亦即地表徑流和地下徑流、壤中流之和。在大氣降水降到地面以后，一部分水分通過蒸發返回到大氣；一部分通過下滲進入到土壤（包括植物吸收、壤中流）；一部分可能蓄積在地表低洼處；剩余的水量在一定條件下可能會形成地表徑流。當下滲的水量達到一定程度后會形成地下徑流。河川徑流是由地面和地下（包括土壤）匯流到河槽并沿河槽流動的水流的統稱。

地表徑流過程，以降雨補給的河流為例，可以分為降水過程、蓄滲過程、坡地漫流過程、河槽集流過程四個階段。地表徑流量，等于降水總量減去地表蓄水量和下滲量、蒸發量。影響徑流量大小的主要因素包括：流域氣象條件（如降水、蒸發、氣溫、濕度、風等）、地理位置、地形條件、植被以及人為因素（如水利工程、開墾、城市建設等）。人類活動對徑流的形成過程和徑流量大小的影響是顯而易見的，比如，自然的流域區如果被建設成公路、廣場和房屋密集的城市，使下墊面發生很大變化，就會直接影響到地表徑流的形成。

地下徑流過程，先由降水下滲到透水層形成地下水，再經過一段相當長的時間，通過滲透流動形成地下徑流。它與地表徑流不同，在數量和變化過程上表現得更穩定，流速也要比地表徑流慢得多。其形成和變化也受氣象、地理、地質、植被以及人為因素等的影響，但響應速度和受影響的程度明顯小于地表徑流。

二、水資源轉化過程

天然情況下，水資源的轉化過程主要表現在大氣水、地表水、地下水之間的相互轉化。大氣降水是水資源的主要補給來源，降落到地面上的水在經過植物截流后，一部分產生徑流流入河川、湖泊或水庫形成地表水；一部分滲入到地下儲存并運動于巖石的孔隙、裂隙或巖溶空洞中，形成地下水；還有一部分通過地球表面的蒸發返回到大氣中。河流是水循環的主要途徑，降水落到地面后，除了滿足下滲、蒸發、截留、填洼等損失外，多余的水量以地面徑流（又稱漫流）的形式匯集成溪流，再由許多溪流匯集成江河。滲入到土壤和巖土中的水分，除一小部分被蒸發到大氣中外，大部分成了地下水，儲存于地下巖石的孔隙、裂隙和巖溶中，并以地下徑流的形式運動，當運動到地勢比較低的地方則以泉水的形式溢出。通常，把考慮了大氣水、地表水與地下水之間由于水的循環和流動而引起的單向或雙向補給的轉化關系稱為“三水”轉化關系。如果再考慮土壤水的作用關系，則稱為“四水”轉化關系。

水資源的這種復雜轉化關系在我國西北干旱地區表現最為明顯。西北干旱地區高山和盆地相間的地形特征，形成了其特有的水循環系統，構成了相互之間沒有直接水力聯系的內陸河大小流域，水資源在流域水循環過程中補給、轉化、耗散。通常河流上游山區為徑流形成區，海拔較高且基本沒有人類活動，徑流沿程加大，水資源在形成轉化的同時還支撐了山地生態系統。出山口以下為徑流消失區，這里降水稀少，大部分地區基本不產流。徑流出山后以地表水與地下水兩種形式相互轉換，其間不斷地蒸散發和滲漏，最終消失。平原盆地上中游的沿河兩岸，屬于徑流消耗和地表—地下水強烈轉化區，50%以上的出山口徑流支撐了人工綠洲生態系統；在平原盆地的下游和人工生態系統周邊地帶，屬于徑流的排泄，積累和蒸散發區，水資源支撐了天然綠洲、內陸河尾閭水域及低濕地生態系統；在尾閭和天然綠洲周邊及下游的廣大荒漠，屬于水分嚴重稀缺的無流區，依靠極為有限的降水和大氣凝結水，支撐著脆弱的荒漠生態系統^［9］。

三、人類活動對水資源轉化過程的影響

在人類活動未涉及之前，水資源是一個天然的系統，其降水補給、產流、匯流、徑流過程以及地表水與地下水轉化等作用是按照自然規律進行。但在人類活動影響作用下，人為改變原有的水資源系統（包括水資源系統結構、徑流過程以及作用機理等），使原來的水資源系統更加復雜。人類活動對水資源轉化的影響主要表現在：①興建蓄水、調水工程，改變水資源自然的流動特性和轉化過程；②興建引水、提水工程，大量開采地表、地下水，增加水資源的使用量和消耗量；③生活污水、工業廢水、灌溉退水的排放，改變了天然水體的水質狀況。圖1-3是包含了人工作用的水資源轉化過程，其中左邊部分是天然狀況下的水資源轉化過程，右邊部分是人工作用對水資源轉化的影響。

水資源的轉化關系是分析和研究一個地區水資源平衡的科學基礎和依據，尤其是對我國西北干旱地區水資源開發利用來說。西北干旱地區的水資源來源比較單一，主要是山區降水產生的出山徑流量，而坐落于平原區的城市和灌區則靠大量引用地表水、地下水得以維持和發展。隨著地表水、地下水的引入，復雜的水資源轉化過程在城市和灌區中開始。總的來說，西北干旱地區人工作用下的四水轉化過程為：

（1）地表水包括城市和灌區引用的水庫蓄水、河川徑流和外區調水。引用的徑流在渠道輸水過程中，通過蒸發、滲漏轉化為大氣水、土壤水和地下水。

（2）地下水來源于地表水與降水的入滲補給、區外（山前）側滲補給，其消耗是：通過潛水蒸發補給非飽和帶土壤水、通過側滲以地下水的形式排入河道、通過抽水作為引用水水源、通過越層入滲補給深層地下水。

（3）土壤水是四水轉化的中心環節，來源于地表水的入滲和地下水的潛水蒸發補給。土壤水除少量補給地下水外，主要轉化為大氣水，消耗于蒸散發。

（4）大氣水指降水與蒸散發的水量。城市和灌區的降水除少量入滲補給地下水和排水外，直接被蒸散發而消耗掉。蒸散發總量是當地最終的水資源消耗量。

在水資源規劃與管理工作中，往往在明確研究區域水資源轉化關系的基礎上，再進行水資源量的估算。這對于掌握研究區域供水、用水狀況，進行水量平衡分析和需水量計算具有重要的意義。