第二节 水资源的形成与转化

一、水循环与水资源形成

水循环，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。对水循环过程的描述如图1-2所示。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，水才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^［5］。

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。水循环各环节及水资源形成介绍如下^［5］。

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^［7］。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，还是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、水汽输送路径、水汽输送强度、水汽输送场的结构以及它们随时间的变化^［8］。

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^［8］。

3.降水

降水是水汽在大气层中的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^［8］。

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。

地下径流过程，先由降水下渗到透水层形成地下水，再经过一段相当长的时间，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。

二、水资源转化过程

天然情况下，水资源的转化过程主要表现在大气水、地表水、地下水之间的相互转化。大气降水是水资源的主要补给来源，降落到地面上的水在经过植物截流后，一部分产生径流流入河川、湖泊或水库形成地表水；一部分渗入到地下储存并运动于岩石的孔隙、裂隙或岩溶空洞中，形成地下水；还有一部分通过地球表面的蒸发返回到大气中。河流是水循环的主要途径，降水落到地面后，除了满足下渗、蒸发、截留、填洼等损失外，多余的水量以地面径流（又称漫流）的形式汇集成溪流，再由许多溪流汇集成江河。渗入到土壤和岩土中的水分，除一小部分被蒸发到大气中外，大部分成了地下水，储存于地下岩石的孔隙、裂隙和岩溶中，并以地下径流的形式运动，当运动到地势比较低的地方则以泉水的形式溢出。通常，把考虑了大气水、地表水与地下水之间由于水的循环和流动而引起的单向或双向补给的转化关系称为“三水”转化关系。如果再考虑土壤水的作用关系，则称为“四水”转化关系。

水资源的这种复杂转化关系在我国西北干旱地区表现最为明显。西北干旱地区高山和盆地相间的地形特征，形成了其特有的水循环系统，构成了相互之间没有直接水力联系的内陆河大小流域，水资源在流域水循环过程中补给、转化、耗散。通常河流上游山区为径流形成区，海拔较高且基本没有人类活动，径流沿程加大，水资源在形成转化的同时还支撑了山地生态系统。出山口以下为径流消失区，这里降水稀少，大部分地区基本不产流。径流出山后以地表水与地下水两种形式相互转换，其间不断地蒸散发和渗漏，最终消失。平原盆地上中游的沿河两岸，属于径流消耗和地表—地下水强烈转化区，50%以上的出山口径流支撑了人工绿洲生态系统；在平原盆地的下游和人工生态系统周边地带，属于径流的排泄，积累和蒸散发区，水资源支撑了天然绿洲、内陆河尾闾水域及低湿地生态系统；在尾闾和天然绿洲周边及下游的广大荒漠，属于水分严重稀缺的无流区，依靠极为有限的降水和大气凝结水，支撑着脆弱的荒漠生态系统^［9］。

三、人类活动对水资源转化过程的影响

在人类活动未涉及之前，水资源是一个天然的系统，其降水补给、产流、汇流、径流过程以及地表水与地下水转化等作用是按照自然规律进行。但在人类活动影响作用下，人为改变原有的水资源系统（包括水资源系统结构、径流过程以及作用机理等），使原来的水资源系统更加复杂。人类活动对水资源转化的影响主要表现在：①兴建蓄水、调水工程，改变水资源自然的流动特性和转化过程；②兴建引水、提水工程，大量开采地表、地下水，增加水资源的使用量和消耗量；③生活污水、工业废水、灌溉退水的排放，改变了天然水体的水质状况。图1-3是包含了人工作用的水资源转化过程，其中左边部分是天然状况下的水资源转化过程，右边部分是人工作用对水资源转化的影响。

水资源的转化关系是分析和研究一个地区水资源平衡的科学基础和依据，尤其是对我国西北干旱地区水资源开发利用来说。西北干旱地区的水资源来源比较单一，主要是山区降水产生的出山径流量，而坐落于平原区的城市和灌区则靠大量引用地表水、地下水得以维持和发展。随着地表水、地下水的引入，复杂的水资源转化过程在城市和灌区中开始。总的来说，西北干旱地区人工作用下的四水转化过程为：

（1）地表水包括城市和灌区引用的水库蓄水、河川径流和外区调水。引用的径流在渠道输水过程中，通过蒸发、渗漏转化为大气水、土壤水和地下水。

（2）地下水来源于地表水与降水的入渗补给、区外（山前）侧渗补给，其消耗是：通过潜水蒸发补给非饱和带土壤水、通过侧渗以地下水的形式排入河道、通过抽水作为引用水水源、通过越层入渗补给深层地下水。

（3）土壤水是四水转化的中心环节，来源于地表水的入渗和地下水的潜水蒸发补给。土壤水除少量补给地下水外，主要转化为大气水，消耗于蒸散发。

（4）大气水指降水与蒸散发的水量。城市和灌区的降水除少量入渗补给地下水和排水外，直接被蒸散发而消耗掉。蒸散发总量是当地最终的水资源消耗量。

在水资源规划与管理工作中，往往在明确研究区域水资源转化关系的基础上，再进行水资源量的估算。这对于掌握研究区域供水、用水状况，进行水量平衡分析和需水量计算具有重要的意义。