水循环

水循环（Hydrological Cycle）^[1]，又称水分循环、水文循环，^[2]是指自然界中的水在太阳辐射、地球引力等的作用下，以气态、液态和固态的形式在陆地、海洋、大气和生物间不断循环的过程。^[1][3][4]1674年，法国学者P.佩罗（Pirre Perrault）在其著作《泉水之源》中最早定量地描述了水循环。^[2][5]

在自然界中，水循环的外部驱动力主要源自太阳辐射与重力作用，这两者共同为水循环中的物理状态变化及水体运动提供了必要的能量。而水在常规环境条件下展现出的气态、液态、固态之间易于转换的特性，则是水循环得以进行的内在机理。^[6][3]可划分为大循环（海陆间循环）与小循环（海上内循环、陆地内循环）两种类型，^[3][7]这一过程中主要涉及大气水、陆地水、海水这三大类，通常包括蒸发、水汽输送、降水、下渗，以及（地表、地下）径流五个环节。^[3][4]

水循环可以调节地表气温和湿度，使各种水体不断更新，从而维护全球水的动态平衡，使水成为可再生资源。是陆地淡水资源的重要来源，对人类生产活动至关重要。^[3]然而，人类活动却对水循环产生了显著影响，破坏了自然界的生态平衡。如围湖造田不仅减少了湖泊蓄水量，还降低了防洪抗旱能力，削弱了湖泊对气候的调节作用。同时，工业废水、生活污水及大气污染物通过水循环扩散，加剧了水体污染，尤其是矿物燃料燃烧产生的二氧化硫和氮氧化物形成的酸雨，更是将大气污染转化为地面水和土壤污染。^[3][8][9]

自然界中，水循环形成的外因来源于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；而水在常规环境条件下能够轻松地在气态、液态、固态之间转换的特性，则构成了水循环的内在机制。^[6][3]

自然界水的循环可分为大循环和小循环两类，大循环与小循环不仅在各地区内部持续运作，同时也跨越地域界限，在不同地区间不间断地进行着水的交换与循环，构成了全球范围内永不停歇的水循环体系。^[3][7]

大循环，又称海陆间循环，是指海洋与陆地之间的水分相互交换过程。即海洋中的水体通过蒸发进入大气，随后这些水汽被气流携带至陆地上空，在适宜条件下凝结成水滴并降落到地表。降落的水分中，一部分会汇入江河，经由地表径流的路径最终流回大海；而另一部分则会渗透进入地下，成为地下水，之后通过地下径流等多种方式再次汇入江河或直接回归海洋。这种循环是陆地上水分补给的主要形式。^[3][7]

小循环，又称海上内循环或陆地内循环，是指海洋或陆地上的水汽蒸发后上升至空中凝结后又各自降入海洋或陆地。即没有海陆之间的交换，陆地或者海洋自身的水单独循环的过程。^[3][7]

在自然界的水循环过程中，主要涉及的水体包括大气水、陆地水、海水这三大类。^[3]

大气水是指存在于大气中的水蒸气。其水量通常通过单位面积气柱中所含水蒸气的量来计算。将大气中的水蒸气量换算成可能降水量，其全球平均值约为25毫升。全球年平均降水量约为970毫升，日平均降水量约为2.7毫升，意味着水分蒸发到大气中后，平均每隔8~9天又通过降水回到地面。这一循环周期因地表蒸发量、大范围气流运动以及地理位置和季节的差异而有所不同，是维持全球水平衡的重要环节。^[3][10]

陆地水包括河流、湖泊、地下水等淡水资源，其循环受到流域内降雨情况、汇水面积、地形和地貌等自然条件的制约。在降雨过程中，雨水直接或间接地落到地面，根据地表覆盖和土壤渗透能力，一部分水渗入地下，一部分产生径流，汇入河流或在低洼地滞留，同时发生蒸发。渗入土壤的水一部分会蒸腾，另一部分继续下渗进入地下含水层。在一个流域内，地表水和地下水相互补给，构成了一个相对独立的水文循环系统。^[11][3]

海水是地球上最大的水体，也是水循环的主要水体。根据V.M.Goldschmid（基于假设地球表面完全由水覆盖，但实际上地球表面只有约70.8%被海洋覆盖）计算，地球表面每平方米的含水量为273升，而海水则为268.4升，约占地球总水量的97%。在海洋内部，尤其是深度在1千米以浅的表层，存在大量的海水流动，这是由海风、海水温度或含盐量不同引起的密度流所驱动的。然而，由于海水的水量巨大，即便是表面的混合层，其循环周期也长达120年之久，深海区的循环周期则长达3000年。^[3][12][13]

水循环通常包括蒸发、水汽输送、降水、下渗、（地表、地下）径流五个环节。^[3][4]

蒸发是水由液态转化为气体状态的过程，是海洋与陆地上的水返回大气的唯一途径。根据蒸发面的不同，蒸发可分为水面蒸发、土壤蒸发和植物蒸发等。蒸发过程受到多种因素的影响，包括供水条件、动力学和热力学因素、土壤特性和土壤含水量等。蒸发是水循环的起始环节，为水汽输送和降水提供了必要的水汽来源。^[3][4]

水汽输送是指大气中水分因扩散而由一地向另一地运移，或由低空运送到高空的过程。水汽在运送过程中，其含量、运动方向、路线以及运送强度等随时会发生改变，对沿途的降水有重要影响。水汽输送不仅伴随着动量和热量的转移，还影响着沿途的气温、气压等其他气象因子。因此，水汽输送是水循环的重要环节，也是影响当地天气过程和气候的重要原因。水汽输送受到大气环流、地理纬度、海陆分布、海拔高度与地形屏障作用等多种因素的影响。^[3][4]

降水是指空气中的水汽冷凝并降落到地表的现象。它包括水平降水和垂直降水两部分，前者如霜、露、雾和雾凇，后者如雨、雪、霰雹和雨凇。降水是水循环过程的最基本环节，它补充了地表水和地下水，维持了生态系统的水分平衡。降水要素包括降水总量、降水历时与降水时间、降水强度、降水面积等。降水受到地形条件、植被、水体、人类活动等多种因素的影响。^[3][4]

径流是指流域内的降水通过地面与地下途径汇入河网，并最终流出流域出口断面的水流现象。它主要包括降雨径流和冰雪融水径流两种形式。径流的形成是一个复杂的过程，通常可分为降雨阶段、蓄渗阶段、产流漫流阶段以及集流阶段。作为水循环的关键环节，径流将地表水和地下水紧密相连，实现了水资源的再分配。径流的特性与规模受到多种因素的影响，包括气候条件、流域的下垫面特性（如地形、土壤、植被等）以及人类活动。根据水流来源和流动方式的不同，径流可进一步细分为地表径流（涵盖坡面流和河槽流）和地下径流等类型。^[3][4]

下渗是指水分透过地面渗入土壤的物理过程，它是径流形成的一个重要环节。下渗过程通常分为三个阶段：渗润阶段、渗漏阶段和渗透阶段。在渗润阶段，水分子主要受土壤颗粒的吸附作用，形成薄膜水；渗漏阶段则是水分在毛细管引力和重力作用下，在土壤颗粒间移动；到了渗透阶段，土壤孔隙被水充满，达到饱和状态，此时水主要在重力作用下运动。下渗的状况受到多种因素的制约，包括土壤特性、降水特性、流域的植被与地形条件，以及人类活动的影响。通过下渗，部分降水转化为土壤水和地下水，进而参与到更广泛的水循环中。^[3][4]

大气中总含水量约为，而全球年降水总量约。因此，大气中的水汽平均每年能够转化为降水约44次，即大气中的水汽平均约8~9天就会循环更新一次。^[3]

全球河流总储水量约为，而河流年径流量为。因此，全球的河水每年平均转化为径流约22次，即河水平均约16天就会更新一次。^[3]

‌介质与溶剂作用‌：水是营养物质的介质，也是物质的良好溶剂，可以促进地球各圈层间物质迁移和能量交换。^[3]‌地质变化动因‌：水循环通过改变矿质元素的流失与沉积，从而塑造地表形态，改善地球环境形成、演化与人类生存。^[3]‌调节气候‌：水循环可以调节地表气温和湿度，从而维持全球气候和生态的稳定。^[3]‌更新水体‌：水循环使各种水体不断更新，从而维护全球水的动态平衡，使水成为可再生资源。^[3]

‌维持生命‌：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。^[3]‌经济资源‌：水循环使海洋不断向陆地输送淡水，补充和更新陆地上的淡水资源，成为人类生产活动的重要资源。^[3]‌联系纽带‌：水循环是联系地球各圈层和各种水体的“纽带”，维持全球生态系统的平衡与稳定。^[3]

水循环是地球上最重要的物质循环之一，通过蒸发、降水、径流等过程，调节环境与气候，输送能量和热量，从而维持生态系统的平衡。^[3][8]水循环确保了水资源的可再生性，使得水资源得以不断更新和循环利用，为人类提供清洁的淡水。^[3][8]水循环对农业有重要影响。通过灌溉系统，可以增加土壤湿度，促进作物生长，提高农业产量。^[14]

修筑水库、塘坝、退田还湖（湿）等可拦蓄洪水，增加枯水期径流量，由于水面面积的扩大和地下水水位的提高，可加大蒸发量。^[3]

跨流域调水可扩大灌溉面积，在一定程度上增加了蒸发量，使大气中水汽含量增加，降水量增加。^[3]农林措施，如“旱改水”、精耕细作、封山育林、植树造林能增加下渗，调节径流，加大蒸发，在一定程度上可增加降水量。^[3]

随着全球变暖，水循环模式发生变化，导致降水模式改变、气温升高和极端旱涝灾害频发。^[9][15]气候变化和人类活动导致淡水资源短缺，特别是在副热带干旱区，水资源的不足限制了人类社会的发展。^[9]

围湖造田（围垦湿地）减少了湖泊（湿地）的自然蓄水量，削弱了其防洪抗旱的能力，也减弱了湖泊（湿地）水体对周围地区气候的调节作用。^[3]人类生产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，最终汇入海洋使其受到污染。^[3]人类生产和社会经济发展使大气的化学成分发生变化，如、、氯氟烃（）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，导致蒸发加大和水循环的加快以及区域水循环的变化。^[3]