第三节 水循环与水资源

地球上的水以及水中所溶解的元素，一般说来通过两种不同方式进行运动。第一种是全球规模的方式，这里包括三个类型：1．水发生从液态或固态变为气态的相变，蒸发后的水汽升入空中，一部分参加局部循环，另外一部分成为大气环流的组成成分。举一个例子，美国每年的降水总量接近 6000 立方公里，但是由于大气环流，每年流经美国的水汽的总量（折合成液态水） 等于下落水分的 10 倍，这多余的水汽量在更大的范围内运动着；2．洋流可以将能量带到很远的地方。由于太阳辐射能在地球表面上分布的不平衡，出现了暖流向两极，寒流向赤道的大规模全球性运动，这种运动本身是由于能量分布的差异引起的，而运动的结果又起到了使能量重新分布的效果。在北纬 50—55°之间地区，大西洋东西两岸间气候差异很大，墨西哥湾暖流及拉布拉多寒流在这当中起了决定性的影响。3．陆地迳流，世界上河流不仅是长距离的水分循环通道，也是水中溶解物质及悬移物质进行输运的通道，它本身的运动趋势是被它所在流域的基本地形所控制的，同时它本身又成为反映陆地基本形状的一面镜子。它在地球表面的侵蚀、输运和堆积中起着巨大的作用，不断更新着地表形态及土壤，而且与生物圈的形成与演变关系也很大。

第二种方式是在这种大规模运动的同时，还有通过扩散过程进行微观的，独立于全球性趋势的运动。我们知道，第一种方式的运动速度是比较大的，可以从每小时几十公里到上百公里，但在 25℃时纯水中的分子自扩散系数仅为 2.57×10^-5 厘米 ²／秒，尽管其速率不是很大的，但是它却经常的在地球表面各处起着相当大的输送能量和物质的作用，有时甚至是决定性的作用。旺（Wang）应用同位素示踪技术，测量出水的自扩散系数与水的温度有关，在 5℃、10℃、15℃和 25℃时，分别是 1.43，1.68，1.91 和 2.57×10^-5 厘米 ²/秒。

水的汽化潜热很高，蒸发时需要消耗大量热量，反过来在凝结时也要放

出相同的热量。水的蒸发既是能量变化的巨大转换器，也是物质变化的巨大转换器（包括把水本身视为物质以及针对蒸发时的水溶液浓度的变化等）。蒸发后的水汽，自由度变大，再加上被大气环流或其它局部的空气运动所携带，可以运行达几千公里再冷凝成雨或雪降落地面。事实上，在空气的加热中，最大的和最主要的因素既不是它直接吸收的太阳辐射能，也不是从海陆表面上所反射的能量，它恰恰是从水汽凝结时所释放的潜热（当然还有对地面长波辐射的阻拦）。从热带海洋中蒸发的大量水分，可以通过雨雪的形式降落在整个陆地表面和极地地区，从而通过水分的循环与水分的平衡，参加到整个地球的能量平衡中去。

现在首先来考查一下地球上的水量。按其重要性的排列顺序是：海洋、固体水（包括冰川、极地冰盖、冰山等），地下水、湖泊、沼泽、河流、大气中及生物物质中所含的水。水的固体、液体和气体形式所占的体积见表7．2。

地球上水分的循环可以参考（图 7．2）。

表 7．2 地球上各种形式水的数量

地球上水分交换的进行是十分积极的。举例来说，全世界大洋中水的容量为 13.5 亿立方公里，而年蒸发量的数值也已经估算了出来，这样大洋中所

有水分全部交换一次的时间大概是 3000 年。而河流中所拥有水量只占全球总贮量约 0.0001％，但是它进行交换的周期极短，全部交换一次的时间仅有

0.032 年，也就是说河流中的所有水量一年内可以更换 32 次，平均约为 11.4 天就循环一次。各种形式存在的水分，其进行更换的积极性如下：

表 7．3 各种形式水的交换周期

从上述的数字对比中，这种交换的速率相差十分悬殊，最大可达三十万倍。如由于交换积极，河流每年所容纳的水分可达 3.8×10⁶ 立方公里，是其

净贮水能力的 32 倍。这种动态交换的速度越快，使得它在水平衡中所起的作用也就越大，由此可以想见，尽管河流中的水量比起冰川和海洋中的水量少的多，但从动态演化的观点来看，从物质和能量交换的积极性来看，从对自然地理面的作用来看，它的意义却是不能低估的。这样，对于水分控制的一个重要途径，就是设法变更这种固有的交换速率，使其向有利于人类的需要发展，有的交换速率要延缓，有的交换速率需要加强，以便找出一种更优的水分交换组合，从而实现对于系统的调控。

事实上，约 97％的水分集中于海洋之中，而其余的大部分又被束缚于固体水中。在陆地上所存在的水量是相当少的，因此水资源的合理开发与使用， 已成了世界性的大事之一。可以推测，地球内部还保存有某些数量的水，它

以化学结合的形式，固定在岩石或熔融的岩石中。但目前，还估算不出地球内部这种水分数量到底有多少，但是可以确认，在地球最后经历的十亿年中， 地球表面的水量是接近于常数的。

每年通过火山气体（而水汽是其中的基本成分）的凝结，可以期望有少量的新水分的增加，但到底是不是新的水分，也还不能加以确认。因为从火山熔岩中所带出来的水蒸汽，其中差不多全部是原来上层岩石中所贮存的地下水，当熔岩通过时这部分岩石中的水变为蒸汽喷出的，或者是海相沉积物在其沉积时期所俘获海水的重新蒸发。这样看来，通过火山喷发每年在地球表面上所增加新水分的实际数量，如果有的话，也只能是极小极小的。

一个相应的极小极小数量的水分，每年也可能从地球上消失掉，这是通过在大气中太阳辐射能或宇宙线的作用，致使水汽之光化学分解而达到的。在高层大气中，某些水分子被分解成氢离子和氧离子，从理论上看，这种被分解的氢离子的速度，可以大到足够使它们中的一部分逃逸出地球的引力场，当然此量也只能是极小极小的。实际状况是，目前地球上水的总量可以认为是一个常数，甚至在很长很长的地质年代中也是这样。对于这个庞大的近乎常量的水体，从物质转换的意义上来说，水的循环在自然地理面中也是一个开放系统，有水分的输出和输入，同时也伴随着能量的输出和输入。

陆地上蒸发水分的源地，并不单纯限于从开放的河流、湖泊及冰雪的表面上，更大量的则是通过土壤、植物中的蒸发和蒸腾。以道格拉斯枞树林为例，每年通过它向空气中输送的水分，等于它所在面积上深达 1.2 公尺的水

层。水在植物体中的停留时间，夏季通常只有 2—3 天，而且每产生 5 吨干重

的植物物质，通常需蒸发掉 2000 吨的水分。据计算，在许多温带的国家中， 被植物吸收并蒸腾掉的水分，几乎等于从河流中流到海里的水量。

在陆地表面上，开放水面所占的面积确实是并不太大的，因此降水的绝大部分落在有植被覆盖的或裸露的地面上，在既非荒漠，也非固体水的陆地上，典型植物的需水量，每年约为 60×10³ 立方公里，其中只有不超过蒸发量 1％的水分存留于活体中，成为生命的组成成分。由于陆面的蒸发以及从植物上的蒸腾是水文学、农学、气候学、大气物理学等学科的共同关键问题之一，也是现代自然地理学的一个十分重要的问题，因此国际上对于蒸发的研究论著，截止目前，约接近一万篇左右，并且仍然是极为活跃的研究领域之一，我们将在下节水平衡中，再加以叙述。

倘若现代的冰川、冰盖等全部融化，则海平面将升高 60 米，这对地球的生命来说，是一场灾难，它将淹没地球上绝大部分人口密集的区域。在近代的地质时期中，曾发生了大陆冰帽不断地发展和融化的交替，每一次都暂时地搅乱了水的循环，从而引起生物界的大调整。据调查在最大冰川期中，冰川冰的数量三倍于现代的面积，海平面可以下降达 140 米，露出了大部分的大陆架。因此，固体水量的变化可以视为如电路中电容器那样的作用。

综上所述，水的总体积与地球的体积相比，大概是 1∶777.2，但是它本身在自然地理面中所具有的价值，却不是能用这个比例数值可以表达的。现在可以十分肯定地说，它是自然地理系统中一项基础的研究任务。如果不深入研究有关水的规律，对一系列基本问题的解决是根本不可能的。无论从影响的规模、速度来看，也无论是从其存在的作用和意义来看，水分在自然地理系统中结构和功能的重要性怎样评价也不显得过份。