水量平衡

中文名稱：水量平衡

英文名稱：water balance;water budget

定義1：水循環的數量表達。在任意給定的時域和空間內，水的運動(包括相變)是連續的，遵循物質守恆，保持數量上的平衡。

所屬學科：地理學（一級學科）；水文學（二級學科）

定義2：水文循環過程中某區域在任一時段內，輸入的水量等於輸出的水量與蓄水變數之和。

所屬學科：電力（一級學科）；通論（二級學科）

定義3：一定區域(或水體)在一定時段內水的收入量與支出量之差等於該區域(或水體)的蓄水變數。

所屬學科：水利科技（一級學科）；水文、水資源（二級學科）；水文學（水利（三級學科）

水量平衡是水文學基本原理之一。指地球任一區域在一定時段內，收入的水量與支出的水量之差等於該區域內的蓄水變數。水量平衡的研究區域可以是某個海洋或某個地區，也可以是整個地球。水量平衡的研究時段可以是日、月，也可以是一年、數十年或更長的時間。蓄水變數指時段始末區域內蓄水量之差。水量平衡是水文循環的數量描述，是質量守恆定律在水文循環中的特定表現形式。

所謂水量平衡，是指任意選擇的區域（或水體），在任意時段內，其收入的水量與支出的水量之間差額必等於該時段區域（或水體）內蓄水的變化量，即水在循環過程中，從總體上說收支平衡。

水量平衡概念是建立在現今的宇宙背景下。地球上的總水量接近於一個常數，自然界的水循環持續不斷，並具有相對穩定性這一客觀的現實基礎之上的。

從本質上說，水量平衡是質量守恆原理在水循環過程中的具體體現，也是地球上水循環能夠持續不斷進行下去的基本前提。一旦水量平衡失控，水循環中某一環節就要發生斷裂，整個水循環亦將不復存在。反之，如果自然界根本不存在水循環現象，亦就無所謂平衡了。因而，兩者密切不可分。水循環是地球上客觀存在的自然現象，水量平衡是水循環內在的規律。水量平衡方程式則是水循環的數學表達式，而且可以根據不同水循環類型，建立不同水量平衡方程。諸如通用水量平衡方程、全球水量平衡方程、海洋水量平衡方程、陸地水量平衡方程、流域水量平衡方程、水體水量平衡方程等。

公元前，人類就有了水循環的觀念。17世紀時，隨著人們對降水量和河流流量的觀測增多，促進和加深了人類對水量平衡的認識。當時法國的E.馬略特確定了塞納河的年徑流少於年降水量的六分之一。此後，許多學者對全球水量平衡進行了多次計算。20世紀60年代以來，由於開發利用水資源的需要，已逐漸轉向對中小尺度區域，包括流域及國家範圍內的水量平衡研究。中國各地區水文和水資源的研究中，均包含有水量平衡各要素如降水、蒸發、徑流、地下水等和水量平衡的計算。

水量平衡通常用水量平衡方程式表示。方程式中各收入項、支出項和蓄水變數隨研究的區域不同而有所不同。利用水量平衡方程式，可以確定各要素(也稱水量平衡要素)的數量關係，估計地區數量，也用來鑒別各種水文學方法和研究成果。因此，水量平衡是水文學中最重要的基礎理論和基本方法之一。

在現代氣候條件下，全球水量的多年平均值基本是恆定的。通過全球水文循環，平均每年從海洋和陸地蒸發的水量為577000立方公里，等於平均每年的降水量（見表1[ 各大洲多年平均水量平衡]）。

一定地區（陸地或海洋）上空的大氣中，在一定時段內收入的水分為：隨水平氣流輸入的水分(I)，來自下墊面蒸發的水分(E)；支出的水分為：隨水平氣流輸出的水分(O)，降水量(P)。收入與支出水量之差等於該地區上空大氣在該時段始末所含水分的變數。就多年平均情況言，一個地區上空大氣中所含水分的量基本不變。因此，一定地區上空大氣多年平均水量平衡方程為

P－E＝I－O 輸入的水分(I)與輸出的水分(O)之差稱為水分凈輸送或水汽凈輸送。當某地區上空大氣中的水汽凈輸送量為正值時，該地區降水量大於蒸發量，當某地區上空大氣中的水汽凈輸送量為負值時，該地區蒸發量大於降水量（見）。

閉合流域的水量平衡收入項為研究時段的總降水量(P);支出項為研究時段的流域總蒸發量(E)和流域出口斷面處的總徑流量(R)；若研究時段內流域蓄水變數絕對值為ΔS,則任一時段閉合流域水量平衡方程式為

P＝E＋R±ΔS對多年平均而言，ΔS＝0，則得閉合流域多年平均水量平衡方程式為 ＝ +當不閉合時，應當計入所研究流域與相鄰流域間的交換水量。中國某些流域的水量平衡見表 2[中國主要大河流域水量平衡]。

收入項為：湖面降水量，地表徑流和地下徑流入湖水量；支出項為：湖面蒸發量、地表徑流和地下徑流出湖水量；湖泊蓄水變數是研究時段始末湖水位的變幅與相應湖水面平均面積的乘積。湖泊水量平衡特點隨所在地區氣候條件和湖泊類型不同而異。中國外流湖主要分佈在中國的東部、東北和西南地區；這裡氣候濕潤、降水豐沛。這類湖泊水量平衡特點是：收入部分主要是入湖徑流量，支出部分主要是出湖徑流量，而湖面、和滲漏所佔的比例較小；中國內陸湖主要分佈在內蒙古、新疆、甘肅、青海和西藏內流地區；這裡遠離海洋，氣候乾燥，水量平衡的特點是：收入部分主要是入湖徑流，支出部分主要是湖面蒸發，有許多閉口湖甚至沒有出湖徑流；湖水除滲漏外，幾乎全部消耗於蒸發。

收入項為：沼澤範圍內的直接降水，從上游和鄰近地區匯入的地表和地下徑流；支出項為：水面蒸發量和沼澤量，地表和地下水流出量。蓄水變數包括：沼澤地下水蓄水變數即研究時段始末沼澤地下水位變幅、相應的沼澤平均面積和沼澤的乘積；沼澤地表積水的變數。在支出項中，蒸發和散發所佔比重大，而徑流佔比重小，這是沼澤水量平衡的重要特點。中國三江平原別拉洪河沼澤地，多年平均蒸發量佔總支出水量的79％，多年平均徑流量僅佔21％。

地下水水量平衡方程的普遍形式可寫成為：地下水儲量變化等於總補給量與總排泄量之差。地下水總補給量包括：降水入滲補給量、地表和地下徑流補給量，土壤解凍補給的水量，人工回灌補給量和越流補給量；地下水總排泄量包括：地下水開採量、潛水蒸發量、向地表自然排出量、地下徑流流出量和越流流出量。不同地區，地下水量平衡要素不盡相同，各項平衡要素所佔比重也不一樣。例如，雨量充沛的平原地區，降雨是主要補給量；地下水位埋藏較淺地區，是主要的排泄水量；山前沖積扇地區，地下徑流占收入和支出項很大比重；內陸灌溉區，抽水灌溉和灌溉水入滲補給是主要水平衡要素。冰川水量平衡通常稱為。

由大洋和大陸的水量平衡組成的全球水量平衡，是全球水循環水量平衡的定量描述。這種描述從1905年開始以後，不同的學者提出的估算值都不相同（表1）。從資料的系列和數量看，近期的估算值比較接近實際。全球的水量平衡要素中，大洋與大陸不同，前者蒸發量大於降水量，其差值作為大陸水體的來源，參加降水過程；後者則是降水量大於蒸發量，其差值為徑流量，成為大洋水量的收入項之一。在大洋多年平均的水量平衡中，出現了淡水平衡的概念，年平均大洋淡水平衡可用下式表示：

P +R-E=0

式中P為年降水量；R為大陸入海年徑流量;E為年蒸發量。在大洋的海冰中還包含著大量的淡水。大陸湖泊、水庫、地下水及大陸冰川的蓄水變化，均會導致海平面的升降，對地球的生態環境有重要意義。

與世界大陸相比，中國年降水量偏低，但年徑流係數均高，這是中國多山地形和季風氣候影響所致。中國內陸區域的降水和蒸發均比世界內陸區域的平均值低，其原因是中國內陸流域地處歐亞大陸的腹地，遠離海洋之故（表3 ）。

中國水量平衡要素組成的重要界線，是1200毫米年等降水量。年降水量大於1200毫米的地區，徑流量大於蒸散發量；反之，蒸散發量大於徑流量，中國除東南部分地區外，絕大多數地區都是蒸散發量大於徑流量。越向西北差異越大。水量平衡要素的相互關係還表明在徑流量大於蒸發量的地區，徑流與降水的相關性很高，蒸散發對水量平衡的組成影響甚小。在徑流量小於蒸發量的地區，蒸散發量則依降水而變化。這些規律可作為年徑流建立模型的依據。另外，中國平原區的水量平衡均為徑流量小於蒸發量，說明水循環過程以垂直方向的水量交換為主。

水量平衡研究是水文、水資源學科的重大基礎研究課題，同時又是研究和解決一系列實際問題的手段和方法。因而具有十分重要的理論意義和實際應用價值。

首先，通過水量平衡的研究，可以定量地揭示水循環過程與全球地理環境、自然生態系統之間的相互聯繫、相互制約的關係；揭示水循環過程對人類社會的深刻影響，以及人類活動對水循環過程的消極影響和積極控制的效果。

其次，水量平衡又是研究水循環系統內在結構和運行機制，分析系統內蒸發，降水及徑流等各個環節相互之間的內在聯繫，揭示自然界水文過程基本規律的主要方法；是人們認識和掌握河流、湖泊、海洋、地下水等各種水體的基本特徵、空間分佈、時間變化，以及今後發展趨勢的重要手段。通過水量平衡分析，還能對水文測驗站網的布局，觀測資料的代表性、精度及其系統誤差等作出判斷，並加以改進。

第三，水量平衡分析又是水資源現狀評價與供需預測研究工作的核心。從降水、蒸發、徑流等基本資料的代表性分析開始，到進行徑流還原計算，到研究大氣降水、地表水、土壤水、地下水等四水轉換的關係，以及區域水資源總量評價，基本上都是根據水量平衡原理進行的。

水資源開發利用現狀以及未來供需平衡計算，更是圍繞著用水，需水與供水之間能否平衡的研究展開的，所以水量平衡分析是水資源研究的基礎。

第四，在流域規劃，水資源工程系統規劃與設計工作中，同樣離不開水量平衡工作，它不僅為工程規劃提供基本設計參數，而且可以用來評價工程建成以後可能產生的實際效益。

此外，在水資源工程正式投入運行后，水量平衡方法又往往是合理處理各部門不同用水需要，進行合理調度，科學管理，充分發揮工程效益的重要手段。