水量平衡研究

公元前，人类就有了水循环的观念。17世纪时，随着人们对降水量和河流流量的观测增多，促进和加深了人类对水量平衡的认识。当时法国的E.马略特确定了塞纳河的年径流少于年降水量的六分之一。此后，许多学者对全球水量平衡进行了多次计算。20世纪60年代以来，由于开发利用水资源的需要，已逐渐转向对中小尺度区域，包括流域及国家范围内的水量平衡研究。中国各地区水文和水资源的研究中，均包含有水量平衡各要素如降水、蒸发、径流、地下水等和水量平衡的计算。

水量平衡可与能量平衡结合起来进行研究，即水热平衡的研究。它是现代自然地理学物质与能量交换研究的主要内容之一。水量平衡各要素组合特征（它们的数量和对比关系）构成地理地带划分的物理背景，常用以划分地理区域。因受人类活动影响而出现一系列的环境问题，多数与人们改变了水量平衡有关。

水量平衡方程式 　水量平衡方程式可由水量的收支情况来制定。系统中输入的水(I)与输出的水(O)之差就是该系统内的蓄水量(△S)，其通式为：

I-O=±△S按系统的空间尺度，大可到全球，小至一个区域；也可从大气层到地下水的任何层次，均可根据通式写出不同的水量平衡方程式。

全球水量平衡方程式可写为：

式中圶c为大陆的降水量；为海洋的降水量；为大陆的蒸发量；为海洋的蒸发量。局部区域可理解为任意给定的空间，如河流、湖泊、冰雪等水体，各大小流域，山区、平原、盆地、农田、城镇、森林、草场等各种自然土地和土地利用的不同地段。还有按自然和行政划分的海洋区域。它们的区域界线可以是闭合的，也可以是非闭合的。从水量交换的角度也可把水量平衡的区域划分为4个自然系统，并可相应列出水量平衡方程式。

大气系统，其水量平衡方程式为：

Ai- E-P=±△A

式中Ai和 分别为大气层中除降水与蒸发以外的其他收入水量和支出水量；P和E分别为降水量和蒸发量;△A为大气系统中的蓄水量。

流域系统，其水量平衡方程式为：

P-R-E=±△S

式中流域蓄水量 (△S)为降水量(P)减去径流量(R)和蒸发量(E)之差。

土壤系统，其水量平衡方程式为：

PCm-RSi--E=±△W

式中Cm为土壤中的凝结水,Si为由地下水和壤中流形式进入土壤层的水；为由土壤层向下渗入地下水和壤中流形式流出土壤层的水；△W为土壤层中的蓄水量。

地下水系统，其水量平衡方程式为：

αPUi--Eu=±△U

式中 α为地下水的降水入渗补给系数；Eu为地下水上升经土壤到地面后的蒸发量；Ui为地下流入系统的水量；为地下流出系统的水量；△U为地下的蓄水量。

以上 4个系统的水量平衡可以相互结合列成联立方程，用于水循环或水量交换的研究。对于特定区域、空间层或水体的水量平衡方程可视具体的条件列出。

由大洋和大陆的水量平衡组成的全球水量平衡,是全球水循环的定量描述。这种描述从1905年开始以后,不同的学者提出的估算值都不相同（表1）。 　从资料的系列和数量看，近期的估算值比较接近实际。全球的水量平衡要素中，大洋与大陆不同，前者蒸发量大于降水量，其差值作为大陆水体的来源，参加降水过程；后者则是降水量大于蒸发量，其差值为径流量，成为大洋水量的收入项之一。在大洋多年平均的水量平衡中，出现了淡水平衡的概念，年平均大洋淡水平衡可用下式表示：

PR-E=0

式中P为年降水量；R为大陆入海年径流量;E为年蒸发量。在大洋的海冰中还包含着大量的淡水。大陆湖泊、水库、地下水及大陆冰川的蓄水变化，均会导致海平面的升降，对地球的生态环境有重要意义。

大陆水量平衡各洲都不相同，降水量、蒸发量、径流量、入海径流量等收支情况见表（表2 ）。

与世界大陆相比，中国年降水量偏低，但年径流系数均高，这是中国多山地形和季风气候影响所致。中国内陆区域的降水和蒸发均比世界内陆区域的平均值低，其原因是中国内陆流域地处欧亚大陆的腹地，远离海洋之故（表3 ）。

中国水量平衡要素组成的重要界线，是1200毫米年等降水量。年降水量大于1200毫米的地区，径流量大于蒸散发量；反之，蒸散发量大于径流量，中国除东南部分地区外，绝大多数地区都是蒸散发量大于径流量。越向西北差异越大。水量平衡要素的相互关系还表明在径流量大于蒸发量的地区，径流与降水的相关性很高，蒸散发对水量平衡的组成影响甚小。在径流量小于蒸发量的地区，蒸散发量则依降水而变化。这些规律可作为年径流建立模型的依据。另外，中国平原区的水量平衡均为径流量小于蒸发量，说明水循环过程以垂直方向的水量交换为主。

水循环水量平衡是指对中水原水量、处理量与中水用量和自来水补水量进行计算、调整，使其达到供用平衡和一致。因为同一时间中水原水量和用量之间存在不平衡，可能出现中水原水量大于用水量或小于用水量的情况。而中水处理设备需在均匀水量负荷下工作，即单位时间内处理的原水量和出水量一般是不变的，水量平衡措施就成了控制资源和能源浪费的关键。因此，中水系统设计应进行水量平衡计算，并绘制水量平衡图。

水量平衡措施包括储存调节和运行调节两种形式。水量平衡概念是建立在现今的宇宙背景下。地球上的总水量接近于一个常数，自然界的水循环持续不断，并具有相对稳定性这一客观的现实基础之上的。从本质上说，水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现，也是地球上水循环能够持续不断进行下去的基本前提。一旦水量平衡失控，水循环中某一环节就要发生断裂，整个水循环亦将不复存在。反之，如果自然界根本不存在水循环现象，亦就无所谓平衡了。因而，两者密切不可分。水循环是地球上客观存在的自然现象，水量平衡是水循环内在的规律。2100433B

本书总结并介绍了水量平衡各要素的确定方法，特别是对不同水体，不同类型地区的水量平衡计算方法作了详细论述。

为了在城市节水管理工作中，推广应用这一科学管理方法，建设部于1987年4月发布了部颁标准CJ20-87《工业企业水量平衡测试方法》，1990年全国能源基础与管理标准委员会发布国家标准GB/T12452-90《企业水平衡与测试通则》。一些省、市人民政府也把水量平衡测试纳入地方性行政法规、规章，如《河北省城市节约用水管理实施办法》第十二条规定：“城市用水单位应当依照国家标准，定期对本单位的用水情况进行水量平衡测试和合理用水评价，改进本单位的用水工艺。“用水单位按规定进行水平衡测试已经成为法定义务。