水循環三維沙盤 · WaterCycle

地球上的水體

地球上的水以海洋水為主，約佔全球總水量的 96.5%。陸地上的冰川、地下水、湖泊、河流，大氣中的水汽，還有生物體內的水，合起來只佔 3.5% 左右。

淡水只佔約 2.5%，其中近七成是兩極和高山的冰川。人類容易利用的河流水、淡水湖泊水和淺層地下水，不到淡水總量的 0.3%。

點擊右側的水體，沙盤上會標出它的位置。注意比較各水體的更新週期：大氣水約 8 天就更新一次，地下水要上千年。

水的三態變化

水在固態（冰、雪）、液態（水）、氣態（水汽）之間不斷轉化，水循環就是靠這些狀態變化推動的。

海面和湖面的水吸收太陽輻射的熱量，汽化成水汽；水汽上升遇冷，液化成雲中的小水滴，在高空更冷的地方直接凝華成冰晶。冬季山地降雪、積雪，春夏積雪和冰川熔化，融水匯入河流。

切換夏季 / 冬季，看雪線怎樣升降；拖動「全球變暖」，看冰川和積雪的變化。

海陸間循環

海陸間循環發生在海洋與陸地之間，是最重要的水循環類型：它使陸地上的水不斷得到補充，水資源得以再生。

① 蒸發 → ② 水汽輸送 → ③ 降水 → ④ 地表徑流 / ⑤ 下滲 → ⑥ 地下徑流 → 海洋

點擊下面的步驟逐個觀察，或按分步演示自動播放。下滲和地下徑流發生在地下，看沙盤前側的剖面：雨水穿過土壤到達潛水面，再沿透水層緩慢流向海洋。

三類水循環

按發生的空間範圍，水循環分為三類，沙盤上用顏色區分：

海上內循環：海洋水蒸發，在海洋上空凝結後又降回海洋。參與的水量最大。

海陸間循環：海洋與陸地之間的循環，使陸地水不斷得到補充、更新。

陸地內循環：陸地上的水通過蒸發和植物蒸騰進入大氣，又降落到陸地。山後的內陸盆地是內流區：內流河注入內陸湖，湖水只能靠蒸發離開，參與的水量最小。

下滲與地表徑流

雨水落到地面後有三條去路：被植被截留後蒸發，下滲進入土壤，或者形成地表徑流。下滲得多，地表徑流就少，地下水得到的補給就多。

影響下滲的主要因素：

· 降水強度：雨越急，來不及下滲的越多· 坡度：坡越陡，水流越快，下滲越少· 植被：根系和枯枝落葉層使土壤疏鬆，下滲增多· 土壤質地：砂土孔隙大、下滲快，黏土下滲慢· 地面硬化：水泥、瀝青路面幾乎不透水

調節參數後按來一場暴雨，比較右側的分配比例和流量過程線。

水循環的地理意義

水循環把大氣圈、水圈、岩石圈和生物圈聯繫在一起：

① 維持全球水量的動態平衡：海洋蒸發的水，通過降水和徑流又回到海洋。

② 物質遷移與能量交換：河流把泥沙和溶解物質從陸地搬運到海洋；水汽蒸發時吸熱、凝結時放熱，把低緯的熱量帶到高緯，緩解了不同緯度熱量收支的不平衡。

③ 塑造地表形態：流水在上游侵蝕出 V 形谷，在下游和河口堆積成沖積平原和三角洲。

④ 使水資源不斷更新：淡水被使用後，通過水循環得到補充。

城市化與海綿城市

城市擴張後，農田和綠地變成了建築、水泥地和瀝青路，雨水下滲減少、地表徑流增加，又通過排水管網迅速匯入河道：

· 洪峰流量增大，峰現時間提前，城市更容易內澇· 地下水得不到補給，河流枯水期流量減少· 蒸發、蒸騰減少，城市更乾熱

海綿城市用透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地和雨水花園，讓城市像海綿一樣「吸水、蓄水、滲水、淨水」，需要時再把蓄存的水「釋放」出來。

拖動硬化率、打開海綿城市，再來一場暴雨，比較流量過程線。

人類活動的影響

人類活動對水循環影響最大的是地表徑流環節，也能影響下滲、蒸發和降水：

· 修建水庫：攔蓄洪水、枯水期放水，削峰補枯；庫區水面擴大，蒸發增加· 跨流域調水（如南水北調）：改變地表徑流的空間分佈· 植樹造林：增加下滲和蒸騰，減少地表徑流和水土流失· 過量抽取地下水：形成地下水降落漏斗，引起地面沉降，沿海地區海水入侵· 人工增雨：向雲中播撒催化劑，促使水汽凝結降水

水量平衡

從多年平均看，全球的水量收支是平衡的：

海洋：降水 + 徑流入海 = 蒸發陸地：降水 = 蒸發 + 徑流

海洋蒸發的水比降回海洋的多，多出的部分隨水汽輸送到陸地，等於陸地流入海洋的徑流量。

對一個流域，在一段時間裡：

P = E + R + ΔS

P 為降水，E 為蒸發（含蒸騰），R 為徑流，ΔS 為流域蓄水量的變化。多年平均 ΔS ≈ 0。內流區沒有徑流流出，降水最終全部蒸發：P ≈ E。

隨堂檢測

沙盤上的箭頭已換成字母。讀圖並回答問題，答完會顯示解析。

自由探索

所有參數都已開放。試著組合不同的條件，觀察水循環各環節怎樣變化：

· 強向陸風 + 夏季：迎風坡暴雨，河流水量大· 冬季：山地積雪，河流靠地下水補給· 毀林 + 高硬化率 + 暴雨：洪峰陡漲· 全球變暖：雪線上升，冰川退縮