Subkringlopen van de hydrologische kringloop

In onderstaande figuur is te zien dat er in de grote waterkringloop een aantal processen plaatsvindt waaronder verdamping, evapotranspiratie, neerslag, transport en runoff (afstromen) van water van hogere naar lagere gebieden en uiteindelijk naar de oceanen. In grote lijnen is de grote waterkringloop te beschouwen als een gesloten systeem voor water. Binnen de grote waterkringloop zijn drie subkringlopen of open subsystemen te herkennen:
• verdamping uit de oceanen, transport naar land, neerslag en runoff naar de oceanen
• verdamping uit de oceanen en neerslag in de oceanen
• verdamping en transpiratie op land (samen evapotranspiratie genoemd) en neerslag op land


De eerste subkringloop is ook meteen de kleinste qua volume: ca. 40.000 km³/jaar water verdampt uit de oceanen en komt als zoet water op land terecht. Het gaat hier om uitsluitend fysische processen. Vanuit systeemperspectief is deze subkringloop te zien als de resultante van de twee andere subkringlopen.

De verdamping uit de oceanen is groot, maar slechts ca. 10% van het water dat uit de oceanen verdampt valt als neerslag op landmassa's. De hoeveelheden verdelen zich ongeveer als volgt:
• verdamping: de verdamping uit de oceanen, φ_v,verdamping bedraagt naar schatting 425.000 km³/jaar
• neerslag land: naar schatting valt er wereldwijd op de landmassa's op aarde, φ_{v,neerslag,land}, 40.000 km³/jaar
• neerslag oceanen: deze waterstroom, φ_{v,neerslag,oceanen}, is dan (massabalans!) 385.000 km³/jaar
De tweede subkringloop is daarmee veel groter dan de eerste.

De derde subkringloop bestaat enerzijds uit rechtstreekse verdamping (evaporatie) en anderzijds uit transpiratie (actieve verdamping door planten). In deze subkringloop treedt dus ook een biologisch proces op. Het netto resultaat van deze subkringloop is in totaal een zoetwaterstroom van ca. 70.000 km³/jaar: water dat vanaf land wordt teruggebracht in de atmosfeer. Samen met de 40.000 km³/jaar water aangevoerd als waterdamp in de atmosfeer (uit de oceanen) valt er 110.000 km³/jaar als neerslag op land. De hoeveelheid water in de atmosfeer is relatief klein, ongeveer 13.000 km³.

De grote waterkringloop is vanzelfsprekend geen statisch systeem, maar een dynamisch systeem. De genoemde getallen zijn gemiddelden, schattingen van de gemiddelden gebaseerd op wat er wereldwijd is gemeten. Uit deze systeembeschrijving kan een aantal dingen opgemaakt worden:
• de gemiddelde verblijftijd, θ, van water in de atmosfeer is ongeveer een week: θ = 13.000 [km³] / (425.000 + 70.000 [km³/jaar]) · 365 [dagen/jaar] = 9,6 dagen
• de verdamping wordt aangedreven door zonnestraling, energie. Als de oceanen meer energie vasthouden (door de onbalans in de aardse stralingsbalans) dan zal de verdamping toenemen
• de evapotranspiratie op land wordt beïnvloed door temperatuur en vegetatie. Veranderend landgebruik heeft dus invloed op de grootte van de evapotranspiratie (minder vegetatie, bijv. minder tropisch regenwoud, betekent minder evapotranspiratie)
• de netto runoff en transport van waterdamp in de atmosfeer (oceanen naar land) bedraagt slechts ca. 10% van de verdamping uit de oceanen
• de runoff in de hydrologische cyclus wordt bepaald door de mate van verdamping én door het transport van wolken/waterdamp in de atmosfeer
• de grote waterkringloop is daarmee gevoelig voor veranderingen in heersende windrichtingen, wolkvorming etc.

Toepassing van de massabalans voor een specifieke regio, waarin géén aan- of afvoer van grond- en oppervlaktewater plaatsvindt, geeft de volgende vergelijking:

Δ(G+O) = (φ_v,neerslag - φ_{v,evapotranspiratie}) · τ

met:
G = hoeveelheid grondwater [m³]
O = hoeveelheid oppervlaktewater [m³]
φ_v = waterstroom [m³/s]
τ = beschouwde tijdvak [s]

Het is gebruikelijk om neerslag en evapotranspiratie uit te drukken als N [mm/dag], waarmee bovenstaande vergelijking verandert in:

Δ(G+O) = (N_neerslag - N_{evapotranspiratie}) · A · τ' / 1000 [mm/m]

met:
τ' = beschouwde tijdvak [dag]
A = oppervlak van het gebied [m²]

Als bekend is hoeveel vierkante meter oppervlaktewater er in een gebied is dan kan een eerste schatting uitgerekend worden van de stijging van dat oppervlaktewater na een periode van hevige neerslag. De vergelijking kan aangepast worden als bekend is dat er bijvoorbeeld een rivier door een gebied stroomt die water afvoert of dat er een gemaal is dat het water uitpompt, bijvoorbeeld:

Δ(G) = (φ_v,neerslag - φ_{v,evapotranspiratie} - φ_{rivier of gemaal}) · τ

In de hydrologische kringloop bestaan grote continentale en regionale verschillen.