水在地表、地上及地下这三者之间以总量恒定的方式在运动。即使看起来静止的水，其实一直在以蒸发的方式或转化为水蒸气的形式进入到大气层中，又因为地球引力的作用回到地上。因此，由于太阳能和地球引力，在水和水蒸气之间形成了一个稳定的循环，这个自然循环过程称为水文循环。图1以图解的方式说明了该过程。
可是，在相当长的一段时间里人们没有完全清楚地认识到水在自然环境中的循环运动方式，对河流湖泊中的水的来源也有误解。时至今日，还有人有同样的误解，尤其是对于地下水。
尽管图1表示的水文学循环看起来很简单，但它所包含的东西远比表面看到的要多。因为需要大量统计资料和高等数学知识，所以水文学是很复杂的。水文学的基本目的是估测水的存在形式、水量大小和分布状态和分析它们之间的相互关系。当这些关系都明确后，就可以对洪水或干旱的出现与否做出可靠预测。因此，掌握水文循环的基本过程对从事环境控制技术的人员来说是十分重要的。
当大气中的水蒸气遇冷而冷凝成水滴后，降水便开始了。当降水到达地面后有三个不同去向。一是一部分降水可能被植被或小洼地拦截，也就是说，降水暂时被地表的植物叶子、草或洼地截留。二是一部分降水透过地表渗入（也称为渗滤）到地下。三是一部分降水沿地表流动。在水文学中估测和预报每种途径的水量是很重要的。
被截留的降水一部分很快蒸发，一部分被植被吸收。水通过植被从其叶面气孔以气态重新进入大气的过程称为蒸腾。蒸发和蒸腾总称为蒸散。一般来说，落到地面的降水在进人海洋前，一半以上通过蒸散过程重新回到了大气中。
当降水速率大于渗入和蒸散速率时，就会产生坡面漫流和地表径流，它们最后流向水渠，河流和湖泊，最终流进海洋。海洋可以看做水流的最终汇集地。在美国，年平均降雨量的三分之一会形成地表径流进入河流。当然，各个地区的情况是不同的，例如，在西南部的一些地区，每年都有一段时间没有径流产生，因为该地区的降水速率有时小于渗入和蒸散速率。
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