1、第五章第五章 水圈水圈第五章第五章 水圈水圈 水圈是地球系统各类水体的总称水圈是地球系统各类水体的总称 第五章第五章 水圈水圈第一节第一节 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡第二节第二节 海洋环境海洋环境第三节第三节 河流河流第四节第四节 湖泊、水库与沼泽湖泊、水库与沼泽第五节第五节 地下水地下水第六节第六节 天然水化学天然水化学第七节第七节 水资源问题水资源问题第八节第八节 水文因素引起的人类环境问题及水文因素引起的人类环境问题及 人类活动引起的水环境问题人类活动引起的水环境问题5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡一、地球的水
2、圈一、地球的水圈（一）水圈的形成和演化（一）水圈的形成和演化 自生假说：水来自地球内部自生假说：水来自地球内部 外生假说：水来自地球以外的宇宙空间外生假说：水来自地球以外的宇宙空间（二）地球水圈的组成（二）地球水圈的组成 地球上的水以气、液、固三态存在于大气圈、海洋陆地地球上的水以气、液、固三态存在于大气圈、海洋陆地水体（河流、湖泊、冰川）、土壤和岩石的孔隙以及生水体（河流、湖泊、冰川）、土壤和岩石的孔隙以及生物体中，构成了相互联系和连贯的物体中，构成了相互联系和连贯的水圈水圈。自生假说自生假说 地球水的来源地球水的来源1.1.形成形成 水的形成与地球物质整体演化的作用有关。一般认水的形成与地
3、球物质整体演化的作用有关。一般认为海水是地球内部物质排气作用的产物，即水气和其他为海水是地球内部物质排气作用的产物，即水气和其他物质是通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。物质是通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。现代火山活动排出的气体中，水汽往往占现代火山活动排出的气体中，水汽往往占75%75%以上，据以上，据此推断，地球原始物质中水的含量应当较高。此推断，地球原始物质中水的含量应当较高。地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水，积累地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水，积累成原始海洋，还有些火山气体溶解于水，从而转移到原成原始海洋，还有些火山气体溶解于水，从而转移到原始海洋中
4、，而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始海洋中，而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始大气圈。始大气圈。自生假说自生假说 地球水的来源地球水的来源2.2.海水的化学成分海水的化学成分 一是大气或火山排出的可溶性气体一是大气或火山排出的可溶性气体COCO2 2，NHNH3 3，H H2 2S S，SOSO2 2，ClCl2 2 二是陆上和海底受侵蚀破坏的岩石，为海洋二是陆上和海底受侵蚀破坏的岩石，为海洋提供了钠、镁、钾、钙、锂等阳离子。提供了钠、镁、钾、钙、锂等阳离子。目前海水中阴离子的含量，如目前海水中阴离子的含量，如ClCl-,F,F-,SO,SO4 42-2-,HCO,HCO3 3-等
5、远远超过从岩石中吸取出的数量，因等远远超过从岩石中吸取出的数量，因此，证明海水中盐类的阴离子主要是火山排气作此，证明海水中盐类的阴离子主要是火山排气作用的产物。而阳离子则由被侵蚀的岩石产生，大用的产物。而阳离子则由被侵蚀的岩石产生，大部分是通过河流输入海洋的，同时也为海洋提供部分是通过河流输入海洋的，同时也为海洋提供了部分可溶性盐类。了部分可溶性盐类。自生假说自生假说 地球水的来源地球水的来源3.3.演化演化 在漫长的地球演化过程中，海水因排气作用不在漫长的地球演化过程中，海水因排气作用不断累积增长，最初的原始海洋体积可能有限，深断累积增长，最初的原始海洋体积可能有限，深海大洋的形成也要晚些。
6、根据对海洋种群多样性海大洋的形成也要晚些。根据对海洋种群多样性的分析，至少在寒武纪以前出现了深海大洋。总的分析，至少在寒武纪以前出现了深海大洋。总之，大洋海水的体积和盐份的显著变化发生在前之，大洋海水的体积和盐份的显著变化发生在前寒武纪的漫长地球历史时期，自古生代以来，大寒武纪的漫长地球历史时期，自古生代以来，大洋水的体积和盐度已大体与现代接近。洋水的体积和盐度已大体与现代接近。外生假说 地球水的来源观点观点：在地球形成很短的时期以后，来自太空的携带有水和：在地球形成很短的时期以后，来自太空的携带有水和其他有机分子的彗星和小行星撞击地球后，才使地球产生其他有机分子的彗星和小行星撞击地球后，才使
7、地球产生了生命。了生命。依据依据：彗星上的冰块，陨石一般含水：彗星上的冰块，陨石一般含水0.5%-5%0.5%-5%，也有高达，也有高达10%10%以上。以上。证据证据：1.19811.1981年美国宇航局年美国宇航局“动力探测动力探测1 1号号”宇宙飞船所拍摄宇宙飞船所拍摄的的 紫外成像图，发现类似小彗星的稳定载水天体流紫外成像图，发现类似小彗星的稳定载水天体流束正在撞击地球上部的大气层。束正在撞击地球上部的大气层。2.2.科学家在一颗陨石的盐结晶中发现一个长约科学家在一颗陨石的盐结晶中发现一个长约1515微米微米大小的密闭空隙大小的密闭空隙,空隙中有一个气泡和一些空隙中有一个气泡和一些水份
8、水份，这项发现，这项发现证明了原始太阳系的组成成份及地球海洋的来源的确与陨证明了原始太阳系的组成成份及地球海洋的来源的确与陨石及彗星有关。石及彗星有关。外生假说 地球水的来源外生假说 地球水的来源外生假说 地球水的来源 彗星的主要成分是冰，但其中含有大量复杂有机物分子和彗星的主要成分是冰，但其中含有大量复杂有机物分子和氨基酸。尽管彗星中大量的有机物在进入大气层和同地球氨基酸。尽管彗星中大量的有机物在进入大气层和同地球发生碰撞时，在高温和高压下被破坏掉了，但总有一些彗发生碰撞时，在高温和高压下被破坏掉了，但总有一些彗星能够保留一些完整的片段，从而保留了有机物分子的存星能够保留一些完整的片段，从而
9、保留了有机物分子的存在。在大气层中能够存活下来的彗星的直径的范围大约在在。在大气层中能够存活下来的彗星的直径的范围大约在100100米到米到1 1万米之间。万米之间。挑战挑战：在科学界引起震动，似乎突然之间就可能解决有关地：在科学界引起震动，似乎突然之间就可能解决有关地球及生命基本成分的起源这样一个长期存在的争论问题。球及生命基本成分的起源这样一个长期存在的争论问题。因此，此种假说还需要做进一步的宇宙太空的监测探索，因此，此种假说还需要做进一步的宇宙太空的监测探索，获得科学的证据。获得科学的证据。5-1 地球上水的分布、水循环与水量地球上水的分布、水循环与水量平衡平衡5-1 地球上水的分布、水
10、循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡二、水循环（二、水循环（Hydrologic cycleHydrologic cycle）（一）水循环的基本过程（一）水循环的基本过程定义：水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射和重力作用定义：水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射和重力作用 下下,通过通过蒸发蒸发、水汽输送、水汽输送、凝结降水凝结降水、下渗、下渗、径流径流等环节等环节,不不 断发生相态转换和周而复始的运动过程。断发生相态转换和周而复始的运动过程。基本动力基本动力：太阳辐射和重力作用。：太阳辐射和重力作用。必要条件必要条件：在地表温度、压力下水可发生气、液、固三态转换：在地表温度、
11、压力下水可发生气、液、固三态转换循环模型循环模型：从全球角度看：从全球角度看,这个循环过程可以设想为这个循环过程可以设想为:从海洋的从海洋的蒸发开始蒸发开始,蒸发形成的水汽大部分留在海洋上空蒸发形成的水汽大部分留在海洋上空,少部分被气少部分被气流输送至大陆上空流输送至大陆上空,在适当的条件下这些水汽凝结成降水。在适当的条件下这些水汽凝结成降水。海洋上空的水汽凝结后降落回到海洋。陆地上空的水汽凝结海洋上空的水汽凝结后降落回到海洋。陆地上空的水汽凝结后降落至地表后降落至地表,一部分形成地表径流一部分形成地表径流,补给河流和湖泊补给河流和湖泊;一部一部分渗入至土壤与岩石空隙中分渗入至土壤与岩石空隙中
12、,形成地下径流。地表径流和地形成地下径流。地表径流和地下径流最后都汇流入大海。由此构成全球性的和连续有序的下径流最后都汇流入大海。由此构成全球性的和连续有序的水循环系统。水循环系统。5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡水循环.swf5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡（二）几个概念（二）几个概念大循环大循环（外循环）：发生在海洋与陆地之间的全球性水循（外循环）：发生在海洋与陆地之间的全球性水循环环 特点：垂向交换，横向交换特点：垂向交换，横向交换小循环小循环（内循环）：仅仅发生在海洋与海洋上空大气之间（内循环）：仅仅发生在
13、海洋与海洋上空大气之间,或陆面与陆地上空大气之间的水循环或陆面与陆地上空大气之间的水循环 特点：垂向交换特点：垂向交换5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡 海洋小循环海洋小循环：发生在海洋与海洋上空大气之间：发生在海洋与海洋上空大气之间陆地小循环陆地小循环：发生在陆面与陆地上空大气之间：发生在陆面与陆地上空大气之间陆地外流区小循环陆地外流区小循环：除自身垂向的水分交换外：除自身垂向的水分交换外,还有多余的还有多余的水量以地表径流和地下径流的方式输向海洋。水量以地表径流和地下径流的方式输向海洋。陆地内流区小循环陆地内流区小循环：一般是多年平均降水量等于多年平均
14、：一般是多年平均降水量等于多年平均蒸发量蒸发量,自成为一个相对独立的水循环系统。自成为一个相对独立的水循环系统。5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡（三）水循环的意义（三）水循环的意义 由于水循环将水圈所有水的储库由于水循环将水圈所有水的储库海洋、冰川、湖海洋、冰川、湖泊、江河、土壤水、地下水、大气水、生物水等联系成一泊、江河、土壤水、地下水、大气水、生物水等联系成一个动态系统，所以，水循环是地球表层最重要的物质循环个动态系统，所以，水循环是地球表层最重要的物质循环之一，它实现了地球表层系统水量、能量和地球生物化学之一，它实现了地球表层系统水量、能量和地球生
15、物化学物质的迁移与转换，构成了全球性的连续有序的动态大系物质的迁移与转换，构成了全球性的连续有序的动态大系统。水循环联系着海陆两大系统，塑造着地表地貌形态，统。水循环联系着海陆两大系统，塑造着地表地貌形态，制约着地球生态环境的平衡与协调，不断地提供再生的淡制约着地球生态环境的平衡与协调，不断地提供再生的淡水资源。因此，水循环对于地球表层结构的演化和人类可水资源。因此，水循环对于地球表层结构的演化和人类可持续发展都有重要意义。持续发展都有重要意义。5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡第一、水循环运动深刻地影响着地球表层结构的形成、演化和第一、水循环运动深刻地影
16、响着地球表层结构的形成、演化和发展。发展。不仅将地球上的各种水体有机组成统一的水圈，而且将各不仅将地球上的各种水体有机组成统一的水圈，而且将各圈层紧密地联系起来，在地质构造的基础上重新塑造了地貌圈层紧密地联系起来，在地质构造的基础上重新塑造了地貌形态，同时影响着全球的气候变迁和生物群落。形态，同时影响着全球的气候变迁和生物群落。第二、水循环的实质就是物质和能量的交换。第二、水循环的实质就是物质和能量的交换。能量：在全球范围内进行高低纬度、海陆间热量分配能量：在全球范围内进行高低纬度、海陆间热量分配 物质：良好的溶剂、较强的搬运能力物质：良好的溶剂、较强的搬运能力第三、海陆间联系的纽带第三、海陆
17、间联系的纽带第四、水循环是地球系统中各种水体不断更新的总和，这使得第四、水循环是地球系统中各种水体不断更新的总和，这使得水成为再生资源，植根于人类社会和历史的变迁之中。水成为再生资源，植根于人类社会和历史的变迁之中。（三）水体中水的更替周期（三）水体中水的更替周期 1.1.水的更替周期是指水体中的水在参与循环过程中全部被更换一水的更替周期是指水体中的水在参与循环过程中全部被更换一次所需的时间。次所需的时间。通常用通常用 T=W/W T=W/W 近似地进行计算近似地进行计算,式中式中:T T为更替周期为更替周期(年年,日日,时时););W W为水体的总储水量为水体的总储水量(m(m3 3););
18、W W为水体中水的平均输入或输出速率为水体中水的平均输入或输出速率(m(m3 3/a)/a)。以世界大洋为例以世界大洋为例,总储水量为总储水量为13.3813.3810101717m m3 3,每年海水总蒸发量每年海水总蒸发量为为50.550.510101313m m3 3,据此计算据此计算,大洋水全部更新一次需大洋水全部更新一次需26502650年年;若以若以入海径流量入海径流量4.74.710101313m m3 3为准计算为准计算,则更新一次需要则更新一次需要2846828468年。年。2.2.可利用水量的多少可利用水量的多少,主要决定水体中水循环的速度和更换周期的主要决定水体中水循环的
19、速度和更换周期的长短。长短。5 5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡5 5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡水体和水水体和水水体替换时间水体替换时间极地冰川、常年雪盖、深层地下水极地冰川、常年雪盖、深层地下水近近1000010000年年世界大洋世界大洋26502650年年高山冰川高山冰川16001600年年湖泊湖泊1717年年沼泽沼泽5 5年年土壤水土壤水1 1年年河水河水1616日日大气水大气水8 8日日生物水生物水几小时几小时5 5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡三、水量平衡三、水
20、量平衡（一）原理（一）原理 基本原理对于任意选择的区域基本原理对于任意选择的区域(或水体或水体),),在任意时段内在任意时段内,其收入水量与支出的水其收入水量与支出的水量的差额必等于该区域量的差额必等于该区域(或水体或水体)蓄水量的变化值蓄水量的变化值,即水在循环过程中即水在循环过程中,从总体从总体上看收支平衡上看收支平衡,这就是水量平衡原理。这就是水量平衡原理。（二）通用水量平衡方程（二）通用水量平衡方程 ds/dtds/dt=I-Q=I-Q I I为水量收入项为水量收入项;Q;Q为水量支出项为水量支出项;s;s为蓄水量为蓄水量;t;t为时间为时间 以陆地上任一地区为研究对象在任一时段内有以
21、陆地上任一地区为研究对象在任一时段内有:P+EP+E1 1+R+R表表+R+R地下地下+s+s1 1=E=E2 2+R+R表表+R+R地下地下+q+s+q+s2 2 式中式中:P:P为降水量为降水量;E;E1 1、E E2 2分别为水汽凝结量和蒸发量分别为水汽凝结量和蒸发量;R R表表、RR表表分别为地表流入与流出的水量分别为地表流入与流出的水量;R R地下地下、RR地下地下分别为从地下流入与流出的水量分别为从地下流入与流出的水量;q q为工农业及生活净用水量为工农业及生活净用水量;s s1 1、s s2 2分别为该时段始末蓄水量分别为该时段始末蓄水量。净蒸发量净蒸发量E=EE=E2 2-E-
22、E1 1;蓄水量变化值蓄水量变化值ss=s=s2 2-s-s1 1 因此上式可改写为因此上式可改写为(P+R(P+R表表+R+R地下地下)-(E+R)-(E+R表表+R+R地下地下+q)=s+q)=s 此式即为通用水量平衡方程。此式即为通用水量平衡方程。5 5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡(三三)全球水量平衡全球水量平衡 1.1.全球范围的水量平衡全球范围的水量平衡 在一定的时域空间内在一定的时域空间内,在水循环、转化过程中在水循环、转化过程中,其数量变化其数量变化遵循质量守恒定律。地球系统的各类水体在不断更新之中，它遵循质量守恒定律。地球系统的各类水体
23、在不断更新之中，它是连续有序的动态过程，并且有相对的稳定性。地球上的总水是连续有序的动态过程，并且有相对的稳定性。地球上的总水量接近常数，即全球水量是平衡的。量接近常数，即全球水量是平衡的。5-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡2.2.地表的水量平衡地表的水量平衡表表4-1 全球各大洋水量平衡（全球各大洋水量平衡（mm/a）大洋大洋降水降水蒸发蒸发大陆边缘地区径流大陆边缘地区径流与邻近大洋交换的水量与邻近大洋交换的水量大西洋大西洋780104020060印度洋印度洋1010138070300太平洋太平洋1210114060-130北冰洋北冰洋240120230
24、-3505-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡地球上水的分布、水循环与水量平衡（四）全球气候变化对水循环的影响（四）全球气候变化对水循环的影响 政府间气候变化委员会（政府间气候变化委员会（IPCCIPCC）先后在）先后在19901990、19951995、20012001年年公布的三次评估报告中指出：公布的三次评估报告中指出：2020世纪全球地表温度升高了大世纪全球地表温度升高了大约约0.60.6第一、第一、2020世纪的气候变暖是导致全球平均海平面升高和海洋热世纪的气候变暖是导致全球平均海平面升高和海洋热容量增加的重要原因。容量增加的重要原因。第二、雪盖和冰面积减少了。第二、雪盖和冰面积减少了。从从2020世纪世纪6060年代后期开始，北半球平均雪盖范围很可能已年代后期开始，北半球平均雪盖范围很可能已减少了减少了10%10%（主要通过北美和亚欧大陆春季的变化）（主要通过北美和亚欧大陆春季的变化）第三、北半球大陆多数中、高纬度地区降水在第三、北半球大陆多数中、高纬度地区降水在2020世纪可能增加世纪可能增加了了5%-10%5%-10%，与之相反，许多副热带地区平均降水可能减少了，与之相反，许多副热带地区平均降水可能减少了3%3%第四、近第四、近300300年的海洋平面高度的连续记录表明：年的海洋平面高度的连续记录表明：2020世纪海平面世纪海平面上升最快。上升最快。
