2 一章自然界的水循环.doc

第一章 地球上的水及其循环一、地球上的水 地球上的水来源于地球内部。地球形成初期，由于热动态影响，地球物质在铅直方向上发生分异，形成不同的层圈，由里向外分别是：地核、地幔、地壳、水圈、生物圈、大气圈。这些层圈中都有水的存在。但不同的层圈中水分的含量相差悬殊，分布特点和物、化状态也都有很大差别。由表11可以看出，地壳浅部层圈（包括15km厚的地壳上部的岩石圈、水圈、生物圈、大气圈）含水14km3, 其中：大气水占0.001%；地表水占98.254%；地下水占1.723% 。这些水数量很大，并且不受高温高压的影响，水的化学状态都以水分子的形式存在，其物理状态为：液态、气态、固态。我们常说的水主要是指这个部分。从地壳下部直至地幔带也都有水的存在，但由于这些部位的水受到高温高压的作用，不能以一般的水分子形式存在了。它的基本情况如下：浅部层圈：地壳上部 （15km） 岩石圈、水圈、大气圈 H2O 深部层圈：地壳下部（1535km）压密的气水溶液上地幔 H2O =H+OH下地幔 OH= H+ 上述反应过程都是可逆的，当温度和压力改变时，将发生相应方向的化学变化。温度、压力减小，反应则向左进行。所以当深部岩浆沿通道上溢至地表，其中水分所受压力减小，温度降低，其离子便合成H2O而析出。* 二、自然界的水循环地球各层圈中的水是互相联系，相互转化的，构成一个大的含水系统。我们将：自然界的水循环地球各层圈之间水的相互联系，相互转化的过程。通过循环，整个自然界的水构成一个动平衡系统。自然界水的循环，按其规模（途径长短，速度快慢，所涉及层圈范围）可分为水文循环和地质循环。1.* 水文循环发生在大气水，地表水和地壳岩石空隙中地下水之间水的转化过程。特点：循环速度怪，途径短，水转换交替迅速。2. 地质循环地球深部层圈与浅部层圈之间水的相互转化过程。特点：循环途径长，速度慢，水交替缓慢。在地质循环中，在软流圈大规模对流的驱动下，地壳板块不断运移，上升流区，上地幔熔融物质将地幔岩石中的水份携带到地球浅部层圈，形成初生水。下降流区，地壳岩块俯冲沉入地幔，将地球浅部层圈中的水带入地幔带。此外，在地质循环中，水参与成岩、变质、风化作用。在地质循环中，除以H2O分子态转换外，还常伴有水分子的分解与合成。由于与人类关系比较密切的是水文循环，所以水文循环是我们研究的主要内容。在太阳热力和重力作用下，水文循环以蒸发、降水和径流等方式周而复始的进行着。海洋表面和陆地表面的水在太阳热的作用下，蒸发成为水蒸汽进入大气圈随风漂移，遇冷凝结为液态或固态水，以雨、雪、等形式降落。降落到陆地上的水，一部分沿地表汇集于低洼处形成地表水（江、河、湖、塘）；另一部分渗入地下成为地下水，还有一部分蒸发返回大气层。 地表水中，有的重新蒸发成为水蒸汽返回大气圈；有的渗入地下又成为地下水，余者则流入海洋。地下水通过土面蒸发和植物叶面蒸腾而返回大气圈，其余部分则形下径流。地下径流可以直接流入海洋，也可以在径流过程中泄露于地表成为地表水。则重复地表水；蒸发返大气；入地成地下水，余者入海。根据水文循环中水的运动途径不同，可将水文循环分为大循环和小循环。*大循环发生在海洋和大陆之间的水的交换过程。*小循环发生在海洋内部或大陆内部的水的变换过程。小循环发生在地壳或近地表的局部地区，其途径短，速度快。小循环特征主要受当地气象要素控制，如当地温度、湿度、风向、降水量等的改变都会影响小循环的状态。目前人们可以通过种植植被，兴修水库等手段来改善小循环条件，以改变生态环境，使小气候、水资源分布，生态环境向着有利于人类的方向发展。而对于大循环，尚不能有效的控制。*自然界的水循环地球各层圈间水份的交换过程。地质循环地球深部层圈与浅部层圈之间的水交换过程。* 水文循环大气水、地表水、地壳浅部地下水之间的交替过程三、影响水文循环的气象、水文因素 气象因素蒸发和降水是自然界水循环的主要环节，显然它与大气物理状态密切相关。气象和气候反映了大气物理状况的变化规律，对于水资源的形成和分布有着重要影响。1. 大气圈结构和物质大气物质主要由N2和O2构成，其中N 2占 78%，O2占21%，还有少量CO2、O3、H2O、尘埃等，它们共同构成大气质量。大气层厚度约3000KM，但其中大气密度的分布是极其不均匀的，随着高度的增加呈指数衰减。因此可知大气物质主要分布在低层大气之中。据大气的热力性质，自地表向上可以分为对流层、平流层、中层、热层、外层5层。其中对流层接近地表，集中了构成大气质量的绝大部分物质（3/4）。并且，一些天气现象（风、雪、雷、电、雨、冰、雹）都发生在对流层，因此对流层的物理状态及其变化规律是影响水文循环和水资源分布的最重要因素。对流层厚度随纬度增加而减小：赤道区：1718km 中纬度带：1012km极地区：89km大气质量的3/4和几乎全部水气、杂质都在对流层。由于接近地表，对流层受地面的热影响较大，其温度随着高度递减。因此，对流层中经常发生上升和下降气流和大规模的水平气流。其物理状态随时间和空间而变化，决定着气象要素的复杂变化。水气分布在对流层下部，随气流而运动。决定了大气降水过程。水汽分布极不均匀赤道带2.6%北纬700处0.2%900纬度带0.9% 0 3.5 km含大气圈全部水量的 70 % ； 3.5 5km 含大气圈全部水量的 20 % ； 即5km以下含了整个大气圈水量的 90% 。2.大气的热源太阳和地面是大气获得温度的热源。太阳辐射将能量源源不断的投放地球，以每平方厘米每分钟8.16焦耳的强度辐照地球大气层顶面，使大气升温。由于构成大气质量的主要物质中，N2 、O2不吸收太阳辐射能，水气和CO2只吸收较长的红外线，而太阳主要是短波辐射（0.300.76微米），而长波辐射较弱，故大气吸收的太阳能仅占15 %，其余部分的太阳辐射能42%被反射和散射返回宇宙空间，43%的太阳辐射大气层达到地面。太阳光达到地面之后，被地面吸收一部分，反射一部分。地面吸收太阳能以后由辐射能转为热能，表现为温度的提高，再由热能转变为辐射能，向大气层发射。发射出去的主要为长辐射波。这些长波辐射大部分被大气物质吸收而增温。由于空气与地面直接接触，二者之间通过热传导，热对流而使大气升这是大气增温的主要原因。因此，地表热力状况的变化对大气物理状态的变化影响最大。3.主要气象要素气温大气的温度。由于地球是大气增温的主要热源，所以，地表的热分布的时空变化，必然导致气温的相应变化。（昼夜、季节、多年变化）气压大气质量施加于地面上的压力。标准状态下（00C 北纬450 海平面） 气压为176mm 汞柱高。相当于100 kPa，所以，气压也随高度而降低。另外，地表受热状况决定了气压水平方向的变化。赤道地带气温高，空气膨胀，热气流上升猛烈，空气密度变小，气压降低，形成低压带。其上空空气密度增大，气压增大，则大气向两侧运动。两侧由于温度较低，空气冷却下沉。气流的下降使两侧上空的空气密度减小气压降低，而在近地面处空气密度增大，气压增高。因此，在赤道近地表处形成低压带；而两侧则形成亚热带高压带。所以，在地表产生有两侧向着赤道的气流运动。两极气温较低，空气密度较大，为高压带。因而两极与亚热带高压带形成相对的低压带。另外，太阳均匀的将能量投向地球表面，由于地表物质不同，其热学性质相差很大，故地表热力状态（温度均）分布有很大差异。主要是海洋和陆地。由于水和岩石的热容量等热学性质相差很大（水1.0卡/克度，一般岩石0.10.3）。因此，冬季大陆气温较低，海洋气温较高，冬季大陆的气压则高于海洋区；夏季则正好相反。这种海陆之间的气压差，形成了周期性的季风气候。气压差引起气流，气流使水分与热量重新分配，从而引起各地各种各样的天气现象。 湿度 大气中水汽含量多少的量度a. 绝对湿度e 单位体积空气中的水汽含量。( g/m3或Hg柱的mm数，或毫巴)b. 相对湿度r 绝对湿度e与饱和水汽含量E的百分比。 c. 饱和水气含量E 某一温度下，空气中可容纳的最大水汽数量。（随温降而降）由r = e / E可知，当绝对湿度不变时，随着温度的下降，饱和水汽含量降低，而相对湿度增高。当绝对湿度与饱和水汽含量相等时，相对湿度为100 % 。空气中的水汽含量刚达饱和时的气温称为露点。当温度至露点以下，空气中多余的水汽就凝结成水（液、固）。4. * 蒸发液态水变为气态而耗散的过程。影响因素：气温、气压、湿度、风速等。气温越高，空气的饱和水汽含量越大，即需要更多水份才能达到饱和。但并不意味着蒸发强度就越大。南方的夏季气温很高，但蒸发强度并不大，而干旱的北方，随然气温较低，但其蒸发强度却很大。这里有个饱和差d的问题：饱和差 某一温度下空气的饱和水汽含量与绝对湿度之差。即 d = E e 。只有在饱和湿度远远大于绝对湿度时，蒸发强度才越大。蒸发强度与饱和差成正比。当相对湿度r = e / E越小，饱和差越大，蒸发强度也越大。风速对蒸发作用的强度有影响。风会将蒸发出的水汽不断吹走，使蒸发作用加快。蒸发包括水面蒸发，土面蒸发，叶面蒸发（蒸腾）通常以水面蒸发量大小表征一个地区的蒸发强度。由气象部门提。，以某时段内蒸发皿蒸发耗失的水层高度的mm数表示蒸发量。由于气象部门所提供的蒸发量是以蒸发皿获得，所以此蒸发量数值只表示蒸发的相对强度，而不代表实际的蒸发量。因为通常一个地区不全是水面，而且以小的圆皿测得的蒸发量要比实际的蒸发量要大的多。5、降水 （大气降水） 在一定条件下，当空气中水汽含量达到饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结成液态或固态水降落到地面上的过程。一定条件，主要指大气中暖湿气团遇冷。水汽遇冷饱和度降低，多余水汽便凝结水滴，在适当的环境条件下降落地面。此类降水多见于冷暖气团相遇的锋面上，称为锋面降水。降水量 以某一地区在某一时段降水总量平铺于地面所得水层高度的mm数。大气降水是水循环的主要环节之一，降水量大小决定了该区的水资源丰富程度。由于大气降水与地下水关系十分密切，所以对地下水资源的形成具有重要意义。天气 在各种气象要素（气温、气压、湿度、蒸发、降水等）综合影响下，大气所呈现的物理状态。气候 用多年气象要素平均值表征的天气状态。（二）径流 降落到地面上的降水在重力作用下沿地表或地下的流动过程。 * 地表径流 降水于地表汇集而成的地表水流。 * 地下径流 地下水在岩石空隙中的流动过程。地表径流和地下径流均按系统分布，这个系统称为水系。水系（地表径流） 汇注于同一干流的所有水道与干流一起构成的地表径流系统。 流域一个水系所包括的区域。 分水线（分水岭） 流域间地形最高点的连线。（地下水也是按系统分布，上述术语、概念也适于地下水。）地球上有水，存在于地核、地壳、水圈、生物圈、大气圈中，由于各层圈的物、化性质不同，各层圈所赋存水的数量和存在形式不同。表部几个层圈基本上是常温常压，以H2O分子态存在；深部层圈的水以H+ 和OH 态存在；深部与浅部层圈具有一定的水力联系，多层圈之间水份的互相转化过程称为自然界的水循环。* 自然界的水循环地质循环 地球浅部层圈与深部层圈之间的水份交替过程。主要通过地球板块运动实现。* 水文循环 大气圈、水圈和地壳浅部水之间的交替过程。主要通过蒸发、降水、径流方式实现。水文地质学所关心的主要是水文循环中，大气水、地表水和地壳浅部水之间的相互转化关系。 水文地质学重点研究的是地壳浅部岩石空隙中的重力水，但它与地表水、大气水的关系非常密切，所以在考虑水文地质的问题时，必须“三水”统一考虑，统筹安排，缺一则不能准确了解、解释水资源的问题。显然，地下水、地表水、大气水关系密切，所以，水文循环受气象因素和地质因素、地貌因素明显的制约或影响。大气水状况，主要受气象要素（气温、气压、气流、湿度、降水、蒸发情况）控制。 * 水文循环大循环 海、陆之间的水份交换过程。小循环 海洋或陆地内部水的交换过程。 海洋水面蒸发形成水蒸气，随风（气流）运动，遇冷后饱和水汽含量降低便凝结成水滴或冰，以雨、雪、雹形式降落。降落到地面的雨水，一部分变为地表径流汇于地表低洼处，最终流入大海；一部分渗入地下成为地下径流也流向低洼之处，最终也流向大海；另一部分则被蒸发返回大气层。周而复始，永不休止。在水文学上，常以流量、径流总量、径流深度、径流模数、径流系数来表征地表径流。在水文地质学中有时也采用这些概念来表征地下径流。流量（Q） 单位时间内通过河流某一断面的水量（m3 / s）。（流量Q等于过水断面面积F与通过该断面平均流速V的乘积） Q = FV径流总量（W） 某一时段内通过河流某一断面的总水量（m3） W = Q T径流模数（M）单位流域面积上平均产生的流量。（L / skm2）M = Q / F1000 (1 m 3= 1000 L) 径流深度（Y） 计算时段内的径流总量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得的平均水层厚度. (1m = 1000 mm) 径流系数(a) 同一时段内流域面积上的径流深度与降水量的比值。 Y / X四、我国水循环概况影响水文循环的主要因素是气候，气候受大气物理状态变化的控制。我国气候四季分明，降水的时空分布很有规律，即夏多冬少，东多西少。对我国气候起控制作用的是两个高压中心：a 太平洋中夏威夷亚热带高压中心，带来温湿气流。b 蒙古寒带高压中心，带来干寒气流。水与岩石（海洋与陆地）对太阳辐射热的热响应特点是不同的。由于水的热容量（