第三章 海洋和陆地水(3).ppt

第七节湖泊与沼泽 沼泽 湖泊是陆地表面上的重要水体 沼泽往往占有比较大的面积 地球上湖泊的总面积有270万km2 占全部大陆面积的1 8 世界上湖泊最集中的地区有芬兰 号称 千湖之国 瑞典 以及加拿大和美国北部 千岛湖 湖泊是陆地表面上的重要水体 沼泽往往占有比较大的面积 中国有面积1km2以上的湖泊2300多个 总面积71787km2 总贮水量7088 108m3 青海湖是我国第一大内陆湖泊 也是我国最大的咸水湖 4200km2 纳木错是世界上海拔最高的咸水湖 海拔4718米 位于拉萨当雄县和那曲班戈县之间 1 定义 地面洼地积水形成较为宽广的水域 湖盆是形成湖泊的必要地貌条件 水则是形成湖泊不可缺少的物质基础 2 湖泊的分类 1 按照湖水来源 海迹湖 陆面湖2 依据湖水与径流的关系 内陆湖 外流湖3 根据湖水的矿化程度 淡水湖 咸水湖4 按湖水温度状况 热带湖 温带湖 极地湖5 以湖水存在时间久暂 间歇湖 常年湖 湖泊 一 湖泊的成因和类型 我国主要湖泊 1 颜色与透明度 湖水一般呈浅蓝 青蓝 黄绿或黄褐色 湖水透明度与太阳光线 湖水含沙量 温度及浮游生物都有关系 确定透明度方法与海水相同 2 温度 太阳辐射是湖水的主要热量来源 水汽凝结潜热 有机物分解产生的热和地表传导热 也是热量收入的组成部分 湖水向外辐射和蒸发 则是热量损耗的主要方式 高山和极地湖泊的水温常年低于4 C3 化学成分 湖水的化学成分大致相同 但化学元素及其变化 却可以因时因地而有较大差异 氮 氧 二氧化碳 碳酸钙 碳酸钠 硫酸钠 硫酸镁 二 湖水的性质 三 湖泊水文特征 1 湖水的运动 1 定振波 全部湖水围绕着某一个或几个重心而摆动的现象 称为定振波 大小湖泊都可以形成定震波 大气压力发生急剧变化 暴雨 山地下沉 气流冲击湖面等使湖面大部分水的平衡遭到破坏 都可以发生定振波 定振波和暴风雨的关系最密切 定振波不只是水面 而是整个水体的水分子都在运动 水体一侧上升 另 侧下降 作用力消失后 摆动仍可延续一些时间 定振波的摆动现象比较复杂 通常分为 单定振波和双定震波 直壁容器中 单定振波的周期TL为动力方向线上的容器长度 g为重力加速度 H为容器平均深度 双定振波的周期 多节定振波的周期 2 湖流 1 湖水发生单向缓慢流动 风的作用可使湖水随湖面风向运动 如果风向稳定 则可形成闭合垂直环流 定振波也可造成湖流 水温变化造成湖水的垂直循环 也可造成湖流 2 水位变化和水量平衡 排水湖的水量平衡方程式 x y z k e wx为湖面降水量 y为入湖地表径流量 为出湖地表径流量 z为入湖地下径流量 为湖水渗透量 k为湖面水汽凝结量 e为湖面蒸发量 w为一定时期内湖的水量变化 若湖没有出口 则取消出湖地表径流量 k值很小 可忽略 世界上最大的湖 里海 现在的里海 面积371000km2 是古地中海残存的一部分 地理学家称之为 海迹湖 因此 人们就把这个世界上最大的湖称为 里海 了 一 沼泽的成因水分条件是沼泽形成的首要因素 只有过多的水分才能引起喜湿植物侵入 导致土壤通气状况恶化并在生物作用下形成泥炭层沼泽形成过程的两种情况 1 水体沼泽化 沿湖岸水生植物或漂浮植毡向湖中央生长 使全湖布满植物 大量有机物质堆积于湖底 形成泥炭 湖渐变浅 最后形成沼泽 低洼平原的河流沿岸沼泽化过程与此相似 二 沼泽 通常把较平坦或稍低洼而过度湿润的地面称为沼泽 其中 水占85 95 干物质 主要是泥炭 只占5 10 2 陆地沼泽化 主要表现为森林沼泽化和草甸沼泽化 此外 海滨高低潮位间反复被海水淹没的平坦海岸带 也可形成沼泽 二 沼泽的水文特征沼泽一般排水不畅 加以植物丛生 故沼泽水的运动十分缓慢 沼泽的蒸发比较强烈 甚至蒸发量大于自由水面 径流特别小 沼泽对水分的滞蓄可缓解洪峰 三 沼泽的分类目前还没有一个公认的沼泽分类系统 尽管如此 地貌分类法和综合分类法还是得到广泛应用 第八节地下水 地下水资源总量尚待查明 因地下水运动缓慢 各地地下水成分 物理化学性质和开发价值均有很大差别 在区域水循环中 地下水对地表水的补给构成基本径流 据粗略估计地下水总量为1530 104km3 地下水状态地下水包括固态水和气态水 高纬地带的永久性冻土与季节性冻土 有冻结的地下水 地下水中最大量的仍是液态水 地下水有多种不同的类型 基本上分为包气带水 潜水和承压水 潜水处于地表以下第一个稳定隔水层之上 具有自由水面 一 地下水的物理性质1 温度 极地 高纬和山区地下水温度很低 地壳深处和火山活动区地下水温度高 地下水温度与气温和地温的关系 TH TB H h GTH为在H深度地下水的温度 TB为所在地区年平均气温 H为欲测的地下水深度 h为所在地区地温年恒温带深度 G为地温梯度 以33m oC计算 一 地下水的物理性质和化学成分 冷水 T50 2 颜色 地下水一般是无色透明的 但有时因为含某种离子 富集悬浮物或含胶体物质 也可显示各种颜色3 透明度 地下水的透明度决定于水中所含盐类 悬浮物 有机质和胶体的数量 透明度分四级 透明 微混浊 混浊 极混浊 4 比重 地下水比重决定于水温和溶解盐类 溶解的盐分越多 比重就越大 地下淡水比重常常接近于1 盐水的比重可用波美度来表示 一升水含有10克氯化钠 则盐度相当于1波美度 波美度与地下水比重之间的关系 表 5 导电性 导电性的计算式 Ke 1 RKe为水的导电率 1 cm 1 R为水的电阻率 cm 地下淡水的导电率为33 10 5至33 10 3之间6 放射性 如一升水中含氡原子的量能够产生0 001静电力单位的饱和电流 为一马海 而一马海等于3 64埃曼 水中的氡量超过10埃曼时 为弱放射水 超过1000埃曼时 为强放射水 7 嗅感和味感 地下水含有不同气体成分和有机物 因而具有不同的嗅感 二 地下水的化学成分1 气体 地下水中溶解的气体主要有CO2 O2 N2 CH4 H2S H2 CO NH3和少量惰性气体等 2 氢离子浓度 天然水中的H 主要取决于H2CO3 HCO3 CO32 的数量 用pH值表示 3 离子成分和胶体物质 构成地下水中主要离子成分的元素有氯离子 硫酸根离子 碳酸氢根离子 碳酸根离子 硝酸根离子 钠离子 钙离子 镁离子 铝离子 亚铁离子 铁离子等 三 地下水的总矿化度和硬度1 总矿化度 水的总矿化度是指水中离子 分子和各种化合物的总含量 通常是以水烘干后所得残渣来确定 单位为g L 根据总矿化度的大小 天然水可以分为以下五类 淡水残渣50g L 2 硬度 水中钙 镁离子的总量 称为水的总硬度 1 以德国度 od 表示 1升水中含10mgCaO为1od 2 用Ca2 Mg2 的mmol L表示 1 d 0 35663mmol L 岩石的水理性质包括 容水性 持水性 给水性 透水性等 1 容水性 容水性是指岩石容纳水量的性能 用容水度表示 岩石中所容纳的水的体积与岩石体积之比 称为岩石的容水度 2 持水性 在重力作用下 岩石依靠分子力和毛管力在其空隙中保持一定水量的性质 称为持水性 以持水度表示 在重力影响下岩石空隙保持的水量与岩石总体积之比 就是持水度 粒径与持水度的关系如下表 二 岩石的水理性质 松散岩石存在孔隙 坚硬岩石中有裂隙 易溶岩石有孔洞 水以不同形式存在于这些空隙中 4 透水性 岩石的透水性能 受空隙大小 多少和是否彼此连通 对透水性有明显的影响根据透水性将岩石分为三类 1 透水岩石 包括砂石 沙 裂隙和岩溶发育的岩石 2 半透水岩石 包括粘土质沙 黄土 泥炭等 3 不透水岩石 包括块状结晶岩 粘土和裂隙很不发育的沉积岩 3 给水性 在重力作用下 饱水岩石流出一定水量的性能 称为岩石的给水性 流出水的体积与储水岩石体积之比 称为给水度 见下表 岩土的水理特征 岩土的颗粒大小 形状及其排列组合方式 岩土的孔隙率 裂隙率 岩土的持水性持水度 给水性给水度 岩土的透水性 渗透系数之间有非常密切的关系 如粘土的颗粒细小 孔隙率高 持水度高 给水度低 透水性差 地下水平衡方程式为 x y2 y1 z2 z1 w2 w1 h v mx 降水量 y1 地表水流入量 y2为地表水流出量 z1 凝结水量 z2为蒸发量 w1 地下水流入量 w2为地下水流出量 含水层的给水度 h 潜水位变化 v 地表水量变化 m 包气带水量变化 一 地下水的动态地下水流量 水位 温度和化学成分 在各种因素影响下发生日变化和季节变化 三 地下水的动态和运动 二 地下水的运动大部分地下水赋存于地表以下岩石空隙或裂隙中 没有所谓开放性的空间使水流能像在地表那样流动 因此 地下水在岩石空隙中的运动速度比地表水慢的多 地下水的运动方式有两种 层流运动 紊流运动 除了在宽大裂隙或空洞中具有较大流速而成为紊流外 地下水一般都是以层流形式运动 地下水的这种运动称为渗透 单位时间内通过岩石的水量与岩石的渗透系数 水头降低度和岩石断面积成正比 与渗透距离成反比 Q KA h L 达西公式 Q为单位时间内透过岩石的水量 K为渗透系数 A为岩石断面面积 h为水头降低值 L为渗透距离令I h LI 水头梯度又v Q A 故 Q A K h L KI 所以 渗透速度 v KI但是 实际速度应等于 vo v n n为孔隙度 1 线性渗透定律 在大孔隙和溶洞中 地下水运动具有紊流性质 这时就要用薛齐公式 v c RI 1 2 2 非线性渗透定律 基本概念 饱水带 重力水在重力作用下向下运动 聚积于不透水层上 使这一带岩石的所有空隙都充满水分 故这一带岩石称饱水带 包气带 饱水带以上的部分 除存在吸着水 薄膜水 毛管水外 大部分空隙充满空气 所以称包气带 四 地下水按埋藏条件的分类 潜水面 包气带和饱水带之间的界限 按储存空隙的种类可分为 孔隙水 指存在于岩石孔隙中的地下水 如松散的砂层 砾石层和砂岩中的地下水裂隙水 是存在于坚硬岩石的风化裂隙 构造裂隙 成岩裂隙中的水以及某些粘土裂隙中的水岩溶水 指存在于可溶性岩石 石灰岩 白云岩等 的溶孔 溶洞和溶蚀裂隙中的地下水按埋藏条件可分为 上层滞水 潜水 承压水 一 上层滞水 上层滞水是存在于包气带中局部隔水层之上的重力水 上层滞水的形成是在大面积透水的水平或缓倾斜岩层中 有相对隔水层 降水或其他方式补给的地下水向下部渗透过程中 因受隔水层的阻隔而滞留 聚集于隔水层之上 形成上层滞水 一般上层滞水的分布范围不广 补给区与分布区基本上一致 主要补给来源为大气降水和地下水 主要耗损方式是蒸发和渗透 上层滞水接近地表 受气候 水文影响较大 故水量不大而季节变化强烈 二 潜水 潜水是埋藏在地表下第一个稳定隔水层上具有自由表面 潜水面 的重力水 从地表到潜水面的距离称为潜水埋藏深度 潜水面到下伏隔水层之间的岩层称为含水层 隔水层就是含水层的底板 大多数情况下 潜水补给区和分布区是一致的 当大面积不透水底板向下凹陷 而潜水面坡度平缓 潜水几乎静止不动时 就形成了潜水湖 当不透水底板倾斜或起伏不平时 潜水面有一定坡度 潜水处于流动状态 此时就形成潜水流 三 承压水 充满两个隔水层之间的水称承压水 承压水水头高于隔水顶板 在地形条件适宜时 其天然露头或经人工凿井喷出地表称为自流水 当单斜含水层的一侧出露地表成为补给区 另一侧被断层切割 而断层构成水的通道时 就成为单斜含水层的自流排泄区 此时承压区介于补给区与排泄区之间 情况与自流盆地相似 下图a 当含水层一端出露于地表 另一端在某一深度上尖灭或被断层切割而不导水时 一旦补给量超过含水层容水量 水就从含水层出露带的较低部分外溢 其余部分则成为承压区 见下图 b 成冰作用与冰川类型 压凝成冰 积雪的厚度对下部粒雪产生强大的静压力 形成冰川冰 晶粒偏小 1mm 溶凝成冰 温度稍偏高 表层粒雪融化 雪水下渗贯注于下层粒雪间隙之中 产生新的冻结 促进了粒雪的成冰过程 成冰作用是指积雪转化为粒雪 再经过变质作用形成冰川冰的过程 新雪密度 0 01 0 1g cm3大晶粒与小晶粒之间水份的定向转移 并在大晶粒表面产生凝聚和重结晶作用 变为粒雪粒雪密度 0 7 0 4g cm3 一 成冰作用 二 冰川类型 通常按照冰川形态 规模以及所处地形将冰川分类 1 山岳冰川 主要分布于中低纬山区 雪线较高 积累区不大 故冰川形态受地形的严格限制 按其形态又可分为 1 悬冰川 2 冰斗冰川 3 山谷冰川 冰川是指发生在陆地上 由大气固态降水演变而成的 通常处于运动状态的天然冰体 雪线触及地面是发生冰川的必要条件 冰川是极地气候和高山冰雪气候的产物 山谷冰川 在多量冰雪补给情况下 一条冰斗冰川的冰舌或数条冰斗冰川汇合顺山谷伸延比较远的冰川 复式山谷冰川 由几条山谷冰川汇合而成 山谷冰川长可达数公里到数十公里 厚可达数十米至数百米 山谷冰川的特点是冰川前舌可以伸延到雪线高度以下 简单的复式山谷冰川也称阿尔卑斯型山谷冰川 许多小冰川汇合成树枝状或网状的山谷冰川 也称喜马拉雅型山谷冰川 冰舌被岩块覆盖的山谷冰川 也称土耳其斯坦型山谷冰川 2 大陆冰川 指高纬极地区大面积厚度逾千米的冰体 由于它的表面中部凸起似盾似盖 所以也称冰盾或冰盖 目前只发育在两极地区 特点是规模较小 但前端的进退变化比较大 即对当地气候变化的反映比较灵敏 山岳冰川 3 高原冰川 又名冰帽 是大陆冰川和山岳冰川的过渡类型 冰川覆盖在起伏和缓的高地上 向周围伸出许多冰舌 4 山麓冰川 指数条山谷冰川在山麓扩展汇合成为广阔的冰原 它是山岳冰川向大陆冰川转化的中间环节 阿拉斯加太平洋沿岸的马拉斯平冰川 是由12条山谷冰川汇合而成的 在山麓铺展达2000km2以上 最厚的地方达615m 充填在山麓的一个封闭低洼地中 该洼地比海平面还要低300m 马拉斯平冰川近期处萎缩阶段 表面多棱角尖峭的岩块 生长着云杉和白桦 有的树木已有百多年树龄 根据冰川的动力活动性可以将冰川划分为 积极冰川 消极冰川和死冰川 根据冰川温度状况可将冰川划分为温冰川和冷冰川 二 地球上冰川的分布目前全球冰川面积约为1550 104km2 占陆地总面积的10 以上 冰川分布的高度受雪线的严格控制 任何地区 如果地表没有高出雪线就不可能形成冰川 雪线 多年积雪区和季节积雪区之间的界线就是雪线 雪线上年降雪量等于年消融量 所以雪线也就是降雪和消融的零平衡线 地球上的赤道带与副热带高压带的气温相差不大 但降水量差别较大 赤道附近降水量大 高山降雪也多 而副热带高压带降水量小 高山降雪也少 所以赤道附近的山地雪线高度反较副热带高压带山地雪线高度低 如东非的乞力马扎罗山雪线高度为4570 5425m 而安第斯山 20 25 S 的雪线高度却高达6400m 同理 同纬度地带的海洋性气候区的雪线就比大陆性气候区要低 在冰川上雪线又叫粒雪线 夏季冰川上隔年粒雪的下限 成为粒雪线 影响雪线高度的因素 气温 降水量和地形 我国现代冰川分布 冰川本身就是自然地理要素之一 并形成独特的冰川景观冰盖增强地球的反射率 从而促使地球进一步变冷 并影响气团性质和环流特征冰