(一)沼泽概述..ppt

二 沼泽 一 沼泽概述 二 沼泽的形成与类型 三 沼泽的水文特征 四 沼泽的利用改造 五 沼泽地的功能 一 沼泽概述 沼泽是地表过度湿润 其上长有湿生植物 并有泥炭堆积的地段 所谓泥炭 就是植物残体在水中缺氧的条件下 弱分解或几乎没有分解 逐年积累而形成的物质 若把沼泽看作不稳定的土地和不可航行的水 虽则不科学 却很中肯 这正着重指出了土地和水相互渗透的性质 表明沼泽是介于陆地和水体间的自然体 沼泽中经常含有大量的水 占89 94 甚至更多 而泥炭只占5 10 沼泽是良好的蓄水体 沼泽是地表土壤层水过饱和的地段 它是一种特殊的自然综合体 具有三个基本特征 1 地表经常过湿或有薄层积水 2 其上生长湿生植物或沼生植物 3 有泥炭积累或无泥炭积累 但有潜育层存在 沼泽排水差 潜水面位于地表 全球沼泽面积约占陆地面积的0 8 我国的沼泽主要分布在四川的若尔盖高原 三江平原 北大荒 等地 总面积约11万平方公里 占全国陆地面积1 15 当年红军经过的松潘草地 面积2700km2 二 沼泽的形成与类型 1沼泽的形成2沼泽的类型 1沼泽的形成 沼泽的形成和发展 一般是在温湿和冷湿气候 平坦和低洼的地形条件下 有利于它的形成和发展 沼泽地段的自然条件一般是地势低平 排水不畅 蒸发量小于降水量 地表组成物质粘重不易渗透 故主要分布在冷温或温湿地带 其形成大致可分两种情况 沼泽的形成可分水体沼泽化和陆地沼泽化 l 水体沼泽化水体沼泽化过程包括湖泊沼泽化和河流沼泽化 湖泊沼泽化中 浅湖沼泽化和深湖沼泽化过程有所不同 浅湖沼泽化过程 是由水生植物或湿生植物的不断生长与死亡 沉入湖底的植物残体的堆积 变成泥炭 再加上泥沙的淤积 使湖面逐渐缩小 水深变浅 水生植物和湿生植物也不断地从湖岸向湖心发展 最后整个湖泊就变成了沼泽 深湖沼泽化过程是由于水中生长长根茎的漂浮植物 其根茎交织在一起 形成 浮毯 浮毯可与湖岸相连 由风或水流带入湖中的植物种子便在浮毯上生长起来 以后由于植物的不断生长与死亡 植物残体便累积在浮毯层上形成泥炭 当浮毯层发展到一定厚度时 浮毯层下部的植物残体在重力作用下 渐渐沉入湖底形成下部泥炭层 随着时间的推移 由于上 下部泥炭层的扩大加厚 和湖底的填高 净水层逐渐减小 最后两者相连 湖泊就全部转化为沼泽 河流沼泽化过程 常发生在水浅 流速小的河段 其形成过程同浅湖沼泽化相似 2 陆地沼泽化陆地沼泽化又可分为森林沼泽化和草甸沼泽化过程 森林沼泽化过程 往往是由于森林的自然演替 采伐和火烧之后而形成的 迹地演化而成 在寒带和寒温带茂密的针叶林区 由于森林阻挡了阳光和风 枯枝落叶层覆盖了地面 减少了地面蒸发 枯枝落叶层又拦蓄了部分地面径流 如遇土壤底层为不易透水的岩石或沉积层 就会使土壤过湿 引起森林退化 使适合这种环境的草类 藓类植物生长 从而森林逐渐演变成沼泽 此外 森林采伐和火烧 可使土壤表层变紧 减少了水分蒸腾 使土壤表层过湿 为沼泽植物生长发育创造了条件 因而在采伐和火烧迹地上容易引起沼泽化 草甸沼泽化过程 常发生在地势低平 排水不畅的地方 疏丛草逐渐被密丛草所代替 植物残体在水不易流通的环境里 因分解不充分而转化为泥炭 草甸植被逐渐为沼泽植被所代替 草甸转化为沼泽 2 沼泽的类型 低位沼泽中位沼泽高位沼泽 低位沼泽 也称富营养型沼泽 它是沼泽发育的初级阶段 其主要特征是 沼泽表面呈浅碟形 泥炭层不太厚 由于地表水和地下水补给丰富 水文状况尚未发生显著变化 沼泽植物以嗜养分植物为主 如莎草 芦苇等 中位沼泽 也叫过渡型沼泽或中营养型沼泽 它是沼泽发育的过渡阶段 其主要特征是 由于泥炭层的日益增厚 沼泽表层变得平坦 水分运动状况发生了改变 沼泽植物以中养分植物为主 高位沼泽 也称贫营养型沼泽 它是沼泽发育的高级阶段 其特点是 由于泥炭的不断累积 泥炭层较厚 沼泽表面中部凸起 沼泽中水文状况发生了显著的变化 沼泽植物以需养分少的为主 如水藓 羊胡子草等 三 沼泽的水文特征 l 沼泽水的存在形式是以重力水 毛管水 薄膜水等形式存在于泥炭和草根层中 2 沼泽水量平衡 蒸发量大 径流量小是沼泽水量平衡的突出特点 沼泽地区地表径流量很少 大部分水量为沼泽吸收 消耗于蒸发 据研究 沼泽水量支出部分 径流量约占25 而蒸发量却占75 所以沼泽地区径流模数是很小的 在多年变化中 蒸发量变化小 径流量变化相对较大 沼泽蒸发量的大小与沼泽类型 气候条件及沼泽蓄水的多少有关 3 沼泽水的运动 沼泽径流可分为沼泽地表径流和泥炭层径流 在沼泽发育的初级阶段 沼泽地表径流一般呈微弱流动状态 低位沼泽区受沼泽表面微地形的影响 一部分在湿洼地中呈明流流动 另一部分水通过草丘成渗透流 且流线网成向心状 在高位沼泽区 由于沼泽体中部表面凸起 因而形成辐射状流线网 泥炭层径流是一种渗透流 呈层流状态 可用达西定律 见 地下水 一节 描述 4 沼泽水质特征 沼泽水富含有机质和悬浮物 生物化学作用强烈 水体混浊 呈黄褐色 因有机酸和铁锰含量较高 沼泽水面常出现红色 沼泽水矿化度较低 除干旱区的盐沼和海滨沼泽外 一般不超过500mg L 水的硬度很低 pH值3 5 7 5呈酸性和中性反应 以弱酸性反应居多 腐植质的含量从每升几毫克 mg 至上百毫克 mg 不等 四 沼泽的利用改造 沼泽的利用改造是多方面的 根据沼泽分布地区的自然条件 沼泽发育的不同阶段加以具体分析 研究其改造和合理利用的途径 l 利用沼泽地开垦成农田 2 综合利用沼泽中的泥炭 3 利用沼泽植物 4 其他方面的利用 五 沼泽地的功能 1 生态效益功能 2 调蓄洪水 防止自然灾害 3 沼泽地的经济效益 4 沼泽地的社会效益 1 生态效益功能 维持生物多样性 沼泽地的生物多样性占有非常重要的地位 依赖沼泽地生存 繁衍的野生动植物极为丰富 其中有许多是珍稀特有的物种 是生物多样性丰富的重要地区和濒危鸟类 迁徙候鸟以及其它野生动物的栖息繁殖地 在40多种国家一级保护的鸟类中 约有1 2生活在湿地中 中国是沼泽地生物多样性最丰富的国家之一 亚洲有57种处于濒危状态的鸟 在中国沼泽地已发现有31种 全世界有鹤类15种 中国沼泽地鹤类占9种 中国许多沼泽地是具有国际意义的珍稀水禽 鱼类的栖息地 天然的沼泽地环境为鸟类 鱼类提供丰富的食物和良好的生存繁衍空间 对物种保存和保护物种多样性发挥着重要作用 沼泽地是重要的遗传基因库 对维持野生物种种群的存续 筛选和改良具有商品意义的物种 均具有重要意义 2 调蓄洪水 防止自然灾害 沼泽地在控制洪水 调节水流方面功能十分显著 沼泽地在蓄水 调节河川径流 补给地下水和维持区域水平衡中发挥着重要作用 是蓄水防洪的天然 海绵 此外 可以通过沼泽地的蒸发在附近区域制造降雨 使区域气候条件稳定 具有调节区域气候作用 降解污染物 随着工农业生产和人类其它活动以及径流等自然过程带来农药 工业污染物 有毒物质进入沼泽地 沼泽地的生物和化学过程可使有毒物质降解和转化 使当地和下游区域受益 3 沼泽地的经济效益 提供丰富的动植物产品 有些湿地动植物还可入药 有许多动植物还是发展轻工业的重要原材料 如芦苇就是重要的造纸原料 湿地动植物资源的利用还间接带动了加工业的发展 中国的农业 渔业 牧业和副业生产在相当程度上要依赖于湿地提供的自然资源 提供矿物资源 沼泽地中有各种矿砂和盐类资源 中国的青藏 蒙新地区的碱水湖和盐湖 分布相对集中 盐的种类齐全 储量极大 盐湖中 不仅赋存大量的食盐 芒硝 天然碱 石膏等普通盐类 而且还富集着硼 锂等多种稀有元素 中国一些重要油田 大都分布在沼泽地区域 沼泽地的地下油汽资源开发利用 在国民经济中的意义重大 4 沼泽地的社会效益 观光与旅游 沼泽地具有自然观光 旅游 娱乐等美学方面的功能 中国有许多重要的旅游风景区都分布在沼泽地区域 第八节地下水 地下水泛指埋藏于地表以下各种状态的水 它们大多存在于地表以下1m左右的孔隙状土层中 水分在土层中停留数天到数月之久 有的又被蒸发返回大气 有的又下渗 还有的为植物吸收 往深部有停留时间长达102 106年的地下水 全球地下水总贮水量至今不十分清楚 据国际地圈 生物圈计划 1986 粗略估计为1530 104km3 相当于地表水总量的4 2倍还多一点 但也可能还要翻倍 地下水的形成与循环 一地下水概述 地下各种状态的水 包括固态水和气态水 固态水仅在土石温度低于冰点时存在 气态水充滞于土壤与岩石的空隙中 已成为土壤空气的组成成分 地下水中最大量的仍是液态水 地下水的赋存有多种不同的类型 基本上分为饱气带水 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 二地下水的成分与物理化学性质 大气降水渗入土层成为部分化学物质的溶剂和载体 所以地下水的化学成分比较复杂而且各地的差异也比较大 地下水主要化学成分 一般含盐量较高的咸水 盐水或卤水 以氯离子占优势 硫酸根含量次之 而含盐量较低的淡水 以重碳酸根为主要的阴离子成分 阳离子中的钠离子有随矿化度升高而增多的趋势 而钙离子是低矿化水的主要的阳离子 地下水中氮与氧主要来源于大气 可以以浅层地下水中氧 氮的含量作为衡量大气降水补给的重要标志 地下水中的硫化氢是缺氧还原环境的产物 多为较深层地下水的气体成分 溶解于水中的二氧化碳称游离二氧化碳 从而使地下水对碳酸盐类岩石具有较强的溶蚀能力 矿泉水是指具有医疗意义的地下水 由于水中含有一定数量的特殊化学成分 如锶 以及有机物和气体 或者具有较高的温度 超过20 故能影响人体的生理作用 医治某些疾病 地下水的硬度地下水的硬度由水中所含钙镁离子的数量来确定 水中钙镁离子的总量称总硬度 当把水煮沸 因脱碳酸作用而使部分钙镁离子成碳酸盐沉淀 所减少的这部分称为暂时硬度 仍留在水中的部分称永久硬度 地下水硬度分类表 地下水按总矿化度分为淡水 1g L 微咸水 1 3g L 咸水 3 10g L 盐水 10 50g L 卤水 50g L 地下卤水是重要的矿床资源 地下水化学类型是依据含量大于25 的主要离子成分来划分和命名的 称 阴离子 HCO3 HCO3 SO42 HCO3 SO42 Cl HCO3 Cl SO42 SO42 Cl Cl 阳离子 Ca2 Ca2 Mg2 Mg2 Na Ca2 Na Ca2 Mg2 Na Mg2 Na 型水 如硫酸盐 钙 镁型水 地下水温度地下水的温度取决于地温的变化 自地表向下大体可分为变温带 常温带与增温带 日变温带深及1 2m 年变温带深及15 20m 是太阳辐射影响所能达到的深度 但地下水的日变化幅度与年变化幅度比地温更比当地气温小 年常温带埋深20 30m 太阳辐射热影响十分微弱 地温变幅已趋于零 年常温带地下水的温度与当地年平均气温相近 而比地温要低约1 2 增温带受地热增温的控制 至数十公里深度大体每增深30 33m提高1 可根据地热增温级 G 30 33m 年常温带的深度 h 温度 tB 概略地计算出任何深度地下水的温度 tH 或根据地下水的温度推求水循环的深度 H 以判断地下水的来源及其补给条件 据地下水温度 可分为过冷水 100 几种类型 地下水的温度对盐类与气体在水中的溶解度及其这种溶液的化学反应速度有重大的影响 地下水色度洁净的地下水是无色透明的 它含某些化合物或胶体物质之后所呈的水色称为真色 若在现场观察 因含悬浮杂质所具有的水色称表色 通常含硫化氢的水呈翠绿色 含高价铁的水呈黄褐色 含钙镁的水呈蓝色 含锰化合物的水呈暗红色 含腐殖质的水为暗黄色 地下水透明度地下水的透明度主要取决于水中固体颗粒和胶体悬浮物的含量 它以能清晰辨认量筒中水底的白瓷盘 或标准铅字或黑色十字架 时候的水柱高度 cm 进行分类 透明者量筒水柱高度 60cm 半透明 微浊 者为60 30cm 微透明 混浊 者为 30cm 含大量悬浮物及胶体呈乳状者为不透明 极混 地下水味道地下水还因溶有各种盐类而有所谓的味道 当加温到20 30 时水的味道更明显 含NaCl165mg L以上具咸味 CaSO470mg L以上具微甜 MgCl2135mg L以上或者MgSO4250mg L以上具微苦 FeO0 15mg L以上具涩味 地下水的气味与所含的气体成分和有机质有关 气味的强弱又与水温有关 如含H2S的水具臭鸡蛋味 含腐殖质的水有草塘泥气味 含亚铁离子的水则具铁腥味 地下水比重纯净的地下水比重为1 0 含溶解盐类越多比重也越大 1波美度相当于1升水含10克氯化钠 NaCl 10g L 比重为1 0069 2波美度相当于1升水含20克氯化钠 比重为1 0140 以此类推 5波美度者比重为1 0358 10波美度者比重为1 0744 15波美度者比重为1 1160 20波美度者比重为1 1609 30波美度者比重为1 2624 地下水的导电性地下水的导电性取决于所含电解质的性质和数量 一般是离子含量越多 离子价越高 地下水的导电性越强 因此 可根据地下水电学性能的差别 粗略判断地下水的总矿化度 并可利用电测法探测地下水的分布与基本类型 一般地下淡水的导电率约为33 10 5 33 10 3 欧姆 1 厘米 1 而咸水的导电率则比它要高得多 地下水的放射性一般地下水的放射性极其微弱 地下水中含的氡 Rn 乃是放射性元素镭 Ra 的蜕变产物 若地下的压力或温度发生变化 氡气的扩散及之地下水的含氡量也发生变化 因此 可借助地下水含氡量变化的测定 预报某些地区的地震活动 或进行放射性矿床的探测等 三岩土的水理特征 单位体积岩土中所有孔隙空间的百分值称孔隙率 也称孔隙度 单位体积岩土中所有裂隙空间的百分值称裂隙率 岩土颗粒间的分子力和毛 细 管作用力使之持有一定水量的性能称持水性 持水水量与该岩土体积之比称持水度 对于饱和含水的岩土 它允许所含水量在自重力作用下自由排出的性能称给水性 所排出水的体积与该岩土体积之比为给水度 岩土允许水通透的性能称透水性 与透水性相对的是隔水性 岩土的透水性以地下水通透该岩土的速度 cm s 来表示 称为渗透系数 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 三岩土的水理特征 四地下水运动 一 地下水运动分类地下水赋存状态及其所处的环境决定了地下水的运动也比所见地表水的运动要复杂得多 大体可分为毛细运动 渗透运动 渗流运动与承压渗流运动等 毛细运动是指受分子力与毛细力的作用水在毛细管中运动 从地下水面沿毛细管上升称毛细管上升水 它的上升速度与孔隙的大小成正比 而上升的高度与毛细管半径成反比 降雨或灌溉之后入渗并保持在上部土层毛细管中的水称毛细管悬着水 在实践中 把毛细管作用下土层中可达到的最大毛细管悬着水量称田间持水量 华北平原上砂壤土的田间持水量占有体积比为32 42 中壤土为30 35 轻粘土为40 45 重粘土为40 50 占有的重量比分别为22 30 22 28 28 32 30 35 它是计算农业灌溉用水定额的重要依据 大气降水或灌溉水的一部分渗入地下 它相继通过土壤水带与过渡带到达地下水带的过程被专称为渗透运动 实际上 落到地面的大气降水 首先是被地面吸收入渗 如果降雨强度比较小 而地表物质又多孔隙和裂隙 那么有可能全部降水都入渗 只有降水强度比较大 地面来不及吸收或没有足够的孔隙裂隙来吸收 才会有过剩的水顺地面斜坡散流 水的入渗实际上包括岩土颗粒吸湿水与薄膜水的形成 毛细管悬着水的形成以及在重力作用下的所谓渗透 粘土的最大吸湿量可达18 含薄膜水可达45 砂土的最大吸湿量仅占0 5 含薄膜水可达20 左右 地下水在重力作用下的渗透也与岩土颗粒大小 孔隙率 裂隙率 持水性 给水性等有非常密切的关系 水在粒间孔隙中曲折流动 孔隙越小 水的流程就更迂回曲折 通透的时间就更长 如果粒间孔隙比较连通 那么水渗透的速度也能快一点 一般来说 若岩土的孔隙率大 裂隙率高 持水性差 给水性强 该岩土的渗透性也好 即渗透量大 渗透速度也快 渗透量可用水层厚度 mm cm 表示 渗透速度以小时或天为时间单位 现代关于水土流失防治的研究 比较注重于削弱地面径流 实际上应同时认真考虑增加入渗量与提高入渗速度有关的问题 地下水运动 渗透运动 二 地下水运动的基本规律饱水带中水的运动形式既然有不同 则其运动规律也不同 所以 也可分直线渗透定律和非直线渗透定律两种基本规律 l 直线渗透定律一一达西 Darcy 定律它是说明层流运动的基本规律 是1852 1855年期间 法国水力学家达西在实验室中用砂土做了大量渗透实验之后而得到的渗透基本定律 其实验简单过程如下 在圆柱状的金属筒中装满砂土 下图 利用浇水设备控制水流进人和流出处的水头保持不变 当水通过砂土渗透过程中 其水头损失可在两个测压管中同得 而流量则在出口处测量 实验结果得到如下关系 在单位时间内透过砂样的水量Q 与通过的断面积A和水头损失 H1 H2 H 成正比 而与渗透长度L成反比 可用下式表示 式中 v为渗透流速 K为渗透系数 I为水头梯度或水力坡度 水头坡度 由此可知 渗透流量Q或渗透流速v与水力坡度的一次方成正比 这就是著名的达西定律 由于两者成直接关系 所以也叫做直线渗透定律 直线渗透定律是在细砂中进行实验而确定的 但是实践证明 地下水在其他类型运水岩土中运动 当流速不大时 也均适用 同时 也适用于一切流向 2 非直线渗透定律非直线渗透定律是说明紊流运动的基本规律 当地下水流速较大时 v 1000m d 则服从于紊流运动规律 即 渗透流量或渗透流速与水力坡度的二分之一次方成正比 其表示式如下 有时地下水运动状态介于层流与紊流之间 称为混合流运动 此时 则可用下式表示之 式中 m值的变化范围为1 2 当m l时 即为达西定律 当m 2时 即为非直线渗透定律 按不同深度岩溶水运动主导方向的变化 在垂直方向上岩溶水的运动可分出四个带 自上而下依次为垂直渗流带 季节变动带 水平流动带与深部渗流带 岩溶水运动垂直分带1 垂直渗流带 2 季节变动带 3 水平流动带 4 深部渗流带 地下水运动与水平溶洞的形成 A Strahler 1999 五 地下水的类型按岩土的贮水空隙的差异分类 1 孔隙水2 裂隙水3 岩溶水按地下水的贮存埋藏条件分类 1 包气带水结合水 分吸湿水 薄膜水 毛管水 分毛管悬着水与毛管上升水 重力水 分上层滞水与渗透重力水 2 饱水带水潜水 承压水成规模可以利用的主要有 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上的重力水 下图 它是大气降水或地表水在下渗途中 遇到局部不透水层的阻挡后 在其上聚积而成的地下水 由于上层滞水是包气带内的局部饱水带 其埋藏条件决定了上层滞水具有如下特征 分布范围不广 水量小 补给区与分布区一致 补给源为大气降水或地表水 以蒸发 下渗或向隔水层边缘流散的方式进行排泄 动态变化不稳定 具有季节性 只能作暂时性和小型供水水源 易受污染 故作饮用水时应注意防止污染 上层滞水的动态变化主要决定于气候 同时也与隔水层的分布范围 厚度 透水性及埋藏深度等有关 在降水量较大 降水季节较长 蒸发量较小 其下渗水量较大 则上层滞水存在的时间也较长 当隔水层分布范围不大 厚度小 隔水性不强和埋藏较浅时 则上层滞水因不断向四周流散 下渗以及蒸发的结果 其存在的时间则较短 当隔水层的分布范围和厚度较大 埋藏较深 隔水性良好的条件下 则上层滞水存在的时间较长 二 潜水埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上 具有自由表面的重力水称为潜水 潜水的自由表面称为潜水面 潜水面的绝对标高称为潜水位 潜水面至地面的距离称为潜水埋藏深度 由潜水面向下至隔水层顶面间充满重力水的部分 称为含水层 我们日常用的井水一般都是潜水 井水面就是该点的潜水面 潜水的埋藏条件 决定了潜水具有以下特征 潜水面不承受静水压力 分布区与补给区一致 动态变化较不稳定 有明显的季节变化 潜水的补给条件较好 水量丰富 潜水的水质随气候有季节变化 且易受污染 潜水面的形状通常是具有一定倾斜的曲面 总的说来 潜水面的形状与地形大体一致 但比地形起伏要平缓得多 隔水底板凹陷使含水层厚度增大的地段 潜水面的坡度趋于平缓 反之变陡 三 承压水承压水是充满于两个稳定隔水层之间含水层中具有压力的地下水 而在两个稳定隔水层之间的含水层没有被水完全充满 具有自由水面的地下水 称无压层间水 若承压水在地形条件适宜时 其天然露头或经钻孔 揭露了含水层时 产生自流现象的地下水 称为自流水 上下隔水层分别称为隔水层顶板和底板 当钻孔打穿隔水层顶板时 在静水压力的作用下 水位上升到一定高度不再上升时 这个最终的稳定水位 叫该点的承压水位 承压水含水层在盆地边缘出露于地表的位置较高 可直接受大气降水或地表水补给的范围称为补给区 承压水含水层在承压盆地边缘