1、高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 面向21世紀課程教材Textbook Series for 21st Century高等教育出版社 高等教育電子音像出版社第六章 水圈與水量平衡第一節 水圈的組成第二節 水圈的結構第三節 水圈的演化第四節 水的運動第五節 水量平衡第六節 水圈與人類高等教育出版社 高等教育電子音像出版社第一節 水圈的組成 地球上的水以氣態、液態和固態三種形式存在于空中、地表與地下，成為大氣水、地表水和地下水。還可以細分為海洋水、河流水、湖泊水、沼澤水、土壤水、地下水、冰川水、大氣水以及存在于動、植物有機體內的生物水。這些水體，通過水循環組成了一個統一的相互聯系的環繞固體地

2、球表層的水圈。 可以從不同的角度來考察水圈的組成。若從相態角度來考察，則液態水占絕大多數，為97.859%，氣態水最少；若從垂向分布來看，地表水占99.389%，地下水和大氣水所占比例則很小；若從鹽度或者水質方面來看，海水占絕大多數，咸水和淡水所占比例較小；若從富集的地貌形態來看，海水約占地球總水量的97.23%，其次為分布在高緯度及高海拔地區的冰川水（約占2.14%）。而陸地上的河、湖、土壤水、地下水等，水體分布很廣，但其質量卻很少，只占到地球總水量的0.63% 海洋是水圈的主體，是地球上水的最大源地。全球海洋總面積為3.61108 km2，約占地球表面71%；海水總體積約為1.37109

3、km3，約占地球總水量的96%-97%。 龐大的海洋水體，既是水循環的源地，又是各種陸地水體的歸宿，還對大氣熱量起到了重要的調節作用。地球上的水海洋水：世界大洋表面蒸發與降水之差（E-P）和鹽度（S）的徑向分布（據Wust,1954） 全球各海區表層海水鹽度不等，平均為35左右，其中鹽度最高的紅海北部高達42.8，而波羅的海北部的波的尼亞灣，鹽度最低時只有3左右。世界海洋表層海水的鹽度分布規律為：從南北半球的副熱帶海區，分別向兩側的高緯和低緯遞減，呈馬鞍形分布。海洋表層海水鹽度的分布和變化主要受蒸發量和降水量的制約，其次受陸地徑流、結冰和融冰、洋流等因素的影響。大洋平均溫度典型鉛直分布（Pic

4、kard et al, 1990）(a)-低緯， (b)中緯， (c)高緯大西洋各緯度帶的年平均表層溫度(t)和密度()、鹽度(S)的關系（據Dietrich等改繪）大洋中典型的密度垂向分布（據 Pickard 等） 陸地水：河流、湖泊、沼澤、地下水、冰川。陸地水河流 河水是陸地表層唯一暢流的液態水，它的水循環動力機制既受熱力因素的影響，又受重力作用的控制。它在地表水循環過程中起著上接大氣水，下承地下水，最后連接海水的主干作用，在全球水循環大系統中，河流則為大氣、海洋、地表、地下四大亞系統的傳遞子系統。 河流、水系、分水嶺 大氣降水或地下涌出地表的水，匯集在地表低洼處，在重力作用下經常或周期性

5、地沿流水本身造成的洼地流動，就形成了河流。 河流沿途接納支流，形成復雜的干支流網絡系統，就是水系。 每一條河流或每一個水系都從一定的陸地面積上獲得補給水，這一集水區就是河流或水系的流域。 兩相鄰流域間地面高程最高點的連線，就是兩個水系的分水線。根據干支流分布的形狀，可進行水系分類，主要可分5類： 扇狀水系：干支流呈扇狀分布，即來自不同方向的各支流較集中地匯人干流，流域成扇形或圓形。 羽狀水系：支流從左右兩岸相間匯人干流，形呈羽狀。 平行狀水系：幾條支流平行排列。 樹枝狀水系：干支流的分布呈樹枝狀。大多數河流屬此種類型。 格狀水系：于支流分布呈格子狀，即支流多呈900角匯人于流。這是由于河流沿著

6、互相垂直的兩組構造線發育而成。河槽集流坡地漫流流域蓄滲植物截留大氣降水徑流形成過程 河水補給來源 雨 水 補 給季節性積雪融水補給 冰川融水補給湖泊與沼澤水補給 地下水補給徑流的變化 徑流的季節變化：隨著氣候條件的周期性變化，一年中河流補給狀況、水位、流量也相應地發生變化。根據一年內河流水情的變化特征，可將河流分成若干個水情特征時期，如汛期、平水期、枯水期或冰凍期。中國受季風影響的地區，一般是夏秋季為汛期或洪水期，冬春季為枯水期 徑流的年際變化：指徑流多年的變化。徑流量的年際變化往往是由于降水量的年際變化引起的。通常以徑流的離差系數來表示年徑流的變化程度，影響年徑流的離差系數的主要因素有年徑流

7、量、徑流補給來源和流域面積大小。我國河流年徑流的離差系數由東南豐水帶的0.20.3到西北缺水帶的0.81.0。湖泊和沼澤水 湖泊是陸地表面具有一定規模的天然洼地的蓄水體系，是湖盆、湖水以及水中物質組合而成的自然綜合體。陸地表面湖泊總面積約為2.7106 km2，占全球陸地面積1.8%左右，其水量約為地表河溪所蓄水量的180倍，是僅次于冰川的陸地表面第二大類蓄水體。 湖泊分類按成因劃分：構造湖、火口湖、堰塞湖、河成湖、風成湖、冰成湖、海成湖、溶蝕湖等； 按湖水補排情況劃分：吞吐湖和閉口湖； 按湖水與海洋溝通情況劃分：外流湖和內陸湖； 按湖水礦化度劃分：淡水湖、微咸水湖、咸水湖和鹽水湖； 按湖水營

8、養物不同劃分：貧營養湖、中營養湖、富營養湖。 沼澤是地面長期處于過濕狀態或潴滯著微弱流動的水，生長喜濕和喜水植物，并有泥炭積累的洼地。全球沼澤面積約為1.12108 hm2，約占陸地面積的0.8%，主要分布在亞、歐、北美三大洲的寒溫帶地區。我國沼澤面積約為1.1107 hm2，約占全國陸地面積的1.15%，主要分布在四川的若爾蓋高原、東北的三江平原、大小興安嶺、長白山地等。 沼澤形成的自然條件一般要求地勢低平、排水不暢、蒸發量小于降水量、地表組成物質粘重不易滲透。大致可分成兩種情況：一是水體沼澤化，一是陸地沼澤化。沼澤水的主要補給來源是降水、融雪水和地下水，主要損耗方式是蒸發。由于受沼澤自身形

9、態的影響，沼澤水運動緩慢，徑流量極小。 1地表經常過濕或有薄層積水2其上生長濕生植物或沼生植物3有泥炭積累或無泥炭積累，但有潛育層存在。沼澤排水差，潛水面位于地表沼澤基本特征：地 下 水 存在于地表以下巖（土）層空隙中的各種不同形式的水，統稱為地下水。 地下水的來源主要有大氣降水滲入補給、地表水補給、凝結水補給、來自其他含水層與人工補給等。 地下水的形成，首先要滿足一定的地質條件，上部為松散的砂、礫巖層和裂隙發育的巖層組成含水層，下部為結構相對致密而又完整的巖層，如粘土層、頁巖等組成的隔水層；其次，當地的氣候、水文、地形、植被等自然條件對地下水的形成也有重要影響。 地下水分層與分帶示意圖地下水

10、的形成與循環自流水盆地 據埋藏條件不同,地下水分為上層滯水、潛水和承壓地下水三類。上層滯水是指存在于包氣帶中局部隔水層之上的重力水。潛水是指埋藏在地表以下第一穩定隔水層之上具有自由水面的重力水。潛水和河水間一般具有互補關系。承壓地下水是指埋藏在上下兩個隔水層之間的地下水。承壓水水位高于上部隔水層，在地形條件適宜時，其天然露頭或經人工鑿井噴出地表形成自流井。地下水的層次結構冰川 在高緯度及高山地區，由于氣候寒冷，大氣降水為固體形式，地表被冰雪所覆蓋。冰雪經過重結晶變成具有可塑性的冰川冰，冰川冰在重力和壓力的作用下沿地表緩慢運動就形成了冰川。 高緯和高山地區，氣候寒冷，年平均氣溫常在0以下，因此，

11、降落的固體降水（雪）不能在一年內全部融化，而是長年積累，這種地區一般稱為雪原(snowfield)（或終年積雪區）。雪原區只有少數陡峭的山峰無冰雪覆蓋。 終年積雪區的下部界限，稱為雪線。雪線是一個帶。在這個帶內，年平均固體降水量恰好等于年融化量和蒸發量。雪線以上年平均降水量超過年融化量和蒸發量，固體降水才能不斷積累，形成終年積雪；雪線以下，正好相反，不能形成終年積雪。 冰川根據成因、形態和存在地區不同分成大陸冰川和山岳冰川。 大陸冰川是由于所處緯度高，冰雪常年難以融化而形成，呈盾形，主要分布在南極大陸和格陵蘭島。 山岳冰川是由于海拔高，氣溫低而形成的，呈舌狀，主要分布在亞歐大陸和北美大陸的一些

12、高山地區。 南極冰川極地冰川天山懸冰川天 山 1 號 冰 川貢嘎山海螺溝冰川西藏米堆冰斗冰川 第二節 水圈的結構水圈的水平結構特征連續性: 地球表面任何一個地方都有水的分布，水在地球表層的分布是連續的。不均勻性：水在地表的分布是不均勻的。不均勻性一是表現在水圈的厚度各處不一，二是表現在水圈中各處分布的水量不同。水圈的垂直結構特征近地面集中分布:水主要集中分布在地面附近，隨著離地面距離的增大水越來越少。垂直分層: 水圈在垂直方向上具有一定的分層現象。相態分異: 水的相態在垂直方向上的有規律的變化現象。海洋不同深度水層覆蓋地球表面的百分比 在垂直方向上，水圈具有近地面集中分布特征、垂直分層的特征和

13、相態分異特征。 近地面集中分布特征:水主要集中分布在地面附近，隨著離地面距離的增大水越來越少。比如，海洋、河流、湖泊、沼澤、冰川都集中分布在地球表面。大氣圈中的水也主要集中分布在近地面的對流層。巖石圈中的水也是主要集中在它的上部。海洋水占水圈總量的97.22%，海洋水分布面積具有隨深度增加而減少的趨勢。中國大陸徑流分帶與變差系數跨流域調水：解決水的空間部分不均問題第三節 水圈的演化水從無到有：自生說；外生說水從少到多：水通過巖漿活動和火山噴發由地球內部逸出。從而使地球水圈的水越來越多。 從酸性到堿性：原始酸性的大洋水與當時偏于基性的火成巖發生作用，會產生中性或偏堿性的溶液，原始的酸性大洋便逐步

14、改變其性質，主要的碳酸根和重碳酸根離子成分逐步被氯原子所取代。從氣態到液態、固態：隨著地球的冷卻和氣候的變冷，由氣態到氣態、液態，再到氣態、液態、固態第四節 水 的 運 動 概念：地球上各種形態的水，在太陽輻射、重力等作用下，通過蒸發、水汽輸送、凝結降水、下滲以及徑流等環節，不斷地發生相態轉換和周而復始運動的過程，稱為水循環。地球上各類水體，通過水循環形成了一個連續而統一的整體。水循環按不同途徑與規模，分為大循環和小循環。 機理：水循環服從于質量守恒規律；水循環的基本動力是太陽輻射和重力作用；水循環廣及整個水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈，同時通過無數條路線實現循環和相變；從全球看，水循環是

15、個閉合系統，但從局部地區看水循環卻是開放系統。 水循環對地球上的生物和其它圈層的相互作用等方面具有重要的意義。 一、水循環 水循環大循環 與小循環 二、河水的運動 河水在重力的作用下沿河槽不斷向下游流動，重力是決定河水縱向運動的基本動力。河水在運動過程中，同時還受到地轉偏向力、慣性離心力和機械摩擦力等作用，在這些力的影響下，河水除了沿河槽做縱向運動以外，還會產生各種形式的環流運動。按水流內在結構的差異，可將水流的運動狀態分為層流和紊流兩種類型。層流的水流狀態是全部水流呈平行流來運動，即水質點運動的軌跡線（流線）平行，在水流中運動方向一致，流速均勻；而紊流的流態是水流中每個水質點運動速度與方向均

16、隨時在變化，而且其變化是圍繞一個平均值上下跳動的。環流紊流層流層流：全部水流呈平行流來運動，即水質點運動的 軌跡線（流線）平行，在水流中運動方向一致，流速均勻；紊流：水流中每個水質點運動速度與方向均隨時在變化，而且其變化是圍繞一個平均值上下跳動環流：河水內部還具有局部水流環繞著一定的旋轉軸做往復運動。 三、 冰川的運動 重力流：在斜坡上因冰川自重而產生的沿坡向的分力大于冰川槽對冰川的阻力時，所引起的運動。擠壓流：由于冰川堆積的厚薄不同使內部所受的壓力分布不均，引起的冰川運動。四、海水的運動波浪：每個水質點作周期性運動，所有水質點相繼振動，引起水面呈周期性的起伏。 潮汐：由于月球和太陽的引力引起

17、的地球海水面的周期性升降運動。 潮流：海水受月球和太陽引力而發生周期性的流動。 洋流：指海洋中具有相對穩定的流速和流向的海水，從一個海區水平地或垂直地向另一個海區大規模的非周期性運動。分為風海流；密度流；補償流。波浪要素圖 水質點在其平衡位置附近做近似封閉的圓周運動，便產生了波浪，并引起了波形的傳播。因此，波浪的傳播僅是波形的傳播，而不是水質點的向前移動。組成波浪的基本要素有：波峰、波谷、波高、波長、周期、波速等。 在潮汐漲落的每一周期內，當水位漲到最高位置時，叫高潮或滿潮；當水位下降到最低位置時，叫低潮或干潮。從低潮到高潮過程中，水位逐漸上升，叫漲潮；從高潮到低潮過程中，水位逐漸下降，叫落潮

18、。當潮汐達到高潮或低潮的時候，海面在一段時間內既不上升也不下降，分別叫平潮和停潮。平潮的中間時刻叫高潮時；停潮的中間時刻，叫低潮時，相鄰的高潮與低潮的水位差叫潮差。潮汐要素圖引潮力和潮汐洋流及其分類 洋流按成因分為：風海流、密度流、補償流,如秘魯寒流屬于上升補償流。 此外，洋流按本身與周圍海水溫度的差異分為暖流和寒流。暖流指洋流水溫比流經海區水溫高的洋流；寒流則相反。 洋流按其流經的地理位置又可分為赤道流、大洋流、極地流、沿岸流等。世界洋流分布圖 世界洋流分布特點 以南北回歸線的副熱帶高壓為中心形成的反氣旋型大洋環流。 以北半球中高緯海上低壓區為中心形成的氣旋型大洋環流。 南半球中高緯度為西風

19、漂流。 在南極大陸形成繞極環流。 北印度洋形成季風環流。冬季北印度洋盛行東北季風，形成反時針方向的東北季風漂流；夏季，北印度洋盛行西南季風，形成順時針方向的西南季風漂流。影響中國的洋流有黑潮及季風漂流等。中國近海表層海流1.黑潮；2.臺灣暖流；3.對馬暖流；4.黃海暖流；5.黃海沿岸流；6.東海沿岸流；7.南海東北季風漂流；8.南海西南季風漂流（左：2月，右：8月）（趙濟中國地理世界大洋環流的聯系示意圖（Broecker,1995) 在大洋深層環流系的垂直結構中，可分出暖、冷兩種環流系統和五個基本水層（表層、次層、中層、深層和底層）。世界大洋環流體系由表層（包括次表層水）環流、中層環流、深層和

20、底層環流所組成。 表層環流主要是風成環流。中層環流、深層環流和底層環流均為鹽度環流。表層水、次層水、中層水、深層水和底層水在其運動過程中，進行著全球性的水量交換與循環，這構成世界大洋中統一的環流體系。 從長期看，海面升降則與水的三相轉換有著密切的關系。在地球水圈的水循環中，冰川積累與消融起著重要的作用。據計算，目前全球冰川的年平均消融量約3，000 km2。這一數字近乎全球河流水量的三倍。冰蓋消融量的增減，將直接影響海平面的升降。一般說，地球上氣候較冷的時候，冰川的規模就大，大量的水體從海洋轉移到冰川上儲存起來，導致海面的降低。氣候轉暖時，冰川退縮，大量的冰川融水，又通過河流注入大海，導致海平

21、面上升。因此，海面升降成了反映氣候變化的指示器。 五、海面升降與三相轉化第五節 水量平衡 水量平衡：根據質量守恒規律，地球上任何一個區域在任何一時段內，水的收入與支出的差額等于該地區的儲水變化量。從長期的觀點看，區域內的蓄水變量趨于零，即收入水量約等于支出水量。 降水、蒸發和徑流在整個水循環中是三個重要環節。 水量平衡方程： 通用水平衡方程: I-Q=S 式中，I為區域內水的收入項； Q為水的支出項； S為研究時段內該區域的蓄水變化量。全球水量平衡（數據來自John Mbugua et al,1995） 全球水量平衡：盡管對于全球海洋陸地的蒸發量、降水量與徑流量的估算值還不完全相同，但有一點是

22、共同的，就是全球的水量是平衡的。全球水平衡方程：P全球=E全球 第六節 水圈與人類水人體的重要組成生命來源于水：原始海洋中溶解的氧、二氧化碳等物質，是細胞進行新陳代謝時最好的“營養品”；厚厚的水體又像一個“保護罩”使嬌弱的原始生命不致被太陽紫外線殺傷。生命運動離不開水：水是生物體的基本成分。在肌體內起著輸送物質的作用；維持著肌體養分平衡，起著吸收養分，排出廢物的作用；起著調節溫度的作用；具有支持營養的作用生命運動離不開水 水是生物體的基本成分 。正常情況下，人體水分處于吸收與排出相等的平衡狀態，但當這種平衡狀態被打破時，就會影響人體正常生活。水輸送物質排泄廢物調節溫度支持營養 基本組分水災 一方面，水是人類必不可少的，并給人類帶來許多好處。但另一方面，水也給人們帶來了許多災害。如果水過多也會造成災害。水災給人類帶來的危害是巨大的，洪水災害是造成經濟損失最大的自然災害之一。中國雨澇分布（1951-1990） 我國氣候受季風影響，降水有明顯的季節變化，旱澇頻率都較大。我國雨澇的分布大體上是由東南向西北減少，并且與地勢高低和離海遠近有密切關系。沿海和平原地區多雨澇，內陸與高原地區少雨澇。 水災給人類帶來的危害是巨大的，洪水災害是造成經濟損失最主要的自然災害。隨著水災對人類