第二章地球上的水循環(huán).ppt

第二章地球上的水分循環(huán)和水量平衡,一、水分循環(huán),地表水、地下水和生物有機體內的水，不斷蒸發(fā)和蒸騰，化為水汽，上升至空中，冷卻凝結成水滴或冰晶，在一定的條件下，以降水的形式落到地球表面。降落于地表的水又重新產生蒸發(fā)、凝結、降水和徑流等變化。水的這種不斷地蒸發(fā)、輸送、凝結、降落的往復運動過程稱為水分循環(huán)。,（一）水分循環(huán)及其成因,第二章水循環(huán)與水量平衡,要點：地球上的水與水圈是開放系統(tǒng)，在氣、水、地、生物系統(tǒng)中循環(huán)流通。水量平衡，是動態(tài)平衡。人類可以改變水量平衡方程式中的多個因子，有時給人類帶來的利多，有時會意想不到地帶來的弊比利多。,水循環(huán)與水量平衡,據1970年國際水文學會的數據，地球上的水量總體積約15108km3，它們分聚為江河湖、海及冰川等多類水體(表18-2)。如果把各類水體鋪在地球表面的平均深度，規(guī)定為它們的當量深度，那么，估算的海洋水體的當量深度為2700-2800m，冰和雪為50m，地下水為15m，陸地上的河湖水為0.4-1.0m，大氣水的當量深度為0.03m。水域是指水體的地理位置，自由水面的形狀與面積。所謂水圈，由地球表面各類水體各地水域共同組成，抽象為覆蓋地球表面的水層，實際上是不連續(xù)的、上下高程相差很大的自在水體水域的總稱。水圈對地球環(huán)境有重要的貢獻，水體或水域對地球環(huán)境的影響則各有各的有效范圍，它們造成了地球環(huán)境的分異，而且建立了以水體或水域為中心的、向外逐漸減弱其影響強度的、次級地球環(huán)境的變化系列。,地球上的水量,水圈的組成,海洋水：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3.61108km2，約占地球表面的71%；海水總體積約為1.37109km3，約占地球總水量的96%-97%。,陸地水：河流；湖泊；沼澤；地下水；冰川。,陸地水,地球上的水,水循環(huán),水循環(huán)是貯水庫水體之間水分的往返交換，周而復始的互補。水循環(huán)的實施途徑是水的三種物態(tài)的更替與流動。水循環(huán)的基本動力是太陽輻射能與地球引力，以及在水循環(huán)過程中的能量轉移。全球水分循環(huán)是地球各圈層之間的水分交換，是最基本的物質流、能量流及生物地球化學循環(huán)，并對天氣和氣候及地貌發(fā)育起著重要的作用。,全球水分循環(huán)示意圖,水循環(huán),通過降水和蒸發(fā)，海洋和陸地表面水分不斷地進行交換，10天內進行這種交換的水分總量大約等于大氣對流層中水分的總貯量；全球淡水總貯量如通過江河凈排放，大約10年之內可完成，而通過蒸發(fā)發(fā)散作用，就只需5年。圖181是美國國際地圈生物圈計劃委員會于1986年出刊的地圈生物圈的全球性變化一書中的附圖，表示全球水分循環(huán)中的主要貯庫及其相互之間水分交換的通量。,水循環(huán),全球海洋總貯水量約1.4109km3，約占全球總水量的97%。全球海洋表面積約3.61108km2，約占地球表面積的70.8%。海洋水主要通過蒸發(fā)散失，每年蒸發(fā)散失總水量約434000km3，其中約398000km3的水量又通過降水直接返回海洋，實際散失約36000km3，被風攜入陸地上空。這部分水量又通過江河徑流返回海洋。海洋水體全部更替一次大約需要3.7104a。,水循環(huán),每年約有505000km3的水量通過蒸發(fā)進入大氣，其中來自陸地的蒸發(fā)和蒸騰水量約71000km3，占進入大氣總水量的14%左右。與此同時，每年又有同等水量通過降水返回陸地和海洋。大氣的貯水總量僅有15500km3，其中海洋上空占71%左右。這部分貯水大約只需8天9天就可以全部更新一次。,水循環(huán),地球上的淡水大量地以冰的形式貯存在南極與格陵蘭地區(qū)。南極冰蓋總體積約23.45106km3，折合水量約21.50106km3。格陵蘭冰蓋總體積約2.6106km3，折合水量約2.38106km3(Flint,R.F.,1971)。全球冰川冰的總體積約25106km3，如果全部溶化，大約相當于海洋水層增厚65m。冰川貯水的特點是貯存時間長，參與全球水循環(huán)的速度十分緩慢。估計大陸冰蓋冰的平均停留時間為103105年。大約距今18000年來，全球大陸冰川的總消融量約50.72106km3，相當于海洋水層增厚132m。高山冰川冰更新一次約需數十年到數百年，有的達1600年以上。,冰蓋與冰川新西蘭法蘭士約塞夫冰川,水循環(huán),陸地上地表水總量約360000km3，生物水量約2000km3。陸地上的大氣降水與冰雪融水消耗于蒸發(fā)、生物吸收和滲透到地下，另有約36000km3通過徑流返回海洋。陸地上水體的自然更新一次的時間長短不一，河流約需10-20天，土壤水約需280天，淡水湖約需1-100年，鹽湖和內海約需10-1000年。,水循環(huán),地下水總量的估計值相差很大.它位于地表以下和海底以下，大多存在于地表以下1m左右的巖土孔隙裂縫之中。地下水的停留時間一般為10-102年，自然更新一次需300年左右，但部分較深層地下水可停留106年。,土壤層水的更替周期約1年，生物水更替周期以幾小時計。,水循環(huán),全球水分循環(huán)系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，它有地球內部原生水的補給，以及巖石圈板塊運動所帶來的地球表層水量的得失。地球內部原生水通過火山噴發(fā)和溫泉途徑補給地球表層。如果按穩(wěn)定累積速度計算，在過350Ma內，地球內部原生水補給總量可達231109km3，已是地球表層總水量的150多倍，但這些水的大部分又通過板塊運動回歸到地球內部，參與地球內部與地球表層之間的水分循環(huán)，只有大約0.6%保留在地表，即相當于地球表面的總水量。若按地球內部原生水穩(wěn)定補給，它將使世界海面平均每千年上升1cm，但是海洋沉積所含的孔隙水又隨海底地殼俯沖消亡而損失，平均每年減少2.61014g，它相當于世界海面平均每千年下降0.71.4cm(J.R.Southam,andW.W.Hay,1981)。,水循環(huán),全球水分循環(huán)中各主要貯水庫的總水量以及各主要貯水庫之間水分交換通量，在地質歷史時期曾發(fā)生過重大變化。如白堊紀中晚期地球表面沒有冰蓋，沒有冰雪的貯水。再如第四紀冰期鼎盛時期，以距今18000年末次冰期鼎盛時期為例，當時的全球平均氣溫要比現代低6-7，全球陸上冰體總量要比現代多約50.72106km3，世界海洋水位要比現代低約130m，海面蒸發(fā)量要比現代少約14%(CLIMAP，1976)。由于冰雪貯水參與全球水分循環(huán)的速度十分緩慢，且由于氣溫低而水分循環(huán)通量也特別低，所以在冰期鼎盛時期全球水分循環(huán)處于明顯的衰弱狀態(tài)，并對全球生物化學循環(huán)產生極為深刻的影響。,水循環(huán),全球水分循環(huán)使水圈成為一個開放性動態(tài)系統(tǒng)，對人類生存和社會生產十分重要的淡水資源成為全球水分循環(huán)開放動態(tài)系統(tǒng)中的一個“站”，它除了作為暫時停留的靜儲量之外，還包含水分循環(huán)過程中的動儲量。全球河流總貯水量1250km3，而全年河流總徑流量達38000km3，其交替率為0.032年。由此可見，水分循環(huán)的強弱不僅與實際有效循環(huán)水量有關，而且與循環(huán)速度有關。如何增加實際有效水量，控制水分循環(huán)的過程，對水資源研究就是一個很重要的課題。有人估計，全球廣泛的修筑水庫，實際上就是增加實際有效水量，它還無意地削弱了本世紀以來全球平均海平面的上升。,水循環(huán)與美國水系簡圖,水圈的結構,水圈的水平結構特征連續(xù)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(xù)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(tài)分異:水的相態(tài)在垂直方向上的有規(guī)律的變化現象。,水循環(huán),全球水分循環(huán)中的通量存在著年內季節(jié)性的與多年年際間的變化。在冬季，大陸地表水分的凈輸入來自于海洋；而在夏季，熱對流是降水的主導機制，蒸發(fā)使土壤水分耗竭并成為大氣水分的主要來源之一。對這種變化的了解，既有助于我們解釋水分循環(huán)中異?，F象產生的部位和程度，也可使我們更清楚地認識地表變化的環(huán)境影響。,水分循環(huán)的產生有其內因和外因。內因是水的“三態(tài)”變化，也就是在常溫的條件下，水的氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)可以相互轉化。這使水分循環(huán)過程的轉移、交換成為可能。其外因是太陽輻射和地心引力。太陽輻射的熱力作用為水的“三態(tài)”轉化提供了條件；太陽輻射分布的不均勻性和海陸的熱力性質的差異，造成空氣的流動，為水汽的移動創(chuàng)造了條件。地心引力（重力）則促使水從高處向低處流動。從而實現了水分循環(huán)。,整個水分循環(huán)過程包括了蒸發(fā)、降水、徑流3個階段和水分蒸發(fā)、水汽輸送、凝結降水、水分下滲、徑流5個環(huán)節(jié)。,水分循環(huán)通過3個階段5個環(huán)節(jié)，使天空與地面、地表與地下、海洋與陸地之間的水相互交換，使水圈內的水形成一個統(tǒng)一的整體。,水的運動,概念：地球上各種形態(tài)的水，在太陽輻射、重力等作用下，通過蒸發(fā)、水汽輸送、凝結降水、下滲以及徑流等環(huán)節(jié)，下斷地發(fā)生相態(tài)轉換和周而復始運動的過程，稱為水循環(huán)。地球上各類水體，通過水循環(huán)形成了一個連續(xù)而統(tǒng)一的整體。水循環(huán)按不同途徑與規(guī)模，分為大循環(huán)和小循環(huán)。,機理：1水循環(huán)服從于質量守恒規(guī)律；2水循環(huán)的基本動力是太陽輻射和重力作用；3水循環(huán)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(huán)和相變；4從全球看，水循環(huán)是個閉合系統(tǒng)，但從局部地區(qū)看水循環(huán)卻是開放系統(tǒng)。,水循環(huán)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(huán),1大循環(huán),從海洋表面蒸發(fā)的水汽，被氣流帶到大陸上空，在適當的條件下，以降水的形式降落到地面后，其中一部分蒸發(fā)到空中，另一部分經過地表和地下徑流又流到海洋，這種海陸之間的水分交換過程，稱為大循環(huán)，也稱海陸間循環(huán)。它是由許多小循環(huán)組成的復雜的水分循環(huán)過程。,2小循環(huán),小循環(huán)是指水僅在局部地區(qū)（海洋或陸地）內完成的循環(huán)過程。小循環(huán)可分為海洋小循環(huán)和陸地小循環(huán)。,海洋小循環(huán)就是從海洋表面蒸發(fā)的水汽，在空中凝結，以降水形式降落海洋上的循環(huán)過程。,陸地小循環(huán)，就是從陸地上蒸發(fā)的水汽，在空中凝結，以降水形式降落陸地上的循環(huán)過程。,二、水循環(huán)的基本類型,1.大循環(huán)（全球海陸之間大循環(huán)）,2.小循環(huán)（海洋小循環(huán)和陸地小循環(huán)）,（外流區(qū)小循環(huán)和內流區(qū)小循環(huán)）,水分循環(huán)的地理意義,水分循環(huán)對于全球性水分和熱量的再分配起著重大的作用，這種作用與大氣循環(huán)相互聯系而發(fā)生，從而影響了一地氣候的主要方面降水與氣溫。水分循環(huán)具有物質“傳輸帶”的作用，而且又是巖石圈表層機械搬運作用以及自然地理環(huán)境中無機成分和有機成分化學元素遷移的強大動力。在水分循環(huán)過程中伴隨產生了各種常態(tài)地貌和河流、地下水、湖泊等等。水分循環(huán)也是生物有機體維持生命活動和整個生物圈構成復雜的水膠體系統(tǒng)的基本條件，起著有機界和無機界聯系的紐帶作用?？傊?，水分循環(huán)有如自然地理環(huán)境的“血液循環(huán)”，它溝通了各基本圈層的物質交換，促使各種聯系的發(fā)生。水分循環(huán)過程同時起著水文過程、氣候過程、地形過程、土壤過程、生物過程以及地球化學過程等作用。,三、水循環(huán)的作用、效應與意義,（一）水文循環(huán)與地球圈層構造（二）水循環(huán)與全球氣候1.水循環(huán)是大氣系統(tǒng)能量的主要傳輸、儲存和轉化者。2.水循環(huán)通過對地表太陽輻射能的重新再分配，使不同緯度熱量收支不平衡矛盾得到緩解。3.水循環(huán)的強弱及其路徑，還會直接影響到各地的天氣過程，甚至可以決定地區(qū)的氣候基本特征。4.雨、雪、霜及臺風暴雨等天氣現象水循環(huán)的產物。,三、水循環(huán)的作用、效應與意義,（三）水循環(huán)與地貌形態(tài)及地殼運動（四）水循環(huán)與生態(tài)平衡1.生命之源、生物有機體的基本組成物質、沒有水循環(huán)不存在生物圈。2.水循環(huán)的強度及其時空變化，制約區(qū)域生態(tài)平衡或失調的關鍵；成為影響區(qū)域內生物有機體活動旺盛、繁茂或凋萎、貧乏的主要因子。3.水循環(huán)強度的時空變化，是造成洪澇旱等自然災害的主要原因。華北、西北較之東南沿海生態(tài)環(huán)境相對嚴峻的主要原因,三、水循環(huán)的作用、效應與意義,（五）水循環(huán)與水資源開發(fā)利用（六）水循環(huán)與水文現象以及水文學科的發(fā)展,第二節(jié)水量平衡,水量平衡：地球上任何一個區(qū)域在任何一時段內，水的收入與支出的差額等于該地區(qū)的儲水變化量。水量平衡方程：通用水平衡方程:I-Q=S,全球水平衡方程：P全球=E全球,全球水量平衡：盡管對于全球海洋陸地的蒸發(fā)量、降水量與徑流量的估算值還不完全相同，但有一點是共同的，就是全球的水量是平衡的。,全球水平衡（數據來自JohnMbuguaetal,1995）,2水量平衡,自然界的水分循環(huán)，從10-103年時間尺度和若干立方公里量級尺度來看，大體上是保持不變的。有些報道，稱某地區(qū)出現幾十年降水減少的趨勢或連續(xù)干旱的現象，往往與降水帶的遷移或下墊面特征的變化，或地表水的增加調用等因素有關。對于某個貯水庫或水體來說，必定存在來水量等于出水量和蓄水變量之和的關系。這就是水量平衡研究的問題。人們還可以采取措施調節(jié)來水量、出水量與蓄水量三者之間的關系。以利于水資源的開發(fā)利用。對于非灌溉土壤來說，短短一周內積累的降水就至關重要。地表淡水貯水庫對于1-10年內累積的降水或融雪是敏感的，而地下水對于10-103年內積累的降水才有反應。因此，我們用水分循環(huán)與水量平衡理論，對1-102年內糧食生產所需水分進行科學預測和合理調用，對農業(yè)生產和經濟