水圈與水環(huán)境PPT課件

1、1,第五章 水圈與水環(huán)境,水圈的組成 水循環(huán)與水平衡 水環(huán)境與水生態(tài) 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè),2,3,一. 海洋水,海洋是大氣水的主要水源，因而是大氣降水的源泉，是地球的水庫(kù)。此外，海洋蘊(yùn)含著極其豐富的化學(xué)資源、礦產(chǎn)資源、動(dòng)力資源、生物資源，是地球的一個(gè)巨大的資源寶庫(kù)。 （一）海洋水的理化性質(zhì) 1. 海水的鹽度,圖5.1 世界海洋平均鹽度與蒸發(fā)量、降水量分布,4,全球海洋表面鹽度以副熱帶海區(qū)最大，向赤道和高緯度海區(qū)逐漸減小，南極海區(qū)小于34。最高鹽度值和最低鹽度值多出現(xiàn)在大洋邊緣的海域中如紅海北部高達(dá)42.8。鹽度較低的海域如波羅的海的含鹽度只有15，北部的波的尼亞灣更低至3左右，稱(chēng)為淡化海,5,2.

2、 海水的pH值 海水為弱堿性，天然海水的pH值介于7.98.4之間。海水增溫和光合作用增強(qiáng)可使表層海水CO2含量和H+濃度下降，導(dǎo)致pH值上升，反之則使pH值下降。海水中pH值的大小控制著許多礦物的形成，例如方解石和白云石形成于pH為7的弱堿性環(huán)境，高嶺石則形成于pH值小于6的酸性環(huán)境中,6,3. 海水的溫度 海水溫度是海洋熱能的一種表現(xiàn)形式，絕大部分來(lái)自太陽(yáng)輻射能。海洋熱能不僅驅(qū)動(dòng)大部分的大洋環(huán)流，而且還制約著海洋生物系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率。全球大洋表層年平均水溫為17.4，比全球陸地表面的年平均氣溫高3.1。大洋表面年平均溫度一般在-2到30之間，從低緯到高緯總體逐漸降低，等溫線的走向大致沿緯度分

3、布。但在大陸海岸附近，等溫線可能呈現(xiàn)南北流向的形式,7,圖5.2 海洋表面海水平均溫度分布（NOAA數(shù)據(jù),8,4. 海水的密度與壓力 通常在0時(shí)正常鹽度的海水密度約為1.028gcm3。溫度升高時(shí)密度減小，鹽度增加時(shí)密度增大，氣壓加大時(shí)密度增大。海水的壓力隨水深的增加而加大，每增加10m約增加1.05Pa。在1000m深處的海水壓力大約為107Pa,9,二）海水運(yùn)動(dòng)與洋流,海水在海洋表面風(fēng)力和密度差異、太陽(yáng)和月球引力等作用下，不停的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)形式主要有潮汐、海浪、洋流等形式,10,圖5.4 世界洋流分布圖,11,洋流對(duì)地理環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對(duì)氣溫和降水兩方面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由低緯向中、高緯度輸送

4、的熱量，有一半通過(guò)洋流輸送，洋流性質(zhì)和方向不同，形成了不同的地理環(huán)境特點(diǎn)。由于洋流在各大洋的分布不同，使高低緯地區(qū)大洋東西兩岸氣溫差異十分顯著。一般來(lái)說(shuō)，暖流流經(jīng)的地區(qū)，氣溫高，降水機(jī)會(huì)增多，寒流流經(jīng)的地區(qū)，氣溫降低，降水的機(jī)會(huì)減少,12,三）海氣相互作用,13,厄爾尼諾是全球氣候信號(hào)里最強(qiáng)的。在20世紀(jì)60年代，很多科學(xué)家都認(rèn)為厄爾尼諾是區(qū)域性問(wèn)題，它主要影響太平洋東部的南美沿海地區(qū)和太平洋中部的澳大利亞沿海地區(qū)。然而20世紀(jì)80年代以后，通過(guò)氣象衛(wèi)星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，厄爾尼諾在世界很多地方都出現(xiàn)。近年來(lái)通過(guò)對(duì)全球氣候異常的綜合分析認(rèn)為，厄爾尼諾現(xiàn)象影響的范圍不單是局部地區(qū)，而是遍及全球。影響的時(shí)

5、間不只是夏季，而是全年甚至更長(zhǎng)。對(duì)全球自然地理環(huán)境影響的影響很大，會(huì)造成不同地區(qū)洪澇、干旱、酷熱、低溫、熱帶氣旋等災(zāi)害,14,厄爾尼諾現(xiàn)象是周期性出現(xiàn)的，大約每隔27年出現(xiàn)一次。 一般認(rèn)為，海水表層溫度連續(xù)3個(gè)月（中國(guó)用6個(gè)月）高出平均值0. 5以上，即可認(rèn)為是一次厄爾尼諾現(xiàn)象。當(dāng)前氣象學(xué)家普遍認(rèn)為，厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)生對(duì)全球不少地區(qū)的氣候?yàn)?zāi)害有預(yù)兆意義，所以對(duì)它的監(jiān)測(cè)已成為氣候監(jiān)測(cè)中一項(xiàng)重要的內(nèi)容,15,對(duì)于厄爾尼諾和拉尼娜的頻繁發(fā)生，科學(xué)家比較普遍的一種看法是人類(lèi)對(duì)大氣環(huán)境的影響導(dǎo)致了大氣環(huán)流和氣候的異常。目前能夠較好共識(shí)的思路是改變經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展模式，減少排放。國(guó)際社會(huì)采取的主要措施就是綠

6、色經(jīng)濟(jì)，這是世界適應(yīng)和減緩氣候變化的未來(lái)之路,16,二. 陸地水,一）河流 水系與流域 流域面積、形狀、流域高度、流域坡度、流域的傾斜方向、干流流向等是流域的重要特征。 水系的特征一般包括河流長(zhǎng)度、河網(wǎng)密度、河流的彎曲系數(shù)及其平面結(jié)構(gòu)等,圖 5.6 流域和水系,17,河流長(zhǎng)度是河源到河口的軸線長(zhǎng)度，通常在大比例尺地圖上，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)曲線長(zhǎng)度獲取。 河網(wǎng)密度： 河流的彎曲系數(shù)是指某河段的實(shí)際長(zhǎng)度與該河段直線長(zhǎng)度的比值。 水系按平面形態(tài)一般可分為樹(shù)狀、格子狀（直角注入）、平行狀、放射狀、環(huán)狀、長(zhǎng)方狀和扇狀等,18,圖5.7 水系的平面結(jié)構(gòu)主要類(lèi)型,19,水系的平面結(jié)構(gòu)不同，便有不同的水情特征，例如

7、扇狀水系，河流從谷口或三角洲頂點(diǎn)向外呈扇狀散開(kāi)，當(dāng)全流域發(fā)生暴雨時(shí)，各支流同時(shí)發(fā)生洪水，在匯合點(diǎn)以下河段同時(shí)接納全流域的暴雨洪流，很容易發(fā)生洪水災(zāi)害。因此，編制水系流域圖時(shí)，必須反映水系的平面結(jié)構(gòu)類(lèi)型，保持河網(wǎng)的相對(duì)密度；制圖綜合時(shí)，必須要考慮區(qū)域氣候、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地貌等對(duì)水系平面形態(tài)的影響,20,2. 河流水情要素,水情要素是反映河流水文情勢(shì)及其變化的因子。主要包括水位、流量、流速，稱(chēng)為水情三要素，是專(zhuān)題地圖中表示河流水情動(dòng)態(tài)的重要數(shù)量指標(biāo)。 1）水位 水位是指河流在某一地點(diǎn)某一時(shí)刻的水面高程。我國(guó)河流水位的絕對(duì)基面（起算高程）統(tǒng)一采用青島基面。另一種是測(cè)站基面，采用觀測(cè)點(diǎn)最低枯水位以下

8、0.51m處作為起算點(diǎn)。為了反映水位變化，常用水位過(guò)程曲線來(lái)表示,21,除了解水位變化規(guī)律外，還了解水位變化中的一些特征水位值，主要包括： 1 平均水位，單位時(shí)間內(nèi)水位的算術(shù)平均值。對(duì)河流用水及流域調(diào)節(jié)有一定意義。 2 平均高水位和平均低水位，每年觀測(cè)的最高水位和最低水位各自的算術(shù)平均值。 3 最高水位和最低水位，單位時(shí)段內(nèi)水位的最大值和最小值，前者為防洪、水利工程建設(shè)提供依據(jù)；后者為航運(yùn)、灌溉的重要參考。 4 警戒水位，是指在江、河、湖泊水位上漲到河段內(nèi)可能發(fā)生險(xiǎn)情的水位 5 中水位，是一年中觀測(cè)水位值的中值。對(duì)用水保證率有重要意義,22,2）流速 3）流量 為了便于分析，常把測(cè)得的流量繪制

9、成流量過(guò)程線或水位-流量關(guān)系曲線。水位-流量關(guān)系曲線是以流量為橫坐標(biāo)，水位為縱坐標(biāo)繪制的曲線。它在水文分析中應(yīng)用很廣，因?yàn)樵诹髁繉?shí)測(cè)中不可能連續(xù)不斷的測(cè)量，所以可以通過(guò)水位-流量過(guò)程曲線推求出流量來(lái),23,淋漆河水文站水位流量關(guān)系曲線圖,24,3. 河流補(bǔ)給,一般把河流的補(bǔ)給分為雨水補(bǔ)給、冰雪融水補(bǔ)給、湖泊和沼澤水補(bǔ)給及地下水補(bǔ)給,圖5.8 雨水補(bǔ)給河流流量與降水量相互關(guān)系,25,26,27,4. 河川徑流特征,徑流總量（W），指在一定時(shí)段內(nèi)，通過(guò)河流某一過(guò)水?dāng)嗝娴目偹?，稱(chēng)為這個(gè)時(shí)段的徑流總量。 徑流深度（Y），是把流域一年內(nèi)的徑流總量，均勻地平鋪在流域面積上的水層厚度，即徑流總量除以流域面

10、積 徑流模數(shù)（M），是單位時(shí)間，單位面積上產(chǎn)出的水量 徑流系數(shù)（a）， 是一定時(shí)期內(nèi)的徑流深度與同期內(nèi)降水量的比值,28,5. 徑流變率（K），是某一時(shí)段的平均徑流值與同時(shí)期的多年平均值之比，稱(chēng)為徑流變率或模比系數(shù)，即 徑流變率的大小，是反映區(qū)域統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)徑流變化幅度的指標(biāo)。徑流年變率的大小用年徑流的變差系數(shù)（CV）和絕對(duì)比率表示。 年徑流的變差系數(shù) 式中，為第i年的年徑流變率；n為觀測(cè)資料數(shù)列的年數(shù)。 年徑流變率CV值大，則徑流量的年際變化劇烈，易發(fā)生洪旱災(zāi)害，水工建筑費(fèi)用大；相反，則年際變化小，水工建筑費(fèi)用就小。CV值的變化與自然地理環(huán)境密切相關(guān)，降水稀少的地區(qū)CV值大于降水豐富的地區(qū)；雨

11、水補(bǔ)給的河流，CV值大于地下水補(bǔ)給的河流；平原、盆地的CV值大于相鄰高山和高原；流域面積小的河流，其CV值大于流域面積大的河流,29,二）湖泊,湖泊是常年積水且不與海洋相通的天然洼地。湖水是陸地水的重要組成部分，世界各大洲都有湖泊分布，及其最集中的地區(qū)有西北歐和北美洲。 湖泊按成因分為構(gòu)造湖、火口湖、堰塞湖、河成湖、風(fēng)成湖、冰成湖、海成湖以及溶蝕湖等。按湖水鹽分，分為淡水湖和咸水湖。按湖水營(yíng)養(yǎng)物分為貧營(yíng)養(yǎng)湖、中營(yíng)養(yǎng)湖和富營(yíng)養(yǎng)湖。 湖水表層1m深可吸收80%左右的太陽(yáng)輻射熱量，且大部分被靠近水面20cm的水層吸收，只有1%的能量能到達(dá)10m深度。熱帶湖泊上層水溫高，下層水溫低；寒帶湖泊，上層水溫

12、低，下層水溫高；溫帶湖泊水溫隨季節(jié)而不同，冬季上冷下暖，夏季上暖下冷,30,三）沼澤,是指地表過(guò)濕或有薄層常年或季節(jié)性積水，土壤水分幾達(dá)飽和，生長(zhǎng)有喜濕性和喜水性沼生植物的地段。沼澤是介于陸地和水體間的自然體，是良好的蓄水體。通常含水量占89%94%，泥炭占5%10%。 沼澤的形成和發(fā)展，一般是在溫濕和冷濕氣候、平坦或低洼的地形條件下發(fā)育的。可分為水體沼澤化和陸地沼澤化,31,四）冰川,1. 雪線和終年積雪 高緯和高山地區(qū)，氣候寒冷，年平均氣溫在0以下，大氣以固態(tài)降水為主，積雪不能再當(dāng)年全部融化，經(jīng)長(zhǎng)期積累，形成終年積雪區(qū)。終年積雪區(qū)的下限稱(chēng)為雪線，即雪線就是某一海拔高度上年降雪量與消融量的平

13、衡線。一般氣溫越高，雪線也越高。雪線的高度與降水量成反比，降水量越大，雪線越低。 2. 冰川的形成與運(yùn)動(dòng) 成冰過(guò)程大致經(jīng)歷兩個(gè)階段：一是由新雪變成緊密的粒雪；二是在壓力和熱力作用下使粒雪變成冰川冰。冰川冰形成以后，在冰體壓力和重力作用下，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，形成冰川,32,三. 地下水,地下水的蓄水構(gòu)造與類(lèi)型,33,其作圖方法和地表地形等高線圖作法相似，而且是在地形等高線圖的基礎(chǔ)上作出來(lái)的。由于潛水面是隨時(shí)間變化的，在編圖時(shí)必須在同一時(shí)間或較短時(shí)間內(nèi)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)潛水水位進(jìn)行觀測(cè)，把每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地面位置準(zhǔn)確地繪制在地形圖上，并標(biāo)注該點(diǎn)測(cè)得的潛水埋藏深度及算得的該點(diǎn)潛水水位標(biāo)高，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的水位標(biāo)高畫(huà)出潛水等水

14、位線圖,圖5.11 潛水等水位線圖,34,地下水是生態(tài)環(huán)境的組成部分之一，能影響環(huán)境的穩(wěn)定性。過(guò)量開(kāi)采，往往造成地下水位下降，地面沉陷，海水倒灌，水質(zhì)惡化和地表生態(tài)退化等。近30年來(lái)，我國(guó)地下水開(kāi)采量以每年2.5109 m3的速度遞增，北方和東部沿海地區(qū)地下水超采越來(lái)越嚴(yán)重。初步統(tǒng)計(jì)，全國(guó)已形成大型地下水降落漏斗100多個(gè)，面積達(dá)1.5105km2，超采區(qū)面積6.2105km2，嚴(yán)重超采城市近60個(gè)，造成眾多泉水?dāng)嗔鳎糠炙吹乜萁?35,二)含水巖石的水理性質(zhì),松散巖石存在著孔隙，堅(jiān)硬巖石中有裂隙，易溶巖石有孔洞。水以不同形式存在于這些空隙中，巖石與水作用時(shí)，表現(xiàn)出不同的“容水性”、“持水性

15、”、“給水性”、“透水性”等，這就是巖石的水理性質(zhì)。 容水性 指在常壓下巖土空隙能夠容納一定水量的性能，以容水度來(lái)衡量。容水度（Wn）為巖土容納水的最大體積Vn與巖土總體積V之比，即Wn=Vn/V100%。 持水性 飽水巖土在重力作用下排水后，依靠分子力和毛管力仍然保持一定水分的能力。用持水度表示。持水度Wr為飽水巖土經(jīng)重力排水后所保持水的體積Vr和巖土總體積V之比。即Wr=Vr/V100%，其值大小取決于巖土顆粒表面對(duì)水分子的吸附能力。在松散沉積物中，顆粒愈細(xì)，空隙直徑愈小，則同體積內(nèi)的比表面積愈大，Wr，愈大,36,3. 給水性 指飽水巖土在重力作用下能自由排出水的性能，用給水度（）來(lái)表示

16、。給水度為飽水巖土在重力作用下，能自由排出水的體積Vg和巖土總體積V之比，即=Vg/V100%。 由上述3個(gè)定義可知：巖土持水度和給水度之和等于容水度（或孔隙度），即Wn=Wr+或n=Wr+。式中n為孔隙度。 4. 透水性 指在一定條件下，巖土允許水通過(guò)的性能。一般用滲透系數(shù)K值來(lái)表示。其值大小首先與巖土空隙的直徑大小和連通性有關(guān)，其次才和空隙的多少有關(guān)。如粘土的孔隙度很大，但孔隙直徑很小，水在這些微孔中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅由于水與孔壁的摩阻力大而難以通過(guò)，而且還由于粘土顆粒表面吸附形成一層結(jié)合水膜，這種水膜幾乎占滿了整個(gè)孔隙，使水更難通過(guò),37,第二節(jié) 水循環(huán)與水平衡,圖 5. 13 水循環(huán)模式,3

17、8,天然水循環(huán)的機(jī)理 第一，水循環(huán)服從于質(zhì)量守恒規(guī)律。水循環(huán)從實(shí)質(zhì)上講是物質(zhì)與能量的傳輸、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化過(guò)程，并且整個(gè)過(guò)程具有連續(xù)性。 第二，水循環(huán)的基本動(dòng)力是太陽(yáng)輻射和重力作用。在常溫常壓條件下，水的三相變化是水循環(huán)的前提條件；地理環(huán)境、海陸分布等外部環(huán)境制約著水循環(huán)的路線、規(guī)模與強(qiáng)度。 第三，水循環(huán)廣及整個(gè)水圈，并深入大氣圈、巖石圈及生物圈，同時(shí)通過(guò)無(wú)數(shù)條路線實(shí)現(xiàn)循環(huán)和相變。 第四，從全球看，水循環(huán)是個(gè)閉合系統(tǒng)，但從局部地區(qū)看水循環(huán)卻是開(kāi)放系統(tǒng)。 第五，地球上的水在循環(huán)過(guò)程中，總攜帶著一些物質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)，不過(guò)這些物質(zhì)并不像水那樣構(gòu)成完整的循環(huán)系統(tǒng)，因此通常講的水文循環(huán)，僅指水分的循環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)水循環(huán)

18、,39,人類(lèi)社會(huì)的水循環(huán)”是指人類(lèi)在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)活動(dòng)中不斷地取水、用水和排水而產(chǎn)生的人為水循環(huán)過(guò)程。它是依附于自然水循環(huán)的一個(gè)組成部分，或者是一個(gè)環(huán)節(jié)、分支（如同降水、蒸發(fā)、下滲等環(huán)節(jié)），而不是一個(gè)獨(dú)立的水循環(huán)過(guò)程。隨著人類(lèi)活動(dòng)的逐漸增強(qiáng)，人類(lèi)行為滲入了天然系統(tǒng)的各個(gè)角落，自然界客觀存在的水變成了水資源，天然一元水循環(huán)模式受到人類(lèi)的改變，在原有天然水循環(huán)中產(chǎn)生了人工水循環(huán)，兩者相互作用，相互影響，形成了彼此消長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)的“天然-人工二元”水循環(huán)模式,40,圖 5.14 天然人工二元水循環(huán)系統(tǒng)模式,41,二 水量平衡,在給定任意尺度的時(shí)空內(nèi)，全球水量保持收支平衡。水量平衡的研究區(qū)域可以是整個(gè)地球，也

19、可以是某個(gè)流域、湖泊、海洋或某個(gè)特定區(qū)域。水量平衡的時(shí)段可以是日、月、年，也可以是數(shù)十年或更長(zhǎng)的時(shí)間，一般都以一年為單位，稱(chēng)為水文年。我國(guó)以1月1日12月31日為一水文年。 水量平衡是質(zhì)量守恒原理在水分循環(huán)過(guò)程中的具體表現(xiàn)，也是水分循環(huán)的內(nèi)在規(guī)律。通常用水量平衡方程表述,42,一個(gè)地區(qū)的水量平衡特點(diǎn)反映了該地區(qū)的氣候和地理特點(diǎn)。就全球而論，在10S10N地帶的水平衡中，降水大于蒸發(fā)，表現(xiàn)出熱帶雨林氣候特點(diǎn)；在10N35N和10S40S地帶的水量平衡中，蒸發(fā)大于降水，表現(xiàn)出炎熱干旱的氣候特征。 就地區(qū)而言，在干旱、半干旱地區(qū)的黃河流域水量平衡中，蒸發(fā)量占降水量的80%，徑流量只占降水量的20%；

20、在溫暖濕潤(rùn)的長(zhǎng)江流域水量平衡中，蒸發(fā)量占降水量的48%，徑流量占降水量的52%；在處于印度洋西南氣流迎風(fēng)坡的潮濕多雨的雅魯藏布江流域水量平衡中，蒸發(fā)量只占降水量的32%，而徑流量占降水量的68,43,第三節(jié) 水環(huán)境與水生態(tài),水環(huán)境是指自然界中水的形成、分布和轉(zhuǎn)化所處空間的環(huán)境。它不僅包括河流、海洋、湖泊、水庫(kù)以及淺層地下水等貯水體，還包括水中的懸浮物（如泥沙）、溶質(zhì)、水生生物和底泥，以及對(duì)水體產(chǎn)生影響的物理和化學(xué)作用。 人類(lèi)面臨的水環(huán)境問(wèn)題 水的時(shí)空分布不均導(dǎo)致的“水多”、“水少”問(wèn)題 水環(huán)境的污染和破壞造成的水“水臟”、“水渾”問(wèn)題,44,水環(huán)境容量 對(duì)水環(huán)境容量的核算，包括自?xún)羧萘亢拖♂屓萘績(jī)刹糠?。自?xún)羧萘渴怯捎诔两?、生化、吸附等物理、化學(xué)和生物作用，給定水域達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)所能自?xún)舻奈廴疚锪?。稀釋容量是在給定水域的來(lái)水污染物濃度低于出水水質(zhì)目標(biāo)時(shí)，依靠稀釋作用達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)所能承納的污染物量,45,水生態(tài) 水生態(tài)是指水的存在狀態(tài)及與水有關(guān)的