大陸水循環(huán)系統(tǒng)演化及其環(huán)境意義

1、大陸水循環(huán)系統(tǒng)演化及其環(huán)境意義張宗祜張光輝(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所 ,石家莊)摘 要 通過大陸水循環(huán)構(gòu)成及其特征分析 ,闡明了水文循環(huán)與地質(zhì)循環(huán)的機(jī)制 ,剖析了大陸水循環(huán)與人類活動之間的關(guān)系 ,分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 ,明確了水文循環(huán)和地質(zhì)循環(huán)的主要研究內(nèi)容 。在此基礎(chǔ)上 ,提出了關(guān) 于中國大陸水循環(huán)演化研究的一些認(rèn)識和值得關(guān)注的科學(xué)問題 。關(guān)鍵詞 大陸水循環(huán) 水文循環(huán) 地質(zhì)循環(huán) 人類生存環(huán)境意義大陸水圈是地球重要的組成部分 ,是組成地球系統(tǒng) 4 個層圈中的一個重要圈層 。大陸水循環(huán)系統(tǒng) 演化是當(dāng)代全球變化研究中的重要內(nèi)容 ,目前國際地學(xué)研究還處于初始階段 、呈局部和分散狀態(tài)

2、 ,缺乏 對大陸范圍內(nèi)水循環(huán)整體和全過程的系統(tǒng)研究 。大陸水圈自地球形成之日起就與地球的演化進(jìn) 行著同步的運(yùn)動 ,而且形成了自身的循環(huán)運(yùn)動系統(tǒng) 。按其自身演化規(guī)律 、空間位置和運(yùn)動特點等 ,大陸水 循環(huán)系統(tǒng)可劃分為水文循環(huán)系統(tǒng)和地質(zhì)循環(huán)系統(tǒng) 。通過研究大陸水循環(huán)系統(tǒng)演化規(guī)律 ,對于科學(xué)認(rèn)識 和合理利用水資源具有重要意義 。水和地殼淺部地下水之間水量轉(zhuǎn)化過程 。水圈中水體通過蒸發(fā) 、水汽輸送 、降水 、地表徑流 、下滲和地下 徑流等水文過程 ,緊密聯(lián)系 ,互相轉(zhuǎn)化 ,處于不斷運(yùn)動狀態(tài) ,形成一個全球性的動態(tài)系統(tǒng) ,稱其為水文循 環(huán)系統(tǒng) 。水文循環(huán)系統(tǒng)不僅緊密聯(lián)系著地球水圈的各個子系統(tǒng) ,而且是聯(lián)

3、系水圈與大氣圈 、生物圈和巖 石圈的紐帶 ,并形成許多彼此耦合的子系統(tǒng) ( 圖 1 ;劉國緯 ,1997) 。這些子系統(tǒng)的總和構(gòu)成全球水循環(huán) 系統(tǒng) 。水文循環(huán)系統(tǒng)概括起來 ,有如下特點 : 賦存 于地表層的地表水與地下水 (幾百米深度以上) 形成于第四紀(jì)時期 ; 與大氣圈 、土壤圈 、生物圈關(guān)系極 為密切 ; 運(yùn)動形式以水平方向為主 ,垂直方向為輔 ; 是地表生態(tài) 、環(huán)境演化的重要因素 ; 是 地1水文循環(huán)系統(tǒng)組成及其特點水文循環(huán)是指發(fā)生于大氣環(huán)流水和降水 、地表圖 1 水文循環(huán)系統(tǒng)示意圖1072水分通量/ n 103 km3/ a ; ( 119) 2水量/ n 10 3 km3( 據(jù)劉國緯

4、 ,1997)本文由國土資源部重點基礎(chǔ)研究項目 ( 編號 :200010301) 資助 。責(zé)任編輯 :宮月萱 。第一作者 :張宗祜 ,1923 年生 ,中國科學(xué)院 、中國工程院院士 ,從事水文地質(zhì) 、工程地質(zhì)和第四紀(jì)地質(zhì)研究 ,郵編 :050803 。表表生帶層圈間物質(zhì)和能量傳輸?shù)募~帶 ; 受控于表層地質(zhì) 、地形的結(jié)構(gòu) , 其動態(tài)變化與氣候密切相 關(guān) ; 與海洋環(huán)境關(guān)系密切 ,在海岸帶與海水有交 替作用 。從全球水循環(huán)角度來看 ,每年有 43 . 4 104 km3海洋水通過蒸發(fā)作用進(jìn)入大氣中 ,其中 91 . 7 %在海 洋上空形成降水 ,降回海洋中 ; 8 . 3 %隨著氣流攜帶 進(jìn)入各洲

5、大陸上空 ,形成由海洋上空向大陸上空的 降水的組成部分 。進(jìn)入陸地的水汽形成降水 ,其中66 %通過水面蒸發(fā) 、陸地蒸發(fā)和植物蒸騰作用返回大氣中 ,34 %以地面徑流和地下徑流形式匯入海洋 。對于大陸區(qū)域地下水循環(huán)來講 ,以華北為例 (圖2 ;張宗祜等 , 2000) 。從上游補(bǔ)給區(qū)至渤海灣排泄 區(qū) ,經(jīng)歷了山前側(cè)向補(bǔ)給和垂直入滲補(bǔ)給的水文過程 ,然后進(jìn)入向下游和深層地下水系統(tǒng)徑流和排泄的水文過程 。在海陸交互帶 ,一部分地下水通過泉 水方式排入海洋 ,還有一部分流入渤海灣海底地下 水含水系統(tǒng)中 。圖 2 華北平原地下水循環(huán)系統(tǒng)框架圖( 據(jù)張宗祜等 ,2000)生物圈無直接關(guān)系 ; 直接與巖石

6、圈相互作用 ,與大氣水無直接補(bǔ)給關(guān)系 ; 運(yùn)動方式受控于深部地 質(zhì)構(gòu)造特征 ,與地表地形 、地表地質(zhì)無直接關(guān)系 ; 形成于第四紀(jì)以前不同地質(zhì)時期的原生水 、古沉積水 ; 循環(huán)運(yùn)動方式復(fù)雜 ,以緩慢的垂直分異 、遷移 和圍巖作用為主 。地質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)特點地質(zhì)循環(huán)中 ,水參予與沉積 、變質(zhì)和巖漿的作用 過程 ,地殼淺部的水與地殼深部乃至地幔的水發(fā)生 交換 ,循環(huán)路徑長 ,循環(huán)速度緩慢 ( 圖 3 ;bai waming et al . ,1992) ,此類水循環(huán)是在地質(zhì)歷史進(jìn)程中進(jìn)行的 。其特點 : 賦存于地下深部 ,與氣圈 、土壤圈 、2圖 3 地幔不同深度絕對水平速度矢量分布圖( 據(jù) bai w

7、uming et al . ,1992)第 4 期張宗祜等 :大陸水循環(huán)系統(tǒng)演化及其環(huán)境意義291大陸水循環(huán)系統(tǒng)與人類生存關(guān)系大陸水循環(huán)系統(tǒng)與人類生存環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā) 展緊密相關(guān) 。人類賴以生存的淡水資源主要來自水 文循環(huán)系統(tǒng) 。水文循環(huán)系統(tǒng)無論對地表水資源 ,還 是對地下水資源 ,均具有補(bǔ)給和更新作用 ,使得地表 水資源和地下水資源既具有流動性 ,又具有可恢復(fù) 性和可持續(xù)利用性 。水文循環(huán)的補(bǔ)給 、循環(huán)進(jìn)程時 間短 ,水資源的更新程度則高 。人類活動對水文循環(huán)系統(tǒng)演化的進(jìn)程在小時間 尺度上具有明顯的影響作用 ,例如山前攔蓄 、引用地表水和平原大規(guī)模超采地下水 ,引起了陸地水資源數(shù)量 、質(zhì)量和

8、時空分布的急劇變化 ,甚至在一些平原 地區(qū)導(dǎo)致人類自身生存環(huán)境的劣變 ,如生態(tài)環(huán)境退化 、常年河流干涸或變成季節(jié)性河流 、地面沉降 、海水入侵和水環(huán)境嚴(yán)重污染等 。因此 ,大陸水圈的水 文循環(huán)系統(tǒng)已成為最重要的環(huán)境要素 。交換的研究方面都具有了一定的基礎(chǔ) ,先后利用流域水文模型研究了氣候變化對地表水 、地下水及土 壤水變化的敏感性 ,進(jìn)行了陸2氣間水量 、熱量交換與年水資源量關(guān)系的研究以及流域水文模型參數(shù)的地區(qū)規(guī)律等研究工作 , 20 世紀(jì) 90 年代開展了大氣 環(huán)流的 gcm 研究 ,取得了一批研究成果 ?！熬盼濉逼陂g ,地質(zhì)礦產(chǎn)部先后開展了“區(qū)域地下 水演化過程及其與相鄰層圈的相互作用”、

9、“青藏高原形成演化 、環(huán)境變遷與生態(tài)系統(tǒng)的研究”等 ,對區(qū) 域地下水和青藏高原環(huán)境地質(zhì)做了進(jìn)一步研究 。512 國際研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1965 年 , 聯(lián) 合 國 教 科 文 組 織 ( u n esco ) 成 立 “國際水文十年”以來 ,世界各國對全球水循環(huán)及大 陸尺度水文過程進(jìn)行了大量的研究 ,至今仍為一個 熱點問 題 。1974 年 以 來 , u n esco 已 經(jīng) 執(zhí) 行 國 際 水文計劃 ( ihp) 項目 。1990 年始國際地圈生物圈計 劃 ( i gb p) 、世界氣候計劃 ( wcr p) 、全球能量和水 循環(huán)實驗 ( gew ex) 研究陸續(xù)開展 。這些大型的科 學(xué)計

10、劃 ,越來越注重人類活動對水循環(huán)的影響和水 資源系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的相互作用 ,為解決全球水資 源的合理利用提供了科學(xué)依據(jù) ,同時 ,對于客觀評價 地下水資源形成及利用具有重要的作用 。目前 ,國際組織 ( 如國際科學(xué)聯(lián)合會理事會 ,即 icsu 等) 正在深入地開展“水循環(huán)的生物圈方面計 劃 ( ba hc ) ”、“ 海 岸 帶 陸2海 相 互 作 用 計 劃 ( l o icz ) ”、“全 球 變 化 與 陸 地 生 態(tài) 系 統(tǒng) 計 劃( gc t e) ”和“過 去 的 全 球 變 化 計 劃 ( pa ges) ”等i gb p (國際地圈生物圈計劃) 中 7 個核心計劃和 2個技術(shù)支

11、撐計劃 。除了 i gb p 計劃外 ,還有“世界氣 候研究計劃 ( wcr p) ”和“全球環(huán)境變化中人類因素計劃 ( hd p 或 hd gecp) ”,這些計劃也由若干個核 心計劃組成 。上述國際研究計劃的主要科學(xué)目標(biāo) 是 : 描述和了解控制整個地球系統(tǒng)關(guān)鍵的 、相互作用的物理 、化學(xué)和生物過程 ; 描述和了解支持生命的獨特環(huán)境 ; 描述和了解發(fā)生在地球系統(tǒng)中 的變化以及人類活動對它們的影響方式 ; 增強(qiáng)對 未來幾十年至百年時間尺度上重大全球變化的預(yù)測 能力 。世界各國科學(xué)界都在結(jié)合本國實際 ,積極參34 水循環(huán)系統(tǒng)主要研究內(nèi)容411水文循環(huán)系統(tǒng)水文循環(huán)系統(tǒng)演化研究主要內(nèi)容應(yīng)包括 : 水

12、 文循環(huán)過程及其演化對各圈層物質(zhì)能量傳輸?shù)挠?響 ,以及人類生存環(huán)境對其影響的響應(yīng) ; 水文循 環(huán)的動力學(xué)機(jī)制 ,即大陸水文循環(huán)對地質(zhì)環(huán)境演化 , 生態(tài)系統(tǒng)演變 ,自然災(zāi)害的形成 、發(fā)展等 ; 大陸水 文循環(huán)信息的提取 ( 重點同位素技術(shù)) 、與全球變化 的對比研究 ; c 、o 、s 等元素在圈層間循環(huán)過程對 水文地球化學(xué)環(huán)境的影響及其與水循環(huán)的關(guān)系 ; 海岸帶陸地水畔 ( 地表水 、地下水) 與海洋的相互作 用 ; 人類活動 (重大工程 、水利用 、水污染) 對水文 循環(huán)系統(tǒng)的影響及其基本變化趨勢 ; 中國大陸水 循環(huán)時空“尺度效應(yīng)”、區(qū)域差異與淡水資源開發(fā)模 式研究等 。412地質(zhì)循環(huán)系

13、統(tǒng)地質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)演化研究的主要內(nèi)容有 : 水2 巖作用 、水熱作用過程及機(jī)理 ,以及在高溫 、高壓下 的物理化學(xué)特性 、運(yùn)動形式的變化 ; 古沉積水的 深部水文地球化學(xué)作用及對油氣成生 、聚集作用 ; 深部地下水作為各種元素的遷移 、富集的載體的運(yùn) 行機(jī)制與其成礦作用過程 ; 深部地下水的起源 、 形成 、演化與分異作用 ; 深部地下水的動力學(xué)特 征及與地震活動的關(guān)系等 。與 i gb p 、wcr p 和 hd p 國際計劃研究 。加拿大 、英國 、澳大利亞 、日本 、德國等科學(xué)家正在參加全球能量與水循環(huán)實驗 ( gew ex) , 即在密西西比河流 域的國際大型科學(xué)技術(shù)項目 。中國開展了淮河

14、流域能量與水循環(huán)實驗研究國際合作項目 ?，F(xiàn)在 ,許多國家已經(jīng)認(rèn)識到大陸水文循環(huán)過程 研究是加深認(rèn)識水資源形成和演化過程的一個重要方面 。世界發(fā)達(dá)國家普遍重視區(qū)域水循環(huán)規(guī)律研 究 ,注重利用自然規(guī)律來實現(xiàn)地表水與地下水優(yōu)化5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢511國內(nèi)研究現(xiàn)狀建國以來 ,我國在水循環(huán)及陸2氣間水量 、熱量調(diào)控 ,來提高水資源利用的合理性和可持續(xù)性 。近年來國際水科學(xué)發(fā)展趨勢可概括為 : 重視 區(qū)域水資源2生態(tài)環(huán)境2人類活動之間的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展理念下的系統(tǒng)研究 ,由 60 年代小單元水文動態(tài)規(guī)律研究 ,逐漸向區(qū)域水循環(huán)演化綜合研究轉(zhuǎn)移 ; 重視人類活動對水循環(huán)與水資源演化作用的研究 ,強(qiáng)調(diào)

15、重視生態(tài)環(huán)境與水資源利用之間協(xié)調(diào)關(guān)系的必 要性 ; 重視高新技術(shù)應(yīng)用與數(shù)字化 、虛擬模擬技術(shù)在水問題研究中的廣泛應(yīng)用 。在學(xué)術(shù)方面 ,其特點和趨勢為 : 加強(qiáng)水循環(huán)系 統(tǒng)整體性 、區(qū)域特征和規(guī)律研究 ; 注重研究水循環(huán)系統(tǒng)中各圈層或各組成部分及其界面間的相互作用 ; 認(rèn)識到氣候變化或波動有自然原因 ,也有人類 因素 ,氣候變化制約水循環(huán)系統(tǒng)的演化 ,水循環(huán)系統(tǒng)演化又影響氣候的變化 ; 認(rèn)識到地球化學(xué)循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán) ,與大陸水循環(huán)系統(tǒng)演化密切相 關(guān) ; 重視應(yīng)用現(xiàn)代觀測手段和開發(fā)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng) ,強(qiáng)調(diào)理論模式和數(shù)值模擬研究 ; 強(qiáng)調(diào)應(yīng)用空間尺 度和時間尺度的觀點來分析全球 、大陸區(qū)域和流域

16、區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)變化 ,從而客觀地分析發(fā)生在不同 時空尺度上的變化 ,及其之間的因果聯(lián)系與制約作用及各自的特點和成因 。鍵 。這需要了解 :中國大陸水循環(huán)系統(tǒng)活動規(guī)律 、環(huán)境效應(yīng)及水資源潛力 ,以及人類活動對其的影響作 用 ;在人類活動影響下中國大陸水循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)歷和正在發(fā)生著什么樣的重大變化 。只有對上述問題有了充分的了解 ,才有可能做到對水資源科學(xué)地利用 ,發(fā)揮最大資源效益為我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù) 。 中國大陸水循環(huán)系統(tǒng)演化是一個復(fù)雜的前沿性課題 ,它與大氣圈 、巖石圈和生物圈及全球變化關(guān)系密切 ,是一個重大的基礎(chǔ)性科學(xué)研究問題 ,包括人類 活動對地球表部環(huán)境的作用 。大陸水循環(huán)系統(tǒng)演化對于中國

17、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生重要的影響 。 對大陸水循環(huán)研究 ,一方面 ,要科學(xué)地認(rèn)識中國大陸水循環(huán)系統(tǒng)演化的過去和現(xiàn)狀 ,預(yù)測其發(fā)展趨 勢 ,因其關(guān)系到國家的水資源及其環(huán)境的承載能力 ,是科學(xué)評價中國水資源潛力的基礎(chǔ) ;另一方面 ,該項研究的實施必將促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)的相 互滲透和聯(lián)合 ,推動地球水科學(xué)的發(fā)展 。在中國大陸水循環(huán)演化研究中 ,值得關(guān)注的問 題 : 不同氣候期青藏高原對中國大陸水循環(huán)的影響 ; 西北內(nèi)陸盆地流域水循環(huán)系統(tǒng)活動特征和機(jī) 制 ,以及對大陸水循環(huán)系統(tǒng)演化 、資源和環(huán)境變化的作用 ; 黃河 、長江流域中部地區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)演化過 程中質(zhì)變或災(zāi)變 ( 旱澇災(zāi)害) 事件與氣候

18、、人類活動相互作用關(guān)系和機(jī)制 ; 東部海陸交互帶的陸地與 海洋之間物質(zhì)傳輸 、轉(zhuǎn)化規(guī)律及其變異的環(huán)境效應(yīng) ;中國大陸尺度水循環(huán)系統(tǒng)演化動力學(xué)研究及趨勢 預(yù)測 。關(guān)于中國大陸水循環(huán)演化研究的一點認(rèn)識中國水資源不僅嚴(yán)重短缺 ,而且水環(huán)境污染嚴(yán) 重 ,水的使用浪費(fèi)問題亦突出 ,旱澇災(zāi)害頻繁 ,供需 矛盾日愈尖銳 。造成中國水問題的根源 ,除了 40 多 年來氣候趨于干旱 、人口劇增 、經(jīng)濟(jì)和城市規(guī)模發(fā)展 迅速等原因之外 ,關(guān)鍵是人們對中國大陸水循環(huán)系 統(tǒng)活動規(guī)律及其資源 、環(huán)境效應(yīng)認(rèn)識的不足 。認(rèn)識人類活動影響下區(qū)域性水資源數(shù)量 、質(zhì)量 和分布變化的特點和機(jī)制是解決中國水問題的關(guān)6參 考 文 獻(xiàn)劉國

19、緯. 1973 . 水文循環(huán)的大氣過程. 北京 :科學(xué)出版社.張宗祜等. 2000 . 華北平原地下水環(huán)境演化. 北京 :地質(zhì)出版社.bai wuming et al . . 1992 . on t he o rigin of deviatio n st ress in t he lit ho2sp here . jo ur . geop hys. res. , ( 97) : 2 7872 838 .tho mas c. winter . et al . . 1998 . gro und water and surface water a single reso urce r. denver ,colo rado ,275 .the evol ut ion of cont inentalwater cycl ic system an d itsenviron mental sign if icancezhang zo nghuzhang guanghui( i nst i t ute