4-水圈子系统14水圈子系统——目录4.1水圈的物质组成及其演化4.2陆地水系统与湿地4.3海洋4.4冰川与冻土系统——冰冻圈4.5人类活动对水圈的影响4.6思考题与个案分析4-水圈子系统24.1水圈的物质组成及其演化4.1.1水圈概念水圈是指地球上除了存在于各种矿物中的化合水、结合水以及被深层岩石所封存的液态水以外,由海洋、河流、湖泊、沼泽、地下水、冰川和大气水分等共同构成的一个环绕地球表层的不连续的圈层,其中海洋是水圈的主体。4-水圈子系统3河流和大气水是水圈中水分交换最活跃、更新最快的水体。从整体上看水圈具有以下特点:在地球环境系统中水以液、固、气三态存在水是一种可重新利用、可更新的自然资源对流层中天气现象与水迁移转化密不可分水是生物生存的基本原料4-水圈子系统4水是再生的和不可替代的自然资源水是地球环境中物质迁移转化的重要媒介物水分及其运动,一能调节气候,二能净化环境地表水热的不同组合孕育了多样的生存环境4-水圈子系统54.1.2水圈的组成及其特征地球是富水的,其总水量为13.86×108km3,其中陆地水、大气水和生物水仅占3.50%左右。水可在太阳能和地球引力作用下形成地表水分循环系统,按水分在循环系统中的部位可分为以下类型,如下表所示。4-水圈子系统6地球表层水分类型及其质量构成4-水圈子系统7图4-1地球环境系统中水分相态变化及其热量转化示意图(1卡=4.1868J)4-水圈子系统8图4-2水的三态分子结构示意图(据M.J.Pidwirny,2002年资料)4-水圈子系统9天然水并不是纯水,而是含有许多溶解性物质和非溶解性物质,所以天然水属于物质组成极其复杂的综合体。根据水中溶质粒径大小可分为:溶质粒径107cm,则该混合体为真溶液107cm≤溶质粒径105cm,则该混合体为胶体溶质粒径≥105cm,则该混合体为悬浮液4-水圈子系统10水中物质可归纳为:①微溶气体;②主要离子;③微量元素;④胶体;⑤固体悬浮物和生物体等。4-水圈子系统114.1.3水分循环水圈并不是处于静止状态,其中海洋、大气水、陆地水都在时刻不停地运动、进行相变和大规模的交换,这种过程称为水分循环。地球环境系统中水分循环的主要原动力是太阳辐射能、地心引力。4-水圈子系统12图4-3地球环境系统中水分循环过程示意图4-水圈子系统13从环境地学角度来看,地表水分循环的重要意义有:①缓解了地表湿度、温度的时空梯度,为生物创造了适宜的生存环境;②是地球环境系统中营养循环的传送带;③为人类社会生存和发展提供了水资源;④是地表环境自净过程的主要机制;⑤是自然环境过程主要组成部分;⑥许多矿产资源的形成也有赖于长期的水分循环。4-水圈子系统144.1.4流域及其水量平衡流域是指河流或湖泊的集水区域,包括地面集水区和地下集水区。流域的边界称为分水线或分水岭,有地面分水线和地下分水线之分。4-水圈子系统15图4-4流域概念模型示意图(据E.D.Enger,2006年资料)4-水圈子系统16水量平衡是质量守恒定律在水文学上的具体应用,即任一地区或者流域在给定时段内,收入的水量与支出的水量之间的差额为该地区的储水变化量,以水量平衡方程表示:式中:I为总收入水量;D为总支出水量;Q1和Q2分别为平衡区内研究时段始、末的蓄水量,Q为平衡区内蓄水量变化量。QQQDI)(214-水圈子系统174.2陆地水系统与湿地4.2.1河流河流是指陆地表面经常或间歇有水流动的天然水道,是汇集和输送水量及水中的泥沙、盐类、有机物质进入海洋、湖泊的主要通道。因此,河流是地球环境中物质迁移转化的重要途径。4-水圈子系统18河流水情是表达河流水文及其动态变化状况的主要指标,包括水位、流速、流量、洪水和枯水等。河流水情也是决定区域水资源与水环境特征的重要因素。4-水圈子系统19图4-5河流对河水中耗氧有机污染物的自净过程示意图(1ppm=10-6)(据E.D.Enger,2006年资料)4-水圈子系统20图4-6流域内城市化和防洪设施建设对洪水径流过程影响示意图(据H.Chamley,2003年资料)4-水圈子系统21河流是所在流域内自然环境长期发展演化的产物,也是反映流域环境特征的一面镜子。河水是以不同形态和经过不同转化途径的降水为补给来源的,只有进入河床的水量足以保持经常流动,即在足以补偿因蒸发、渗漏、引水等所造成的损耗时,才能形成河流。4-水圈子系统224.2.2产流与面源扩散产流过程是指流域中各种径流成分的形成过程,也是流域下垫面对降水的再分配过程,是流域发生降水后,水在具有不同的阻水、吸水、持水和输水特性的下垫面土层中垂直运动时,供水与下渗相互作用的产物。4-水圈子系统23图4-7地表产流过程示意图(据E.D.Enger,2006年资料)4-水圈子系统24图4-8饱和地面产流过程示意图4-水圈子系统25在大城市和农业生产区因雨水、灌溉水的冲刷与渗透,将地表的各种氮、磷、碳、钾等营养物和肥料、农药以及生物代谢物汇集到地势最低的河道或湖泊中,或者将可溶性污染物通过渗透输送到地下水之中,造成区域水环境的污染。掌握地表降水、渗透与产流的机理对于从源头控制污染物的扩散具有重要的意义。4-水圈子系统264.2.3湖泊与沼泽湖泊是陆地表面具有一定规模的天然洼地的蓄水体系,是湖盆、湖水及水中物质组成的自然综合体。湖泊也是地表交替周期较长、流动缓慢的滞流水体,因受周期陆地环境和社会经济系统的制约,湖泊与河流和海洋相比,湖泊的动力学过程、生物化学过程均具有明显的个性和地区性的特点。4-水圈子系统27图4-9自然条件下湖泊演化的一般模式(据E.D.Enger,2006年资料)4-水圈子系统28沼泽是地表有多年薄层积水或土壤层水分过饱和、生长着喜湿和喜水植物的地段,沼泽具有以下三个特征:地表经常有薄层积水或土壤层处于水分饱和状态;其上生长湿生植物或沼生植物;地面表层或有泥炭层或无泥炭层,但地表下层均有灰蓝色的潜育层。4-水圈子系统294.2.4地下水地下水是存在于地表以下岩层、土壤层空隙中的各种不同形式水的统称。地下水主要来源于大气降水的地表水的入渗补给;同时它又以地下渗流的方式补给河流、湖泊和沼泽,或直接注入海洋;上部土壤层中的水分则通过地表蒸发和植物蒸腾再散发到大气之中。4-水圈子系统30图4-10地下水垂向结构基本模式示意图4-水圈子系统31地下水硬度的增高:一般把含有一定数量的Ca、Mg、Al和Mn的碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐及硝酸盐杂质的水称为硬水。而水的硬度是指水中除K、Na之外,溶解的全部金属阳离子浓度的总和。常用德国度表示,即一个德国度相当于10mgCaO/L。4-水圈子系统32除了少数气体进入地下水中,大部分污染物都是随着补给地下水的水流而一起进入地下水中的。因此,地下水的污染途径与地下水的补给来源、区域土地利用、产业结构和基础设施质量等有着密切的联系。4-水圈子系统33图4-11区域地下水受污染途径示意图(据E.D.Enger,2006年资料)4-水圈子系统344.3海洋地球表面连续的广阔水体称为世界洋。世界洋有太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。世界四大洋面积和平均深度4-水圈子系统354.3.1海水的组成和理化性质海水是含有多种可溶性盐分、气体和少量悬浮物的混合物,其中水约占96.5%,其他物质仅占3.5%。因此化学元素氢和氧是海水中最主要的化学元素,据分析在海水中已经发现有约80种化学元素,但它们之间的含量差别很大。4-水圈子系统364.3.2海水的运动广阔无垠的海洋处于不断运动之中。引起海水运动的原因主要有:天体引力、太阳辐射、大气压力梯度等;海水运动形式主要有:规模宏大的洋流系统、周期性涨落和水平运动的潮汐系统、澎湃激荡的波浪系统、永无休止的混合系统。4-水圈子系统37图4-12全球大洋洋流模式示意图(红色为暖流,蓝色为冷流)(据MJ.Pidwirny,2002年资料)4-水圈子系统38图4-13潮汐要素示意图4-水圈子系统394.3.3厄尔尼诺现象在南美的秘鲁和厄瓜多尔濒临东太平洋的数千千米海域,在圣诞节前后发生的一种上层海水异常回暖的现象,当地人们称之为厄尔尼诺流。近代科学观测表明,厄尔尼诺不仅是局部的海洋异常,其影响也不限于热带太平洋的东部,而是波及全球,造成世界性的天气异常。4-水圈子系统40图4-14厄尔尼诺现象特征比较图(a为正常状态;b为厄尔尼诺现象潮汐时的状态)(据据E.D.Enger,2006年资料)4-水圈子系统41图4-151997-1998年厄尔尼诺事件对全球气候和环境的影响图(据E.Chamley,2003年资料)4-水圈子系统424.3.4海洋生物生活环境分区海洋是生命的发源地,地球上生命已经具有长达30多亿年的发展史,其中85%以上的时间是完全在海洋中度过的。根据海洋生物生活环境条件的不同,可将海洋划分为洋底区和海水区。4-水圈子系统43图4-16海洋生物生活环境分区示意图4-水圈子系统444.4冰川与冻土系统——冰冻圈4.4.1冰冻圈的概念冰冻圈或低温环境是指最暖月月平均气温低于10~14C,且地表有以固态水、多年冻土或苔原植被所组成的区域。它主要包括高纬度地区和高海拔地区,其中高纬度地区的范围大致同全球变化区域研究网络分区(TheSTARTregions)中的北极地区(ART)和南极地区(ANT)吻合。4-水圈子系统45冰冻圈灵敏地反映出全球气候的变化,人类文明的孕育就正好是在第四纪冰期,故冰冻圈研究由于其独特性状和重要的科学价值,在国际上是一门非常活跃的科学。冰冻圈中大气-水-冰雪-生物-土壤-岩石间都有特殊的相互作用与影响过程,这些过程是气候作用的产物,也必将对气候变化具有非常敏感的响应。4-水圈子系统464.4.2冰冻圈在全球变化研究中的作用自20世纪70年代,国际科学联合会(ICSU)和世界气象组织(WMO)开始联合设计并实施了世界气候研究计划(WCRP);与此同时美、前苏联、法、英、澳等国联合进行了“国际南极冰川计划”。4-水圈子系统471860—1990年全球范围出现了一个缓慢增温的过程,全球平均温度升高了0.5℃,增温最显著的地区是高纬度地区,即冻土温度已经升高了2~4℃。如此显著的增温已对冰冻圈产生了深刻的影响,于是便形成了一个国际性冰冻圈监测、诊断和模拟的研究高潮。4-水圈子系统484.4.3极地冰芯研究概况自国际地球物理年(IGY1957—1958年)以来,南北极冰盖和高山冰川冰芯研究方兴未艾,其研究主要集中于以下两个方面:冰芯中稳定同位素与冰原古温度重建基于极地冰芯研究人类活动对全球环境的影响4-水圈子系统494.4.4冰冻圈陆地生态系统研究概况低温陆地生态系统是地球表层极为脆弱的生态系统之一,其在区域环境变化和全球变化研究中的重要作用早已被人们所认识。按地球表层系统中生物地球化学过程之差异,将低温(陆地)环境划分为北极亚北极低温环境、南极亚南极低温环境和高海拔低温环境三个类型。4-水圈子系统50北极,南极和高海拔低温环境特征比较分析4-水圈子系统514.5人类活动对水圈的影响水是生命之源,自距今1万年的全新世以来,人类社会一直臣服在淡水资源的涌动之下不断发展。在地球环境系统中存在着各种形态的水,这是自然赐予生物圈的生命线和宝贵财富。4-水圈子系统52随着人类社会的发展和科技能力的提高,人类对天然水资源的干扰作用不断增强,当这种干扰达到一定程度时,人水之间的矛盾开始出现转化,从而在人与水关系的矛盾中,人成为矛盾的主要方面,致使区域经济社会发展的用水需求与水圈的水资源供给矛盾日益突出,许多国家出现了不同程度的水资源短缺。4-水圈子系统53地球陆面上的淡水虽是可更新资源,但通过全球水文循环每年更新的水量则有一定限度。受不同气候类型及地貌条件的影响,年降水量的时空分布极不均匀,在不同地区产生的淡水资源年补给量差异也很大。从20世纪后期以来人类对水资源水文过程的影响日益严重。4-水圈子系统54人类对地表水循环的大气条件影响对地表水量进行人为再分配对水体的人