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1、4-水圈子系统,1,4 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,2,4.1 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
2、、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,5,4.1.2 水圈的组成及其特征,地球是富水的，其总水量为13.86108km3，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
3、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=4.1868 J ）,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：微溶气体；主要离子；微量元素；胶体；固体悬浮物和生物体等。,4-水圈子系统,11,4
4、.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：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；是地球环境系统中营养循环的传送带；为人类社会生存和发展提供了水资源；是地表环境自净过程的主要机制；是自然环境过程主要组成部分；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,14,4.1.4 流域及其
5、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。,4-水圈子系统,17,4.2 陆地水系统与湿地,4.2.1 河流 河流是指陆地表面
6、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 （1 ppm=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
7、,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,22,4.2.2 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、-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,26,4.2.3 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
9、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,29,4.2.4 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
10、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10mg CaO/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。
11、,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,34,4.3 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,35,4.3.1 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,36,4.3.2 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
12、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M J. 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,39,4.3.3 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
13、，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4-15 1997-1998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,42,4.3.4 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
14、活环境分区示意图,4-水圈子系统,44,4.4 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1014C，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(The START regions)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
15、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,46,4.4.2 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,47,18601990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24。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,48
16、,4.4.3 极地冰芯研究概况 自国际地球物理年(IGY 19571958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,49,4.4.4 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,51,4.5 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
