化学]04第四章水循环

《化学]04第四章水循环》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学]04第四章水循环（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、,第四章 水环境,4.1水循环 4.2水污染 4.3水资源管理,4.1 水循环 4.1.1 历史的回顾 4.1.2 水循环 4.1.3 地球的贮水库,4.1 水循环 地球上的大量物质中，水对生命来说是最重要的一种。水占人体重量的65，水在许多维持生命的过程中起介质作用。水对整个社会的作用是决定性的，不亚于它对人体健康的作用。在运输、发电，粮食生产与加工，制造业和废物的处理中，水的功能是最基本的。如果没有水，这些活动就简直不能进行。,虽然水生生态系统能在有足够时间的条件下，去除其中的一些废物，但是很多物质，例如某些农药一旦进入水生环境就很难被分解。这些污染物存留在水中，不仅关系到人类本身，而且关

2、系到许多依赖清洁水生环境生存的生物。,另外，在未污染的水生腐殖食物中，某些特殊微生物为人们提供了一个不花钱的水净化“设备”。但是在污染的环境中，上述的微生物和其它很多水生生物被消灭了，结果形成了污染，并增加了一些人们不需要的耐污染的水生生物。对于水，我们关心的焦点不仅在于水的质量，而且在于随着人口继续增长，供水能力可能会减小。我们可以从短期干早时所受的苦难，来推想长期缺水所带来的影响。,4.1.1 历史的回顾 浏览一下世界地图可以看出，大部分人类都定居在与河流、湖泊或海洋邻近的地区。这不是一种巧合，它说明人类的文明完全依赖于充足的供水。 通过历史研究，揭示了水在人类文明发展和现代社会进化中的作

3、用。,随着农业的发展，人们发现了灌溉的优越性。在灌溉的土地上生产出多余的粮食，最终促成部落之间的贸易。这些商业上的最初贸易是早期文明的起源。随着文明的发展，产生了城市。 公共供水的概念变得越来越复杂。公共用水最初取自邻近的河流或浅井,后来政府提供经费建设输水道系统，把遥远的水源输送到发展中的城市。 随着文明的发展，水上运输比陆地运输价格低廉。船运货物比骆驼或马队有较大的载量。由于欧洲许多河流是可以通航的，所以欧洲的文明大大超过了地中海地区。 水力的利用标志着工业革命的开始。随后多种用途的蒸汽发动机的发明，彻底地革新了制造业和运输业。,虽然，今天仅有几台蒸汽发动机仍在运转，但是，这种非凡的发动机

4、的接替者汽轮机已在世界范围内多数的电厂中使用。随着电的出现，电厂需要大量的冷却水。甚至当动力转变到以核能和矿物燃料为来源时，水的作用也不会减少。从原始时期至今，水一直是推动人类文明的动力。 在产业革命时期，随着技术的重大进步，在许多新的制造工业中部需要水。,事实上，我们对水的依赖性，近百年中不断地在增加。 4.1.2 水 循 环 数百年来，地球上水的总量实际上是恒定的。每年有很少量的水蒸气从大气层的上部损失掉。但是，这个损失能够通过火山爆发喷出的水蒸汽来补偿。地球上的水以固、液、汽三种状态出现，并且全部分布在海洋、大气和陆地贮库中；表6.1表明地球上水的分布。,表4-1 水在地球上的分布,海洋

5、是最大的贮库，其余大量的水以冰川的形式被固定在南北极和高山的冰川。相对来说，湖泊、河流、地下水，生物和大气中所含的水量是很少的。而我们使用的水是取自其中的很小部分。幸运的是但我们依赖的水资源得到连续不断地更新。 水不停地在这些贮库中转移。这种水的运动方式称为水循环(hydrologic cycle)。如图所示。基本途径简述如下，水从海洋和陆地蒸发上升形成云。雨和雪从云中降落到地面供给河流，河流流入海洋。,空气- 水的相互作用 太阳能维持水循环，使大气层中的水和所有其它水的贮库保持联系。来自太阳的能量通过两个过程：蒸发和升华(evaporation and sublimation)使水从海洋和陆

6、地向大气层运动。在蒸发过程牛，水在低于沸点温度时从液体变成气体。在升华过程中，水不经过液态直接从固体变成气体。当水蒸发或升华时，水从低能级到高能级，因此需要输入能量。这种输入能量是从太阳得到的。,水通过冷凝作用 (Condensation)和沉积作用(deposition)从大气层返回陆地或海洋。在冷凝过程中，水(以微滴的形式)从蒸气变成液体，在沉积过程中，水从蒸气直接变成固体(冰晶)。在这两个过程中，水从高能级到低能级、释放出能量，以雨、雪、小冰球和冰雹形式的降水过程(Processes）是大气中的水从云返回到地球表面的主要途径。 水循环包括水从一个贮库到另一个贮厍连续不断地转移。,这个循环

7、必不可少的作用是水能从气态变成液态、再变成固态。换句话说，由于水汽化(蒸发或升华，水从陆地和海洋向大气层移动，并且由于水冷凝，水从大气层以雨和雪的形式又回到陆地和海洋。这种蒸发、冷凝作用的过程称为蒸馏作用(distillation)。它是自然界水的净化过程。在蒸馏过程中，冷凝的水比它未蒸馏以前纯净，水中悬浮物和溶解的物质（包括海盐)被留下来。通过这种净化机制，水从海洋蒸发出，最后以淡水落到陆地上，补充了陆地上的贮库。,蒸馏作用同样也能净化由于人类活动引起污染的水。 地球和大气之向水的交换依赖于水改变形态的能力和空气含水的能力。从蒸发的概念来说，蒸发是在大气和水体之间的交界面上发生的水分子的连续

8、不断地交换，一些分子离开水表面，以气态形式进入大气，而另一些水分子离开大气，以液态形式返回水的表面。如果进入大气层的水分子比回到水体的水分子多，蒸发作用就产生了,降雨量和地形 由于各种形式的空气流和各种地形之间相互作用的结果，使一些地区降雨量增多，另一些地区降雨量减少：例如，和主导风向成垂直状的山脉实际形成天然屏障，导致降雨量在山的迎风面比背风面大。当空气刮向山脉的迎风面时，气温下降，相对湿度增加，产生降水。降水量是由地形特点引起的，就称为地形性降水量(logographic rainfall) 。可是在山的背风面，气流向下降并变暖，结果相对湿度降低；因此，山脉的两面形成了两个截然不同的气候区

9、。迎风面是潮湿多雨的，而背风面则是干燥的。,在夏威夷州维阿利里山两面情况对比是非常惊人的。山的一面年平均降水量是1170毫米，而山的另一面仅仅是46毫米。在这种情况下，地形性降水导致山脉的两边有明显不同的植物和动物群落，降水量的不同同样直接影响生活供水，庄稼的种类和在周围地区建造居住房屋的类型。 水均衡预测 当水从大气以降水的形式向陆地和海洋输送时，水循环中的一个基本的次循环就已经完成。,关于水循环，通过比较水进出陆地贮库和进出海洋，我们就能了解得更多。水从各种不同的贮库输入和输出的平衡表称为水均衡预测(hydrologic budget)。 表4.2介绍了水均衡预测。从表中可以看出，每年陆地

10、表面的降水量超过蒸发量，而在海洋，蒸发量比降水量大。因此，似乎是陆地年年获得水，而海洋则是年年损失水。可是陆地不是越来越湿润，世界的海洋也不会干涸，其原因是陆地上得到多余的降水，渗入地下，从陆地返回到海洋。,了解这个事实，对认识水污染可能的分布是重要的，因为如果陆地贮库中的水被污染了，最终某些污染物流入海洋。 4.1.3 地球的贮水库 水在从陆地到海洋的循环过程中，在不同时期常常被贮存在地下河流、湖泊或冰川等不同的贮库中。所有这些贮库是淡水的水源。我们现在研究这些宝贵的贮水库的特点和功能，以便能认清开采造成的某些影响。,表4-2 水均衡预测,地下水 降水可通过种种途径达到地表。由于降水的剧烈程

11、度，地形和土壤的物理性质，降到地表的水一部分蒸发，剩余的渗入地下，渗入地下的过程称为渗透或者径流。 向下入渗的水一般地积蓄在地表上层土壤和地壳的岩石层中这个贮水层就称为透气层(zone of aeration)。透气层中有含有水滴和空气的毛细孔隙。多数陆地植物需要的水是由这个贮水带的上层部分土壤含水层(Belt of soil moisture)供给的，,这层的水分通过蒸发损失到大气中和被植物的根不断地吸收：植物吸收的水分最终也通过叶子的毛细孔蒸发损失到大气中；这个过程就称为蒸腾作用(transpiration)。 在重力的作用下剩余的水逐渐向下经过透气层积蓄在饱和带(zone of satu

12、ration)在饱和带中，毛细孔隙、岩石和土壤的缝隙完全被水充满这个和带形成地下水库(groundwater reservoir)；透气层和地下水库之间的分界面就称为水位(Water Table）为了提取地下水，井必须钻得相当深，穿透水位伸进饱和带。,水自流的井称为自流井(artesian wells）自流井比其它井有价值，因为不需要耗能就可抽到水。 地下水的自然流程是由渗透层流至河流和海洋等处。这种流动是非常缓慢的，通常是每年15米。因此，地下水可在流畅的，连续不断的路线中流动而不混合。 过量地开采地下水会引起井的干涸。同样严重的是当地下水受污染时，污染物会停留相当长的时间。,河流 不渗入地

13、下也不蒸发，停留在地球表面的水即地表水，成为径流。河溪是水从陆地到海洋的循环过程中所采用的主要途径，水进入河流主要靠陆地上的降雨和冰、雪融化的漫流运动，地下水的渗出、泉水和直接降水也构成河流的流量每一条河流及其支流所流经的固定地理区域称为流域或汇水区。,湖泊 湖泊的出现是由于地形的凹陷。填满这些凹陷的水来自径流或地下水。湖泊一般都有流进和流出的河流，但是也有一些湖泊仅仅有流出的河流。或者仅仅有流进的河流，还有的湖泊既没有流进的河流也投有流出的河流，完全靠地下水补给。,湖泊尤其是大湖是特别诱人的。因为它们提供许多水资源，并在某种条件下还能提供廉价的运输条件。今天在湖泊及其周围发展的各种娱乐活动比

14、以往任何时候都多，所以如何保护好湖泊及周寓的生态平衡，关健在于我们怎样严格地限制对湖泊的进一步开发。,冰川 冰川实际是冰河，它是水循环中径流部分进入海洋而采取的另一条途径。如今冰川构成厂最大的淡水库，但因为实际上它是难以得到的，所以这些资源还没有被利用。冰川覆盖着地球陆地表面的百分之十，其主要分布在南极洲，占全部冰川的百分之八十五，北极的格陵兰(占百分之十一)和一些高山峡谷中(占百分之四）。如果所有这些冰川融化，海洋的水位就会升高大约60米，世界上许多重要城市都将被淹没。,从地球的整个历史行，任何一个冰川的存在部有一个极不寻常的过程。就在过去的一、二百万年期间，冰川交替地扩展和退缩很多次。在九

15、百万年以前， 百分之三十以上的地球陆地表面被冰覆盖。在北美洲，大约3公里厚的冰层覆盖着加拿大的许多地方和美国北部的一些州。 在美国北部，冰川时代给我们留下了一些有价值的东西，成千上万的湖泊，沼泽和泥塘构成了中西部北边的地貌，,这是由于冰川移动产生的巨大作用力切割所形成的。 冰川携带的物质留下丰富的砂子、砾石层矿藏。现在有的成为含水层，而有的被开采作为建筑材料；大草原如中西部中心地区富饶土壤的形成和冰川作用有直接的关系。在整个地质年代中冰川的形成和退缩取决于气候条件。现在虽然冰川的规模大大地缩小了，但是，它仍然是地球上最大的淡水库。,海洋 海洋地球上最大的水库，是所有陆地上水的归宿。无论水是从融

16、化的冰川汇成的涓涓细流，还是通过可渗透的岩层慢慢地渗入地下，或是沿着河渠急速地奔泻而下，最终都流入海洋。从面积上看，海洋是地球表面上最引入注目的部分。它覆盖着整个地球面积的7l，平均深度4千米。与其浩瀚一致的是海洋在环境中的作用非常重要。 海洋是地球上物质和能量亚循环中的一个基本贮库。,物质循环进入海洋后 可能会停留上千年甚至数百万年，才能再次循环出去。由于上述种种原因，海洋是人类活动产生的许多水污染物和空气污染物的最终集结地。由于海洋又向人类提供大量的食物资源，所以研究污染物可能对海洋生态带来的危害是非常必要的。 人们能通过技术从海水中获得盐或淡水，或同时得到盐和淡水。但是经济和技术的能力是开发海水的限制因素，为了满足生活、工业、农业用水的目的，海水淡化在技术上是可行的，但是耗资和耗能太多。,最后，谈谈关于海洋使能量循环的能力和作用。海洋的这个功能表明了地球的供水和太阳及风的相互作用。海流能使地球表面吸收的太阳能量再分配。在大西洋暖流向北极流动，寒流向南极流动。表面海流的循环基本受与海水表面接触的风力来控制。其结果产生了北半球表层海水的顺时针运动和南半球表层海