水圈与水环境.ppt
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1、第五章第五章 水圈与水环境水圈与水环境 表表5.1 5.1 水圈的水圈的组组成成水体种水体种类类总总水量水量咸水咸水淡水淡水10101212m m3 3%10101212m m3 3%10101212m m3 3%海洋水海洋水1338000133800096.53896.5381338000133800099.04199.041冰川与永久冰川与永久积积雪雪24064.124064.11.73621.736224064.124064.168.697368.6973地下水地下水23400234001.68831.688312870128700.95270.95271.5301.53030.0606
2、30.0606永永冻层冻层中冰中冰3003000.02160.02163003000.85640.8564湖泊水湖泊水176.4176.40.01270.012785.485.40.00630.006391910.25980.2598土壤水土壤水16.516.50.00120.001216.516.50.04710.0471大气水大气水12.912.90.00090.000912.912.90.03680.0368沼沼泽泽水水11.4711.470.00080.000811.4711.470.03270.0327河流水河流水2.122.120.00020.00022.122.120.00320
3、.0032生物水生物水1.121.120.00010.00011.121.120.00320.0032总计总计1385984.611385984.611001001350955.41350955.410010035029.2135029.21100100资资料来源:中国大百科全料来源:中国大百科全书书水利,水利,19921992一一.海洋水海洋水 海洋是大气水的主要水源,因而是大气降水的海洋是大气水的主要水源,因而是大气降水的源泉,是地球的水库。此外,海洋蕴含着极其源泉,是地球的水库。此外,海洋蕴含着极其丰富的化学资源、矿产资源、动力资源、生物丰富的化学资源、矿产资源、动力资源、生物资源,是地
4、球的一个巨大的资源宝库。资源,是地球的一个巨大的资源宝库。(一)海洋水的理化性质(一)海洋水的理化性质 1.海水的盐度海水的盐度图图5.1 世界海洋平均盐度与蒸发量、降水量分布世界海洋平均盐度与蒸发量、降水量分布全球海洋表面盐度以副热带海区最大,向赤道和全球海洋表面盐度以副热带海区最大,向赤道和高纬度海区逐渐减小,南极海区小于高纬度海区逐渐减小,南极海区小于3434。最高最高盐度值和最低盐度值多出现在大洋边缘的海域中盐度值和最低盐度值多出现在大洋边缘的海域中如红海北部高达如红海北部高达42.842.8。盐度较低的海域如波。盐度较低的海域如波罗的海的含盐度只有罗的海的含盐度只有1515,北部的波
5、的尼亚湾更,北部的波的尼亚湾更低至低至33左右,称为淡化海。左右,称为淡化海。2.海水的海水的pH值值 海水为弱碱性,天然海水的海水为弱碱性,天然海水的pHpH值介于值介于7.97.98.48.4之间。之间。海水增温和光合作用增强可使表层海水海水增温和光合作用增强可使表层海水CO2CO2含量和含量和H+H+浓浓度下降,导致度下降,导致pHpH值上升,反之则使值上升,反之则使pHpH值下降。海水中值下降。海水中pHpH值的大小控制着许多矿物的形成,例如方解石和白云石值的大小控制着许多矿物的形成,例如方解石和白云石形成于形成于pHpH为为7 7的弱碱性环境,高岭石则形成于的弱碱性环境,高岭石则形成
6、于pHpH值小于值小于6 6的酸性环境中。的酸性环境中。3.海水的温度海水的温度 海水温度是海洋热能的一种表现形式,绝大部分海水温度是海洋热能的一种表现形式,绝大部分来自太阳辐射能。海洋热能不仅驱动大部分的大洋环流,来自太阳辐射能。海洋热能不仅驱动大部分的大洋环流,而且还制约着海洋生物系统的运转速率。而且还制约着海洋生物系统的运转速率。全球大洋表层全球大洋表层年平均水温为年平均水温为17.417.4,比全球陆地表面的年平均气温高,比全球陆地表面的年平均气温高3.13.1。大洋表面年平均温度一般在。大洋表面年平均温度一般在-2-2到到3030之间,之间,从低纬到高纬总体逐渐降低,等温线的走向大致
7、沿纬度从低纬到高纬总体逐渐降低,等温线的走向大致沿纬度分布。分布。但在大陆海岸附近,等温线可能呈现南北流向的但在大陆海岸附近,等温线可能呈现南北流向的形式。形式。图图5.2 海洋表面海水平均温度分布(海洋表面海水平均温度分布(NOAA数据)数据)4.海水的密度与压力海水的密度与压力 通常在通常在00时正常盐度的海水密度约为时正常盐度的海水密度约为1.028g1.028gcmcm3 3。温度升高时密度减小,盐度增加时密度增大,气压加温度升高时密度减小,盐度增加时密度增大,气压加大时密度增大。海水的压力随水深的增加而加大大时密度增大。海水的压力随水深的增加而加大,每,每增加增加10m10m约增加约
8、增加1.05Pa1.05Pa。在。在1000m1000m深处的海水压力大约深处的海水压力大约为为107Pa107Pa。(二)海水运动与洋流(二)海水运动与洋流 海水在海洋表面风力和密度差异、太阳和月球引海水在海洋表面风力和密度差异、太阳和月球引力等作用下,不停的运动,其力等作用下,不停的运动,其运动形式主要有潮汐、运动形式主要有潮汐、海浪、洋流等形式海浪、洋流等形式。图图5.4 世界洋流分布图世界洋流分布图洋流对地理环境的影响主要表现在对气温和降水洋流对地理环境的影响主要表现在对气温和降水两方面。两方面。据统计,由低纬向中、高纬度输送的热据统计,由低纬向中、高纬度输送的热量,有一半通过洋流输送
9、,洋流性质和方向不同,量,有一半通过洋流输送,洋流性质和方向不同,形成了不同的地理环境特点。由于洋流在各大洋形成了不同的地理环境特点。由于洋流在各大洋的分布不同,使高低纬地区大洋东西两岸气温差的分布不同,使高低纬地区大洋东西两岸气温差异十分显著。一般来说,暖流流经的地区,气温异十分显著。一般来说,暖流流经的地区,气温高,降水机会增多,寒流流经的地区,气温降低,高,降水机会增多,寒流流经的地区,气温降低,降水的机会减少。降水的机会减少。(三)海气相互作用(三)海气相互作用图图5.5 5.5 厄尔尼诺示意图(据中国科普博览网)厄尔尼诺示意图(据中国科普博览网)左图:正常状态下的赤道大气环流,西太平
10、洋海温偏高,伴有较强上升运动。左图:正常状态下的赤道大气环流,西太平洋海温偏高,伴有较强上升运动。右图:厄尔尼诺时的赤道大气环流,东太平洋海温升高,大气上升运动东移。右图:厄尔尼诺时的赤道大气环流,东太平洋海温升高,大气上升运动东移。赤道赤道温跃层温跃层大气对流厄尔尼诺是全球气候信号里最强的。厄尔尼诺是全球气候信号里最强的。在在2020世纪世纪6060年代年代,很多科学家都认为厄尔尼诺是,很多科学家都认为厄尔尼诺是区域性问题区域性问题,它主要影响太平洋东部的南美沿海地区和太平洋它主要影响太平洋东部的南美沿海地区和太平洋中部的澳大利亚沿海地区。然而中部的澳大利亚沿海地区。然而2020世纪世纪80
11、80年代以年代以后后,通过气象卫星的观测发现,通过气象卫星的观测发现,厄尔尼诺在世界厄尔尼诺在世界很多地方都出现很多地方都出现。近年来近年来通过对全球气候异常的通过对全球气候异常的综合分析认为,厄尔尼诺现象影响的范围综合分析认为,厄尔尼诺现象影响的范围不单是不单是局部地区,而是遍及全球局部地区,而是遍及全球。影响的时间不只是夏影响的时间不只是夏季,而是全年甚至更长。季,而是全年甚至更长。对全球自然地理环境影对全球自然地理环境影响的影响很大,会造成不同地区洪涝、干旱、酷响的影响很大,会造成不同地区洪涝、干旱、酷热、低温、热带气旋等灾害。热、低温、热带气旋等灾害。厄尔尼诺现象是周期性出现的,大约每
12、隔厄尔尼诺现象是周期性出现的,大约每隔2 27 7年年出现一次。出现一次。一般认为,海水表层温度连续一般认为,海水表层温度连续3 3个月(中国用个月(中国用6 6个个月)高出平均值月)高出平均值0.50.5以上,即可认为是一次厄以上,即可认为是一次厄尔尼诺现象。尔尼诺现象。当前气象学家普遍认为,厄尔尼诺当前气象学家普遍认为,厄尔尼诺现象的发生对全球不少地区的气候灾害有预兆意现象的发生对全球不少地区的气候灾害有预兆意义,所以对它的监测已成为气候监测中一项重要义,所以对它的监测已成为气候监测中一项重要的内容。的内容。对于厄尔尼诺和拉尼娜的频繁发生,科学对于厄尔尼诺和拉尼娜的频繁发生,科学家比较普遍
13、的一种看法是家比较普遍的一种看法是人类对大气环境人类对大气环境的影响导致了大气环流和气候的异常的影响导致了大气环流和气候的异常。目。目前能够较好共识的思路是改变经济和社会前能够较好共识的思路是改变经济和社会发展模式,减少排放。国际社会采取的发展模式,减少排放。国际社会采取的主主要措施就是绿色经济要措施就是绿色经济,这是世界适应和减,这是世界适应和减缓气候变化的未来之路。缓气候变化的未来之路。二二.陆地水陆地水(一)河流(一)河流1.水系与流域水系与流域流域面积、形状、流域高度、流域面积、形状、流域高度、流域坡度、流域的倾流域坡度、流域的倾斜方向、干流流向斜方向、干流流向等等是流域的重要特征。是
14、流域的重要特征。水系的特征一般包括水系的特征一般包括河流长河流长度、河网密度、河流度、河网密度、河流的弯曲系数及其平面的弯曲系数及其平面结构结构等。等。图图 5.6 5.6 流域和水系流域和水系1.1.河流长度河流长度是河源到河口的轴线长度,通常在大是河源到河口的轴线长度,通常在大比例尺地图上,可以通过统计曲线长度获取。比例尺地图上,可以通过统计曲线长度获取。2.2.河网密度:河网密度:3.3.河流的河流的弯曲系数弯曲系数是指某河段的实际长度与该河是指某河段的实际长度与该河段直线长度的比值。段直线长度的比值。4.4.水系按水系按平面形态平面形态一般可分为树状、格子状(直一般可分为树状、格子状(
15、直角注入)、平行状、放射状、环状、长方状和角注入)、平行状、放射状、环状、长方状和扇状等扇状等 图图5.7 水系的平面结构主要类型水系的平面结构主要类型水系的平面结构不同,便有不同的水情特征,例水系的平面结构不同,便有不同的水情特征,例如扇状水系,河流从谷口或三角洲顶点向外呈扇如扇状水系,河流从谷口或三角洲顶点向外呈扇状散开,当全流域发生暴雨时,各支流同时发生状散开,当全流域发生暴雨时,各支流同时发生洪水,在汇合点以下河段同时接纳全流域的暴雨洪水,在汇合点以下河段同时接纳全流域的暴雨洪流,很容易发生洪水灾害。因此,洪流,很容易发生洪水灾害。因此,编制水系流编制水系流域图时,必须反映水系的平面结
16、构类型,保持河域图时,必须反映水系的平面结构类型,保持河网的相对密度;制图综合时,必须要考虑区域气网的相对密度;制图综合时,必须要考虑区域气候、地质构造、岩性、地貌等对水系平面形态的候、地质构造、岩性、地貌等对水系平面形态的影响。影响。2.河流水情要素河流水情要素 水情要素是反映河流水文情势及其变化的因子。水情要素是反映河流水文情势及其变化的因子。主要包括主要包括水位、流量、流速,称为水情三要素水位、流量、流速,称为水情三要素,是专题地图中表示河流水情动态的重要数量指标。是专题地图中表示河流水情动态的重要数量指标。1)水位)水位 水位是指河流在某一地点某一时刻的水面高程。水位是指河流在某一地点
17、某一时刻的水面高程。我国河流水位的绝对基面(起算高程)统一采用我国河流水位的绝对基面(起算高程)统一采用青岛基面。另一种是测站基面,采用观测点最低青岛基面。另一种是测站基面,采用观测点最低枯水位以下枯水位以下0.50.51m1m处作为起算点。处作为起算点。为了反映水位变化,为了反映水位变化,常用水位过程曲线来表示。常用水位过程曲线来表示。除了解水位变化规律外,还了解水位变化中的一些特征除了解水位变化规律外,还了解水位变化中的一些特征水位值,主要包括:水位值,主要包括:1 1 平均水位平均水位,单位时间内水位的算术平均值。对河流用水,单位时间内水位的算术平均值。对河流用水及流域调节有一定意义。及
18、流域调节有一定意义。2 2 平均高水位和平均低水位平均高水位和平均低水位,每年观测的最高水位和最低,每年观测的最高水位和最低水位各自的算术平均值。水位各自的算术平均值。3 3 最高水位和最低水位最高水位和最低水位,单位时段内水位的最大值和最小,单位时段内水位的最大值和最小值,前者为防洪、水利工程建设提供依据;后者为航运、值,前者为防洪、水利工程建设提供依据;后者为航运、灌溉的重要参考。灌溉的重要参考。4 4 警戒水位警戒水位,是指在江、河、湖泊水位上涨到河段内可能,是指在江、河、湖泊水位上涨到河段内可能发生险情的水位发生险情的水位5 5 中水位中水位,是一年中观测水位值的中值。对用水保证率有,
19、是一年中观测水位值的中值。对用水保证率有重要意义。重要意义。2)流速)流速 3)流量)流量 为了便于分析,常把测得的流量绘制成流量过程线或为了便于分析,常把测得的流量绘制成流量过程线或水位水位-流量关系曲线。流量关系曲线。水位水位-流量关系曲线流量关系曲线是以流量为横坐是以流量为横坐标,水位为纵坐标绘制的曲线。它在水文分析中应用很广,标,水位为纵坐标绘制的曲线。它在水文分析中应用很广,因为在流量实测中不可能连续不断的测量,所以可以通过因为在流量实测中不可能连续不断的测量,所以可以通过水位水位-流量过程曲线推求出流量来。流量过程曲线推求出流量来。淋漆河水文站水位流量关系曲线图淋漆河水文站水位流量
20、关系曲线图 3.河流补给河流补给 一般把河流的补给分为一般把河流的补给分为雨水补给、冰雪融水补给、湖雨水补给、冰雪融水补给、湖泊和沼泽水补给及地下水补给泊和沼泽水补给及地下水补给 图图5.8 5.8 雨水补给河流流量与降水量相互关系雨水补给河流流量与降水量相互关系12312月54679810110100200300010203010温度()温度流量流量(m3/s)图图5.9 5.9 冰雪融水补给河流流量变化冰雪融水补给河流流量变化12312月54679810110100200流量流量(m3/s)图图5.10 5.10 湖泊补给型河流水量变化曲线湖泊补给型河流水量变化曲线4.河川径流特征河川径流
21、特征1.1.径流总量(径流总量(W W),),指在一定时段内,通过河流某指在一定时段内,通过河流某一过水断面的总水量,称为这个时段的径流总量。一过水断面的总水量,称为这个时段的径流总量。2.2.径流深度(径流深度(Y Y),),是把流域一年内的径流总量,是把流域一年内的径流总量,均匀地平铺在流域面积上的水层厚度,即径流总均匀地平铺在流域面积上的水层厚度,即径流总量除以流域面积量除以流域面积 3.3.径流模数(径流模数(M M),),是单位时间,单位面积上产出是单位时间,单位面积上产出的水量的水量 4.4.径流系数(径流系数(a a),),是一定时期内的径流深度与同是一定时期内的径流深度与同期内
22、降水量的比值。期内降水量的比值。5.5.径流变率(径流变率(K K),),是某一时段的平均径流值与同时期是某一时段的平均径流值与同时期的多年平均值之比,称为径流变率或模比系数,即的多年平均值之比,称为径流变率或模比系数,即径流变率的大小,是反映区域统计时段内径流变化幅度径流变率的大小,是反映区域统计时段内径流变化幅度的指标。的指标。径流年变率的大小用年径流的变差系数(径流年变率的大小用年径流的变差系数(CVCV)和绝对比率表示和绝对比率表示。年径流的变差系数年径流的变差系数式中,为第式中,为第i i年的年径流变率;年的年径流变率;n n为观测资料数列的年数。为观测资料数列的年数。年径流变率年径
23、流变率CVCV值大,则径流量的年际变化剧烈,易发生值大,则径流量的年际变化剧烈,易发生洪旱灾害,水工建筑费用大;相反,则年际变化小,水洪旱灾害,水工建筑费用大;相反,则年际变化小,水工建筑费用就小。工建筑费用就小。CVCV值的变化与自然地理环境密切相关,值的变化与自然地理环境密切相关,降水稀少的地区降水稀少的地区CVCV值大于降水丰富的地区;雨水补给的值大于降水丰富的地区;雨水补给的河流,河流,CVCV值大于地下水补给的河流;平原、盆地的值大于地下水补给的河流;平原、盆地的CVCV值值大于相邻高山和高原;流域面积小的河流,其大于相邻高山和高原;流域面积小的河流,其CVCV值大于值大于流域面积大
24、的河流。流域面积大的河流。(二)湖泊(二)湖泊湖泊是常年积水且不与海洋相通的天然洼地。湖泊是常年积水且不与海洋相通的天然洼地。湖水是陆地湖水是陆地水的重要组成部分,世界各大洲都有湖泊分布,及其最集水的重要组成部分,世界各大洲都有湖泊分布,及其最集中的地区有中的地区有西北欧和北美洲西北欧和北美洲。湖泊按湖泊按成因成因分为构造湖、火口湖、堰塞湖、河成湖、风成分为构造湖、火口湖、堰塞湖、河成湖、风成湖、冰成湖、海成湖以及溶蚀湖等。按湖、冰成湖、海成湖以及溶蚀湖等。按湖水盐分湖水盐分,分为淡,分为淡水湖和咸水湖。按水湖和咸水湖。按湖水营养物湖水营养物分为贫营养湖、中营养湖和分为贫营养湖、中营养湖和富营
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