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1、第五章 水圈与水环境,一. 海洋水,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，海洋蕴含着极其丰富的化学资源、矿产资源、动力资源、生物资源，是地球的一个巨大的资源宝库。 （一）海洋水的理化性质 1. 海水的盐度,图5.1 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，向赤道和高纬度海区逐渐减小，南极海区小于34。最高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42.8。盐度较低的海域如波罗的海的含盐度只有15，北部的波的尼亚湾更低至3左右，称为淡化海。,2. 海水的pH值 海水为弱碱性，天然海水的pH值介于7.98.4之间。海水增温和
2、光合作用增强可使表层海水CO2含量和H+浓度下降，导致pH值上升，反之则使pH值下降。海水中pH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pH为7的弱碱性环境，高岭石则形成于pH值小于6的酸性环境中。,3. 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。全球大洋表层年平均水温为17.4，比全球陆地表面的年平均气温高3.1。大洋表面年平均温度一般在-2到30之间，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。但在大陆海岸附近，等温线可能呈现南北流向的形式。,图5.2 海洋表面海水平均
3、温度分布（NOAA数据）,4. 海水的密度与压力 通常在0时正常盐度的海水密度约为1.028gcm3。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，每增加10m约增加1.05Pa。在1000m深处的海水压力大约为107Pa。,（二）海水运动与洋流,海水在海洋表面风力和密度差异、太阳和月球引力等作用下，不停的运动，其运动形式主要有潮汐、海浪、洋流等形式。,图5.4 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两方面。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，洋流性质和方向不同，形成了不同的地理环境特点。由于洋流在各大洋的分
4、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。,（三）海气相互作用,厄尔尼诺是全球气候信号里最强的。在20世纪60年代，很多科学家都认为厄尔尼诺是区域性问题，它主要影响太平洋东部的南美沿海地区和太平洋中部的澳大利亚沿海地区。然而20世纪80年代以后，通过气象卫星的观测发现，厄尔尼诺在世界很多地方都出现。近年来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不单是局部地区，而是遍及全球。影响的时间不只是夏季，而是全年甚至更长。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、酷热、低温
5、、热带气旋等灾害。,厄尔尼诺现象是周期性出现的，大约每隔27年出现一次。 一般认为，海水表层温度连续3个月（中国用6个月）高出平均值0. 5以上，即可认为是一次厄尔尼诺现象。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义，所以对它的监测已成为气候监测中一项重要的内容。,对于厄尔尼诺和拉尼娜的频繁发生，科学家比较普遍的一种看法是人类对大气环境的影响导致了大气环流和气候的异常。目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。国际社会采取的主要措施就是绿色经济，这是世界适应和减缓气候变化的未来之路。,二. 陆地水,（一）河流 水系与流域 流域面积、形状、流域高度
6、、流域坡度、流域的倾斜方向、干流流向等是流域的重要特征。 水系的特征一般包括河流长度、河网密度、河流的弯曲系数及其平面结构等。,图 5.6 流域和水系,河流长度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。 河网密度： 河流的弯曲系数是指某河段的实际长度与该河段直线长度的比值。 水系按平面形态一般可分为树状、格子状（直角注入）、平行状、放射状、环状、长方状和扇状等,图5.7 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，各支流同时发生洪水，在汇合点以下河段同时接纳全流域的暴雨洪流
7、，很容易发生洪水灾害。因此，编制水系流域图时，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，必须要考虑区域气候、地质构造、岩性、地貌等对水系平面形态的影响。,2. 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。主要包括水位、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。 1）水位 水位是指河流在某一地点某一时刻的水面高程。我国河流水位的绝对基面（起算高程）统一采用青岛基面。另一种是测站基面，采用观测点最低枯水位以下0.51m处作为起算点。为了反映水位变化，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水位值，主要包括
8、： 1 平均水位，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。 2 平均高水位和平均低水位，每年观测的最高水位和最低水位各自的算术平均值。 3 最高水位和最低水位，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、灌溉的重要参考。 4 警戒水位，是指在江、河、湖泊水位上涨到河段内可能发生险情的水位 5 中水位，是一年中观测水位值的中值。对用水保证率有重要意义。,2）流速 3）流量 为了便于分析，常把测得的流量绘制成流量过程线或水位-流量关系曲线。水位-流量关系曲线是以流量为横坐标，水位为纵坐标绘制的曲线。它在水文分析中应用很广，因为在流量实测中不可能
9、连续不断的测量，所以可以通过水位-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,3. 河流补给,一般把河流的补给分为雨水补给、冰雪融水补给、湖泊和沼泽水补给及地下水补给,图5.8 雨水补给河流流量与降水量相互关系,4. 河川径流特征,径流总量（W），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。 径流深度（Y），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，即径流总量除以流域面积 径流模数（M），是单位时间，单位面积上产出的水量 径流系数（a）， 是一定时期内的径流深度与同期内降水量的比值。,5. 径流变率（K），是某一时段的平均径流值与同时
10、期的多年平均值之比，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的指标。径流年变率的大小用年径流的变差系数（CV）和绝对比率表示。 年径流的变差系数 式中，为第i年的年径流变率；n为观测资料数列的年数。 年径流变率CV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，水工建筑费用就小。CV值的变化与自然地理环境密切相关，降水稀少的地区CV值大于降水丰富的地区；雨水补给的河流，CV值大于地下水补给的河流；平原、盆地的CV值大于相邻高山和高原；流域面积小的河流，其CV值大于流域面积大的河流。,（二）湖泊,湖泊是常年积水且不与海洋相通的
11、天然洼地。湖水是陆地水的重要组成部分，世界各大洲都有湖泊分布，及其最集中的地区有西北欧和北美洲。 湖泊按成因分为构造湖、火口湖、堰塞湖、河成湖、风成湖、冰成湖、海成湖以及溶蚀湖等。按湖水盐分，分为淡水湖和咸水湖。按湖水营养物分为贫营养湖、中营养湖和富营养湖。 湖水表层1m深可吸收80%左右的太阳辐射热量，且大部分被靠近水面20cm的水层吸收，只有1%的能量能到达10m深度。热带湖泊上层水温高，下层水温低；寒带湖泊，上层水温低，下层水温高；温带湖泊水温随季节而不同，冬季上冷下暖，夏季上暖下冷。,（三）沼泽,是指地表过湿或有薄层常年或季节性积水，土壤水分几达饱和，生长有喜湿性和喜水性沼生植物的地段
12、。沼泽是介于陆地和水体间的自然体，是良好的蓄水体。通常含水量占89%94%，泥炭占5%10%。 沼泽的形成和发展，一般是在温湿和冷湿气候、平坦或低洼的地形条件下发育的。可分为水体沼泽化和陆地沼泽化。,（四）冰川,1. 雪线和终年积雪 高纬和高山地区，气候寒冷，年平均气温在0以下，大气以固态降水为主，积雪不能再当年全部融化，经长期积累，形成终年积雪区。终年积雪区的下限称为雪线，即雪线就是某一海拔高度上年降雪量与消融量的平衡线。一般气温越高，雪线也越高。雪线的高度与降水量成反比，降水量越大，雪线越低。 2. 冰川的形成与运动 成冰过程大致经历两个阶段：一是由新雪变成紧密的粒雪；二是在压力和热力作用
13、下使粒雪变成冰川冰。冰川冰形成以后，在冰体压力和重力作用下，开始运动，形成冰川。,三. 地下水,地下水的蓄水构造与类型,其作图方法和地表地形等高线图作法相似，而且是在地形等高线图的基础上作出来的。由于潜水面是随时间变化的，在编图时必须在同一时间或较短时间内对测区内潜水水位进行观测，把每个观测点的地面位置准确地绘制在地形图上，并标注该点测得的潜水埋藏深度及算得的该点潜水水位标高，根据各测点的水位标高画出潜水等水位线图。,图5.11 潜水等水位线图,地下水是生态环境的组成部分之一，能影响环境的稳定性。过量开采，往往造成地下水位下降，地面沉陷，海水倒灌，水质恶化和地表生态退化等。近30年来，我国地下
14、水开采量以每年2.5109 m3的速度递增，北方和东部沿海地区地下水超采越来越严重。初步统计，全国已形成大型地下水降落漏斗100多个，面积达1.5105km2，超采区面积6.2105km2，严重超采城市近60个，造成众多泉水断流，部分水源地枯竭。,(二)含水岩石的水理性质,松散岩石存在着孔隙，坚硬岩石中有裂隙，易溶岩石有孔洞。水以不同形式存在于这些空隙中，岩石与水作用时，表现出不同的“容水性”、“持水性”、“给水性”、“透水性”等，这就是岩石的水理性质。 容水性 指在常压下岩土空隙能够容纳一定水量的性能，以容水度来衡量。容水度（Wn）为岩土容纳水的最大体积Vn与岩土总体积V之比，即Wn=Vn/
15、V100%。 持水性 饱水岩土在重力作用下排水后，依靠分子力和毛管力仍然保持一定水分的能力。用持水度表示。持水度Wr为饱水岩土经重力排水后所保持水的体积Vr和岩土总体积V之比。即Wr=Vr/V100%，其值大小取决于岩土颗粒表面对水分子的吸附能力。在松散沉积物中，颗粒愈细，空隙直径愈小，则同体积内的比表面积愈大，Wr，愈大。,3. 给水性 指饱水岩土在重力作用下能自由排出水的性能，用给水度（）来表示。给水度为饱水岩土在重力作用下，能自由排出水的体积Vg和岩土总体积V之比，即=Vg/V100%。 由上述3个定义可知：岩土持水度和给水度之和等于容水度（或孔隙度），即Wn=Wr+或n=Wr+。式中n
16、为孔隙度。 4. 透水性 指在一定条件下，岩土允许水通过的性能。一般用渗透系数K值来表示。其值大小首先与岩土空隙的直径大小和连通性有关，其次才和空隙的多少有关。如粘土的孔隙度很大，但孔隙直径很小，水在这些微孔中运动时，不仅由于水与孔壁的摩阻力大而难以通过，而且还由于粘土颗粒表面吸附形成一层结合水膜，这种水膜几乎占满了整个孔隙，使水更难通过。,第二节 水循环与水平衡,图 5. 13 水循环模式,天然水循环的机理 第一，水循环服从于质量守恒规律。水循环从实质上讲是物质与能量的传输、储存和转化过程，并且整个过程具有连续性。 第二，水循环的基本动力是太阳辐射和重力作用。在常温常压条件下，水的三相变化是
17、水循环的前提条件；地理环境、海陆分布等外部环境制约着水循环的路线、规模与强度。 第三，水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈，同时通过无数条路线实现循环和相变。 第四，从全球看，水循环是个闭合系统，但从局部地区看水循环却是开放系统。 第五，地球上的水在循环过程中，总携带着一些物质一起运动，不过这些物质并不像水那样构成完整的循环系统，因此通常讲的水文循环，仅指水分的循环，简称水循环。,“人类社会的水循环”是指人类在经济、社会活动中不断地取水、用水和排水而产生的人为水循环过程。它是依附于自然水循环的一个组成部分，或者是一个环节、分支（如同降水、蒸发、下渗等环节），而不是一个独立的水循环过
18、程。随着人类活动的逐渐增强，人类行为渗入了天然系统的各个角落，自然界客观存在的水变成了水资源，天然一元水循环模式受到人类的改变，在原有天然水循环中产生了人工水循环，两者相互作用，相互影响，形成了彼此消长的动态的“天然-人工二元”水循环模式,图 5.14 天然人工二元水循环系统模式,二 水量平衡,在给定任意尺度的时空内，全球水量保持收支平衡。水量平衡的研究区域可以是整个地球，也可以是某个流域、湖泊、海洋或某个特定区域。水量平衡的时段可以是日、月、年，也可以是数十年或更长的时间，一般都以一年为单位，称为水文年。我国以1月1日12月31日为一水文年。 水量平衡是质量守恒原理在水分循环过程中的具体表现
19、，也是水分循环的内在规律。通常用水量平衡方程表述：,一个地区的水量平衡特点反映了该地区的气候和地理特点。就全球而论，在10S10N地带的水平衡中，降水大于蒸发，表现出热带雨林气候特点；在10N35N和10S40S地带的水量平衡中，蒸发大于降水，表现出炎热干旱的气候特征。 就地区而言，在干旱、半干旱地区的黄河流域水量平衡中，蒸发量占降水量的80%，径流量只占降水量的20%；在温暖湿润的长江流域水量平衡中，蒸发量占降水量的48%，径流量占降水量的52%；在处于印度洋西南气流迎风坡的潮湿多雨的雅鲁藏布江流域水量平衡中，蒸发量只占降水量的32%，而径流量占降水量的68%。,第三节 水环境与水生态,水环
20、境是指自然界中水的形成、分布和转化所处空间的环境。它不仅包括河流、海洋、湖泊、水库以及浅层地下水等贮水体，还包括水中的悬浮物（如泥沙）、溶质、水生生物和底泥，以及对水体产生影响的物理和化学作用。 人类面临的水环境问题 水的时空分布不均导致的“水多”、“水少”问题 水环境的污染和破坏造成的水“水脏”、“水浑”问题,水环境容量 对水环境容量的核算，包括自净容量和稀释容量两部分。自净容量是由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。稀释容量是在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量。,水生态 水生态是指水的存在状
21、态及与水有关的动植物的生存状态。水生态系统是指水生态中相互作用、相互制约的各个部分组成的有机整体。 影响水生态系统的因素多种多样，但最根本、最直接的是水生态系统中的水质与水量。无论水生态系统发生什么样的变化，都可以从水质和水量方面找到原因，也就是说水生态系统中水质与水量的相互作用，才是水生态系统变化的内因，水生态系统的状态就是水量与水质的综合反映。,水生态系统生态服务功能,三. 水生态平衡的保证生态需水,生态需水是指，为满足区域生态系统正常运行并提供正常生态服务的功能性自然需水。包括生物生产、消费、蒸腾需水，水域、土壤蒸发和地下水文循环需水，以及景观调蓄、环境净化和下游常年径流需水。 生态需水
22、不但与区域内生物群体的结构和种群有关，更直接受其所在区域的气候、土壤、地质、地表水和地下水的水文、水质条件等影响；生态需水量不仅要求在满足一定质量的前提下有一定的数量保证，以便维持区域水热平衡、生物平衡、水沙平衡、水盐平衡，还必须要有合适的时间和空间分布。一般认为，当流域的实际生态用水量大于生态需水量临界阈值时，生态系统稳定性增强，会趋向良性循环；反之，生态系统会逐步退化。,第四节 水环境遥感监测,图5.16 电磁波与水体的相互作用,（一）水文要素监测 水位-面积和流域界定 水深探测 水温探测 径流估算 （二）水域变化监测 河流、水系变化 湖泊演变 河口三角洲演变 海岸带演变,图5.17 河北省安固里淖遥感影像（1999）,（三）水质水污染监测,图5.21 QuickBird卫星影像监测出的城市污水企业所排放工业废水情况,