第五章水圈-第1节-地球上水的分布水循环与水量平衡课件

第五章水圈第五章水圈1第五章水圈

水圈是地球系统各类水体的总称

第五章水圈

水圈是2第五章水圈第一节地球上水的分布、水循环与水量平衡第二节海洋环境第三节河流第四节湖泊、水库与沼泽第五节地下水第六节天然水化学第七节水资源问题第八节水文因素引起的人类环境问题及人类活动引起的水环境问题第五章水圈第一节地球上水的分布、水循环与水量平3§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡一、地球的水圈（一）水圈的形成和演化自生假说：水来自地球内部外生假说：水来自地球以外的宇宙空间（二）地球水圈的组成

地球上的水以气、液、固三态存在于大气圈、海洋陆地水体（河流、湖泊、冰川）、土壤和岩石的孔隙以及生物体中，构成了相互联系和连贯的水圈。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡一、地球的水圈4自生假说

——地球水的来源1.形成水的形成与地球物质整体演化的作用有关。一般认为海水是地球内部物质排气作用的产物，即水气和其他物质是通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。现代火山活动排出的气体中，水汽往往占75%以上，据此推断，地球原始物质中水的含量应当较高。地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水，积累成原始海洋，还有些火山气体溶解于水，从而转移到原始海洋中，而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始大气圈。自生假说

5自生假说

——地球水的来源2.海水的化学成分一是大气或火山排出的可溶性气体CO2，NH3，H2S，SO2，Cl2二是陆上和海底受侵蚀破坏的岩石，为海洋提供了钠、镁、钾、钙、锂等阳离子。目前海水中阴离子的含量，如Cl-,F-,SO42-,HCO3-等远远超过从岩石中吸取出的数量，因此，证明海水中盐类的阴离子主要是火山排气作用的产物。而阳离子则由被侵蚀的岩石产生，大部分是通过河流输入海洋的，同时也为海洋提供了部分可溶性盐类。自生假说

6自生假说

——地球水的来源3.演化在漫长的地球演化过程中，海水因排气作用不断累积增长，最初的原始海洋体积可能有限，深海大洋的形成也要晚些。根据对海洋种群多样性的分析，至少在寒武纪以前出现了深海大洋。总之，大洋海水的体积和盐份的显著变化发生在前寒武纪的漫长地球历史时期，自古生代以来，大洋水的体积和盐度已大体与现代接近。自生假说

7外生假说

——地球水的来源观点：在地球形成很短的时期以后，来自太空的携带有水和其他有机分子的彗星和小行星撞击地球后，才使地球产生了生命。依据：彗星上的冰块，陨石一般含水0.5%-5%，也有高达10%以上。证据：1.1981年美国宇航局“动力探测1号”宇宙飞船所拍摄的紫外成像图，发现类似小彗星的稳定载水天体流束正在撞击地球上部的大气层。2.科学家在一颗陨石的盐结晶中发现一个长约15微米大小的密闭空隙,空隙中有一个气泡和一些水份，这项发现证明了原始太阳系的组成成份及地球海洋的来源的确与陨石及彗星有关。

外生假说

——8外生假说

——地球水的来源外生假说

——9外生假说

——地球水的来源外生假说

——10外生假说

——地球水的来源彗星的主要成分是冰，但其中含有大量复杂有机物分子和氨基酸。尽管彗星中大量的有机物在进入大气层和同地球发生碰撞时，在高温和高压下被破坏掉了，但总有一些彗星能够保留一些完整的片段，从而保留了有机物分子的存在。在大气层中能够存活下来的彗星的直径的范围大约在100米到1万米之间。挑战：在科学界引起震动，似乎突然之间就可能解决有关地球及生命基本成分的起源这样一个长期存在的争论问题。因此，此种假说还需要做进一步的宇宙太空的监测探索，获得科学的证据。外生假说

——11§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡12§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡二、水循环（Hydrologiccycle）（一）水循环的基本过程定义：水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射和重力作用下,通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗、径流等环节,不断发生相态转换和周而复始的运动过程。基本动力：太阳辐射和重力作用。必要条件：在地表温度、压力下水可发生气、液、固三态转换循环模型：从全球角度看,这个循环过程可以设想为:从海洋的蒸发开始,蒸发形成的水汽大部分留在海洋上空,少部分被气流输送至大陆上空,在适当的条件下这些水汽凝结成降水。海洋上空的水汽凝结后降落回到海洋。陆地上空的水汽凝结后降落至地表,一部分形成地表径流,补给河流和湖泊;一部分渗入至土壤与岩石空隙中,形成地下径流。地表径流和地下径流最后都汇流入大海。由此构成全球性的和连续有序的水循环系统。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡二、水循环（13§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡14§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡（二）几个概念大循环（外循环）：发生在海洋与陆地之间的全球性水循环特点：垂向交换，横向交换小循环（内循环）：仅仅发生在海洋与海洋上空大气之间,或陆面与陆地上空大气之间的水循环特点：垂向交换§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡（二）几个概念15§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡海洋小循环：发生在海洋与海洋上空大气之间

陆地小循环：发生在陆面与陆地上空大气之间

陆地外流区小循环：除自身垂向的水分交换外,还有多余的水量以地表径流和地下径流的方式输向海洋。

陆地内流区小循环：一般是多年平均降水量等于多年平均蒸发量,自成为一个相对独立的水循环系统。

§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡16§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡（三）水循环的意义

由于水循环将水圈所有水的储库——海洋、冰川、湖泊、江河、土壤水、地下水、大气水、生物水等联系成一个动态系统，所以，水循环是地球表层最重要的物质循环之一，它实现了地球表层系统水量、能量和地球生物化学物质的迁移与转换，构成了全球性的连续有序的动态大系统。水循环联系着海陆两大系统，塑造着地表地貌形态，制约着地球生态环境的平衡与协调，不断地提供再生的淡水资源。因此，水循环对于地球表层结构的演化和人类可持续发展都有重要意义。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡（三）水循环的17§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡第一、水循环运动深刻地影响着地球表层结构的形成、演化和发展。不仅将地球上的各种水体有机组成统一的水圈，而且将各圈层紧密地联系起来，在地质构造的基础上重新塑造了地貌形态，同时影响着全球的气候变迁和生物群落。第二、水循环的实质就是物质和能量的交换。能量：在全球范围内进行高低纬度、海陆间热量分配物质：良好的溶剂、较强的搬运能力第三、海陆间联系的纽带第四、水循环是地球系统中各种水体不断更新的总和，这使得水成为再生资源，植根于人类社会和历史的变迁之中。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡18（三）水体中水的更替周期1.水的更替周期是指水体中的水在参与循环过程中全部被更换一次所需的时间。通常用T=W/ΔW近似地进行计算,式中:T为更替周期(年,日,时);W为水体的总储水量(m3);ΔW为水体中水的平均输入或输出速率(m3/a)。以世界大洋为例,总储水量为13.38×1017m3,每年海水总蒸发量为50.5×1013m3,据此计算,大洋水全部更新一次需2650年;若以入海径流量4.7×1013m3为准计算,则更新一次需要28468年。2.可利用水量的多少,主要决定水体中水循环的速度和更换周期的长短。

§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡（三）水体中水的更替周期§5-1地球上水的分布、水循19§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡水体和水水体替换时间极地冰川、常年雪盖、深层地下水近10000年世界大洋2650年高山冰川1600年湖泊17年沼泽5年土壤水1年河水16日大气水8日生物水几小时§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡水体和水水体替20§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡三、水量平衡（一）原理基本原理对于任意选择的区域(或水体),在任意时段内,其收入水量与支出的水量的差额必等于该区域(或水体)蓄水量的变化值,即水在循环过程中,从总体上看收支平衡,这就是水量平衡原理。（二）通用水量平衡方程

ds/dt=I-Q

I为水量收入项;Q为水量支出项;s为蓄水量;t为时间

以陆地上任一地区为研究对象在任一时段内有:

P+E1+R表+R地下+s1=E2+R′表+R′地下+q+s2式中:P为降水量;E1、E2分别为水汽凝结量和蒸发量;R表、R′表分别为地表流入与流出的水量;R地下、R′地下分别为从地下流入与流出的水量;q为工农业及生活净用水量;s1、s2分别为该时段始末蓄水量。净蒸发量E=E2-E1;蓄水量变化值Δs=s2-s1因此上式可改写为(P+R表+R地下)-(E+R′表+R′地下+q)=Δs此式即为通用水量平衡方程。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡三、水量平衡21§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡(三)全球水量平衡1.全球范围的水量平衡在一定的时域空间内,在水循环、转化过程中,其数量变化遵循质量守恒定律。地球系统的各类水体在不断更新之中，它是连续有序的动态过程，并且有相对的稳定性。地球上的总水量接近常数，即全球水量是平衡的。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡(三)全球水量22§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡2.地表的水量平衡表4-1全球各大洋水量平衡（mm/a）大洋降水蒸发大陆边缘地区径流与邻近大洋交换的水量大西洋780104020060印度洋1010138070300太平洋1210114060-130北冰洋240120230-350§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡2.地表的水量23§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡（四）全球气候变化对水循环的影响政府间气候变化委员会（IPCC）先后在1990、1995、2001年公布的三次评估报告中指出：20世纪全球地表温度升高了大约0.6℃第一、20世纪的气候变暖是导致全球平均海平面升高和海洋热容量增加的重要原因。第二、雪盖和冰面积减少了。从20世纪60年代后期开始，北半球平均雪盖范围很可能已减少了10%（主要通过北美和亚欧大陆春季的变化）第三、北半球大陆多数中、高纬度地区降水在20世纪可能增加了5%-10%，与之相反，许多副热带地区平均降水可能减少了3%第四、近300年的海洋平面高度的连续记录表明：20世纪海平面上升最快。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡（四）全球气候24第五章水圈第五章水圈25第五章水圈

水圈是地球系统各类水体的总称

第五章水圈

水圈是26第五章水圈第一节地球上水的分布、水循环与水量平衡第二节海洋环境第三节河流第四节湖泊、水库与沼泽第五节地下水第六节天然水化学第七节水资源问题第八节水文因素引起的人类环境问题及人类活动引起的水环境问题第五章水圈第一节地球上水的分布、水循环与水量平27§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡一、地球的水圈（一）水圈的形成和演化自生假说：水来自地球内部外生假说：水来自地球以外的宇宙空间（二）地球水圈的组成

地球上的水以气、液、固三态存在于大气圈、海洋陆地水体（河流、湖泊、冰川）、土壤和岩石的孔隙以及生物体中，构成了相互联系和连贯的水圈。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡一、地球的水圈28自生假说

——地球水的来源1.形成水的形成与地球物质整体演化的作用有关。一般认为海水是地球内部物质排气作用的产物，即水气和其他物质是通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。现代火山活动排出的气体中，水汽往往占75%以上，据此推断，地球原始物质中水的含量应当较高。地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水，积累成原始海洋，还有些火山气体溶解于水，从而转移到原始海洋中，而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始大气圈。自生假说

29自生假说

——地球水的来源2.海水的化学成分一是大气或火山排出的可溶性气体CO2，NH3，H2S，SO2，Cl2二是陆上和海底受侵蚀破坏的岩石，为海洋提供了钠、镁、钾、钙、锂等阳离子。目前海水中阴离子的含量，如Cl-,F-,SO42-,HCO3-等远远超过从岩石中吸取出的数量，因此，证明海水中盐类的阴离子主要是火山排气作用的产物。而阳离子则由被侵蚀的岩石产生，大部分是通过河流输入海洋的，同时也为海洋提供了部分可溶性盐类。自生假说

30自生假说

——地球水的来源3.演化在漫长的地球演化过程中，海水因排气作用不断累积增长，最初的原始海洋体积可能有限，深海大洋的形成也要晚些。根据对海洋种群多样性的分析，至少在寒武纪以前出现了深海大洋。总之，大洋海水的体积和盐份的显著变化发生在前寒武纪的漫长地球历史时期，自古生代以来，大洋水的体积和盐度已大体与现代接近。自生假说

31外生假说

——地球水的来源观点：在地球形成很短的时期以后，来自太空的携带有水和其他有机分子的彗星和小行星撞击地球后，才使地球产生了生命。依据：彗星上的冰块，陨石一般含水0.5%-5%，也有高达10%以上。证据：1.1981年美国宇航局“动力探测1号”宇宙飞船所拍摄的紫外成像图，发现类似小彗星的稳定载水天体流束正在撞击地球上部的大气层。2.科学家在一颗陨石的盐结晶中发现一个长约15微米大小的密闭空隙,空隙中有一个气泡和一些水份，这项发现证明了原始太阳系的组成成份及地球海洋的来源的确与陨石及彗星有关。

外生假说

——32外生假说

——地球水的来源外生假说

——33外生假说

——地球水的来源外生假说

——34外生假说

——地球水的来源彗星的主要成分是冰，但其中含有大量复杂有机物分子和氨基酸。尽管彗星中大量的有机物在进入大气层和同地球发生碰撞时，在高温和高压下被破坏掉了，但总有一些彗星能够保留一些完整的片段，从而保留了有机物分子的存在。在大气层中能够存活下来的彗星的直径的范围大约在100米到1万米之间。挑战：在科学界引起震动，似乎突然之间就可能解决有关地球及生命基本成分的起源这样一个长期存在的争论问题。因此，此种假说还需要做进一步的宇宙太空的监测探索，获得科学的证据。外生假说

——35§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡36§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡二、水循环（Hydrologiccycle）（一）水循环的基本过程定义：水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射和重力作用下,通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗、径流等环节,不断发生相态转换和周而复始的运动过程。基本动力：太阳辐射和重力作用。必要条件：在地表温度、压力下水可发生气、液、固三态转换循环模型：从全球角度看,这个循环过程可以设想为:从海洋的蒸发开始,蒸发形成的水汽大部分留在海洋上空,少部分被气流输送至大陆上空,在适当的条件下这些水汽凝结成降水。海洋上空的水汽凝结后降落回到海洋。陆地上空的水汽凝结后降落至地表,一部分形成地表径流,补给河流和湖泊;一部分渗入至土壤与岩石空隙中,形成地下径流。地表径流和地下径流最后都汇流入大海。由此构成全球性的和连续有序的水循环系统。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡二、水循环（37§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡38§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡（二）几个概念大循环（外循环）：发生在海洋与陆地之间的全球性水循环特点：垂向交换，横向交换小循环（内循环）：仅仅发生在海洋与海洋上空大气之间,或陆面与陆地上空大气之间的水循环特点：垂向交换§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡（二）几个概念39§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡海洋小循环：发生在海洋与海洋上空大气之间

陆地小循环：发生在陆面与陆地上空大气之间

陆地外流区小循环：除自身垂向的水分交换外,还有多余的水量以地表径流和地下径流的方式输向海洋。

陆地内流区小循环：一般是多年平均降水量等于多年平均蒸发量,自成为一个相对独立的水循环系统。

§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡40§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡（三）水循环的意义

由于水循环将水圈所有水的储库——海洋、冰川、湖泊、江河、土壤水、地下水、大气水、生物水等联系成一个动态系统，所以，水循环是地球表层最重要的物质循环之一，它实现了地球表层系统水量、能量和地球生物化学物质的迁移与转换，构成了全球性的连续有序的动态大系统。水循环联系着海陆两大系统，塑造着地表地貌形态，制约着地球生态环境的平衡与协调，不断地提供再生的淡水资源。因此，水循环对于地球表层结构的演化和人类可持续发展都有重要意义。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡（三）水循环的41§5-1

地球上水的分布、水循环与水量平衡第一、水循环运动深刻地影响着地球表层结构的形成、演化和发展。不仅将地球上的各种水体有机组成统一的水圈，而且将各圈层紧密地联系起来，在地质构造的基础上重新塑造了地貌形态，同时影响着全球的气候变迁和生物群落。第二、水循环的实质就是物质和能量的交换。能量：在全球范围内进行高低纬度、海陆间热量分配物质：良好的溶剂、较强的搬运能力第三、海陆间联系的纽带第四、水循环是地球系统中各种水体不断更新的总和，这使得水成为再生资源，植根于人类社会和历史的变迁之中。§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡42（三）水体中水的更替周期1.水的更替周期是指水体中的水在参与循环过程中全部被更换一次所需的时间。通常用T=W/ΔW近似地进行计算,式中:T为更替周期(年,日,时);W为水体的总储水量(m3);ΔW为水体中水的平均输入或输出速率(m3/a)。以世界大洋为例,总储水量为13.38×1017m3,每年海水总蒸发量为50.5×1013m3,据此计算,大洋水全部更新一次需2650年;若以入海径流量4.7×1013m3为准计算,则更新一次需要28468年。2.可利用水量的多少,主要决定水体中水循环的速度和更换周期的长短。

§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡（三）水体中水的更替周期§5-1地球上水的分布、水循43§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡水体和水水体替换时间极地冰川、常年雪盖、深层地下水近10000年世界大洋2650年高山冰川1600年湖泊17年沼泽5年土壤水1年河水16日大气水8日生物水几小时§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡水体和水水体替44§5-1地球上水的分布、水循环与水量平衡三、水量平衡（一）原理基本原理对于任意选择的区域(或水体),在任意时段内,其收入水量与支出的水量的差额必等于该区域(或水体)蓄水量的变化值,即水在循环过程中,从总体上看收支平衡,这就是水量平衡原理。（二）通用水量平衡方程

ds/dt=I-Q

I为水量收入项;Q为水量支出项;s为蓄水量;t为时间