水圈与水量平衡

水圈与水量平衡第一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日第一节水圈的组成

地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在于空中、地表与地下，成为大气水、地表水和地下水。还可以细分为海洋水、河流水、湖泊水、沼泽水、土壤水、地下水、冰川水、大气水以及存在于动、植物有机体内的生物水。这些水体，通过水循环组成了一个统一的相互联系的环绕固体地球表层的水圈。第二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日

可以从不同的角度来考察水圈的组成。若从相态角度来考察，则液态水占绝大多数，为97.859%，气态水最少；若从垂向分布来看，地表水占99.389%，地下水和大气水所占比例则很小；若从盐度或者水质方面来看，海水占绝大多数，咸水和淡水所占比例较小；若从富集的地貌形态来看，海水约占地球总水量的97.23%，其次为分布在高纬度及高海拔地区的冰川水（约占2.14%）。而陆地上的河、湖、土壤水、地下水等，水体分布很广，但其水量却很少，只占到地球总水量的0.63%。第三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日海洋是水圈的主体，是地球上水的最大源地。全球海洋总面积为3.61×108km2，约占地球表面的71%；海水总体积约为1.37×109km3，约占地球总水量的96%～97%。

庞大的海洋水体，既是水循环的源地，又是各种陆地水体的归宿，还对大气热量起到了重要的调节作用。地球上的水一、海洋水第四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日世界大洋表面蒸发与降水之差（E-P）和盐度（S）的径向分布（Wust,1954）

全球各海区表层海水盐度不等，平均为3.5%左右，其中盐度最高的红海北部高达4.28%，而波罗的海北部的波的尼亚湾，盐度最低时只有0.3%左右。世界海洋表层海水的盐度分布规律为：从南北半球的副热带海区，分别向两侧的高纬和低纬递减，呈马鞍形分布。海洋表层海水盐度的分布和变化主要受蒸发量和降水量的制约，其次受陆地径流、结冰和融冰、洋流等因素的影响。第五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日大洋平均温度典型铅直分布

（Pickard等,1990）(a)低纬(b)中纬(c)高纬第六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日大西洋各纬度带的年平均表层温度(t)和密度(γ)、盐度(S)的关系（据Dietrich等改绘）第七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日大洋中典型的密度垂向分布（Pickard等）第八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日二、陆地水河流、湖泊、沼泽、地下水、冰川。陆地水第九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日（一）河流

河水是陆地表层唯一畅流的液态水，它的水循环动力机制既受热力因素的影响，又受重力作用的控制。它在地表水循环过程中起着上接大气水，下承地下水，最后连接海水的主干作用，在全球水循环大系统中，河流则为大气、海洋、地表、地下四大亚系统的传递子系统。

第十页，共六十四页，编辑于2023年，星期日

大气降水或地下涌出地表的水，汇集在地表低洼处，在重力作用下经常或周期性地沿流水本身造成的洼地流动，就形成了河流。河流沿途接纳支流，形成复杂的干支流网络系统，就是水系。每一条河流或每一个水系都从一定的陆地面积上获得补给水，这一集水区就是河流或水系的流域。两相邻流域间地面高程最高点的连线，就是两个水系的分水线。1.水系和流域河流、水系、分水岭第十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日根据干支流分布的形状，可进行水系分类，主要可分5类：

扇状水系：干支流呈扇状分布，即来自不同方向的各支流较集中地汇入干流，流域成扇形或圆形。

羽状水系：支流从左右两岸相间汇人干流，形呈羽状。

平行状水系：几条支流平行排列。

树枝状水系：干支流的分布呈树枝状。大多数河流属此种类型。

格状水系：干支流分布呈格子状，即支流多呈90°角汇入干流。这是由于河流沿着互相垂直的两组构造线发育而成。第十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)树枝状水系；（b）格子状水系；（c）平行状水系；（d）辐合状水系；（e）放射状水系；（f）网状水系第十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日河槽集流坡地漫流流域蓄渗植物截留大气降水径流形成过程

2.径流的形成过程第十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日河水补给来源

雨水补给季节性积雪融水补给冰川融水补给湖泊与沼泽水补给地下水补给第十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日3.径流的变化

径流的季节变化：随着气候条件的周期性变化，一年中河流补给状况、水位、流量也相应地发生变化。根据一年内河流水情的变化特征，可将河流分成若干个水情特征时期，如汛期、平水期、枯水期或冰冻期。中国受季风影响的地区，一般是夏秋季为汛期或洪水期，冬春季为枯水期

径流的年际变化：指径流多年的变化。径流量的年际变化往往是由于降水量的年际变化引起的。通常以径流的离差系数来表示年径流的变化程度，影响年径流的离差系数的主要因素有年径流量、径流补给来源和流域面积大小。我国河流年径流的离差系数由东南丰水带的0.2～0.3到西北缺水带的0.8～1.0。第十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日（二）湖泊和沼泽水

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、湖水以及水中物质组合而成的自然综合体。陆地表面湖泊总面积约为2.7×106km2，占全球陆地面积的1.8%左右，其水量约为地表河溪所蓄水量的180倍，是仅次于冰川的陆地表面第二大类蓄水体。

第十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日1.湖泊分类按成因划分：构造湖、火口湖、堰塞湖、河成湖、风成湖、冰成湖、海成湖、溶蚀湖等；按湖水补排情况划分：吞吐湖和闭口湖；按湖水与海洋沟通情况划分：外流湖和内陆湖；按湖水矿化度划分：淡水湖、微咸水湖、咸水湖和盐水湖；按湖水营养物不同划分：贫营养湖、中营养湖、富营养湖。第十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日沼泽是地面长期处于过湿状态或潴滞着微弱流动的水，生长喜湿和喜水植物，并有泥炭积累的洼地。全球沼泽面积约为1.12×108hm2，约占陆地面积的0.8%，主要分布在亚洲、欧洲、北美洲三大洲的寒温带地区。我国沼泽面积约为1.1×107hm2，约占全国陆地面积的1.15%，主要分布在四川的若尔盖高原、东北的三江平原、大小兴安岭、长白山地等。2.沼泽第十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日沼泽形成的自然条件一般要求地势低平、排水不畅、蒸发量小于降水量、地表组成物质黏重不易渗透。大致可分成两种情况：一是水体沼泽化，一是陆地沼泽化。沼泽水的主要补给来源是降水、融雪水和地下水，主要损耗方式是蒸发。由于受沼泽自身形态的影响，沼泽水运动缓慢，径流量极小。第二十页，共六十四页，编辑于2023年，星期日1地表经常过湿或有薄层积水2其上生长湿生植物或沼生植物3有泥炭积累或无泥炭积累，但有潜育层存在。沼泽排水差，潜水面位于地表沼泽基本特征：第二十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日（三）地下水

存在于地表以下岩（土）层空隙中的各种不同形式的水，统称为地下水。地下水的来源主要有大气降水渗入补给、地表水补给、凝结水补给、来自其他含水层与人工补给等。地下水的形成，首先要满足一定的地质条件，上部为松散的沙、砾岩层和裂隙发育的岩层组成含水层，下部为结构相对致密而又完整的岩层，如黏土层、页岩等组成的隔水层；其次，当地的气候、水文、地形、植被等自然条件对地下水的形成也有重要影响。

第二十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日地下水分层与分带示意图第二十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日自流水盆地据埋藏条件不同,地下水分为上层滞水、潜水和承压地下水三类。上层滞水是指存在于包气带中局部隔水层之上的重力水。潜水是指埋藏在地表以下第一稳定隔水层之上具有自由水面的重力水。潜水和河水间一般具有互补关系。承压地下水是指埋藏在上下两个隔水层之间的地下水。承压水水位高于上部隔水层，在地形条件适宜时，其天然露头或经人工凿井喷出地表形成自流井。黏土第二十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日（四）冰川

在高纬度及高山地区，由于气候寒冷，大气降水为固体形式，地表被冰雪所覆盖。冰雪经过重结晶变成具有可塑性的冰川冰，冰川冰在重力和压力的作用下沿地表缓慢运动就形成了冰川。

高纬和高山地区，气候寒冷，年平均气温常在0℃以下，因此，降落的固体降水（雪）不能在一年内全部融化，而是长年积累，这种地区一般称为雪原(snowfield)（或终年积雪区）。雪原区只有少数陡峭的山峰无冰雪覆盖。

终年积雪区的下部界限，称为雪线。雪线是一个带。在这个带内，年平均固体降水量恰好等于年融化量和蒸发量。雪线以上年平均降水量超过年融化量和蒸发量，固体降水才能不断积累，形成终年积雪；雪线以下，正好相反，不能形成终年积雪。第二十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日冰川根据成因、形态和存在地区不同分成大陆冰川和山岳冰川。大陆冰川是由于所处纬度高，冰雪常年难以融化而形成，呈盾形，主要分布在南极大陆和格陵兰岛。山岳冰川是由于海拔高，气温低而形成的，呈舌状，主要分布在亚欧大陆和北美大陆的一些高山地区。

第二十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日南极冰川第二十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日极地冰川第二十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日天山悬冰川第二十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日天山1号冰川第三十页，共六十四页，编辑于2023年，星期日贡嘎山海螺沟冰川第三十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日西藏米堆冰斗冰川第三十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日

第二节水圈的结构一、水圈的水平结构特征连续性:

地球表面任何一个地方都有水的分布，水在地球表层的分布是连续的。不均匀性：水在地表的分布是不均匀的。不均匀性一是表现在水圈的厚度各处不一，二是表现在水圈中各处分布的水量不同。水圈的垂直结构特征近地面集中分布:水主要集中分布在地面附近，随着离地面距离的增大水越来越少。垂直分层:

水圈在垂直方向上具有一定的分层现象。相态分异:

水的相态在垂直方向上的有规律的变化现象。第三十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日二、水圈的垂直结构特征海洋不同深度水层覆盖地球表面的百分比在垂直方向上，水圈具有近地面集中分布特征、垂直分层的特征和相态分异特征。近地面集中分布特征:水主要集中分布在地面附近，随着离地面距离的增大水越来越少。比如，海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川都集中分布在地球表面。大气圈中的水也主要集中分布在近地面的对流层。岩石圈中的水也是主要集中在它的上部。海洋水占水圈总量的97.22%，海洋水分布面积具有随深度增加而减少的趋势。第三十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日中国大陆径流分带与变差系跨流域调水:解决水的空间部分不均问题第三十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日第三节水圈的演化一、水从无到有：自生说；外生说二、水从少到多：水通过岩浆活动和火山喷发由地球内部逸出。从而使地球水圈的水越来越多。三、从酸性到碱性：原始酸性的大洋水与当时偏于基性的火成岩发生作用，会产生中性或偏碱性的溶液，原始的酸性大洋便逐步改变其性质，主要的碳酸根和重碳酸根离子成分逐步被氯原子所取代。四、从气态到液态、固态：随着地球的冷却和气候的变冷，由气态到气态、液态，再到气态、液态、固态第三十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日

第四节水的运动概念：地球上各种形态的水，在太阳辐射、重力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程，称为水循环。地球上各类水体，通过水循环形成了一个连续而统一的整体。水循环按不同途径与规模，分为大循环和小循环。

机理：水循环服从于质量守恒规律；水循环的基本动力是太阳辐射和重力作用；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；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。水循环对地球上的生物和其他圈层的相互作用等方面具有重要的意义。

一、水循环

第三十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日水循环第三十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日大循环与小循环

第三十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日二、河水的运动

河水在重力的作用下沿河槽不断向下游流动，重力是决定河水纵向运动的基本动力。河水在运动过程中，同时还受到地转偏向力、惯性离心力和机械摩擦力等作用，在这些力的影响下，河水除了沿河槽做纵向运动以外，还会产生各种形式的环流运动。按水流内在结构的差异，可将水流的运动状态分为层流和紊流两种类型。层流的水流状态是全部水流呈平行流来运动，即水质点运动的轨迹线（流线）平行，在水流中运动方向一致，流速均匀；而紊流的流态是水流中每个水质点运动速度与方向均随时在变化，而且其变化是围绕一个平均值上下跳动的。第四十页，共六十四页，编辑于2023年，星期日环流紊流层流层流：全部水流呈平行流来运动，即水质点运动的轨迹线（流线）平行，在水流中运动方向一致，流速均匀。

紊流：水流中每个水质点运动速度与方向均随时在变化，而且其变化是围绕一个平均值上下跳动。环流：河水内部还具有局部水流环绕着一定的旋转轴做往复运动。

第四十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日三、冰川的运动重力流：在斜坡上因冰川自重而产生的沿坡向的分力大于冰川槽对冰川的阻力时，所引起的运动。挤压流：由于冰川堆积的厚薄不同使内部所受的压力分布不均，引起的冰川运动。第四十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日四、海水的运动波浪：每个水质点作周期性运动，所有水质点相继振动，引起水面呈周期性的起伏。

潮汐：由于月球和太阳的引力引起的地球海水面的周期性升降运动。潮流：海水受月球和太阳引力而发生周期性的流动。洋流：指海洋中具有相对稳定的流速和流向的海水，从一个海区水平地或垂直地向另一个海区大规模的非周期性运动。分为风海流、密度流、补偿流。第四十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日（一）波浪要素图

水质点在其平衡位置附近做近似封闭的圆周运动，便产生了波浪，并引起了波形的传播。因此，波浪的传播仅是波形的传播，而不是水质点的向前移动。组成波浪的基本要素有：波峰、波谷、波高、波长、周期、波速等。第四十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日在潮汐涨落的每一周期内，当水位涨到最高位置时，叫高潮或满潮；当水位下降到最低位置时，叫低潮或干潮。从低潮到高潮过程中，水位逐渐上升，叫涨潮；从高潮到低潮过程中，水位逐渐下降，叫落潮。当潮汐达到高潮或低潮的时候，海面在一段时间内既不上升也不下降，分别叫平潮和停潮。平潮的中间时刻叫高潮时；停潮的中间时刻，叫低潮时，相邻的高潮与低潮的水位差叫潮差。潮汐要素图（二）引潮力和潮汐第四十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日第四十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日（三）洋流及其分类洋流按成因分为风海流、密度流、补偿流,如秘鲁寒流属于上升补偿流。此外，洋流按本身与周围海水温度的差异分为暖流和寒流。暖流指洋流水温比流经海区水温高的洋流，寒流则相反。洋流按其流经的地理位置又可分为赤道流、大洋流、极地流、沿岸流等。第四十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日世界洋流分布图第四十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日世界洋流分布特点⑴以南北回归线的副热带高压为中心形成的反气旋型大洋环流。⑵以北半球中高纬海上低压区为中心形成的气旋型大洋环流。⑶南半球中高纬度为西风漂流。⑷在南极大陆形成绕极环流。⑸北印度洋形成季风环流。冬季北印度洋盛行东北季风，形成反时针方向的东北季风漂流；夏季，北印度洋盛行西南季风，形成顺时针方向的西南季风漂流。影响中国的洋流有日本暖流（黑潮）及季风漂流等。第四十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日中国近海表层海流（左：2月，右：8月）（赵济《中国地理》）第五十页，共六十四页，编辑于2023年，星期日世界大洋环流的联系示意图（Broecker,1995)

在大洋深层环流系的垂直结构中，可分出暖、冷两种环流系统和五个基本水层（表层、次层、中层、深层和底层）。世界大洋环流体系由表层（包括次表层水）环流、中层环流、深层和底层环流所组成。表层环流主要是风成环流。中层环流、深层环流和底层环流均为盐度环流。表层水、次层水、中层水、深层水和底层水在其运动过程中，进行着全球性的水量交换与循环，这构成世界大洋中统一的环流体系。第五十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期日

从长期看，海面升降则与水的三相转换有着密切的关系。在地球水圈的水循环中，冰川积累与消融起着重要的作用。据计算，目前全球冰川的年平均消融量约3

000km2。这一数字近乎全球河流水量的3倍。冰盖消融量的增减，将直接影响海平面的升降。一般说，地球上气候较冷的时候，冰川的规模就大，大量的水体从海洋转移到冰川上储存起来，导致海面的降低。气候转暖时，冰川退缩，大量的冰川融水，又通过河流注入大海，导致海平面上升。因此，海面升降成了反映气候变化的指示器。

五、海面升降与三相转化第五十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期日第五节水量平衡水量平衡：根据质量守恒规律，地球上任何一个区域在任何一时段内，水的收入与支出的差额等于该地区的储水变化量。从长期的观点看，区域内的蓄水变量趋于零，即收入水量约等于支出水量。

降水、蒸发和径流在整个水循环中是三个重要环节。

第五十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期日水量平衡方程：

通用水平衡方程I-Q=ΔS

式中：I为区域内水的收入项；

Q为水的支出项；△S为研究时段内该区域的蓄水变化量。第五十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期日全球水量平衡（JohnMbugua等,1995）全球水量平衡：尽管对于全球海洋陆地的蒸发量、降水量与径流量的估算值还不完全相同，但有一点是共同的，就是全球的水量是平衡的。全球水平衡方程：P全球=E全球

第五十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期日第六节水圈与人类一、水——人体的重要组成生命来源于水：原始海洋中溶解的氧、二氧化碳等物质，是细胞进行新陈代谢时最好的“营养品”；厚厚的水体又像一个“保护罩”使娇弱的原始生命不致被太阳紫外线杀伤。生命运动离不开水：水是生物体的基本成分。在肌体内起着输送物质的作用；维持着肌体养分平衡，起着吸收养分，排出废物的作用；起着调节温度的作用；具有支持营养的作用。第五十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期日二、生命运动离不开水水是生物体的基本成分

。正常情况下，人体水分处于吸收与排出相等的平衡状态，但当这种平衡状态被打破时，就会影响人体正常生活。水输送物质排泄废物调节温度支持营养

基本组分第五十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期日水灾：一方面，水是人类必不可少的，并给人类带来许多好处。但另一方面，水也给人们带来了许多灾害。如果水过多也会造成灾害。水灾给人类带来的危害是巨大的，洪水灾害是造成经济损失最大的自然灾害之一。三、水灾第五十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期日中国的雨涝分布（1951—1990）

我国气候受季风影响，降水有明显的季节变化，旱涝频率都较大。我国雨涝的分布大体上是由东南向西北减少，并且与地势高低和离海远近有密切关系。沿海和平原地区多雨涝，内陆与高原地区少雨涝。

水灾给人类带来的危害是巨大的，洪水灾害是造成经济损失最主要的自然灾害。随着水灾对人类的危害日益严重，分析水灾的成因，及时做好预报和防治水灾已成为全人类共同关心的问题。第五十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期日水虽然是一种可再生资源，但依靠水循