第一章 地球上的水及其循環(huán)

1、第一章 地球上的水及其循環(huán)w地球上的水w自然界的水循環(huán)w與水文循環(huán)有關的水文、氣象要素第1節(jié) 地球上的水w 地球上水的存在：地球上水的存在： 不僅存在于大氣圈、地球表面、巖石圈和生物不僅存在于大氣圈、地球表面、巖石圈和生物圈中，也存在于地球深部的地幔乃至地核中。圈中，也存在于地球深部的地幔乃至地核中。w 淺部層圈水與深部層圈水：淺部層圈水與深部層圈水：n淺部層圈水：從大氣圈到地殼上半部的水。淺部層圈水：從大氣圈到地殼上半部的水。包括大氣水、地表水、地下水及生物體中水。包括大氣水、地表水、地下水及生物體中水。n深部層圈水：地殼下部到下地幔中的水。深部層圈水：地殼下部到下地幔中的水。第1節(jié) 地球上

2、的水-淺部層圈水第1節(jié) 地球上的水-深部層圈水l地殼下部深約地殼下部深約1535KM處，地溫達處，地溫達400以以上，壓力也很大，為壓密的氣水溶液。上，壓力也很大，為壓密的氣水溶液。l不以普通液態(tài)水或氣態(tài)水形式存在，而是不以普通液態(tài)水或氣態(tài)水形式存在，而是呈離解狀態(tài)的水，其與地殼礦物內(nèi)部的結呈離解狀態(tài)的水，其與地殼礦物內(nèi)部的結合水均是非自由態(tài)存在的水。合水均是非自由態(tài)存在的水。l地球深層圈水和礦物結合水與地球淺層圈地球深層圈水和礦物結合水與地球淺層圈自由水是相互聯(lián)系、轉(zhuǎn)化的整體。自由水是相互聯(lián)系、轉(zhuǎn)化的整體。l廣義的水圈包括地球各層圈中以各種不同廣義的水圈包括地球各層圈中以各種不同狀態(tài)存在且相

3、互轉(zhuǎn)化的所有水。狀態(tài)存在且相互轉(zhuǎn)化的所有水。第2節(jié) 自然界的水循環(huán)w 自大氣圈到地幔的地球各個層圈中的水構自大氣圈到地幔的地球各個層圈中的水構成一個系統(tǒng)。這一系統(tǒng)內(nèi)的水相互聯(lián)系、成一個系統(tǒng)。這一系統(tǒng)內(nèi)的水相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化的過程即是相互轉(zhuǎn)化的過程即是自然界的水循環(huán)自然界的水循環(huán)。w 自然界的水循環(huán)按其循環(huán)途徑長短、循環(huán)自然界的水循環(huán)按其循環(huán)途徑長短、循環(huán)速度的快慢以及涉及層圈的范圍，可分為速度的快慢以及涉及層圈的范圍，可分為水文循環(huán)和地質(zhì)循環(huán)水文循環(huán)和地質(zhì)循環(huán)兩類。兩類。 第2節(jié) 自然界的水循環(huán) w 水文循環(huán)水文循環(huán)(hydrologic cycle)： 是發(fā)生于大氣水、地表水和地殼巖石空隙中

4、的是發(fā)生于大氣水、地表水和地殼巖石空隙中的地下水之間的水循環(huán)。水文循環(huán)的速度較快，地下水之間的水循環(huán)。水文循環(huán)的速度較快，途徑較短，轉(zhuǎn)換交替比較迅速。途徑較短，轉(zhuǎn)換交替比較迅速。 w 小循環(huán)與大循環(huán)：小循環(huán)與大循環(huán)： 海洋與大陸之間的水分交換為大循環(huán)。海洋或海洋與大陸之間的水分交換為大循環(huán)。海洋或大陸內(nèi)部的水分交換稱為小循環(huán)。大陸內(nèi)部的水分交換稱為小循環(huán)。 第2節(jié) 自然界的水循環(huán)-水文循環(huán)第2節(jié) 自然界的水循環(huán)-水文循環(huán)第2節(jié) 自然界的水循環(huán)-水文循環(huán)w 地下水資源具有以下特點：地下水資源具有以下特點：n可恢復性?？苫謴托?。n系統(tǒng)性：和地表水資源密切聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化系統(tǒng)性：和地表水資源密切聯(lián)系和

5、相互轉(zhuǎn)化n在時間和空間分布上的不均勻性在時間和空間分布上的不均勻性n有較大的儲量和較大的調(diào)蓄能力有較大的儲量和較大的調(diào)蓄能力n復雜性復雜性第2節(jié) 自然界的水循環(huán)-地質(zhì)循環(huán)w 地質(zhì)循環(huán)：地質(zhì)循環(huán)：地球淺層圈和深層圈之間水的相互地球淺層圈和深層圈之間水的相互轉(zhuǎn)化過程。轉(zhuǎn)化過程。n上地幔軟流圈對流運動時的水分循環(huán)上地幔軟流圈對流運動時的水分循環(huán)n在成巖、變質(zhì)和風化作用過程中水分子的分在成巖、變質(zhì)和風化作用過程中水分子的分解與合成轉(zhuǎn)換及分子態(tài)水進入礦物或從礦物解與合成轉(zhuǎn)換及分子態(tài)水進入礦物或從礦物中脫出形成再生水的轉(zhuǎn)換中脫出形成再生水的轉(zhuǎn)換第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的氣象、水文因素w 主要氣象要素主要氣象

6、要素 包括：降水、蒸發(fā)、濕度、氣溫和氣壓包括：降水、蒸發(fā)、濕度、氣溫和氣壓 w 水文要素水文要素 包括：流量包括：流量 、徑流總量、徑流總量 、徑流模數(shù)、徑流模數(shù) 、徑、徑 流深度流深度 和徑流系數(shù)和徑流系數(shù) 第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素w 氣溫氣溫n氣溫隨時間的變化是指一個地區(qū)氣溫的晝夜氣溫隨時間的變化是指一個地區(qū)氣溫的晝夜變化、季節(jié)變化和多年變化。變化、季節(jié)變化和多年變化。 n氣溫隨空間的變化包括水平方向和垂直方向氣溫隨空間的變化包括水平方向和垂直方向的變化：的變化：l高度相同的地區(qū)，氣溫變化主要愛緯度的控制，高度相同的地區(qū)，氣溫變化主要愛緯度的控制，一般自赤道向兩極由高到低。以同

7、一時期各地區(qū)一般自赤道向兩極由高到低。以同一時期各地區(qū)氣溫平均值繪制等溫線圖來表示氣溫水平變化。氣溫平均值繪制等溫線圖來表示氣溫水平變化。 第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素l垂直方向的變化，是指同一地點不同高度垂直方向的變化，是指同一地點不同高度上的氣溫的變化。在對流層內(nèi)，氣溫隨高上的氣溫的變化。在對流層內(nèi)，氣溫隨高度增加而遞減，一般每升高度增加而遞減，一般每升高100m，氣溫約，氣溫約降低降低0.50C。w 氣壓：氣壓：大氣的質(zhì)量施加在地表或地表物體上的大氣的質(zhì)量施加在地表或地表物體上的 壓力稱為大氣壓力。壓力稱為大氣壓力。n水氣壓水氣壓(e)：大氣中水汽所具有的壓力。：大氣中水汽所具有

8、的壓力。n飽和水氣壓飽和水氣壓(E)：在一定溫度下，一定體積空：在一定溫度下，一定體積空氣氣 中所容納的水汽含量是有一定限度的，水中所容納的水汽含量是有一定限度的，水第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素 汽含量超過這個極限，水汽就凝結成水滴。汽含量超過這個極限，水汽就凝結成水滴。水汽含量恰好達到這個限度，則稱這時的空水汽含量恰好達到這個限度，則稱這時的空氣是飽和空氣。飽和空氣的水汽壓稱為飽和氣是飽和空氣。飽和空氣的水汽壓稱為飽和水汽壓。水汽壓。 eE 未飽和未飽和 出現(xiàn)蒸發(fā)出現(xiàn)蒸發(fā) e = E 飽飽 和和 水和水汽動態(tài)平衡水和水汽動態(tài)平衡 eE 過飽和過飽和 凝結降水凝結降水第3節(jié) 與水文循環(huán)

9、有關的主要氣象因素n水汽壓水汽壓e、飽和水汽壓、飽和水汽壓E與溫度與溫度t有關：有關：le與與t沒有定量關系，但沒有定量關系，但t增高，增高，e增大增大lE與與t呈指數(shù)關系：呈指數(shù)關系： E0為氣溫為氣溫0時的飽和水汽壓時的飽和水汽壓 a、b為常數(shù)：對水面為常數(shù)：對水面a=7.45 b=235 對冰面對冰面 a=9.5 b=265.5 E隨隨t的增高而增大，對降水和凝結有極為重要意義。的增高而增大，對降水和凝結有極為重要意義。 第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素n飽和差（飽和差（d）：同一溫度下）：同一溫度下E和和e的差。的差。w 空氣濕度空氣濕度 指空氣的潮濕程度指空氣的潮濕程度空氣中含水

10、汽的程度空氣中含水汽的程度n絕對濕度（絕對濕度（m）：某地區(qū)某時刻每）：某地區(qū)某時刻每1立方米空立方米空氣中實際所含水汽重量的克數(shù)（氣中實際所含水汽重量的克數(shù)（g/m3）。）。 m = 289e/T T為絕對溫標為絕對溫標 或或 m = 217e/T第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素n飽和濕度（飽和濕度（M）：某溫度下）：某溫度下1立方米空氣中可立方米空氣中可容納的最大水汽重量（容納的最大水汽重量（ g/m3 ）。）。 M隨隨t增高而增大。增高而增大。n相對濕度（相對濕度（r）：同溫度下空氣中實際所含水）：同溫度下空氣中實際所含水汽量與飽和時水汽兩的比值。汽量與飽和時水汽兩的比值。 r =

11、（m/M）100 r 100 未飽和未飽和 出現(xiàn)蒸發(fā)出現(xiàn)蒸發(fā) r = 100 飽和飽和第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素 r 100 過飽和過飽和 凝結降水凝結降水n露點：空氣中水汽達到飽和時的氣溫。露點：空氣中水汽達到飽和時的氣溫。w 蒸發(fā)蒸發(fā) 指在常溫下水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)進入大氣的過指在常溫下水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)進入大氣的過程。程。 包括：陸面蒸發(fā)包括：陸面蒸發(fā)土壤蒸發(fā)和植物蒸騰土壤蒸發(fā)和植物蒸騰 水面蒸發(fā)水面蒸發(fā)江、河、湖、海、湖泊、江、河、湖、海、湖泊、水庫等地表水體。水庫等地表水體。第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素n水面蒸發(fā)：受下列因素影響：水面蒸發(fā)：受下列因素影響：l飽和差：即水面

12、溫度條件下的飽和水汽壓和實際飽和差：即水面溫度條件下的飽和水汽壓和實際水汽壓之差。差值越大，蒸發(fā)越強烈。一般，兩水汽壓之差。差值越大，蒸發(fā)越強烈。一般，兩者呈線性關系。者呈線性關系。l風速：風速大，擴散強，因而蒸發(fā)愈強。風速：風速大，擴散強，因而蒸發(fā)愈強。l溫度：體現(xiàn)在汽化的強弱上。包括水溫和氣溫。溫度：體現(xiàn)在汽化的強弱上。包括水溫和氣溫。兩者同時在飽和差中得到反映。兩者同時在飽和差中得到反映。l水質(zhì)：渾濁水與清水比較，受相同熱能情況下，水質(zhì)：渾濁水與清水比較，受相同熱能情況下，渾濁水的溫度比清水溫度高，因而清水蒸發(fā)快；渾濁水的溫度比清水溫度高，因而清水蒸發(fā)快；第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象

13、因素 水中若含有鹽分，因鹽分子有吸水力，使水面蒸水中若含有鹽分，因鹽分子有吸水力，使水面蒸發(fā)減少，因而在相同環(huán)境條件下，海水蒸發(fā)比淡發(fā)減少，因而在相同環(huán)境條件下，海水蒸發(fā)比淡水要小。水要小。n土壤蒸發(fā)土壤蒸發(fā) 指土壤表面由濕變干的過程。指土壤表面由濕變干的過程。 有下列影響因素：有下列影響因素：l土壤含水量：是主要因素。含水量高，蒸發(fā)強度土壤含水量：是主要因素。含水量高，蒸發(fā)強度大，且穩(wěn)定。大，且穩(wěn)定。第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素l地下水埋深：埋深愈淺，蒸發(fā)量愈大。若地下水地下水埋深：埋深愈淺，蒸發(fā)量愈大。若地下水面接近地面，其蒸發(fā)量接近光滑水面的蒸發(fā)量。面接近地面，其蒸發(fā)量接近光滑水

14、面的蒸發(fā)量。 潛水蒸發(fā)量為零時的最小地下水埋深，稱為極潛水蒸發(fā)量為零時的最小地下水埋深，稱為極限埋深。限埋深。l土壤結構：影響孔隙的數(shù)量、體積、和連通性。土壤結構：影響孔隙的數(shù)量、體積、和連通性。 土壤顆粒越小，毛細上升高度越大，蒸發(fā)越強。土壤顆粒越小，毛細上升高度越大，蒸發(fā)越強。l土壤色澤：影響對太陽熱能的吸收，從而土壤內(nèi)土壤色澤：影響對太陽熱能的吸收，從而土壤內(nèi)的溫度和水分蒸發(fā)。即土壤顏色越深，越易蒸發(fā)。的溫度和水分蒸發(fā)。即土壤顏色越深，越易蒸發(fā)。第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素 地表特征：包括起伏和坡向等。一般：地表特征：包括起伏和坡向等。一般： 高地的蒸發(fā)量比谷地和盆地的蒸發(fā)量大；

15、高地的蒸發(fā)量比谷地和盆地的蒸發(fā)量大； 粗糙地面的蒸發(fā)量比平滑地面的大；粗糙地面的蒸發(fā)量比平滑地面的大； 陽面坡比陰面坡蒸發(fā)量大。陽面坡比陰面坡蒸發(fā)量大。l空氣濕度：地面以上的濕度梯度越大，土壤蒸發(fā)空氣濕度：地面以上的濕度梯度越大，土壤蒸發(fā)越強烈。越強烈。l空氣溫度：包括氣溫和地溫。兩者越高，蒸發(fā)越空氣溫度：包括氣溫和地溫。兩者越高，蒸發(fā)越多。多。l風：越大，蒸發(fā)越強烈。風：越大，蒸發(fā)越強烈。第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素l降水量和降水方式：降水量越大，蒸發(fā)量越大。降水量和降水方式：降水量越大，蒸發(fā)量越大。同量的降水量，降水強度越小，蒸發(fā)量越大。同量的降水量，降水強度越小，蒸發(fā)量越大。n植

16、物蒸騰：植物蒸騰： 指土壤水分被植物根系吸收，通過植物莖內(nèi)指土壤水分被植物根系吸收，通過植物莖內(nèi)導管移動到葉部，然后從葉部氣孔化汽逸出導管移動到葉部，然后從葉部氣孔化汽逸出的過程。的過程。 影響因素如下：影響因素如下：l植物性質(zhì)：包括葉面大小、根系性質(zhì)和大小、氣植物性質(zhì)：包括葉面大小、根系性質(zhì)和大小、氣孔數(shù)量等孔數(shù)量等。第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素l植物種類：水稻、小麥、豆類等不同作物的蒸騰植物種類：水稻、小麥、豆類等不同作物的蒸騰程度不同。程度不同。 注意：注意：蒸騰的深度受植物根系分布深度控制，它蒸騰的深度受植物根系分布深度控制，它可以達數(shù)十米深；可以達數(shù)十米深； 蒸騰只消耗水分而

17、不帶走鹽分。蒸騰只消耗水分而不帶走鹽分。l土壤含水量：土壤含水量減小，則蒸騰強度顯著土壤含水量：土壤含水量減小，則蒸騰強度顯著降低。降低。l氣溫：氣溫越高，則蒸發(fā)強度越大。氣溫：氣溫越高，則蒸發(fā)強度越大。l飽和差：蒸發(fā)強度與之成線性關系。飽和差：蒸發(fā)強度與之成線性關系。第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素w 降水降水 當空氣中水汽含量達飽和狀態(tài)時，超過飽和當空氣中水汽含量達飽和狀態(tài)時，超過飽和限度的水汽便凝結，以液態(tài)或固態(tài)形式降落到限度的水汽便凝結，以液態(tài)或固態(tài)形式降落到地面，這就是降水。地面，這就是降水。 降水量，以某一地區(qū)某一時期的降水總量降水量，以某一地區(qū)某一時期的降水總量平鋪于地面得到

18、的水層高度平鋪于地面得到的水層高度mm數(shù)表示。數(shù)表示。n 降水形式：雨、雹、雪、露、霜等。降水形式：雨、雹、雪、露、霜等。第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主要氣象因素n降水要素：降水量、降水強度、降水歷時、降水要素：降水量、降水強度、降水歷時、降水面積。降水面積。l降水量：某時段內(nèi)降至不透水平面上的水層厚度降水量：某時段內(nèi)降至不透水平面上的水層厚度（mm）。）。l降水歷時：降水所持續(xù)的時間。降水歷時：降水所持續(xù)的時間。l降水強度：單位時間內(nèi)的降水量。降水強度：單位時間內(nèi)的降水量。l降水面積：降水所籠罩的水平面積。降水面積：降水所籠罩的水平面積。n我國降水量的分布特點：我國降水量的分布特點：第3節(jié) 與水

19、文循環(huán)有關的主要氣象因素l從東南到西北方向逐漸減少；從東南到西北方向逐漸減少； 東南和華南各省年平均降水量東南和華南各省年平均降水量15002000mm 長江流域一般長江流域一般1200mm 黃河下游、陜甘南部、華北平原一般黃河下游、陜甘南部、華北平原一般600700mm 再向西北，如塔里木盆地小于再向西北，如塔里木盆地小于50mml山地多于平原，迎風坡多于背風坡；山地多于平原，迎風坡多于背風坡； 如海南島的東面、東北面是迎風坡，年降雨量高如海南島的東面、東北面是迎風坡，年降雨量高達達22002400mm，而西南背風坡雨量在，而西南背風坡雨量在1000mm以以下。下。第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的主

20、要氣象因素l雨季四月底開始，十月中旬結束；雨季四月底開始，十月中旬結束； 長江流域雨季六月上旬開始，九月結束；長江流域雨季六月上旬開始，九月結束； 華北和東北降水量年內(nèi)分布不均；華北和東北降水量年內(nèi)分布不均； 夏季雨量一般占全年雨量的夏季雨量一般占全年雨量的1/2以上。以上。l雨季的起止時間各地先后不同。雨季的起止時間各地先后不同。 開始時間：南方早，北方遲；東部沿海地區(qū)早，開始時間：南方早，北方遲；東部沿海地區(qū)早，西部內(nèi)陸地區(qū)遲；西部內(nèi)陸地區(qū)遲； 結束時間：北方早，南方遲。結束時間：北方早，南方遲。 如：華南沿海雨季七月中旬開始，八月底結束。如：華南沿海雨季七月中旬開始，八月底結束。第3節(jié)

21、與水文循環(huán)有關的水文知識w 水系、流域水系、流域n水系水系(drainage system, drainage network)：指匯流于：指匯流于某一干流的全部河流、溪溝、湖泊等構成的脈絡相某一干流的全部河流、溪溝、湖泊等構成的脈絡相連的地表水流系統(tǒng)。連的地表水流系統(tǒng)。n流域流域(drainage area)：一個水系的全部集水區(qū)域。：一個水系的全部集水區(qū)域。w 分水點、分水嶺和流域面積分水點、分水嶺和流域面積n分水點：分水點：n分水線（嶺）分水線（嶺）(subdivide;drainage divide)：分水點的：分水點的連線。連線。第3節(jié) 與水文循環(huán)有關的水文知識n流域面積：由地面分水嶺流域面積：由地面分水嶺(surface watershed,topographic divide)所控制的流域所控制的流域平面面積。平面面積。w 徑流與徑流特征值徑流與徑流特征值n徑流徑流(runoff,subt