【備課參考】2020年新人教版高中地理必修1：備課資料3.1《自然界的水循環(huán)》

自然界的水循環(huán)-備課資料一、水循環(huán)概述（一）水循環(huán)基本過(guò)程1.水循環(huán)基本過(guò)程水循環(huán)是指地球上各種形態(tài)的水，在太陽(yáng)輻射、地心引力等作用下，通過(guò)蒸發(fā)、水汽輸送、分散降水、下滲以及徑流等環(huán)節(jié)，不斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換和周而復(fù)始運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。從全球整體角度來(lái)說(shuō)，這個(gè)循環(huán)過(guò)程可以設(shè)想從海洋的蒸發(fā)開(kāi)頭；蒸發(fā)的水汽升入空中，并被氣流輸送至各地，大部分留在海洋上空，少部分深化內(nèi)陸，在適當(dāng)條件下，這些水汽分散降水。其中海面上的降水直接回歸海洋，降落到陸地表面的雨雪，除重新蒸發(fā)升入空中的水汽外，一部分成為地面徑流補(bǔ)給江河、湖泊，另一部分滲入巖土層中，轉(zhuǎn)化為壤中流與地下徑流。地面徑流、壤中流與地下徑流，最終亦流入海洋，構(gòu)成全球性統(tǒng)一的、連續(xù)有序的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)。為全球海陸間水循環(huán)過(guò)程的概化圖。整個(gè)過(guò)程可分解為水汽蒸發(fā)、水汽輸送、分散降水、水分入滲，以及地表徑流、地下徑流等5個(gè)基本環(huán)節(jié)。這5個(gè)環(huán)節(jié)相互聯(lián)系、相互影響，又交叉并存、相對(duì)獨(dú)立，并在不同的環(huán)境條件下，呈現(xiàn)不同的組合，在全球各地形成一系列不同規(guī)模的地區(qū)水循環(huán)。2.水循環(huán)機(jī)理第一，水循環(huán)聽(tīng)從于質(zhì)量守恒定律。整個(gè)循環(huán)過(guò)程保持著連續(xù)性，既無(wú)開(kāi)頭，也沒(méi)有結(jié)尾。從實(shí)質(zhì)上說(shuō)，水循環(huán)乃是物質(zhì)與能量的傳輸、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化過(guò)程，而且存在于每一環(huán)節(jié)。在蒸發(fā)環(huán)節(jié)中，伴隨液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水的是熱能的消耗，伴隨著分散降水的是潛熱的釋放，如折合電能為10.77×1014千瓦時(shí)，等于1990年全世界各國(guó)總發(fā)電量的近100倍，所以地面潛熱交換成為大氣熱量的主要來(lái)源。由降水轉(zhuǎn)化為地面與地下徑流的過(guò)程，則是勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。這些動(dòng)能成為水流的動(dòng)力，消耗于沿途的沖刷、搬運(yùn)和積累作用，直到注入海洋才消耗殆盡。其次，太陽(yáng)輻射與重力作用，是水循環(huán)的基本動(dòng)力。此動(dòng)力不消逝，水循環(huán)將永恒存在，水的物理性質(zhì)，在常溫、常壓條件下液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)三相變化的特性是水循環(huán)的前提條件；外部環(huán)境包括地理緯度、海陸分布、地貌形態(tài)等則制約了水循環(huán)的路徑、規(guī)模與強(qiáng)度。第三，水循環(huán)廣及整個(gè)水圈，并深化大氣圈、巖石圈及生物圈。其循環(huán)路徑并非單一的，而是通過(guò)很多條路線實(shí)現(xiàn)循環(huán)和相變的，所以水循環(huán)系統(tǒng)是由很多不同尺度、不同規(guī)模的局部水循環(huán)所組合而成的簡(jiǎn)單巨系統(tǒng)。第四，全球水循環(huán)是閉合系統(tǒng)，但局部水循環(huán)卻是開(kāi)放系統(tǒng)。由于地球與宇宙空間之間雖亦存在水分交換，但每年交換的水量還不到地球上總貯水量的1/15，所以可將全球水循環(huán)系統(tǒng)近似地視為既無(wú)輸入，又無(wú)輸出的一個(gè)封閉系統(tǒng)，但對(duì)地球內(nèi)部各大圈層，對(duì)海洋、陸地或陸地上某一特定地區(qū)，某個(gè)水體而言，既有水分輸入，又有水分輸出，因而是開(kāi)放系統(tǒng)。第五，地球上的水分在交替循環(huán)過(guò)程中，總是溶解并攜帶著某些物質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)，諸如溶于水中的各種化學(xué)元素、氣體以及泥沙等固體雜質(zhì)。不過(guò)這些物質(zhì)不行能像水分那樣，構(gòu)成完整的循環(huán)系統(tǒng)，所以通常意義上的水文循環(huán)僅指水分循環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)水循環(huán)。（二）水循環(huán)的類(lèi)型與層次結(jié)構(gòu)1.水循環(huán)的基本類(lèi)型通常按水循環(huán)的不同途徑與規(guī)模，將全球的水循環(huán)區(qū)分為大循環(huán)與小循環(huán)。（1）大循環(huán)發(fā)生于全球海洋與陸地之間的水分交換過(guò)程，由于廣及全球，故名大循環(huán)，又稱(chēng)外循環(huán)。大循環(huán)的主要特點(diǎn)是，在循環(huán)過(guò)程中，水分通過(guò)蒸發(fā)與降水兩大基本環(huán)節(jié)，在空中與海洋、空中與陸地之間進(jìn)行垂向交換，與此同時(shí)，又以水汽輸送和徑流的形式進(jìn)行橫向交換。交換過(guò)程中，海面上的年蒸發(fā)量大于年降水量，陸面上狀況正好相反，降水大于蒸發(fā)；在橫向交換過(guò)程中，海洋上空向陸地輸送的水汽要多于陸地上空向海洋回送的水汽，兩者之差稱(chēng)為海洋的有效水汽輸送。正是這部分有效的水汽輸送，在陸地上轉(zhuǎn)化為地表及地下徑流，最終回流入海，在海陸之間維持水量的相對(duì)平衡。（2）小循環(huán)是指發(fā)生于海洋與大氣之間，或陸地與大氣之間的水分交換過(guò)程。小循環(huán)又稱(chēng)內(nèi)部循環(huán)，前者又可稱(chēng)為海洋小循環(huán)，后者稱(chēng)陸地小循環(huán)。海洋小循環(huán)主要包括海面的蒸發(fā)與降水兩大環(huán)節(jié)，所以比較簡(jiǎn)潔。陸地小循環(huán)的狀況則要簡(jiǎn)單得多，并且內(nèi)部存在明顯的差別。從水汽來(lái)源看，有陸面自身蒸發(fā)的水汽，也有自海洋輸送來(lái)的水汽，并在地區(qū)分布上很不均勻，一般規(guī)律是距海愈遠(yuǎn)，水汽含量愈少，因而水循環(huán)強(qiáng)度具有自海洋向內(nèi)陸深處逐步遞減的趨勢(shì)，假如地區(qū)內(nèi)部植被條件好，貯水比較豐富，那么自身蒸發(fā)的水汽量比較多，有利于降水的形成，因而可以促進(jìn)地區(qū)小循環(huán)。陸地小循環(huán)可進(jìn)一步區(qū)分為大陸外流區(qū)小循環(huán)和內(nèi)流區(qū)小循環(huán)。其中外流區(qū)小循環(huán)除自身垂向的水分交換外，還有多余的水量，以地表徑流及地下徑流的方式輸向海洋，高空中必定有等量的水分從海洋送至陸地，所以還存在與海洋之間的橫向水分交換。而陸地上的內(nèi)流區(qū)，其多年平均降水量等于蒸發(fā)量，自成一個(gè)獨(dú)立的水循環(huán)系統(tǒng)，地面上并不直接和海洋相溝通，水分交換以垂向?yàn)橹?，僅借助于大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)，在高空與外界之間，進(jìn)行肯定量的水汽輸送與交換活動(dòng)。2.全球水循環(huán)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如前所述，全球水循環(huán)是由海洋的、陸地的以及海洋與陸地之間的各種不同尺度、不同等級(jí)的水循環(huán)所組合而成的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)。由于這些分子水循環(huán)系統(tǒng)既緊密聯(lián)系、相互影響，又相對(duì)獨(dú)立。所以對(duì)這個(gè)全球性的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)，可以依據(jù)海陸分布，各分子系統(tǒng)的尺度、規(guī)模不同，以及相互之間上下隸屬關(guān)系，建立如圖所示的水循環(huán)分子等級(jí)系統(tǒng)。陸地水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比海洋水循環(huán)系統(tǒng)要簡(jiǎn)單，而且在四級(jí)以下還可進(jìn)一步區(qū)分，例如長(zhǎng)江流域?yàn)樗募?jí)水循環(huán)系統(tǒng)，漢江作為長(zhǎng)江的一級(jí)支流，就屬于五級(jí)水循環(huán)系統(tǒng)，而丹江是漢江的支流，是長(zhǎng)江的二級(jí)支流，因而屬于六級(jí)水循環(huán)系統(tǒng)。（三）水體的更替周期水體的更替周期，是指水體在參與水循環(huán)過(guò)程中全部水量被交替更新一次所需的時(shí)間，通?？捎孟率阶鹘朴?jì)算：式中，T為更替周期（年或日、時(shí)）；W為水體總貯水量（米3）；ΔW為水體年平均參與水循環(huán)的活動(dòng)量（米3/年）。以世界大洋為例，總儲(chǔ)水量為13.38×1017米3，每年海水總蒸發(fā)量為50.5×1013米3，以此計(jì)算，海水全部更新一次約需要2650年；假如以入海徑流量4.7×1013米3為準(zhǔn)，則更新一次需要28468年。又如世界河流的河床中瞬時(shí)貯水量為21.2×1011米3，而其全年輸送入海的水量為4.7×1013米3，因此一年內(nèi)河床中水分可更替22次，平均每16天就更新一次。大氣水更替的速度還要快，平均循環(huán)周期只有8天，然而位于極地的冰川，更替速度極為緩慢，循環(huán)周期長(zhǎng)達(dá)萬(wàn)年。各種水體更替周期水體周期水體周期極地冰川10000a沼澤水5a永凍地帶地下冰9700a土壤水1a世界大洋2500a河水16天高山冰川1600a大氣水8天深層地下水1400a生物水12h湖泊水17a表中所列的更替周期，是在有規(guī)律的逐步輪換這一假設(shè)條件下得出的平均所需時(shí)間。實(shí)際狀況要簡(jiǎn)單得多，如深海盆的水需要依靠大洋深層環(huán)流才能緩慢地發(fā)生更替；其周期要超過(guò)2650年，而海洋表層的海水直接受到蒸發(fā)和降水的影響，其更替周期明顯無(wú)需2000多年。尤其是邊緣海受入海徑流影響，周期更短。以我國(guó)渤海為例，總貯水量約19.0×1011米3，而黃河、遼河、海河多年平均入海水量達(dá)14.55×1010米3，僅此一項(xiàng)就使渤水13年內(nèi)就可更新一次。又如世界湖泊平均循環(huán)周期需要17年，而我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的湖泊，出入水量大，交換速度快，一年中就可更換若干次。水體的更替周期是反映水循環(huán)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，亦是反映水體水資源可利用率的基本參數(shù)。由于從水資源永續(xù)利用的角度來(lái)衡量，水體的儲(chǔ)水量并非全部都能利用，只有其中樂(lè)觀參與水循環(huán)的那部分水量，由于利用后能得到恢復(fù)，才能算作可利用的水資源量。而這部分水量的多少，主要打算于水體的循環(huán)更新速度和周期的長(zhǎng)短，循環(huán)速度愈快，周期愈短，可開(kāi)發(fā)利用的水量就愈大。以我國(guó)高山冰川來(lái)說(shuō)，其總貯水量約為5×1013米3，而實(shí)際參與循環(huán)的水量年平均為5.46×1011米3，僅為總貯水量的1/100左右，假如我們想用人工融冰化雪的方法，增加其開(kāi)發(fā)利用量，就會(huì)削減其貯水量，影響到后續(xù)的利用。（四）水循環(huán)的作用與效應(yīng)水循環(huán)作為地球上最基本的物質(zhì)大循環(huán)和最活躍的自然現(xiàn)象，它深刻地影響到全球地理環(huán)境，影響生態(tài)平衡，影響水資源的開(kāi)發(fā)利用，對(duì)自然界的水文過(guò)程來(lái)說(shuō)，水循環(huán)是千變?nèi)f化的水文現(xiàn)象的根源。1.水文循環(huán)與地球圈層構(gòu)造地球表層系由大氣圈、巖石圈、生物圈以及水圈組合而成。在這一有序的浩大層次結(jié)構(gòu)中，水圈居于主導(dǎo)地位，正是水圈中的水，通過(guò)周流不息的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，樂(lè)觀參與了圈層之間界面活動(dòng)，并且深化四大圈層內(nèi)部，將它們耦合在一起。水循環(huán)，它上達(dá)15千米的高空，成為大氣圈的有機(jī)組成部分，擔(dān)當(dāng)了大氣循環(huán)過(guò)程的主角；下深地表以下1～3千米深處，樂(lè)觀參與巖石圈中化學(xué)元素的遷移過(guò)程，成為地質(zhì)大循環(huán)的主要?jiǎng)恿σ蛩兀煌瑫r(shí)水作為生命活動(dòng)的源泉，生物有機(jī)體的組成部分，它全面地參與了生物大循環(huán)，成為溝通無(wú)機(jī)界和有機(jī)界聯(lián)系的紐帶，并將四大圈層串聯(lián)在一起，組合成相互影響、相互制約的統(tǒng)一整體。從這一意義上說(shuō)，水循環(huán)深刻地影響了地球表層結(jié)構(gòu)的形成以及今后的演化與進(jìn)展。2.水循環(huán)與全球氣候水循環(huán)一方面受到全球氣候變化，尤其是大氣環(huán)流活動(dòng)的影響，另一方面它又深化大氣系統(tǒng)內(nèi)部，極其深刻地制約了全球氣候。首先，水循環(huán)是大氣系統(tǒng)能量的主要傳輸、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化者。由于雖然太陽(yáng)輻射是地球表層的根本熱源，但是大氣得到太陽(yáng)的直接輻射，僅占它吸取總能量的30％，而來(lái)自地面的長(zhǎng)波輻射占23％，地面與大氣之間濕熱交換占11％，來(lái)自蒸發(fā)潛熱輸送的能量要占到36％，居第一位。對(duì)此，前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn).H.德科爭(zhēng)辯指出，大氣循環(huán)的能量，主要是由水循環(huán)過(guò)程中汽化潛熱的轉(zhuǎn)化所供應(yīng)的。他還通過(guò)計(jì)算表明，假如大氣圈中的水汽含量比現(xiàn)在削減一半，地球表面的平均氣溫將降低5℃，兩極地區(qū)的冰蓋將大大擴(kuò)展，地球?qū)⑦M(jìn)入冰期。的地帶則支出大于收入。據(jù)估算，假如沒(méi)有熱平流來(lái)調(diào)整凹凸緯度之間的這種熱量安排的不均狀態(tài)，那么赤道四周地區(qū)的溫度要比現(xiàn)今增加10℃以上，兩極地區(qū)則要降低20℃。此外，晝夜的溫差亦要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)今的狀況。再次，水循環(huán)的強(qiáng)弱及其路徑，還會(huì)直接影響到各地的天氣過(guò)程，甚至可以打算地區(qū)的氣候基本特征。在這方面，海洋環(huán)流系統(tǒng)的氣候效應(yīng)表現(xiàn)得最為猛烈。諸如墨西哥灣流與北大西洋西風(fēng)漂流對(duì)整個(gè)西北歐地區(qū)的天氣影響，使得55°N～70°N大洋東岸最冷月平均氣溫比之同緯度大洋西岸高出16～20℃，并在北極圈內(nèi)消滅了不凍港。太平洋的黑潮海流對(duì)大陸東海岸的影響，以及有名的厄爾尼諾現(xiàn)象與秘魯海流的關(guān)系等，就是這方面典型的例子。此外，像雨、雪、霜、霰以及臺(tái)風(fēng)暴雨等天氣現(xiàn)象，本身就是水循環(huán)的產(chǎn)物，沒(méi)有水循環(huán)，亦就不存在這類(lèi)天氣現(xiàn)象。3.水循環(huán)與地貌形態(tài)及地殼運(yùn)動(dòng)地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)奠定了全球海陸分布，以及陸地表面上高山、深谷、盆地、平原等地表形態(tài)的基本輪廓。水循環(huán)過(guò)程中的流水以其持續(xù)不斷的沖刷、侵蝕作用、搬運(yùn)與積累作用，以及水的溶蝕作用，在地質(zhì)構(gòu)造的基底上重新塑造了全球的地貌形態(tài)，從兩極與高山地區(qū)的冰川地貌、濱海地區(qū)的海岸地貌、到河流沖積、積累地貌以及千姿百態(tài)的巖溶地貌，無(wú)不是水循環(huán)的杰作。按此速率，只需2500萬(wàn)年左右就可將大西洋填平，另?yè)?jù)地質(zhì)學(xué)家斯·馬·格里戈也夫估算，按現(xiàn)今風(fēng)吹、水蝕的速度，經(jīng)1.1億年，現(xiàn)在的陸地表面將被削成與世界大洋面齊平。這種日積月累的遷移、搬運(yùn)與積累作用，漸漸轉(zhuǎn)變地殼表層的應(yīng)力平衡，一旦超出其平衡點(diǎn)，就可能觸發(fā)地震，甚至引起地殼運(yùn)動(dòng)，發(fā)生滄海桑田的劇變。像我國(guó)新豐江等大型水庫(kù)在建成蓄水后，誘發(fā)六級(jí)地震，是這方面的具體例征。4.水循環(huán)與生態(tài)平衡同時(shí)，水循環(huán)的強(qiáng)度及其時(shí)空變化，還是制約一個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡或失調(diào)的關(guān)鍵；是影響地區(qū)內(nèi)生物有機(jī)體活動(dòng)旺盛、繁茂，或凋萎、貧泛的主要因子。例如，同屬于熱帶，水循環(huán)強(qiáng)盛的地區(qū)，可以成為生物繁茂的熱帶雨林，水循環(huán)弱的地區(qū)可能成為干旱草原，甚至熱帶沙漠。處于同一緯度帶的大陸東西兩岸，凡是受海洋影響大的海岸，水循環(huán)強(qiáng)盛，往往風(fēng)調(diào)雨順，生態(tài)環(huán)境比較適合生物生長(zhǎng)；反之水循環(huán)弱的海岸，相對(duì)來(lái)說(shuō)生態(tài)環(huán)境比較脆弱，自然災(zāi)難比較頻繁。此外，對(duì)于同一地區(qū)來(lái)說(shuō)，水循環(huán)強(qiáng)度的時(shí)空變化，又是造成本區(qū)洪、澇、旱等自然災(zāi)難的主要緣由，循環(huán)強(qiáng)度過(guò)大，可能引發(fā)洪水與洪澇災(zāi)難；循環(huán)過(guò)弱，可能產(chǎn)生水資源不足，形成旱災(zāi)。我國(guó)華北、西北地區(qū)相對(duì)于東南沿海地區(qū)來(lái)說(shuō)，生態(tài)環(huán)境顯得比較嚴(yán)峻，主要緣由一是本地區(qū)水循環(huán)強(qiáng)度總體上比較弱，二是時(shí)空變化比較大。5.水循環(huán)與水資源開(kāi)發(fā)利用水是人類(lèi)賴(lài)以生存、進(jìn)展的貴重資源，是廉價(jià)、清潔的能源，是農(nóng)業(yè)的命脈、工業(yè)的血液和運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，它與其他自然資源相比較主要不同點(diǎn)是水資源具有再生性和可以永續(xù)利用的特點(diǎn)。這一特點(diǎn)正是水循環(huán)所賜予的。（六）水循環(huán)與水文現(xiàn)象以及水文學(xué)科的進(jìn)展水循環(huán)是地球上一切水文現(xiàn)象的根源，沒(méi)有水循環(huán)，地球上也就不會(huì)發(fā)生蒸發(fā)、降水，徑流；不存在江河、湖泊。所以爭(zhēng)辯地球上的水循環(huán)，是生疏和把握自然界錯(cuò)綜簡(jiǎn)單的水文現(xiàn)象的一把鑰匙；是把握自然界各種水體的性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)變化及其相互關(guān)系的有效方法和手段?？梢哉f(shuō)水循環(huán)與水量平衡的爭(zhēng)辯引導(dǎo)