6第六章水圈系统.ppt
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1、第六章 水圈系统 水圈的演化: 水从无到有:自生说;外生说 自生说 地球从原始星云凝聚成行星后,由于内部温度变化和重力作用,物质发生分异和对流,于是地球逐渐分化出圈层。在分化过程中,氢、氧等气体上浮到地表,再通过各种物理和化学作用最后生成水。 水是在玄武岩先熔化后冷却形成原始地壳的时候产生的。初生的地球,在继续旋转和凝聚的过程中,由于本身的凝聚收缩和内部放射性物质(如铀、钍等)的蜕变生热,温度不断增高,因此地球内部的物质也开始熔化,高熔点的物质下沉,易熔化的物质上升,从中分离出易挥发的物质:氮、氧、碳水化合物、硫和大量水蒸气。,地下深处的岩浆中含有丰富的水,实验证明,压力为15KPa,温度为1
2、000度的岩浆,可以溶解30%的水。火山口处的岩浆平均含水6%,有的可达12%,而且越往地球深处含水量越高。据此,有人根据地球深处岩浆的数量推测在地球存在的45亿年内,深部岩浆释放的水量可达现代全球大洋水的一半。 火山喷发释放出大量的水。从现代火山活动情况看,几乎每次火山喷发都有约75%以上的水汽喷出。1906年维苏威火山喷发的纯水蒸气柱高达13000米,一直喷发了20个小时。阿拉斯加卡特迈火山区的万烟谷,有成千上万个天然水蒸气喷出孔,平均每秒钟可喷出97一645度的水蒸气和热水约23000m3。据此有人认为,在地球的全部历史中,火山抛出来的固体物质总量为全部岩石圈的一半,火山喷出的水也可占现
3、代全球大洋水的一半。 地球内部矿物脱水分解出部分水,或者释放出的一氧化碳、二氧化碳等气体,在高温下与氢作用生成水。此外,碳氢化合物燃烧也可以生成水,在坚硬的火成岩中,也有一定数量的结晶水和原始水的包裹体。,外生说 人们在研究球粒陨石成分时,发现其中含有一定量的水,一般为0.5%-5%,有的高达10%以上,而碳质球粒陨石含水更多。球粒陨石是太阳系中最常见的一种陨石,大约占所有陨石总数的86%。一般认为,球粒陨石是原始太阳最早期的凝结物,地球和太阳系的其他行星都是由这些球粒陨石凝聚而成的。 太阳风到达地球大气圈上层,带来大量的氢核、碳核、氧核等原子核,这些原子核与大气圈中的电子结合成氢原子、碳原子
4、、氧原子等。再通过不同的化学反应变成水分子,据估计,在地球大气的高层,每年几乎产生1.5t这种“宇宙水“。然后,这种水以雨、雪的形式落到地球上。,太阳风是从恒星上层大气射出的超声速等离子体(带电粒子)流。,水从少到多、从酸性到碱性: 经过以上的自生和外生过程,从而使地球上的水量逐渐发生变化。据估计,35亿年前地球表层的水量只有目前的1/10。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。目前每年约有660km3的水从地慢逸出。 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
5、子所取代。早期的大洋便随着向氯离子为主的现代大洋过渡。在距今15一20亿年时,海洋中出现真核细胞的绿色植物,通过绿色植物的光合作用产生大量的游离氧,不但满足海洋中各种氧化反应,而且从水中逸至大气中,使水圈和大气圈开始具备现代特点。此时有了足够的游离氧,从而使二氧化碳转化为碳酸根,还原硫转化为硫酸根,海水中除了含大量的氯化物以外,又增添了大量的碳酸盐和硫酸盐。随着微生物光合作用的加强,海水中的二氧化碳减少,pH值提高,使古代酸性海水逐渐演变成由氯化物和硫酸盐组成的弱碱性的现代海水。此后,从寒武纪到现在,海水性质没有很大变化。,从汽到水、冰: 根据以上事实说明地球内部含有大量的水,这些水是当宇宙中
6、的尘埃凝聚成地球时,同时被封存在地球的原始球粒陨石中。由于当时地球温度很高,原物质处于熔融状态;地球自转速度也很快(35亿年前,地球自转的速度约为现在的6倍,那时地球上的一天一夜只有4h)。由于地球自转产生的重力离心分异,使重物质下沉,轻物质上升。活动性最强而又是最轻的物质之一的水,便转移到地球外壳。包含在岩浆中的水,也随着岩浆的逐渐凝固被排挤出来。这些被挤压出来的水呈水汽状态,在高空凝结为云,飘浮在地球上空。此后,地面温度逐渐降低,浓厚的水汽逐渐冷凝成水降到地面,形成原始水圈。据估计,大约6亿年前,地表温度降低到30度左右时,岩浆中挤出的水大约有99%都降落到地面,形成为地球表面的水。此后,
7、由于温度继续下降,地表形态的变化,气温在各地的差异等,在某些高纬、高海拔地区,尤其是在寒冷的冰期来临时,水又由气态、液态转化成固态。逐步形成了气态水、液态水和固态水共存,三态相互转换的水圈现代水圈。,从地理学的角度,水的作用表现在两个方面: 水是全球热量交换的载体 地球辐射差额在35S35N为正,其他为负,但全球的温度能维持相对的稳定,是因为高低纬之间主要通过大气环流和洋流交换热量,而水分则是主要的载体。 水是塑造地貌的主要外营力 内力作用形成宏地貌,而外力作用(主要是水)对宏地貌进行“雕刻”,形成微地貌。,第一节 地球上水的分布 地球-“水的行星” 地球上水的分布:水平、垂直 水平:主要表现
8、为海陆分布 垂直:大气圈、生物圈、岩石圈,第二节 水循环与水量平衡 一、水循环(water cycle) 概念:地球上各种形态的水,在太阳辐射、地心引 力等作用下,通过蒸发(evaporation)、水汽 输送、凝结(condensation)降水 (precipitation)、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。,1、水循环基本过程 地球上的水循环过程: 蒸发水汽输送降水径流(地表径流和地下径流),水循环,2、水循环机理 服从质量守衡定律; 太阳辐射和重力是基本动力; 涉及水圈、大气圈、岩石圈和生物圈; 全球水循环是闭合系统,但局部水循环却是开放 系统。,3、水循
9、环的基本类型 大循环: 概念:发生在全球海洋与陆地之间的水分交换过程。 又称为外部循环。 小循环 概念:发生在海洋与大气之间,或陆地与大气之间 的水分交换过程。又称为内部循环。 海洋小循环:海洋与大气之间的水分交换过程。 陆地小循环:陆地与大气之间的水分交换过程。,4、全球水循环的层次结构,5、水体的更替周期 T为更替周期;W为水体总贮水量;W为水体年平均参与水循环的活动量。,二、水量平衡(water balance) 概念:任意区域在任意时段内,其收入(input)的水 量与支出(output)的水量之差额必等于该时 段区域内蓄水的变化量。 全球水量平衡方程:P全球=E全球 全球水量平衡:尽
10、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 (数据来自John Mbugua,1995),第 六 章,水量平衡的研究意义: 水量平衡研究是水文、水资源学科的重大基础研究课题,具有重要的理论意义和实际应用价值。 可以定量地揭示水循环过程与全球地理环境、自然生态系统之间的相互联系、制约的关系; 是人们认识和掌握河流、湖泊、海洋、地下水等各种水体的基本特征、空间分布、时间变化以及今后发展趋势的重要手段; 为工程规划提供基本设计参数,以及用来评价工程建成以后可能产生的实际效益; 水量平衡方法是合理处理各部门不同用水需要,进行合
11、理调度、充分发挥工程效益的重要手段。,第三节 水分运动和输送 一、海水的运动和输送 海水的运动类型:洋流运动、潮汐运动、波浪运动 (一)洋流运动 1、概念及分类 概念:海洋中具有相对稳定的流速和流向的海水。 类型(按成因):风海流、密度流、补偿流 潮流(一般不算作洋流)由天体引潮力所引起,它和潮汐共存。其运动形式有旋转流(回转流)和往复流(如钱塘江)。,(1)风海流 在稳定的盛行风作用下形成的洋流。其影响深度,一般为200m左右。,(2)密度流 是由于海水密度分布不均匀引起的洋流。海水密度 分布不均匀而使海区形成了压力梯度,海水从高压 区向低压区流动,所以又称梯度流。,(3)补偿流:是由于海水
12、从一个海区大量流出,而另一个海区海水流来补充而形成的。补偿流可以是水平流动,也可以是垂直流(上升流和下降流)。,世界著名的上升补偿流,离岸风形成的上升流(涌升流):,按本身与周围海水温度的差异分为: 暖流:本身水温较周围海水温度高的洋流 寒流:本身水温较周围海水温度低的洋流 按流经的地理位置分为: 赤道流 大洋流 极地流 沿岸流,2、作用于洋流的力 风对海水的应力:风对海面的摩擦力 海水的梯度力:处于压缩状态下的流体,能产生向外膨胀的力 地转偏向力 摩擦力:当海水作相对运动时,流速不同的海水之间就会发生动量交换,表现为内切应力的摩擦力,3、世界大洋表层环流系统 大气与海洋之间相互作用、相互影响
13、,大气在海洋上获得能量而产生运动,大气运动又驱动着海水,海面上的气压场和大气环流决定着大洋表层环流系统。 (1)大洋表层环流特点,洋流的分布,世界洋流分布图,洋流分布有以下特点: 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。 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。 南半球中高纬度为西风漂流。 在南极大陆形成绕极环流。 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。影响中国的洋流有黑潮及季风漂流等。,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
14、,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 六 章,(2)大洋表层环流模式 赤道漂流 在信风带的应力作用下,形成赤道洋流(又称信风漂流),对南北半球水量交换起着重要作用。 特点:宽约2000Km,厚约200m,表面流速为2050cm/s。由于赤道偏北,所以信风漂流也偏北。 赤道逆流,副热带环流 分布在南北
15、纬50之间,并在赤道两侧成非对称出现。洋流都具有高温、高盐、水色高、透明度大的特点。 西风漂流 副极地环流,(3)太平洋洋流,黑潮起源于菲律宾吕宋岛以东海区,流经台湾一带,东到日本以东与北太平洋西风漂流相接。,黑潮特点: 在台湾以东黑潮宽度约277.8公里; 平均厚度约400米,最大厚度可达1000多米; 强流带靠近大陆一侧,在主轴右侧有巨大旋涡, 流路如蛇形; 流速在台湾以东为5080cm/s,到琉球以西增 到100130cm/s; 流量相当全世界河流总流量的20倍。,(4)大西洋洋流 湾流 湾流长约3000多公里, 宽约120公里; 表层水温约25; 流量约为全世界河流总量 的120倍;,
16、(5)印度洋洋流 北印度洋季风漂流 冬季,北印度洋盛行东北季风,形成东北季风漂 流;逆时针 夏季,北印度洋盛行 西南季风,形成西南 季风漂流。顺时针,(6)南极绕极环流 绕极环流的特点是低温、低盐,冬季大部分水温在冰点左右,流量相当于世界大洋中最强大的湾流和黑潮的总和,但流速仅为其1/10。,4、洋流对地理环境的影响,(二)潮汐运动 1、概念 概念:潮汐是海水运动的主要形式之一,是海水在月球和太阳引潮力作用下所发生的周期性升降运动。我国古代把白天出现的海水涨落叫做潮,把夜间出现的海水涨落叫做汐,合称潮汐。,潮汐要素图,潮汐是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。在潮汐涨落的每一
17、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。,第 六 章,2、潮汐的形成 引潮力并不是引力,而是两个天体之间引力与离心力的合力。,顺潮,对潮,内因:海洋水体; 外因:天体引潮力。月球引潮力是 太阳的2.17倍。,引潮力大小一方面取决于太阳和月球对地球的引力,另一方面取决于地球绕地月公共质心 运动时所产生的离心力。,
18、3、潮汐的变化 由于月球绕地球运转,在一个朔望月(29.5天)内,太阳、地球和月球的相互位置的变化相应引起潮汐的周期性变化。当初一(朔)和十五(望),太阳、地球、月球几乎在同一直线上,太阳潮最大程度加强了太阴潮,形成一月中两次最大的日月合成潮,高潮很高,低潮很低,潮差最大,即为大潮;,类型: 半日潮:在一个太阴日(24小时50分)内,有两次高潮和两次低潮,而且两相邻高潮或低潮的潮高几乎相等,涨落潮时也几乎相等。潮汐高度从赤道向两极递减,故又称为赤道潮或分点潮; 全日潮:半个月内,有连续7天以上在一个太阴日内,只有一次高潮和一次低潮,这样的潮汐称为全日潮。北部湾是世界上最典型的全日潮海区之一。
19、混合潮:在一个太阴日内,也有两次高潮和两次低潮,但潮差不等,涨潮时和落潮时也不等。,(三)波浪运动 波浪就是海水质点在它的平衡位置附近产生一种周期性的震动运动和能量的传播。波浪运动只是波形的向前传播,水质点并没有随波前进,这就是波浪运动的实质。 1、波浪要素 波浪的基本要素:波峰、波顶、波谷、波底、波高、波长、周期、波速、波峰线、波向线等等。,H,波峰是静水面以上的波浪部分;波谷是静水面以下波浪部分;波顶是波峰的最高点;波底是波谷的最低点;波高是波顶与波底间的垂直距离;波长是两相邻波顶或波底间的水平距离;波陡是波高与半个波长之比;波浪周期是两相邻的波顶(或波底)经过同一点所需要的时间;波速是波
20、形移动的速度,即波长与波浪周期之比值。波向线是表示波浪传播方向(浪向)的线;波峰线是与波向线正交,并通过波峰的线。,2、波浪的类型,波浪按成因分类 风浪和涌浪:由风力的直接作用而形成的波浪,称为风浪;当风停止或波浪离开了风区时的波浪称为涌浪;风浪属于强制波,波形和余摆线差别大,波峰高而尖陡,波峰前后不对称,前部陡峻而后部平缓,波谷比较宽平,波长较短,波速较慢,最大仅 40 50 kmh;涌浪属于自由波,波形接近余摆线,波峰圆滑而矮,前后对称,波长较长(可达500600 m ,甚至800 m 以上),波速较快,100 kmh,可以比风速大,故常利用它来预报台风或风暴。,海啸(Tsunamis):
21、 由火山爆发、海底地震引起海底大面积升降,以及沿海地带山崩和滑坡等造成的巨浪,称为地震海啸。“下降型” 和“隆起型” 。 由于强烈的大气扰动(例如台风、强低压等)而引起海水异常升降产生的巨浪,称之为风暴潮。 二者产生的原因虽不相同,但它们产生的现象和破坏力却是类似的,所以,一般将二者统称为海啸。,破坏性的地震海啸,只在地震构造运动出现垂直断层、震源深度50 km、而里氏震级大于 6.5 的条件下才会发生。其波长为几十至几百公里,周期为2200分钟,最常见的是240分钟。 C为海啸波速;为重力加速度,为水深;全球海洋的平均深度为3600m,海啸的平均前进速度为360500kmh 。公元358年至
22、今全球发生过近5,000次破坏性地震海啸,其中约85的地震海啸分布在太平洋中的岛弧海沟地带。,潮波:引潮力所致; 气压波:因气压突变而产生; 船行波:船行作用产生。 波浪按水深分类 深水波水深相对波长很大的波( 水深 L2 ),水质点运动轨迹为圆形,又称表面 波或短波; 深水波作用的极限水深等于一个 波长,该深度称为波浪作用基面或波底; 浅水波水深相对波长很小的波(水深 L2 ) ,水质点运动轨迹为椭圆形,又称 长波;浅水波与深水波比较,波速减小,波 长变短,波高增加。,二、径流的流动与输送 (一)径流形成的基本过程 1、产流阶段 当降雨满足了植物截留、洼地蓄水和表层土壤储存后,后续降雨强度又
23、超过下渗强度、其超过下渗强度的雨量,降到地面以后,开始沿地表坡面流动称为坡面漫流,是产流的开始。如果雨量继续增大,漫流的范围也就增大,形成全面漫流,这种超渗雨沿坡面流动注人河槽,称为坡面径流。地面漫流的过程,即为产流阶段。,2、汇流阶段 降雨产生的径流,沿坡面漫流汇集到附近的河网后,顺河槽向下游流动,最后全部流经流域出口断面,形成河网汇流。 河槽调蓄作用:涨水过程中,河水补给地下水,此外河网本身可以滞蓄一部分水量。因此,对同一时刻而言,出水断面以上坡面汇入河网的总水量必然大于通过出口断面的水量;而在落水过程中,与此相反,即出口断面以上汇入河网的总水量小于出口断面的水量。这种现象称为河槽调蓄作用
24、。,(二)河川径流的变化 1、描述河川径流的特征值 径流总量:单位时间内通过河流某断面的总水量。 径流深度:某一流域径流总量与该流域面积之比。 径流模数:单位时间单位流域面积上的产水量。 径流系数:任一时段内的径流深度(或径流总量)与同一时段内的降水深度(或降水总量)的比值。 模比系数:又称径流变率,是某一时段内的径流模数(或流量)与该时段径流模数多年平均值之比。,2、河川径流的变化 (1)正常径流量 即年正常径流量,是一年之中流过某一断面的平均流量,这个平均流量通常是采用多年径流量的算术平均值。 (2)河川径流的年际变化 丰水年(大于正常年径流量)、枯水年 变差系数总结: 降水量少的地区,其
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