水文地质学基础 第2章 地球中水的分布与循环

第2章地球中水的分布与循环

本章学习内容：

1.了解地球上的水与量的分布；

2.从自然界的水循环特征，掌握水文循环与地质循环的概念；

3.理解与水文循环有关的气象、水文因素；

4.简介我国的水资源、地下水概况及中国地下水分区及煤矿水害分区。

本章重难点：

水文循环与地质循环的区别与意义；水文循环的内外因条件

2.1 地球中水的分布

水的来源？星外说（太空）、星内说（空气密度增大：气态水-液体水）

地球是一个富水的行星。

水是一种具有超乎寻常特征的分子（地球演化积极因子），可以在冰、液体、蒸汽和超临界流体之间变化，使之在各种地质作用中扮演十分重要的角色。

地球上的水从大气到地球表面至地核各个层圈都赋存有水。即：浅部层圈水，如大气圈、地球表面、岩石圈和生物圈中；深部层圈水，如地幔的水和地核水。

1）浅部层圈水

分布有大气水、地表水、地下水、生物体中的水矿物中的水，这些水均以自由态H2O分子或结合水（石膏）形式存在，以液态为主，也呈气态与固态存在。

我们从表1-1中，可以建立地球浅部层圈水的分布状况与数量概念。

表1-1 地球浅部层圈水的分布

据联合国教科文组织资料，转引自中国大百科全书《大气科学·海洋科学·水文科学》卷。未包括生物圈及岩石圈矿物结合水。

浅部层圈中水的总体积约为13.86×108（约14亿Km3）。若将这些水均匀平铺在地球体表面，水深约为2718m。但其中咸水约占97.47％，淡水只占2.53％。

2）浅部层圈水的淡水

淡水Exp：含盐量小于0.5g/L的水。

浅部层圈中水的总体积约为13.86×108。其中海水等咸水约占97.47%，淡水只占2.53%。

各淡水体的比例：约68.8%为冰川与积雪（分布在难以利用的高山和南、北极地区），0.3%为河湖，30%为地下水，其他淡水占0.9%。

淡水资源分布极不均衡，现状：人少水多、人多水少。

3）深部层圈水（了解）

地球深层圈水分布于岩石圈以下直到下地幔这一范围内。在地壳下部深约15～35km处，地温达400℃以上（高温水-岩作用分界线），压力也很大，这里的水不可能以普通液态水或气态水形式存在，而以H+、OH-、O2-或被压密的气水溶液（超临界流体）形式存在。

关于地幔的含水量，有关学者通过不同方式得到的结论基本一致。认为未经去气作用的地幔物质约含5％—7％的水。假定地幔总重量为4×1027g，其中熔融物质占25％，则地幔软流层中所含的水分总量约相当于现代海洋水总量的35～50倍。

据推测，在极高的温压下，这里的水电离为及，甚至近一步电离为

及。当软流层的岩浆沿通道上升，温压降低时，氢、氧离子将结合为自由态的水（）而析出。

2.2 自然界的水循环（自看三分钟）

水循环概念：地球上各层圈的水是相互联系、相互转化的，这一过程称为水循环。

地球上各层圈的水也是称水系统。

自然界的水循环按其循环途径长短、循环速度和涉及的圈层范围分为：水文循环、地质循环。

地质循环的概念：地球深部层圈水与浅部层圈水之间的转化过程称为地质循环。水文循环的概念：地球浅部层圈的水，即大气水、地表水和地壳岩石空隙的地下水之间的相互作用与转化。

水文循环与地质循环是很不相同的自然界水循环。水文循环通常发生于地球浅部层圈中，是H2O分子态水的转换，通常更替较快。水文循环对地球的气候、水资源、生态环境等影响显著，与人类的生存环境有直接的密切联系。

2.2.1 水文循环：

水文循环的过程：P10水文循环

思考：

水文循环的驱动力：太阳辐射（蒸发、蒸腾）、重力作用

水文循环的组成环节：蒸发、水汽输送、降水和径流，通过四个环节水文循环周而复始的进行。

水文循环的特点：与地质循环比较水文循环的速度较快，途径较短，转换交替比较迅速。

水文循环的分类（时空尺度）：

1）全球水文循环，流域（区域）水文循环和水-土-生系统水文循环。

2）大循环：海陆之间的水分交换。小循环：海陆内部的水分交换。

水文循环的作用：水通过不断转化水质得以净化（自净能力：岩土、植物相当于滤纸，其过滤作用），水通过不断循环水量得以更新再生。

水文循环的意义：

1）水作为资源不断更新再生，可以保证在其再生速度水平上的永续利用。

2）调节气候（小循环作用更加显著）

2.2.2 地质循环

1）板块运动的驱动力导致地质循环：地幔热对流

上地幔的高温熔融的塑性物质（软流圈）的大规模对流，驱动着板块的不断运动。在软流圈上升流区，上地幔熔融物质进入地壳或喷出地表形成岩浆，地幔中的水分也随之分异（H+、OH-、O2-随环境变成H2O），转化为地球浅部层圈的水，这种水成为初生水。在软流圈平流时，位于板块和板块的碰撞前缘时，地壳

浅层的低温水会俯冲进入地壳深部，作为深部水分的组成来源（H2O随环境变成H+、OH-、O2-）。

2）成岩、变质等作用

在温度、压力作用下，已固结或弱固结的岩石由物理化学条件变化，可以将水分子分解或生成。

Exp：（1）区域变质作用下，粘土矿物与碳酸盐岩重结晶，分解出H+、OH-（2）在形成新的铝硅酸盐岩石的同时，H+和OH-合称为H2O

2.3 与水文循环有关的气象、水文因素（了解）

自然界中水文循环的重要环节——蒸发、降水，与大气的物理状态密切相关；气象和水文因素对水资源的形成与分布具有重要影响。

2.3.1 主要气象因素

主要包括气温、气压、湿度、蒸发和降水

（1）气温的影响：

由于地球是大气的第二热源，因此地表的热力状况随时间和空间的变化必然导致气温的相应变化。气温在一个地区变化分为昼夜变化、季节变化和多年变化。

气温随空间的变化包括水平方向和垂直方向的变化。

（2）气压的影响：

由于大气的质量随高度增加而降低，因此压力也随高度增加而降低。

而地表热力状况的差异，则造成气压在水平方向的变化。地表覆盖状况不同，热力状态有很大差异。例如，由于水和岩石的热容量差别较大，因此，冬季大陆气温较海洋低，气压则高于海洋地区，夏季则正好相反。

这就造成了海陆之间的气压差，而形成了周期性的季风。气压差引起气流，气流运动使大气中的水分与热量重新分配，从而引起各种复杂的天气现象。（3）湿度的影响：大气中水汽含量构成了空气湿度。水汽具有重量，所以也有压力。空气中水汽含量的多少，可以用重量或压力表示。

湿度分为绝对湿度和相对湿度两种。

绝对湿度：某一地区某一时刻空气中水汽的含量

绝对湿度只能说明某一时刻空气中水汽含量的多少，而不能表明此时空气中水汽含量的饱和程度。

饱和水汽含量：某一温度下，空气中可容纳的最大水汽数量。

相对湿度：绝对湿度和饱和水汽含量之比。

当绝对湿度与饱和水汽含量相等，相对湿度等于100％。

由于饱和水汽含量随温度降低而减小，因此当绝对湿度不变时，随气温下降，相对湿度随之增高。

空气中水汽达到饱和时的气温称为露点。当气温降到露点以下，空气中过剩的水汽即凝结而形成不同形式的液态或固态降水。

（4）蒸发的影响：

在常温下水由液态变为气态进入大气的过程称为蒸发。空气中的水汽主要来自地表水、地下水、土壤和植物的蒸发。有了蒸发作用，水循环才得以不断进行。（5）降水的影响：

降水是水循环的主要环节之一，一个地区降水量的大小，决定了该地区水资源的丰富程度，对地下水资源的形成具有重要影响。

蒸发与降水对水文循环特别是地下水资源的形成与分布影响重大。.

2.3.2 水文因素（径流）

径流是水文循环的重要环节和水均衡的基本要素。

定义：指降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。

分类：径流可分为地表径流和地下径流，两者具有密切联系，并经常相互转化。

降落到地表的水通过下渗环节，对降水进行地表与地下径流的分配。

地表径流的表示方法：在水文学中常用流量（Q）、径流总量（W）、径流深度（Y）、径流模数（M）和径流系数（α）等特征值说明地表径流.

水文地质学中有时也采用相应的特征值来表征地下径流。

流量（Q）：指单位时间内通过河流某一断面的水量，单位m3/s.流量Q等于过水断面面积F与通过该断面的平均流速V的乘积，即：Q=V*F；

径流总量（W）：指某一时间T内，通过河流某一断面的总水量，单位m3.即W=Q*T；

径流深度（Y）：值单位时间内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面

积上所到的平均水层厚度，单位为mm，即Y=W/F*10-3;

径流模数（M）：指单位流域面积F（Km2）上平均产生的流量，以L/s*km2为单位，M=Q/F*103;

径流系数（α）：为同一时间内流域面积上的径流深度Y（mm）与降水量（mm）的比值。

2.4 中国水资源及地下水概况（了解）

2.4.1 中国水资源特点：

1）降水偏少，年总降水量比全球平均将数量少22%。

2）人均水资源量偏低

3）空间分布不均匀，东部丰富，西部贫乏

4）季节及年际变化大，旱涝灾害频繁

5）水质污染较严重

2.4.2 地下水供水意义：

1）分布广泛

2）变化稳定

3）具有天然调节性

4）水质良好

5）易于开发

2.4.3 中国地下水分区（了解P13）

2.4.4中国煤矿水害分区（主要考虑地下水，部分为地表水）

1.华北石炭二叠纪煤田的岩溶——裂隙水水害区；

2.华南晚二叠纪煤田的岩溶水水害区；

3.东北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；

4. 西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；

5. 西藏、滇西中生代煤田的裂隙水水害区；

6. 台湾第三纪煤田的裂隙—孔隙水水害区