水文地质学第一章

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• 二、地质循环 • 地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过
程称为水的地质循环 • 上地幔的高温熔融的塑性物质(软流圈)的
大规模对流,驱动着地壳板块的不断位移 • 在软流圈上升流区,上地幔熔融物质进入
地壳或喷出地表时,地幔岩中的水分也随 之上升与分异,转化为地球浅层圈的水 • 这种由地幔熔岩物质直接分异出来的水称 为初生水
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这些水分布在什么地方?
其他3.5%
陆地冰1.74%
沼泽0.0008%
海洋96.5%
大气水0.001%
饱水带水1.7%
永久冻土带固态水0。022%
河流水0.0002% 包气带水0.001% 湖泊0.013%
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表1-1 地球浅部层圈水的分布
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• 地球深层圈水分布于地壳下部直到下地幔这一范 围内,在地壳下部深约15——35千米处,地温达 400摄氏度以上,压力也很大,这里的水不可能 以普通液态水或气态水存在,而成为被压密的汽 水溶液
• 地幔的含水量:未经去气作用的地幔物质约含5— —7%的水
• 地幔软流层中所含水分总量约相当于现代海洋水 总量的35——50倍
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• (3)湿度
• 大气中水汽的含量构成了空气的湿度 • 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 • 绝对湿度表示某一地区某一时刻空气中水汽的含量。采用重量单
位时,用1立方米空气中所含水汽的克数表示。重量单位绝对湿 度的代表符号为m;采用压力单位时,为空气中所含水汽分压相 当于水银柱高度的毫米数,或以毫巴表示,1毫巴=100帕斯卡。 代表符号为e • 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
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自然界的水循环
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地质循环与水文循环关系示意图
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• 据E.K.马尔欣宁利用千岛群岛火山研究成 果,推算出全球所有岛弧由火山喷发作用、 水热作用和喷气作用,每年溢出地表的初 生水约为2亿吨
作业1-1:自然界的水循环可分为 和
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两类.
地球总水量13.86亿km3,其中每年平均仅0.00577亿km3参与水循环, 按此速度全部水量循环一次,或者说全部水量更新一次,需要2400
年。各种水体发生完全更新所需时间是不同的。
水在自然界是以循环运动的方式存 在的,在时间和空间上的分布是极 不均匀的。
• 首先,存在于地球各层圈的水具有共同的来源。其次, 目前有许多证据说明,地球深层的水及地壳矿物结合水 均与地球浅层圈中自由态的水相互转化,地球各层圈中 以各种形式存在的水是一个相互联系、相互转化的整体。 而且,在成岩、成矿、岩浆、变质等过程乃至地球形变 过程中,深层圈的水及矿物结合水都发挥着重要的不可 忽视的作用
• 对流层的厚度随纬度的增加而减小
• 赤道地区可达17——18千米,中纬度带10——12千米,极地 地区为8——9千米。
• 对流层受地面的热影响,其温度随高度增加而递减。因此, 对流层经常发生上升和下降气流,和大规模的水平对流。
• 其物理状态随时间和空间的变化,决定着气象要素的复杂变 化
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作业1-3:主要气象因素有 、 、 、 和 。
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• (2)气压 • 大气的质量施加在地表或地表物体上的压力称为
大气压力。 • 常用毫米汞柱表示。在标准状态下(气温为0摄
氏度,纬度45度的海平面上)的气压为 760毫米 汞柱高度,即约相当于十万帕斯卡压力 • 大气质量随高度增加而降低,压力也随高度增加 而降低。 • 气压差别引起气流,气流运动使大气中的水分和 热量重新分配,从而引起各种复杂的天气现象
极地冰盖、 常年雪、 地下冰 世界大洋 高山冰川 地下水(深部) 湖泊 沼泽 土壤水 河水 大气水 生物水
10000年 2500年 1600年 1400年
17年 5年 1年 16日 8日 几小时
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• 一、水文循环 • 水文循环是在太阳辐射和重力的共同作用下发生于大气水、地表
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• 学习水循环的意义 • 水文循环和地质循环是很不相同的自然界
水循环 • 水文循环通常发生在地球的浅层圈中,是
分态水的转换,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 • 水文循环是水文学、水文地质学的研究重 点
• 根据大气的热力性质,自地表面上可将大气圈分为五层: 对流层、平流层、中层、热层和外层
• 对流层在大气层的最低层,紧靠地球表面,其厚度大约为 10至20千米。对流层的大气受地球影响较大,云、雾、雨 等现象都发生在这一层内,水蒸气也几乎都在这一层内存 在。
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• 对流层的状态和运动规律是影响水文循环和水资源分布的最 重要的因素
• 据推测,在极高的温压下,这里的水电离为氢离 子和氢氧根离子,甚至进一步电离为氢离子和氧 离子。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析出
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• 地球深层圈中特殊高温高压下的离解状态的水,以及地 壳矿物内部的结合水,均是以非自由态存在的水。传统 观点未将其纳入地球水圈之中,这是值得商榷的
水系统
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地球上有多少水?不包括 生物体内的水和矿物中的 水,浅部层圈中水的总体 积约为: 13.86×108 km3 (根据联合国教科文组织 最新发表数字);
若平铺在地球表面将形成 2718 m 的水层。
其中咸水占97.47%,淡水 只占2 . 53%
• 2、大气的热源
• 太阳的热辐射是地表和大气的最主要热源 • 大气的主要成分氮和氧几乎不吸收太阳辐射能,水汽和二氧化碳
主要吸收波长较长的红外光线,太阳辐射主要是短波辐射,故大 气直接吸收的太阳辐射能仅占15% ,其余部分42% 通过散射和 反射返回宇宙空间,43% 到达地球表面。
• 地表接受辐射热后,再向大气和宇宙空间辐射热量,主要是长波 辐射,大部分为大气吸收而增温。
• 空气与地面直接接触,由于热传导、对流而升温,是大气增温的 主要原因,因此,地表是大气的二次热源
• 地表热力状况在时间和空间上的变化,直接引起大气物理状态的 变化,如:气温
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• 3、主要气象因素 • (1)气温 • 地表热力状况在时间和空间上的变化必然导致气温的相
• 本教材认为:广义的水圈应当包括地球各圈层中以不同 状态存在且相互转化的所有的水
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• 第二节 自然界的水循环
• 自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水构 成一个系统,这一系统内的水相互联系、 互相转化的过程即是自然界的水循环
• 自然界的水循环按其循环途径长短、循环 速度的快慢以及涉及层圈的范围,可分为 水文循环和地质循环两类
应变化 • 气温随时间的变化是指一个地区的昼夜变化、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变化 • 高度相同的地区,气温变化主要受纬度控制,自赤道向
两极由高变低。以同一时期各地区气温平均值绘制等温 线图来表示气温的水平变化 • 垂直方向的变化,是指同一地点不同高度上气温的变化, 在对流层内,气温随高度增加而递减,一般每升高100 米,气温约降低0.5度
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• 第三节 百度文库水文循环有关的气象、水文因素
• 一、气象因素 • 自然界中水循环的重要环节——蒸发、降水,
都与大气的物理状态密切相关;气象和气候因 素对水资源的形成与分布具有重要影响
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1、大气圈的结构
大气圈又叫大气层,地球 就被这一层很厚的大气层包 围着。据科学家估算,大气 质量约6000万亿吨,差不多 占地球总质量的百万分之一 。 大气层的成分主要有氮气, 占78.1%;氧气占20.9%; 氢气占0.93%;还有少量的 二氧化碳、氦气、氖气、氪 气、氙气和水蒸汽。大气层 的空气密度随高度而减小, 越高空气越稀薄。
水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环。 • 水文循环的特点:循环速度较快、途径较短,转换交替比较迅速 • 水文循环的能动力及循环方式:水文循环是在太阳辐射和重力的
共同作用下,以蒸发、降水和径流等方式周而复始进行的.
作业1-2:水文循环:
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• 水文循环的过程 • 地表水、包气带水及饱水带中浅层水通过蒸发和
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基本任务: 弄清水循环演变规律
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• 水文循环分为小循环和大循环 • 大循环:海洋与大陆之间的水分交换 • 小循环:海洋或大陆内部的水分交换 • 通过调节小循环的条件,加强小循环的频
率和强度,可以改善局部性的干旱气候 • 目前人力仍无法改变大循环条件
• 在下降流区,含有大量水的地壳岩块俯冲 沉入地幔,使地幔得到浅层圈水的补充
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• 自然界的地质循环还发生在成岩作用、变 质作用、风化作用等过程中
• 这些地质作用过程中,不仅有分子态的水 进入矿物成为矿物结合水或从矿物中脱出
• 同时还常常伴随着水分子的分解和合成
此时空气中水汽含量的饱和程度,因此又有相对湿度的概念。
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• 空气中所能容纳的最大水汽数量随着气温升 高而增大 • 不同温度下的饱和水汽含量
t℃ -30° -20° -10° 0° 10° 20° 30°
E 0.4 (mm)
M 0.5 /克 立方米
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• 大气中水汽的垂向分布不均匀:大气圈最下部3.5千米范围 内集中了其全部水量的70%,下部5千米范围内含全部水量 的90%,再往高处水汽含量已十分稀少了。
• 水汽在大气中分布不均匀。以体积百分比算:大气中水蒸 气的含量平均为 :赤道带2.6 % ,北纬70度处0.2%,90度 纬度带0.9%.
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• 生物圈的水及矿物结合水 • 人体构成中水平均占70%。 • 植物体的水分含量可高达90%以上。 • 水是生物体的重要组成部分,人体构成中水占65~70%,植物体
的水分含量达90%。 • 正常情况下,一个人一天需要2~3千克水。当人体缺水1%-2%,
感到渴;缺水5%,口干舌燥,皮肤起皱,意识不清,甚至幻视; 当人体失水10%~20%时,就会出现幻觉,甚至死亡。没有食物, 人可以活较长时间(有人估计为两个月),如果连水也没有,顶 多能活一周左右。一个人在饥饿时,可以损失40%的体重而不致 毙命,但是如果损失了20%的水分,就很有可能死亡。 • 矿物结合水是指矿物结晶内部及其间的水。如:沸石水、结晶水、 结构水等 • 矿物结合水在一定温度下从矿物中释出成为自由态的水,与其他 水体相互转换。
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• 地壳浅表部水分如此往复不已的循环转化, 是维持生命繁衍与人类社会发展的必要前 提
• 地壳浅部的水循环意义(作用): • 一方面,水通过不断转化而水质得以净化 • 另一方面,水通过不断循环水量得以更新
再生。 • 水作为资源可以不断的更新再生,可以保
证在其再生速度水平上的永续利用
植物蒸腾而变为水蒸气进入大气圈 • 水汽随风飘移,在适宜条件下形成降水 • 落到陆地上的大气降水,部分汇集于江河湖沼形
成地表水,部分渗入地下 • 渗入地下的水,部分滞留于包气带中(其中的土
壤水为植物提供了生长所需的水分),其余部分 渗入饱水带岩石空隙之中,成为地下水。 • 地表水和地下水有的重新蒸发返回大气圈,有的 通过地表径流和地下径流返回海洋
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