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第12章 流动的科学——水循环(2)

(1)在自然因素中,气象因素是主导因素。因为在水循环的几个环节(水分蒸发、水汽输送、凝结降水、径流)中除径流外,其他三个环节都取决于气象过程。

气象因素包括大气环流、风向、风速、温度、湿度等,另外也存在着一些地理因素,如地形、地质、土壤、植被等。

(2)人为因素主要表现在调节径流、加大蒸发、增加降水等环节。人类活动不断改变着自然环境,越来越多地影响水循环的过程。

人类构筑水库、开凿运河、渠道、河网以及大量开发利用地下水等,改变了水本来的径流路线,引起水的分布和运动状况的变化。农业的发展、森林的破坏,引起了蒸发、径流、下渗等过程的变化。城市和工矿区的大气污染和“热岛效应”也可改变本地区的水循环状况。

3.水循环中的污染与自净

水体是地面水(河流、湖泊、沼泽、水库)、地下水和海水的总称。在环境科学领域,水体不仅仅指的是水,它还包括水中的溶解物、悬浮物、水生生物和底泥,它一般被当做是一个完整的生态系统来看待。

(1)水体污染

所谓水体污染就是指进入水体的污染物造成该水体中某些物质(特别是对生物有毒性的或造成水体水质恶化的物质)超过了水体的本底值或水体的自净能力,从而使得该水体部分或全部失去它的功能或用途。这里所说的本底值指的是环境本底值,即环境背景值。环境背景值是环境要素在未受污染情况下化学元素的正常含量,以及环境中能量分布的正常值。测定环境背景值的确定方法是,首先在远离污染源的地方采集样品,分析测定化学元素含量,再运用数理统计等方法检验分析结果,然后取分析数据的平均值(或数值范围)作为背景值。环境背景值的测定,为环境质量的评价和预测,为污染物在环境中迁移转化规律的研究和环境标准的制定等提供了重要的依据。有了环境背景值,人类在水循环中的负面作用就有了一个参考,促使人们能更合理地开发和利用水资源。

人类生产生活排出的污染物通过不同的途径进入水循环。矿物燃料燃烧产生二氧化硫和氮氧化物,可以形成酸雨,进而把大气污染转变为地面水和土壤的污染。大气中的颗粒物也可通过降水等过程返回地面,土壤和固体废弃物受降水的冲洗、淋溶等作用,其中的有害物质通过径流、渗透等途径,参加水循环而迁移扩散。

人类排放的工业废水和生活污水,使地表水或地下水受到污染,最终也使海洋受到污染。

水在循环过程中,沿途挟带的各种有害物质,可由于水的稀释扩散、降低浓度而无害化,这是水的自净作用。

但也可能由于水的流动而造成其他地区或更大范围的污染。

在水受到污染之后,除了人类采取的补救措施外,由于水存在一个循环系统,水也能对污染物作出反应,使水体恢复正常,我们称之为水的自净能力。

(2)水体自净

水体自净是发生在受到污染(特别是有机污染)的水体中的一个生态学过程,在这个过程中微生物消耗或吸收了水中的污染物,使得水或水体向净化的方向转变,造成这一转变的生物化学过程常被称作生物降解。生物降解是指在微生物作用下,有机化合物转化为低级有机物和简单无机物的过程。

生物降解分为好氧生物降解和厌氧生物降解。前者是指在溶解氧(氧分子)存在的条件下,由好氧微生物完成的生物化学反应;后者是指在氧气不足或无氧气的情况下,由厌氧微生物完成的生物化学反应。有的微生物既能在有氧条件下进行生物化学反应,也能在无氧或缺氧条件下进行生物化学反应,我们称之为兼性微生物。

在未受污染的水体中,水中都有一定浓度的溶解氧。但是,当水体受到有机物的污染后,水体中的微生物就会大量繁殖起来。由于好氧微生物比厌氧微生物生长快,所以好氧微生物首先发展壮大。当好氧微生物发展到一定数量,它们消耗水中溶解氧的速率有可能超过空气中的氧气向水中溶解的速率(称为复氧速率)。一旦如此,水中的溶解氧浓度就开始迅速下降,直到浓度降到接近为零,使水体呈现无氧或缺氧的状态。在缺氧或无氧状态下,好氧微生物的生长受到抑制,而厌氧微生物则大量繁殖起来,继承了大部分的自净工作。实际上,当一个水体受到较严重的有机物污染时,水中的溶解氧是随水的深度变化的,表层水体的溶解氧较高,越往深处溶解氧越低,直到厌氧状态。因此,好氧微生物集中在水体的上部,阻止了从空气中补充进来的溶解氧向下层的传递,从而维持下层水体的厌氧状态,使得厌氧微生物集中在水体的底部。水体的水流状态和温度、气压高低对水的复氧速率有较大的影响,因而在一定程度上决定了水体的溶解氧浓度。

当水中的溶解氧低于鱼类的正常所需量时,一般鱼类的生存就会受到影响,溶解氧若再降低,鱼类就会大量的死亡。

4.我国水量平衡总体状况

水量平衡简单地说就是全球范围的总蒸发量等于总降水量。

我国年降水量相对偏低,但年径流量较高,这是由我国多山地形和季风气候影响所决定的。

我国内陆地区的降水量和蒸发量均比世界内陆区域的平均值低,其原因是中国内陆流域地处欧亚大陆的腹地,远离海洋。

我国水量平衡要素组成的重要界线,是1200毫米年等降水量线。

年降水量大于1200毫米的地区,径流量大于蒸发量;反之,蒸发量大于径流量。

中国除东南部分地区外,绝大多数地区都是蒸发量大于径流量,越向西北差异越大。

第五节水循环研究的意义

水循环把水圈中的所有水体都联系在一起,它直接涉及自然界中一系列物理的、化学的和生物的过程。

大气圈、水圈、岩石圈和生物圈通过水循环相互联系起来,并进行能量交换;同时溶解物质和泥沙等因水的运动而发生迁移;再者,水循环运动使大气降水、地表水、地下水、土壤水相互转化,使水资源形成不断更新的统一系统。

1.水循环的地理意义

水循环的地理意义表现在以下五个方面:

①水在水循环这个庞大的系统中不断运动、转化,使水资源不断更新。

②水循环维护全球水的动态平衡。

③水循环进行能量交换和物质转移。陆地径流向海洋源源不断地输送泥沙、有机物和盐类;对地表太阳辐射吸收、转化、传输,缓解不同纬度间热量收支不平衡的矛盾。

④造成侵蚀、搬运、堆积等外力作用,不断塑造地表形态。

⑤水循环可以对陆地的土质产生影响。

2.水循环研究对水文学科发展的重要意义

水循环是地球上一切水文现象的根源,没有水循环,地球上也就不会发生蒸发、降水、径流,不存在江河、湖泊。所以研究地球上的水循环,是认识和掌握自然界错综复杂的水文现象的一把钥匙,是把握自然界各种水体的性质、运动变化及其相互关系的有效方法和手段。可以说水循环与水量平衡的研究引导了以往水文学科的发展,也将指导水文学的未来,并正从宏观与微观上,不断拓宽与加深水文学科。对此,我们可以从以下两个方面来理解:从宏观上讲,着重全球水循环与全球生物圈、全球气候系统以及岩石圈之间界面过程的研究,借助卫星遥感手段获得的全球大气圈层和陆地表面的系统观测资料,用以确定全球尺度的水文循环与能量通量,以及它们对环境变迁、人类活动的影响等。

从微观方面来说,除了继续发展各类流域水文模型外,人们正深入到单元尺度的细微观测与计算模拟,开展不同自然地理区的水循环微观过程的实证,以及土壤水分动态平衡、蒸发、蒸腾水文模型等研究。

总之,宏观与微观水循环研究相结合,将进一步推动今后水文学向纵深方向的发展。

3.水循环研究为人类谋福利

如果自然界不存在水循环现象,那么水资源也就不能再生,无法永续利用。但必须指出的是,水资源的可再生性和可以永久利用不能简单地理解为“取之不尽,用之不竭”。因为水资源永久利用是以水资源开发利用后能获得补充、更新为条件的。更新速度和补给量要受到水循环的强度、循环周期的长短的制约,一旦水资源开发强度超过地区水循环更新速度或者遭受严重的污染,那么就会面临水资源不足,甚至枯竭的局面。所以对于特定地区而言,可开发利用的水资源量是有限的,因此必须重视水资源的合理利用与保护。

只有在开发利用强度不超过地区水循环更新速度以及控制水污染的条件下,水资源才能不断获得更新,才能得到永续利用。

了解和研究水循环系统,有助于我们认识水汽的循环规律,提高科学认识,在开发和利用自然资源时能考虑到自然的承受能力。

对于已经破坏的循环系统,采取有效的补救措施。对于由地理因素造成的区域性循环系统不利于当地生产生活的状况,可以通过改造使之有利于人民的生活和生产发展。目前,人类已经采取了很多有效措施,利用水循环的原理为人民谋福利。人类对水循环的影响主要体现在以下几个方面:

①对地表径流的影响,如引水灌溉、修建水库、跨流域调水等。

②对水汽输送和降水的影响,如人工降雨等。

③对地下径流的影响,如雨季对地下水的人工回灌,抽取地下水灌溉等。

④对水汽蒸发的影响,如植树造林、修水库可以增加局部地区的水汽供应量。

水循环对于人类社会及生产活动有着重要的意义。水循环的存在,使人类赖以生存的水资源得到不断更新,成为一种可再生资源,可以永续使用;它还使各个地区的气温、湿度等不断得到调整。

此外,人类的活动也在一定程度上影响着水循环。研究水循环与人类的相互作用和相互关系,对于合理开发水资源、管理水资源,并进而改造大自然具有深远的意义。

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