第四章 水圈
第四章 水圈
水圈是地球系统各类水体的总称
第四章 水圈
第一节 地球上水的分布、水循环与水量平衡
第二节 海洋环境
第三节 河流
第四节 湖泊、水库与沼泽
第五节 地下水
第六节 天然水化学
第七节 水资源问题
第八节 水文因素引起的人类环境问题及
人类活动引起的水环境问题
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
一、地球的水圈
（一）水圈的形成和演化
自生假说：水来自地球内部
外生假说：水来自地球以外的宇宙空间
（二）地球水圈的组成
地球上的水以气、液、固三态存在于大气圈、海洋陆地
水体（河流、湖泊、冰川）、土壤和岩石的孔隙以及生
物体中，构成了相互联系和连贯的 水圈 。
自生假说
—— 地球水的来源
1.形成
水的形成与地球物质整体演化的作用有关。一般认
为海水是地球内部物质排气作用的产物，即水气和其他
物质是通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。
现代火山活动排出的气体中，水汽往往占 75%以上，据
此推断，地球原始物质中水的含量应当较高。
地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水，积累
成原始海洋，还有些火山气体溶解于水，从而转移到原
始海洋中，而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原
始大气圈。
自生假说
—— 地球水的来源
2.海水的化学成分
一是大气或火山排出的可溶性气体 CO2, NH3，
H2S,SO2,Cl2
二是陆上和海底受侵蚀破坏的岩石，为海洋
提供了钠、镁、钾、钙、锂等阳离子。
目前海水中阴离子的含量，如 Cl-,F-,SO42-
,HCO3- 等远远超过从岩石中吸取出的数量，因
此，证明海水中盐类的阴离子主要是火山排气作
用的产物。而阳离子则由被侵蚀的岩石产生，大
部分是通过河流输入海洋的，同时也为海洋提供
了部分可溶性盐类。
自生假说
—— 地球水的来源
3.演化
在漫长的地球演化过程中，海水因排气作用不
断累积增长，最初的原始海洋体积可能有限，深
海大洋的形成也要晚些。根据对海洋种群多样性
的分析，至少在寒武纪以前出现了深海大洋。总
之，大洋海水的体积和盐份的显著变化发生在前
寒武纪的漫长地球历史时期，自古生代以来，大
洋水的体积和盐度已大体与现代接近。
外生假说
—— 地球水的来源
观点,在地球形成很短的时期以后，来自太空的携带有水和
其他有机分子的彗星和小行星撞击地球后，才使地球产生
了生命。
依据,彗星上的冰块，陨石一般含水 0.5%-5%，也有高达 10%
以上。
证据, 1.1981年美国宇航局, 动力探测 1号, 宇宙飞船所拍摄
的 紫外成像图，发现类似小彗星的稳定载水天体流
束正在撞击地球上部的大气层。
2.科学家在一颗陨石的盐结晶中发现一个长约 15微米
大小的密闭空隙,空隙中有一个气泡和一些 水份,这项发现
证明了原始太阳系的组成成份及地球海洋的来源的确与陨
石及彗星有关。
外生假说
—— 地球水的来源
外生假说
—— 地球水的来源
外生假说
—— 地球水的来源
彗星的主要成分是冰，但其中含有大量复杂有机物分子和
氨基酸。尽管彗星中大量的有机物在进入大气层和同地球
发生碰撞时，在高温和高压下被破坏掉了，但总有一些彗
星能够保留一些完整的片段，从而保留了有机物分子的存
在。在大气层中能够存活下来的彗星的直径的范围大约在
100米到 1万米之间。
挑战,在科学界引起震动，似乎突然之间就可能解决有关地
球及生命基本成分的起源这样一个长期存在的争论问题。
因此，此种假说还需要做进一步的宇宙太空的监测探索，
获得科学的证据。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量
平衡
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
二、水循环（ Hydrologic cycle）
（一）水循环的基本过程
定义：水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射和重力作用
下,通过 蒸发,水汽输送,凝结降水,下渗,径流 等环节,不
断发生相态转换和周而复始的运动过程。
基本动力,太阳辐射和重力作用。
必要条件,在地表温度、压力下水可发生气、液、固三态转换
循环模型,从全球角度看,这个循环过程可以设想为,从海洋的
蒸发开始,蒸发形成的水汽大部分留在海洋上空,少部分被气
流输送至大陆上空,在适当的条件下这些水汽凝结成降水。
海洋上空的水汽凝结后降落回到海洋。陆地上空的水汽凝结
后降落至地表,一部分形成地表径流,补给河流和湖泊 ;一部
分渗入至土壤与岩石空隙中,形成地下径流。地表径流和地
下径流最后都汇流入大海。由此构成全球性的和连续有序的
水循环系统。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
水循环.swf
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
（二）几个概念
大循环 （外循环）：发生在海洋与陆地之间的全球性水循
环
特点：垂向交换，横向交换
小循环 （内循环）：仅仅发生在海洋与海洋上空大气之间,
或陆面与陆地上空大气之间的水循环
特点：垂向交换
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
海洋小循环,发生在海洋与海洋上空大气之间
陆地小循环,发生在陆面与陆地上空大气之间
陆地外流区小循环,除自身垂向的水分交换外,还有多余的
水量以地表径流和地下径流的方式输向海洋。
陆地内流区小循环,一般是多年平均降水量等于多年平均
蒸发量,自成为一个相对独立的水循环系统。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
（三）水循环的意义
由于水循环将水圈所有水的储库 —— 海洋、冰川、湖
泊、江河、土壤水、地下水、大气水、生物水等联系成一
个动态系统，所以，水循环是地球表层最重要的物质循环
之一，它实现了地球表层系统水量、能量和地球生物化学
物质的迁移与转换，构成了全球性的连续有序的动态大系
统。水循环联系着海陆两大系统，塑造着地表地貌形态，
制约着地球生态环境的平衡与协调，不断地提供再生的淡
水资源。因此，水循环对于地球表层结构的演化和人类可
持续发展都有重要意义。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
第一、水循环运动深刻地影响着地球表层结构的形成、演化和
发展。
不仅将地球上的各种水体有机组成统一的水圈，而且将各
圈层紧密地联系起来，在地质构造的基础上重新塑造了地貌
形态，同时影响着全球的气候变迁和生物群落。
第二、水循环的实质就是物质和能量的交换。
能量：在全球范围内进行高低纬度、海陆间热量分配
物质：良好的溶剂、较强的搬运能力
第三、海陆间联系的纽带
第四、水循环是地球系统中各种水体不断更新的总和，这使得
水成为再生资源，植根于人类社会和历史的变迁之中。
（三）水体中水的更替周期
1.水的更替周期是指水体中的水在参与循环过程中全部被更换一
次所需的时间。
通常用 T=W/ΔW 近似地进行计算,式中,
T为更替周期 (年,日,时 );
W为水体的总储水量 (m3);
ΔW 为水体中水的平均输入或输出速率 (m3/a)。
以世界大洋为例,总储水量为 13.38× 1017m3,每年海水总蒸发量
为 50.5× 1013m3,据此计算,大洋水全部更新一次需 2650年 ;若以
入海径流量 4.7× 1013m3为准计算,则更新一次需要 28468年。
2.可利用水量的多少,主要决定水体中水循环的速度和更换周期的
长短。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
水体和水 水体替换时间
极地冰川、常年雪盖、深层地下水 近 10000年
世界大洋 2650年
高山冰川 1600年
湖泊 17年
沼泽 5年
土壤水 1年
河水 16日
大气水 8日
生物水 几小时
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
三、水量平衡
（一）原理
基本原理对于任意选择的区域 (或水体 ),在任意时段内,其收入水量与支出的水
量的差额必等于该区域 (或水体 )蓄水量的变化值,即水在循环过程中,从总体
上看收支平衡,这就是水量平衡原理。
（二）通用水量平衡方程
ds/dt = I-Q
I为水量收入项 ;Q为水量支出项 ;s为蓄水量 ;t为时间
以陆地上任一地区为研究对象在任一时段内有,
P+E1+R表 +R地下 +s1=E2+R′ 表 +R′ 地下 +q+s2
式中,P为降水量 ;E1,E2分别为水汽凝结量和蒸发量 ;
R表, R′ 表 分别为地表流入与流出的水量 ;
R地下, R′ 地下 分别为从地下流入与流出的水量 ;
q为工农业及生活净用水量 ;
s1,s2分别为该时段始末蓄水量。
净蒸发量 E=E2-E1;
蓄水量变化值 Δs=s 2-s1
因此上式可改写为 (P+R表 +R地下 )-(E+R′ 表 +R′ 地下 +q)=Δs
此式即为通用水量平衡方程。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
(三 )全球水量平衡
1.全球范围的水量平衡
在一定的时域空间内,在水循环、转化过程中,其数量变化
遵循质量守恒定律。地球系统的各类水体在不断更新之中，它
是连续有序的动态过程，并且有相对的稳定性。地球上的总水
量接近常数，即全球水量是平衡的。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
2.地表的水量平衡
图４ - ３ 全球各大洲水量平衡
600 610
670 670
1350
470
240 220
160
270
490
60
360 390
510
400
860
410
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
欧洲 亚洲 非洲 北美洲 南美洲 大洋州
（mm/a）
降水 径流 蒸发
表 4-1 全球各大洋水量平衡（ mm/a）
大洋 降水 蒸发 大陆边缘地区径流 与邻近大洋交换的水量
大西洋 780 1040 200 60
印度洋 1010 1380 70 300
太平洋 1210 1140 60 -130
北冰洋 240 120 230 -350
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
（四）全球气候变化对水循环的影响
政府间气候变化委员会（ IPCC）先后在 1990,1995,2001年
公布的三次评估报告中指出,20世纪全球地表温度升高了大
约 0.6℃
第一,20世纪的气候变暖是导致全球平均海平面升高和海洋热
容量增加的重要原因。
第二、雪盖和冰面积减少了。
从 20世纪 60年代后期开始，北半球平均雪盖范围很可能已
减少了 10%（主要通过北美和亚欧大陆春季的变化）
第三、北半球大陆多数中、高纬度地区降水在 20世纪可能增加
了 5%-10%，与之相反，许多副热带地区平均降水可能减少了
3%
第四、近 300年的海洋平面高度的连续记录表明,20世纪海平面
上升最快。
第四章 水圈
水圈是地球系统各类水体的总称
第四章 水圈
第一节 地球上水的分布、水循环与水量平衡
第二节 海洋环境
第三节 河流
第四节 湖泊、水库与沼泽
第五节 地下水
第六节 天然水化学
第七节 水资源问题
第八节 水文因素引起的人类环境问题及
人类活动引起的水环境问题
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
一、地球的水圈
（一）水圈的形成和演化
自生假说：水来自地球内部
外生假说：水来自地球以外的宇宙空间
（二）地球水圈的组成
地球上的水以气、液、固三态存在于大气圈、海洋陆地
水体（河流、湖泊、冰川）、土壤和岩石的孔隙以及生
物体中，构成了相互联系和连贯的 水圈 。
自生假说
—— 地球水的来源
1.形成
水的形成与地球物质整体演化的作用有关。一般认
为海水是地球内部物质排气作用的产物，即水气和其他
物质是通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。
现代火山活动排出的气体中，水汽往往占 75%以上，据
此推断，地球原始物质中水的含量应当较高。
地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水，积累
成原始海洋，还有些火山气体溶解于水，从而转移到原
始海洋中，而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原
始大气圈。
自生假说
—— 地球水的来源
2.海水的化学成分
一是大气或火山排出的可溶性气体 CO2, NH3，
H2S,SO2,Cl2
二是陆上和海底受侵蚀破坏的岩石，为海洋
提供了钠、镁、钾、钙、锂等阳离子。
目前海水中阴离子的含量，如 Cl-,F-,SO42-
,HCO3- 等远远超过从岩石中吸取出的数量，因
此，证明海水中盐类的阴离子主要是火山排气作
用的产物。而阳离子则由被侵蚀的岩石产生，大
部分是通过河流输入海洋的，同时也为海洋提供
了部分可溶性盐类。
自生假说
—— 地球水的来源
3.演化
在漫长的地球演化过程中，海水因排气作用不
断累积增长，最初的原始海洋体积可能有限，深
海大洋的形成也要晚些。根据对海洋种群多样性
的分析，至少在寒武纪以前出现了深海大洋。总
之，大洋海水的体积和盐份的显著变化发生在前
寒武纪的漫长地球历史时期，自古生代以来，大
洋水的体积和盐度已大体与现代接近。
外生假说
—— 地球水的来源
观点,在地球形成很短的时期以后，来自太空的携带有水和
其他有机分子的彗星和小行星撞击地球后，才使地球产生
了生命。
依据,彗星上的冰块，陨石一般含水 0.5%-5%，也有高达 10%
以上。
证据, 1.1981年美国宇航局, 动力探测 1号, 宇宙飞船所拍摄
的 紫外成像图，发现类似小彗星的稳定载水天体流
束正在撞击地球上部的大气层。
2.科学家在一颗陨石的盐结晶中发现一个长约 15微米
大小的密闭空隙,空隙中有一个气泡和一些 水份,这项发现
证明了原始太阳系的组成成份及地球海洋的来源的确与陨
石及彗星有关。
外生假说
—— 地球水的来源
外生假说
—— 地球水的来源
外生假说
—— 地球水的来源
彗星的主要成分是冰，但其中含有大量复杂有机物分子和
氨基酸。尽管彗星中大量的有机物在进入大气层和同地球
发生碰撞时，在高温和高压下被破坏掉了，但总有一些彗
星能够保留一些完整的片段，从而保留了有机物分子的存
在。在大气层中能够存活下来的彗星的直径的范围大约在
100米到 1万米之间。
挑战,在科学界引起震动，似乎突然之间就可能解决有关地
球及生命基本成分的起源这样一个长期存在的争论问题。
因此，此种假说还需要做进一步的宇宙太空的监测探索，
获得科学的证据。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量
平衡
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
二、水循环（ Hydrologic cycle）
（一）水循环的基本过程
定义：水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射和重力作用
下,通过 蒸发,水汽输送,凝结降水,下渗,径流 等环节,不
断发生相态转换和周而复始的运动过程。
基本动力,太阳辐射和重力作用。
必要条件,在地表温度、压力下水可发生气、液、固三态转换
循环模型,从全球角度看,这个循环过程可以设想为,从海洋的
蒸发开始,蒸发形成的水汽大部分留在海洋上空,少部分被气
流输送至大陆上空,在适当的条件下这些水汽凝结成降水。
海洋上空的水汽凝结后降落回到海洋。陆地上空的水汽凝结
后降落至地表,一部分形成地表径流,补给河流和湖泊 ;一部
分渗入至土壤与岩石空隙中,形成地下径流。地表径流和地
下径流最后都汇流入大海。由此构成全球性的和连续有序的
水循环系统。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
水循环.swf
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
（二）几个概念
大循环 （外循环）：发生在海洋与陆地之间的全球性水循
环
特点：垂向交换，横向交换
小循环 （内循环）：仅仅发生在海洋与海洋上空大气之间,
或陆面与陆地上空大气之间的水循环
特点：垂向交换
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
海洋小循环,发生在海洋与海洋上空大气之间
陆地小循环,发生在陆面与陆地上空大气之间
陆地外流区小循环,除自身垂向的水分交换外,还有多余的
水量以地表径流和地下径流的方式输向海洋。
陆地内流区小循环,一般是多年平均降水量等于多年平均
蒸发量,自成为一个相对独立的水循环系统。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
（三）水循环的意义
由于水循环将水圈所有水的储库 —— 海洋、冰川、湖
泊、江河、土壤水、地下水、大气水、生物水等联系成一
个动态系统，所以，水循环是地球表层最重要的物质循环
之一，它实现了地球表层系统水量、能量和地球生物化学
物质的迁移与转换，构成了全球性的连续有序的动态大系
统。水循环联系着海陆两大系统，塑造着地表地貌形态，
制约着地球生态环境的平衡与协调，不断地提供再生的淡
水资源。因此，水循环对于地球表层结构的演化和人类可
持续发展都有重要意义。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
第一、水循环运动深刻地影响着地球表层结构的形成、演化和
发展。
不仅将地球上的各种水体有机组成统一的水圈，而且将各
圈层紧密地联系起来，在地质构造的基础上重新塑造了地貌
形态，同时影响着全球的气候变迁和生物群落。
第二、水循环的实质就是物质和能量的交换。
能量：在全球范围内进行高低纬度、海陆间热量分配
物质：良好的溶剂、较强的搬运能力
第三、海陆间联系的纽带
第四、水循环是地球系统中各种水体不断更新的总和，这使得
水成为再生资源，植根于人类社会和历史的变迁之中。
（三）水体中水的更替周期
1.水的更替周期是指水体中的水在参与循环过程中全部被更换一
次所需的时间。
通常用 T=W/ΔW 近似地进行计算,式中,
T为更替周期 (年,日,时 );
W为水体的总储水量 (m3);
ΔW 为水体中水的平均输入或输出速率 (m3/a)。
以世界大洋为例,总储水量为 13.38× 1017m3,每年海水总蒸发量
为 50.5× 1013m3,据此计算,大洋水全部更新一次需 2650年 ;若以
入海径流量 4.7× 1013m3为准计算,则更新一次需要 28468年。
2.可利用水量的多少,主要决定水体中水循环的速度和更换周期的
长短。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
水体和水 水体替换时间
极地冰川、常年雪盖、深层地下水 近 10000年
世界大洋 2650年
高山冰川 1600年
湖泊 17年
沼泽 5年
土壤水 1年
河水 16日
大气水 8日
生物水 几小时
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
三、水量平衡
（一）原理
基本原理对于任意选择的区域 (或水体 ),在任意时段内,其收入水量与支出的水
量的差额必等于该区域 (或水体 )蓄水量的变化值,即水在循环过程中,从总体
上看收支平衡,这就是水量平衡原理。
（二）通用水量平衡方程
ds/dt = I-Q
I为水量收入项 ;Q为水量支出项 ;s为蓄水量 ;t为时间
以陆地上任一地区为研究对象在任一时段内有,
P+E1+R表 +R地下 +s1=E2+R′ 表 +R′ 地下 +q+s2
式中,P为降水量 ;E1,E2分别为水汽凝结量和蒸发量 ;
R表, R′ 表 分别为地表流入与流出的水量 ;
R地下, R′ 地下 分别为从地下流入与流出的水量 ;
q为工农业及生活净用水量 ;
s1,s2分别为该时段始末蓄水量。
净蒸发量 E=E2-E1;
蓄水量变化值 Δs=s 2-s1
因此上式可改写为 (P+R表 +R地下 )-(E+R′ 表 +R′ 地下 +q)=Δs
此式即为通用水量平衡方程。
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(三 )全球水量平衡
1.全球范围的水量平衡
在一定的时域空间内,在水循环、转化过程中,其数量变化
遵循质量守恒定律。地球系统的各类水体在不断更新之中，它
是连续有序的动态过程，并且有相对的稳定性。地球上的总水
量接近常数，即全球水量是平衡的。
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
2.地表的水量平衡
图４ - ３ 全球各大洲水量平衡
600 610
670 670
1350
470
240 220
160
270
490
60
360 390
510
400
860
410
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
欧洲 亚洲 非洲 北美洲 南美洲 大洋州
（mm/a）
降水 径流 蒸发
表 4-1 全球各大洋水量平衡（ mm/a）
大洋 降水 蒸发 大陆边缘地区径流 与邻近大洋交换的水量
大西洋 780 1040 200 60
印度洋 1010 1380 70 300
太平洋 1210 1140 60 -130
北冰洋 240 120 230 -350
§ 4-1 地球上水的分布、水循环与水量平衡
（四）全球气候变化对水循环的影响
政府间气候变化委员会（ IPCC）先后在 1990,1995,2001年
公布的三次评估报告中指出,20世纪全球地表温度升高了大
约 0.6℃
第一,20世纪的气候变暖是导致全球平均海平面升高和海洋热
容量增加的重要原因。
第二、雪盖和冰面积减少了。
从 20世纪 60年代后期开始，北半球平均雪盖范围很可能已
减少了 10%（主要通过北美和亚欧大陆春季的变化）
第三、北半球大陆多数中、高纬度地区降水在 20世纪可能增加
了 5%-10%，与之相反，许多副热带地区平均降水可能减少了
3%
第四、近 300年的海洋平面高度的连续记录表明,20世纪海平面
上升最快。
