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第17章 水循环的形成和影响因素

1.水循环形成的原因

形成水循环的内因是水在通常环境条件下气态、液态、固态易于转化的特性;外因是太阳辐射和重力作用,为水循环提供了水的物理状态变化和运动的能量。地球上的水分布广泛,贮量巨大,是水循环的物质基础。由于地球上太阳辐射的强度不均匀,不同地区的水循环的情况也就不相同。如赤道地区太阳辐射强度大,降水量一般比中高纬地区多。

2.影响水循环的因素

影响水循环的因素很多,归纳起来有两大类,即自然因素和人为因素。

(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,越来越强烈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,改变了水的本来径流路线,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,也即环境背景值。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。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,使人们能更合理地开发和利用水资源。

人类生产和消费活动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之外,由于水存在一个循环系统,水也能对污染物做出反应,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做生物降解。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,直至厌氧状态。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.中国水量平衡总体状况

水量平衡简单说就是全球范围的总蒸发量等于总降水量。

中国年降水量相对偏低,但年径流量较高,这是由中国多山地形和季风气候影响所导致的。

中国内陆区域的降水和蒸发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。

中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,径流量大于蒸散发量;反之,蒸散发量大于径流量。

中国除东南部分地区外,绝大多数地区都是蒸散发量大于径流量,越向西北差异越大。

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