第七章水圈
§1 地球表層的水分迴圈和水量平衡
1.1 地球表層的水分迴圈
(1) 地球上水的分布
地球上除了存在於各種礦物中的化合水、結合水以及為深層岩石所封存的液態水以外，海洋、河流、湖泊、沼澤、地下水、冰川和大氣水分等共同構成地球上的水圈。其中海洋是水圈的主體，它的面積約3.61億km2，佔全球表面積的70.
8%，地球上水的97.31%存在於海洋中。
地球上各水體的水量估計值如表71，地球的總水量巨大，達14×108 km3以上，佔地球質量的萬分之二。如果將水鋪在平坦的地球表面，可形成乙個水深2744公尺的海洋。冰雪水、地下水和其它陸地水鋪在地球表面，水深分別為50.
5和0.41公尺。地球上的水絕大部分為鹹水，淡水只佔全球總水量的2.
7%，約合0.38×108 km3。淡水中77.
44%為兩極冰川水，22.01%為地下水，前者地處僻遠，難以利用，後者需鑿井提取，才能利用。餘下0.
55%為江河、湖、土壤和大氣圈中的水。
(2) 地球的水分迴圈
海洋、陸地水和大氣的水隨時隨地都通過相變和運動進行著大規模的交換，這種交換過程稱為地球水分迴圈。
在太陽輻射的作用下，地球上的水體、土壤和植物葉面的水分通過蒸發和蒸騰作用進入大氣，通過氣流被輸送到其它地方。在一定條件下，水汽遇冷凝結成雲致雨，又回到地面。在重力作用下，降落到地面的水經流動匯集到江河湖海，在運動過程中，水又重新產生蒸發、輸送、凝結、降水和徑流等變化。
所謂徑流是指降雨及冰雪融水在重力作用下沿地表或地下流動形成的水流。
地下水也可通過各種途徑參加水分迴圈，大氣降水到達地面以後，其中一部分補給地下水。而地下水又可以湧出地表成為河流及湖泊的補給水，再經蒸發進入大氣。
1.2 地球上的水量平衡
水分迴圈不僅是自然界的物質運動，而且是能量轉化的重要方式之一。通過水分的迴圈，地球上的各種水體得以相互溝通、轉換，水也得到更新，從而使地球上的水處在動態平衡之中，稱為水量平衡。
水在迴圈中不斷地進行著自然更新。
降水、蒸發和徑流是水分迴圈中三個重要環節，在水量平衡中，它們是三個主要因素。
第一，全球每年水分的總蒸發量和總降水量均為500 000 km3。
第二，全球海洋的總蒸發量為430 000 km3，總降水量為390 000 km3。蒸發量比降水量多支出的40 000 km3水以水蒸汽的形式輸送到大陸上空。
第三，陸地上的降水量（110 000 km3）比蒸發量（70 000 km3）多40 000 km3，其中有一部分滲入地下補給地下水，一部分暫存於湖泊中，一部分被植物吸收，多餘部分最後以河川徑流形式回歸海洋，從而完成海陸之間的水量平衡。
§2 陸地水
2.1 河流
(1) 河流概述
河流是指在重力作用下，集中於地表凹槽內的經常性或週期性的天然水道的通稱。在中國有江、河、川、溪、澗等不同稱呼。河流沿途接納很多支流，形成複雜的幹支流網路系統，這就是水系。
多數河流以海洋為最後歸宿，另一些河流注入內陸湖泊或沼澤，或因滲漏、蒸發而消失於荒漠中，於是分別形成外流河和內陸河。世界著名的亞馬遜河、尼羅河、長江、密西西比河等為外流河，中國新疆的塔里木河等為內陸河。
每一條河流和每乙個水系都從一定的陸地面積上獲得補給，這部分陸地面積便是河流和水系的流域。實際上，它也就是河流和水系在地面的集水區。
一條河流都有它的河源和河口。河源是河流的發源地，指最初具有地表水流形態的地方。河源以上可能是冰川、湖泊、沼澤或泉眼。
河口是指河流與海洋、湖泊、沼澤或另一條河流的交匯處，經常有泥沙堆積，有時分汊現象顯著，在入海、湖處形成三角洲。在河源與河口之間是河流的幹流，一般可劃分為上、中、下游三段。各段在水情和河谷地貌上各有特色。
上游指緊接河源的河谷窄、比降和流速大、水量小、侵蝕強烈、縱斷面呈階梯狀並多急灘和瀑布的河段。中游水量逐漸增加，但比降已經和緩，流水下切力已開始減小，河床位置比較穩定，侵蝕和堆積作用大致保持平衡，縱斷面往往成平滑下凹曲線。下游河谷寬廣、河道彎曲，河水流速小而流量大，淤積作用顯著，到處可見沙灘和沙洲。
河源與河口的高度差稱為河流的總落差（例如長江為6600多公尺），而特定河段兩端的高度差則是該河段的落差，單位河長內的落差叫做河流的比降，以小數或千分數表示。流域面積是流域的重要特徵之一。河流的水量多少與流域面積大小有直接關係。
除乾燥氣候地區，一般流域面積愈大，流域的水量也愈大。流域的形狀對河流水量變化也有明顯影響。圓形或卵型流域，降水容易向幹流集中，從而引起巨大的洪峰，狹長形流域，洪水宣洩比較均勻，洪峰不易集中。
流域的海拔高程主要影響降水形成和流域內的氣溫，而降水形式和氣溫又影響到流域的水量變化。
在地球表面的總水量中，河流中的水量所佔的比重很小（佔全球總水量的0.0001%），但周轉速度快（1220天），在水分迴圈中是重要的輸送環節，也是自然環境中各種物質相互轉換的動力之一。
河流是地球表面淡水資源更新較快的蓄水體，是人類賴以生存的重要淡水體。河流與人類歷史的發展息息相關。古代文明的發源大都與河流（如尼羅河、黃河等）聯絡在一起。
至今一些大河的沖積平原和三角洲地區（如密西西比河、長江、珠江、多瑙河、萊茵河等）仍然是人類社會經濟、文化的發達地區。
(2) 水情要素
河流通過它的流水活動，可以影響和改變地理環境以及人類活動。為了認識河流的特徵，介紹幾個有關水情(水位、流速、流量、水溫、泥沙和河流水化學)的基本概念。
水位是指河流中某一絕對基準面或測站基準面上的水面高程。基準面是量算高程的起點（零點）。絕對基準面是以某一河口的平均海平面為零點的基準面。
例如，中國規定統一採用青島平均海平面為絕對基準面。測站基準面是以觀測點的最低枯水位以下0.5～1公尺處作為零點的基準面，中國大部分地區降水量集中在夏季，此時河流水位最高。
冬季降水稀少，水位下降。
流速是指河流中水質點在單位時間內移動的距離，單位為m/s。它決定於河流縱比降方向上水體重力的分力與河岸和河底對水流的摩擦力之比。河流中流速分布不同。
在河底與河岸附近流速最小，主流線部分最大。絕對最大流速出現在水深的1/10～3/10處。
流量是指單位時間內通過某一過水斷面的水量，單位為m3/s。測出流速和過水斷面的面積就可計算出流量。水位高低與流量大小成正比例關係。
水溫是指河水的溫度。河流的補給特徵是影響河水溫度狀況的主要因素。由冰川和積雪補給的河流水溫低；從大湖流出的河流，春季水溫低而秋季水溫高；地下水補給豐富的河流，冬季水溫較高。
河水溫度有季節變化，一般夏季溫高，冬季溫低，中國北方河流冬季可發生凍結現象。封凍時間長短不等。長的可達45個月。
河流泥沙是指組成河床或隨水流運動的固體顆粒。河流含沙量是指每立方公尺河水中所含泥沙的重量，單位是kg/m3。含沙量多少與河流的補給條件、流域內岩石性質、地形的切割程度、土壤性狀、植被覆蓋、人類活動等因素密切相關。
河流水化學主要是指河水的化學組成、性質及其在時空上的變化，以及它們同環境之間的相互關係。今天，隨著現代工農業生產的發展，河流水化學也發生很大變化，河水汙染越來越嚴重。中國許多江河受到汙染，有些河流的一些河段被嚴重汙染而不能飲用。
(3) 河川徑流
河川徑流是指大氣降水以地表徑流和地下徑流的形式匯入河川以後向流域出口斷面匯集和排洩的水流。由於大氣降水的形式不同，徑流的形成過程也不一樣，可分為降水徑流和冰雪融水徑流，大多數河流屬於降水徑流。
河川徑流有明顯的時間變化。隨著四季變化，一年中河流的補給狀況、水位、流量等也相應發生變化。根據一年內河流水情的變化，可以分為若干個水情特徵時期，如汛期、平水期、枯水期或冰凍期。
河流處於高水位時期稱為汛期。中國絕大多數河流的高水位是夏季集中降雨造成的，故又稱夏汛。春季積雪融化形成的河流高水位稱為春汛。
華北、東北地區的河流都有春汛。比較起來，夏汛汛期長，徑流量大，洪峰起伏劇烈，春汛流量小，歷時也短。河流處於低水位的時期稱為枯水期。
中國河流的枯水期一般出現在冬季。枯水期河水主要靠地下水補給，故流量小且變化不大。如此時河流封凍，又稱冰凍期。
河流處於中常水位的時期稱為平水期。為汛期到枯水期之間的過渡，流量和水位處於中常狀態。中國河流的平水期多出現在秋季，歷時不長。
由於大氣降水量有年際變化，河川徑流也有年際變化。洪水和枯水是河川徑流兩個重要的特徵值。中國的年際變化有大致從南到北增大的趨勢。
河流的水位達到某一高度，使沿岸城市、村莊、建築物、農田等受到威脅的水位稱為洪水位。洪水是指短時間大量降水在河槽內形成的特大徑流。洪水的**主要有兩個，一是降雨量，一是水流量，而水流量的多少與森林的多寡直接相關。
洪水的形成與暴雨的特性、流域特性、河槽特性和人類活動等因素有關係。暴雨特性主要指暴雨強度、暴雨持續時間和空間分布；流域特性指流域面積、形狀、坡度、河網密度及湖沼率、土壤、植被和地質條件等；河槽特性包括河槽斷面、河槽坡度、粗糙度等；人類活動包括蓄水工程、水土保持措施等。
枯水是指缺少地表徑流，河槽水位下降甚至枯竭（斷流）的現象。枯水期間河川徑流主要靠地下水補給，出現一年中最小的流量。
(4) 河流的補給
河流的補給就是指河水的**。大多數河流的水源是大氣降水，但由於降水形式或補給的路徑不同，一般把河流的補給分為雨水補給、融水補給、地下水補給、湖沼水補給幾種型別。不同地區的河流從各種水源得到的水量是不相同的，即使是同一條河流，不同季節的補給形式也不一樣。
這種差別主要是由流域的氣候條件決定的，同時也與下墊面的性質和結構有關。
(5) 河流與地理環境的相互作用
河流是流域內自然地理要素綜合作用的產物。在諸要素中，氣候起主導作用。例如，降水的形式、總量、強度、過程及其空間分布，對河川徑流的形成和變化有著直接的影響；而蒸發的強弱又制約著降水轉變為徑流量的多少。
上述降水和蒸發又與氣溫、大氣濕度和風等因素有關。因此，這些因素實際上對河川徑流起著間接的作用。通常，氣候濕潤地區大氣降水多，河網密集，徑流充沛；而氣候乾燥地區降水少，河網稀疏，蒸發強烈，徑流貧乏。
這說明氣候狀況嚴格制約著河流的發育和地理分布。因此，有些學者認為，河流是氣候的產物。
此外，其他自然地理因素，諸如地質、地貌、土壤、植被、湖泊、沼澤等下墊面狀況也對河川徑流施加影響，使大氣降水產生再分配。反過來，河流對自然地理環境也有多方面的影響。河流是陸地水的主體，水圈的重要組成部分，也是全球水分迴圈中乙個重要環節，尤其外流河是實現海陸之間水分迴圈的重要紐帶，通過水分迴圈，全球水量達到平衡狀態，使物質和能量得以交換，全球自然環境構成乙個完整的統一體系。
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