水是人类生产和生活不可缺少的自然资源,也是世间万物赖以生存、发展的生命之源。生物体中含水量占70%~90%,岩石、土壤也富含水分。如果没有水,物种就要灭绝,人类无以生存,地球将成为一片死寂之地。
水循环的定义
水循环分为大循环和小循环。地球上的水在太阳热能的作用下,不断蒸发成为水汽,上升到高空,随大气运动而散布到各处。这种水汽遇适当条件与环境,则凝结而成为降水,下落到地面。到达地面的雨水,除部分为植物截留并蒸发外,一部分沿地面流动成为地面径流,一部分渗入地下,沿含水层流动而成为地下径流,最后,它们之中的大部分都流归大海。然后,又重新蒸发,继续凝结形成降水,运转流动,往复不停。这种过程即自然界的水循环,也叫大循环。仅在局部地区(陆地或海洋)进行的水循环称为水的小循环。环境中水的循环是大、小循环交织在一起的,并在全球范围内和在地球上各个地区内不停地进行着。
形成水循环的内因是水在通常环境条件下具有易于在气态、液态、固态三种形态之间转化的特性,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,储量巨大,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,如在赤道地区太阳辐射强度大,降水量一般比中纬度地区多,尤其比高纬度地区多。
影响水循环的因素很多。自然因素主要有气象条件(大气环流、风向、风速、温度、湿度等)和地理条件(地形、地质、土壤、植被等)。人为因素对水循环也有直接或间接的影响。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。人类修建水库,开凿运河、渠道、河网以及大量开发利用地下水等,改变了水的原来径流路线,引起水的分布和水的运动状况的变化,农业的发展、森林的破坏引起蒸发、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。
环境中许多物质的交换和运动依靠水循环来实现。水循环的主要作用表现在三个方面:水是所有营养物质的介质,营养物质的循环和水循环不可分割地联系在一起;水是很好的溶剂,在生态系统中起着能量传递和利用的作用;水是地质变化的动因之一,一个地方矿质元素的流失,而另一个地方矿质元素的沉积往往要通过水循环来完成。
降水、蒸发和径流是水循环过程的三个最主要环节,这三者构成的水循环途径决定着全球的水量平衡,也决定着一个地区的水资源总量。水量平衡是说在一个足够长的时期里,全球范围的总蒸发量等于总降水量。
径流是一个地区(流域)的降水量与蒸发量的差值。多年平均的海洋水量平衡方程为:蒸发量=降水量+径流量;多年平均的陆地水量平衡方程是:降水量=径流量+蒸发量。但是,无论是海洋还是陆地,降水量和蒸发量的也理分布都是不均匀的,这种差异最明显的就是不同纬度的差异。
水循环的量
全球水补给依赖于海洋表面的蒸发。每年海洋要蒸发掉50.5×104km3的海水,即约1.4m厚的水层。此外,陆地表面还要蒸发7.2×104km3。
所有降水中有80%降落到海洋,即45.8×104km3/a,其余11.9×104km3/a的降水降落于陆地。每年陆地表面的降水量超过蒸发量,地表降水量和蒸发量之差就形成了全球地表径流和地下水的补给量--大约4.7×10/4km3/a。
地球每年的水循环中,海洋以及陆地的蒸发可以看成是水循环的起点,通过蒸发、输送、降水、渗流等复杂的过程,完成水的水文循环运动。
蒸发量的多少在一定程度上影响着当地的降雨和气候。不同地区的蒸发量一般并不相同,有些甚至相差很大。例如,非洲纳米比亚的温德霍克地处高原,沿海为沙漠,西面为大西洋,气候较热,蒸发量大,全年蒸发量为3467mm。而欧洲的莫斯科全年蒸发量为300mm,前者比后者多蒸发近11倍。
她孕育了生命与文明
水,对于人类的重要性是不言而喻的。地球由于有大量的液态水,才在亿万年的沧桑巨变之中孕育了生命,并且进而有了万物之灵的人类。生命体在数十亿年进化和发展中,总是以水作为物质及能量的载体。
广义的水资源是包括地球上所有的水,也就是包括海洋水等咸水在内的所有水体。人们通常所说的水资源是指淡水,尤其是指便于开发利用的淡水资源,因为像海水不经过处理以降低盐度的咸水,不仅不适合于饮用,甚至不适合于所有工业需要。
水是生命之母,没有水就没有生命。水灾人类文明发展史中,始终起着至关重要的作用。世界文明古国埃及、古巴比伦、印度和中国,无不是在大江大河流域中发展起来的。地球上难以计数的江河,就似无数天然输水管道,并且在江河流域往往会形成众多的湖泊、大片的湿地和丰富的地下水,为人类提供便于开发利用的水资源。但是,由于降水在时空上分布的不均衡,旱涝之情频繁,江河干枯或泛滥常常给人们带来严重的灾难。人类的历史,烙印着人类与自然灾害艰苦卓绝斗争的历程。中国历史上传说的大禹治水的故事,就是中国人战胜河水泛滥的壮丽诗篇;李冰父子两千多年前就领导人们开凿修建了都江堰这一伟大的水利工程,充分表现了中国人民兴修水利的聪明才智和辉煌业绩。然而,由于水的广泛存在,人们总是将其视为最普通的物质,而忽视了它的宝贵,甚至在人类的认识历史上,久久未把水当作一种资源,特别是在那些降水充沛的地区。蒸发-降水,再蒸发-再降水,这周而复始、永不停息的水文循环,使人们认为淡水是取之不尽,用之不竭的。的确,在地球的历史长河中,现在完全可以认为,地球上的总水量是不变的,地球上的水文循环又保证了地球上淡水量的相对稳定,并使淡水成为可再生的资源。然而,实践证明,即使可再生的资源,不加以保护,任其破坏,也会成为不可再生的资源。只有数量而没有质量,数量也就失去意义。如果我们把人类历史简单地以工业革命为界,把大工业出现以前视为“过去”。在“过去”这段漫长的岁月中,人类抵御包括各种病疫等自然灾害的能力还很弱,换言之,人类生存的能力还不够强大,地球上人口增长的速度很缓慢,称得上人口稀少,也没有大规模的工业生产可言,人类总的生活用水量不大,工业用水量更是微不足道;另一方面,除了大规模的战争之外,人类所涉足的范围很有限,所产生的污水对水体总的说来是在有限的局部,基本上没有超过水体的自净能力。然而,由于人类没有理性地善待自然,缺乏环境保护意识,更没有可持续发展的理念,人为地破坏森林、草地等损坏自然生态的行为,导致水土严重流失,从而使人类赖以生存的水资源-江河湖泊等,含泥沙量剧增,河湖淤塞,水质浑浊,水灾加剧……我国的母亲河--黄河,已成为世界上含泥沙量最严重的河流。历史上黄河多次泛滥成灾,夺去无法计数的生灵。底格里斯河和幼发拉底河所形成的美索不达米亚平原,土壤肥沃,灌溉方便,早在4000多年前就孕育了古巴比伦的灿烂文明。但是,由于人为地破坏土壤,水土流失,生态环境恶化,迫使居住在那里的人们不得不背井离乡,使农村和城镇变成废墟,最终导致巴比伦文明的衰落。印度河流域,曾经有茂密的森林、碧绿的草地,农业灌溉十分有利,因而出现了人类早期文明。可是,当印度河发源地的森林被砍伐后,水土流失越来越严重,河床越来越高,河水泛滥越来越猖獗,河流频繁改道,终于给那里的人们带来毁灭性的灾难……
世界上大工业出现的近几百年,工农业用水量剧增;随着人口的增加和人们生活条件的不断改善,生活水平的不断提高,生活用水量也成倍增加。然而,地球上总的淡水量并没有增加,何况便于人类开发利用的淡水资源,只是地球上淡水总量的极少部分。这就不仅使地球上那些本来就干旱缺水地区的水资源危机更加严重,就是那些本来不缺水的地区也产生了“水荒”。尽管人类凭借当今先进的科学技术和经济实力,不得不以巨大的代价,修筑跨流域远程调水工程,这在一定范围和一定程度上,虽然可以缓解水资源在时空分布上的不均衡,但又往往是车薪杯水,只能解燃眉之急。
水体被污染,导致符合生活饮用水要求的淡水资源越来越少,这已成为当今世界关注的最重大的问题之一。据估计,世界约有1/3的人们饮用的是不符合水质要求的水,“水--20亿人生命之所系。”
许多地方病,如“克山病”、“粗脖子病”、“黄板牙病”等,究其原因都是水引起的。
许多污染最终都导致水的污染。大气中的污染物会随降水落到地面而污染水体;堆放的垃圾所产生的高浓度、高污染的液体,未经过有效的处理措施也会污染水体;大量使用化肥和农药对水资源造成更大范围的污染……然而,治理被污染的江河湖泊,其难度和代价都是很大的,即使在科技高度发达的今天,治理被污染的地下水也还是世界难题。
我国几大水系和许多湖泊都受到不同程度的污染;地下水的过量开采已经成为普遍的事情,导致地下水位下降的漏斗范围越来越大,沿海地区的海水入侵,使地下水水质恶化。总之,符合水质要求的淡水资源越来越少,这势必加重我国水资源的危机。
世界上的一些国际河和界湖,因污染而发生的国家或地区之间的纠纷不断,甚至国与国之间为争夺水资源已成为战争的根源之一。开源节流、防治水污染,是解决水资源危机的根本举措。人们必须真正地认识到,水是最宝贵的资源,而且是无可替代的资源。人类必须善待自然,保护自然生态,呵护森林和草地,防治水土流失,涵养水源;加强水的循环、重复利用,彻底改变工农业生产中对水的粗放型使用方式,最大限度地减少对水资源的污染。科学合理地开源节流,建立一个节水型社会,使人类社会可持续地发展,人类迎来的将是更加美好的将来。
探秘地下水
地下水,是贮存于包气带以下地层空隙,包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。地下水是水资源的重要组成部分,由于水量稳定,水质好,是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一。但在一定条件下,地下水的变化也会引起沼泽化、盐渍化、滑坡、地面沉降等不利自然现象。
地下水是存在于地表以下岩(土)层空隙中的各种不同形式水的统称。地下水主要来源于大气降水和地表水的入渗补给;同时以地下渗流方式补给河流、湖泊和沼泽,或直接注入海洋;上层土壤中的水分则以蒸发或被植物根系吸收后再散发入空中,回归大气,从而积极地参与了地球上的水循环过程,以及地球上发生的溶蚀、滑坡、土壤盐碱化等过程,所以地下水系统是自然界水循环大系统的重要亚系统。