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1、大陆水循环系统演化及其环境意义张宗祜张光辉(中国地质科学院水文地质环境地质研究所 ,石家庄)摘 要 通过大陆水循环构成及其特征分析 ,阐明了水文循环与地质循环的机制 ,剖析了大陆水循环与人类活动之间的关系 ,分析了国内外研究现状和趋势 ,明确了水文循环和地质循环的主要研究内容 。在此基础上 ,提出了关 于中国大陆水循环演化研究的一些认识和值得关注的科学问题 。关键词 大陆水循环 水文循环 地质循环 人类生存环境意义大陆水圈是地球重要的组成部分 ,是组成地球系统 4 个层圈中的一个重要圈层 。大陆水循环系统 演化是当代全球变化研究中的重要内容 ,目前国际地学研究还处于初始阶段 、呈局部和分散状态
2、 ,缺乏 对大陆范围内水循环整体和全过程的系统研究 。大陆水圈自地球形成之日起就与地球的演化进 行着同步的运动 ,而且形成了自身的循环运动系统 。按其自身演化规律 、空间位置和运动特点等 ,大陆水 循环系统可划分为水文循环系统和地质循环系统 。通过研究大陆水循环系统演化规律 ,对于科学认识 和合理利用水资源具有重要意义 。水和地壳浅部地下水之间水量转化过程 。水圈中水体通过蒸发 、水汽输送 、降水 、地表径流 、下渗和地下 径流等水文过程 ,紧密联系 ,互相转化 ,处于不断运动状态 ,形成一个全球性的动态系统 ,称其为水文循 环系统 。水文循环系统不仅紧密联系着地球水圈的各个子系统 ,而且是联
3、系水圈与大气圈 、生物圈和岩 石圈的纽带 ,并形成许多彼此耦合的子系统 ( 图 1 ;刘国纬 ,1997) 。这些子系统的总和构成全球水循环 系统 。水文循环系统概括起来 ,有如下特点 : 赋存 于地表层的地表水与地下水 (几百米深度以上) 形成于第四纪时期 ; 与大气圈 、土壤圈 、生物圈关系极 为密切 ; 运动形式以水平方向为主 ,垂直方向为辅 ; 是地表生态 、环境演化的重要因素 ; 是 地1水文循环系统组成及其特点水文循环是指发生于大气环流水和降水 、地表图 1 水文循环系统示意图1072水分通量/ n 103 km3/ a ; ( 119) 2水量/ n 10 3 km3( 据刘国纬
4、 ,1997)本文由国土资源部重点基础研究项目 ( 编号 :200010301) 资助 。责任编辑 :宫月萱 。第一作者 :张宗祜 ,1923 年生 ,中国科学院 、中国工程院院士 ,从事水文地质 、工程地质和第四纪地质研究 ,邮编 :050803 。表表生带层圈间物质和能量传输的纽带 ; 受控于表层地质 、地形的结构 , 其动态变化与气候密切相 关 ; 与海洋环境关系密切 ,在海岸带与海水有交 替作用 。从全球水循环角度来看 ,每年有 43 . 4 104 km3海洋水通过蒸发作用进入大气中 ,其中 91 . 7 %在海 洋上空形成降水 ,降回海洋中 ; 8 . 3 %随着气流携带 进入各洲
5、大陆上空 ,形成由海洋上空向大陆上空的 降水的组成部分 。进入陆地的水汽形成降水 ,其中66 %通过水面蒸发 、陆地蒸发和植物蒸腾作用返回大气中 ,34 %以地面径流和地下径流形式汇入海洋 。对于大陆区域地下水循环来讲 ,以华北为例 (图2 ;张宗祜等 , 2000) 。从上游补给区至渤海湾排泄 区 ,经历了山前侧向补给和垂直入渗补给的水文过程 ,然后进入向下游和深层地下水系统径流和排泄的水文过程 。在海陆交互带 ,一部分地下水通过泉 水方式排入海洋 ,还有一部分流入渤海湾海底地下 水含水系统中 。图 2 华北平原地下水循环系统框架图( 据张宗祜等 ,2000)生物圈无直接关系 ; 直接与岩石
6、圈相互作用 ,与大气水无直接补给关系 ; 运动方式受控于深部地 质构造特征 ,与地表地形 、地表地质无直接关系 ; 形成于第四纪以前不同地质时期的原生水 、古沉积水 ; 循环运动方式复杂 ,以缓慢的垂直分异 、迁移 和围岩作用为主 。地质循环系统特点地质循环中 ,水参予与沉积 、变质和岩浆的作用 过程 ,地壳浅部的水与地壳深部乃至地幔的水发生 交换 ,循环路径长 ,循环速度缓慢 ( 图 3 ;Bai Waming et al . ,1992) ,此类水循环是在地质历史进程中进行的 。其特点 : 赋存于地下深部 ,与气圈 、土壤圈 、2图 3 地幔不同深度绝对水平速度矢量分布图( 据 Bai W
7、uming et al . ,1992)第 4 期张宗祜等 :大陆水循环系统演化及其环境意义291大陆水循环系统与人类生存关系大陆水循环系统与人类生存环境和社会经济发 展紧密相关 。人类赖以生存的淡水资源主要来自水 文循环系统 。水文循环系统无论对地表水资源 ,还 是对地下水资源 ,均具有补给和更新作用 ,使得地表 水资源和地下水资源既具有流动性 ,又具有可恢复 性和可持续利用性 。水文循环的补给 、循环进程时 间短 ,水资源的更新程度则高 。人类活动对水文循环系统演化的进程在小时间 尺度上具有明显的影响作用 ,例如山前拦蓄 、引用地表水和平原大规模超采地下水 ,引起了陆地水资源数量 、质量和
8、时空分布的急剧变化 ,甚至在一些平原 地区导致人类自身生存环境的劣变 ,如生态环境退化 、常年河流干涸或变成季节性河流 、地面沉降 、海水入侵和水环境严重污染等 。因此 ,大陆水圈的水 文循环系统已成为最重要的环境要素 。交换的研究方面都具有了一定的基础 ,先后利用流域水文模型研究了气候变化对地表水 、地下水及土 壤水变化的敏感性 ,进行了陆2气间水量 、热量交换与年水资源量关系的研究以及流域水文模型参数的地区规律等研究工作 , 20 世纪 90 年代开展了大气 环流的 GCM 研究 ,取得了一批研究成果 。“九五”期间 ,地质矿产部先后开展了“区域地下 水演化过程及其与相邻层圈的相互作用”、
9、“青藏高原形成演化 、环境变迁与生态系统的研究”等 ,对区 域地下水和青藏高原环境地质做了进一步研究 。512 国际研究现状及发展趋势1965 年 , 联 合 国 教 科 文 组 织 ( U N ESCO ) 成 立 “国际水文十年”以来 ,世界各国对全球水循环及大 陆尺度水文过程进行了大量的研究 ,至今仍为一个 热点问 题 。1974 年 以 来 , U N ESCO 已 经 执 行 国 际 水文计划 ( IHP) 项目 。1990 年始国际地圈生物圈计 划 ( I GB P) 、世界气候计划 ( WCR P) 、全球能量和水 循环实验 ( GEW EX) 研究陆续开展 。这些大型的科 学计
10、划 ,越来越注重人类活动对水循环的影响和水 资源系统与生态系统的相互作用 ,为解决全球水资 源的合理利用提供了科学依据 ,同时 ,对于客观评价 地下水资源形成及利用具有重要的作用 。目前 ,国际组织 ( 如国际科学联合会理事会 ,即 ICSU 等) 正在深入地开展“水循环的生物圈方面计 划 ( BA HC ) ”、“ 海 岸 带 陆2海 相 互 作 用 计 划 ( L O ICZ ) ”、“全 球 变 化 与 陆 地 生 态 系 统 计 划( GC T E) ”和“过 去 的 全 球 变 化 计 划 ( PA GES) ”等I GB P (国际地圈生物圈计划) 中 7 个核心计划和 2个技术支
11、撑计划 。除了 I GB P 计划外 ,还有“世界气 候研究计划 ( WCR P) ”和“全球环境变化中人类因素计划 ( HD P 或 HD GECP) ”,这些计划也由若干个核 心计划组成 。上述国际研究计划的主要科学目标 是 : 描述和了解控制整个地球系统关键的 、相互作用的物理 、化学和生物过程 ; 描述和了解支持生命的独特环境 ; 描述和了解发生在地球系统中 的变化以及人类活动对它们的影响方式 ; 增强对 未来几十年至百年时间尺度上重大全球变化的预测 能力 。世界各国科学界都在结合本国实际 ,积极参34 水循环系统主要研究内容411水文循环系统水文循环系统演化研究主要内容应包括 : 水
12、 文循环过程及其演化对各圈层物质能量传输的影 响 ,以及人类生存环境对其影响的响应 ; 水文循 环的动力学机制 ,即大陆水文循环对地质环境演化 , 生态系统演变 ,自然灾害的形成 、发展等 ; 大陆水 文循环信息的提取 ( 重点同位素技术) 、与全球变化 的对比研究 ; C 、O 、S 等元素在圈层间循环过程对 水文地球化学环境的影响及其与水循环的关系 ; 海岸带陆地水畔 ( 地表水 、地下水) 与海洋的相互作 用 ; 人类活动 (重大工程 、水利用 、水污染) 对水文 循环系统的影响及其基本变化趋势 ; 中国大陆水 循环时空“尺度效应”、区域差异与淡水资源开发模 式研究等 。412地质循环系
13、统地质循环系统演化研究的主要内容有 : 水2 岩作用 、水热作用过程及机理 ,以及在高温 、高压下 的物理化学特性 、运动形式的变化 ; 古沉积水的 深部水文地球化学作用及对油气成生 、聚集作用 ; 深部地下水作为各种元素的迁移 、富集的载体的运 行机制与其成矿作用过程 ; 深部地下水的起源 、 形成 、演化与分异作用 ; 深部地下水的动力学特 征及与地震活动的关系等 。与 I GB P 、WCR P 和 HD P 国际计划研究 。加拿大 、英国 、澳大利亚 、日本 、德国等科学家正在参加全球能量与水循环实验 ( GEW EX) , 即在密西西比河流 域的国际大型科学技术项目 。中国开展了淮河
14、流域能量与水循环实验研究国际合作项目 。现在 ,许多国家已经认识到大陆水文循环过程 研究是加深认识水资源形成和演化过程的一个重要方面 。世界发达国家普遍重视区域水循环规律研 究 ,注重利用自然规律来实现地表水与地下水优化5 国内外研究现状与发展趋势511国内研究现状建国以来 ,我国在水循环及陆2气间水量 、热量调控 ,来提高水资源利用的合理性和可持续性 。近年来国际水科学发展趋势可概括为 : 重视 区域水资源2生态环境2人类活动之间的可持续协调发展理念下的系统研究 ,由 60 年代小单元水文动态规律研究 ,逐渐向区域水循环演化综合研究转移 ; 重视人类活动对水循环与水资源演化作用的研究 ,强调
15、重视生态环境与水资源利用之间协调关系的必 要性 ; 重视高新技术应用与数字化 、虚拟模拟技术在水问题研究中的广泛应用 。在学术方面 ,其特点和趋势为 : 加强水循环系 统整体性 、区域特征和规律研究 ; 注重研究水循环系统中各圈层或各组成部分及其界面间的相互作用 ; 认识到气候变化或波动有自然原因 ,也有人类 因素 ,气候变化制约水循环系统的演化 ,水循环系统演化又影响气候的变化 ; 认识到地球化学循环和生物地球化学循环 ,与大陆水循环系统演化密切相 关 ; 重视应用现代观测手段和开发数据信息系统 ,强调理论模式和数值模拟研究 ; 强调应用空间尺 度和时间尺度的观点来分析全球 、大陆区域和流域
16、区域水循环系统变化 ,从而客观地分析发生在不同 时空尺度上的变化 ,及其之间的因果联系与制约作用及各自的特点和成因 。键 。这需要了解 :中国大陆水循环系统活动规律 、环境效应及水资源潜力 ,以及人类活动对其的影响作 用 ;在人类活动影响下中国大陆水循环系统经历和正在发生着什么样的重大变化 。只有对上述问题有了充分的了解 ,才有可能做到对水资源科学地利用 ,发挥最大资源效益为我国社会经济发展服务 。 中国大陆水循环系统演化是一个复杂的前沿性课题 ,它与大气圈 、岩石圈和生物圈及全球变化关系密切 ,是一个重大的基础性科学研究问题 ,包括人类 活动对地球表部环境的作用 。大陆水循环系统演化对于中国
17、社会经济发展已经产生重要的影响 。 对大陆水循环研究 ,一方面 ,要科学地认识中国大陆水循环系统演化的过去和现状 ,预测其发展趋 势 ,因其关系到国家的水资源及其环境的承载能力 ,是科学评价中国水资源潜力的基础 ;另一方面 ,该项研究的实施必将促进基础科学与应用基础科学的相 互渗透和联合 ,推动地球水科学的发展 。在中国大陆水循环演化研究中 ,值得关注的问 题 : 不同气候期青藏高原对中国大陆水循环的影响 ; 西北内陆盆地流域水循环系统活动特征和机 制 ,以及对大陆水循环系统演化 、资源和环境变化的作用 ; 黄河 、长江流域中部地区水循环系统演化过 程中质变或灾变 ( 旱涝灾害) 事件与气候
18、、人类活动相互作用关系和机制 ; 东部海陆交互带的陆地与 海洋之间物质传输 、转化规律及其变异的环境效应 ;中国大陆尺度水循环系统演化动力学研究及趋势 预测 。关于中国大陆水循环演化研究的一点认识中国水资源不仅严重短缺 ,而且水环境污染严 重 ,水的使用浪费问题亦突出 ,旱涝灾害频繁 ,供需 矛盾日愈尖锐 。造成中国水问题的根源 ,除了 40 多 年来气候趋于干旱 、人口剧增 、经济和城市规模发展 迅速等原因之外 ,关键是人们对中国大陆水循环系 统活动规律及其资源 、环境效应认识的不足 。认识人类活动影响下区域性水资源数量 、质量 和分布变化的特点和机制是解决中国水问题的关6参 考 文 献刘国
19、纬. 1973 . 水文循环的大气过程. 北京 :科学出版社.张宗祜等. 2000 . 华北平原地下水环境演化. 北京 :地质出版社.Bai Wuming et al . . 1992 . On t he o rigin of deviatio n st ress in t he lit ho2sp here . Jo ur . Geop hys. Res. , ( 97) : 2 7872 838 .Tho mas C. Winter . et al . . 1998 . Gro und Water and Surface Water A Single Reso urce R. Denver
20、 ,Colo rado ,275 .The Evol ut ion of Cont inentalWater Cycl ic System an d ItsEnviron mental Sign if icanceZhang Zo nghuZhang Guanghui( I nst i t ute of Hy d rogeology a n d En v i ron ment al Geology , CA GS , S hi ji az h ua n g , Hebei )Abstract This paper expo unds t he mechanism of hydrological
21、 cycle and geological cycle o n t he basis of charac2teristic analysis and st ruct ure of co ntinental water cycle . The relatio nship bet ween co ntinental water cycle and human activit y are analyzed. The main point s in t he st udy of hydrological cycle and geological cycle are clarified. On such a basis , so me p ro blems o n co ntinental water cycle of China are p ut fo rward.Key words co ntinental water cycle hydrological cycle geolo gical cycle human subsistence enviro nmentalsignificance
