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第二部分水环境工程学
第三章水环境和水污染
3.1水环境
3.1.1地球的水循环
我们生活的地球表面积的大约3/4都是水域，陆地面积仅占1/4左右，分布在欧亚大陆、非洲、北美洲、南美洲、澳洲等主要陆地和无数岛屿上。可以说，我们的生存环境是被水域（绝大部分是海域）包围着，而且在大陆上也分布着河流、湖泊等天然水域，和运河、水库等人造水域。因此，水环境是我们生存环境中最重要的组成部分，研究水环境的意义也就不言而喻了。
地球上水的总量为1.386x109km3，这一庞大的数字说明，水是地球及其丰富的自然资源。水能够以气态、固态和液态这三种基本形态存在于自然界之中，形成了地球水圈（Globalhydrosphere），其储量分布情况如表3.1所示。
表3.1地球水圈中的水储量分布
水体
水储量
咸水
淡水
103km3
%
103km3
%
103km3
%
海洋
1,338,000.0
96.5379
1,338,000.0
96.5379
冰川与永久积雪
24,064.1
1.7362
24,064.1
1.7362
地下水
23,400.0
1.6883
12,870.0
0.9286
10,530
0.7597
水冻层中冰
300.0
0.0216
300
0.0216
湖泊水
176.4
0.0127
85.4
0.0062
91
0.0066
土壤水
16.5
0.0012
16.5
0.0012
大气水
12.9
0.0009
12.9
0.0009
沼泽水
11.5
0.0008
11.5
0.0008
河流水
2.12
0.0002
2.12
0.0002
生物水
1.12
0.0001
1.12
0.0001
总计
1,385,984.6
100
1,350,955.4
97.4726
35,029.24
2.5274
由此可见，地球上水储量的约97.5％是咸水，淡水储量仅占2.53％，其中相当大的一部分，如冰川与永久积雪、埋藏过深的地下水、沼泽水等很难作为淡水资源供人们取用。这样，我们可能从地球水圈中得到的水资源实际上不足总水储量的0.3％。
地球水圈中的水并不是静止不变的，而是处于不断的运动之中，存在着明显的水文循环（Hydrologicalcycle）现象。图3.1为水文循环过程的示意图。在太阳能的作用下，水分从水体（海洋、河流等）水面蒸发（Evaporation），同时从土地和植被表面也会发生蒸腾（Transpiration），成为空气中的水分。湿空气在高空冷却凝结后，又以雨、雪的形式降落下来，一部分被土壤和植被吸收，一部分在地表形成径流，最终汇入水体。降落到地表的水（包括土壤吸收的水和汇入水体的水）同时又通过渗透对地下水进行补充，在地下含水层中形成地下水流。这样就形成了以蒸发→降水→径流→蒸发为主的水文循环过程。在这个过程中参与循环的水分都是淡水，海水和其他水体中的盐分不参与循环而滞留于水体中。
蒸发
蒸发
图3.1地球范围的水文循环
在上述水文循环过程中，主要涉及到的水体包括大气水、陆地水、海水这三大类。
(1)大气水
大气中的水量通常通过单位面积气柱中所含水蒸气的量来计算。将大气中的水蒸气量换算成可能降水量的话，其平均值为25mm左右，由此可推算出水在大气中的循环周期。全世界的年平均降水量约为970mm，换算成日平均降水量则约为2.7mm，因此大气水的循环周期为25/2.7≈9天，也就是说，水分蒸发到大气中之后，平均每隔9天又通过降水回到地面。
然而位于地球的不同地区，或同一地区在不同季节里，大气水的循环周期并不相同，这一是由于地表或水面蒸发量不同，二是由于大范围气流运动的影响。因此存在着图3.2所示的水蒸气收支平衡关系。全球范围内的计算结果表明，中纬度的大陆地区来源于外部的水蒸气为67～77％，美国和加拿大为73％，欧洲地区为89％。由此可见，在局部地区通过建造水库增加水面的面积不一定能达到调节降雨量的目的。
(2)陆地水
陆地水包括河流、湖泊、地下水等，通常为与人类生活密切相关的淡水资源，它的循环往往受一个流域内的降雨情况、汇水面积、地形和地貌等自然条件的制约，图3.3为某一流域内水循环情况的示意图。降雨过程中雨水直接或间接（如林地和其它植被）落到地面，根据地表覆盖情况和土壤的渗透能力，一部分渗入地下，一部分产生径流，随地面坡度汇入河流或在低洼地滞留，同时发生蒸发。渗入土壤的水一方面会发生蒸腾，另一方面继续下渗，进入地下含水层。如图所示，在一个流域内，地表径流发生在地面分水岭以内，同样地下渗透与地下水流也发生在地下分水岭以内，同时根据地表水位和地下水位（或水压）之间的关系，地表水和地下水又相互补给。因此，一个流域就构成了一个相对独立