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天山论道

水循环,不一样的圈

发布时间:2020年08月05日     播放次数:      来源:

导语 :由新疆科协和中科院新疆生态与地理研究所共同打造的新疆首档科学文化讲坛类节目《天山论道》,以科学文化为主线,每期邀请1名疆内外知名专家学者,以科学公开课的形式,向公众讲述国内外科技前沿动态,回应公众关切的热点科学问题、普及科学知识、弘扬科学精神、传播科学思想、倡导科学方法。该节目在新疆广播电视台7频道每周六21:20首播,每周三21:20重播。

水在自然界中是怎么循环的?新疆三山夹两盆的地理格局对水资源有着什么样的影响呢?今天我们将邀请中国科学院新疆生态与地理研究所研究员刘铁老师为我们讲述水循环,不一样的圈。

 

 

主讲嘉宾:刘铁,中国科学院新疆生态与地理研究所研究员。主要从事流域水文过程、河道动力学、地下水耦合模拟研究;遥感技术与分布式水文模型结合;全球气候变化下对水资源的影响:土地利用变化对水文资源的影响。

水循环的定义和要素

水是在自然界中是怎么循环的,我们从中能够得到什么样的经验和教训,得到什么样的益处?

大家可能在平常听说过很多的这个大气圈、生物圈、水圈或者岩石圈这种说法,感觉它们好大,离我们好远。

其实这些圈层,这是物理学上的一个称呼、一个定义而已。

比如说我们这个大气圈,它是因为这个重力关系,就是围绕这个地球的一个一圈的混合的气体。厚度通常大约就有一千多公里。

但是它的下限就是我们这个地表,我们地表的陆地表面这个岩石圈,它其实是从我们的陆地表面一直到我们岩石大约一百公里处的地方,这样的话就构成了这个岩石圈。

那接着我们看一下水在大气这个大的球体里是怎么运动的。

这张图上从微观稍微局部的角度来看一个流域尺度的一个水循环。

我们可以展示出来促成这个大气环流运动的一个主要的动力是我们的太阳有了辐射就可以驱动这个水分子的运动,然后太阳辐射直接引起了我们这个水分子从水的表面、从土地的表面、从植被的表面、从各个的表面上进行蒸发、蒸腾,然后这个不均匀的这个辐射又引起了风的运动,所以说根据这个风的运动携带的水蒸气,不断的在地球表面的各个方位上、方向上进行运动

所以说不均衡的辐射,其实是我们水气循环的最主要的一个驱动力。

经过这个循环大家可以看得出是有一个大尺度的,可能是跨大洲的一个循环,也可能是一个有微观的尺度的,是从一个植被的本身的体内进行这个运移的。

在全球大尺度上看,大气环流是因为太阳辐射让风动了起来,然后因为地球的自转和公转,又让风偏离了方向,又因为有了大海、陆地、森林,然后有了北、南,有了冷、热,然后再让风旋转起来了,所以说经过这种种的因素,促成了我们地球表面大气循环。

然后我们更具体地看一下这个气团在地形的抬升下,这个气团的温度逐渐的降低,到达了这个水气的饱和点,然后就形成了我们降雨降下来。与此同时,地表的水份通过我们的蒸发重新回到了我们这个大气当中。

如果是以降雪的形式来到地面上,那就可能形成季节性的降雪,在温度升高的时候融化形成径流,但是如果是积雪的形式,然后堆积到冰川上,然后冰川通过这个融冰湖、通过冰川的滑动、通过冰川崩塌等形式将水份转移、移动。

我们继续往下游来看,水汽可能是以这个降雨的形式落到地面上,在这个地形的这个作用下形成我们的径流,所以说不光是地表径流,如果汇集到这个河道中,这个地下的浅水高于我们这个河道水位的时候,也可能是会给我们这个河道进行补给。

就像我们新疆的这个排碱区一样,从这个气流的形态来看,如果被地形抬升而产生的这个降水、降雨,我们称为地形雨。如果是因为冷空气团和暖空气团相撞,产生的这种降雨,我们称为锋面雨。如果是水汽脱离它原来的宿主的话上升到大气这个过程中的话,我们称之为蒸发。

然后这个水汽脱离,扩散到大气当中,我们称之为水面蒸发。如果是水分子在保持这个热量情况下,那以后能满足它这个气化的需要的话,克服这个毛细管力、分子力、重力的情况下,然后再从土壤中回到大气当中,我们就称之为这个土壤蒸发。当这个植被,把自己的液罐表面的气孔打开,利用大气压在根部吸水,转运水分养分到植被的全身各部分,我们称之为植被的蒸腾。当然这还有一个特殊的一个逃逸方式,就是冰雪,我们把冰雪直接上升升华,从固态升达到气态的过程中,也是一种蒸散发的一种过程。

然后还有一种过程与蒸散发正好相反,它也是往下的,如果这个雨水克服了,咱们这个分子力、毛细管力、重力,不断地往下转移的过程中,在这个土壤中不断往下转移,我们称之为这个土壤的下渗或者渗透。

在地表径流中如果通过这个坡面来进行传导的,我们就叫剖面流。如果在河道中进行传导的,称之为这个河槽流。

然后大气通过降水到达地面,然后一部分是以这个薄膜水、毛细管水的形式,存在这个气包带中,当土壤的含水量只有超过了土壤的所有的能力,我们叫做土壤的田间持水量,多余的水才在重力的情况下,继续往下渗,形成饱和水带,然后继续流到这个地下水面后,这个水就从高的处流到低处,然后从这个补给源区流到排泄区,然后大气的降水和地表的水这个渗入我们叫浅层地下水。埋藏在隔水层之间的含水层,叫承压水。我们所说的这个地下水的开采过量、开采多是指这个承压地下水的过量开采,如果承压地下水层过量开采了,这个土壤这个含水率就变低了,孔隙度变大了,容易产生地面的沉降,以上我们就说了一些这个水循环的这个定义和要素。

水文学

那我们通常把这个研究,这一套东西的学科叫做水文学。大家也可以看出水文学主要研究载体水的发生、转移这个分布、物理化学属性,还有载体水与生物圈之间的一些关系。

只要是载体水,我们都是可以归纳水文学的一个研究范畴,在研究水文学当中,可能需要好多学科来共同的为这个做贡献,所以说我们一般把这个水文学,称为一个交叉学科。

它需要气象学、流体力学、生物学、土壤学、化学、物理学地质、地理、地理信息系统、遥感、数学这些学科。

那具体水文学可以做什么?

水文学简单来地说,就可以预测我们这个水资源、还有我们径流的短期的径流量是怎么变化的、中期和长期的径流量是怎么变化的。我们还可以用我们的知识为水工、水电设计提供背景知识,优化运营方式,进行防洪、防旱、防灾、防潮的防御。还可以为我们农民的管理部门、国土规划部门、环境保护部门、生态保护部门提供相应的支持。

这个就是我们水文学现在可以做什么或者是能够做什么东西,那下一步就是水文学是用什么方法来做研究的。

研究方法

这个水文学我们为了学好这些知识,可以通过各种的方法来了解这些自然尝试用这个科学的方法来模拟或重现这个自然这个过程。地下水蒸散这一个环节的运移和分布的这个积累,

然后我们还可以用穿地雷达,去了解积雪的情况,我们还可以用多普勒雷达流速仪来测量这个水在不同位置的流速,然后我们进而计算我们河道中的流量是怎么样的,我们还可以用这个遥感的手段,利用大数据来测量地表这个地表微小的变化、高层变化,然后还可以用这个分布式的这个温度的这些探头来测量我们这个自然界中的这些环境的能量的之间的交换。

其实这个是水资源分析或者水文学其实是一个综合的学科,不能光单看一个问题或者追求一个效果,我们要通过这个整体的效果达到一个最佳值。

新疆水循环

大家可以看出新疆已经是深入了咱们这个内陆区远离海洋被阿尔泰山、天山和昆仑山簇拥着,形成了三山夹两盆的地理格局。

对水资源产生的影响

那这样的地理格局会对我们水资源起到一个什么样的影响?

我们知道这个水循环的动力是全球的这个热力的不平衡,导致大气的这个环流。

从这个大西洋方面和地中海方面是来的西方的一个环流,从这个阿拉伯海和孟加拉来的是我们季风,然后从北边西伯利亚和北极过来的是我们极地的高压。

这三个水气循环的大的一个势力和我们这个特殊的地理格局

这个共同作用下形成了我们新疆的一个特殊的这个水资源分布情况和气候情况。

青藏高原高海拔隆起,所以说从孟加拉湾过来的季风,就很难影响到新疆内部,但是因为我们这三个大的山脉都是东西走向的,所以从大西洋、地中海和阿拉伯海过来的这几个大气环流对我们新疆是影响非常大的。

我们夏季的降雨基本上就靠这几个大的西风环流,然后在冬季水系主要是通过极地高压从北方带过来的。这就是我们觉得这个冬天不冷的话,我们春季的融雪径流就可能会非常好,这一年就可能会非常干。

新疆水资源分配

有了这个大的格局了,我们就可以看一下新疆的水资源分配是怎么样的情况。

基本上就是西边多,东边少。因为我们西边是接触西风环流,然后东边是在内地还是比较远的。还有一个特点就是山区多,平原少。

山区的降雨是咱们众多河流的形成区,然后平原和沙漠基本上降雨是非常少的我们也叫做这个耗散区,因为它的蒸发非常强烈。

然后大家也可以看看我们水资源时间和空间上分布不均的情况。它在年际上一般还是比较平稳,但是在年内还是分布非常不均匀,大部分是产生在我们的夏季、秋冬还有春季,还是占的非常非常少的。

新疆现在还是以农业为主导产业,然后这个农业的耗水量其实占到了我们新疆有效水资源量的90%以上,而且农业耗水多了以后必然挤占我们的生态用水。

然后还有一个问题,因为我们是处于西北的干旱区,所以说河川的自净能力非常差,水质的污染随之而然就突显出来了。

灌溉策略

还有因为灌溉产生了盐渍化的问题,那我们的策略是什么?

其实自治区已经做好了非常周详的一个计划,一直坚持人与生态的和谐共生,始终保持保障我们生态输水各项生态输水重大工程的用水量,例如从塔河调水,即使上游灌溉有多大的缺口,多大的压力,下游的生态输水是一直在进行的,然后经过这么多年,下游的植被恢复得非常好。然后我们台特马湖这个水面也恢复到以前非常可观的一个水平。

具体就是我们推行了三条红线的控制制度、河长制、湖长制,保证了我们能打赢污染防治的攻坚战。

因此在这一套的科学体系的这个指导下,我们是有信心看到我们新疆的水资源的利用会更加高效,我们的生态环境会恢复得更加好。

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