13.1: 淡水供应和水循环

水、空气和食物是人们最重要的自然资源。 人类在没有氧气的情况下只能活几分钟，没有水只能活不到一周，没有食物大约一个月。 水对我们的氧气和食物供应也至关重要。 植物在光合作用过程中分解水分并用它来产生氧气。

人类宝宝的水含量约为 75%，成人为 60%。 我们的大脑大约有 85% 是水，血液和肾脏是 83% 的水，肌肉是 76% 的水，甚至骨骼也是 22% 的水。 我们经常因汗水而流失水分。 在温带气候下，我们每天应该喝大约两夸脱的水，而在炎热的沙漠气候下的人每天最多应该喝10夸脱的水。 体内 15% 的水分流失通常会导致死亡。

水库

水是地球上唯一以三种形式自然存在的常见物质：固体、液体和气体。 水圈是地球上发生水流和储水的区域。 水库是储水的地方。 （请注意，该术语也可以指由水坝创建的人工湖。） 水以液体形式存在于地表（河流、湖泊、海洋）和地表之下（地下水），如冰（极地冰盖和冰川），以及大气中的水蒸气。 该\(\PageIndex{a}\)图显示了单个水分子在地球主要水库中可能停留的平均时间。 停留时间是衡量单个水分子在特定水库中停留的平均时间的指标。

图\(\PageIndex{a}\)：水在每个水库中的平均停留时间。 水在生物体中停留约一周，在大气中停留1.5周，在河流中停留两周，土壤湿度从两周到一年，在沼泽中停留1-10年，在湖泊中停留10年，在海洋中作为地下水停留2周至10,000年，在冰川或永久冻土中停留2周至10,000年1,000-10,000 年。 图片来自 OpenStax (CC-BY)。

地球是真正的水上星球。 地球表面丰富的液态水使我们与太阳系中的其他天体区分开来。 大约71％的地球表面被水覆盖，大约一半的地球表面随时被云层（也由水组成）遮盖。 我们的星球上有大量的水，大约14亿立方千米（km ³）= 3.3亿立方英里，相当于地球上每人约530亿加仑。 地球上所有的水都可以覆盖美国，深度为145千米（90英里）。

尽管地球上有大量的水，但只有2.5％是淡水（图\(\PageIndex{b}\)），只有0.01％可供人类使用。 如果世界上所有的水都缩小到1加仑的大小，那么淡水的总量将约为1/3杯，而易于使用的淡水量将为2-3汤匙。 地球的大部分淡水被困在冰川和极地冰盖中（图\(\PageIndex{c}\)），而这些水的位置不方便，主要是在南极洲和格陵兰岛。 浅层地下水（位于地表以下的水）是最大的可用淡水库。 许多生物依赖地表水，例如湖泊和河流，而地表水只占地球淡水的一小部分。 缺乏这些地表水会对生态系统产生负面影响。

图\(\PageIndex{b}\)：地球水分布的条形图，包括全球总水量、淡水和地表水。 海洋是地球上最大的水库，只有2.5％的地球水是淡水。 这些淡水中的大部分（68.7％）位于冰川和冰盖中，30.1％是地下水，1.2％是地表和其他淡水。 其中，3.0％存在于大气中，0.26％存在于生物中，0.49％存在于河流中，2.6％存在于沼泽和沼泽中，3.8％为土壤湿度，20.9％存在于湖泊中，69.0％存在于地面冰和永久冻土中。 图片来自美国地质调查局/伊戈尔·希克洛马诺夫（公共领域）。

图\(\PageIndex{c}\)：阿根廷的山地冰川。 冰川是最大的淡水库，但由于它们与大多数人相距甚远，它们不被社会直接用作水资源。 资料来源：Luca Galuzzi — www.galuzzi.it

水循环

水循环（水文循环）显示水在不同水库中的流动，包括海洋、大气、冰川、地下水、湖泊、河流和生物（图\(\PageIndex{d}\)）。 太阳能使海洋和其他地表水变暖，重力驱动水循环中的运动。 这会导致液态地表水的蒸发（液态水转化为水蒸气）、冰冻水的升华（冰变为水蒸气）和蒸腾（植物中的水流失到大气中）。 当土壤中的水被植物根部吸收时，它会穿过植物中的管道（维管系统），在叶片空间内蒸发，然后通过叶子的气孔（小显微镜开口）蒸发。 生态学家将蒸腾和蒸发合并为一个描述返回大气的水的单一术语：蒸散量。 因此，大量的水以水蒸气的形式进入大气层。

图\(\PageIndex{d}\)：水循环。 箭头描绘了水向位于地球表面上方、地表和地表以下的不同水库的流动。 蒸散和升华会向大气中添加水，然后凝结形成云层。 因此，水储存在大气中。 通过降水，水返回地球表面。 当降水发生在高海拔时，水以雪或冰的形式储存。 当积雪融化时，由此产生的径流会增加溪流。 降水产生的水也可以渗透以补充地下水储量或形成地表径流。 地下水排放、溪流中的水和地表径流流入淡水体和海洋。 来源：美国地质调查局

大气中的水蒸气可以通过盛行的风从海洋长距离迁移到陆地上空。 在海洋或陆地上空，空气会冷却并导致水凝回液态水。 这通常以非常小的水滴的形式发生，这些水滴围绕着称为凝结核的微小灰尘或盐块形成。 这些小水滴像云一样可见。 云层积聚，一旦水滴足够大，它们就会以降水（雨、雪、冰雹或雨夹雪）的形式落入地球，这会使水返回地球表面。

到达陆地的降水可以立即返回大气层，加入地下水或形成地表径流。 在大多数自然陆地环境中，雨水在到达土壤表面之前就会遇到植被。 很大比例的水会立即从植物表面蒸发或直接从土壤表面蒸发。 当水渗入土壤并最终填满泥土、沙子和砾石中颗粒之间或岩石裂缝中的孔隙空间时，地下水就会得到补充。 地下水缓慢地穿过岩石和未固结的物质，其中一些最终再次到达地表，在那里它作为泉水排放，流入溪流、湖泊和海洋。 许多溪流之所以流动，不是因为它们是直接从雨水中补充的，而是因为它们从地下的地下水中不断流入。 此外，溪流和湖泊中的地表水可以再次渗透以补给地下水。 因此，地表水和地下水系统相互连接。 地下水最终也可以通过地下水流入海洋，但有些地下水位于基岩深处，可以在那里持续数千年。 地表径流是淡水在陆地上流动，要么来自雨水，要么是融化的冰。 径流可以穿过溪流和湖泊进入海洋。 只有在强降雨中土壤被水饱和时，地表径流才会发生。

下面的视频解释了水循环的步骤。

盐度与水循环

水循环的一个重要部分是水的盐度如何变化，盐度是水中溶解离子的丰度。 海洋中的盐水含量很高，每升海水中约有35,000毫克的溶解离子。 蒸发是一种蒸馏过程，它产生几乎没有溶解离子的纯净水。 当水蒸发时，它会将溶解的离子留在原始液相中。 最终，凝结会形成云层，有时还会形成降水。 雨水落到陆地上后，它会溶解岩石和土壤中的矿物质，从而增加其盐度。 雨水和地表径流是包括磷和硫在内的矿物质从陆地循环到水的主要方式。 在《生物地球化学循环》中讨论了径流对环境的影响。 淡水（例如湖泊、河流和近地表地下水）的盐度相对较低。

人类与水循环的相互作用

人类通过从地表水和地下水中提取大量淡水来改变水循环（参见用水量）。 此外，森林砍伐、农业和城市化等土地利用的变化会减少植被覆盖，从而减少渗透并增加地表径流。 （植被会在降水时自然捕获降水，减缓流面径流，并提高渗透速率。） 这加剧了洪水，加剧了侵蚀，降低了土壤质量并造成水中的沉积物污染。 此外，人类通过修建水坝和渡槽来重定向水流（图\(\PageIndex{e}\)）。 如此多的水被从美国西部的科罗拉多河转移或引流，以至于尽管科罗拉多河面积相当大，但在某些年份中，它在到达墨西哥海域之前已经干燥。 举一个极端的例子，在将水转用于农业之后，中亚的咸海已缩小到其初始面积的10％（更多细节见本案例研究）。

图\(\PageIndex{e}\)：加州渡槽将农业所需的水从北加州输送到南加州。 图片由美国地质调查局（公共领域）提供。

水资源

淡水资源最终由降水补充。 然后，这些水可以从地表水（例如河流和湖泊）和储存地下水的含水层中获得。

主要淡水资源：降水

全球降水量分布不均匀，影响了淡水的供应（图\(\PageIndex{f}\)）。 总的来说，由于地球自转导致地球和全球空气循环细胞的加热不均匀，空气在赤道附近以及南北纬度 60° 附近升起，在北纬和南纬 30° 处下沉。 正如《气候对生物群落的影响》中所讨论的那样，赤道的强烈阳光会加热空气，使其升高和降温，从而降低空气团保持水蒸气的能力，并导致频繁的暴雨。 北纬和南纬约30度，下降的空气条件会产生更温暖的空气，从而提高其保持水蒸气的能力，并导致干燥的条件。 这些纬度带的干燥空气条件和温暖的温度都有利于蒸发。

大陆的大小、山脉、盛行的风、海洋环流模式，甚至水体的距离都会影响当地的气候模式。 例如，当冷风吹过相对温暖的大盐湖时，空气变暖，从而吸收水分。 局部空气中水分含量的增加最终可能在附近的山上降雪或降雨，这种现象被称为 “湖泊效应降水”。

图\(\PageIndex{f}\)：2014 年各国年平均降水量。 降雨量最高（3000-3500 mm）的国家是尼加拉瓜、哥斯达黎加、巴拿马、哥伦比亚、塞拉利昂（西非）、孟加拉国，其中许多岛屿位于东南亚。 降雨量最少（0-100 mm）的国家是沙特阿拉伯和几个北非国家。 美国的降雨量中等（500-750 毫米）。 世界上的热带雨林生长在降雨量大的地区，而降雨量很少的地区则是沙漠。 图片修改自《我们的数据世界》/世界银行（CC-BY）。

在美国，第 100 个子午线大致标志着该国潮湿和干旱地区之间的边界（图\(\PageIndex{g}\)）。 在第 100 个子午线以西种植农作物需要灌溉。 在西方，地表水储存在水库（人工湖）和山地积雪中，并在高使用时通过运河系统策略性地释放出来。

图\(\PageIndex{g}\)：美国降水分布。 第 100 个子午线大约是平均降水从相对潮湿转变为干燥的地方。 东部各州大多为绿色，表示降水量比大多数西方州多，后者主要是橙色或红色（表示降水量低）。 （来源：美国地质调查局）

地表水：河流和湖泊

河流是世界上许多城市灌溉农田和饮用水的重要水资源。 雨水流出的水和陆地上融化的积雪通过地表径流（图\(\PageIndex{h}\)）和周围陆地的渗漏进入河道。 被河流及其支流排干的地理区域称为分水岭。 密西西比河流域包括美国约40％的土地，该衡量标准包括较小的流域，例如有助于构成密西西比河的俄亥俄河和密苏里河。 在供水方面存在国际纠纷的河流包括科罗拉多河（墨西哥、美国西南部）、尼罗河（埃及、埃塞俄比亚、苏丹）、幼发拉底河（伊拉克、叙利亚、土耳其）、恒河（孟加拉国、印度）和约旦（以色列、约旦、叙利亚）。

图\(\PageIndex{h}\)：地表径流，水循环中陆路流量的一部分来源：维基共享资源的 James M. Pease

除河流外，湖泊也可以成为人类使用的极佳淡水来源。 它们通常从地表径流和地下水中获取水。 通过修建水坝，人们建造了人工湖（水库）。

地下水资源

尽管世界上大多数人使用地表水，但地下水是更大的可用淡水库，其含水量是河流和湖泊总和的30倍以上。 含有可开采地下水的大面积地下多孔岩石单元或沉积物是含水层。 含水层的饱和区是地下水完全填满土壤物质孔隙的地方。 地下水位是毛孔被水完全饱和的最高水平（图\(\PageIndex{i}\)）。

图\(\PageIndex{i}\)：储藏地下水的含水层的不饱和区和饱和区。 地下水位是饱和带的上层。 陆地表面被植被覆盖，地表水的顶部与地下水位是连续的。 图像底部显示了裂缝岩石（左）和砾石（右），两者都包含储存空气和水的空间。 在地下水位之上，水（不是地下水）由分子吸引所吸引，环绕着岩石颗粒的表面。 地下水位下的所有开口都满是地下水位。 图片由美国地质调查局提供（公共领域）

放水的地方（孔隙度）和输水能力（渗透性）相结合，构成了良好的含水层。 孔隙度是衡量岩石中开放空间的指标，表示为构成岩石或沉积物总体积的开放空间的百分比。 渗透率是衡量岩石或沉积物中孔隙相互关联性的指标。 孔隙之间的连接允许该材料传输水分。 孔隙度和渗透率是土壤颗粒成分的函数。 例如，粘土的孔隙率通常很高，但孔隙连接不良，从而导致渗透率低。

通常会钻探含水层并安装水井，为农业和个人用水提供用水。 在许多情况下，含水层耗尽的速度快于从上方向下渗透的水补充含水层的速度。 在地表水可能稀缺的干旱气候中，地下水是一种特别重要的资源。 此外，地下水是农村房主的主要水源，满足了美国98％的用水需求。

当地下水从水井中抽出时，井周围的地下水位通常会出现局部下降，称为凹陷锥（图\(\PageIndex{j}\)）。 当有大量水井长期抽水时，区域的地下水位可能会显著下降。 这被称为地下水开采，这可能迫使人们钻探更深、更昂贵的井，这些井通常会遇到更多含盐的地下水。 河流、湖泊和人工湖（水库）也可能因为过度使用而枯竭。 一些大型河流，例如美国的科罗拉多河和中国的黄河，在某些年份会枯竭。

图\(\PageIndex{j}\)：从井中抽取地下水时，含水层的地下水位下降，形成凹陷的锥体。 缩水位于地下水位和凹陷锥体之间。 降水以从云层落下的水滴为代表。 它浸入地下，为含水层充电。 含水层的底部是封闭单元，它不被水渗透。 图片由塔拉·格罗斯/美国地质调查局提供（公共领域）。

与地下水开采相关的另一个水资源问题是盐水侵入，海洋海岸线附近的淡水含水层过度抽水会导致盐水进入淡水区。 含水层凹陷锥体周围的地下水位下降会改变区域地下水流的方向，这可能会将附近的污染物带到抽水井而不是远离抽水井。 最后，由于地下水位的下降，可能会出现沉降（陆地表面在大面积上逐渐沉没）和污水坑（陆地表面在小面积上迅速下沉）的问题。 由于含水层中的孔隙会随着沉降而崩溃，这会永久降低含水层将来储水的能力。

地下水通过渗透、地表水（湖泊、河流、水库和沼泽）的渗出、故意抽入地下的地表水、灌溉和地下废水处理系统（化粪池）来补充。 补给区是指地表水渗入地面而不是流入河流或蒸发的地方（图\(\PageIndex{k}\)）。 补给区通常是含水层地形最高的位置。 它们的特点是位于地下水位以下的溪流和允许渗透到地下水下的沉积物或岩石。 例如，湿地是极好的补给区。 补给区标志着地下水流路径的开始。

补给可以通过含水层储存和回收的含水层管理做法来引发。 注水井允许人类通过向含水层抽水来提高含水层系统的补给速度（图\(\PageIndex{k}\)）。 注水井由州和联邦政府监管，以确保注入的水不会对含水层中现有地下水的质量或供应产生负面影响。 一些含水层能够储存大量的水，使水资源管理者能够像地表水库一样使用含水层系统。 在用水需求低和供水量大的时期，水储存在含水层中，然后在高用水需求和低供水时提取。

图\(\PageIndex{k}\)：地下水可以通过自然补给区和人工注入井进行补充。 在这张图中，降水来自暴风云。 有些水随着径流被冲走，有些水通过沙子渗透（降水的自然补给）。 水填满了含水层（标记为地下水水库）中的沙子和砾石。 含水层下方是基岩，不透水。 另一种天然补给来源是溪流。 通过人工补给井，水从管道流过控制阀流入注射管。 这也增加了地下水。 图片由美国地质调查局（公共领域）提供。

归因

• Matthew R. Fisher 的《水循环和淡水供应》、《供水问题与解决方案》以及《环境生物学中的生物地球化学循环》（获得 CC-B Y 许可）
• Chris Johnson等人的《地质学概论》中的水循环、水的利用和分配以及地下水。 （根据 CC-BY-NC-SA 获得许可）
• 《可持续发展：综合基金会》中的《生物地球化学循环和地球系统中的能量流动》，编辑汤姆·泰斯和乔纳森·汤姆金（根据 CC-B Y授权）。 在 CNX 免费下载。
• OpenStax（CC-BY）的《生物地球化学周期》 2e。 在 openstax.org 上免费访问。