问题研究 能否淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题教师教学用书
第三章 地球上的水
问题研究 能否淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题
【设计思路】
本章主题是地球上的水,旨在帮助学生了解与水有关的自然地理现象、过程与原理,辩证地看待自然环境与人类活动的关系。地球上水的主体是海水,海水的性质和运动对人类活动有着重要的影响,教材第二、三两节聚焦海水的性质和运动,落实课程标准“运用图表等资料,说明海水性质和运动对人类活动的影响”的要求。但海水对人类活动的影响并不局限于海水的性质和运动两方面,随着经济发展、科技进步和人民生活水平的不断提高,人口、资源、环境问题进一步加剧,海洋资源开发、海洋环境保护,以及海洋教育受到各国普遍重视,全面客观地认识海洋与人类活动的关系,理解海洋资源开发与海洋环境保护的辩证关系,对于培养学生的综合思维和人地协调观具有重要的意义。
我国仅在渤海及黄海北部沿岸部分海域有冬季结冰现象。这是由我国所处的地理位置及水文气象条件决定的。我国环渤海地区的缺水问题十分严重,成为制约经济发展和生态建设的重要因素。既然环渤海地区淡水紧缺,冬季又有大面积海冰,能不能将海冰变成淡水,解决这里的淡水资源紧缺问题?由此,教材提出一个研究性学习的问题—能否淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题。
教材将此问题研究设计为三个步骤:了解渤海地区海冰的资源量;了解海冰淡化技术,判断淡化海冰生产淡水在技术上的可行性;综合考虑经济、环境效益,判断环渤海地区淡化海冰解决淡水资源短缺问题的可行性。
第一步需要的背景知识主要是海冰的形成条件。海冰是低温条件下的海水冻结物。海冰资源量与纬度、水深、风向、洋流、地形等因素密切相关。渤海海冰多生成于岸边,离岸0-10千米范围内的海冰资源量最大。不同海湾的海冰资源量也存在差异。
根据海冰的生成速度,配合气温数据,能够计算环渤海地区冬季可开采海冰的资源量。总体来说,气温越低,海冰资源量越大;开采频次越频繁,海冰资源量越大。资料给出的数据比较全面,既给出正常年份的海冰资源量,也给出寒冷年份的海冰资源量。渤海海冰潜在可利用储量1000亿立方米是这样估算的:在寒冷年份,整个渤海湾离岸10千米范围内全部生成海冰,一次开采最多能取得200亿立方米的海冰,一年开采5次就是1000亿立方米。事实上,现在通过遥感监测的数据能够实时得知渤海海冰的空间分布,测算海冰资源量。
在考虑渤海地区海冰资源量的时候,要注意两个要点。第一,渤海海冰多生成于岸边,是便于人们开采利用的。第二,渤海海冰资源量受气温的影响,由南到北依次递增。据估算,正常年份海水的总储量巨大,可能提供大量淡水资源。
第二步学生要了解的知识背景是淡化海冰的方法。海冰淡化方法是根据海冰形成原理而设计的。方法1也称重力法,堆放海冰需要占用大面积空间,使用该方法需要两三个月才能获得淡水。方法2又称离心法,需要运输、破碎、离心加工海冰,但时效性较强。离心法也是目前人们积极研发的淡化海冰方法。图3.29中勘察海冰的研究人员来自国家海冰淡化关键技术团队,该项目由国家海洋局参与,是国家“十一五”规划科技支撑项目。根据项目研究结果,14吨海冰可产1吨淡水,海冰淡化产业化后,成本有望降为4元每立方米,与工业用水价格相差不多,脱盐后的水按需净化后成为工业、农业或生活淡水。
第三步学生需要综合前两步的相关资料,综合判断能否淡化海冰解决环渤海地区的淡水短缺问题。此处教材文字强调海冰资源的开发会给沿海生态环境造成负面影响。学生需要综合多方面的要素,最后给出自己的观点并进行论述。在问题探讨中,也需要考虑环渤海地区的自然环境特点以及经济发展特点。
【实施建议】
问题情境
问题情境导入可以再现环渤海地区“淡水资源严重不足”的现象和影响以及目前采取的措施,总体感知环渤海地区的地理特征,引发学生关注,为开展问题研究奠定基础。
方式一:图片感知。通过新闻图片,感知环渤海地区出现过的土地干裂、泉水干涸、河流断流、农业歉收、渔业受损、工厂停产等现象,讨论造成这些现象的主要原因淡水资源严重不足。
方式二:数据分析。通过分析全国淡水资源分布图、全国水资源人均占有量比较表等图表数据,讨论环渤海地区存在的主要问题—淡水资源严重不足。
方式三:问题讨论。通过讨论教科书问题-环渤海地区淡水资源严重不足,理解“人水矛盾”是制约环渤海地区可持续发展的首要问题,解决淡水资源严重不足的问题迫在眉睫。
方式四:工程建设。通过介绍南水北调工程、引滦入津工程、引黄济青工程等,引导讨论这些工程建设的目的—缓解环渤海地区淡水资源严重不足的问题,进一步讨论还有哪些措施有利于缓解这个问题,将学习视野引向海洋水资源的开发和利用。
方式五:技术创新。运用图3.29的研究人员在勘察海冰,或者展示海冰脱盐技术的关键设备-重力脱盐池、离心脱盐机,或者介绍研究人员利用海冰水进行作物灌溉、土壤改良的实验成果,引发学生关注海冰资源开采和利用问题。
方式六:海冰的形成实验。将30-50克盐加入1000克淡水中模拟海水,放入冰柜里速冻到-4℃,取出浮冰放入另一个量杯中,待浮冰融化后,用盐度计分别测量浮冰融水和原量杯冰下水的盐度,比较浮冰融水和冰下水的盐度差异,理解“海冰是低温条件下的海水冻结物”的概念,理解海水在结冰过程中盐分析出、海冰含盐量远低于海水含盐量、海冰融水接近淡水这些信息,为后续分析问题奠定认知基础。
研究过程
该研究重在引导学生基于渤海海冰资料,结合区域地理以及本章所学知识,对如何解决渤海地区淡水资源不足问题提出解决方案。研究主要分为课堂明确要求,课下研究解决问题,最终多样化成果展示三部分。具体研究过程可划分为以下五个阶段。
第一,进入问题情境,即学生对环渤海地区的水资源状况和渤海海冰资源状况有一定的感知,形成积极开展研究的兴趣和意向,并初步调用本单元的相关知识对利用渤海海冰可能面临的问题有大致的方向性判断。
第二,明确研究思路,即学生根据问题情境提出问题,并结合教材提出的问题,对如何利用渤海海冰的问题进行细分,并根据自己兴趣选择具体问题,组成研究小组,制定研究方案。
第三,收集丰富材料,即学生能够按照教材资料分析的提示,通过网络等途径,收集调水工程、海水淡化、海冰采集等方面的文字、图片资料,进一步深化对环渤海地区水资源危机、渤海海冰资源开发利用面临的挑战的认识,进一步明确渤海海冰开发亟待解决的问题。
第四,分析解决问题,即学生能够基于对环渤海地区、渤海海冰的认知提出利用海冰资源的方法和思路,形成可行性研究报告,小组间交叉进行分析、论证。
第五,交流展示成果,即学生能够运用科学的语言、准确的图像、正确的逻辑关系表达个人或小组论证的结果,对他人的研究成果进行点评,对自己的研究过程进行反思。
渤海海冰资源状况分析
这部分研究应围绕三个核心问题进行:第一,什么是海冰资源?第二,渤海海冰资源的分布有何特点?第三,渤海海冰资源是否可以开采利用?
海冰是低温条件下的海水冻结物。海水在结冰过程中析出盐分,导致海冰含盐量远低于海水含盐量,接近淡水,这是海冰作为潜在淡水资源的基础。对这个概念的理解可以结合“海冰的形成实验”来完成,也可以直接引用研究数据来说明:渤海海水盐度为28‰-31‰,而渤海海冰融水盐度平均为4‰-13‰,大大低于渤海海水盐度,接近淡水。
对渤海海冰资源的分布特点的学习,可以引导学生分析图3.28渤海及附近区域内日平均气温≤-4℃日数分布,讨论下列问题。(1)日平均气温≤-4℃日数分布有何特点?—总体上,北多南少,自北向南递减;近岸多外海少,从近岸向外海递减。(2)渤海海冰资源的分布有何特点?—总体上,北多南少,自北向南递减;辽东湾最多,莱州湾最少;近岸多外海少,从近岸向外海递减。
环渤海地区属于温带季风气候,每年有4个月的寒冷期可形成海冰,加上海域封闭、海流弱、大陆架宽广等因素,渤海海冰总量丰富。因此,渤海海冰资源是可以开采利用的,特别是北部近海海域,如辽东湾、渤海湾等。
淡化海冰的技术及成本可行性研究
环渤海地区淡水资源严重不足,而渤海海冰资源十分丰富,为什么长期得不到开采利用呢?关键是技术设备和经济成本上的限制。该部分研究应围绕两个核心问题进行:第一,目前采用的海冰淡化技术有哪些?第二,从经济角度看,海冰淡化是否可行?
海冰淡化就是通过各种方法,将海冰形成过程中未排出冰体的高浓度盐水(卤水)从海冰中分离出来,以进一步降低海冰盐度,满足生产、生活对淡水的需求标准。
目前海冰淡化尚未进入规模生产阶段,野外和现场实验中采用的海冰淡化方法主要有重力脱盐法、离心脱盐法,主要设备有重力脱盐池、离心脱盐机等。教学中不必细究两种方法的过程,重在脱盐的结果。
从教材提供的资料得知,海冰淡化技术可行,为什么海冰淡化未进入规模化生产呢?海冰资源存在着时空分布不均的特点,不同时间资源量也不一样,一年之中只有冬季才能开采。不同地域资源量不一样,需要准确测算才能开采到足够多的海冰。海冰淡化的每个环节都需要设备和技术的保证,否则规模化生产就不稳定,成本较高,而且可能产生安全隐患。据研究人员测算,前期渤海海冰淡化水的成本为6687元每立方米,高于海水淡化的成本(天津海水淡化水的成本为5元每立方米)、南水北调的水定价(天津南水北调水的定价是2.16元每立方米)。成本较高不利于海冰淡化技术的推广应用,也阻碍了海冰资源开发的产业化。进一步引导学生讨论,为什么海冰淡化的成本较高?可回答:由于设备性能不完善、机械化作业程度低、辅助设施缺乏、生产规模小等。随着研究的深入,上述问题逐步解决,渤海海冰淡化可实现产业化、规模化,成本有望降到4元/立方米,与工业用水价格相差不多,脱盐后的水按需净化后成为工业、农业或生活淡水,具有较广泛的市场应用前景。
海冰资源的开发对沿海生态环境造成的影响评价
区域的发展需要开发利用自然资源,但是区域的可持续发展要以生态环境保护为前提,不能以牺牲环境为代价谋求经济发展。在渤海海冰资源开采利用过程中,要充分论证海冰资源开发可能产生的环境影响。
可引导学生讨论:大量开采海冰对渤海的盐度、沿岸气候和生态环境有什么影响?渤海海冰是“一冬冰”,即每年冬季生成,翌年春季消失,周而复始,渤海的海水盐度多年保持稳定,生态系统保持平衡。若大量开采海冰并把淡化时所产生的高盐度卤水排入海中,必然使渤海的海水盐度增加,导致生态平衡失调,特别是在相对封闭、水体交换弱的海区,如辽东湾,盐分不易扩散,对生态系统的影响更大。大量海冰开采利用,会影响海-气相互作用,从而对气候产生一定的影响,其中影响最大的是气温。研究结果表明:大量开采辽东湾的海冰,可能造成辽东湾西部平均气温下降,大连西部及南部平均气温上升。
除上述影响外,海冰淡化产生的大量高浓度卤水,如果直接排放,还可能导致周围地区土壤盐碱化加剧、水质下降等问题。
综合分析,阐述自己的观点
环渤海地区淡水资源严重不足是一个迫切需要解决的现实问题,渤海海冰资源十分丰富且具有潜在的淡水资源价值,能否通过淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题?教学中可以采取辩论赛的方式进行。
甲方观点:可以通过淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题。主要证据:1.渤海海冰资源十分丰富;2海冰淡化技术有可行性;3若产业化、规模化生产,海冰淡化成本可降低至工业用水价格,具有较广泛的市场应用前景。
乙方观点:不能通过淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题。主要证据:1渤海海冰是“一冬冰”,季节性很强,且资源数量不稳定;2海冰在采集、运输、储存等方面存在较难克服的困难;3海冰开采可能影响气候,导致生态失调,引发严重的环境问题。
甲、乙双方经过综合分析区域资源开发的必要性、可行性和可能产生的问题及对策,并在辩论中不断修正和完善自己的观点,最后观点趋同:解决环渤海地区淡水资源严重不足这个问题需要采取多种途径,既要开源,如跨流域调水、兴修水库、海水淡化、合理开采地下水等,更要节流,如加强节水教育,保护水环境,防治水污染,发展节水科技、节水工业、节水农业,提高水资源利用率,倡导节水生活方式等。海冰淡化属于“开源”措施,是一项具有中国特色的创新研究,作为解决环渤海地区水资源短缺问题的新途径,有其产生的必然性和可能性。随着相关研究的不断深入和技术上取得新突破,在全球环境变化、节能减排的大背景下,海冰淡化有可能成为环渤海地区发展低碳经济、保障社会经济可持续发展的新举措。
问题分析指引
资料1 渤海海冰资源量
1.渤海海冰资源是否可开采利用?为什么?
该问题主要从三个方面分析。一是渤海海冰的数量。结合资料给的数据,可适当补充数据加以说明,渤海海冰资源丰富,有开采价值。二是渤海海冰的质量。结合资料给的数据,说明渤海海冰融水盐度低,易于转化为淡水资源。三是渤海海冰的开采条件。结合图3.28说明渤海冬季气温低,海冰生成速度快,开采次数多,且距离海岸近,易于开采。
2.为什么渤海海冰可开采次数由北向南递减?
该问题可以从三个方面分析。一是了解渤海海冰形成的气温条件。结合资料,抓住关键气温数值(≤-4℃)。二是描述渤海气温分布特点。通过分析图3.28,观察年内日平均气温≤-4℃日数等值线分布,得出气温从北向南递减的分布特点。三是分析影响渤海海冰分布的其他条件。可以补充渤海水深、风向、海流等材料,培养学生的综合思维能力。
资料2 渤海海冰淡化研究
1.采取上述方法淡化海冰,产生的高浓度盐水如何处理?
该问题可以从两个方面探究。一是分析高浓度盐水直接排入海中可能带来的环境问题。可以补充一些材料,说明高浓度盐水直接排入海中必然使渤海的海水盐度增加,导致生态平衡失调,特别是在相对封闭、水体交换弱的海区,如辽东湾,盐分不易扩散,对生态系统的影响更大;若高浓度盐水直接排放在陆地上,可能导致周围地区土壤盐碱化加剧、水质下降等问题。二是探究高浓度盐水的处理方法。可以补充材料,介绍一些高浓度盐水的处理方法,如生物处理工程等,可将盐分与其他物质进行分离,提取盐类物质开展综合利用。
2.从供需角度看,淡化海冰生产淡水是否可行?
该问题可以从三个方面分析。一是从海冰淡化的供应能力分析。通过材料分析,海冰淡化的成本有望降到4元/立方米,与工业用水价格相差不多,脱盐后的水可以按需净化达到工业、农业或生活淡水的标准。二是从海冰淡化的市场需求分析。环渤海地区人口众多、城市密集、产业发达,需水量极大,而淡水资源严重不足,尽管采取了南水北调、海水淡化等措施,仍然存在着严重的淡水资源短缺问题。三是从供需两方面综合分析淡化海冰生产淡水的可行性,可以采取辩论赛的方式进行。
第三章 地球上的水
知识拓展
【我国古人对水循环的解释】
水是地球上人类和一切生物得以生存的物质基础,人们一直都在探寻水的来龙去脉。早在战国时期,屈原就在《天问》中提出“东流不溢,孰知其故?”的问题。
《吕氏春秋》中写道:“云气西行,云云然,冬夏不辍;水泉东流,日夜不休;上不竭,下不满,小为大,重为轻。圜道也。”就是说:水汽从海洋不断随风吹向西方,在大陆上空周转回旋,凝结为雨;地上、地下的水流向东方,日夜运行,源流不息,海洋也注不满;涓滴汇合成河海,海水蒸发为浮云。
唐代柳宗元在《天对》中曾对此问题作了解释:“东穷归墟,又环西盈。脉穴土区,而浊浊清清。坟垆燥疏,渗渴而升。充融有余,泄漏复行。器运浟浟,又何溢为!”就是说:水向东流注入大海,海水蒸发为云,又回到大陆上空降而为雨。雨水渗入到地下,填充在土壤空隙中的水有浊有清。高地干燥的土壤,水渗入后便会上升蒸发。土壤水饱和以后便会产生径流,水流通过各种途径运行不停,最后注入大海,如此循环不已。明末清初还有学者绘制出水循环的示意图,说明水汽上升,成云致雨,流湿地面,渗入地下的水分循环情况。这幅图名为《日火下降,旸气上升》,附于《诸葛武侯白猿经风雨占图说》一书中,作者已不可考。
【地球上水的分布】
海洋、河流、湖泊、沼泽、地下水、冰川、大气水、矿物中的水以及深层岩石中的液态水等共同构成地球上的水圈。其中海洋是水圈的主体,地球上97.31%的水存储在海洋之中。
地球的总水量巨大,达14×108立方千米以上,占地球质量的万分之二。假如地球表面是平坦的,水深能够到达2744米。地球上不同类型水体的水量估算值如表3-13所示。
表3-13 地球上不同类型水体水量估算
地球上的水时时刻刻都在循环运动,从长期来看,全球水的总量没有什么变化。但是,对一个地区来说,有的时候降水量多,有的时候降水量少。某个地区在某一段时间内,水量收入和支出的差额,等于该地区的储水变化量。这就是水量平衡原理。
根据水平衡原理,一条外流河流域内某一段时期的水平衡方程为:P-E-R=ΔS
式中P为流域降水量,E为流域蒸发量,R为流域径流量,ΔS为流域储水变量。从多年平均来说,流域储水变量ΔS的值趋近于零。
流域多年水平衡方程为:P0=E0+R0
式中P0、E0、R0分别代表多年的平均降水量、蒸发量、径流量。
降水、蒸发和径流是水循环的三个重要环节,在水量平衡中,它们是三个主要因素。全球水量平衡主要表现在以下几方面。
第一,全球每年水的总蒸发量和总降水量均为500000立方千米。
第二,全球海洋的总蒸发量为430000立方千米,总降水量为390000立方千米。蒸发量比降水量多支出的40000立方千米,以水蒸气的形式输送到大陆上空。
第三,陆地上的降水量(110000立方千米)比蒸发量(70000立方千米)多40000立方千米,其中有一部分渗入地下补给地下水,一部分暂存于湖泊中,一部分被植物吸收,多余部分最后以河川径流形式回归海洋,从而维持海陆之间的水量平衡。
【砂田】
砂田除了提高土壤含水量之外,还具有提高地温、减尘、防止土壤盐渍化、减少水土流失等有利于农业生产的功能。
砂田能够提高土壤温度。在白天,砂石覆盖层吸收太阳辐射后很快就能升温,并能将热量传导到土壤中。与裸地相比,砂石覆盖层将土壤表层与空气隔绝开,切断了土壤毛细管,能够减少土壤蒸发量,避免土壤因蒸发而消耗热量。在夜晩,砂石覆盖层虽然降温也很快,但表层土壤含水量大、散热缓慢,能较好地保持土壤温度。据测定,砂田对0-20厘米土壤层均有增温效果。以宁夏砂田西瓜为例,在砂田西瓜100天的生长期内,0-20厘米土壤层累积增加土壤温度约100℃,这对气候相对冷凉的宁夏中部干旱地区西瓜的生长及提前上市有重要意义。与裸田西瓜相比,一般砂田西瓜可提前7-10天成熟。
砂田能够减少扬尘。在干旱地区的冬春季节,常规耕作下农田表层裸露的疏松土壤极易被大风吹失。覆盖砂砾之后,由于地面粗糙度的增加减缓了地表风速,可有效减少大风天气的扬尘量,降低干旱区的风沙。
砂田能够防止土壤盐渍化现象。一方面砂田充分接纳雨水,增强了土壤的水分下渗和淋溶作用(详见第五章),使土壤盐分下移;另一方面由于砂石覆盖层切断了土壤的毛细管,土壤蒸发量减少,因而盐分在土壤上层聚积量减少,这样就有效地控制了土壤盐渍化。
在传统耕作方法下,砂田一次铺成可连续使用2030年。尤其是前5年,即便不额外施肥,砂田自身的肥力也能满足农作物生长所需。在多年耕种过程中,砂石覆盖层中逐渐混入土壤,使砂层堵塞、板结,砂田的功能就会逐渐减弱。当砂石覆盖层中土壤与砂石的比例超过2:1时,砂田的功能几乎全部消失。可以通过轮作、施用有机肥、人工补水、休耕等方法延长砂田的寿命。
【蓄水保墒】
保墒是指保持住土壤中适合种子发芽和作物生长的湿度。蓄水保墒是指增加土壤蓄水量,是农田耕作的重要技术,主要有以下几种做法。第一,控制蒸发量,抑制无效蒸发。如使用石碾子等工具对土壤表层进行压实,或铺设地膜等,可以有效减少水分蒸发。第二,尽量避免径流产生。如在农田表层铺设砂石或秸秆,可有效减少径流产生。第三,增加土壤下渗。如翻耕农田,增加雨水下渗。
【中国的水循环路径】
中国有明显的季风气候特点,这是形成大规模降水的主要原因。夏季盛行来自太平洋、印度洋一带温暖而潮湿的东南季风和西南季风;冬季盛行从蒙古、西伯利亚吹来的寒冷而干燥的冬季风,影响着全国的降水。据估算,中国大陆上空平均每年水汽总输入量约为18200立方千米,其中约31%形成降水,69%成为过境水汽越过中国大陆上空输出国界。
【注】中国水循环与水量平衡方略对策研究课题组.正确认识中国水循环运动规律全面建设环境友好型和谐社会[J].水利发展研究,2006,6(2):10-14。
径流主要通过黑龙江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、珠江等水系,浙、闽、台水系及西南诸河水系入海。中国的外流流域约占中国总面积的60%,外流河主要流入太平洋,也有一部分流入印度洋和北冰洋。
【水文学】
水文学是研究地球大气层中和地球表面,以及地壳内各种水的科学。它是研究各种水体的性质、形成、运动和分布及其相互关系,以及与人类和环境相互作用的学科。早在几千年前人们就有了相当多的水文知识,开始观测水位、计算流量、预报洪水、发展灌溉,但是水文学形成独立的学科为时并不很久。15世纪的水文观测使水文学开始进入比较科学化的阶段,水文学在17世纪进入定量阶段,18世纪进入现代科学时期。
法国水文学家佩罗是现代科学水文学的奠基人。佩罗第一次把水文学建立在定量的基础上,他通过对塞纳河的观测,证明与河流径流量相比,降水量非常充沛,降水可以是河流水的来源。佩罗的结论在1674年出版的《泉水之源》一书中公布,该书被公认为是科学水文学的开端。1974年召开的科学水文三百周年(1674-1974年)纪念会,也是为了纪念佩罗和他的成果。
佩罗发表成果后,法国科学家马略特测量了巴黎塞纳河在接近平均水位时的河宽、水并用浮标法测得流速,他的观测基本上证实了佩罗的结论。值得一提的是,马略特在物理学界有卓越的贡献,他1686年的著作《论水和其他流体的运动》对流体力学进行了深入的实验研究。马略特通过测量推断,降水和冰雪融化是春季塞纳河水位上涨的原因。1687年,英国科学家哈雷用自创的蒸发器观测了海水的蒸发量,不仅计算出地中海蒸发的总水量,还估算了地中海沿岸9条主要河流流入地中海的总水量。哈雷发现流入地中海的总水量大约只占地中海蒸发总水量的三分之一,初步提出了水文循环的概念。
佩罗、马略特和哈雷三人被认为是现代水文科学的奠基人,他们尝试把水文学建立在定量研究的基础之上。
【注】哈雷也是英国著名的天文学家、哈雷彗星的预言者、牛顿撰写《自然哲学的数学原理》的倡议人。
【我国潜艇从“海中断崖”死里逃生】
现代潜艇诞生于19世纪80年代,一个多世纪以来,潜艇一直是海战场中不可或缺的水下突击力量,在两次世界大战中充分显露了其“水下杀手”的本色。潜艇在活动时,要密切注意海洋环境。影响潜艇水下安全航行的海洋环境因素主要包括海浪、海流、跃层、海洋内波和海底地形等方面。教材提到的“海中断崖”就是跃层的一种。
如果海水跃层上层密度大、下层密度小,海水浮力由上至下急剧减小,就会形成“断崖”。潜艇突遇“海中断崖”,会以越来越快的速度往下掉。由于目前潜艇不能完全自动化应急操作,在这种情况下必须迅速地、冷静地做岀应对。如果不能有效控制潜艇的掉落,一旦达到潜艇的极限下潜深度,艇体或管路就会承受不住巨大的压力而破裂进水,最终会艇毁人亡。
2014年,我国海军372潜艇在执行任务时突遇“海中断崖”,在潜艇急速下掉的3分钟里,战士们冷静地关闭上百个闸门,有序关停电气设备,以难以置信的速度科学有效地进行应对。在372潜艇即将下沉到极限深度时,潜艇掉落的速度逐渐变小,在悬停10余秒后,艇体终于开始上浮。海军372潜艇从“海中断崖”死里逃生,创造了我国乃至世界潜艇史上的奇迹。
【注】李大光,翁永斌海洋深处“断崖”成潜艇杀手[N].北京日报,2015-01-07(15)。
【彩色的海】
海水的颜色是由海水的光学性质所决定的。海水对太阳光中的蓝色光吸收少,而反射多,所以人们看到的海洋多呈蔚蓝色。
泥沙能改变海水的颜色。我国黄海特别是其近海海域,因汇入的黄河水又黄又浊,海水多呈土黄色,故得名黄海。
海洋生物也能改变海水的颜色。介于亚洲、非洲间的红海,一边是阿拉伯沙漠,另一边是撒哈拉大沙漠。风吹来的沙尘富含营养物质,加上高温高盐的海区环境,导致海水中红褐色的海藻大量繁衍,使海水呈淡红色,因而得名红海。
黑海海底沉积的大量淤泥,使海水看上去呈黑色。另外,黑海多风暴、阴霾,特别是夏天狂暴的东北风,在海面掀起暗灰色的巨浪,故得名黑海。
白海是北冰洋的边缘海,深入俄罗斯西北部内陆,天气异常寒冷,结冰期达6个月之久,海面被白雪覆盖。由于白色反射强烈,人们看到的海是一片白色。
【海水的盐度变化】
远离陆地的外海,盐度一般在33‰至38‰之间,变化幅度较小。相比而言,近海区域的盐度差异很大。例如,波罗的海盐度不到10‰,红海盐度可达42‰。近海区域的盐度受河流、降水、蒸发、冰雪融水、海冰融化和形成等因素影响,变化幅度也相对较大。
海水盐度的表层变化规律可以概括为:盐度由副热带向两侧高低纬递减。但同纬度的表层海水盐度,大西洋往往高于太平洋。这是由于大西洋相对比较狭窄,较为接近陆地,因此海水盐度较高。
海水盐度随深度也会发生变化。总体来说,由于影响海水盐度的因素都发生在表层,对深层海水的影响十分有限。因此,无论是中高纬度地区,还是低纬度地区,深层海水的盐度是比较接近的。对中高纬度地区而言,表层海水盐度较小,随着深度的增加逐渐升高;对低纬度地区而言,表层海水盐度较高,随着深度的增加逐渐降低。各处海域都存在盐度随深度快速变化的水层,称为盐跃层。盐跃层一般出现在海平面以下1000米左右,可以视为海洋中不同盐度水层的“分割线”。
【影响海水密度的因素】
密度是海水的重要性质,海洋中由于海水密度的不同,会出现海水的垂直分层。表层海水中的水团、海流密度较低。相对而言,深层海水中的水团、海流密度较高。
对表层海水来说:温度上升时,海水密度下降(由于热膨胀);盐度上升时,海水密度增加(由于溶解了更多物质)。与盐度相比,温度对密度的影响更为显著。这是因为表层海水的温度范围大于盐度范围。事实上,只有在极地地区,盐度对海水密度的影响才会超过温度。
但对于深层海水来说,温度和盐度对密度几乎没有影响,只有压力与海水密度有关。具体表现为,压力上升时,海水密度增加。高密度的海水会下沉,因此海水表层的密度相对较小。
【海浪的种类】
按生成海浪的原因对海浪分类:风吹拂海面引起的海水波动称为风浪;风浪传到无风的海区,或风停息以后的余波,称为涌浪。风浪的外形不对称,迎风面缓背风面陡,波峰较尖,风浪的传播方向与风向一致。涌浪的外形圆滑,波长较长。
由太阳、月亮等天体引潮力产生的波,称为潮波。海洋内部密度不同的两层海水交界面上形成的波称为内波。
我们平常在海边所见到的波浪,是一种碎浪。风浪或涌浪传播到浅水区时,受到海底摩擦作用,波浪的能量会很快衰减,形成近岸浪或拍岸浪等碎浪。从波浪形态上来看,进入浅水区波浪的速度和波长会下降,但波高会增大,这种趋势会导致海浪前倾、破碎和卷倒。冲浪者最喜欢的是碎浪中的卷碎波,卷曲的波峰非常适宜进行冲浪运动。为此,冲浪者们热衷于在坡度合适的海滩寻找卷碎波,那些出现卷碎浪概率高的海滩往往被称为“冲浪圣地”。
【潮汐形成的原因】
潮汐是指海水在月球和太阳引力作用下发生的周期性涨落现象。虽然月球质量比太阳小,但它离地球近,因而海洋潮汐主要是由月球引潮力引起的。在地月系统中,地球上的海水受到两个力的作用:一是月球对地球的引力,二是地球绕地月公共质心旋转时产生的惯性离心力。这两个力的合力就是月球引潮力。
根据涨落程度的不同,可以将潮汐分为小潮和大潮。在天体运动过程中,当月球、地球和太阳形成直角时,月球和太阳的引潮力相互抵消了一部分,海面的涨落差小,形成小潮。当太阳、月球和地球大致处在同一条直线上时,月球引潮力和太阳的引潮力叠加在一起,形成大潮。
【洋流形成的原因】
洋流形成的原因是多方面的。
首先,大气运动和近地面风带,是海洋水体运动的主要动力。盛行风吹拂海面,推动海水随风漂流,并且使得上层海水带动下层海水流动,形成规模较大的洋流,叫风海流。南、北半球盛行西风和信风所形成的洋流就是风海流。
其次,由于海域的海水温度、盐度不同,导致海水密度分布不均,引起海水的流动,叫密度流。例如,地中海海域受气候影响,海水蒸发旺盛,周围又无大河流入,因此海水的盐度高、密度大。高盐度、高密度的海水下沉,从底部向西经西直布罗陀海峡流向大西洋。与地中海相邻的大西洋,海水盐度、密度比地中海低,水面比地中海高。这样,大西洋表层海水经直布罗陀海峡流入地中海,补充地中海海水。
第三,由风力和密度差异所形成的洋流,叫补偿流。补偿流有水平的,也有垂直的。垂直补偿流又分为上升流和下降流两种。上升流不仅要克服自身的重力,还要承受顶层海水的巨大压力,上升速度非常慢。秘鲁附近的上升流每天上升不超过1米。
在自然界中,洋流的形成往往不是受单一因素的影响,而是同时受到几个因素的综合影响。地转偏向力和陆地轮廓,也会迫使洋流的流向发生改变。
大西洋中的墨西哥湾暖流(又称“湾流”)是世界上最大的暖流。其宽度达60-80千米,深700余米,表层洋流平均流速约1米每秒,越向深处流速越小。这条大洋中的“巨川”蕴含着巨大的热量。它每年释放的热量,比全世界一年所用燃煤产生的热量还要多。
问题研究 能否淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题
【设计思路】
本章主题是地球上的水,旨在帮助学生了解与水有关的自然地理现象、过程与原理,辩证地看待自然环境与人类活动的关系。地球上水的主体是海水,海水的性质和运动对人类活动有着重要的影响,教材第二、三两节聚焦海水的性质和运动,落实课程标准“运用图表等资料,说明海水性质和运动对人类活动的影响”的要求。但海水对人类活动的影响并不局限于海水的性质和运动两方面,随着经济发展、科技进步和人民生活水平的不断提高,人口、资源、环境问题进一步加剧,海洋资源开发、海洋环境保护,以及海洋教育受到各国普遍重视,全面客观地认识海洋与人类活动的关系,理解海洋资源开发与海洋环境保护的辩证关系,对于培养学生的综合思维和人地协调观具有重要的意义。
我国仅在渤海及黄海北部沿岸部分海域有冬季结冰现象。这是由我国所处的地理位置及水文气象条件决定的。我国环渤海地区的缺水问题十分严重,成为制约经济发展和生态建设的重要因素。既然环渤海地区淡水紧缺,冬季又有大面积海冰,能不能将海冰变成淡水,解决这里的淡水资源紧缺问题?由此,教材提出一个研究性学习的问题—能否淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题。
教材将此问题研究设计为三个步骤:了解渤海地区海冰的资源量;了解海冰淡化技术,判断淡化海冰生产淡水在技术上的可行性;综合考虑经济、环境效益,判断环渤海地区淡化海冰解决淡水资源短缺问题的可行性。
第一步需要的背景知识主要是海冰的形成条件。海冰是低温条件下的海水冻结物。海冰资源量与纬度、水深、风向、洋流、地形等因素密切相关。渤海海冰多生成于岸边,离岸0-10千米范围内的海冰资源量最大。不同海湾的海冰资源量也存在差异。
根据海冰的生成速度,配合气温数据,能够计算环渤海地区冬季可开采海冰的资源量。总体来说,气温越低,海冰资源量越大;开采频次越频繁,海冰资源量越大。资料给出的数据比较全面,既给出正常年份的海冰资源量,也给出寒冷年份的海冰资源量。渤海海冰潜在可利用储量1000亿立方米是这样估算的:在寒冷年份,整个渤海湾离岸10千米范围内全部生成海冰,一次开采最多能取得200亿立方米的海冰,一年开采5次就是1000亿立方米。事实上,现在通过遥感监测的数据能够实时得知渤海海冰的空间分布,测算海冰资源量。
在考虑渤海地区海冰资源量的时候,要注意两个要点。第一,渤海海冰多生成于岸边,是便于人们开采利用的。第二,渤海海冰资源量受气温的影响,由南到北依次递增。据估算,正常年份海水的总储量巨大,可能提供大量淡水资源。
第二步学生要了解的知识背景是淡化海冰的方法。海冰淡化方法是根据海冰形成原理而设计的。方法1也称重力法,堆放海冰需要占用大面积空间,使用该方法需要两三个月才能获得淡水。方法2又称离心法,需要运输、破碎、离心加工海冰,但时效性较强。离心法也是目前人们积极研发的淡化海冰方法。图3.29中勘察海冰的研究人员来自国家海冰淡化关键技术团队,该项目由国家海洋局参与,是国家“十一五”规划科技支撑项目。根据项目研究结果,14吨海冰可产1吨淡水,海冰淡化产业化后,成本有望降为4元每立方米,与工业用水价格相差不多,脱盐后的水按需净化后成为工业、农业或生活淡水。
第三步学生需要综合前两步的相关资料,综合判断能否淡化海冰解决环渤海地区的淡水短缺问题。此处教材文字强调海冰资源的开发会给沿海生态环境造成负面影响。学生需要综合多方面的要素,最后给出自己的观点并进行论述。在问题探讨中,也需要考虑环渤海地区的自然环境特点以及经济发展特点。
【实施建议】
问题情境
问题情境导入可以再现环渤海地区“淡水资源严重不足”的现象和影响以及目前采取的措施,总体感知环渤海地区的地理特征,引发学生关注,为开展问题研究奠定基础。
方式一:图片感知。通过新闻图片,感知环渤海地区出现过的土地干裂、泉水干涸、河流断流、农业歉收、渔业受损、工厂停产等现象,讨论造成这些现象的主要原因淡水资源严重不足。
方式二:数据分析。通过分析全国淡水资源分布图、全国水资源人均占有量比较表等图表数据,讨论环渤海地区存在的主要问题—淡水资源严重不足。
方式三:问题讨论。通过讨论教科书问题-环渤海地区淡水资源严重不足,理解“人水矛盾”是制约环渤海地区可持续发展的首要问题,解决淡水资源严重不足的问题迫在眉睫。
方式四:工程建设。通过介绍南水北调工程、引滦入津工程、引黄济青工程等,引导讨论这些工程建设的目的—缓解环渤海地区淡水资源严重不足的问题,进一步讨论还有哪些措施有利于缓解这个问题,将学习视野引向海洋水资源的开发和利用。
方式五:技术创新。运用图3.29的研究人员在勘察海冰,或者展示海冰脱盐技术的关键设备-重力脱盐池、离心脱盐机,或者介绍研究人员利用海冰水进行作物灌溉、土壤改良的实验成果,引发学生关注海冰资源开采和利用问题。
方式六:海冰的形成实验。将30-50克盐加入1000克淡水中模拟海水,放入冰柜里速冻到-4℃,取出浮冰放入另一个量杯中,待浮冰融化后,用盐度计分别测量浮冰融水和原量杯冰下水的盐度,比较浮冰融水和冰下水的盐度差异,理解“海冰是低温条件下的海水冻结物”的概念,理解海水在结冰过程中盐分析出、海冰含盐量远低于海水含盐量、海冰融水接近淡水这些信息,为后续分析问题奠定认知基础。
研究过程
该研究重在引导学生基于渤海海冰资料,结合区域地理以及本章所学知识,对如何解决渤海地区淡水资源不足问题提出解决方案。研究主要分为课堂明确要求,课下研究解决问题,最终多样化成果展示三部分。具体研究过程可划分为以下五个阶段。
第一,进入问题情境,即学生对环渤海地区的水资源状况和渤海海冰资源状况有一定的感知,形成积极开展研究的兴趣和意向,并初步调用本单元的相关知识对利用渤海海冰可能面临的问题有大致的方向性判断。
第二,明确研究思路,即学生根据问题情境提出问题,并结合教材提出的问题,对如何利用渤海海冰的问题进行细分,并根据自己兴趣选择具体问题,组成研究小组,制定研究方案。
第三,收集丰富材料,即学生能够按照教材资料分析的提示,通过网络等途径,收集调水工程、海水淡化、海冰采集等方面的文字、图片资料,进一步深化对环渤海地区水资源危机、渤海海冰资源开发利用面临的挑战的认识,进一步明确渤海海冰开发亟待解决的问题。
第四,分析解决问题,即学生能够基于对环渤海地区、渤海海冰的认知提出利用海冰资源的方法和思路,形成可行性研究报告,小组间交叉进行分析、论证。
第五,交流展示成果,即学生能够运用科学的语言、准确的图像、正确的逻辑关系表达个人或小组论证的结果,对他人的研究成果进行点评,对自己的研究过程进行反思。
渤海海冰资源状况分析
这部分研究应围绕三个核心问题进行:第一,什么是海冰资源?第二,渤海海冰资源的分布有何特点?第三,渤海海冰资源是否可以开采利用?
海冰是低温条件下的海水冻结物。海水在结冰过程中析出盐分,导致海冰含盐量远低于海水含盐量,接近淡水,这是海冰作为潜在淡水资源的基础。对这个概念的理解可以结合“海冰的形成实验”来完成,也可以直接引用研究数据来说明:渤海海水盐度为28‰-31‰,而渤海海冰融水盐度平均为4‰-13‰,大大低于渤海海水盐度,接近淡水。
对渤海海冰资源的分布特点的学习,可以引导学生分析图3.28渤海及附近区域内日平均气温≤-4℃日数分布,讨论下列问题。(1)日平均气温≤-4℃日数分布有何特点?—总体上,北多南少,自北向南递减;近岸多外海少,从近岸向外海递减。(2)渤海海冰资源的分布有何特点?—总体上,北多南少,自北向南递减;辽东湾最多,莱州湾最少;近岸多外海少,从近岸向外海递减。
环渤海地区属于温带季风气候,每年有4个月的寒冷期可形成海冰,加上海域封闭、海流弱、大陆架宽广等因素,渤海海冰总量丰富。因此,渤海海冰资源是可以开采利用的,特别是北部近海海域,如辽东湾、渤海湾等。
淡化海冰的技术及成本可行性研究
环渤海地区淡水资源严重不足,而渤海海冰资源十分丰富,为什么长期得不到开采利用呢?关键是技术设备和经济成本上的限制。该部分研究应围绕两个核心问题进行:第一,目前采用的海冰淡化技术有哪些?第二,从经济角度看,海冰淡化是否可行?
海冰淡化就是通过各种方法,将海冰形成过程中未排出冰体的高浓度盐水(卤水)从海冰中分离出来,以进一步降低海冰盐度,满足生产、生活对淡水的需求标准。
目前海冰淡化尚未进入规模生产阶段,野外和现场实验中采用的海冰淡化方法主要有重力脱盐法、离心脱盐法,主要设备有重力脱盐池、离心脱盐机等。教学中不必细究两种方法的过程,重在脱盐的结果。
从教材提供的资料得知,海冰淡化技术可行,为什么海冰淡化未进入规模化生产呢?海冰资源存在着时空分布不均的特点,不同时间资源量也不一样,一年之中只有冬季才能开采。不同地域资源量不一样,需要准确测算才能开采到足够多的海冰。海冰淡化的每个环节都需要设备和技术的保证,否则规模化生产就不稳定,成本较高,而且可能产生安全隐患。据研究人员测算,前期渤海海冰淡化水的成本为6687元每立方米,高于海水淡化的成本(天津海水淡化水的成本为5元每立方米)、南水北调的水定价(天津南水北调水的定价是2.16元每立方米)。成本较高不利于海冰淡化技术的推广应用,也阻碍了海冰资源开发的产业化。进一步引导学生讨论,为什么海冰淡化的成本较高?可回答:由于设备性能不完善、机械化作业程度低、辅助设施缺乏、生产规模小等。随着研究的深入,上述问题逐步解决,渤海海冰淡化可实现产业化、规模化,成本有望降到4元/立方米,与工业用水价格相差不多,脱盐后的水按需净化后成为工业、农业或生活淡水,具有较广泛的市场应用前景。
海冰资源的开发对沿海生态环境造成的影响评价
区域的发展需要开发利用自然资源,但是区域的可持续发展要以生态环境保护为前提,不能以牺牲环境为代价谋求经济发展。在渤海海冰资源开采利用过程中,要充分论证海冰资源开发可能产生的环境影响。
可引导学生讨论:大量开采海冰对渤海的盐度、沿岸气候和生态环境有什么影响?渤海海冰是“一冬冰”,即每年冬季生成,翌年春季消失,周而复始,渤海的海水盐度多年保持稳定,生态系统保持平衡。若大量开采海冰并把淡化时所产生的高盐度卤水排入海中,必然使渤海的海水盐度增加,导致生态平衡失调,特别是在相对封闭、水体交换弱的海区,如辽东湾,盐分不易扩散,对生态系统的影响更大。大量海冰开采利用,会影响海-气相互作用,从而对气候产生一定的影响,其中影响最大的是气温。研究结果表明:大量开采辽东湾的海冰,可能造成辽东湾西部平均气温下降,大连西部及南部平均气温上升。
除上述影响外,海冰淡化产生的大量高浓度卤水,如果直接排放,还可能导致周围地区土壤盐碱化加剧、水质下降等问题。
综合分析,阐述自己的观点
环渤海地区淡水资源严重不足是一个迫切需要解决的现实问题,渤海海冰资源十分丰富且具有潜在的淡水资源价值,能否通过淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题?教学中可以采取辩论赛的方式进行。
甲方观点:可以通过淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题。主要证据:1.渤海海冰资源十分丰富;2海冰淡化技术有可行性;3若产业化、规模化生产,海冰淡化成本可降低至工业用水价格,具有较广泛的市场应用前景。
乙方观点:不能通过淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题。主要证据:1渤海海冰是“一冬冰”,季节性很强,且资源数量不稳定;2海冰在采集、运输、储存等方面存在较难克服的困难;3海冰开采可能影响气候,导致生态失调,引发严重的环境问题。
甲、乙双方经过综合分析区域资源开发的必要性、可行性和可能产生的问题及对策,并在辩论中不断修正和完善自己的观点,最后观点趋同:解决环渤海地区淡水资源严重不足这个问题需要采取多种途径,既要开源,如跨流域调水、兴修水库、海水淡化、合理开采地下水等,更要节流,如加强节水教育,保护水环境,防治水污染,发展节水科技、节水工业、节水农业,提高水资源利用率,倡导节水生活方式等。海冰淡化属于“开源”措施,是一项具有中国特色的创新研究,作为解决环渤海地区水资源短缺问题的新途径,有其产生的必然性和可能性。随着相关研究的不断深入和技术上取得新突破,在全球环境变化、节能减排的大背景下,海冰淡化有可能成为环渤海地区发展低碳经济、保障社会经济可持续发展的新举措。
问题分析指引
资料1 渤海海冰资源量
1.渤海海冰资源是否可开采利用?为什么?
该问题主要从三个方面分析。一是渤海海冰的数量。结合资料给的数据,可适当补充数据加以说明,渤海海冰资源丰富,有开采价值。二是渤海海冰的质量。结合资料给的数据,说明渤海海冰融水盐度低,易于转化为淡水资源。三是渤海海冰的开采条件。结合图3.28说明渤海冬季气温低,海冰生成速度快,开采次数多,且距离海岸近,易于开采。
2.为什么渤海海冰可开采次数由北向南递减?
该问题可以从三个方面分析。一是了解渤海海冰形成的气温条件。结合资料,抓住关键气温数值(≤-4℃)。二是描述渤海气温分布特点。通过分析图3.28,观察年内日平均气温≤-4℃日数等值线分布,得出气温从北向南递减的分布特点。三是分析影响渤海海冰分布的其他条件。可以补充渤海水深、风向、海流等材料,培养学生的综合思维能力。
资料2 渤海海冰淡化研究
1.采取上述方法淡化海冰,产生的高浓度盐水如何处理?
该问题可以从两个方面探究。一是分析高浓度盐水直接排入海中可能带来的环境问题。可以补充一些材料,说明高浓度盐水直接排入海中必然使渤海的海水盐度增加,导致生态平衡失调,特别是在相对封闭、水体交换弱的海区,如辽东湾,盐分不易扩散,对生态系统的影响更大;若高浓度盐水直接排放在陆地上,可能导致周围地区土壤盐碱化加剧、水质下降等问题。二是探究高浓度盐水的处理方法。可以补充材料,介绍一些高浓度盐水的处理方法,如生物处理工程等,可将盐分与其他物质进行分离,提取盐类物质开展综合利用。
2.从供需角度看,淡化海冰生产淡水是否可行?
该问题可以从三个方面分析。一是从海冰淡化的供应能力分析。通过材料分析,海冰淡化的成本有望降到4元/立方米,与工业用水价格相差不多,脱盐后的水可以按需净化达到工业、农业或生活淡水的标准。二是从海冰淡化的市场需求分析。环渤海地区人口众多、城市密集、产业发达,需水量极大,而淡水资源严重不足,尽管采取了南水北调、海水淡化等措施,仍然存在着严重的淡水资源短缺问题。三是从供需两方面综合分析淡化海冰生产淡水的可行性,可以采取辩论赛的方式进行。
第三章 地球上的水
知识拓展
【我国古人对水循环的解释】
水是地球上人类和一切生物得以生存的物质基础,人们一直都在探寻水的来龙去脉。早在战国时期,屈原就在《天问》中提出“东流不溢,孰知其故?”的问题。
《吕氏春秋》中写道:“云气西行,云云然,冬夏不辍;水泉东流,日夜不休;上不竭,下不满,小为大,重为轻。圜道也。”就是说:水汽从海洋不断随风吹向西方,在大陆上空周转回旋,凝结为雨;地上、地下的水流向东方,日夜运行,源流不息,海洋也注不满;涓滴汇合成河海,海水蒸发为浮云。
唐代柳宗元在《天对》中曾对此问题作了解释:“东穷归墟,又环西盈。脉穴土区,而浊浊清清。坟垆燥疏,渗渴而升。充融有余,泄漏复行。器运浟浟,又何溢为!”就是说:水向东流注入大海,海水蒸发为云,又回到大陆上空降而为雨。雨水渗入到地下,填充在土壤空隙中的水有浊有清。高地干燥的土壤,水渗入后便会上升蒸发。土壤水饱和以后便会产生径流,水流通过各种途径运行不停,最后注入大海,如此循环不已。明末清初还有学者绘制出水循环的示意图,说明水汽上升,成云致雨,流湿地面,渗入地下的水分循环情况。这幅图名为《日火下降,旸气上升》,附于《诸葛武侯白猿经风雨占图说》一书中,作者已不可考。
【地球上水的分布】
海洋、河流、湖泊、沼泽、地下水、冰川、大气水、矿物中的水以及深层岩石中的液态水等共同构成地球上的水圈。其中海洋是水圈的主体,地球上97.31%的水存储在海洋之中。
地球的总水量巨大,达14×108立方千米以上,占地球质量的万分之二。假如地球表面是平坦的,水深能够到达2744米。地球上不同类型水体的水量估算值如表3-13所示。
表3-13 地球上不同类型水体水量估算
| 类型 | 水量/(103km3) | 占水体总量的比例/% |
| 江河 | 1-2 | 0.0001 |
| 大气水(云和水汽) | 13 | 0.001 |
| 浅层地下水 | 67 | 0.005 |
| 盐湖和内陆海 | 104 | 0.007 |
| 淡水湖 | 125 | 0.009 |
| 深层地下水 | 8300 | 0.59 |
| 冰川水 | 29200 | 2.07 |
| 海洋 | 1370000 | 97.31 |
| 总计 | 1407810 | 100 |
【地球上的水量平衡】
地球上的水时时刻刻都在循环运动,从长期来看,全球水的总量没有什么变化。但是,对一个地区来说,有的时候降水量多,有的时候降水量少。某个地区在某一段时间内,水量收入和支出的差额,等于该地区的储水变化量。这就是水量平衡原理。
根据水平衡原理,一条外流河流域内某一段时期的水平衡方程为:P-E-R=ΔS
式中P为流域降水量,E为流域蒸发量,R为流域径流量,ΔS为流域储水变量。从多年平均来说,流域储水变量ΔS的值趋近于零。
流域多年水平衡方程为:P0=E0+R0
式中P0、E0、R0分别代表多年的平均降水量、蒸发量、径流量。
降水、蒸发和径流是水循环的三个重要环节,在水量平衡中,它们是三个主要因素。全球水量平衡主要表现在以下几方面。
第一,全球每年水的总蒸发量和总降水量均为500000立方千米。
第二,全球海洋的总蒸发量为430000立方千米,总降水量为390000立方千米。蒸发量比降水量多支出的40000立方千米,以水蒸气的形式输送到大陆上空。
第三,陆地上的降水量(110000立方千米)比蒸发量(70000立方千米)多40000立方千米,其中有一部分渗入地下补给地下水,一部分暂存于湖泊中,一部分被植物吸收,多余部分最后以河川径流形式回归海洋,从而维持海陆之间的水量平衡。
【砂田】
砂田除了提高土壤含水量之外,还具有提高地温、减尘、防止土壤盐渍化、减少水土流失等有利于农业生产的功能。
砂田能够提高土壤温度。在白天,砂石覆盖层吸收太阳辐射后很快就能升温,并能将热量传导到土壤中。与裸地相比,砂石覆盖层将土壤表层与空气隔绝开,切断了土壤毛细管,能够减少土壤蒸发量,避免土壤因蒸发而消耗热量。在夜晩,砂石覆盖层虽然降温也很快,但表层土壤含水量大、散热缓慢,能较好地保持土壤温度。据测定,砂田对0-20厘米土壤层均有增温效果。以宁夏砂田西瓜为例,在砂田西瓜100天的生长期内,0-20厘米土壤层累积增加土壤温度约100℃,这对气候相对冷凉的宁夏中部干旱地区西瓜的生长及提前上市有重要意义。与裸田西瓜相比,一般砂田西瓜可提前7-10天成熟。
砂田能够减少扬尘。在干旱地区的冬春季节,常规耕作下农田表层裸露的疏松土壤极易被大风吹失。覆盖砂砾之后,由于地面粗糙度的增加减缓了地表风速,可有效减少大风天气的扬尘量,降低干旱区的风沙。
砂田能够防止土壤盐渍化现象。一方面砂田充分接纳雨水,增强了土壤的水分下渗和淋溶作用(详见第五章),使土壤盐分下移;另一方面由于砂石覆盖层切断了土壤的毛细管,土壤蒸发量减少,因而盐分在土壤上层聚积量减少,这样就有效地控制了土壤盐渍化。
在传统耕作方法下,砂田一次铺成可连续使用2030年。尤其是前5年,即便不额外施肥,砂田自身的肥力也能满足农作物生长所需。在多年耕种过程中,砂石覆盖层中逐渐混入土壤,使砂层堵塞、板结,砂田的功能就会逐渐减弱。当砂石覆盖层中土壤与砂石的比例超过2:1时,砂田的功能几乎全部消失。可以通过轮作、施用有机肥、人工补水、休耕等方法延长砂田的寿命。
【蓄水保墒】
保墒是指保持住土壤中适合种子发芽和作物生长的湿度。蓄水保墒是指增加土壤蓄水量,是农田耕作的重要技术,主要有以下几种做法。第一,控制蒸发量,抑制无效蒸发。如使用石碾子等工具对土壤表层进行压实,或铺设地膜等,可以有效减少水分蒸发。第二,尽量避免径流产生。如在农田表层铺设砂石或秸秆,可有效减少径流产生。第三,增加土壤下渗。如翻耕农田,增加雨水下渗。
【中国的水循环路径】
中国有明显的季风气候特点,这是形成大规模降水的主要原因。夏季盛行来自太平洋、印度洋一带温暖而潮湿的东南季风和西南季风;冬季盛行从蒙古、西伯利亚吹来的寒冷而干燥的冬季风,影响着全国的降水。据估算,中国大陆上空平均每年水汽总输入量约为18200立方千米,其中约31%形成降水,69%成为过境水汽越过中国大陆上空输出国界。
【注】中国水循环与水量平衡方略对策研究课题组.正确认识中国水循环运动规律全面建设环境友好型和谐社会[J].水利发展研究,2006,6(2):10-14。
径流主要通过黑龙江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、珠江等水系,浙、闽、台水系及西南诸河水系入海。中国的外流流域约占中国总面积的60%,外流河主要流入太平洋,也有一部分流入印度洋和北冰洋。
【水文学】
水文学是研究地球大气层中和地球表面,以及地壳内各种水的科学。它是研究各种水体的性质、形成、运动和分布及其相互关系,以及与人类和环境相互作用的学科。早在几千年前人们就有了相当多的水文知识,开始观测水位、计算流量、预报洪水、发展灌溉,但是水文学形成独立的学科为时并不很久。15世纪的水文观测使水文学开始进入比较科学化的阶段,水文学在17世纪进入定量阶段,18世纪进入现代科学时期。
法国水文学家佩罗是现代科学水文学的奠基人。佩罗第一次把水文学建立在定量的基础上,他通过对塞纳河的观测,证明与河流径流量相比,降水量非常充沛,降水可以是河流水的来源。佩罗的结论在1674年出版的《泉水之源》一书中公布,该书被公认为是科学水文学的开端。1974年召开的科学水文三百周年(1674-1974年)纪念会,也是为了纪念佩罗和他的成果。
佩罗发表成果后,法国科学家马略特测量了巴黎塞纳河在接近平均水位时的河宽、水并用浮标法测得流速,他的观测基本上证实了佩罗的结论。值得一提的是,马略特在物理学界有卓越的贡献,他1686年的著作《论水和其他流体的运动》对流体力学进行了深入的实验研究。马略特通过测量推断,降水和冰雪融化是春季塞纳河水位上涨的原因。1687年,英国科学家哈雷用自创的蒸发器观测了海水的蒸发量,不仅计算出地中海蒸发的总水量,还估算了地中海沿岸9条主要河流流入地中海的总水量。哈雷发现流入地中海的总水量大约只占地中海蒸发总水量的三分之一,初步提出了水文循环的概念。
佩罗、马略特和哈雷三人被认为是现代水文科学的奠基人,他们尝试把水文学建立在定量研究的基础之上。
【注】哈雷也是英国著名的天文学家、哈雷彗星的预言者、牛顿撰写《自然哲学的数学原理》的倡议人。
【我国潜艇从“海中断崖”死里逃生】
现代潜艇诞生于19世纪80年代,一个多世纪以来,潜艇一直是海战场中不可或缺的水下突击力量,在两次世界大战中充分显露了其“水下杀手”的本色。潜艇在活动时,要密切注意海洋环境。影响潜艇水下安全航行的海洋环境因素主要包括海浪、海流、跃层、海洋内波和海底地形等方面。教材提到的“海中断崖”就是跃层的一种。
如果海水跃层上层密度大、下层密度小,海水浮力由上至下急剧减小,就会形成“断崖”。潜艇突遇“海中断崖”,会以越来越快的速度往下掉。由于目前潜艇不能完全自动化应急操作,在这种情况下必须迅速地、冷静地做岀应对。如果不能有效控制潜艇的掉落,一旦达到潜艇的极限下潜深度,艇体或管路就会承受不住巨大的压力而破裂进水,最终会艇毁人亡。
2014年,我国海军372潜艇在执行任务时突遇“海中断崖”,在潜艇急速下掉的3分钟里,战士们冷静地关闭上百个闸门,有序关停电气设备,以难以置信的速度科学有效地进行应对。在372潜艇即将下沉到极限深度时,潜艇掉落的速度逐渐变小,在悬停10余秒后,艇体终于开始上浮。海军372潜艇从“海中断崖”死里逃生,创造了我国乃至世界潜艇史上的奇迹。
【注】李大光,翁永斌海洋深处“断崖”成潜艇杀手[N].北京日报,2015-01-07(15)。
【彩色的海】
海水的颜色是由海水的光学性质所决定的。海水对太阳光中的蓝色光吸收少,而反射多,所以人们看到的海洋多呈蔚蓝色。
泥沙能改变海水的颜色。我国黄海特别是其近海海域,因汇入的黄河水又黄又浊,海水多呈土黄色,故得名黄海。
海洋生物也能改变海水的颜色。介于亚洲、非洲间的红海,一边是阿拉伯沙漠,另一边是撒哈拉大沙漠。风吹来的沙尘富含营养物质,加上高温高盐的海区环境,导致海水中红褐色的海藻大量繁衍,使海水呈淡红色,因而得名红海。
黑海海底沉积的大量淤泥,使海水看上去呈黑色。另外,黑海多风暴、阴霾,特别是夏天狂暴的东北风,在海面掀起暗灰色的巨浪,故得名黑海。
白海是北冰洋的边缘海,深入俄罗斯西北部内陆,天气异常寒冷,结冰期达6个月之久,海面被白雪覆盖。由于白色反射强烈,人们看到的海是一片白色。
【海水的盐度变化】
远离陆地的外海,盐度一般在33‰至38‰之间,变化幅度较小。相比而言,近海区域的盐度差异很大。例如,波罗的海盐度不到10‰,红海盐度可达42‰。近海区域的盐度受河流、降水、蒸发、冰雪融水、海冰融化和形成等因素影响,变化幅度也相对较大。
海水盐度的表层变化规律可以概括为:盐度由副热带向两侧高低纬递减。但同纬度的表层海水盐度,大西洋往往高于太平洋。这是由于大西洋相对比较狭窄,较为接近陆地,因此海水盐度较高。
海水盐度随深度也会发生变化。总体来说,由于影响海水盐度的因素都发生在表层,对深层海水的影响十分有限。因此,无论是中高纬度地区,还是低纬度地区,深层海水的盐度是比较接近的。对中高纬度地区而言,表层海水盐度较小,随着深度的增加逐渐升高;对低纬度地区而言,表层海水盐度较高,随着深度的增加逐渐降低。各处海域都存在盐度随深度快速变化的水层,称为盐跃层。盐跃层一般出现在海平面以下1000米左右,可以视为海洋中不同盐度水层的“分割线”。
【影响海水密度的因素】
密度是海水的重要性质,海洋中由于海水密度的不同,会出现海水的垂直分层。表层海水中的水团、海流密度较低。相对而言,深层海水中的水团、海流密度较高。
对表层海水来说:温度上升时,海水密度下降(由于热膨胀);盐度上升时,海水密度增加(由于溶解了更多物质)。与盐度相比,温度对密度的影响更为显著。这是因为表层海水的温度范围大于盐度范围。事实上,只有在极地地区,盐度对海水密度的影响才会超过温度。
但对于深层海水来说,温度和盐度对密度几乎没有影响,只有压力与海水密度有关。具体表现为,压力上升时,海水密度增加。高密度的海水会下沉,因此海水表层的密度相对较小。
【海浪的种类】
按生成海浪的原因对海浪分类:风吹拂海面引起的海水波动称为风浪;风浪传到无风的海区,或风停息以后的余波,称为涌浪。风浪的外形不对称,迎风面缓背风面陡,波峰较尖,风浪的传播方向与风向一致。涌浪的外形圆滑,波长较长。
由太阳、月亮等天体引潮力产生的波,称为潮波。海洋内部密度不同的两层海水交界面上形成的波称为内波。
我们平常在海边所见到的波浪,是一种碎浪。风浪或涌浪传播到浅水区时,受到海底摩擦作用,波浪的能量会很快衰减,形成近岸浪或拍岸浪等碎浪。从波浪形态上来看,进入浅水区波浪的速度和波长会下降,但波高会增大,这种趋势会导致海浪前倾、破碎和卷倒。冲浪者最喜欢的是碎浪中的卷碎波,卷曲的波峰非常适宜进行冲浪运动。为此,冲浪者们热衷于在坡度合适的海滩寻找卷碎波,那些出现卷碎浪概率高的海滩往往被称为“冲浪圣地”。
【潮汐形成的原因】
潮汐是指海水在月球和太阳引力作用下发生的周期性涨落现象。虽然月球质量比太阳小,但它离地球近,因而海洋潮汐主要是由月球引潮力引起的。在地月系统中,地球上的海水受到两个力的作用:一是月球对地球的引力,二是地球绕地月公共质心旋转时产生的惯性离心力。这两个力的合力就是月球引潮力。
根据涨落程度的不同,可以将潮汐分为小潮和大潮。在天体运动过程中,当月球、地球和太阳形成直角时,月球和太阳的引潮力相互抵消了一部分,海面的涨落差小,形成小潮。当太阳、月球和地球大致处在同一条直线上时,月球引潮力和太阳的引潮力叠加在一起,形成大潮。
【洋流形成的原因】
洋流形成的原因是多方面的。
首先,大气运动和近地面风带,是海洋水体运动的主要动力。盛行风吹拂海面,推动海水随风漂流,并且使得上层海水带动下层海水流动,形成规模较大的洋流,叫风海流。南、北半球盛行西风和信风所形成的洋流就是风海流。
其次,由于海域的海水温度、盐度不同,导致海水密度分布不均,引起海水的流动,叫密度流。例如,地中海海域受气候影响,海水蒸发旺盛,周围又无大河流入,因此海水的盐度高、密度大。高盐度、高密度的海水下沉,从底部向西经西直布罗陀海峡流向大西洋。与地中海相邻的大西洋,海水盐度、密度比地中海低,水面比地中海高。这样,大西洋表层海水经直布罗陀海峡流入地中海,补充地中海海水。
第三,由风力和密度差异所形成的洋流,叫补偿流。补偿流有水平的,也有垂直的。垂直补偿流又分为上升流和下降流两种。上升流不仅要克服自身的重力,还要承受顶层海水的巨大压力,上升速度非常慢。秘鲁附近的上升流每天上升不超过1米。
在自然界中,洋流的形成往往不是受单一因素的影响,而是同时受到几个因素的综合影响。地转偏向力和陆地轮廓,也会迫使洋流的流向发生改变。
大西洋中的墨西哥湾暖流(又称“湾流”)是世界上最大的暖流。其宽度达60-80千米,深700余米,表层洋流平均流速约1米每秒,越向深处流速越小。这条大洋中的“巨川”蕴含着巨大的热量。它每年释放的热量,比全世界一年所用燃煤产生的热量还要多。
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