第1章水的性質(zhì)及分布

第一章地球上水的性質(zhì)與分布本章內(nèi)容：§地球上水的物理性質(zhì)§地球上水的化學(xué)性質(zhì)§地球上水的分布及特點第一章地球上水的性質(zhì)與分布本章內(nèi)容：§地球上水的物理性質(zhì)§地球上水的化學(xué)性質(zhì)(難點)§地球上水的分布及特點（重點）§1.1地球上水的物理性質(zhì)極性分子結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)（極性溶劑、表面張力等）三態(tài)轉(zhuǎn)換及熱力學(xué)性質(zhì)水溫密度水色與透明度

1.水分子的結(jié)構(gòu)

由一個氧原子和兩個氫原子組成。鍵角∠HOH=104031’,O-H鍵長為0.9568埃。因此，水具有極性結(jié)構(gòu)，常以單分子、雙分子、三分子聚合體形式存在。水分子結(jié)構(gòu)：極性共價電子對向氧偏移水分子的極性形成聚合體與其他原子因電荷的吸引而相互結(jié)合，使水具有很強的溶解能力，是一種極性溶劑。水對食鹽的溶解過程水分子結(jié)構(gòu)：極性共價電子對向氧偏移水分子的極性形成聚合體與其他原子因電荷的吸引而相互結(jié)合，使水具有很強的溶解能力，是一種極性溶劑。溶劑：極性與非極性溶劑極性溶劑能溶解離子化合物以及能離解的共價化合物，而非極性溶劑則只能溶解非極性的共價化合物。如，食鹽是離子化合物，能在水中溶解而不能在乙醇中溶解。表面張力表面張力：水表面的水分子由于上層空間氣相分子對他的吸引力小于內(nèi)部液相分子的引力，產(chǎn)生垂直指向液體內(nèi)部的合力，導(dǎo)致液體表面具有自動縮小的趨勢視頻：液體的表面張力/show/g-h1aGea4dDVGBEz.html?st=1_9_5_1&nr=1毛細(xì)現(xiàn)象：將一根管徑很細(xì)的管子直插入液體中，由于液體、氣體、固體接觸面上表面張力和附著力的共同作用，液體會在管內(nèi)爬升或下降。毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象補充內(nèi)容：氫鍵氫鍵：與電負(fù)性大的原子X（氟、氯、氧、氮等）共價結(jié)合的氫，如與負(fù)電性大的原子Y（與X相同的也可以）接近，在X與Y之間以氫為媒介，生成X-H…Y形的鍵。水分子間存在氫鍵而發(fā)生締合，形成水的團簇結(jié)構(gòu)(H2O)n。死水由于氫鍵而發(fā)生締合，降低活性氫鍵的意義2.水的三態(tài)

2.水的三態(tài)及其轉(zhuǎn)化

補充：相系統(tǒng)中任何分布均勻、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均相同的部分稱為相。聚集狀態(tài)：物質(zhì)在一定溫度和壓力下所處的相對穩(wěn)定的狀態(tài)。聚集狀態(tài)是物質(zhì)的一種存在形式，它們決定于分子、原子的相互作用。注意：①相與相之間有明顯的相界面②一個相不一定只是一種物質(zhì)，可能是混合物③聚集狀態(tài)相同也未必是一個相④固體物質(zhì)形成溶液時為一個相氣體：均勻的單相液體：單相或多相晶體：結(jié)合態(tài)單元（組成、結(jié)構(gòu)）二、水的熱學(xué)性質(zhì)大熱容量：所有固體和液體中熱容量最大的物質(zhì)。潛熱：水在固、液、汽三臺轉(zhuǎn)化中吸收或放出的熱量。顯熱：物質(zhì)在加熱或冷卻過程中，溫度升高或降低而不改變其原有相態(tài)所需吸收或放出的熱量。水的大熱容量和潛熱性質(zhì)對調(diào)節(jié)地球上的熱量變化具有重要作用：冬季不過冷；夏季不過熱；水的高熱容：/AMuseum/shuiziyuan/water/01/w01_a03.html

三、水溫

水的溫度是一很重要的物理特性，影響水中生物、水體凈化和人類對水的利用。太陽輻射是主要熱源之一。海水、河水、湖水、水庫、地下水。

1、海水的溫度a.海水熱量的收支世界海洋每年的熱量收支基本平衡，僅不同季節(jié)、不同海域有所差異。b.海水溫度的分布海水溫度水平分布特征：由低緯向高緯遞減海水溫度垂直分布特征：由表層向下降低，1000m以下保持常年低溫狀態(tài)。C.海水溫度隨時間的變化水溫的日變影響因素：太陽輻射、季節(jié)變化、天氣狀況、潮汐和地理位置等。大洋表面水文日變化一般很小，<0.4℃C.海水溫度隨時間的變化年變化影響因素：太陽輻射、洋流性質(zhì)、季風(fēng)和海陸位置。水文年變化的地理分布：從赤道和熱帶海區(qū)向中緯海區(qū)增大，然后向高緯海區(qū)減?。辉谕粺崃繋?，大洋西側(cè)較東側(cè)變幅大，靠近海岸地區(qū)更大；南北兩半球相比，北半球各維度帶的年較差大于南半球2、河水溫度

農(nóng)田灌溉、水生養(yǎng)殖、水工建筑物等有重要意義。受太陽輻射、氣溫等地帶性因素控制，因而體現(xiàn)地帶性規(guī)律。還受補給源影響，有時空上變化。我國河流水溫受大陸性氣候影響年變幅大，日變幅小。河流水溫大體和氣溫一致河流年平均水溫都略高于當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶜鉁兀钪挡淮?，一般僅1~2°3、湖泊、水庫水溫

受水氣界面上增溫與冷卻和湖泊內(nèi)部紊動、對流混合作用影響，使水溫分布存在差異。有日、月、年的變化。月平均最高值出現(xiàn)在7、8月，最低值出現(xiàn)在1、2月。我國水溫年變幅最大是太湖，達38℃。高山、高原年變幅最小。

4、地下水的水溫

地下水的埋藏深度不同，溫度變化規(guī)律不同。近地表受氣溫影響；年常溫層變化小，＜0.1℃；常溫層下隨著深度增加升高。地下水在一定地質(zhì)條件下，受內(nèi)部熱能影響而形成地下熱水。地?zé)岙惓^(qū)為地?zé)崽?。類型非常冷水極冷水冷水溫水熱水極熱水沸騰水溫度＜00-44-2020-3737-4242-100＞100表1－4地下水溫度分類(℃)四、水的密度1、純水的密度

水溫℃-20-100(冰)0(水)3.9810100(水)密度(g/cm3)0.94030.91860.91670.99991.00000.99970.9584表1－6水的密度隨溫度變化

2、海水的密度

指單位體積內(nèi)所含海水的質(zhì)量，其單位為g/cm3。海水密度是實用鹽度（s）、溫度（t）和壓力（p）的函數(shù)。因此，海水密度可用海水狀態(tài)方程表示：ρ(s,t,p)=ρ(s,t,0)/[1-10ρ/k(s,t,p)]

(1－3)式中，ρ為海水密度；k為海水正割體積彈性模量。

五、水色與透明度1、水色

水體對光的選擇吸收和散射作用的結(jié)果，以水色計測量。水色常用水色計測定。水色計由21種顏色組成，由深藍(lán)到黃綠直到褐色，并以號碼1-21代表水色。號碼越小，水色越高；號碼越大，水色越低。2、透明度

透明度是表示各種水體能見程度的一個量度，以透明度板測量。水色和透明度，都反映了水體的光學(xué)特性。水面上光線越強，透入越深，透明度就越大；反之則小。水色越高透明度越大，水色越低透明度越小，見表1-7。大西洋的馬尾藻海透明度達66.5米。

九寨溝§1.2地球上水的化學(xué)性質(zhì)天然水的化學(xué)成分*天然水的礦化過程天然水的分類水體的化學(xué)性質(zhì)§1.2地球上水的化學(xué)性質(zhì)一、天然水的化學(xué)成分按性質(zhì)分為三大類：懸浮物質(zhì)＞100nm的物質(zhì)顆粒;膠體物質(zhì)粒徑為100-1nm的多分子聚合體;溶解物質(zhì)粒徑小于1nm的物質(zhì)。天然水中含有八大離子、重金屬、稀有金屬、氣體等。無論哪種天然水，八種主要離子的含量都占溶解質(zhì)總量的95-99％以上。天然水中各種元素的離子、分子與化合物的總量稱為礦化度。各種溶解質(zhì)在天然水中的累積和轉(zhuǎn)化，是天然水的礦化過程。二、天然水的礦化過程1、溶濾作用：土壤和巖石中某些成分進入水中的過程。2、吸附性陽離子交替作用：天然水中離子從溶液中在轉(zhuǎn)移到膠體上是吸附過程。H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞Li+3、氧化作用：圍巖的礦物氧化和使水中有機物氧化。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO412FeSO4+3O2+6H2O=4Fe2(SO4)3+2Fe2O3·3H2O游離的硫酸進而侵入圍巖中的CaCO3。CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2↑+2H2O4、還原作用：天然水若與含有機物的圍巖（油泥、石油等）接觸，或受到過量的有機物污染，碳?xì)浠衔锟梢允顾械牧蛩猁}還原。CH4+CaSO4=CaS+CO2↑+2H2OCaS+CO2+H2O=CaCO3↓+H2S

5、蒸發(fā)濃縮作用：在干旱地區(qū)，內(nèi)陸湖和地下水正在經(jīng)歷鹽化作用。蒸發(fā)濃縮沉積順序是Al、Fe、Mn的氫氧化物，Ca、Mg的碳酸鹽、硫酸鹽和磷酸鹽，Na的硫酸鹽，Na、K的氯化物，Ca、Mg的氯化物，最后為硝酸鹽。

6、混合作用：雨水滲入補給地下水，地下水補給河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，濱海含水層的海水入侵等，都是天然水的混合。

三、天然水的分類1、按水化學(xué)成分分類2、按礦化度分類3、按主要離子成分比例分類

（1）地表水分類（前蘇聯(lián)）阿列金提出一個簡單的水化學(xué)分類系統(tǒng)。首先按占優(yōu)勢的陰離子將天然水分為三類：重碳酸鹽類（C）、硫酸鹽類（S）、氯化物類（Cl）。其次，對每一類天然水按占多數(shù)的陽離子分為鈣質(zhì)（Ca）、鎂質(zhì)（Mg）、鈉質(zhì)（Na）三組。然后，在每一組內(nèi)又按各種離子摩爾的比例關(guān)系，分為四個水型：

Ⅰ型：［HCO3-］＞［Ca2++Mg2+］。Ⅰ型水是低礦化水，系由火成巖溶濾或離子交換作用形成的。Ⅱ型：［HCO3-］＜［Ca2++Mg2+］＜[HCO3-+SO42-）。Ⅱ型水是低礦化和中等礦化水，多由火成巖、沉積巖的風(fēng)化物與水相互作用形成。河水、湖水、地下水大多屬于這一類型。Ⅲ型：［HCO3-+SO42-］＜［Ca2++Mg2+］或[Cl-]＞[Na+]。Ⅲ型水包括高礦化度的地下水、湖水和海水。Ⅳ型：［HCO3-］=0。Ⅳ型水是酸性水，pH＜4.5時，水中游離的CO2和H2CO3、HCO3-的濃度為零。例如，沼澤水、硫化礦床水和煤田礦坑水。按此系統(tǒng)共分27個類型。表1-9天然水化學(xué)分類表（2）地下水化學(xué)分類

地下水化學(xué)分類方法很多，現(xiàn)介紹C.A.舒卡列夫的分類方法，見表1-10。這個分類法既考慮了各主要離子成分的摩爾百分?jǐn)?shù)，又考慮了水的礦化度。

四、水體的化學(xué)性質(zhì)在水文循環(huán)過程中，水經(jīng)歷了各種各樣的環(huán)境，攜帶各種物質(zhì)一起遷移，并常常由一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)，導(dǎo)致各種元素在不同水體中的分散和富集。1、大氣水的化學(xué)組成及特性

大氣降水含有多種離子及微生物和灰塵。但也是溶解物質(zhì)最少的天然水，雨水的礦化度較低，一般為20—50毫克/升，在海濱有時超過100毫克/升?；瘜W(xué)成分和性質(zhì)特點：溶解氣體含量近于飽和；降水普遍顯酸性，礦化度最低。2、海水的化學(xué)組成及特點海水的鹽度：單位質(zhì)量的海水中所含溶解物質(zhì)的質(zhì)量。以電導(dǎo)測鹽法進行研究。1979年第17屆國際海洋物理協(xié)會通過決議，將鹽度分為絕對鹽度和實用鹽度。

1）絕對鹽度（SA）定義為海水中溶解物質(zhì)的質(zhì)量與海水質(zhì)量的比值。在實際工作中，此量不易直接量測，而以實用鹽度代替。2）實用鹽度（S）在溫度為15℃、壓強為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的海水樣品的電導(dǎo)率，與質(zhì)量比為32.4356×10-3的標(biāo)準(zhǔn)氯化鉀（KCl）溶液的電導(dǎo)率的比值K15來定義。當(dāng)K15精確地等于1時，海水樣品的實用鹽度恰好等于35。實用鹽度根據(jù)比值K15由下述方程式來確定：

3、河水化學(xué)成分的特點

河水流動迅速，交替期平均只有16天。河水與河床砂石接觸時間短，其礦化作用很有限。河水的水化學(xué)屬性幾乎完全取決于補給水源的性質(zhì)及比例。（1）河水的礦化度普遍低。一般河水礦化度小于1克/升，平均只有0.15－0.35克/升。在各種補給水源中，地下水的礦化度比較高，而且變化大；冰雪融水的礦化度最低，由雨水直接形成的地表徑流礦化度也很小。（2）河水中各種離子的含量差異很大。河水中各種離子含量見表1-17、1-12。其含量順序：

（3）河水化學(xué)組成的空間分布有差異性大的江河，流域范圍廣，流程長，流經(jīng)的區(qū)域條件復(fù)雜，并有不同區(qū)域的支流匯入，各河段水化學(xué)特征的不均一性就很明顯。（4）河水化學(xué)組成的時間變化明顯河水補給來源隨季節(jié)變化明顯，因而水化學(xué)組成也隨季節(jié)變化。4、湖水化學(xué)成分的特點湖泊是陸地表面天然洼陷中流動緩慢的水體。湖泊的形態(tài)和規(guī)模、吞吐狀況及所處的地理環(huán)境，造成了湖水化學(xué)成分及其動態(tài)的特殊性。在濕潤地區(qū)，年降水量大于年蒸發(fā)量，湖泊多為吞吐湖，水流交替條件好，湖水礦化度低，為淡水湖。在干旱地區(qū)，湖面年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于年降水量，內(nèi)陸湖的入湖徑流全部耗于蒸發(fā)，導(dǎo)致湖水中鹽分積累，礦化度增大，形成咸水湖或鹽湖。不同地區(qū)湖泊具有不同的化學(xué)成分和礦化度。湖水與海水在化學(xué)成分上的差異，主要體現(xiàn)在湖水主要離子之間，無一定比例關(guān)系。

（1）湖水的礦化度有差異。按照礦化度，通常將湖泊分為淡水湖（＜1克/升）、微咸水湖（1—24.7克/升）、咸水湖（24.7—35克/升）、鹽湖（＞35克/升）幾種類型。

（2）湖中生物作用強烈。營養(yǎng)元素（N、P）在湖水、生物體、底質(zhì)中循環(huán)，各地的淡水湖泊都有不同程度的富營養(yǎng)化的趨勢。

（3）湖水交替緩慢，深水湖有分層性。隨著水深的增加，溶解氧的含量降低，

CO2的含量增加。在湖水停滯區(qū)域，會形成局部還原環(huán)境，以致湖水中游離氧消失，出現(xiàn)H2S、CH4類的氣體。

5、地下水的化學(xué)特征地下水化學(xué)組成類型之多，地區(qū)性差異之大，是其它天然水不可比的。關(guān)于地下水化學(xué)成分的起源和形成過程，至今仍有許多長期爭論的問題沒有解決。地下水化學(xué)基本特點如下：（1）地下水充填于巖石、土壤空隙中，與巖石、土壤廣泛接觸滲流速度很小，循環(huán)交替緩慢，而且地下水貯存于巖石圈上部相當(dāng)大的深度（10公里），構(gòu)成了地下水圈。（2）礦化度變化范圍大，從淡水直到鹽水。在淡水中陰離子以HCO3-為主，陽離子以Ca2+為主。隨著礦化度的增加，陰離子按HCO3-→SO42-→Cl-次序遞增；陽離子中Na+的含量增多，逐漸代替Ca2+成為主要成分，而且Mg2+的含量稍有增加。（3）地下水的化學(xué)成分的時間變化極為緩慢，常需以地質(zhì)年代衡量。（4）地下水與大氣接觸有很大的局限性，僅限于距地表最近的含水層，此層可溶入氧氣成為地下水氧化作用帶。然而地下水中CO2的含量比較多，因為生物的呼吸、有機質(zhì)的分解，使土壤空氣中C02的含量可達1－7％。如果地下水交替緩慢，則氧很快耗盡，成為還原環(huán)境。圍巖中若含有機質(zhì)，則地下水便富集H2S、CH4等氣體。

地球上水的分布水資源（涵義）與特性世界水資源我國水資源§1.3水的分布與水資源世界上的總供水量為大約13.86億立方千米，折合成水深3700m二、水資源（涵義）與特性水是寶貴的自然資源，也是自然生態(tài)環(huán)境中最積極、最活躍的因素。同時，水又是人類生存和社會經(jīng)濟活動的基本條件，其應(yīng)用價值表現(xiàn)為水量、水質(zhì)及水能三個方面。1、水資源的涵義（1）廣義水資源世界上一切水體，包括海洋、河流、湖泊、沼澤、冰川、土壤水、地下水及大氣中的水分，都是人類寶貴的財富，即水資源。（2）狹義水資源狹義的水資源不同于自然界的水體，它僅僅指在一定時期內(nèi)，能被人類直接或間接開發(fā)利用的那一部分動態(tài)水體。淡水資源只占全球總水量的0.32％左右，約為1065萬km3。土壤水屬于水資源范疇。大氣降水是淡水資源唯一的補給來源。水資源這個水量有可靠的來源，且其來源可通過自然界水文循環(huán)不斷得到更新或補充。水量可以由人工加以開采和利用水量及其水質(zhì)能夠適應(yīng)人類用水的要求。2、水資源的特性1）水資源的循環(huán)再生性與其有限性；2）時空分布不均勻性；3）利用的廣泛性和不可代替性；4）利與害的兩重性。三、世界水資源水資源是指全球水量中可為人類生存、發(fā)展所利用的水量，主要指逐年可得到更新的那部分淡水量。最能反映水資源數(shù)量和特征的是年降水量和河流的年徑流量。年徑流量超過10000億m3的國家有巴西、加拿大、美國、印度尼西亞、中國、印度等.世界上人均占有年徑流量超過10000m3的國家有40多個，其中加拿大是人均徑流量最多的國家，達129600m3/人,其次為新西蘭達94640m3/人。

隨著全球人口的迅速增加和人均收入水平的提高，全球淡水資源緊缺的局面正在逐漸顯現(xiàn)。。中東地區(qū)具有世界

上最豐富的石油礦

藏，但淡水資源奇

缺，許多國家內(nèi)沒

有大流量的江河湖

泊，年降雨量不足

160mm,2/3地區(qū)

＜100mm,66%國家水資源來自鄰國，水資源受制于人，國際沖突不斷沙特阿拉伯底格里斯河幼發(fā)拉底河黎巴嫩伊朗土耳其伊拉克四、我國水資源我國多年平均地表水資源量2.71億立方米，地下水0.83萬億立方米，總量2.81萬億全球陸地上多年平均降水量800mm，中國為628mm我國水資源量僅次于巴西、俄羅斯、加拿大、美國和印尼，居世界第六位。人均水資源為世界水平的25%，耕地畝均水資源為世界的75%。

我國水資源的時空分布特征地區(qū)分布年際分布（多年變化）年內(nèi)分布（季節(jié)變化）2004年中國環(huán)境質(zhì)量狀況（水環(huán)境）1.地區(qū)分布我國水資源利用分為9個一級區(qū)，北方5區(qū)多年平均水資源總量為5358億m3，占全國的19%，水資源貧乏南方4區(qū)多年平均水資源總量為22766億m3，占全國的81%，水資源豐富。水資源的地區(qū)分布不均2.季節(jié)分布不均；年際分布不均季節(jié)分布不均按照河流補給情況將全國河川年徑流量的季節(jié)變化大致分為三區(qū)：秦嶺以南主要為雨水補給，夏汛比較突出東北地區(qū)、華北部分地區(qū)、黃河上游和西北一些河流，為雨水和冰雪融水補給，有春、夏兩側(cè)汛期，年徑流過程線呈雙峰型。西北內(nèi)陸地區(qū)的祁連山、天山、阿爾泰山、昆侖山以及青藏高原部分河流主要有高山冰雪融水補給，徑流量的變化與氣溫密切相關(guān)。3.水資源的條件和問題總量多，但人均、畝均較少地區(qū)分布不均，與人口、耕地的分布不相適應(yīng)。水量的年內(nèi)、年際變化大，水旱災(zāi)害頻繁水土流失和泥沙淤積嚴(yán)重，破壞生態(tài)平衡，增加了江河防洪困難，降低了水利工程效益。地下水超采嚴(yán)重水污染現(xiàn)象嚴(yán)重我國年用水量的變化用水效率很低——與國際水平相比萬美元GDP用水4810m3，世界平均的4倍，先進水平的5-10倍萬元工業(yè)增加值取水量291m3，為發(fā)達國家的5-10倍。工業(yè)用水重復(fù)利用率55%左右，發(fā)達國家80-85%以上灌溉水利用系數(shù)0.42-0.43，發(fā)達國家0.7-0.8糧食作物平均水分生產(chǎn)率1kg/m3,發(fā)達國家2-2.5kg/m34.水土流失和泥沙淤積嚴(yán)重黃土高原區(qū)南方丘陵區(qū)紅漠化西南喀斯特地區(qū)石漠化長江（武漢）黃河小浪底5.地下水是我國重要水資源,合理開發(fā)利用,防止過量開采.地下水過量開采嚴(yán)重華北透支的地下水估計為2000億m3地下水過量開采現(xiàn)象嚴(yán)重地下水水位下降，出現(xiàn)地面沉降地下水水位下降，使原先開采的井報廢，供水水源地，抽水