水环境基本理论PPT学习教案

1、会计学1水环境基本理论水环境基本理论第1页/共48页一、天然水的组成与特性一、天然水的组成与特性二、海水常量成分恒定性原理二、海水常量成分恒定性原理第2页/共48页一、天然水的组成与特性一、天然水的组成与特性纯水的结构与异常特性纯水的结构与异常特性一、天然水的组成与特性一、天然水的组成与特性第3页/共48页关于水最大密度时的温度特性关于水最大密度时的温度特性 当冰开始熔化成水时，冰的疏松的三维氢键结构中约有当冰开始熔化成水时，冰的疏松的三维氢键结构中约有1515氢键断裂，晶体结构崩溃，体积缩小而密度增大。如果氢键断裂，晶体结构崩溃，体积缩小而密度增大。如果有更多热能输入体系，将引起：有更多热能

2、输入体系，将引起： 更多氢键破裂，结构进一步分崩离析，密度进一步增大；更多氢键破裂，结构进一步分崩离析，密度进一步增大； 体系温度升高，分子动能增加，由于分子振动加剧，而每体系温度升高，分子动能增加，由于分子振动加剧，而每一分子占据更大体积空间，这一因素又使密度趋于减小。一分子占据更大体积空间，这一因素又使密度趋于减小。 上述两因素随温度升高而相互消长的结果，使纯水在上述两因素随温度升高而相互消长的结果，使纯水在3.983.98时有最大密度。这种情况对水生生物的越冬具有特别时有最大密度。这种情况对水生生物的越冬具有特别重要的意义。重要的意义。 第4页/共48页天然水的化学组成天然水的化学组成常

3、量元素常量元素 溶解气体溶解气体 营养元素营养元素 有机物质有机物质 微量元素微量元素 有毒物质有毒物质 第5页/共48页常量元素常量元素阳离子：阳离子：NaNa+ +、MgMg2+2+、CaCa2+2+、K K+ +、SrSr2+2+ 阴离子：阴离子：ClCl- -、SOSO4 42-2-、HCOHCO3 3- -（COCO3 32-2-）、）、BrBr- -、H H3 3BOBO3 3、F F- - 海水中常量成分占海水中溶解盐类的海水中常量成分占海水中溶解盐类的99.8%99.8%99.9%99.9%， 而且它们在海水中含量的大小有一定的顺序，而且它们在海水中含量的大小有一定的顺序， 其

4、比例几乎不变其比例几乎不变。 常量成分常量成分是决定天然水体物理化学特性的最重要因素：是决定天然水体物理化学特性的最重要因素：如如COCO3 32-2-、HCOHCO3 3- -对维持水体的对维持水体的pHpH具有重要的意义。具有重要的意义。 常量成分常量成分在水中以多种形态存在，如海水中常量成分多在水中以多种形态存在，如海水中常量成分多以自由离子或离子对存在，少量以络离子存在。以自由离子或离子对存在，少量以络离子存在。 淡水八大离子：淡水八大离子： K K+ +、NaNa+ +、CaCa2+2+、MgMg2+2+ HCOHCO3 3- -、COCO3 32-2-、SOSO4 42-2-、Cl

5、Cl- - 淡水中常量成分占水体溶解盐类总量的淡水中常量成分占水体溶解盐类总量的90%90%以上。以上。第6页/共48页溶解气体溶解气体 天然水中溶有大气中所含有的各种气体，除了天然水中溶有大气中所含有的各种气体，除了N N2 2、O O2 2、COCO2 2外，还有惰性气体外，还有惰性气体HeHe、NeNe、ArAr、KrKr、XeXe、RnRn也都能在水也都能在水体中找到。海水中也含有少量体中找到。海水中也含有少量H H2 2，在水交换较差的湖底及，在水交换较差的湖底及某些海区或孤立的海盆中有时也有游离的某些海区或孤立的海盆中有时也有游离的H H2 2S S存在。存在。 对于部分受污染地区

6、，水中可能还溶有该地区的污染气对于部分受污染地区，水中可能还溶有该地区的污染气体体（如硫氧化物、氮氧化物等）。（如硫氧化物、氮氧化物等）。溶解氧溶解氧溶解二氧化溶解二氧化碳碳 溶解气体的含量与水溶解气体的含量与水的的温度、水中动物代谢温度、水中动物代谢活动有关，其含量有明活动有关，其含量有明显的昼夜、季节、周年显的昼夜、季节、周年变化特点和显著的水层变化特点和显著的水层差异。差异。第7页/共48页营养元素营养元素 主要包括主要包括与水生生物生长有关的一些元素与水生生物生长有关的一些元素，如如N N、P P、SiSi等。等。 营养元素多以复杂的离子形式或以有机物的营养元素多以复杂的离子形式或以有

7、机物的形形式存在于水体中，在水中含量通常较低，受式存在于水体中，在水中含量通常较低，受生物影响较大，有时又称为生物影响较大，有时又称为“非保守成分非保守成分”或或“生物制约元素生物制约元素”。第8页/共48页有机物质有机物质 水体中的有机物可分为水体中的有机物可分为颗粒态有机物颗粒态有机物和和溶解态有机物溶解态有机物两大类。两大类。 有机物在水体中的有机物在水体中的含量较低含量较低，通常是无机成分的万分，通常是无机成分的万分之一，一般之一，一般1 1升水中仅几毫克。升水中仅几毫克。 有机物有机物成分复杂，种类繁多成分复杂，种类繁多。包括糖类、脂肪、蛋白。包括糖类、脂肪、蛋白质及降解有机物等。质

8、及降解有机物等。 有机物对水质及水生生物有着多方面有机物对水质及水生生物有着多方面错综复杂的影响错综复杂的影响，适量有机物的存在是使水质维持一定肥力的重要条件，适量有机物的存在是使水质维持一定肥力的重要条件，而过量有机物的存在将会使水质恶化、鱼病蔓延。，而过量有机物的存在将会使水质恶化、鱼病蔓延。第9页/共48页微量物质微量物质 除了常量元素和营养元素以外的其他元素（除了常量元素和营养元素以外的其他元素（如如同位素等），都包括在这一类中。同位素等），都包括在这一类中。 微量元素微量元素种类繁多，总量却非常少种类繁多，总量却非常少，仅占总，仅占总含盐量的含盐量的0.1%0.1%左右。左右。 微量

9、元素中的微量元素中的FeFe、MnMn、CuCu等与生物的生长有等与生物的生长有着着密切的关系，称为密切的关系，称为“微量营养元素微量营养元素”。第10页/共48页有毒物质有毒物质 天然水中的有毒物质，按其天然水中的有毒物质，按其来源来源或或产生方式产生方式的不同大的不同大体可分为两类：体可分为两类： 一类是来自工农业生产以及日常生活排放的废物一类是来自工农业生产以及日常生活排放的废物，即，即所谓污染物质，主要包括有机物、油类、农药及重金属所谓污染物质，主要包括有机物、油类、农药及重金属离子等等。离子等等。 一类是指由于水体内部物质循环失调而生成并积累的一类是指由于水体内部物质循环失调而生成并

10、积累的毒物毒物，如硫化氢、氨、低级胺类、高浓度，如硫化氢、氨、低级胺类、高浓度COCO2 2及赤潮生物及赤潮生物的有毒分泌物等。的有毒分泌物等。 有毒物质在有毒物质在浓度较低时就会对水生生物产生毒性作用浓度较低时就会对水生生物产生毒性作用，并破坏生态系统的平衡，并破坏生态系统的平衡；其毒性的大小与该物质的；其毒性的大小与该物质的存存在形式在形式有关，并有关，并受到多种水体物理化学性质受到多种水体物理化学性质的影响。的影响。第11页/共48页天然水的主要化学特天然水的主要化学特性性十大特性十大特性（1 1）天然水是一个多组分、多相的运动变化着的混合体系）天然水是一个多组分、多相的运动变化着的混合

11、体系 （2 2）不同形态的天然水含盐量悬殊）不同形态的天然水含盐量悬殊 （3 3）天然水都具有一定的酸碱性）天然水都具有一定的酸碱性 （4 4）天然水都具有一定的缓冲能力）天然水都具有一定的缓冲能力 （5 5）天然水都具有一定的硬度和碱度）天然水都具有一定的硬度和碱度 （6 6）天然水都具有一定的氧化还原能力）天然水都具有一定的氧化还原能力 （7 7）天然水都具有水生生物生长所需的营养元素）天然水都具有水生生物生长所需的营养元素 （8 8）天然水都具有水生生物呼吸作用所需的）天然水都具有水生生物呼吸作用所需的O O2 2和光合作用和光合作用所需的二氧化碳所需的二氧化碳COCO2 2 （9 9）

12、天然水都具有一定的自净能力）天然水都具有一定的自净能力 （1010）海水常量成分具有恒定性的特点）海水常量成分具有恒定性的特点 第12页/共48页二、海水常量成分恒定性原理二、海水常量成分恒定性原理 1819 1819年年MarcetMarcet在分析了北冰洋、大西洋、地中海、黑在分析了北冰洋、大西洋、地中海、黑海、波罗的海、中国海和白海等多处海水水样后，提出海、波罗的海、中国海和白海等多处海水水样后，提出了了“全世界一切海水水样，都含有同样种类的成分，这全世界一切海水水样，都含有同样种类的成分，这些成分之间只有盐含量总值不同的区别些成分之间只有盐含量总值不同的区别”。 DittmarDitt

13、mar 从从“H HM MS SChallenger”Challenger”号调查船在环号调查船在环球航行所采集的球航行所采集的7777个水样分析中也证实了个水样分析中也证实了MarcetMarcet结论的结论的正确性。正确性。不论海水中溶解盐类的浓度大小如何，其常量成分浓度之不论海水中溶解盐类的浓度大小如何，其常量成分浓度之间的比值几乎保持恒定间的比值几乎保持恒定。 这一结论被称为这一结论被称为“海水常量成分恒定性原理海水常量成分恒定性原理”、“主要成主要成分恒比关系原理分恒比关系原理”、“海水组成的恒定性原理海水组成的恒定性原理”、“MarcetMarcet原理原理”和和“DittmarD

14、ittmar定律定律”。第13页/共48页第14页/共48页第15页/共48页第16页/共48页河河 口口 区区 ？第17页/共48页混合作用混合作用大洋海水通过环流、潮流、大洋海水通过环流、潮流、垂直流等运动，连续不断地进行混合。垂直流等运动，连续不断地进行混合。 体积巨大体积巨大海水体积极大，它所拥有的海水体积极大，它所拥有的多种成分的总量也十分巨大，外界的影响多种成分的总量也十分巨大，外界的影响（如大陆径流等）很难使其相对组成发生（如大陆径流等）很难使其相对组成发生明显的变化。即使海水的蒸发以及大气降明显的变化。即使海水的蒸发以及大气降水，也只能使海水的浓度在局部区域增加水，也只能使海水

15、的浓度在局部区域增加或减少，但对于主要成分相对比例的影响或减少，但对于主要成分相对比例的影响是极微小的。是极微小的。 成成 因因第18页/共48页 在一定的温度及压力条件下，海水的一系在一定的温度及压力条件下，海水的一系列列物理化学性质主要决定于海水的总含盐量。物理化学性质主要决定于海水的总含盐量。由于海水常量成分具有恒定性的特点，由于海水常量成分具有恒定性的特点，海水的海水的总含盐量就可由测定某一主要成分而间接求出总含盐量就可由测定某一主要成分而间接求出； 海水的物理化学性质于海水某一主要成分海水的物理化学性质于海水某一主要成分之之间也存在着定量关系，例如间也存在着定量关系，例如海水化学中涉

16、及海水化学中涉及的许多经验公式，都是通过海水的氯度来确定的许多经验公式，都是通过海水的氯度来确定的，从而为海洋科学工作提供了方便。的，从而为海洋科学工作提供了方便。意意义义第19页/共48页 （1 1）海水养殖（包括育苗）中主要成分的测定）海水养殖（包括育苗）中主要成分的测定； （2 2）海水配方的研制。）海水配方的研制。对于指导养殖生产具有十分重要的意义对于指导养殖生产具有十分重要的意义【1111种常用人工海水配方】种常用人工海水配方】 第20页/共48页天然水的许多天然水的许多物理化学性质物理化学性质，如电，如电导率、依数性、无机物的溶解度以导率、依数性、无机物的溶解度以及它们对水生生物生

17、命活动的影响及它们对水生生物生命活动的影响等等都与实际的溶存形式有关。等等都与实际的溶存形式有关。主主要要离离子子存存在在形形式式自由离子自由离子离子对离子对络合离子络合离子第21页/共48页第22页/共48页活度系数的求算活度系数的求算 平均离子活度系数法平均离子活度系数法 例题与作业例题与作业活活度度与与活活度度系系数数离子氛离子氛离子强度离子强度活度活度活度系数活度系数天然水中溶存着多种离子成分，使天然水天然水中溶存着多种离子成分，使天然水成为一种强电解质溶液。在静电作用力的成为一种强电解质溶液。在静电作用力的影响下，处于不停热运动状态的阴阳离子影响下，处于不停热运动状态的阴阳离子中，阳

18、离子的周围阴离子出现的几率较大中，阳离子的周围阴离子出现的几率较大，阴离子周围阳离子出现的几率较大。这，阴离子周围阳离子出现的几率较大。这样对于样对于每一个中心离子表观上被异号离子每一个中心离子表观上被异号离子所包围所包围，形成了，形成了离子氛离子氛。 P29-P29-P31P31 第23页/共48页第24页/共48页课后习题课后习题第25页/共48页第二节第二节 天然水的含盐量及分类天然水的含盐量及分类 一、天然水含盐量的表示方法一、天然水含盐量的表示方法二、含盐量对水产养殖的影响二、含盐量对水产养殖的影响三、天然水的化学分类法三、天然水的化学分类法第26页/共48页一、天然水含盐量的表示方

19、法一、天然水含盐量的表示方法总含盐量总含盐量离子总量离子总量矿化度矿化度盐度盐度氯度氯度天然水中各种离子的含量之和。天然水中各种离子的含量之和。天然水中主要离子成分含量的总天然水中主要离子成分含量的总和即离子总量。和即离子总量。常用常用mg/Lmg/L、mmol/Lmmol/L或或g/kgg/kg、mmol/kgmmol/kg表示。表示。矿化度也是反映水中含盐量的一矿化度也是反映水中含盐量的一个指标，是指个指标，是指“蒸干称重法得到蒸干称重法得到的无机矿物成分的总量的无机矿物成分的总量”。测定。测定时要用过氧化氢氧化水中可能含时要用过氧化氢氧化水中可能含有的有机物，在有的有机物，在105-11

20、0105-110烘干烘干剩余的残渣至恒重，然后称重。剩余的残渣至恒重，然后称重。 P15第27页/共48页盐盐 度度氯氯 度度原始定义原始定义：将：将1000g1000g海水中的溴和海水中的溴和碘以等当量的氯取代后，海水中所碘以等当量的氯取代后，海水中所含氯的总克数。用含氯的总克数。用ClCl符号表示。符号表示。 新定义新定义：沉淀：沉淀0.32852340.3285234千克海水中全部卤族元素所千克海水中全部卤族元素所需纯标准银（原子量银）的克数，在数值上即为海水需纯标准银（原子量银）的克数，在数值上即为海水的氯度。用的氯度。用ClCl符号表示，无量纲单位为符号表示，无量纲单位为1x101x

21、10-3-3。 原始定义原始定义19661966年盐度定义年盐度定义P16P16P34P16第28页/共48页与与含盐量有密切关系的水质参数含盐量有密切关系的水质参数还有许多，比如还有许多，比如海水的海水的折光率折光率、海水的、海水的密度密度等都与海水含盐量有等都与海水含盐量有密切关系，因而市场上设计生产了密切关系，因而市场上设计生产了海水光学盐度海水光学盐度计，海水密度计（比重计）计，海水密度计（比重计）等，用它们间接反应等，用它们间接反应天然水盐度的状况，只是准确度较差。天然水盐度的状况，只是准确度较差。 第29页/共48页各种含盐量表示方法间的关系各种含盐量表示方法间的关系S = 0.0

22、30 + 1.8050 ClS = 0.030 + 1.8050 Cl S = S = 1.80655Cl1.80655Cl 根据对大西洋东北部根据对大西洋东北部和波罗的海九个不同和波罗的海九个不同盐度值水样的准确测盐度值水样的准确测定结果而推导出来的定结果而推导出来的，在六十年代以前得，在六十年代以前得到国际上的广泛应用到国际上的广泛应用。由于海水成分的变动，特别是低由于海水成分的变动，特别是低盐度海水用上述关系式从氯度值盐度海水用上述关系式从氯度值计算出的盐度值通常产生计算出的盐度值通常产生0.40.4的误差。联合国教科文组织和英的误差。联合国教科文组织和英国国立海洋研究所联合出版了国国立

23、海洋研究所联合出版了国际海洋学常用表国际海洋学常用表（19661966年年），在编制该表时，提出了通过测，在编制该表时，提出了通过测定电导率确定盐度所采用的新的定电导率确定盐度所采用的新的盐度盐度氯度关系式氯度关系式。 采用实用盐度后，盐度成为独采用实用盐度后，盐度成为独立参数，与氯度之间不存在实立参数，与氯度之间不存在实质性关系。质性关系。盐度值可直接由盐度值可直接由国际海洋学常用表国际海洋学常用表中编入的中编入的海水盐度海水盐度电导率比值关系查电导率比值关系查算表进行计算。算表进行计算。第30页/共48页S=1.81578ClS=1.81578Cl 离子总量、矿化度离子总量、矿化度概念较多

24、用来反映概念较多用来反映内陆水内陆水的的含盐量；含盐量；盐度、氯度盐度、氯度则是反映则是反映海水海水含盐量的参数。含盐量的参数。 氯度在内陆水中不使用，因为对于内陆水，它氯度在内陆水中不使用，因为对于内陆水，它与含盐量没有一定关系。在涉及内陆水含盐量的文与含盐量没有一定关系。在涉及内陆水含盐量的文献中，也常可见到献中，也常可见到“盐度盐度”这个术语，从上、下文这个术语，从上、下文中分析，有的作者指的是离子总量、有的作者指的中分析，有的作者指的是离子总量、有的作者指的是矿化度，并不是指海洋学上的盐度概念。是矿化度，并不是指海洋学上的盐度概念。第31页/共48页一些实用方法一些实用方法 电导盐度计

25、电导盐度计 光学盐度计光学盐度计 比重计比重计 波美度计波美度计 x1000) 1d(at)5 .17t)(28. 0003at. 0(3at. 1S5 .17t)5 .17)(1 . 0003. 0(3 . 15 .17时，时，tatatStP370 海水密度盐度查对表海水密度盐度查对表Bed03 .1443 .144密度、波美度转换表密度、波美度转换表 第32页/共48页二、含盐量对水产养殖的影响二、含盐量对水产养殖的影响不同生物的耐盐性不同不同生物的耐盐性不同生物的不同生长阶段的耐盐性不同生物的不同生长阶段的耐盐性不同生物的耐盐性与其它环境因子有关生物的耐盐性与其它环境因子有关大量举例大

26、量举例P19第33页/共48页三、天然水的化学分类法三、天然水的化学分类法按含盐量分类按含盐量分类按主要离子成分的分类按主要离子成分的分类P22第34页/共48页按主要离子成分的分类按主要离子成分的分类分类：碳酸盐类、硫酸盐类、氯化物类分类：碳酸盐类、硫酸盐类、氯化物类分组：钠组、镁组、钙组分组：钠组、镁组、钙组分型：分型：型、型、型、型、型、型、型型第35页/共48页类类组组 总硬度（总硬度（0.1mmol/L） 型型 含盐量（含盐量（0.1g/L） 第36页/共48页课堂分析课堂分析第37页/共48页课后习题课后习题P363第38页/共48页第三节第三节 天然水环境主要物理性质天然水环境主

27、要物理性质 一、天然水的光学特一、天然水的光学特性性二、天然水的电导二、天然水的电导率率三、天然水的依数三、天然水的依数性性四、天然水的分层特四、天然水的分层特点点第39页/共48页 透明度盘是采用黑白的油漆涂成黑白相间的金属透明度盘是采用黑白的油漆涂成黑白相间的金属圆盘制成。圆盘中央拴一根有深度标记的软绳（此圆盘制成。圆盘中央拴一根有深度标记的软绳（此绳应不易伸长）。测定时将圆盘沉入水中，在不受绳应不易伸长）。测定时将圆盘沉入水中，在不受阳光直射条件下，圆盘刚刚看不见的深度，即为阳光直射条件下，圆盘刚刚看不见的深度，即为透透明度明度。 一、天然水的光学特一、天然水的光学特性性光线在水中的反射

28、、吸收与折射光线在水中的反射、吸收与折射透明度与补偿深度透明度与补偿深度有机物的分解速率等于合成速率的有机物的分解速率等于合成速率的 水层深度称为水层深度称为补偿深度补偿深度。 第40页/共48页光照与水生生物的关系光照与水生生物的关系光照强度对水生动物摄食的影响光照强度对水生动物摄食的影响 光周期对水生动物摄食的影响光周期对水生动物摄食的影响 光谱成分对水生动物摄食的影响光谱成分对水生动物摄食的影响 光周期对动物生长、发育和存活率的影响光周期对动物生长、发育和存活率的影响大量举例大量举例第41页/共48页二、天然水的电导二、天然水的电导率率电导率电导率是反映水体物理化学特性的一个重要指标是反映水体物理化学特性的一个重要指标，目前已可进行非常准确的测定。如今，天然水，目前已可进行非常准确的测定。如今，天然水的总含盐量以及海水的盐度多采用电导法。的总含盐量以及海水的盐度多采用电导法。天然淡水的水质类型差别较大