地球上水的性质和分布特征

1、地球上水的性质和分布特征第一节：地球上水的物理性质 水具有不同于一般物质的物理性质，这些异常的物理性质使水在自然界和生物体内，表现出某些独特的效应与作用。水的形态及其转化 水的热学性质 水温 水的密度 水色与透明度 1水的形态及其转化 地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在，在常温条件下三相可以互相转化。水分子的结构 水的三态及其转化 1水分子的结构1水分子的极性结构每个水分子（H2O）都是由一个氧原子和二个氢原子组成。 水分子11由于水分子具有极性，在自然界，水不完全是单水分子H2O，而更多的情况下是水分子的聚合体。水分子聚合体包括：单水分子（H2O）、双水分子（H2O）2、三水分子（H2

2、O）3， 水的三态及其转化 1地球上的水以气态、液态、固态三种形式存在，在常温条件下三相可以相互转化。一个标准大气压下： 0以下为固体 0100为液体 100以上为气体1随着水温的升高，水分子聚合体不断地减少，而单水分子不断地增多。 随着温度的降低，水分子聚合体不断增多，单水分子不断减少。 水温在3.98时，结合紧密的二水分子最多，所以此时水的密度最大，比重为1。1水的热学性质 水是所有固体和液体中热容量最大的物质之一，能吸收相当多的热量而不损害其稳定性。水变成水汽或冰融成水都要吸收热量。相反，水汽凝结和水结成冰都要放出热量，而且吸收或放出的热量是相等的,这种吸收或放出的热量称为水的潜热。 1

3、冰的融解和水的蒸发，其潜热均较其它液体为大，这与水分子结构有关。因为热量不仅用于克服分子力，而且需要用于双水分子（H2O）2和三水分子（H2O）3聚合体的分解上。水的热容量与潜热特性，对整个地球上的热量变化具有重要的调节作用，使冬季不致过冷，夏季不致过热。水温 水的温度是一个重要的物理特性，它影响到水中生物，水体自净和人类对水的利用。天然水的温度因其所得到的热量来源不同而异。海水温度 河水温度 湖泊、水库水温 地下水的水温 1海水温度海水热量的收支 海水温度的分布 海水温度的时间变化 海冰 1海水热量的收支 1收 入支 出1来自太阳和天空的短波辐射1海面辐射放出的热量2来自大气长波辐射2海水蒸

4、发时所消耗的热量3地壳内热通过海底传给海水的热量3洋流带走的热量4海面水汽凝结时放出的热量4海水垂直交换中耗掉的热量5洋流带来的热量6海水垂直交换中所得热量7化学的、生物的和放射性物质放出的热量8海水运动产生的热量对海水温度分布与变化影响最为重要仅对局部海区温度变化影响较大海水温度的分布三大洋表面年平均水温约为17.4，其中太平洋最高，达19.1；印度洋17.0；大西洋16.9。 三大洋表面年平均水温的分布特点是：北半球高于南半球，在南北纬030之间以印度洋水温最高，在南北纬5060之间大西洋水温相差悬殊。111世界大洋表面水温分布的总趋势是：水温从低纬向高纬递减；在南北回归线之间的热带海区水

5、温最高；大洋东西两侧，水温分布有明显差异；在寒暖流交汇处等温线特别密集，水温水平梯度很大；夏季大洋表面水温普遍高于冬季，而水温的水平梯度则冬季大于夏季。大洋表面水温分布的这些特点，主要是由太阳辐射和洋流性质所决定的。1水温的垂直分布 大洋水温的垂直分布，从海面向海底呈不均匀递减的趋势。 1表层扰动层表层暖水对流层深层冷水平流层1海水温度的时间变化水温的日变 影响水温日变的因素 ：太阳辐射、季节变化、天气状况（风、云）、潮汐和地理位置等 大洋表面水温日变一般很小，日较差不超过0.4。水温的日变随纬度的增加而减小。 1水温的年变影响因素 ：太阳辐射、洋流性质、季风和海陆位置 地理分布 ： 从赤道和

6、热带海区向中纬海区增大，然后向高纬海区减小； 在同一热量带，大洋西侧较东侧变幅大，靠近海岸地区更大； 南北两半球相比，北半球各纬度带的年较差大于南半球。11较高海冰11冰点温度、最大密度温度与盐度关系只有当水温降到冰点以下，海水达到某种程度的过冷以后，在有结晶核的条件下，海水才开始结冰。海水结冰时，首先形成的是含纯水的冰晶，这些冰晶包围着未结冰的海水。冰晶析出后，剩下的盐分使未结冰的海水变浓，结果进一步降低了海水的冰点，这种海水就会下沉，并与下面海水发生混合。11河水温度 受到太阳辐射、气温等地带性因素的控制，因而水温和冰情的分布基本上体现了地带性规律。河流水温还受补给来源的影响：高山冰雪融水

7、补给的河流水温低；雨水补给的河流水温较高；地下水补给的河流水温变幅小。1河流水温在空间上、时间上都有变化。冬季夏季我国河流水温的年变幅一般都较大。这也是我国气候大陆性较强，各地气温年变幅一般很大的反映。 1长江黄河河流中的水流是紊流，一般情况下水温比较均匀特别大而平静的河流，河水很难彻底混合，垂线上水温的分布具有成层特性。 1湖泊、水库水温 水温的分布 湖水温度的变化 1白洋淀水温的分布水温垂直梯度方程 式中，Qz为深度z处单位时间通过1平方厘米水平面垂直紊动热流通量；C1的水温垂直梯度如果，C=1，=1时，上式可记为： 此式说明垂直梯度与热流通量成正比，与紊动扩散系数成反比。西 湖当湖水温度

8、随水深的增加而降低时，即水温梯度成负值时，将出现上层水温高，下层水温低，但不低于4，这种水温的垂直分布，称为正温层（图110）当湖温随水深的增加而升高时，即水温垂直梯度成正值时，将出现上层水温低，下层水温高，但不高于4。这种水温的垂直分布，称为逆温层 （图110）当湖温上下层一致，即水温垂直梯度等于零时，将出现上下层水温完全相同，这种水温的垂直分布，成同温状态。当湖泊出现正温层时，在湖面以下一定深度常常形成温跃层，即上下层水温有急剧变化的一段。 湖水温度的变化 水温的日变以表层最明显，随温度的增加日变幅逐渐减小，最高水温一般出现在每天的1418时，最低水温出现在58时，水温日变幅在阴天和晴天之

9、间的差别也较大， 湖面水温的年变，除结冰期外，水温变化与当地气温年变相似，但最高、最低水温出现的时间要迟半个月到一个月左右。水温月平均最高值多出现在7、8月，月平均最低值多出现在1、2月1地下水的水温 地下水的埋藏深度不同，温度变化规律也不同。在不同地区，地下水温度差异很大。地下水在一定地质条件下，因受地球内部热能的影响而形成地下热水。这种地区叫地热异常区。 1水的密度 纯水的密度 海水密度 1纯水的密度水分子有三种结构形式：四面体结构；类石英晶体结构；最紧密的堆积结构。 1冰海水密度海水密度是指单位体积内所含海水的质量，其单位为g/cm3。海水的密度状况，是决定海流运动的最重要因子之一。海水

10、密度是实用盐度（s）、温度（t）和压力（p）的函数。1在一个标准大气压（p=0）下的海水密度，称条件密度在现场温度、盐度和压力条件下所测定的海水密度，称为现场密度或当场密度。1海水密度分布规律大洋表面密度随纬度的增高而增大，等密度线大致与纬线平行。赤道地区由于温度很高，盐度较低，因而表面海水的密度很小，约。亚热带海区盐度虽然很高，但那里的温度也很高，所以密度仍然不大，一般在左右。极地海区由于温度很低，所以密度最大。在三大洋的南极海区，密度均很大，可达以上。1水色与透明度 1水色 纯水是无色的。自然界水体的水色，是由水体的光学性质以及水中悬浮物质、浮游生物的颜色所决定的。 因为水体对太阳光谱中的

11、红、橙、黄光容易吸收，而对蓝、绿、青光散射最强，所以海水水色多呈蔚蓝色、绿色。 1透明度 透明度是表示各种水体能见程度的一个量度。也是各种水体混浊程度的一种标志。 通常是把透明度板（白色圆盘直径为30厘米）放到水中，从水面上方垂直用肉眼向下注视圆盘，测出直到看不见圆盘时为止的深度，单位以米表示。这就是透明度。透明度还随水面波动、天气状况、太阳光照等外部条件的不同而异。 11水色和透明度，都反映了水体的光学特性。水面上光线越强，透入越深，透明度就越大；反之则小。水色越高透明度越大，水色越低透明度越小，见表1-7。第二节:地球上水的化学性质 天然水的化学成分 天然水的矿化过程 天然水的分类 水体的

12、化学性质 1天然水的化学成分天然水中各种物质按性质通常分为三大类：悬浮物质粒径大于100纳米（10-7米）的物质颗粒，在水中呈悬浮状态。胶体物质粒径为1001纳米的多分子聚合体，为水中的胶体物质 溶解物质粒径小于1纳米的物质，在水中成分子或离子的溶解状态，包括各种盐类、气体和某些有机化合物。1天然水的矿化过程 1天然水中各种元素的离子、分子与化合物的总量称为矿化度。各种溶解质在天然水中的累积 和转化，是天然水的矿化过程。水的矿化度：通常以1升水中含有各种盐分的总克数来表示(克/升)。天然水的主要矿化作用：溶滤作用、吸附性阳离子交替作用、氧化作用、还原作用、蒸发浓缩作用和混合作用。 溶滤作用溶滤

13、作用：土壤和岩石中某些成分进入水中的过程称溶滤作用。 按其溶解性能可分为两类： 一类是按矿物成分的比例全部溶于水中，称全等溶解矿物，例如，氯化物、硫酸盐、碳酸盐； 一类是矿物中只有一部分元素进入水中，而原始矿物保持其结晶格架，这一类称不全等溶矿物，主要是硅酸盐和铝硅酸盐。1吸附性阳离子交替作用吸附性阳离子交替作用：天然水中离子从溶液中转移到胶体上，是吸附过程。同时胶体上原来吸附的离子，转移到溶液中是解吸过程。吸附和解吸的结果，表现为阳离子交换胶体吸附的饱和容量称为吸附容量。以100克胶体中吸附离子的摩尔数来表示。 胶体对各种阳离子的吸附能力不同，并有如下顺序： H+Fe3+Al3+Ba2+Ca

14、2+Mg2+K+NH4+Na+Li+1氧化作用氧化作用:天然水中的氧化作用，包括使围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。硫化矿物的氧化是地下水中富集硫酸盐的重要途径。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO412FeSO4+3O2+6H2O=4Fe(SO4)3+2FeO33H2O游离的硫酸进而侵入围岩中的CaCO3。CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+2H2O1还原作用还原作用 :在还原环境里，天然水若与含有机物的围岩（油泥、石油等）接触，或受到过量的有机物污染，碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。CH4+CaSO4=CaS+CO2+2H2OCaS+CO2+H2O=CaCO3+

15、H2S1蒸发浓缩作用 1在干旱地区，内陆地和地下水正在经历盐化作用在蒸发浓缩过程中，各种盐类的沉淀顺序为：Al、Fe、Mn的氢氧化物，Ca、Mg的碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐，Na的硫酸盐，Na、K的氯化物，Ca、Mg的氯化物，最后为硝酸盐。在青藏高原有众多的盐湖，富集了大量的KCl、NaCl，有的富集了Br、I、B、Li、Sr等，形成可供开采的盐湖资源。1青海察尔汗盐湖中形似“海滨别墅”的盐花 111混合作用 雨水渗入补给地下水，地下水补给河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，滨海含水层的海水入侵等，都是天然水的混合。 两种或几种矿化度不同，成分各异的天然水相遇，混合以后的矿化度和化学组成都

16、要发生变化。 1天然水的分类 在不同的地理环境中，天然水的矿化度和主要离子组成都有很大的差异。对天然水进行系统的水化学分类，不仅能反映天然水水质的形成条件和演化过程，而且为水资源评价、利用和保护提供科学依据。分类方法较多：按水化学成分分类 按矿化度分类 按主要离子成分比例分类1按水化学成分分类按照水中各种主要离子成分的相对含量等指标，以公式的形式来表示水的基本化学性质。北京小汤山温泉水的化学分析结果如下：式中，横线上下分别为阴、阳离子的摩尔百分数，按递减顺序排列，含量小于10的不予表示；横线前面M为矿化度，最前面为气体成分和特殊成分，均以克/升计；横线后面T为水温，还可以写出pH值等指标。各类

17、成分的含量和特征值均标在化学式的右下角。利用库尔洛夫式表达天然水的基本化学性质小汤山温泉属于HCO3-Na、Ca型水1按矿化度分类 天然水的矿化度，综合反映了水被矿化的程度，主要离子的组成与矿化度大小存在着密切关系。根据矿化度大小，可将天然水分为五类，见表1-8。1水体的化学性质 在水文循环过程少，水经历了各种各样的环境，携带各种物质一起迁移，并常常由一种形态转化为另一种形态，导致各种元素在不同水体中的分散和富集。大气水的化学组成及特性 海水的化学组成及特点 河水化学成分的特点 湖水化学成分的特点 地下水的化学特征 1大气水的化学组成及特性大气降水含有多种离子（表1-11、1-12）及微生物和

18、灰尘。但也是溶解物质最少的天然水，雨水的矿化度较低，一般为2050毫克/升，在海滨有时超过100毫克/升。 1SO42-Cl-NO3；阳离子：Ca2+Na+Mg2+K+河水化学组成的空间分布差异性大 (表1-17)河水化学组成的时间变化明显 ：随季节变化11湖水化学成分的特点 湖水的矿化度有差异 ：按照矿化度，通常将湖泊分为淡水湖、微咸水湖、咸水湖、盐湖几种类型。湖中生物作用强烈 ：营养元素在湖水、生物体、底质中循环。湖水交替缓慢 ，深水湖有分层性：随着水深的增加，溶解氧含量降低，CO2含量增加。1地下水的化学特征 1、地下水充填于岩石、土壤空隙中使得土壤和岩石圈各种元素及化合物都可能存在于地

19、下水中。 2、矿化度变化范围大，从淡水直到盐水 。3、地下水的化学成分的时间变化极为缓慢，常需以地质年代衡量 。4、地下水与大气接触有很大的局限性，仅限于距地表最近的含水层 。而地下水中CO2的含量比较多。1第三节 地球上水的分布与水资源 地球上水的分布 水资源涵义与特性 世界水资源 我国水资源 1地球上水的分布地球总面积为亿平方公里。其中海洋面积为亿平方公里（表1-19），约占地球总面积的。海洋的总水量为亿立方公里，占地球总水量的，折合成水深可达3700米。除海洋外，还有湖泊、河流、沼泽、冰川等。地表约四分之三被水所覆盖。196.53%1.74%0.03%0.76%海洋水湖泊咸水和地下咸水淡

20、水 冰川地下淡水其他淡水0.94%2.53%永冻土底冰湖泊淡水土壤水大气水沼泽水河水生物水各种水体所占比例地表之下储存于地壳约10公里范围含水层中的重力水，称为地下水。土壤水是指储存于地表最上部约2米厚土层内的水。地球上的水，水平分布面积很广，垂直分布存在于大气圈、生物圈、岩石圈之中，其水量非常丰富，约为亿立方公里，所以地球有“水的行星”之称。1地球、水球？从人造地球卫星上拍摄的地球照片水被称为“蓝色金子”。11 从东西半球看：陆地主要分布在东半球，海洋主要分布在西半球。水资源涵义与特性 水资源的涵义广义水资源世界上一切水体，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、土壤水、地下水及大气中的水分，都是

21、人类宝贵的财富，即水资源。 狭义水资源狭义的水资源不同于自然界的水体，它仅仅指在一定时期内，能被人类直接或间接开发利用的那一部分动态水体。1水资源的特性 :水资源的循环再生性与其有限性时空分布的不均匀性 利用的广泛性和不可代替性 利与害的两重性 1世界水资源 水资源是指全球水量中可为人类生存、发展所利用的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量。水资源在不同地区、不同年份和不同季节的分配是极不均衡的。世界各国通常采用多年平均径流量来表示水资源量。11我国水资源 水资源总量 一个区域水资源总量，为当地降水形成的地表水和地下水的总和，扣除相互转化的重复计算量 水资源是保障人类生存和社会经济不断

22、持续发展的重要基础。水资源短缺及严重污染 ,是当前人类面临的重要挑战之一。合理开发及综合利用水资源极为重要 1 我国水资源特征 我国是一个水资源匮乏的国家之一，水资源总量虽然不少，但人均、亩均水资源量少。水资源时域变化大，地域分布很不均匀。地表水资源量1012 m3水资源总量1012 m3地下水资源量1012 m3水资源重复量1012 m3西北华北占10%长江以南占75%其它地区占15%西北华北占20%长江以南占60%其它地区占20%降水总量1012 m3水汽净输入量1012 m3陆地蒸发量1012 m3水资源时空变化 1.地区分布:因受海陆位置、水汽来源、地形条件等因素影响，我国水资源的地区分布很不均匀