第1章 地球上水的性质与分布

第1章地球上水的性质与分布地球上水的物理性质地球上水的化学性质地球上水的分布与水资源水温水的密度水色与透明度§1.1地球上水的物理性质水的温度是一很重要的物理特性，影响水中生物、水体净化和人类对水的利用。太阳辐射是主要热源之一。1、海水的温度：P128热量收支:地理分布（水平和垂直）:时间变化（日、年）:海冰:一、水温赢余亏损世界海洋每年热量的收支，基本上是平衡的，只是不同季节、不同海域有所不平衡。海水温度的水平分布：8月、2月等温线分布图：特点：1-5原因：？垂直分布:总趋势：从表层向下不均匀递减中低纬海区分2个基本层次：上层暖水对流区：厚度约600-1000m，又分两层：表层扰动层（0-100m，垂直梯度近于0)、主温跃层（100m以下，垂直梯度最大）下层冷水平流区：垂直递减率小海水表层温度的分布规律：由低纬向高纬递减。海水垂直温度的分布规律：由表层向下降低，1000米以下常年保持低温状态。大西洋印度洋太平洋海水温的时间变化：日变化：影响因素、变化幅度、纬度变化规律、日变化深度、最高最低值出现的时间。

年变化：影响因素、地理分布规律、年变化深度、最高最低值出现的时间。特点：经向、纬向、南北半球？原因？2、河水温度受太阳辐射、气温等地带性因素控制，因而体现地带性规律，如，水温和冰情等；还受补给源影响，表现出区域差异，如，冰雪融水、雨水、地下水补给的河流，水温变化不同；有时空上变化。我国河流水温受大陆性气候影响年变幅大，日变幅小。海冰：冰点和最大密度温度随盐度而变化。P1333、湖泊、水库水温受水气界面上增温与冷却和湖泊内部紊动、对流混合作用影响，使水温分布存在差异，形成正温层、逆温层和同温层等几种类型。湖水温度有日、年的变化。月平均最高值出现在7、8月，最低值出现在1、2月。我国水温年变幅最大是太湖，达38℃。高山、高原年变幅最小。4、地下水的水温地下水的埋藏深度不同，温度变化规律不同。近地表受气温影响，具有周期性变化；年常温层变化小，＜0.1℃；常温层下随着深度增加升高。地下水在一定地质条件下，受内部热能影响而形成地下热水。地热异常区为地热田。类型非常冷水极冷水冷水温水热水极热水沸腾水温度＜00-44-2020-3737-4242-100＞100表1－4地下水温度分类(℃)二、水的密度

1、纯水的密度温度变化直接影响水的密度变化：

水温℃-20-100(冰)0(水)3.9810100(水)密度(g/cm3)0.94030.91860.91670.99991.00000.99970.9584表1－6水的密度随温度变化

2、海水的密度：P132

指单位体积内所含海水的质量，其单位为g/cm3。但常用海水的比重表示，在数值上密度和比重是相等的。海水密度是实用盐度（s）、温度（t）和压力（p）的函数。在一个标准大气压下测得的海水密度，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。表示方法：如，24.65？（1.02465-1）*1000海水密度的水平和垂直分布特点：水平分布：垂直分布：表层向下，密度递增，50-100m，可出现突变层（“液体海底”），折射声波，对潜艇有利。三、水色与透明度

1、水色

水体对光的选择吸收和散射作用的结果，以水色计测量。水色计由21种颜色组成，由深蓝到黄绿直到褐色，并以号码1-21代表水色。号码越小，水色越高；号码越大，水色越低。

2、透明度

透明度是表示各种水体能见程度的一个量度，以透明度板测量。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。大西洋的马尾藻海透明度达66.5米。

我国湖水色彩最美的湖泊在青藏高原。青藏高原上的湖大多数水色呈青绿色和浅蓝色(水色号为3—9号)。玛旁雍错的水色最清，为碧蓝色；青海湖水呈浅蓝色；鄂陵湖、扎陵湖呈青绿色。在新疆以及内蒙古高原，赛里木湖、新疆天池和内蒙古的岱海水色较清，湖水呈深绿色或淡蓝色(5—9号)；博斯腾湖水呈浅绿色。云贵地区的湖泊以抚仙湖水色最清，为青绿色(5—8号)；阳宗海和洱海呈深绿色(8—11号)。长江及淮河中下游的湖泊，河湖相通，泥沙和悬浮物含量高，因此是中国最浑浊的湖区。大多数湖泊的湖水呈黄褐色(14—19号)。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化学性质§1.2地球上水的化学性质

一、天然水的化学成分目前各种水体里已发现80多种元素。天然水中各种物质按性质(粒径）通常分为三大类：悬浮物质：粒径＞100nm的物质颗粒;胶体物质：粒径为100-1nm的多分子聚合体;溶解物质：粒径小于1nm的物质。化学成分：K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-为天然水中的八大离子。还有Fe、Mn、Cu、F、Ni、P、I等重金属、稀有金属、卤素和放射性元素等微量元素；水中溶解的气体有O2、CO2、N2，特殊条件下也有H2S、CH4等。总之，无论哪种天然水，八种主要离子的含量都占溶解质总量的95-99％以上。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，称为天然水的矿化过程。二、天然水的矿化过程1、溶滤作用：土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。2、吸附性阳离子交替作用：天然水中离子从溶液中再转移到胶体上是吸附过程，反之为解吸过程。H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞Li+3、氧化作用：例如，黄铁矿的氧化过程：2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO412FeSO4+3O2+6H2O=4Fe2(SO4)3+2Fe2O3·3H2O游离的硫酸进而侵入围岩中的CaCO3。CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2↑+2H2O4、还原作用：5、蒸发浓缩作用：在干旱地区，内陆湖和地下水的盐化作用。蒸发浓缩沉积顺序是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。青藏高原的盐湖6、混合作用：三、天然水的分类1、按水化学成分分类：根据主要离子的相对含量，以公式的形式表示。2、按矿化度分类3、按主要离子成分比例分类阴离子的摩尔百分数，按递减排列，小于10%的不表示。阳离子的摩尔百分数矿化度气体成分，克/升水温北京小汤山温泉水

（1）地表水分类:首先按占优势的阴离子将天然水分为三类：重碳酸盐类（C）、硫酸盐类（S）、氯化物类（Cl）。其次，对每一类天然水按占多数的阳离子分为钙质（Ca）、镁质（Mg）、钠质（Na）三组。然后，在每一组内又按各种离子摩尔的比例关系，分为四个水型：Ⅰ型：［HCO3-］＞［Ca2++Mg2+］。Ⅰ型水是低矿化水。Ⅱ型：［HCO3-］＜［Ca2++Mg2+］＜[HCO3-+SO42-）。Ⅱ型水是低矿化和中等矿化水，河水、湖水、地下水大多属于这一类型。Ⅲ型：［HCO3-+SO42-］＜［Ca2++Mg2+］或[Cl-]＞[Na+]。Ⅲ型水包括高矿化度的地下水、湖水和海水。Ⅳ型：［HCO3-］=0。Ⅳ型水是酸性水，pH＜4.5时，水中游离的CO2和H2CO3、HCO3-的浓度为零。例如，沼泽水、硫化矿床水和煤田矿坑水。按此系统共分27个类型。表1-9天然水化学分类表（2）地下水化学分类C.A.舒卡列夫的分类方法，这个分类法既考虑了各主要离子成分的摩尔百分数，又考虑了水的矿化度。

四、水体的化学性质

1、大气水的化学组成及特性

大气降水含有多种离子及微生物和灰尘。但也是溶解物质最少的天然水，雨水的矿化度较低，一般为20—50毫克/升，在海滨有时超过100毫克/升。化学成分和性质特点：溶解气体含量近于饱和；降水普遍显酸性（酸雨），矿化度最低。2、海水的化学组成及特点种类多、差异大（12种大量元素、微量元素）、恒定性。X10.8%

海水的盐度：单位质量的海水中所含溶解物质的质量。以电导测盐法进行研究。1979年第17届国际海洋物理协会通过决议，将盐度分为绝对盐度和实用盐度。表示：‰，以10-3代替。1）绝对盐度（SA）：海水中溶解物质的质量与海水质量的比值。在实际工作中，此量不易直接量测，而以实用盐度代替。2）实用盐度（S）：在温度为15℃、压强为一个标准大气压下的海水样品的电导率，与质量比为32.4356×10-3的标准氯化钾（KCl）溶液的电导率的比值K15来定义。当K15精确地等于1时，海水样品的实用盐度恰好等于35。P136实用盐度根据比值K15由下述方程式来确定：

大洋表层海水盐度的水平分布规律：1-4,P136大洋表层盐度极值分布垂直分布：P137

3、河水化学成分的特点

河水流动迅速，交替期平均只有16天。河水与河床砂石接触时间短，其矿化作用很有限。河水的水化学属性几乎完全取决于补给水源的性质及比例。（1）河水的矿化度普遍低。一般河水矿化度小于1克/升，平均只有0.15－0.35克/升。在各种补给水源中，地下水的矿化度比较高，而且变化大；冰雪融水的矿化度最低，由雨水直接形成的地表径流矿化度也很小。（2）河水中各种离子的含量差异很大。河水中各种离子含量见表1-17。其含量顺序：

（3）河水化学组成的空间分布有差异性。大的江河，流域范围广，流程长，流经的区域条件复杂，并有不同区域的支流汇入，各河段水化学特征的不均一性就很明显。（4）河水化学组成的时间变化明显。河水补给来源随季节变化明显，因而水化学组成也随季节变化。4、湖水化学成分的特点不同地区湖泊具有不同的化学成分和矿化度，可形成淡水湖（湿润地区）和咸水湖或盐湖（干旱地区）。湖水与海水在化学成分上的差异，主要体现在湖水主要离子之间，无一定比例关系。

（1）湖水的矿化度有差异。按照矿化度，通常将湖泊分为淡水湖（＜1克/升）、微咸水湖（1—24.7克/升）、咸水湖（24.7—35克/升）、盐湖（＞35克/升）几种类型。（2）湖中生物作用强烈。营养元素（N、P）在湖水、生物体、底质中循环，各地的淡水湖泊都有不同程度的富营养化的趋势。（3）湖水交替缓慢，深水湖有分层性。随着水深的增加，溶解氧的含量降低，CO2的含量增加。在湖水停滞区域，形成局部还原环境，湖水中游离氧消失，出现H2S、CH4类的气体。

5、地下水的化学特征（1）地下水渗流速度很小，循环交替缓慢。（2）矿化度变化范围大，从淡水直到盐水。在淡水中阴离子以HCO3-为主，阳离子以Ca2+为主。随着矿化度的增加，阴离子按HCO3-→SO42-→Cl-次序递增；阳离子中Na+的含量增多，逐渐代替Ca2+成为主要成分，而且Mg2+的含量稍有增加。

（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）地下水氧气含量少，CO2的含量比较多，成为还原环境。围岩中若含有机质，则地下水便富集H2S、CH4等气体。

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§1.3地球上水的分布与水资源一、地球上水的分布：P10

基本数据：海洋的总水量为13.38亿km3，占地球总水量的96.5％，折合成水深可达3700m，如果平铺在地球表面，平均水深可达2640m。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。大气水在7km以内总量约有12900km3，折合成水深约为25mm，仅占地球总水量的0.001％。地下水从地面至深达2km的地壳内，地下水总储量为2340万km3。土壤水的储量为16500km3。地球表面生物体内的贮水量约为1120km3。由表1-19可以可得以下认识:海洋的水量占地球总水量的96.5%

淡水资源只占地球总水量的2.53%

冰川储量占淡水资源量的68.7%

二、水资源涵义与特性

水资源利用的三个方面:水量----多少水质----好坏水能----大小1、水资源的涵义（1）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，都是人类宝贵的财富，即水资源。（2）狭义水资源：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。包括河流、湖泊、地下水和土壤水等，只占全球总水量的0.32％左右，约为1065万km3。

狭义水资源定义的要点:A:能技术上可行经济上合理生态环境影响可接受B:时间限制一定时期内C:淡水资源D:可以恢复和更新的淡水资源E:包括地表水和地下水

2、水资源的特性（1）水资源的循环再生性与其有限性；（2）时空分布的不均匀性；（3）利用的广泛性和不可代替性；（4）利与害的两重性。三、世界水资源

反映水资源数量和特征的是年降水量和河流的年径流量。所以，通常采用多年平均径流量来表示水资源量。世界陆地年径流总量为4.68万km3(表1-20),折合平均径流深为314mm。目前世界人均年径流量为6685m3（按70亿人口计算）。我国人均为2085m3（按13亿人口计算）。年径流量超过10000亿m3的国家有巴西、俄罗斯、加拿大、美国、印度尼西亚、中国、印度等。世界上人均占有年径流量超过10000m3的国家有40多个，其中加拿大是人均径流量最多的国家，达129600m3/人,其次为新西兰达94640m3/人。

巴西69500亿m3、俄罗斯65400亿m3、美国30560亿m3、加拿大29114亿m3、印尼28113亿m3、我国28124亿m3（第六位）。四、我国水资源1、水资源总量计算说明：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。由于地表水和地下水互相联系而又相互转化，因此计算水资源总量时,不能将地表与地下水资源直接相加，应扣除相互转化的重复计算量。基本数据：全国多年平均地表水资源量为27115亿m3，多年平均地下水资源量为8288亿m3，扣除两者之间重复计算的水量7279亿m3，全国多年平均水资源总量为28124亿m3。我国水资源数量区域差异大。2、水资源时空变化(1)地区分布：总趋势是由东南沿海向西北内陆递减。按照年降水和年径流的多少，全国大致可划分为水资源条件不同的5个地带：1）多雨-丰水带：年降水量大于1600mm，年径流深超过800mm,年径流系数（某一时段的径流深度与降雨深度之比）在0.5以上。包括浙江、福建、台湾、广东等省的大部分地区，广西东部、云南西南部、西藏东南隅，以及江西、湖南、四川西部的山地。其中台湾东北部和西藏东南的局部地区，年径流深高达5000毫米，是我国水资源最丰富地区。2）湿润-多水带：年降水量800-1600mm，年径流深200-800mm,年径流系数为0.25-0.5。主要包括沂沭河下游和淮河两岸地区,秦岭以南汉水流域,长江中下游地区,云南、贵州、四川、广西等省区的大部分及东北的长白山区。3）半湿润-过渡带：年降水量400-800mm,年径流深50-200mm,年径流系数0.1-0.25.包括黄淮海平原,东北三省、山西、陕西的大部分,甘肃和青海的东南部,新疆北部和西部山地,四川西北部和西藏东部。4）半干旱-少水带：年降水量200-400mm，年径流深10-50mm,年径流系数在0.1以下.包括东北地区西部,内蒙古、宁夏、甘肃的大部分地区,青海、新疆的西北部和西藏部分地区。5）干旱-干涸带：年降水量小于200mm,年径流深不足10mm,有的地区为无流区。包括内蒙古、宁夏、甘肃的荒漠和沙漠，青海的柴达木盆地，新疆的塔里木盆地和准噶尔盆地，西藏北部羌塘地区。(2)多年变化：水资源通常以丰枯变化规律反映多年变化过程，以极值比表示年际变差幅度。1)丰枯变化规律：根据全国53个有长系列年降水和年径流资料的测站的观测资料计算显示，全国水资源丰枯变化规律大致可归纳为三种类型：①有比较明显的60-80年长周期。属于这一类测站最多，约占分析站数的58%。②有比较明显的30-40年短周期。属于这一类的测站甚少,约占分析站数的10％。③没有明显的周期性变化规律。属于这类的测站约占分析站数的32％。2)极值比：系列中最大值与最小值的倍比值,称为极值比(Km),可以作为反映降水、径流年际变幅的指标。年径流极值比除了受气候因素影响外,还与下垫面条件和流域面积大小有密切关系。全国部分流量站极值比见表1-23。问题：

根据上表，分析哪样的流域发生旱涝灾害的机率最大？(3)季节变化：全国降水量以夏多冬少，春、秋介于冬、夏之间。春雨和秋雨各地不同，多气旋过境地方春雨较多，多台风过境的地方秋雨较多。按照河流补给情况，全国大致可分为三区：①秦岭以南主要为雨水补给区，河川径流量的季节变化主要受降水季节分配的影响，夏汛比较突出。②东北地区、华北部分地区、黄河上游和西北一些河流，为雨水和冰雪融水补给区，有春、夏两次汛期，年径流过程线呈双峰型。但一般春汛水量不大，多数河流占年径流量的5％左右，少数超过10％。③西北内陆地区的祁连山、天山、阿尔泰山、昆仑山以及青藏高原部分河流，主要由高山冰雪融水补给，径流量的变化与气温有密切关系，年内分配比较均匀。

3、水资源条件和问题（评价）问题一总量多，人均少按水资源总量大小排队，前几名依次是：巴西、俄罗斯、加拿大、美国、印度尼西亚、中国。与世界淡水资源总量的大国相比，中国人均水资源是巴西的1/16,俄罗斯的1/10，加拿大的1/50，美国的1/5，印度尼西亚的1/7。中国人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1/4,世界排名第110位之后。

问题二我国水资源的空间分布不均东多西少水资源的空间分布土地资源的空间分布地区分布很不均匀，与人口、耕地分布不相适应，进行水量的地区调配是水资源开发利用的重要课题我国水资源的年内、年际分配

哈尔滨、北京、武汉、广州降水量年变化柱状图夏秋多,冬春少问题三年内：年际：重庆叶尔羌河下游年际变化大,旱涝灾害频发问题四不合理人类活动，导致生态环境恶化，水土流失加剧，泥沙淤积严重，增加了江河防洪困难，降低了水利工程效益。水土流失、泥沙淤积严重，生态平衡破坏

部分地区地下水资源的不合理开发利用，导致地面沉降、地陷、地裂等地质灾害的出现。问题五地下水资源开采过量，地质灾害频繁平原区地下水位降落漏斗：2008年，21个省级行政区对地下水位降落漏斗（以下简称漏斗）进行了不完全调查，共统计漏斗81个，漏斗总面积7万km2。在38个浅层（潜水）漏斗中，年末漏斗面积大于500km2的共11个，年末漏斗中心水位埋深大于20m的共24个。在43个深层（承压水）漏斗中，年末漏斗面积大于500km2的共25个，年