第1章水的性质及分布

第一章地球上水的性质与分布本章内容：§地球上水的物理性质§地球上水的化学性质§地球上水的分布及特点第一章地球上水的性质与分布本章内容：§地球上水的物理性质§地球上水的化学性质(难点)§地球上水的分布及特点（重点）§1.1地球上水的物理性质极性分子结构及其物理性质（极性溶剂、表面张力等）三态转换及热力学性质水温密度水色与透明度

1.水分子的结构

由一个氧原子和两个氢原子组成。键角∠HOH=104031’,O-H键长为0.9568埃。因此，水具有极性结构，常以单分子、双分子、三分子聚合体形式存在。水分子结构：极性共价电子对向氧偏移水分子的极性形成聚合体与其他原子因电荷的吸引而相互结合，使水具有很强的溶解能力，是一种极性溶剂。水对食盐的溶解过程水分子结构：极性共价电子对向氧偏移水分子的极性形成聚合体与其他原子因电荷的吸引而相互结合，使水具有很强的溶解能力，是一种极性溶剂。溶剂：极性与非极性溶剂极性溶剂能溶解离子化合物以及能离解的共价化合物，而非极性溶剂则只能溶解非极性的共价化合物。如，食盐是离子化合物，能在水中溶解而不能在乙醇中溶解。表面张力表面张力：水表面的水分子由于上层空间气相分子对他的吸引力小于内部液相分子的引力，产生垂直指向液体内部的合力，导致液体表面具有自动缩小的趋势视频：液体的表面张力/show/g-h1aGea4dDVGBEz.html?st=1_9_5_1&nr=1毛细现象：将一根管径很细的管子直插入液体中，由于液体、气体、固体接触面上表面张力和附着力的共同作用，液体会在管内爬升或下降。毛细现象毛细现象补充内容：氢键氢键：与电负性大的原子X（氟、氯、氧、氮等）共价结合的氢，如与负电性大的原子Y（与X相同的也可以）接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-H…Y形的键。水分子间存在氢键而发生缔合，形成水的团簇结构(H2O)n。死水由于氢键而发生缔合，降低活性氢键的意义2.水的三态

2.水的三态及其转化

补充：相系统中任何分布均匀、物理性质和化学性质均相同的部分称为相。聚集状态：物质在一定温度和压力下所处的相对稳定的状态。聚集状态是物质的一种存在形式，它们决定于分子、原子的相互作用。注意：①相与相之间有明显的相界面②一个相不一定只是一种物质，可能是混合物③聚集状态相同也未必是一个相④固体物质形成溶液时为一个相气体：均匀的单相液体：单相或多相晶体：结合态单元（组成、结构）二、水的热学性质大热容量：所有固体和液体中热容量最大的物质。潜热：水在固、液、汽三台转化中吸收或放出的热量。显热：物质在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量。水的大热容量和潜热性质对调节地球上的热量变化具有重要作用：冬季不过冷；夏季不过热；水的高热容：/AMuseum/shuiziyuan/water/01/w01_a03.html

三、水温

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。海水、河水、湖水、水库、地下水。

1、海水的温度a.海水热量的收支世界海洋每年的热量收支基本平衡，仅不同季节、不同海域有所差异。b.海水温度的分布海水温度水平分布特征：由低纬向高纬递减海水温度垂直分布特征：由表层向下降低，1000m以下保持常年低温状态。C.海水温度随时间的变化水温的日变影响因素：太阳辐射、季节变化、天气状况、潮汐和地理位置等。大洋表面水文日变化一般很小，<0.4℃C.海水温度随时间的变化年变化影响因素：太阳辐射、洋流性质、季风和海陆位置。水文年变化的地理分布：从赤道和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，北半球各维度带的年较差大于南半球2、河水温度

农田灌溉、水生养殖、水工建筑物等有重要意义。受太阳辐射、气温等地带性因素控制，因而体现地带性规律。还受补给源影响，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。河流水温大体和气温一致河流年平均水温都略高于当地的年平均气温，但差值不大，一般仅1~2°3、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。有日、月、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；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(℃)四、水的密度1、纯水的密度

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

指单位体积内所含海水的质量，其单位为g/cm3。海水密度是实用盐度（s）、温度（t）和压力（p）的函数。因此，海水密度可用海水状态方程表示：ρ(s,t,p)=ρ(s,t,0)/[1-10ρ/k(s,t,p)]

(1－3)式中，ρ为海水密度；k为海水正割体积弹性模量。

五、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。水色常用水色计测定。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。

九寨沟§1.2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化学性质§1.2地球上水的化学性质一、天然水的化学成分按性质分为三大类：悬浮物质＞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。天然水中含有八大离子、重金属、稀有金属、气体等。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，是天然水的矿化过程。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在转移到胶体上是吸附过程。H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞Li+3、氧化作用：围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。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：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↓+H2S

5、蒸发浓缩作用：在干旱地区，内陆湖和地下水正在经历盐化作用。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。

6、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。

三、天然水的分类1、按水化学成分分类2、按矿化度分类3、按主要离子成分比例分类

（1）地表水分类（前苏联）阿列金提出一个简单的水化学分类系统。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，系由火成岩溶滤或离子交换作用形成的。Ⅱ型：［HCO3-］＜［Ca2++Mg2+］＜[HCO3-+SO42-）。Ⅱ型水是低矿化和中等矿化水，多由火成岩、沉积岩的风化物与水相互作用形成。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

地下水化学分类方法很多，现介绍C.A.舒卡列夫的分类方法，见表1-10。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、水体的化学性质在水文循环过程中，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。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，矿化度最低。2、海水的化学组成及特点海水的盐度：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。

1）绝对盐度（SA）定义为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。实用盐度根据比值K15由下述方程式来确定：

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、1-12。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湖泊是陆地表面天然洼陷中流动缓慢的水体。湖泊的形态和规模、吞吐状况及所处的地理环境，造成了湖水化学成分及其动态的特殊性。在湿润地区，年降水量大于年蒸发量，湖泊多为吞吐湖，水流交替条件好，湖水矿化度低，为淡水湖。在干旱地区，湖面年蒸发量远大于年降水量，内陆湖的入湖径流全部耗于蒸发，导致湖水中盐分积累，矿化度增大，形成咸水湖或盐湖。不同地区湖泊具有不同的化学成分和矿化度。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，会形成局部还原环境，以致湖水中游离氧消失，出现H2S、CH4类的气体。

5、地下水的化学特征地下水化学组成类型之多，地区性差异之大，是其它天然水不可比的。关于地下水化学成分的起源和形成过程，至今仍有许多长期争论的问题没有解决。地下水化学基本特点如下：（1）地下水充填于岩石、土壤空隙中，与岩石、土壤广泛接触渗流速度很小，循环交替缓慢，而且地下水贮存于岩石圈上部相当大的深度（10公里），构成了地下水圈。（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）地下水与大气接触有很大的局限性，仅限于距地表最近的含水层，此层可溶入氧气成为地下水氧化作用带。然而地下水中CO2的含量比较多，因为生物的呼吸、有机质的分解，使土壤空气中C02的含量可达1－7％。如果地下水交替缓慢，则氧很快耗尽，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水的分布与水资源世界上的总供水量为大约13.86亿立方千米，折合成水深3700m二、水资源（涵义）与特性水是宝贵的自然资源，也是自然生态环境中最积极、最活跃的因素。同时，水又是人类生存和社会经济活动的基本条件，其应用价值表现为水量、水质及水能三个方面。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。淡水资源只占全球总水量的0.32％左右，约为1065万km3。土壤水属于水资源范畴。大气降水是淡水资源唯一的补给来源。水资源这个水量有可靠的来源，且其来源可通过自然界水文循环不断得到更新或补充。水量可以由人工加以开采和利用水量及其水质能够适应人类用水的要求。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，主要指逐年可得到更新的那部分淡水量。最能反映水资源数量和特征的是年降水量和河流的年径流量。年径流量超过10000亿m3的国家有巴西、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。

随着全球人口的迅速增加和人均收入水平的提高，全球淡水资源紧缺的局面正在逐渐显现。。中东地区具有世界

上最丰富的石油矿

藏，但淡水资源奇

缺，许多国家内没

有大流量的江河湖

泊，年降雨量不足

160mm,2/3地区

＜100mm,66%国家水资源来自邻国，水资源受制于人，国际冲突不断沙特阿拉伯底格里斯河幼发拉底河黎巴嫩伊朗土耳其伊拉克四、我国水资源我国多年平均地表水资源量2.71亿立方米，地下水0.83万亿立方米，总量2.81万亿全球陆地上多年平均降水量800mm，中国为628mm我国水资源量仅次于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印尼，居世界第六位。人均水资源为世界水平的25%，耕地亩均水资源为世界的75%。

我国水资源的时空分布特征地区分布年际分布（多年变化）年内分布（季节变化）2004年中国环境质量状况（水环境）1.地区分布我国水资源利用分为9个一级区，北方5区多年平均水资源总量为5358亿m3，占全国的19%，水资源贫乏南方4区多年平均水资源总量为22766亿m3，占全国的81%，水资源丰富。水资源的地区分布不均2.季节分布不均；年际分布不均季节分布不均按照河流补给情况将全国河川年径流量的季节变化大致分为三区：秦岭以南主要为雨水补给，夏汛比较突出东北地区、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，有春、夏两侧汛期，年径流过程线呈双峰型。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有高山冰雪融水补给，径流量的变化与气温密切相关。3.水资源的条件和问题总量多，但人均、亩均较少地区分布不均，与人口、耕地的分布不相适应。水量的年内、年际变化大，水旱灾害频繁水土流失和泥沙淤积严重，破坏生态平衡，增加了江河防洪困难，降低了水利工程效益。地下水超采严重水污染现象严重我国年用水量的变化用水效率很低——与国际水平相比万美元GDP用水4810m3，世界平均的4倍，先进水平的5-10倍万元工业增加值取水量291m3，为发达国家的5-10倍。工业用水重复利用率55%左右，发达国家80-85%以上灌溉水利用系数0.42-0.43，发达国家0.7-0.8粮食作物平均水分生产率1kg/m3,发达国家2-2.5kg/m34.水土流失和泥沙淤积严重黄土高原区南方丘陵区红漠化西南喀斯特地区石漠化长江（武汉）黄河小浪底5.地下水是我国重要水资源,合理开发利用,防止过量开采.地下水过量开采严重华北透支的地下水估计为2000亿m3地下水过量开采现象严重地下水水位下降，出现地面沉降地下水水位下降，使原先开采的井报废，供水水源地，抽水