1、111第一節：地球上水的物理性質第一節：地球上水的物理性質 水具有不同于一般物質的物理性質，這些異常水具有不同于一般物質的物理性質，這些異常的物理性質使水在自然界和生物體內，表現出的物理性質使水在自然界和生物體內，表現出某些獨特的效應與作用。某些獨特的效應與作用。水的形態及其轉化水的形態及其轉化 水的熱學性質水的熱學性質 水溫水溫 水的密度水的密度 水色與透明度水色與透明度 1水的形態及其轉化水的形態及其轉化 地球上的水以氣態、液態和固態三種形式存在，在常溫條件下三相可以互相轉化。水分子的結構 水的三態及其轉化 1水分子的結構O水分子的極性結構每個水分子（H2O）都是由一個氧原子和二個氫原子組

2、成。 1水分子1由于水分子具有極性，在自然界，水不完全是單水分子H2O，而更多的情況下是水分子的聚合體。水分子聚合體包括：單水分子（H2O）、雙水分子（H2O）2、三水分子（H2O）3， 1水的三態及其轉化 地球上的水以氣態、液態、固態三種形式存在，在常溫條件下三相可以相互轉化。1一個標準大氣壓下： 0以下為固體 0100為液體 100以上為氣體隨著水溫的升高，水分子聚合體不斷地減少，而單水分子不斷地增多。 隨著溫度的降低，水分子聚合體不斷增多，單水分子不斷減少。 水溫在3.98時，結合緊密的二水分子最多，所以此時水的密度最大，比重為1。11水的熱學性質水的熱學性質 水是所有固體和液體中熱容量

3、最大的物質之一，能吸收相當多的熱量而不損害其穩定性。水變成水汽或冰融成水都要吸收熱量。相反，水汽凝結和水結成冰都要放出熱量，而且吸收或放出的熱量是相等的,這種吸收或放出的熱量稱為水的潛熱。 冰的融解和水的蒸發，其潛熱均較其它液體為大，這與水分子結構有關。因為熱量不僅用于克服分子分子力力，而且需要用于雙水分子（H2O）2和三水分子（H2O）3聚合體的分解上。水的熱容量與潛熱特性，對整個地球上的熱量變化具有重要的調節作用，使冬季不致過冷，夏季不致過熱。1水溫水溫 水的溫度是一個重要的物理特性，它影響到水中生物，水體自凈和人類對水的利用。天然水的溫度因其所得到的熱量來源不同而異。海水溫度 河水溫度

4、湖泊、水庫水溫 地下水的水溫 1海水溫度海水熱量的收支 海水溫度的分布 海水溫度的時間變化 海冰 1海水熱量的收支 收 入支 出1來自太陽和天空的短波輻射來自太陽和天空的短波輻射1海面輻射放出的熱量海面輻射放出的熱量2來自大氣長波輻射來自大氣長波輻射2海水蒸發時所消耗的熱量海水蒸發時所消耗的熱量3地殼內熱通過海底傳給海水的熱量3洋流帶走的熱量4海面水汽凝結時放出的熱量4海水垂直交換中耗掉的熱量5洋流帶來的熱量 6海水垂直交換中所得熱量 7化學的、生物的和放射性物質放出的熱量 8海水運動產生的熱量 對海水溫度分布對海水溫度分布與變化影響與變化影響最為重要最為重要僅對局部海區溫度變化影響較大1海水

5、溫度的分布三大洋表面年平均水溫約為17.4，其中太平洋最高，達19.1；印度洋17.0；大西洋16.9。 三大洋表面年平均水溫的分布特點是：北半球高于南半球，在南北緯030之間以印度洋水溫最高，在南北緯5060之間大西洋水溫相差懸殊。111世界大洋表面水溫分布的總趨勢是：水溫從低緯向高緯遞減；在南北回歸線之間的熱帶海區水溫最高；大洋東西兩側，水溫分布有明顯差異；在寒暖流交匯 處等溫線特別密集，水溫水平梯度很大；夏季大洋表面水溫普遍高于冬季，而水溫的水平梯度則冬季大于夏季。大洋表面水溫分布的這些特點，主要是由太陽輻射和洋流性質所決定的。1水溫的垂直分布 大洋水溫的垂直分布，從海面向海底呈不均勻遞

6、減的趨勢。 表層擾動層表層暖水對流層深層冷水平流層11海水溫度的時間變化水溫的日變水溫的日變 影響水溫日變的因素 ：太陽輻射、季節變化、天氣狀況（風、云）、潮汐和地理位置等 大洋表面水溫日變一般很小，日較差不超過0.4。水溫的日變隨緯度的增加而減小。 1水溫的年變水溫的年變 影響因素影響因素 ：太陽輻射、洋流性質、季風和海陸位置 地理分布地理分布 ： 從赤道和熱帶海區向中緯海區增大，然后向高緯海區減小； 在同一熱量帶，大洋西側較東側變幅大，靠近海岸地區更大； 南北兩半球相比，北半球各緯度帶的年較差大于南半球。1較高1海冰11冰點溫度、最大密度溫度與鹽度關系只有當水溫降到冰點以下，海水達到某種程

7、度的過冷以后，在有結晶核的條件下，海水才開始結冰。海水結冰時，首先形成的是含純水的冰晶，這些冰晶包圍著未結冰的海水。冰晶析出后，剩下的鹽分使未結冰的海水變濃，結果進一步降低了海水的冰點，這種海水就會下沉，并與下面海水發生混合。11河水溫度 受到太陽輻射、氣溫等地帶性因素的控制，因而水溫和冰情的分布基本上體現了地帶性規律。河流水溫還受補給來源的影響：高山冰雪融水補給的河流水溫低；雨水補給的河流水溫較高；地下水補給的河流水溫變幅小。河流水溫在空間上、時間上都有變化。冬季夏季1我國河流水溫的年變幅一般都較大。這也是我國氣候大陸性較強，各地氣溫年變幅一般很大的反映。 長江33黃河河流中的水流是紊流，一

8、般情況下水溫比較均勻1特別大而平靜的河流，河水很難徹底混合，垂線上水溫的分布具有成層特性。 1湖泊、水庫水溫 水溫的分布 湖水溫度的變化 白洋淀1水溫的分布水溫垂直梯度方程 式中，Qz為深度z處單位時間通過1平方厘米水平面垂直紊動熱流通量；C的水溫垂直梯度37如果，C=1，=1時，上式可記為： 此式說明垂直梯度與熱流通量成正比，垂直梯度與熱流通量成正比，與紊動擴散系數成反比與紊動擴散系數成反比。西 湖當湖水溫度隨水深的增加而降低時，即水溫梯度成負值時，將出現上層水溫高，下層水溫低，但不低于4，這種水溫的垂直分布，稱為正正溫層溫層（圖（圖110）當湖溫隨水深的增加而升高時，即水溫垂直梯度成正值時

9、，將出現上層水溫低，下層水溫高，但不高于4。這種水溫的垂直分布，稱為逆逆溫層溫層 （圖（圖110）當湖溫上下層一致，即水溫垂直梯度等于零時，將出現上下層水溫完全相同，這種水溫的垂直分布，成同溫狀態同溫狀態。當湖泊出現正溫層時，在湖面以下一定深度常常形成溫躍層溫躍層，即上下層水溫有急劇變化的一段。 1湖水溫度的變化 水溫的日變日變以表層最明顯，隨溫度的增加日變幅逐漸減小，最高水溫一般出現在每天的1418時，最低水溫出現在58時，水溫日變幅在陰天和晴天之間的差別也較大， 湖面水溫的年變年變，除結冰期外，水溫變化與當地氣溫年變相似，但最高、最低水溫出現的時間要遲半個月到一個月左右。水溫月平均最高值多

10、出現在7、8月，月平均最低值多出現在1、2月1地下水的水溫 地下水的埋藏深度不同，溫度變化規律也不同。在不同地區，地下水溫度差異很大。地下水在一定地質條件下，因受地球內部熱能的影響而形成地下熱水。這種地區叫地熱異常區。 1水的密度水的密度 純水的密度 海水密度 1純水的密度水分子有三種結構形式：四面體結構；類石英晶體結構；最緊密的堆積結構。 冰1海水密度海水密度是指單位體積內所含海水的質量，其單位為g/cm3。海水的密度狀況，是決定海流運動的最重要因子之一。海水密度是實用鹽度（s）、溫度（t）和壓力（p）的函數。1在一個標準大氣壓（p=0）下的海水密度，稱條件密度條件密度在現場溫度、鹽度和壓力

11、條件下所測定的海水密度，稱為現場密度或當場密現場密度或當場密度度。1海水密度分布規律大洋表面密度隨緯度的增高而增大，等密度線大致與緯線平行。赤道地區由于溫度很高，鹽度較低，因而表面海水的密度很小，約1.02300。亞熱帶海區鹽度雖然很高，但那里的溫度也很高，所以密度仍然不大，一般在1.02400左右。極地海區由于溫度很低，所以密度最大。在三大洋的南極海區，密度均很大，可達1.02700以上。1水色與透明度水色與透明度 1水色 純水是無色的。自然界水體的水色，是由水體的光學性質以及水中懸浮物質、浮游生物的顏色所決定的。 因為水體對太陽光譜中的紅、橙、黃光容易吸收，而對藍、綠、青光散射最強，所以海

12、水水色多呈蔚藍色、綠色。 1透明度 透明度是表示各種水體能見程度的一個量度。也是各種水體混濁程度的一種標志。 通常是把透明度板透明度板（白色圓盤直徑為30厘米）放到水中，從水面上方垂直用肉眼向下注視圓盤，測出直到看不見圓盤時為止的深度，單位以米表示。這就是透明度。透明度還隨水面波動、天氣狀況、太陽光照等外部條件的不同而異。 1水色和透明度，都反映了水體的光學特性。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。1第二節第二節:地球上水的化學性質地球上水的化學性質 天然水的化學成分天然水的化學成分 天然水的礦化過程天然水的礦化過程 天然水的分

13、類天然水的分類 水體的化學性質水體的化學性質 1天然水的化學成分天然水的化學成分天然水中各種物質按性質通常分為三大類：天然水中各種物質按性質通常分為三大類：懸浮物質懸浮物質粒徑大于100納米（10-7米）的物質顆粒，在水中呈懸浮狀態。膠體物質膠體物質粒徑為1001納米的多分子聚合體，為水中的膠體物質 溶解物質溶解物質粒徑小于1納米的物質，在水中成分子或離子的溶解狀態，包括各種鹽類、氣體和某些有機化合物。1天然水的礦化過程天然水的礦化過程 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。各種溶解質在天然水中的累積 和轉化，是天然水的礦化過程。水的礦化度：水的礦化度：通常以1升水中含有各種鹽

14、分的總克數來表示(克/升)。天然水的主要礦化作用：溶濾作用、吸附性陽離子交替作用、氧化作用、還原作用、蒸發濃縮作用和混合作用。 1溶濾作用溶濾作用：土壤和巖石中某些成分進入水中的過程稱溶濾作用。 按其溶解性能可分為兩類： 一類是按礦物成分的比例全部溶于水中，稱全等溶解礦物，例如，氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽； 一類是礦物中只有一部分元素進入水中，而原始礦物保持其結晶格架，這一類稱不全等溶礦物，主要是硅酸鹽和鋁硅酸鹽。1吸附性陽離子交替作用吸附性陽離子交替作用：天然水中離子從溶液中轉移離子從溶液中轉移到膠體上到膠體上，是吸附過程。同時膠體上原來吸附的離子，轉移到溶液中是解吸過程。吸附和解吸的結果，表現

15、為陽離子交換膠體吸附的飽和容量稱為吸附容量。以100克膠體中吸附離子的摩爾數來表示。 膠體對各種陽離子的吸附能力不同，并有如下順序： H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+K+NH 4+Na+Li+1氧化作用氧化作用:天然水中的氧化作用，包括使圍巖的礦物氧化和使水中有機物氧化。硫化礦物的氧化是地下水中富集硫酸鹽的重要途徑。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO412FeSO4+3O2+6H2O=4Fe(SO4)3+2FeO33H2O游離的硫酸進而侵入圍巖中的CaCO3。CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+2H2O1還原作用還原作用 :在還原環境里，天然水若與含有機

16、物的圍巖（油泥、石油等）接觸，或受到過量的有機物污染，碳氫化合物可以使水中的硫酸鹽還原。CH4+CaSO4=CaS+CO2+2H2OCaS+CO2+H2O=CaCO3+H2S1蒸發濃縮作用 在干旱地區，內陸地和地下水正在經歷鹽化作用在蒸發濃縮過程中，各種鹽類的沉淀順序為：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。在青藏高原有眾多的鹽湖，富集了大量的KCl、NaCl，有的富集了Br、I、B、Li、Sr等，形成可供開采的鹽湖資源。1青海察爾汗鹽湖中形似“海濱別墅”的鹽花 1111混合作用 雨水滲入補給地下水，地

17、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。 兩種或幾種礦化度不同，成分各異的天然水相遇，混合以后的礦化度和化學組成都要發生變化。 1天然水的分類天然水的分類 在不同的地理環境中，天然水的礦化度和主要離子組成都有很大的差異。對天然水進行系統的水化學分類，不僅能反映天然水水質的形成條件和演化過程，而且為水資源評價、利用和保護提供科學依據。分類方法較多：按水化學成分分類 按礦化度分類 按主要離子成分比例分類1按水化學成分分類按照水中各種主要離子成分的相對含量等指標，以公式的形式來表示水的基本化學性質。北京小湯山溫泉水的化學分析結果如下：式中，橫線上

18、下分別為陰、陽離子的摩爾百分數，按遞減順序排列，含量小于10的不予表示；橫線前面M為礦化度，最前面為氣體成分和特殊成分，均以克/升計；橫線后面T為水溫，還可以寫出pH值等指標。各類成分的含量和特征值均標在化學式的右下角。利用庫爾洛夫式表達天然水的基本化學性質小湯山溫泉屬于HCO3-Na、Ca型水1按礦化度分類 天然水的礦化度，綜合反映了水被礦化的程度，主要離子的組成與礦化度大小存在著密切關系。根據礦化度大小，可將天然水分為五類，見表1-8。1水體的化學性質水體的化學性質 在水文循環過程少，水經歷了各種各樣的環境，攜帶各種物質一起遷移，并常常由一種形態轉化為另一種形態，導致各種元素在不同水體中的

19、分散和富集。大氣水的化學組成及特性 海水的化學組成及特點 河水化學成分的特點 湖水化學成分的特點 地下水的化學特征 1大氣水的化學組成及特性大氣水的化學組成及特性大氣降水含有多種離子（表1-11、1-12）及微生物和灰塵。但也是溶解物質最少的天然水，雨水的礦化度較低，一般為2050毫克/升，在海濱有時超過100毫克/升。 SO42-Cl-NO3；陽離子：Ca2+Na+Mg2+K+河水化學組成的空間分布差異性大 (表1-17)河水化學組成的時間變化明顯 ：隨季節變化11湖水化學成分的特點 湖水的礦化度有差異 ：按照礦化度，通常將湖泊分為淡水湖、微咸水湖、咸水湖、鹽湖幾種類型。湖中生物作用強烈 ：

20、營養元素在湖水、生物體、底質中循環。湖水交替緩慢 ，深水湖有分層性：隨著水深的增加，溶解氧含量降低，CO2含量增加。1地下水的化學特征 1、地下水充填于巖石、土壤空隙中使得土壤和巖石圈各種元素及化合物都可能存在于地下水中。 2、礦化度變化范圍大，從淡水直到鹽水 。3、地下水的化學成分的時間變化極為緩慢，常需以地質年代衡量 。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 。而地下水中CO2的含量比較多。1第三節第三節 地球上水的分布與水資源地球上水的分布與水資源 地球上水的分布地球上水的分布 水資源涵義與特性水資源涵義與特性 世界水資源世界水資源 我國水資源我國水資源 1地球上水

21、的分布地球上水的分布地球總面積為5.1億平方公里。其中海洋面積為3.613億平方公里（表1-19），約占地球總面積的70.8。海洋的總水量為13.38億立方公里，占地球總水量的96.5，折合成水深可達3700米。除海洋外，還有湖泊、河流、沼澤、冰川等。地表約四分之三被水所覆蓋。96.5396.53 % %1.74%1.74%0.03%0.03%0.76%0.76%海洋水海洋水湖泊咸水和地下咸水湖泊咸水和地下咸水淡水淡水 冰川冰川地下淡水地下淡水其他淡水其他淡水0.94%0.94%2.53%2.53%永凍土底冰永凍土底冰湖泊淡水湖泊淡水土壤水土壤水大氣水大氣水沼澤水沼澤水河水河水生物水生物水各種

22、水體所占比例各種水體所占比例1地表之下儲存于地殼約10公里范圍含水層中的重力水，稱為地下水。土壤水是指儲存于地表最上部約2米厚土層內的水。地球上的水，水平分布面積很廣，垂直分布存在于大氣圈、生物圈、巖石圈之中，其水量非常豐富，約為13.86億立方公里，所以地球有“水的行星”之稱。水被稱為“藍色金子”。111水資源涵義與特性水資源涵義與特性 水資源的涵義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。 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，能被人類直接或間接開發利用的那一部分動態水體。1水資源的特性

23、 :水資源的循環再生性與其有限性時空分布的不均勻性 利用的廣泛性和不可代替性 利與害的兩重性 1世界水資源世界水資源 水資源是指全球水量中可為人類生存、發展所利用的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量。水資源在不同地區、不同年份和不同季節的分配是極不均衡的。世界各國通常采用多年平均徑流量來表示水資源量。11我國水資源我國水資源 水資源總量水資源總量 一個區域水資源總量，為當地降水形成的地表水和地下水的總和，扣除相互轉化的重復計算量 水資源是保障人類生存和社會經濟不斷水資源是保障人類生存和社會經濟不斷持續發展的重要基礎。水資源短缺及嚴持續發展的重要基礎。水資源短缺及嚴重污染重污染 ,是當

24、前人類面臨的重要挑戰之一。是當前人類面臨的重要挑戰之一。合理開發及綜合利用水資源極為重要合理開發及綜合利用水資源極為重要 我國水資源特征 我國是一個水資源匱乏的國家之一，水資源總量雖然不少，但人均、畝均水資源量少。水資源時域變化大，地域分布很不均勻。地表水資源量2.711012 m3水資源總量2.811012 m3地下水資源量0.831012 m3水資源重復量0.731012 m3西北華北占10%長江以南占75%其它地區占15%西北華北占20%長江以南占60%其它地區占20%降水總量6.191012 m3水汽凈輸入量2.401012 m3陸地蒸發量3.791012 m31水資源時空變化水資源時空變化 1.地區分布地區分布:因受海陸位置、水汽來源、地形條件等因素影響，我國水資源的地區分布很不均勻，總趨勢是由東南沿海向西北內陸遞減。全國大致可劃分為全國大致可劃分為5 5個降水地帶：個降水地帶： 多雨-豐水帶 濕潤-多水帶 半濕潤-過渡帶 半干旱-少水帶 干旱-干涸帶 12.多年變化多年變化 v豐枯變化規律豐枯變化規律 ： 有比較明顯的6080年長周期 有比較明顯的3040年短周期 沒有明顯的周期性變化規律