水文学-第一章 地球上水的性质与分布

第一章地球上水的性质与分布水文学第一章地球上水的性质与分布

主要内容第一节地球上水的物理性质第二节地球上水的化学性质第三节地球上水的分布与水资源*第一节地球上水的物理性质主要内容一、水的形态及其转化二、水的热学性质三、水温四、水的密度五、水色与透明度水的物理性质水是仅次于空气的最活跃的物质之一；水有三态变化，是自然界水文循环的基础；同其它氢化物相比，水有特别高的溶点和沸点；水有特别大的比热和蒸发潜热；水有反常的密度变化（4C时密度最大）；水有较大的表面张力；水是各种盐类很好的溶剂；水具有几乎不可压缩性。一、水的形态及其转化（一）水分子的结构1、单水分子结构单水分子结构图氧原子附近形成负极，氢原子附近形成正极；水分子具有极性。2、水分子聚合体由于水分子具有极性，故有聚合体。双水分子聚合体三水分子聚合体一、水的形态及其转化（二）水的三态及其转化1.冰点与沸点在一个标准大气压下，纯水0℃为冰点，100℃为沸点。2.水的三态与水温

温度类型冰（0℃）水0℃4℃38℃98℃单水019202936双水4158595051三水5923212113不同水温水分子聚合体的分布（％）一、水的形态及其转化（二）水的三态及其转化2.水的三态与水温三个结论：随着水温的升高，单水分子比例升高，聚合体比例下降，当温度高于100℃以上时，主要为单水分子。当温度高于100℃呈气态时，水主要由单水分子组成。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。水温达到0℃结冰时，单水分子为零，三水分子增多，因三水分子结构特性，使液态水变成固态冰时，体积膨胀10％，若冰变成液态水时，体积减小10％。水温在3.98℃时，二水分子占比重大，而二水分子结合紧密，故密度最大，其为1。一、水的形态及其转化（三）固态水（冰）的结构1.冰的结构的形成：氢键起着强烈的缔合作用（1）每个氢键以等键距与另外四个氧原子相连结，在冰晶中的水分子则具有比较完整的正四面体结构形态（2）键角增为109°28′，键距亦增至1.01Å。2.冰晶中的内在矛盾主要表现为氢键的凝聚力和氢核的振动、水分子的热运动，前者为吸引因素，后二者为排斥因素。一、水的形态及其转化（四）液态水结构的主要理论模型1.连体理论2.混合体理论3.“闪动簇团”模型把液态水看成以氢键结合的水分子的闪动簇团，在略为“自由”的水中游泳的一种液态体系，这些簇团的尺寸较小，且处于不断转化成“闪动”的状态，因而整个液体是均匀的，稳定流动的。液态水的结构既包含有水分子的缔合体（簇团），又包含着水分子的微粒，此二者在液态温度0—100℃的条件下共居共存，且处于连续的转化“闪动”中。二、水的热学性质1.水的热学性质：水的三态转化时的吸热与放热。2.潜热：三态转化过程中吸收和放出的热量称为潜热。3.水的融解和水的蒸发，其潜热大于其它液体。4.水的热容量及潜热特性对地球上的热量变化有调解作用。三、水温（一）海水水温1.海水的热量收支热量的支出热量的收入海面辐射放出的热量海水蒸发时所消耗的热量洋流带走的热量海水垂直交换中耗掉的热量来自太阳和天空的短波辐射来自大气的长波辐射地壳内热通过海底传给海水的热量海面水汽凝结时放出的热量洋流带来的热量海水运动产生的热量化学的、生物的和放射性物质放出的热量海水垂直交换中所得的热量多年平均情况海水热量平衡，但各海区的收支不平衡。平衡水温从低纬向高纬递减，等温线与纬线大致平行，南半球地带性更加明显；年平均水温约为17.4℃（太平洋最高，大西洋最低）；在南北回归线之间的热带海区水温最高。南半球热带海水一部分流入北半球（南赤道暖流）；受大陆和海底地貌的影响，北冰洋海水不能大量南流，而南半球三大洋相连，冷却效果明显。大洋东西两侧，水温分布有明显差异.三、水温（一）海水水温2.海水温度的分布（1）海洋表层水温的地理分布特征图P11-12南北半球表层水温的平均值并不相等,北半球比南半球偏高。在寒暖流交汇处等温线特别密集，水温水平梯度很大；总趋势具有明显的地带性分布规律三、水温（一）海水水温2.海水温度的分布（2）水温的垂直分布从海面向海底呈不均匀递减的趋势南北纬40℃之间海水垂直结构可分两层：表层暖水对流层深层冷水平流层扰动层暖水对流层冷水平流层（m）05001000150020002500300035004000048121620℃

大西洋水温垂直分布图变化总体上小；随纬度增加，日变化减小；近海区水温日变化大于远海区（深海区）；最低与最高水温各地出现的时间有差异；最高：14时—16时最低：4时—6时日变深度一般可达10—20米，最高可过60—70米。

（1）日变化三、水温（一）海水水温3.海水温度的时间变化影响水温年变的因素有：太阳辐射、洋流性质、季风和海陆位置。水温年变的地理分布规律：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，北半球各纬度带的年较差大于南半球；水温年变深度，一般可达100—150米，最大深度可达500米左右。

（2）水温的年变化表P13

三、水温（一）海水水温4.海冰（1）冰点和最大密度温度都随盐度的增加而降低，但降低的数值不同。盐度S/10-3℃43210-1-2-3-4-5051015202530354024.695-1.332冰点最大密度温度（2）海水难以结冰的原因降低↑盐度=24.695×10-3↓升高冰点温度低于最大密度温度冰点温度=最大密度温度=-1.332℃冰点温度高于最大密度温度含盐量高，冰点低；结冰后，表层海水密度增大，对流运动加强。三、水温（二）河水温度1.影响因素太阳辐射气温补给来源冰雪融水补给——水温低雨水补给——水温较高地下水补给——税额变幅小2.水温的分布水平分布：大体上与气温分布一致垂直变化：具有成层性3.水温的时间变化：与气温的时间变化一致。清晨午后↓↓逆温现象正温现象三、水温（三）湖泊、水库水温1.影响因素蒸发、凝结，垂直紊流、对流混合大气辐射、太阳辐射。2.水温的分布水平分布：大致与气温一致垂直分布：水温垂直分布梯度正温层：上高下低，但不低于4℃逆温层：上低下高，但不高于4℃同温层：上下层水温一致3.水温的变化日变化：受气温的影响；年变化：年较差较气温小。太湖表层水温日变化4湖中水温垂直分布我国湖面水温年变化①鄱阳湖②白洋淀③洱海④青海湖江西省河北保定云南大理青海省北纬28°22′-29°45′三、水温（四）地下水的水温1.地下水的埋藏深度不同，温度变化规律也不同近地表与气温的日变化和年变化具有同步性，但变幅小；在年常温层中，变化很少，一般不超过0.1℃；在年常温层以下，水温则随深度的增加而逐渐升高，其变化规律决定于一个地区的地热增温级。地热增温级是指在常温层以下，温度每升高1℃所需增加的深度，单位为m/℃。各处地热增温级不同，一般为33m/℃。此外，自然条件不同的地区，水温差异很大火山活动区水温高，极地和山区水温低。三、水温（四）地下水的水温1.地下水温度变化规律2.地下水温度分类3.地下热水分类状态非常冷水极冷水冷水温水热水极热水沸水温度＜0℃0℃—4℃4℃—20℃20℃—37℃37℃—42℃42℃—100℃＞100℃相类型热水名称水温（℃）主要用途液相热水低温热水20—40农用灌溉、浴疗、洗涤中温热水40—60生活、取暖、锅炉用水、调节灌溉水源高温热水60—100取暖、工业热供水、锅炉用水、发电液气相过热水低温过热水>100发电、动力高温过热水>374发电、动力阿尔山温泉四、水的密度（一）纯水的密度水分子结构的三种形式：四面体结构类石英晶体结构最紧密的堆积结构水的密度随温度变化温度-20℃-10℃0℃的冰0℃的水3.98℃10℃50℃密度0.94030.91860.91670.99991.0000.99970.9584四、水的密度（二）海水密度1.定义单位体积内所含海水的质量。“ρ”，单位：g/cm3。海水的密度值比纯水大，一般为1.022~1.028之间。ρ=f（t，s，p）【t-水温，s-盐度，p-压力】当p一定时，t↑ρ↓，s↑ρ↑为了表示方便，海洋学中经常用σs,t,p

代替ρs,t,p2.条件密度与现场密度条件密度：在一个标准大气压（p=0）下的海水密度。现场密度：在现场温度、盐度和压力条件下所测定的海水密度。四、水的密度（二）海水密度1.定义2.条件密度与现场密度3.密度分布的规律水平分布特点：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。垂直分布特点：一般从大洋表面向下，密度逐渐增加。50米以内梯度小，50-100米出现突变层，1500米以下变化极小。五、水色与透明度（一）水色1.影响水色的因素（1）水体的光学性质（吸收、反射、折射、散射）海水呈蓝色的原因：光的散射作用（2）水中悬浮物质、浮游生物的颜色（3）天空状况、水体底质的颜色2.水色的测定（1）测量：水色计（2）度量：号码1-21代表水色。号码越小，水色越高，号码越大，水色越低。水色的测定号码越小，水色越高，号码越大，水色越低。五、水色与透明度（二）透明度1.透明度：表示各种水体能见程度的一个量度。2.测量方法：透明度板（白色圆盘直径为30cm米），测能见深度。3.水色与透明度的关系：水色越高，透明度越高。第二节地球上水的化学性质一、天然水的化学性质二、水体的化学性质一、天然水的化学性质（一）化学成分按性质通常分为三大类：类型粒径（纳米）主要物质悬浮物质＞100泥沙、粘土、藻类、细菌等不溶物质。胶体物质100~1无机胶体（次生粘土矿物和含水氧化物）有机胶体（腐殖酸）溶解物质＜1盐类、气体和有机化合物。八种主要离子主要阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+

主要阴离子：CI-、HCO-、SO42-、CO32-矿化度：天然水中各种元素的离子、分子与化合物的总量。矿化过程：各种溶解质在天然水中的累积和转化。一、天然水的化学性质（二）矿化过程1.溶滤作用（1）概念：土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。（2）类型：全等溶解矿物：按矿物成分的比例全部溶于水中。例如氯化物、硫酸盐、碳酸盐。不全等溶矿物：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，主要是硅酸盐和铝硅酸盐。一、天然水的化学性质（二）矿化过程2.吸附性阳离子交替作用（1）概念：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。（2）特征：离子交换是可逆反应，处于动态平衡离子交换以当量关系进行离子交换遵守质量作用定律。（3）吸附容量：胶体吸附的饱和容量，摩尔/100克。（4）胶体对各种阳离子的吸附能力不同，顺序如下：H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞Li+一、天然水的化学性质（二）矿化过程3.氧化作用包括使围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。4.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。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。6.混合作用概念：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要发生变化。一、天然水的化学性质（二）矿化过程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。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。

6.混合作用概念：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要发生变化。一、天然水的化学性质（三）天然水的分类分类的意义：（1）能反映天然水水质的形成条件和演化过程；（2）为水资源评价、利用和保护提供科学依据。1.按水化学成分分类（库尔洛夫表达式）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。小汤山温泉HCO3-Na、Ca型水T49℃F0.005H2SiO30.032M0.38HCO365SO421（K+Na）60Ca27阴阳离子的摩尔百分数水温矿化度气体成分和特殊成分一、天然水的化学性质（三）天然水的分类2.按矿化度分类天然水矿化度分类表（g/l）类型低矿化（淡水）弱矿化（微咸水）中矿化（咸水）强矿化（盐水）高矿化（卤水）矿化度＜11-2424-3535-50＞50一、天然水的化学性质3.按主要离子成分比例分类Ⅰ型：［[HCO3-］＞［Ca2++Mg2+］。低矿化水。Ⅱ型：［HCO3-］＜［Ca2++Mg2+］＜[HCO3-+SO42-）。河水、湖水、地下水。Ⅲ型：［HCO3-+SO42-］＜［Ca2++Mg2+］或[Cl-]＞[Na+]。高矿化度的地下水、湖水和海水。Ⅳ型：［HCO3-］=0。沼泽水、硫化矿床水和煤田矿坑水。地表水分类（阿列金分类）一、天然水的化学性质（三）天然水的分类4.C.A.舒卡列夫的分类方法既考虑主要离子成分的摩尔百分数，又考虑水的矿化度。地下水化学分类二、水体的化学性质（一）大气水的化学组成及其特性（二）海水的化学组成及特点（三）河水化学成分的特点（四）湖水化学成分的特点（五）地下水的化学特征（一）大气水的化学组成及其特性大气水的化学成分和性质有以下特点：溶解气体含量近于饱和降水普遍呈酸性（降水中的物质来源：干盐粒、扬尘、火山喷发的易溶物质及尘埃、废气和烟尘）降水溶解质含量低，矿化度低，未达到饱和。NO3-（二）海水的化学组成及特点1.化学组成—80多种化学元素最主要的是氢和氧；大量元素：氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、硅、氟等12种，含量占99.8—99.9％；微量元素：含量<1mg/l。海水组成的恒定性：12种元素的浓度比几乎不变。（二）海水的化学组成及特点海水主要盐类含量（二）海水的化学组成及特点2.海水的盐度（1）概念：单位质量海水中所含溶解物质的质量。绝对盐度（SA）：海水中溶解物质的质量与海水质量的比值。实用盐度（S）：用K15

来定义。K15——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。实验表明，二者呈线性关系：SA=a+bS，S略小于SA。（2）影响盐度在时间上与空间上的因素增盐过程减盐过程蒸发结冰高盐洋流流入与高盐海水涡动、对流混合含盐沉积物的溶解降水融冰低盐洋流流入与低盐海水涡动、对流混合大陆上的淡水流入盐跃层（二）海水的化学组成及特点2.海水的盐度（3）世界大洋盐度分布水平分布（大洋表面）：从亚热带海区向低纬和高纬递减，形成鞍形——总趋势；南半球地带性较北半球明显；大洋西岸盐度梯度大于东岸。垂直分布：亚热带海区高盐度延伸800—1000米；中纬度地区变化复杂；高纬度地区向下渐增，1500米以下盐度值不变。P27图（二）海水的化学组成及特点2.海水的盐度（4）盐度的变化日变化：幅度很小年变化：不超过2×10-3（三）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。其水化学属性几乎完全取决于补给水源的性质及比例。特点：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。水中各种离子的含量差异很大；化学组成的空间分布有差异性；化学组成的时间变化明显。（四）湖水化学成分的特点1.湖水的矿化度有差异按照矿化度，常分为：淡水湖、微咸水湖、咸水湖、盐湖。2.湖中生物作用强烈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。（五）地下水的化学特征1.土壤和岩石圈各种元素及化合物都可能存在于地下水中；2.矿化度变化范围大；3.化学成分随时间的变化极为缓慢，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。第三节地球上水的分布与水资源*一、地球上水的分布二、水资源的含义及特点三、世界水资源四、我国的水资源水是地球上分布最广泛的物质之一地球有“水的行星”之称一、地球上水的分布一、地球上水的分布资料来源:德国环境部地表水与地下水是当前人们所依赖的主要水资源。一、地球上水的分布1.海洋水面积：3.613亿平方公里，占70.8％水量：13.38亿立方公里，占96.5％折合水深3700米。

2.大气水<7000m高度的大气水有12900立方千米，占0.001％折合水深25毫米。3.地下水地面以下2000米以内（不包括南极洲的地下水储量）水量为2340万立方千米，占1.69％。4.地表水水量：1.78％。地表约3/4的面积被水覆盖！表：全球水的储量这些数据说明了什么？二、水资源的含义及特点（一）水资源的含义（二）特点（一）水资源的含义1.广义：地球上的一切水体。2.狭义：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。定义的要点：“能”的条件：技术上可行；经济上合理；生态上可接受。时间限制：一定时期淡水资源，且可以恢复和更新的淡水资源地表水和地下水利用：包括水量——水质——水能——水域资源。大气水、河流、湖泊、地下水、土壤水等。（二）水资源的特点自然资源与自然条件的双重性循环再生性与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供需的矛盾性水体类型循环更替周期水体类型循环更替周期永冻带底冰10000年沼泽5年极地冰川和雪盖9700年土壤水1年海洋2500年河川水16天高山冰川1600年大气水8天深层地下水1400年生物水几小时湖泊17年三、世界水资源（一）衡量水资源量的指标（二）世界水资源的分布（三）世界水资源的问题与对策（一）衡量水资源量的指标年降水量；年径流量（多年平均径流量）世界陆地年径流量总量（包括南极水）：4.68万平方千米，折合平均水深314毫米。人均（万m3）（二）世界水资源的分布各大洲水资源的分布主要国家水资源量占世界人口总量40%的80多个国家为水资源匮乏的国家，其中有近30个国家为严重缺水国，非洲占有19个，像卡塔尔仅有91m3，科威特为95m3，利比亚为111m3，马尔他为82m3，成为世界上四大缺水国。3（三）世界水资源的问题与对策矛盾：不断增长的需水量与有限的水资源。问题：总量不足，分布不均匀，用水量增加，水环境污染；水资源浪费。后果：政治战争世界银行副行长伊斯梅尔·萨拉杰丁曾预测说：“如果说上个世纪的许多战争是为争夺石油，那么下个世纪将会因水而战”。生存战争每天因缺乏安全饮用水而死亡的人数高达6000人。

（三）世界水资源的问题与对策水量短缺严重,供需矛盾尖锐目前全球人均供水量比1970年减少了1/3，这是因为在这期间地球上又增加了18亿人口。世界银行1995年的调查报告指出：占世界人口40%的80个国家正面临着水危机，发展中国家约有10亿人喝不到清洁的水，17亿人没有良好的卫生设施。联合国预计，到2025年，世界将近一半的人口会生活在缺水的地区。世界银行的官员预测，在未来的5年内“水将像石油一样在全世界运转”。民谣河南民谣“河流污染”

50年代淘米洗菜，

60年代洗衣灌溉，

70年代水质变坏，

80年代鱼虾绝代，

90年代身心受害。广东民谣“水源污染”50年代淘米洗菜，

60年代水质不坏，

70年代也还可爱，

80年代鱼虾绝代，

90年代不洗马桶盖。水源污染严重，“水质型缺水”突出据卫生学家估计,目前世界上有1/4人口患病是由水污染引起的。发展中国家每年有2500万人死于饮用不洁净的水，占所有发展中国家死亡人数的1/3。沙颖河(5月)水污染造成肿瘤村惊人的“人间罪恶”恐怖的沙颖河地下水受到严重污染（三）世界水资源的问题与对策对策：时间和空间上的合理调配；积极开展水污染防治；节约用水。四、我国水资源（一）水资源总量（二）水资源时空变化（三）水资源条件和问题（一）水资源总量

多年平均水资源总量：28124亿m3人均：2000年2150m3，占世界1/3。被联合国列为十三个贫水国家之一P33图中国地形（二）水资源时空变化1.地区分布——由东南沿海向西北内陆递减，与降水规律基本一致。划分为5个地带：多雨-丰水带湿润-多水带半湿润-过渡带半干旱-少水带干旱-干涸带最多：火烧寮最少：拖克逊四、我国水资源400mm等降水量线大致也是东南部湿润。半湿润地区与西北干旱、半干旱地区的分界线。中国年径流深度图带名年降水量年径流量年径流系数多雨-丰水带大于1600毫米超过800毫米0.5以上湿润-多水带800—1600毫米200—800毫米0.25—0.5半湿润-过渡带400—800毫米50—200毫米0.1—0.25半干旱-少水带200—400毫米10—50毫米0.1以下干旱-干涸带小于200毫米不足10毫米0.1以下（二）水资源时空变化2.时间变化年际变化丰枯变化规律—丰平枯交替出现；极值比=最大/最小年径流年内变化集中期—南方雨季出现在7-8月，北方部分河流出现在9月。河川年径流量季节变化取决于河流的补给条件。河流补给分为3区：①雨水补给区：秦岭以南。②雨水和冰雪融水补给区：东北地区、华北部分地区、黄河上游和西北一些河流。③高山冰雪融水补给区：西北内陆地区的祁连山、天山、阿尔泰山、昆仑山及青藏高原部分河流。（三）水资源条件和问题1.水资源总量不少,但人均、亩均水量较少。合理利用和保护水资源应作为我国长期坚持的国策。总量：第