第二章 天然水的主要理化性质

1、第二章天然水的主要理化性质第一节 天然水的盐度、密度和化学分类一、天然水的含盐量（一） 天然水的含盐量反应天然海水含盐量的参数通常有离子总量、矿化度、盐度和氯度。1、离子总量：天然水中各种离子成分含量的总和即离子总量。常用mg/L、mmol/L 或 g/kg、mmol/kg 表示。电荷平衡理论（Cation-Anion Balance)：天然水中，所有阳离子所带的正电荷与所有阴离子所带的负电荷相等。依据该理论，可粗略分析化学分析的准确性。例：某同学分析一未知水样，得到 121mg/L 碳酸氢根， 28mg/L 硫酸根， 17mg/L Cl-, 39 mg/L Ca2+, 8.7 mg/L Mg

2、2+, 8.2 mg/L Na+和 1.4mg/L K+。此分析准确吗？单位换算 ppt（part per thousand）相当于g/L或 g/kgppm （part per million ） 相 当 于 mg/L 或 mg/kgppb （part per billion） 相 当 于 ug/L 或 ug/kg2、 矿化度：矿化度也是反映水中含盐量的一个指标，是指“蒸干称重法得到的无机矿物成分的总量”。测定时要用过氧化氢氧化水中可能含有的有机物，在 105-110烘干剩余的残渣至恒重，然后称重。3、 海水的氯度：原始定义：将 1000g 海水中的溴和碘以等当量的氯取代后，海水中所含氯的总克

3、数。用Cl符号表示。新定义：沉淀 0.3285234 千克海水中全部卤族元素所需纯标准银（原子量银）的克数， 在数值上即为海水的氯度。用 Cl 符号表示，无量纲单位为 1x10-3。4、 盐度：当海水中的溴和碘被相当量的氯所取代、碳酸盐全部变成氧化物、有机物完全氧化时，海水中所含全部固体物质的质量与海水质量之比，以 10-3 或表示。 用 S表示。根据对大西洋东北部和波罗的海九个不同盐度值水样的准确测定结果而推导出来的公式：S = 0.030 + 1.8050 Cl，在六十年代以前得到国际上的广泛应用。由于海水成分的变动，特别是低盐度海水用上述关系式从氯度值计算出的盐度值通常产生 0.4的误差

4、。教科文组织和英国国立海洋研究所联合出版了国际海洋学常用表（1966 年），在编制该表时，提出了通过测定电导率确定盐度所采用的新的盐度氯度关系式：S = 1.80655Cl离子总量、矿化度概念较多用来反映内陆水的含盐量。盐度、氯度则是反应海水含盐量的参数。氯度在内陆水中不使用，因为对于内陆水，他与含盐量没有一定关系。在涉及内陆水含盐量的文献中，也常可见到“盐度”这个术语，从上、下文中分析，有的指的是离子总量、有的作者指的是矿化度，并不是指海洋学上的盐度概念。盐度的单位：ppt (part per thousand g/L) 5、 其他作者与含盐量有密切关系的水质参数还有许多，比如海水的折光率、

5、海水的密度等都与海水含盐量有密切关系，因而市场上设计生产了海水光学盐度计，海水密度计（比重计）等，用它们间接反应天然水盐度的状况，只是准确度较差。（二） 含盐量对水产养殖的影响1、不同生物的耐盐性不同 天然水的含盐量相差悬殊。 水中一定的含盐量是保持生物体液一定渗透压的需要。2、生物的不同生长阶段的耐盐性不同 鲢鳙鱼苗的耐盐上限为 2.5g/L;而夏花鱼种为 3.0g/L。 草鱼仔鱼期耐盐上限为 6-8 g/L;成鱼为 10-12g/L。3、生物的耐盐性与其他环境因子有关 鲢鳙鱼对盐度的适应随着水的 pH 的增大而降低。 鱼的耐盐限度同盐分的组成有关。在含碳酸根、碳酸氢根和钾离子较多的水中，鱼

6、的耐盐性显著降低。许多耐盐性试验是低盐海水或淡水添加NaCl 进行，试验结果不能随意推广。二、天然水的密度1、 纯水的密度：纯水的密度是温度和压力的函数。纯水在 4时密度最大。纯水的密度如表，请参考 P202、 海水的密度：海水的密度是温度、压力和盐度的函数。海水密度参考 P21随着盐度的升高，海水达到最大密度时的温度降低。随着盐度的升高，海水冰点温度降低。三、天然水的化学分类法（一） 按含盐量的分类1、2、3、（二） 按主要离子成分的分类1、根据含量最多的阴离子将水分为三类：碳酸盐类、硫酸盐类、氯化物类按含量最多的阴离子将水分为三类。含量的多少是以单位电荷离子为基本单元的物质的量浓度进行比较

7、。2、在类下再根据含量最多的阳离子将水分为三组：钠组、镁组、钙组3、根据阴阳离子含量的比例关系将水分为四个型I 型水是弱矿化水，主要是在含大量 Na+和K+的火成岩地区形成。干旱半干旱地区的内陆湖，如果由I 型水特征很强的水所补给，有可能形成微咸水的苏打湖，甚至生产成天然碱的盐碱湖。II 型水为混合起源水，大多数低矿化（200mg/L 以下）和中矿化（200-500 mg/L)的河水、湖水和地下水属于这一类型。III 型水也是混合起源水，但一般具有很高的矿化度。通常是水中的 Na+交换出土壤和沉积岩中的Ca2+和 Mg2+。海水、受海水影响地区的天然水和许多具有高矿化度的地下水属于此类型。-I

8、V 型水不含 HCO3 。酸型沼泽水、硫化床矿水和火山水属此类型。第二节 天然水的依数性和透光性一、天然水的依数性（一） 蒸汽压和冰点依数性：稀溶液的一个重要特性是其依数性，即稀溶液蒸气压下降（P），沸点上升（Tb），冰点下降（Tf）值等与溶液中溶质的质量摩尔浓度成正比，而与溶质的本性无关。 但是，当水的含盐量比较大时，由于电离和正负离子间的作用，就不符合上述简单关系。 含盐量越大，水的蒸气压降低、沸点上升和冰点下降的量也越大。 1、 海水的冰点图参考 P22 两线的交点为最大密度的温度与冰点相同时的盐度（t=-1.35 摄氏度，S=24.9） 盐度小于此值的海水，密度最大时的温度比冰点高，在

9、冰下可以保持高于冰点温度的水层。2、 海水的蒸汽压海水的饱和蒸气压比纯水低，它与盐度的直线关系：温度与纯水的饱和蒸气压关系见表 1-4 P25。盐度对天然水的饱和蒸气压影响不大，盐度为 35 的海水，饱和蒸气压是纯水的 0.98 倍。（二） 海水的渗透压海水的渗透压与盐度的关系渗透压不容易测量，常采用冰点下降数值来换算，或直接用冰点下降值来反映渗透压大小。二、天然水的透光性（一） 水面对太阳辐射的反射光线在水中的反射、吸收与折射（P27 图 1-2）。反射率随太阳高度角的增大而降低。水面对大气层散射辐射的反射率，大约在 5%-10%。（二）水面对太阳光的吸收和散射1、通过水面进入水中的太阳辐射

10、，一部分被水及其中溶存的物质吸收，一部分被散射，一部分继续向深处穿透。被吸收的辐射能，大部分被转变成热，使水温升高。被散射的部分，变为朝各方向传播的辐射；向水深处传播的辐射，沿程仍不断被吸收和散射。2、太阳辐射中的红外线绝大部分被表层 100cm 的水层吸收。太阳辐射总能量的 27%可被1cm 水层吸收，64%被 1m 水层吸收。到 100m 深处的辐射能只有表层的 1.4 左右。3、在水域生态学中通常用来反映可见光在水中的衰减情况。kPa = 69.55S + 0.254t0 C SP0 = P0 (1- 0.000537S)WWt = -0.0137 - 0.05199S - 7.2251

11、0-5 S 2f o C 测定方法:采用专门的盘放在水中测定。盘是采用黑色与白色油漆涂成黑白相间的金属圆盘制成。圆盘中央栓一根有深度标记的软绳（不能拉伸）。测定时将圆盘沉入水中，在不受阳光直射条件下，刚刚看不见圆盘的深度，即为 注意事项：晴天的上午 9 点到下午 3 点。背着阳光。浑浊的黄河水只有 1-2cm；在清澈的水中，也可达到数米。、4、真光层：又叫营养生成层，光照充足，光合作用速率大于呼吸作用速率的水层。5、营养分解层：光照不足，光合作用速率小于呼吸作用速率的水层。6、补偿深度：有机物的分解速率等于合成速率的水层深度。大约位于度。的 2-2.5 倍深第三节 天然水的离子强度、活度和导电

12、性一、天然水的离子强度和离子的活度（一） 天然水的离子强度天然水中溶存着多种离子成分，使天然水成为一种强电解质溶液。在静电作用力的影响下，处于不停热运动状态的阴阳离子中，阳离子的周围阴离子出现的几率较大，阴离子周围阳离子出现的几率较大。这样对于每一个中心离子表观上被异号离子所包围，形成了离子氛。离子强度公式见 P29（二） 天然水中离子的活度和活度系数为了使计算结果与实验结果相符，必须对溶液中的离子浓度进行校正。校正后的浓度称为离子的有效浓度，又称离子活度（a）。所谓活度，作为一种数值，将它代替浓度代入从理想情况出发导出的有关热力学计算的基本公式时，其计算结果与实验数据相符。离子的活度 a 等

13、于其浓度乘以一校正系数，又称活度系数。采用的浓度单位有摩尔分数 x，质量摩尔浓度b 和物质的量浓度c。公式 1-34， 1-35，如何求单个离子的活度系数。1-36 1-37 1-38 离子活度系数的计算公式。见 P30表 1-5 1-6 1-7，活度系数表。二、天然水的导电性（一） 电解质摩尔电导纯水的导电性很小。天然水的导电能力主要是由水中溶解的电解质电离的离子贡献的。电导率 (specific conductance)：单位面积截面、单位长度的导体所具有的电导。单位S/m（西门子每米）电导率（ S/m）可理解为在相距 1m,面积为 1m2 的两平行电极之间充满电解质溶液时两电极间具有的电

14、导。电解质摩尔电导 （equivalent ionic conductance)：该电解质溶液的电导率除以该溶液的物质量浓度。B = kB/cB电解质的摩尔电导与测定溶液的浓度有关，浓度增大，正负离子相互影响也增大。（二） 天然水的电导率天然水的电导率与水中离子总量、离子的种类有关，也与温度和压力有关。但压力的影响比较小，只要不在深水中做现场测量，压力的影响可以不考虑。电导率：反应水体物理化学特性的一个重要指标，目前已可进行非常准确的测定。如今， 天然水的总含盐量以及海水的盐度多采用电导法。1、 内陆水的电导率主要阴阳离子摩尔电导关系 （P34）由于内陆水组成不恒定，含盐量与电导率无一定关系。

15、某些特点地区，水中主要离子组成相对恒定，可以用水的电导率反映含盐量的变化。2、海水的电导率海水的主要成分比例恒定，电导率与盐度关系精确。第四节 水的流转混合作用与水体的温度分布一、水的流转混合作用对于一般的湖泊池塘，引起水体流转混合的主要因素有两个方面，意识风力引起的蜗动混合， 一是因密度差引起的对流混合。（一）风力的涡动混合 水面开阔、深度浅的水体，较容易混合彻底。 如果上层水的密度比下层水的密度低，风力把下层密度大的水提到上层需要做功， 上下层密度差越大，水越深，风力混合所做的功也越大。P20 表 1-1（二）水的密度环流水的热胀冷缩和热缩冷胀。当表层水密度增大或底层水密度减少时，形成上下

16、水团的对流混合。 水库及开放性湖泊，由于注水和排水作用，会引起大范围的水体运动。二、水体的温度分布（一）湖泊四季典型温度分布春季全同温夏季正分层秋季全同温冬季逆分层1、冬季的逆分层期表层形成冰盖，冰盖下是接近冰点的水。水温随深度的增加而缓慢升高，到底层水温可以达到或小于密度最大时的温度。2、春季全同温层春季的全同温层是在盐度和风力共同作用下。而当水体的密度低于密度最大的温度时，密度流就足以维持水体的全同温。盐度高于 24.9 的海水，春季的同温需靠风力的作用。意义：对流混合可将上层丰富的 DO 带到下层，将下层富含营养盐的水带到上层，对湖泊的初级生产力及鱼的生长有利。3、夏季正分层期温跃层：上层垂直变化不大的较高温水层与下层垂直温度变化不大的较低温水层，两层中间的温度随深度增加而迅速降低的