1.1.水文学第一章

表1－4地下水温度分类(℃)
类型 温度
非常冷水 ＜0
极冷水 0-4
冷水 4-20
温水 20-37
热水 37-42
极热水 42-100
沸腾水 ＞100
四、水的密度
1、纯水的密度
水分子有三种结构形式：①四面体结构；②类石英晶体结构； ③最紧密的堆积结构。分子数相同时，第一种结构体积最大，第 三种结构体积最小。温度一旦增减，三种形式分布就要发生变化。 温度变化直接影响水的密度变化，见表1-6.
的热量而不损害其稳定性。0℃水直接蒸发潜热为2500J/g，100℃
汽化潜热为2257J/g, 0℃冰融解潜热为1404J/g,冰直接升华潜热为
1401＋2500＝3901J/g。
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。
1、海水的温度 热量收支、水平和垂直分布、时间变化（日、月、年）、海冰 （24.695*10-3、-1.332℃）。 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。
第1章 地球上水的性质与分布 （2学时）
• 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
§1.1 地球上水的物理性质
• 主要内容 • 水的形态及其物理性质 • 水的热力学性质 • 水温 • 水的密度 • 水色与透明度
一、水的形态及其转化
地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在，在常温下三相 可以相互转化。
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。
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。
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
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。
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↑+2H2O CaS+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、
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 通常分为三大类：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。
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，是天然水的矿化过程。
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。（Angstrom或ANG或A）因此，水具有极性结
构，以单分子、双分子、三分子聚合体形式存在。
2.水的三态及其转化
随着水温升高，聚合水分子减少，而单分子增多；水温降低，聚 合水分子增多，单水分子减少；水温3.98℃时，双分子最多，密度 最大，比重为1。
表1－6 水的密度随温度变化
水温℃
-20
密度(g/cm3) 0.9403
-10 0.9186
0(冰) 0.9167
0(水) 0.9999
3.98 1.0000
10 100(水) 0.9997 0.9584
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。海水的比
重即指在一个大气压力条件下，海水的密度与水温3.98℃时蒸馏
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。
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。
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。
k(s,t,p)=k(s,t,0) + Ap + Bp2
(1－4)
式中，A、B为系数。
在一个标准大气压（p=0）下的海水密度，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。
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。
水密度之比。因此在数值上密度和比重是相等的。海水的密度状
况，是决定海流运动的最重要因子之一。
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。
（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。
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。
（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。