第1章+地球上水的性质与分布

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(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。
第一章 地球上水的性质与分布
地球上水的物理性质 地球上水的化学性质(自学) 地球上水的分布与水资源 我国及世界的水资源
§2.1 地球上水的物理性质
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。
(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。
水是所有固体和流体中热容量最大的物 质之一,能吸收相当多的热量而不损害其 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。
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。
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Fra Baidu bibliotek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+2H2SO4 12FeSO4+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↑+2H2O 4、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↑+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、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。
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)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。
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
表1-4地下水温度分类(℃)
类型 非常冷水 极冷水
温度
<0
0-4
冷水 4-20
温水 20-37
热水 极热水 沸腾水 37-42 42-100 >100
四、水的密度
1、纯水的密度
表1-6 水的密度随温度变化
水温℃
密度 (g/cm3)
-20
-10
0(冰) 0(水) 3.98
10 100(水)
0.9403 0.9186 0.9167 0.9999 1.0000 0.9997 0.9584
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。
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。
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、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
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。
§2.3 地球上水的分布与水资源
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
(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。
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,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。
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。
固态水结构水分子有完整正四面体结构形态,键角增为109028’ 键距增至1.01埃。冰晶内在矛盾主要是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。
液态水结构理论模型大体分连体理论和混合理论,但其忽略液 态任意性特点,因此,提出“闪动簇团”模型。
水的三态
二、水的热学性质
1、海水的温度
a.海水热量的收支
b. 海水温度的分布
海水温度水平分布特征 海水温度垂直分布特征
C. 海水温度随时间的变化 水温的日变 水温的年变
d. 海冰 P13-14
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。
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。
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。
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
§2.2 地球上水的化学性质(自学)
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
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。
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:
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