第1章+地球上水的性质与分布

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：
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。
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。
1、水色 水体对光的选择吸收和散射源自用的结果，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
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。
§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
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：天然水中离子从溶液中在转移到 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
（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。
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。
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。
（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。
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