水文学第一章地球上水的性质与分布

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◇ 连体理论和混合体理论 液态水结构的理论模型，大体上可分为两大类，即 连体理论和混合体理论。二者都以液态水如何偏离 固态水结构这一前提为出发点。但二者都不同程度 地忽略了液态物质结构上有很大任意性的特点。
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◇ “闪动簇团”模型
液态水是一个极度复杂的凝聚相体系，既包含水分 子的缔合体即簇团，又包含水分子的微粒，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”之中。
2. 固态水（冰）的结构
冰晶中，氧原子和氢原子的排列很有规则，每个 氧原子按四面体取向通过氢键与另外四个氧原子 连结，从而形成六方晶系的冰，而冰晶中水分子 则具有比较完整的正四面体结构形态。
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3. 液态水结构的主要理论模型
当温度升高至 0℃ 以上时，原来与吸引因素共居于 冰晶统一体中的微不足道的排斥因素，即氢原子振 动和水分子的热运动，便从劣势转为优势，运动的 结果使氢键部分断裂。于是，冰晶的有规则的固体 结构崩溃，并熔化为液态水。
• 水温日变深度，一般可达10—20 米，最大深度可达
60—70 米。
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2）水温的年变
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为：
• 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；
• 北半球各纬度带年较差大于南半球。
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3. 海水温度的时间变化
1）水温的日变
• 影响水温日变的因素有：太阳辐射、季节变化、天 气状况、潮汐和地理位置等。
• 大洋表面水温日变一般很小，日较差不超过0.4℃。 • 水温的日变随纬度的增加而减小。
• 靠近大陆浅海区日较差可达3—4℃以上
• 最高、最低水温出现的时间各地不同，但最高水温 出现在14—16 时，最低水温则出现在4—6 时。
2）随着温度降低，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， 而强力缔合结构的三水分子增多，因三水分子结构 特性，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％。
3）水温在3.98℃时，结合紧密的二水分子最多，此时 水的密度最大，比重为1。
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• 河流水温年变化主要受季节影响，春季河水 热量收入比支出大，因而河水温度升高，最 高水温多出现在盛夏；秋冬河水热量收入比 支出小，温度降低，最低水温多出现在冬季 气温最低的时候。
• 不同地理位置水温的年变幅不同。
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◇ 河流水温的垂直变化 • 河流中的水流是紊流，一般情况下垂直方向上水 温比较均匀。 • 特别大而平静的河流，河水很难彻底混合，垂线 上水温的分布具有成层特性。
水温年变深度，一般可达100—150 米，最大深度可 达500 米左右。
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◇ 海水温度年较差
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4. 海冰
淡水的冰点为 0℃ ，最大密 度的温度是 3.98℃；而海水 的冰点和ห้องสมุดไป่ตู้大密度的温度都 随盐度的增大而降低，但冰 点降低比较和缓。
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◇ 海水结冰比淡水更难
通常大洋表面盐度均大于24.695‰，因此冰点更低。当海面水 温达到冰点时，因密度增大形成对流，所以难于结冰。只有相 当深的一层海水充分冷却后才开始结冰。海水结冰时，就要不 断的析出盐分，使表层海水盐度增加，密度增大，因而表层水 继续下沉，加强了海水的对流，结冰就更困难、更缓慢。 20
0℃蒸发，潜热为2500J/g； 100℃时，汽化潜热为2257J/g ； 冰在0 ℃ 时， 融解潜热为1401J/g ； 冰直接升华潜热为1401+2500=3901J/g。
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三、水温 （一）海水温度 1. 海水热量的收支
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三、水温 （一）海水温度 1. 海水热量的收支
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2. 海水温度的分布 1）海水温度的水平分布
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◇ 三大洋表面年平均水温的分布特点 •北半球高于南半球； •南北纬0º—30º之间以印度洋水温最高； •南北纬50º—60º之间大西洋水温相差悬殊。
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◇ 世界大洋表面水温分布的总趋势
•水温从低纬向高纬递减； •南北回归线之间的热带海区水温最高； •大洋东西两侧，水温分布有明显差异； •寒暖流交汇处水温水平梯度很大； •夏季大洋表面水温普遍高于冬季，梯度则冬大于夏。
水分子(H2O)2、三水分子(H2O)3。
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（二）水的三态及其转化 1.水的三态与水温 随着水温的变化，三态水分子的聚合体也在不 断的变化。
不同水温水分子聚合体的分布（％）
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◇ 三态变化与水温的关系
1）随着水温升高，水分子聚合体不断减少，单水分子 不断地增多。温度高于 100℃呈气态时，水主要由 单水分子组成。
HYDROLOGY
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第一节 地球上水的物理性质
一、水的形态及其转化
（一）水分子的结构
氧原子对电子的吸引力比氢原 子大得多，水分子内部的电子 比较靠近氧原子，氧原子一端 形成负极；相反氢原子一侧形 成正极。从而使水分子具有极 性结构。
自然界，水不完全是单水分子H2O，而更多的情况下是水
分子的聚合体。水分子聚合体包括：单水分子(H2O)、双
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2）水温的垂直分布
大洋水温的垂直分布，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，即表层暖水对流层和深层 冷水平流层。表层暖水对流层的 最上一层受气候影响明显，紊动 混合强烈，对流旺盛，水温垂直 分布均匀，垂直梯度极小，称为 表层扰动层。此层下部与冷水之 间形成一个温跃层，水温垂直梯 度递减率达最大值。
（二）河水温度 ◇ 影响河水温度的因素 •太阳辐射 •气温 •补给来源
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◇ 河流水温的空间变化
• 一般河流水温的地区分布形势，大体与气温一致； • 河流年平均水温都略高于当地的年平均气温，但差
值不大，一般只有 1－2℃，但在封冻期很长、冬季 气温很低的地区，差值增大。
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◇ 河流水温的时间变化
所谓“闪动”，是说簇团本身非常动荡，意即这里 的氢键缔合解开了，而另一处缔合又立即完成，簇 团与非簇团的水分子之间，也是处在连续地相互渗 透、相互转化之中。
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二、水的热学性质
水变成水汽或冰融成水都要吸收热量。相反，水汽 凝结和水结成冰都要放出热量，而且吸收或放出的 热量相等。这种吸收或放出的热量称为水的潜热。