水的结构

c n u第一章 地球上水的性质与分布第一节地球上水的物理性质一、水的结构1．气态水的结构z以单水分子（H2O）、双水分子（[H2O]2）和三水分子（[H2O]3）存在。 z水分子具有极性结构。z单水分子（H2O）的键角是104o311，O-H键的键长是0.96?。2．固态水的结构（冰）z水分子通过氢键与另外四个水分子连结，具有较为完整的正四面体结构形态。z键角增为109o281，键长增为1.01?，故其密度较低。3．液态水的结构液态水的结构较复杂，目前广泛接受的是“闪动簇团”模型。把液态水看成以氢键结合的水分子的闪动簇团，在略为“自由”的水中游泳的一种液态体系，这些簇团的尺寸较小，且处于不断转化成“闪动”的状态，因而整个液体是均匀的，稳定流动的。液态水的结构既包含有水分子的缔合体（簇团），又包含着水分子的微粒，此二者在液态温度0—100℃的条件下共居共存，且处于连续的转化“闪动”中。 二、水的三态1．水的状态图2．水的三态与水温表1-1 不同水温下水分子聚合体的分布冰水分子式0℃0℃4℃ 38℃ 98℃H2O 0 19 20 29 36 [H2O]241 58 59 50 51 [H2O]359 23 21 21 13 特点：z随水温升高，水分子聚合体减少，单水分子增多，大于100℃呈气态时，水主要以单水分子组成。z随水温降低，水分子聚合体增多，单水分子减少，在0℃结冰时，单水分子为0，[H2O]3增多，使体积膨胀10%。z水温在3.98℃（一个大气压）时，结合紧密的[H2O]2最多，此时水的密度最大，1克/厘米3。

三、水的热学性质

1．热容量

2．潜热

z水是所有固体和液体中热容量较大的物质之一；

z水的三态转化要吸收或放出热量；

z冰的融解和水的蒸发，其潜热都较其它液体大，这与水分子的结构有

关。

四、水温

（一）海水的水温

1．海水的热量收支

z太阳辐射是海水最重要的热量来源c n u

z海面蒸发、海面辐射是海水最重要的热量消耗

z每年热量的收支平衡，海水年均温度几乎相同，但不同季节、不同海区

的热量收支并不平衡。

表1-2 海水的热量收支

收入支出

来自太阳和天空的短波辐射海面辐射放出的热量

来自大气的长波辐射

地壳内热通过海底传给海水的热量

化学、生物和放射性物质放出的热量

海面水气凝结时放出的热量海面蒸发时所消耗的热量

海水垂直交换中所得的热量海水垂直交换中消耗的热量

洋流带来的热量洋流带走的热量

海水运动产生的热量

2．海水温度的分布

（1）表层海水温度的分布总趋势

z低纬度海区水温高，高纬度海区水温低，呈带状等温线。

z海水温度有明显的季节变化和日变化。

z寒暖流交汇处，表面水温水平梯度大。

z同纬度海水，北半球表层海水温度大于南半球。

（2）海水水温的垂直变化

z海水温度随深度的变化，在热带、温带、寒带的海洋各有不同特点。

z在海水表层扰动层与深层冷水平流层存在温度跃层，即水温垂直梯度

递减率大。

z从海面向海底总体呈不均匀递减，寒带区略有增加。

3．海水温度的时变

c n u（1）水温的日变影响因素：太阳辐射、季节变化、天气状况、潮汐和地理位置等。变化特征：最高水温每天出现于14—16时，最低水温出现于4—6时。水温日变很小，日变深度不大。（2）水温的年变影响因素：太阳辐射、洋流性质、季风和海陆位置等。变化特征：中纬度海区海水年较差最大，低纬和高纬海区较小；同一热量带，大洋西侧较东侧变幅大，靠近海岸地区更大；北半球各纬度带的年较差大于南半球；水温年变深度较大，可达500米。4．海冰含有盐分的海水，其冰点和最大密度都随盐度的增加而降低，但降低的数值不同。当海水盐度<24.695×10-3时，冰点温度低于最大密度温度；当海水盐度>24.695×10-3时，冰点温度高于最大密度温度；只有相当深的海水充分冷却后才开始结冰，所以高盐度地区结冰是很困难的。（二）湖泊、水库的水温1．水温的垂直分布影响因素：z大气界面上增温与冷却作用；z湖泊、水库水内部的紊动、对流的混合作用，具体说是水深、风、水质、水源和人类活动。垂直分布特征：水温垂直梯度与热流通量成正比，与紊动扩散系数成反比。通常把水温的垂直分布分成四种形式：正温层：湖水温度随水深的增加而降低，上层水温高，下层水温低，但不低于4℃。低纬度区和中纬度区夏季属正温层。逆温层：湖水温度随水深的增加而增加，上层水温低，下层水温高，但不高于4℃。高纬度区和中纬度区冬季属逆温层。跃温层：湖泊出现正稳层时，在湖面以下一定深度常常形成水温急剧变化的一段，即温跃层。同温层：湖水温度上下层一致，主要见于温带区湖泊。2．湖水温度的日变日变以表层最明显，最高水温一般出现于14—18时，最低水温出现于5—8时。晴天日变大于阴天日变幅。3．湖水温度的年变除结冰期外，水温变化与当地气温年变相似，但最高最低水温出现的时间要迟半个月到一个月左右，且水温年较差比气温年较差小，大湖较小湖小。

（三）河水水温

1．河流水温的分布具有地带性规律；

2．河流水温受补给来源的影响；

高山冰雪融水补给的河流水温低

雨水补给的河流水温较高

地下水补给的河流水温变幅小

3．河流水稳在空间和时间上都有变化；

日变：清晨属逆温现象，14时左右为正温现象

年变：主要受季节影响，春季河水温度升高，到夏季达最大；秋季河水温度

降低，到冬季达最低。

4．河流水温在紊流情况下水温较均匀。

（四）地下水水温

1．特点：

c n u

年常温层以下，水温受气温影响，具有明显的昼夜变化和季节变化；

在年常温层中，地下水温度很少变化；

年常温层以下，地下水温度随深度增加而逐渐升高，其变化规律决定于该地

区的地温梯度。

地下水温度具有地区性。

2．分类：

表1-2 地下水温度分类（℃）

类别非常冷水极冷水冷水温水热水极热水沸腾水

温度<0 0—4 4—20 20—3737—4242—100 >100

3．地下水的化学特征

影响地下水水质因素

土壤、岩石成分、渗透性和地下水埋藏深度。

基本特征

土壤和岩石圈中的各种元素及化合物都可以存在于地下水中；

矿化度变化范围大，从淡水直到盐水；

地下水的化学成分的时变极为缓慢，常需以地质年代衡量；

地下水氧化作用带仅限于地表含水层。

五、水的密度

（一）纯水的密度

纯水最大密度为1，其温度条件为3.98℃（简称4℃）。

（二）海水的密度

1．海水的密度概念

海水密度：

单位体积内所含海水的质量。习惯上使用的密度是海水的比重，即一个大

气压下，海水密度与水温3.98℃时蒸馏水密度之比。

c n u现场密度： ρTSp在现场温度、盐度和压力条件下所测定的海水密度。 现场条件密度： σTSp10)1(3×?=ρσTSp TSp条件密度： σT10)1(300×?=ρσTS TS2．海水的状态方程海水状态方程在海洋学中常用的经验公式来表达，表示密度的公式有多个，这里仅介绍UNESCO高压海水状态方程，是20世纪70年代F. J. 米勒罗等人按新盐标计算实际盐度S，并提出的新的状态方程：)1(200p B Ap K p TS TSp++?=ρρK0为标准大气压下正割体积弹性模量，它的适用范围是：T = -2~40℃,p = 0~1000巴，盐度S = 0~42。3．海水密度的分布特点大洋表面密度特点大洋表面盐度随纬度的增高而增大，等密度线大致与纬线平行。赤道地区表面海水密度很小，亚热带海区密度仍然不大。极地海区密度最大。（注：南北纬60度海区密度最大。）大洋海水密度垂直变化特点密度向下递增。在南北纬20°之间100米左右水层内，密度最大，并且在50米以内垂直梯度很小，几乎没有变化；50—100米深度上密度垂直梯度最大，出现密度的突变层。它对声波有折射作用。在深层，密度几乎不随深度变化。六、水色、海色海色：由于天气、海底、海洋生物、悬浮物质给人直观的颜色。水色：是水体对光选择性吸收和散射作用的结果。水体对太阳光谱中长波红、橙、黄光容易吸收，而对蓝、绿、青光散射强烈，故海水水色多呈蔚蓝色和绿色。七、透明度透明度是表示水体能见程度的一个量度，也是各种水体浑浊程度的一个量度。常用直径30厘米的白色圆盘没入水中直到看不见为止。大西洋马尾藻海可达66.5米，德国科学家在南极威德尔海测的为79米，蒸馏水为80米。第二节地球上水的化学成分一、天然水的化学成分

c n u水的化学性质是由溶解和分散在天然水中的气体、离子、分子、胶体物质及悬浮团体成分、微生物和这些物质的含量决定的。天然水中各种物质按性质可分三大类：1．悬浮物质 无机悬浮物质为泥沙、粘土、微生物（包括细菌、藻类、大肠菌群） 2．胶体物质 主要为无机硅酸胶体（次生粘土矿物、各种含水氧化物）和有机胶体为腐殖酸。3．溶解物质 包括各种盐类、气体和某些有机化合物。离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+四种阳离子Cl-、HCO3-、SO42-、CO32-四种阴离子气体：主要为O2、CO2和N2 生物原生质：NO3-、NO2-、H2PO4-和HPO42-，此外还有BR、I、Mn等。二、天然水的矿化过程1．矿化度天然水中各种元素的离子、分子和化合物的总量（不包括溶解的气体），以克/升或毫克/升表示。矿化度是划分天然水的级别、评价水质优势的最重要的指标。 2．水的硬度硬度是指水中溶解的Ca、Mg离子总量。把水加热至沸腾，由于形成了CaCO3和MgCO3并从水中析出，使水失去一部分Ca2+和Mg2+，这部分Ca2+和Mg2+的数量称为暂时硬度。硬度与暂时硬度之差，称为永久硬度。3．矿化作用溶滤作用土壤和岩石中某些成分直接进入水中的过程。如氯化物、硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐和铝硅酸盐。吸附性阳离子交替作用天然水中离子从溶液中转移到胶体上（吸附过程），也可从胶体上原来吸附的离子转移到溶液中（解吸过程）来交换阳离子。胶体对各种阳离子的吸附能力，由大到小顺序为：H+ > Fe3+ > Al3+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+ > Li+氧化作用硫化物的氧化是地下水中富集硫酸盐的途径，如： FeS2 + O2 + H2O → FeSO4 + H2SO4CaCO3 + H2SO4→ CaSO4 + CO2↑ + H2O 还原作用还原环境里，天然水可以与含有机物围岩接触，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。

c n u如： CH4 + CaSO4→CaS + CO2 + H2O CaS + CO2 + H2O → CaSO4 + H2S 蒸发浓缩作用蒸发浓缩各种盐的沉淀顺序为Al、Fe、Mn的氢氧化物→ Ca、Mg碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐→ Na的硫酸盐→ Ca、Mg的氯化物→硝酸盐青海众多盐湖就富集了大量的KCl、NaCl 混合作用两种或两种以上的矿化度的水相遇。混合后的矿化度和化学成分都要发生变化。三、天然水的分类这里仅介绍按矿化度分类及按主要离子成分的比例分类1．矿化度分类表1—3 天然水按矿化度分类表（g/l）类型低矿化弱矿化中度矿化强矿化高矿化淡水微咸水咸水盐水卤水矿化度<1 1—24 24—35 35—50 >50 2．按主要离子成分比例分类地表水分类（采用阿列金分类）z按占优势的阴离子将天然水分为：重碳酸盐类（C）、硫酸盐类（S）和氯化物类（Cl）z对每一类天然水按占优势的阳离子将天然水进一步分为：钙质（Ca）、镁质（Mg）和钠质（Na）z在每一组内按各种离子摩尔的比例关系，分为四个水型：Ⅰ. [HCO3-] > [Ca2+ + Mg2+] 是低矿化淡水Ⅱ. [HCO3-] < [Ca2+ + Mg2+] < [HCO3- + SO42+] 是低矿化和中等矿化河、湖和地下水Ⅲ. [HCO3- + SO42+] < [Ca2+ + Mg2+]或[Cl-] > [Na+] 是高矿化的地下水、盐湖水和海水Ⅳ. [HCO3-]= 0 是酸性水。沼泽水、硫化矿床水和煤田矿坑水 z表示方法C表示重碳酸盐类、钙组、II型水Ca II地下水分类参见C. A. 舒卡列夫分类四、水体的化学性质

（一）大气水的化学组成及特征

大气水含有多种离子及微生物和灰尘，但是天然水中溶解物质最少的雨水矿

化度较低，一般为20—50毫克/升。

1．化学成分和性质

溶解气体的含量近于饱和

降水普遍显酸性

大气降水的PH值小于5.6，即为酸雨，是因空气中SO2、NO、NO2造成的。

2．降水中的物质来源

海面上气泡崩解弥散空中，水滴蒸发成极细干盐粒；

风从地面吹起的扬尘；

火山喷发喷入大气的易溶物质及尘埃

（二）海水的化学组成及特点

1．海水化学组成

c n u

海水中含量大于1毫克/千克的11种化学成分。包括：

Na+，Mg2+，Ca2+，K+和Sr+等5种阳离子；

Cl—，SO42—，HCO3—（CO32—），Br—，F—等5种阴离子；

硼酸分子

这些成分的总量占海水中所有溶解成分的99.9%以上。

海水化学成分之间的比例有“恒定性”；

海水主要溶解成分的来源是河川搬运入海的岩石风化产物和火山等的喷

发物；

2．海水的盐度

海水盐度

单位质量海水中所含溶解物质的质量。它是海水物理、化学性质的重要标志。

绝对盐度：海水中溶解物质的质量与海水质量之比，实际工作中不易测定。

实用盐度：温度为15℃，压强为一个标准大气压条件下的海水样品的电

导率，与质量为32.4356×10-3的标准氯化钾（KCl）溶液的电

导率的比值K15来定义的。K15精确地等于1时，海水样品的实

用盐度恰好等于15。

3．盐度的地理分布

盐度的影响因素

主要是蒸发和降水，是全球性的。

局部影响因素是寒暖流流经区，沿岸地区的淡水注入。

盐度的分布特点

两极附近，赤道区和受陆地径流影响的海区，盐度比较小。在SN20°的海

区，海水盐度则比较大，深层海水的盐度变化较小，主要受环流和湍流混

合等物理过程所控制。世界大洋的平均盐度为34.69×10-3。

盐度的时变特点

大洋中心区盐度的日变趋于零，年变也小；

c n u沿岸地区盐度的年变化大，主要受大陆影响，有的是气候影响，有的是河流影响。（三）河水的化学组成特点1．河水的矿化度普遍低，比湖水、地下水、海水低影响河水水质的主要因素是河水的补给来源、水文气候因素、流域内岩石、土壤、植被条件和人类活动等。2．河水中的各种离子含量差异很大HCO3—> SO42—> Cl—> NO3—Ca2+> Na+> Mg2+> K+按溶解的化学成分丰度：HCO3—、Ca2+、SO42—、Cl—、Na+、Mg2+、K+3．河水化学组成的空间分布有差异性离河源越远，河水的矿化度越大，同时Na+，Cl—增多，HCO3—减少。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。以雨水或冰雪融水补给为主的河流，在汛期河水量增大，矿化度明显降低。枯水季节以地下水补给为主，河水矿化度增大。（四）湖水的化学组成特点1．影响因素除天然水质相同的影响因素外（补给、气候、地质、土壤）外，还有湖泊本身的形态、大小和湖内的生物活动过程。这些因素对湖水水质，尤其是对湖泊的水温、溶解气体和生物原生质的影响很大。这是湖水水质区别于河水水质、地下水水质的主要特征。2．湖水的理化性质 水色和透明度类似海色的机理，但一般中小型湖泊湖心水色浅，透明度大。化学性质成分来源：降水、河川径流、地下水、湖盆岩石、土壤、湖中水生生物的新陈代谢产物。化学性质：含盐量、矿化度、硬度、酸碱度、溶解氧、阴阳离子浓度、氧化还原、生物营养元素、有机质含量。3．化学成分特点湖水的矿化度有差异淡水湖水中的主要离子是HCO3—和Ca2+咸水湖和盐湖中，因矿化度增高，Cl—和Na+相对含量增大。湖中生物作用影响强烈湖泊底部，由于有机物的分解，水中的生物原生质含量大，而表层湖水低。湖水交替缓慢，化学成分垂向分布不均一这是湖水水质区别于河水水质和地下水水质的最显著特征。随水深增加，会出现局部还原环境。

c n u湖水化学成分向单一方向发展以内陆湖为例，咭兰泰盐池主要为NaCl 原因分析：水循环过程单一，只是径流与蒸发过程汇水区域单一被溶物质进入湖泊成分单一第三节地球上水分布和水资源一、地球上水体类型和分布湖泊水沼泽水河流水地表水冰川和永久积雪水土壤水空隙水陆地水地下水永久冻土层的地下水海洋水大气水自然水体生物水二、水资源1．水资源的概念广义水资源地球表层可供人类利用的水，它包括水量、水质和水能三方面。天然水水质是水资源评价的重要内容。狭义水资源指在一定时期内，能被人类直接或间接开发利用的那部分水。具体包括：每年可以更新的降水量；江河径流量；浅层地下水淡水量。2．水资源的特征z水循环过程是无限的，但再生补给水量是有限的z水资源时空分布是不均匀z利用价值是广泛的和不可替代的按水资源利用方式可分为：耗用水量：生活用水、农业灌溉、工业生产用水等；借用水量：养鱼、航运、水力发电等。这种综合效益是其它任何自然资源无法替代的。z利害两重性

c n u z大陆冰盖、冰川和永久积雪是水圈中最大的淡水水体2．我国水资源水资源总量水资源总量是指一个地区当地降水形成的地表水和地下水的总和。我国多年平均水资源总量为28124亿立方米。水资源时空变化z地区分布很不均匀，总趋势是从东南沿海向西北内陆递减。z水资源多年变化、年际变化和季节变化大。水资源条件和问题z水资源总量不少，但人均、亩均水量较少，合理利用和保护水资源应作为我国长期坚持的国策。z水资源的地区分布很不均匀，与人口、耕地的分布不相适应，进行水量的地区调配是水资源开发利用的重要课题。z水量的年内、年际变化大，水旱灾害频繁，抗旱防洪涝始终是一项艰巨任务。z水土流失和泥沙淤积严重，破坏了生态平衡，增加了江河防洪困难，降低了水利工程效益。z地下水是我国重要的水资源，要合理开发利用，防止过量开采；z天然水质相当良好，但人为污染日趋严重，防止水质恶化，保护水资源已是当务之急。