第一章 地球上水的性质与分布课件.ppt

1、地球上水的物理性质地球上水的物理性质 v水的形态及其转化水的形态及其转化 v水的热学性质水的热学性质 v水温水温 v水的密度水的密度 v水色与透明度水色与透明度 水的形态及其转化水的形态及其转化 v水分子的结构 v水的三态及其转化 水分子的结构O水分子的极性结构水分子每个水分子的氧和氢原子之间互相吸引，2个氢原子的排斥作用水的三态及其转化 水的三态与水温 一个标准大气压下：0以下为固体 0100为液体 100以上为气体v随着水温的升高，水分子聚合体不断地减少，而单水分子不断地增多。v随着温度的降低，水分子聚合体不断增多，单水分子不断减少。v水温在3.98时，结合紧密的二水分子最多，所以此时水的

2、密度最大，比重为1。固态水（冰）的结构 按四面体排列的相邻水分子氢键为凝聚力的主要方面液态水结构的主要理论模型-“闪动簇团”模型v“闪动簇团”模型，是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，这些簇团的尺寸是比较小的，且处于不断地转化或“闪动”的状态。指这些小簇团本身是非常动荡的，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，因而整个液体是均匀的，并可保持在一种稳定的流通状态之中。液态水分子水的热学性质水的热学性质 v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

3、，而且吸收或放出的热量是相等的,这种吸收或放出的热量称为水的潜热。冰的融解和水的蒸发，其潜热均较其它液体为大，这与水分子结构有关。因为热量不仅用于克服分子力分子力，而且需要用于双水分子（H2O）2和三水分子（H2O）3聚合体的分解上。水的热容量与潜热特性，对整个地球上的热量变化具有重要的调节作用，使冬季不致过冷，夏季不致过热。水温水温 海水温度 河水温度 湖泊、水库水温 地下水的水温 海水温度v海水热量的收支 v海水温度的分布 v海水温度的时间变化 v海冰 海水热量的收支 收 入支 出1来自太阳和天空的短波辐射来自太阳和天空的短波辐射1海面辐射放出的热量海面辐射放出的热量2来自大气长波辐射来自

4、大气长波辐射2海水蒸发时所消耗的热量海水蒸发时所消耗的热量3地壳内热通过海底传给海水的热量3洋流带走的热量4海面水汽凝结时放出的热量4海水垂直交换中耗掉的热量5洋流带来的热量 6海水垂直交换中所得热量 7化学的、生物的和放射性物质放出的热量 8海水运动产生的热量 对海水温度分布对海水温度分布与变化影响与变化影响最为重要最为重要仅对局部海区温度变化影响较大海水温度的分布v三大洋表面年平均水温约为17.4，其中太平洋最高，达19.1；印度洋17.0；大西洋16.9。v三大洋表面年平均水温的分布特点是：北半球高于南半球，在南北纬030之间以印度洋水温最高，在南北纬5060之间大西洋水温相差悬殊。近远

5、海水温变化图近远海水温变化图水温的垂直分布 v大洋水温的垂直分布，从海面向海底呈不均匀递减的趋势。表层扰动层表层暖水对流层深层冷水平流层海水温度的时间变化水温的日变水温的日变 v影响水温日变的因素：太阳辐射、季节变化、天气状况（风、云）、潮汐和地理位置等 v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。水温的年变水温的年变影响因素影响因素：太阳辐射、洋流性质、季风和海陆位置 地理分布地理分布：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；南北两半球相比，北半球各纬度带的年较差大于南半球。较高海冰冰点温度、

6、最大密度温度与盐度关系v只有当水温降到冰点以下，海水达到某种程度的过冷以后，在有结晶核的条件下，海水才开始结冰。v海水结冰时，首先形成的是含纯水的冰晶，这些冰晶包围着未结冰的海水。冰晶析出后，剩下的盐分使未结冰的海水变浓，结果进一步降低了海水的冰点，这种海水就会下沉，并与下面海水发生混合。河水温度 v受到太阳辐射、气温等地带性因素的控制，因而水温和冰情的分布基本上体现了地带性规律。v河流水温还受补给来源的影响：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。卢沟桥下的河水：河流水温在空间上、时间上都有变化。冬季夏季v我国河流水温的年变幅一般都较大。这也是我国气

7、候大陆性较强，各地气温年变幅一般很大的反映。长江黄河河流中的水流是紊流，一般情况下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。湖泊、水库水温 v水温的分布 v湖水温度的变化 白洋淀水温的分布v水温垂直梯度方程 式中，Qz为深度z处单位时间通过1平方厘米水平面垂直紊动热流通量；C的水温垂直梯度如果，C=1，=1时，上式可记为：此式说明垂直梯度与热流通量成正比，垂直梯度与热流通量成正比，与紊动扩散系数成反比与紊动扩散系数成反比。西 湖v当湖水温度随水深的增加而降低时，即水温梯度成负值时，将出现上层水温高，下层水温低，但不低于4，这种水温的垂直分布，称为正正温层温

8、层（图（图110）v当湖温随水深的增加而升高时，即水温垂直梯度成正值时，将出现上层水温低，下层水温高，但不高于4。这种水温的垂直分布，称为逆逆温层温层（图（图110）v当湖温上下层一致，即水温垂直梯度等于零时，将出现上下层水温完全相同，这种水温的垂直分布，成同温状态同温状态。v当湖泊出现正温层时，在湖面以下一定深度常常形成温跃层温跃层，即上下层水温有急剧变化的一段。v地学辞典：http:/202.97.254.113:8080/RESOURCE/CZ/CZDL/DLBL/DLTS0008/4780_SR.HTM 湖水温度的变化 v水温的日变日变以表层最明显，随温度的增加日变幅逐渐减小，最高水温

9、一般出现在每天的1418时，最低水温出现在58时，水温日变幅在阴天和晴天之间的差别也较大，v湖面水温的年变年变，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。水温月平均最高值多出现在7、8月，月平均最低值多出现在1、2月地下水的水温 v地下水的埋藏深度不同，温度变化规律也不同。v在不同地区，地下水温度差异很大。v地下水在一定地质条件下，因受地球内部热能的影响而形成地下热水。这种地区叫地热异常区。水的密度水的密度 v纯水的密度 v海水密度 纯水的密度v水分子有三种结构形式：四面体结构；类石英晶体结构；最紧密的堆积结构。冰海水密度v海水密度是指单位体积内

10、所含海水的质量，其单位为g/cm3。v海水的密度状况，是决定海流运动的最重要因子之一。v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：(s,t,p)=(s,t,0)/1-10/k(s,t,p)(13)式中，为海水密度；k为海水正割体积弹性模量正割体积弹性模量。k(s,t,p)=k(s,t,0)+Ap+Bp2 (14)式中，A、B为系数。v在一个标准大气压（p=0）下的海水密度，称条件密度条件密度v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现场密度或当场密度度。海水密度分布规律v大洋表面密度随纬度的增高而增大，等密度线大致与纬

11、线平行。赤道地区由于温度很高，盐度较低，因而表面海水的密度很小，约1.02300。亚热带海区盐度虽然很高，但那里的温度也很高，所以密度仍然不大，一般在1.02400左右。极地海区由于温度很低，所以密度最大。在三大洋的南极海区，密度均很大，可达1.02700以上。水色与透明度水色与透明度 水色 v纯水是无色的。v自然界水体的水色，是由水体的光学性质以及水中悬浮物质、浮游生物的颜色所决定的。v因为水体对太阳光谱中的红、橙、黄光容易吸收，而对蓝、绿、青光散射最强，所以海水水色多呈蔚蓝色、绿色。v水色常用水色计测定。透明度 v通常是把透明度板透明度板（白色圆盘直径为30厘米）放到水中，从水面上方垂直用

12、肉眼向下注视圆盘，测出直到看不见圆盘时为止的深度，单位以米表示。这就是透明度。透明度还随水面波动、天气状况、太阳光照等外部条件的不同而异。v透明度是用萨氏盘萨氏盘（黑白间隔的盘）测定水深来间接表示光透入水面的深浅程度。其大小取决于水的浑浊度（指水中混有各种浮游生物和悬浮物所造成的浑浊程度）和色度（悬浮生物和溶解有机物造成的颜色）。（摘自九亿网农业试点）水色和透明度，都反映了水体的光学特性。水面上光线越强，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。瘦西湖地球上水的化学性质地球上水的化学性质 v天然水的化学成分天然水的化学成分 v天然水的矿化过程天然水的

13、矿化过程 v天然水的分类天然水的分类 v水体的化学性质水体的化学性质 天然水的化学成分天然水的化学成分v悬浮物质悬浮物质粒径大于100纳米（10-7米）的物质颗粒，在水中呈悬浮状态。v胶体物质胶体物质粒径为1001纳米的多分子聚合体，为水中的胶体物质 v溶解物质溶解物质粒径小于1纳米的物质，在水中成分子或离子的溶解状态，包括各种盐类、气体和某些有机化合物。天然水的矿化过程天然水的矿化过程 水的矿化度：水的矿化度：通常以1升水中含有各种盐分的总克数来表示(克/升)。溶滤作用v溶滤作用：土壤和岩石中某些成分进入水中的过程称溶滤作用。v按其溶解性能可分为两类：一类是按矿物成分的比例全部溶于水中，称全

14、等溶解矿物，例如，氯化物、硫酸盐、碳酸盐；一类是矿物中只有一部分元素进入水中，而原始矿物保持其结晶格架，这一类称不全等溶矿物，主要是硅酸盐和铝硅酸盐。吸附性v吸附性：阳离子交替作用天然水中离子从溶液离子从溶液中转移到胶体上中转移到胶体上，是吸附过程。同时胶体上原来吸附的离子，转移到溶液中是解吸过程。v其特征有：离子交换是可逆反应，处于动态平衡；离子交换以当量关系进行；离子交换遵守质量作用定律。v胶体吸附的饱和容量称为吸附容量。以100克胶体中吸附离子的摩尔数来表示。v胶体对各种阳离子的吸附能力不同，并有如下顺序：H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+K+NH 4+Na+Li+氧化作用v氧

15、化作用:天然水中的氧化作用，包括使围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。v硫化矿物的氧化是地下水中富集硫酸盐的重要途径。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO412FeSO4+3O2+6H2O=4Fe(SO4)3+2FeO33H2O游离的硫酸进而侵入围岩中的CaCO3。CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+2H2O还原作用v还原作用:在还原环境里，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+2H2OCaS+CO2+H2O=CaCO3+H2S蒸发浓缩作用 在蒸发浓缩过程中，各种盐类的

16、沉淀顺序为：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。在青藏高原有众多的盐湖，富集了大量的KCl、NaCl，有的富集了Br、I、B、Li、Sr等，形成可供开采的盐湖资源。混合作用 v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。v两种或几种矿化度不同，成分各异的天然水相遇，混合以后的矿化度和化学组成都要发生变化。天然水的分类天然水的分类 v按水化学成分分类 v按矿化度分类 v按主要离子成分比例分类按水化学成分分类v北京小汤山温泉水的化学分

17、析结果如下：式中，横线上下分别为阴、阳离子的摩尔百分数，按递减顺序排列，含量小于10的不予表示；横线前面M为矿化度，最前面为气体成分和特殊成分，均以克/升计；横线后面T为水温，还可以写出pH值等指标。各类成分的含量和特征值均标在化学式的右下角。利用库尔洛夫式表达天然水的基本化学性质小汤山温泉属于HCO3-Na、Ca型水表表1 1龙口剖面龙口剖面1993199319961996监测水样主要水化学指标数值范围监测水样主要水化学指标数值范围剖面侵染组段Cl-(mg/dm3)SO2-4(mg/dm3)HCO-3(mg/dm3)Br-(mg/dm3)Na+(mg/dm3)龙口剖面106.35253.47

18、9.61110.4791.53262.390.081.6054.50146.00255.40567.2049.23153.7061.02263.910.504.0088.00265.00641.641461.4380.45225.40106.78335.611.107.50158.00790.001636.027568.5855.231326.8388.48430.191.5025.00555.004550.00归纳分析各组段水样中主要离子所占毫克当量百分比情况及主要阴、阳离子的含量组合特征，概括出各侵染程度组段中代表性地下水化学类型：组段中为Cl.HCO3 Mg.Ca.Na型；组段中为HCO

19、3.ClCa.Na型；组段中是SO4.ClCa.Na型；组段中则为ClCa.Na型。（地理科学1999年 第19卷 第6期海（咸）水入侵与浅层地下水水化学特征及变化研究 赵建 ）按矿化度分类 v天然水的矿化度，综合反映了水被矿化的程度，主要离子的组成与矿化度大小存在着密切关系。根据矿化度大小，可将天然水分为五类，见表1-8。按主要离子成分比例分类 v地表水分类 v地下水化学分类 地表水分类v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）。v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。v然后，在每一组内又按各种离

20、子摩尔的比例关系，分为四个水型：型：HCO3-Ca2+Mg2+。型水是低矿化水，系由火成岩溶滤或离子交换作用形成的。型：HCO3-Ca2+Mg2+HCO3-+SO42-）。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。型：HCO3-+SO42-Ca2+Mg2+或Cl-Na+。型水包括高矿化度的地下水、湖水和海水。型：HCO3-=0。型水是酸性水，pH4.5时，水中游离的CO2和H2CO3、CO3-的浓度为零。例如，沼泽水、硫化矿床水和煤田矿坑水天然水化学分类表天然水化学分类表地下水化学分类 vC.A.舒卡列夫的分类方法,这个分类法既考

21、虑了各主要离子成分的摩尔百分数，又考虑了水的矿化度。水体的化学性质水体的化学性质 v大气水的化学组成及特性 v海水的化学组成及特点 v河水化学成分的特点 v湖水化学成分的特点 v地下水的化学特征 大气水的化学组成及特性大气水的化学组成及特性v大气降水含有多种离子（表1-11、1-12）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2050毫克/升，在海滨有时超过100毫克/升。v大气水的化学成分和性质有以下特点：1.溶解气体的含量近于饱和水汽蒸发上升及雨滴在凝结降落过程中与空气充分接触，在一定温度、压力条件下，O2、N2、CO2 在降水中都近于饱和。2.降水普遍显酸性空气

22、中CO2的含量为0.03，当雨雪中饱和的CO2达到电离平衡时，其pH值为5.6，故显酸性。降水中的物质来源：降水中的物质来源：海面上汽包崩解和浪花卷起的泡沫飞溅弥散在空中，水滴蒸发成极细的干盐粒。每年从海面溅入大气的盐分估计有1010吨；风从地面吹起的扬尘；火山爆发喷入大气的易溶物质及尘埃；人类活动向大气排放的废气和烟尘。海水的化学组成及特点 v海水的化学组成海水的化学组成：海水中主要化学元素是氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、硅、氟等12种，其含量约占全部海水化学元素含量的99.899.9，因此被称为海水的大量元素海水的大量元素。其它元素在海洋中含量极少，都在1毫克/升以下，称为海水的

23、微量元素海水的微量元素。v海水化学元素最大特点特点之一是上述12种主要离子浓度之间的比例几乎不变，因此称为海水组海水组成的恒定性成的恒定性。v海水的盐度海水的盐度：单位质量海水中所含溶解物质的质量，叫海水盐度。v绝对盐度（SA）：海水中溶解物质的质量与海水质量的比值。v实用盐度（S）：vK15为在温度为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 32.435610-3的标准氯化钾（KCl）溶液的电导率的比值。v绝对盐度和实用盐度呈线性关系，即SA=a+b S。参数a、b依赖于海水的离子组成。影响海水盐度的因素上述各种过程在不同的海区内所起的作用是不同的。v世界大洋的平均盐度是3

24、4.6910-3。绝大部分海域表面盐度变化在333710-3之间。海洋表面盐度分布的总趋势是从亚热带海区向高、低纬递减，并形成鞍形（图1-13、1-14）。河水化学成分的特点v河水的矿化度普遍低 v河水中各种离子的含量差异很大 v河水化学组成的空间分布空间分布差异性大 v河水化学组成的时间变化明显 湖水化学成分的特点 v湖水的矿化度有差异 v湖中生物作用强烈 v湖水交替缓慢 地下水的化学特征 v地下水充填于岩石、土壤空隙中使得土壤和岩石圈各种元素及化合物都可能存在于地下水中。v矿化度变化范围大，从淡水直到盐水。v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。v地下水与大气接触有很大的

25、局限性，仅限于距地表最近的含水层。而地下水中CO2的含量比较多。地球上水的分布与水资源地球上水的分布与水资源 v地球上水的分布地球上水的分布 v水资源涵义与特性水资源涵义与特性 v世界水资源世界水资源 v我国水资源我国水资源 地球上水的分布地球上水的分布v地球总面积为5.1亿平方公里。v其中海洋面积为3.613亿平方公里（表1-19），约占地球总面积的70.8。海洋的总水量为13.38亿立方公里，占地球总水量的96.5，折合成水深可达3700米。v除海洋外，还有湖泊、河流、沼泽、冰川等。v地表约四分之三被水所覆盖。96.5396.53%1.74%1.74%0.03%0.03%0.76%0.76

26、%海洋水海洋水湖泊咸水和地下咸水湖泊咸水和地下咸水淡水淡水 冰川冰川地下淡水地下淡水其他淡水其他淡水0.94%0.94%2.53%2.53%永冻土底冰永冻土底冰湖泊淡水湖泊淡水土壤水土壤水大气水大气水沼泽水沼泽水河水河水生物水生物水各种水体所占比例各种水体所占比例v地表之下储存于地壳约10公里范围含水层中的重力水，称为地下水。v土壤水是指储存于地表最上部约2米厚土层内的水。v地球上的水，水平分布面积很广，垂直分布存在于大气圈、生物圈、岩石圈之中，其水量非常丰富，约为13.86亿立方公里，所以地球有“水的行星”之称。水资源涵义与特性水资源涵义与特性 v水资源的涵义v广义水资源世界上一切水体，包括

27、海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、土壤水、地下水及大气中的水分，都是人类宝贵的财富，即水资源。v狭义水资源狭义的水资源不同于自然界的水体，它仅仅指在一定时期内，能被人类直接或间接开发利用的那一部分动态水体。水资源的特性:v水资源的循环再生性v时空分布的不均匀性 v利用的广泛性和不可代替性 v利与害的两重性 世界水资源世界水资源 v水资源是指全球水量中可为人类生存、发展所利用的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量。v水资源在不同地区、不同年份和不同季节的分配是极不均衡的。v世界各国通常采用多年平均径流量来表示水资源量。我国水资源我国水资源 v水资源总量水资源总量 一个区域水资源总量，为当地降

28、水形成的地表水和地下水的总和，扣除相互转化的重复计算量 v 我国水资源特征 我国是一个水资源匮乏的国家之一，水资源总量虽然不少，但人均、亩均水资源量少。水资源时域变化大，地域分布很不均匀。地表水资源量2.711012 m3水资源总量2.811012 m3地下水资源量0.831012 m3水资源重复量0.731012 m3西北华北占10%长江以南占75%其它地区占15%西北华北占20%长江以南占60%其它地区占20%降水总量6.191012 m3水汽净输入量2.401012 m3陆地蒸发量3.791012 m3v水资源时空变化水资源时空变化 1.地区分布地区分布:因受海陆位置、水汽来源、地形条件

29、等因素影响，我国水资源的地区分布很不均匀，总趋势是由东南沿海向西北内陆递减。全国大致可划分为全国大致可划分为5 5个降水地带：个降水地带：v多雨-丰水带 v湿润-多水带 v半湿润-过渡带 v半干旱-少水带 v干旱-干涸带 2.多年变化多年变化 v丰枯变化规律丰枯变化规律：有比较明显的6080年长周期 有比较明显的3040年短周期 没有明显的周期性变化规律 v极值比：极值比：系列中最大值与最小值的倍比值，称为极值极值比比（Km），可以作为反映降水、径流年际变幅的指标.。3.季节变化季节变化 全国降水量以夏季为最多，冬季很少，春季和秋季介于冬、夏之间。春雨和秋雨各地不同，多气旋过境地方春雨较多，多

30、台风过境的地方秋雨较多。1.岭以南主要为雨水补给区 2.东北地区、华北部分地区、黄河上游和西北一些河流，为雨水和冰雪融水补给区 3.西北内陆地区的祁连山、天山、阿尔泰山、昆仑山以及青藏高原部分河流，主要由高山冰雪融水补给 按照河流补给情况，全国大致可分为三区：水资源条件和问题1、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。2、水资源的地区分布很不均匀，与人口、耕地的分布不相适应，进行水量的地地区调配区调配是水资源开发利用的重要课题。3、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我国位于东亚季风区，降水和径流的年内分配很不均匀，年际变化大，少水年和多水年持续出现。4、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。5、地下水是我国重要水资源，要合理开发利用，防止过量开采。6、天然水质相当良好，但人为污染日趋严重，防止水质恶化，保护水源已是当务之急。措施之一跨流域调水跨流域调水 修建水库修建水库缺水的现状缺水的现状草原草原缺水的草原缺水的草原水土流失防治水污染水污染赤潮赤潮