水的性質(zhì)與分布課件

水文部分探討地球上水的性質(zhì)、分布、循環(huán)、運動變化規(guī)律及其與地理環(huán)境、人類社會之間相互關(guān)系

第一章

地球上水的性質(zhì)與分布地球上的水是指地球上水圈內(nèi)所有形式的水，如海洋水、河流水、湖泊水、沼澤水、冰川水、地下水、土壤水、生物水、大汽水等。在地理環(huán)境要素中，水是最活躍的因子，在其循環(huán)運動過程中，與大氣圈、巖石圈、生物圈之間，處于相互聯(lián)系、相互作用之中。使其水量與水質(zhì)不斷地發(fā)生變化。水又是寶貴的自然資源，是保證人類生活和發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)條件之一。第一節(jié)

地球上水的物理性質(zhì)一、水的形態(tài)及其轉(zhuǎn)化（一）水分子存在形式由于水分子具有極性，在自然界，水不完全是單水分子H2O，而更多的情況下是水分子的聚合體。水分子聚合體包括：單水分子（H2O）雙水分子（H2O）2三水分子（H2O）3（二）水的三態(tài)及其轉(zhuǎn)化

隨著水溫的變化，三態(tài)水分子的聚合體也在不斷的變化。1）隨著水溫的升高，水分子聚合體不斷地減少，而單水分子不斷地增多。2）隨著溫度的降低，水分子聚合體不斷增多，單水分子不斷減少。3）水溫在3.98℃時，結(jié)合緊密的二水分子最多，所以此時水的密度最大，比重為1。

不同水溫水分子聚合體的分布（%）分子式冰水0℃0℃4℃38℃98℃H2O019202936（H2O）24158595051（H2O）35923212113二、水的熱學性質(zhì)水變成水汽或冰融成水都要吸收熱量。相反，水汽凝結(jié)和水結(jié)成冰都要放出熱量，而且吸收或放出的熱量是相等的。這種吸收或放出的熱量稱為水的潛熱。水在0℃直接蒸發(fā)，其潛熱為2500J/g；在100℃時，汽化潛熱為2257J/g；冰在0℃時，融解潛熱為1401J/g；冰直接升華，潛熱為1401+2500=3901J/g。水的熱容量與潛熱特性，對整個地球上的熱量變化具有重要的調(diào)節(jié)作用，使冬季不致過冷，夏季不致過熱。

三、水溫（一）海水溫度1.海水熱量的收支海水的熱量收支收入支出1、太陽和天空的短波輻射1、海面輻射2、大氣長波輻射2、海水蒸發(fā)3、地殼內(nèi)熱3、洋流輸送4、凝結(jié)釋熱4、海水垂直交換5、洋流熱量輸送6、海水垂直交換7、化學、生物、放射性物質(zhì)放出的熱量

8、海水運動產(chǎn)生的熱量

2.海水溫度的分布1）海水溫度的水平分布三大洋表面年平均水溫約為17.4℃，其中太平洋最高，達19.1℃；印度洋17.0℃；大西洋16.9℃。三大洋表面年平均水溫的分布特點是：水溫從低緯向高緯遞減,在南北回歸線之間熱帶海區(qū)水溫最高；大洋東西兩側(cè)，水溫分布有明顯差異；在寒暖流交匯處等溫線特別密集，水溫水平梯度很大；夏季大洋表面水溫普遍高于冬季，而水溫的水平梯度則冬季大于夏季。北半球高于南半球：在南北緯0°—30°之間以印度洋水溫最高。在南北緯50°—60°之間大西洋水溫相差懸殊。2）水溫的垂直分布——從海面向海底呈不均勻遞減。在南北緯40°之間，海水垂直結(jié)構(gòu)可分兩層：表層暖水對流層：（一般深度達600—1000米）表層暖水對流層的最上一層（約0—100米）受氣候影響明顯，紊動混合強烈，對流旺盛，水溫垂直分布均勻，垂直梯度極小，故稱為表層擾動層。在此層下部與冷水之間形成一個溫躍層，水溫垂直梯度遞減率達最大值。深層冷水平流層。海水溫度年較差海區(qū)海水年較差（℃）北半球南半球赤道和熱帶不超過1-21-2，熱帶東部3-5熱帶西部7-124-6東部4.5-6溫帶西部14-174-5東部5-8寒帶（亞極地）海洋4-52-2.53.海水溫度的時間變化1）水溫的日變：水溫的日變很小，日較差不超過0.4℃，隨緯度的增加而減小2）水溫的年變：從赤道和熱帶海區(qū)向中緯增大，然后向高緯減小，大洋西側(cè)較東側(cè)變幅大，北半球較南半球大。4.海冰

含有鹽分的海水，其冰點和最大密度溫度都隨鹽度的增加而降低；

當海水的鹽度大于24.695×10-3時，冰點溫度高于最大密度溫度；而鹽度小于24.695×10-3時，冰點溫度低于最大密度溫度；只有鹽度在24.695×10-3時，海水的冰點溫度與最大密度溫度相同。（二）河水溫度影響因素：太陽輻射、氣溫、補給源等。河流水溫在空間分布上大體與氣溫一致。略高于當?shù)氐哪昶骄鶜鉁?，但差值不大，但在封凍期長、冬季氣溫低的地區(qū)，差值增大；河流水溫年變化主要受季節(jié)影響，春季河水熱量收入比支出大，因而河水溫度升高，最高水溫多出現(xiàn)在盛夏；秋冬河水熱量收入比支出小，溫度降低，最低水溫多出現(xiàn)在冬季氣溫最低的時候。一般在清晨，表面水溫低，愈向河底水溫愈高，成逆溫現(xiàn)象。在14時左右，表面水溫高，愈向河底水溫愈低，成正溫現(xiàn)象，河水溫度的日變幅較小。（三）湖泊、水庫水溫1.水溫的分布正溫層：上層水溫高，下層水溫低，但不低于4℃，逆溫層：出現(xiàn)上層水溫低，下層水溫高，但不高于4℃。2.湖水溫度的變化日變化：表層最明顯，隨溫度的增加日變幅逐漸減小，最高水溫一般出現(xiàn)在每天的14—18時，最低水溫出現(xiàn)在5—8時，水溫日變幅在陰天和晴天之間的差別也較大。年變化：與當?shù)貧鉁啬曜兿嗨?，但最高、最低水溫出現(xiàn)的時間要遲半個月到一個月左右。水溫月平均最高值多出現(xiàn)在7、8月，月平均最低值多出現(xiàn)在1、2月。

湖溫年較差比氣溫年較差小，大湖較小湖小。我國湖面水溫年變幅最大是太湖，最大值可達38℃。高山、高原區(qū)湖泊水溫年變幅最小。（四）地下水的水溫在日常溫層以上，水溫有明顯的晝夜變化；在年常溫層以上，水溫具有季節(jié)性變化。在年常溫層中，地下水溫度變化很少，一般不超過0.1℃。而在年常溫層以下，地下水溫則隨深度的增加而逐漸升高，其變化規(guī)律決定于一個地區(qū)的地熱增溫級。地熱增溫級是指在常溫層以下，溫度每升高1℃所需增加的深度，單位為m/℃。各處地熱增溫級不同，一般為33m/℃。在不同地區(qū)，地下水溫度差異很大。如在新火山地區(qū)，地下水溫可達100℃以上；而在寒帶、極地及高山、高原地區(qū)，地下水的溫度很低，有的可低至-5℃。地下水的溫度差異可分為如下幾類（表1-4）。地下水溫度分類（℃）類別非常冷水極冷水冷水溫水熱水極熱水沸騰水溫度<00-44-2020-3737-4242-100>100

地下水在一定地質(zhì)條件下，因受地球內(nèi)部熱能的影響而形成地下熱水。它通過一定的通道，例如，沿斷裂破碎帶、鉆孔等上涌，致使地熱增溫級大大提高，這種地區(qū)叫地熱異常區(qū)。具有良好的地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件的地熱異常區(qū)，有可能形成大量地下熱水或天然蒸汽的地熱田。地下熱水溫度分類相熱水類型熱水名稱溫度界限（℃）主要用途液相熱水低溫熱水20-40灌溉、浴療、洗滌中溫熱水40-60生活、取暖、鍋爐用水、調(diào)節(jié)灌溉水源高溫熱水60-100取暖、工業(yè)熱供水、鍋爐用水、發(fā)電液氣相過熱水低溫過熱水>100發(fā)電、動力高溫過熱水>374發(fā)電、動力四、水的密度（一）純水的密度純水密度與溫度的關(guān)系水溫（℃）-20-10（冰）0（水）03.9810（水）100密度（g/cm3)0.94030.91860.91670.99991.0000.99970.9584（二）海水密度

海水密度是指單位體積內(nèi)所含海水的質(zhì)量，其單位為g/cm3。

習慣上使用的密度是指海水的比重，即指在一個大氣壓力條件下，海水的密度與水溫3.98℃時蒸餾水密度之比。因此在數(shù)值上密度和比重是相等的。海水的密度狀況，是決定海流運動的最重要因子之一。海水的密度與溫度、鹽度和壓力的關(guān)系比較復雜，凡是影響海水溫度和鹽度變化的地理因素，都影響密度變化。密度分布規(guī)律：大洋表面密度隨緯度的增高而增大，等密度線大致與緯線平行。赤道地區(qū)由于溫度很高，鹽度較低，因而表面海水的密度很小。亞熱帶海區(qū)鹽度雖然很高，但那里的溫度也很高，所以密度仍然不大,極地海區(qū)由于溫度很低，所以密度最大。在垂直方向上，海水的結(jié)構(gòu)總是穩(wěn)定的，密度向下遞增。

五、水色與透明度（一）水色影響因素：水體的光學性質(zhì)、水中懸浮物質(zhì)及浮游生物的顏色、天空狀況、水體底質(zhì)的顏色。如海水水色多呈蔚藍色、綠色；水色常用水色計測定（二）透明度透明度是表示各種水體能見程度的一個量度。影響因素：水體的清濁程度、水面波動、天氣狀況、太陽光照等。透明度的測定：通常是把透明度板（白色圓盤直徑為30厘米）放到水中，從水面上方垂直用肉眼向下注視圓盤，測出直到看不見圓盤時為止的深度，單位以米表示。

水色和透明度，都反映了水體的光學特性。水面上光線越強，透入越深，透明度就越大；反之則小。水色越高透明度越大，水色越低透明度越小。大洋水色與透明度對照水色號1-22-55-99-1011-13水色藍青藍青綠綠黃透明度（m）26.723.216.215.55.0世界上透明度最大的海洋——馬尾藻海馬尾藻海（SargassoSea），是大西洋北部的一個海，因海面漂浮大量馬尾藻而得名。馬尾藻海是世界上唯一一個沒有海岸線的海，嚴格來說，它只是被幾條主要洋流圍出的一個特定的區(qū)域。墨西哥灣暖流在其西，北大西洋暖流在其北，加那利寒流在其東，北赤道暖流在其南，約長3200公里，寬1100公里。地理位置約在西經(jīng)40度至70度，北緯25度至35度。百慕大群島位于該海的西部。

第二節(jié)地球上水的化學性質(zhì)一、天然水的化學成分目前各種水體里已發(fā)現(xiàn)80多種元素。天然水中各種物質(zhì)按性質(zhì)通常分為三大類：懸浮物質(zhì)：膠體物質(zhì)：溶解物質(zhì)：

礦化度是天然水中各種元素的離子、分子與化合物的總量二、天然水的礦化過程(各種溶解質(zhì)在天然水中的累積和轉(zhuǎn)化)溶濾作用:

土壤和巖石中某些成分進入水中的過程稱溶濾作用。吸附性陽離子交替作用:

天然水中離子從溶液中轉(zhuǎn)移到膠體上,同時膠體上原來吸附的離子轉(zhuǎn)移到溶液中的陽離子交換過程。氧化作用:

天然水中的氧化作用，包括使圍巖的礦物氧化和使水中有機物氧化。還原作用:

在還原環(huán)境里，天然水若與含有機物的圍巖（油泥、石油等）接觸，或受到過量的有機物污染，碳氫化合物可以使水中的硫酸鹽還原。蒸發(fā)濃縮作用:

蒸發(fā)濃縮作用主要出現(xiàn)在干旱地區(qū)?；旌献饔?

雨水滲入補給地下水，地下水補給河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，濱海含水層的海水入侵等，都是天然水的混合，混合后礦化度和化學組成發(fā)生變化。

三、天然水的分類

按礦化度分類:天然水按礦化度分類（g/l）類型低礦化

（淡水）弱礦化

（微咸水）中度礦化

（咸水）強礦化

（鹽水）高礦化

（鹵水）礦化度<11-2424-3535-50>50按水的硬度分類:

水的硬度是指水中鈣、鎂離子的含量。含量越高，硬度越大。硬度單位通常采用“德國度”，“德國度”一度相當于一升水中含氧化鈣10毫克或氧化鎂7.2毫克。水的硬度表

鈣、鎂離子毫克當量數(shù)極軟水<1.5軟水1.5-3.0弱硬水3.0-6.0硬水6.0-9.0極硬水>9.0

四、水體的化學性質(zhì)（一）大氣水的化學組成及特性大氣降水含有多種離子及微生物和灰塵。1、降水中的物質(zhì)來源：海面上汽包崩解和浪花卷起的泡沫飛濺彌散在空中，水滴蒸發(fā)成極細的干鹽粒。風從地面吹起的揚塵；火山爆發(fā)噴入大氣的易溶物質(zhì)及塵埃；人類活動向大氣排放的廢氣和煙塵。2、大氣水的化學成分和性質(zhì)有以下特點：溶解氣體的含量近于飽和降水普遍顯酸性（二）海水的化學組成及特點1.海水的化學組成大量元素：氯、鈉、鎂、硫、鈣、鉀、溴、碳、鍶、硼、硅、氟等12種，其含量約占全部海水化學元素含量的99.8—99.9%。微量元素：其它元素在海洋中含量極少，都在1毫克/升以下。海水化學元素最大特點之一是上述12種主要離子濃度之間的比例幾乎不變，因此稱為海水組成的恒定性。

2.海水的鹽度海水鹽度是指單位質(zhì)量海水中所含溶解物質(zhì)的質(zhì)量。

海水中鹽類的來源對海水中鹽類的來源說法不一。一種說法是，海水中的鹽類是由河流帶來的。另一種說法是，由于海底火山活動使海洋中的氯化物和硫酸鹽增多。（三）河水化學成分的特點河水的礦化度普遍低,一般小于1克/升，平均只有0.15—0.35克/升。河水中各種離子的含量差異很大。河水化學組成的空間分布有差異性。河水化學組成的時間變化明顯。（四）湖水化學成分的特點1.湖水的礦化度有差異。按照礦化度，通常將湖泊分為淡水湖、微咸水湖、、咸水湖、鹽湖幾種類型。2.湖中生物作用強烈。營養(yǎng)元素（N、P）在湖水、生物體、底質(zhì)中循環(huán)，各地的淡水湖泊都有不同程度的富營養(yǎng)化的趨勢。3.湖水交替緩慢，深水湖有分層性，隨著水深的增加，溶解氧的含量降低，CO2的含量增加。（五）地下水的化學特征1.土壤和巖石圈各種元素及化合物都可能存在于地下水中。2.礦化度變化范圍大。3.地下水的化學成分的時間變化極為緩慢，常需以地質(zhì)年代衡量。4.地下水與大氣接觸有很大的局限性，僅限于距地表最近的含水層，此層可溶入氧氣成為地下水氧化作用帶。CO2的含量比較多。第三節(jié)地球上水的分布與水資源

水是地球上分布最廣泛的物質(zhì)之一。它以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形式存在于空中、地表與地下，成為大氣水、海水、陸地水，以及存在于所有動、植物有機體內(nèi)的生物水，組成了一個統(tǒng)一的相互聯(lián)系的水圈。水的類型分布面積（104km2）水量（104km3）水深(m）世界水儲量中的（%）占總儲量占淡水儲量海洋水36130133800370096.5

地下水1348023401741.7

其中地下淡水134801053780.7630.1土壤水82001.650.20.0010.05冰川和永久雪蓋1622.752406.4114631.7468.7永凍土底冰2.130.0140.2220.86淡水湖泊123.649.173.60.0070.26咸水湖泊82.238.54103.80.006

沼澤水268.261.1474.280.00080.03河床水14.880.2120.0140.00020.006生物水510000.1120.0020.00010.003大氣水510001.1290.0250.0010.04總量51000138598.4612718100

淡水儲量1480035029.21235(?)2.53100一、地球上水的分布二、水資源涵義與特性（一）水資源的涵義廣義水資源:世界上一切水體。狹義水資源：指在一定時期內(nèi)，能被人類直接或間接開發(fā)利用的那一部分動態(tài)水體，主要指河流、湖泊、地下水和土壤水等淡水，個別地方還包括微咸水。（二）水資源的特性水資源的循環(huán)再生性與其有限性：時空分布的不均勻性。利用的廣泛性和不可代替性。利與害的兩重性三、世界水資源包括南極冰川在內(nèi)，世界各大洲陸地年徑流總量為4.68萬，1971年全世界人口為36.4億，人均年徑流量為12900立方米；1982年世界人口增到45億，則人均占有徑流量減為10400立方米；1990年世界人均水資源占有徑流量下降為7800立方米，我國人均為2338立方米。大陸

徑流量占總徑流量的（%）(mm)(km3)歐洲30632107亞洲3321441031非洲151457010北美洲339820017南美洲6611176025澳洲4533481大洋洲161020404南極洲15623105總陸面31446800100表1-21主要國家人均徑流水量（1985）國家巴西加拿大美國印度尼西亞中國印度平均年徑流量（億m3）519123122029702281132711517800人口（萬人）119092409229801475010310069389人均水量（m3/人）43700129600129201900026322450目前世界上60％的地區(qū)面臨淡水不足的困境，40多個國家的水資源嚴重匱缺。根據(jù)聯(lián)合國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每天大約有11億人口得不到干凈的水，每天大約有6000名兒童死于不衛(wèi)生的水和不合格的衛(wèi)生條件所引起的疾病。隨著水污染造成的危害