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1、第一章 地球上水的性质和分布 1 课程内容 1.1 水的物理性质 1.2 水的化学性质 1.3 地球上水的分布与水资源 2 本章重点：水资源涵义 我国水资源分布 本章难点：水体的化学性质 1.1 水的物理性质 极性分子结构及相应物理性质（极性溶剂、 表面张力、毛细现象等） 三态转化及热学性质 密度 水色与透明度 3 1.1 水的物理性质 o 共价电子对向氧偏移 o 水分子的极性形成聚合体 o 与其他物质的原子因电荷的吸引而相互接合，使水 有很强的溶解能力，水是一种极性溶剂。 o 溶剂:极性溶剂、非极性溶剂 o 极性溶剂能够溶解离子化合物以及能离解的共价化 合物，而非极性溶剂则只能够溶解非极性的
2、共价化 合物。比如，食盐，是一种离子化合物，它能在水 中溶解，却不能在乙醇中溶解。 4 1.1.1水分子极性结构 1.1 水的物理性质 o 较强的表面张力 5 水表面的水分子由于上层空间气相分子对它的吸引力小于 内部液相分子对它的吸引力，产生垂直指向液体内部的合 力，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力 称为表面张力。 如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。 如果液面 是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。 1.1.1水分子极性结构 视频资料：水的表面张力 6 1.1 水的物理性质 o 毛细现象 7 1.1.1水分子极性结构 1.1 水的物理性质 9 10 0 10132 5 1.
3、1.2三态转化及热学性质 1.1水的物理性质 o 大热容量：所有固体和液体中热容量最大的物质 o 潜热：水在固、液、汽三态转化中吸收或放出的热 量。 o 显热：物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低 而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量。 o 水的大热容量和潜热性质对调节地球上的热量变化 具有重要作用:使冬季不致过冷，夏季不致过热； 低纬度地区不至过热，高纬度地区不至过冷。 o 水温特征：海水、河水、湖泊、水库、地下水 10 1.1.2三态转化及热学性质 海水温度分布 三大洋表面年平均水温约为17.4 o 太平洋19.1；印度洋17.0；大西洋16.9。 大洋表面水温分布的总体趋势 o 水温
4、从低纬向高纬递减； o 在南北回归线之间的热带海区水温最高； o 大洋东西两侧，水温分布有明显差异； o 在寒暖流交汇处等温线特别密集，水温水平梯 度很大； o 夏季大洋表面水温普遍高于冬季，而水温的水 平梯度则冬季大于夏季。 11 太阳辐射 洋流 大洋水温的垂直分布 暖水对流层 冷水平流层 扰动层 温跃层 12 海水的冰点和最大密度温度 淡水结冰时的水温是0，最大密度温度是3.98 含有盐分的海水，其冰点和最大密度温度都随盐 度的增加而降低 13 河水的温度 影响因素 o 太阳辐射、气温 o 补给来源 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。 河
5、流水温大体与气温一致。 o 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12 14 湖水、水库的温度 影响因素 o 水气界面上增温与冷却作用 o 湖泊、水库水内部紊动、对流的混合作用。 湖水水温的变化 o 日变化：最高水温一般出现在每天的1418时 ，最低水温出现在58时 o 月变化：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。 15 湖水中的逆温层 呈逆温分布的湖水， 稳定性较差， 容易引起涡动和混合。 16 地下水的水温 近地表 o 地下水的水温受气温的影响，具有周期性变化 年常温层 o 地下水温度变化很少，一般不超过0.1。 年常温层以下 o 地下
6、水温则随深度的增加而逐渐升高，各处地 热增温级不同，一般为33m/。 o 地热水 17 1.1 水的物理性质 水的密度 o 3.98时纯水密度为1 水色与透明度 o 水色是水体对光的选择吸收和散射作用的结果。 o 水体对太阳光谱中红、橙、黄吸收能力强，对 蓝、绿、青光散射强，所以海水多呈蔚蓝色、 绿色。 o 水体受污染后可使水色发生变化。如印染废水 污染往往使水色变红，炼油废水污染可使水色 黑褐。 18 1.1 水的物理性质 极性分子结构及相应物理性质（溶解性、 表面张力、毛细现象等） 三态转化及热学性质（潜热） 密度 水色与透明度 19 1.2 水的化学性质 水 水量 水质 物理：浑浊度 生
7、物：细菌 化学： 20 1.2 水的化学性质 天然水中各种物质的分类： o 悬浮物质：粒径大于100纳米颗粒 o 胶体物质：粒径为100-1纳米颗粒 o 溶解物质：粒径小于1纳米颗粒：盐类、气体、有机物 天然水的八大离子，其含量占总溶解质的9599 以上： o K+,Na+,Ca2+Mg2+ o HCO3-,CO32-,Cl-和SO42- o 水中溶解的各类有机物或无机物的总量：TDS（总溶解 固体，矿化度) Total Dissolved Solid mg/L g/L 21 在105110温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位：g/L，mg/L 1.2.1天然水的化学成分 1.2 水的化学性
8、质 溶滤作用 吸附性阳离子交替（交换）作用 氧化作用 还原作用 蒸发浓缩作用 混合作用 22 1.2.2天然水的矿化过程 溶滤作用 溶滤 o 土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。当地 表水或地下水流经土壤或岩石时，在与其密切 接触过程中，不断地溶解不断地溶解其中常含有的易溶盐 类，从而提高了矿化度。 o 溶解 o 影响因素：岩石矿物成分；水流速度；水中气 体含量；水流路径 动态 静态 23 一个地区溶滤作用越强烈，溶滤时间越长，地下 水中的矿化度越小，越是以难溶成分为主。 吸附性阳离子交替（交换）作用 吸附：天然水中离子从溶液中转移到胶体 解吸：胶体上原来吸附的离子转移到溶液 阳离子交换：胶体
9、吸附离子与水中离子的 交换 Na+（胶体）+Ca2+（水） Na+（水）+Ca2+（胶体） 离子交换是可逆反应可逆反应，动态平衡 o 离子交换以当量关系当量关系进行 o 离子交换遵守质量作用定律质量作用定律 降低水的硬度 24 吸附性阳离子交替作用 o 胶体胶体对各种阳离子的吸附能力：离子价越高， 离子半径越大，吸附能力越强。（H+除外） 毫克当量(mEq) mEqmEqmmolmmol原子价原子价 1mg氢，23mg钠，39mg钾，20mg钙和35mg氯都是1mEq。 当量浓度：当量浓度：mEqmEq/L=/L=mmolmmol/L/L原子价原子价 25 氧化作用 使围岩的矿物氧化和使水中矿
10、物、有机物 氧化 o 硫化矿物的氧化 o 地下水中富集硫酸盐的重要途径 o 有机物氧化：减少水中溶解氧 26 黄铁矿的氧化 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。 脱硫酸作用 27 蒸发浓缩作用 蒸发浓缩作用： o 在干旱地区，内陆湖和地下水正在经历的盐化 作用。 o 先沉淀难溶物质，后沉淀易溶物质。 o 在蒸发浓缩过程中，各种盐类的沉淀顺序为 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 硝酸盐。 o 土地盐碱化；盐湖 2
11、8 混合作用 混合作用 o 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。 o 如果混合过程中没有发生沉淀和吸附阳离子交 换作用，那么混合前后水的矿化度之间呈线性 关系。 29 1.2 水的化学性质 溶滤作用 吸附性阳离子交替（交换）作用 氧化作用 还原作用 蒸发浓缩作用 混合作用 30 1.2.2天然水的矿化过程 1.2 水的化学性质 库尔洛夫式 按矿化度分类 地表水：阿列金水化学分类系统 地下水：舒卡列夫分类 31 1.2.3天然水的分类 1.2.3天然水的分类 按矿化度分类 o 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
12、小存在着密切关系。 根据矿化度大小，可将天然水分为五类 33 1.2.3天然水的分类 o 舒卡列夫的分类方法 o 以地下水中最常见的6种离子，即HCO-3、SO2-4、 Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+为基础，以毫克当量的 百分数超过25的离子进行组合，可以有49个 编号的化学类型； o 在实际应用中，很少应用其编号，而只使用类 型的命名，即根据含量相当于氢离子摩尔的百 分数超过25的离子，按先阴离子后阳离子， 由含量高到低的顺序依次排列，组成水的化学 类型，如HCO3SO4-NaMg型水、HCO3-NaCa 型水等。 36 舒卡列夫分类当量比例计算 项目项目Cl-SO42- HCO3 -
13、Ca2+Mg2+Na+ mg/l132.8291.1253.299.832.1145.8 mmol/l3.753.034.152.491.326.34 毫克当 量/升 3.756.064.154.982.646.34 毫克当 量 % 26.943.429.735.718.945.4 按舒卡列夫法分类为SCCl-NaCa型水 （序号：18） 37 各水体的化学组成及特点 降水 o 矿化度最低。呈弱酸性，对于各种可溶性盐类 远未饱和。 o 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。大气降水的pH值小于5.6即 为酸雨。 o 降水中的物质来源（凝结核）：海面泡沫飞 溅，水滴蒸
14、发成极细的干盐粒；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。 38 1.2.4 各水体的化学组成及特点 海水 o 海水组成的恒定性：主要元素12种，氯、钠、镁、 硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、硅、氟，含量占全部 海水化学元素的99.899.9%，其比例几乎不变。 o 海水的盐度：单位质量海水中所含溶解物质的质量。 o 绝对盐度：海水中溶解物质的质量与海水质量的比 值。（ 克/千克） o 实用盐度（S）：利用电导间接表示盐度。 39 K15是在15C和一个标准大气压的条件下, 海水样品电导率和质量比为 32.435610-3 的氯化钾溶液电导率的比值
15、。 1.2.4 各水体的化学组成及特点 海水盐度的分布特征 o 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，呈鞍形。 40 1.2.4 各水体的化学组成及特点 河水 o 循环更替速度快：河水流动迅速，交替期平均 只有16天。 o 河水与河床砂石接触时间短，其矿化作用很有 限。河水的矿化度小：1g/L,平均约0.15- 0.35g/L。 o 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。 o 河水化学组成的时间变化明显 41 1.2.4 各水体的化学组成及特点 湖水 o 湖泊的形态和规模、吞吐状况及所处的地理环 境，造成了湖水化学成分及其动态的特殊性。 o 矿化度差异：淡水湖
16、（1克/升）、微咸水湖 （1-24.7克/升）、咸水湖（24.7-35克/升）、盐 湖（35克/升）。 o 湖中生物作用强烈，有不同程度的富营养化的 趋势。 o 深水湖有分层性，湖水停滞区域，会形成局部 还原环境。 42 1.2.4 各水体的化学组成及特点 地下水 o 地下水化学组成类型多，地区性差异大。 o 地下水充填于岩石、土壤空隙中，循环交替缓 慢，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。 o 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 矿化度的增加，阴离子按HCO3-SO42-Cl-次 序递增；阳离子按 Ca2+Na+（Mg2+）次序递 增。 o 地下水
