第一章_地球上水的性质和分布.

第一章地球上水的性质和分布1课程内容1.1地球上水的物理性质1.2地球上水的化学性质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3第一节地球上水的物理性质4水的形态及其转化水的热学性质水温水色及透明度水的密度一、水的形态及其转化5（一）水分子的结构水的组成最先由HenryCavendish在1781年左右提出的。分子式为：H2O。•每个水分子都是由一个氧原子和两个氢原子组成。•在吸引力作用下，电子向氧原子一端靠近，氧原子一端形成负极，而氢原子一端形成正极。使得水分子具有极性结构。6•水有很强的溶解能力，是一种极性溶剂。•溶剂可分为极性溶剂、非极性溶剂两种。•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。7视频资料：水的表面张力8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。910•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)、双水分子(H2O)2、三水分子(H2O)3。分子结构见P7，图1-2（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（％）P8表1-1◇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。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。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。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。3.液态水结构的主要理论模型当温度升高至0℃以上时，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。◇“闪动簇团”模型P9图1-5液态水既包含水分子的缔合体即簇团，又包含水分子的微粒，是一个极度复杂的凝聚相体系，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。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。二、水的热学性质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。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。三、水温（一）海水温度1.海水热量的收支2.海水温度的分布1）海水温度的水平分布•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。◇世界大洋表面水温分布的总趋势•水温从低纬向高纬递减；•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；•南北回归线之间的热带海区水温最高；•夏季大洋表面水温普遍高于冬季，梯度则冬大于夏。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。3.海水温度的时间变化1）水温的日变……季节变化潮汐天气状况地理位置太阳辐射水温日变影响因素3.海水温度的时间变化1）水温的日变•大洋表面水温日变一般很小，日较差不超过0.4℃。•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）水温的年变太阳辐射海陆位置季风洋流性质水温年变影响因素2）水温的年变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。4.海冰淡水的冰点为0℃，最大密度的温度是3.98℃；而海水的冰点和最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。直接由海水冻结而成的咸水冰◇海水结冰与淡水结冰，谁更难？冻河，冻海？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。（二）河水温度◇影响河水温度的因素气温◇河流水温的空间变化•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。•一般河流水温的分布形势，大体与气温一致；◇河流水温的时间变化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。◇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。•然而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。清晨，表面水温低，愈向河底水温愈高，成逆温现象。14时左右，表面水温高，愈向河底水温愈低，成正温现象。紊流：速度、压强等流动要素随时间和空间作随机变化，质点轨迹曲折杂乱、互相混掺的流体运动（三）湖泊、水库水温1.水温的分布水温的垂直分布常用水温垂直梯度表示，水温垂直梯度与热流通量成正比，与紊动扩散系数成反比。0510204204060温度/℃深度/m正温层逆温层沿着等温面的法线方向，单位时间单位面积流过的热量。流动水体中污染物浓度扩散的速率系数2.湖水温度的变化表层日变最明显，最高水温一般出现在每天的14—18时，最低水温出现在5—8时，水温日变幅在阴天和晴天之间的差别也较大。1）水温的日变化2）水温的年变化•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。•湖温年较差比气温年较差小，大湖较小湖小。我国湖面水温年变幅最大是太湖，最大值可达38℃。◇中国湖面水温的年变化教材P15（四）地下水的水温•一般在日常温层以上，水温有明显的昼夜变化；•年常温层以上，水温具有季节性变化。在年常温层中，地下水温度变化很少，一般不超过0.1℃•年常温层以下，地下水温则随深度的增加而逐渐升高，其变化规律决定于一个地区的地热增温级。近地表地下水的水温受气温的影响，具有周期性变化：在常温层以下，温度每升高1℃所需增加的深度，单位为m/℃。各处地热增温级不同，一般为33m/℃◇不同地区，地下水温度差异很大•新火山地区，地下水温可达100℃以上；如广东丰良，地下水水温高达103.5℃。•寒带、极地及高山、高原地区，地下水的温度很低，有的可低至-5℃。地下水温度分类（℃）◇地下热水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。地下热水通过断裂破碎带、钻孔等通道上涌，致使地热增温级大大提高，形成地热异常区。具有良好的地质构造及水文地质条件的地热异常区，有可能形成大量地下热水或天然蒸汽的地热田。地下热水温度分类38羊八井39羊八井位于西藏，海拔4300米。附近山峰连绵起伏，终年冰封雪盖，但在羊八井中，温度高达92℃，沸水翻滚，水花四溅，蒸汽灼人。四、水的密度水分子有三种结构形式：①四面体结构；②类石英晶体结构；③最紧密的堆积结构。分子数相同时，第一种结构体积最大，第三种结构体积最小。温度一旦增减，三种形式分布就要发生变化。温度变化直接影响水的密度变化。（一）纯水的密度水的密度随温度变化（二）海水的密度习惯上使用的密度是指海水的比重，即指在一个大气压力条件下，海水的密度与水温3.98℃时蒸馏水密度之比，数值上密度和比重相等；单位体积内所含海水的质量，其单位为g/cm3；海水密度（二）海水的密度因为海水的密度一般都大于1，例如，1.01600，1.02814等，并精确到小数5位，为书写简便，常用σ来表示，即海水密度减1再乘1000，如ρs，t，p为1.02545时，σs，t，p为25.45。◇大洋表层密度的分布各大洋不同季节的密度在数值上有所变化，但其分布规律大体相同的——大洋表面密度随纬度的增高而增大，等密度线大致与纬线平行。◇大洋密度的垂直分布垂直方向上，密度向下递增。南北纬20°之间100米左右水层内，密度最小，并且在50米以内垂直梯度极小，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（跃层），对声波有折射作用，潜艇在其下面航行或停留在其上均不易被发现，故有液体海底之称。约从1500米开始，密度垂直梯度很小，在深层，密度几乎不随深度而变化。五、水色与透明度（一）水色纯水为无色。自然界水体的水色，由水体的光学性质以及水中悬浮物质、浮游生物的颜色决定。水色是水体对光的选择吸收和散射作用的结果，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。五、水色与透明度水色常用水色计测定。水色计由21种颜色组成，由深蓝到黄绿直到褐色，并以号码1-21代表水色。号码越小，水色越高，号码越大，水色越低。五、水色与透明度（二）透明度水的透明度，指水体的能见程度，也是指海水清澈的程度。透明度，表示的是水体透光的能力，但不是光线所能达到的绝对深度。透明度的大小，取决于光线强度和水中的悬浮物和浮游生物的多少。光线强，透明度大，反之则小。水色越高，透明度越大；反之透明度越小。五、水色与透明度透明度的测定，通常是把透明度板（直径为30cm的白色圆盘）在背阳一侧放到水中，从水面上方垂直用肉眼向下注视圆盘，测出直到看不见圆盘时为止的深度，单位以米表示。大西洋中部的马尾藻海透明度最大，达66.5m，我国南海为20~30m，黄海为1~2m。第二节地球上水的化学性质一、天然水的化学成分目前各种水体里已发现80多种元素。天然水中各种物质按性质通常分为三大类：粒径大于100纳米（10-7米）的物质颗粒，在水中呈悬浮状态。例如泥沙、粘土、藻类、细菌等不溶物质。悬浮物的存在使天然水有颜色、变浑浊或产生异味。◇悬浮物质粒径为100~1纳米的多分子聚合体，为水中的胶体物质。◇胶体物质溶解物质天然水中各种元素的离子、分子与化合物的总量称为矿化度。天然水中形成各种盐类的主要离子包括四种阳离子和四种阴离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+；Cl-、HCO3-、SO42-、CO32-粒径小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。二、天然水的矿化过程各种溶解质在天然水中的累积和转化，即为天然水的矿化过程。•还原作用•混合作用•蒸发浓缩作用•吸附性阳离子交替作用•氧化作用•溶滤作用天然水的主要矿化作用1）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。•全等溶解矿物：按矿物成分的比例全部溶于水中，例如氯化物、硫酸盐、碳酸盐等；•不全等溶矿物：只有一部分元素进入水中，而原始矿物保持其结晶格架，如硅酸盐和铝硅酸盐等