水文学(黄锡荃)第一章 地球上水的性质和分布.pdf

'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2 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1.1.1水分子极性结构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水的物理性质1.1.1水分子极性结构o较强的表面张力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。5 视频资料：水的表面张力6 1.1水的物理性质1.1.1水分子极性结构o毛细现象7 1.1水的物理性质1.1.2三态转化及热学性质1013251009 1.1水的物理性质1.1.2三态转化及热学性质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 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℃。太阳辐射•大洋表面水温分布的总体趋势洋流o水温从低纬向高纬递减；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 大洋水温的垂直分布暖水对流层扰动层温跃层冷水平流层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1—2℃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14—18时，最低水温出现在5—8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o3.98℃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水的化学性质水量物理：浑浊度水水质生物：细菌化学：……20 1.2水的化学性质1.2.1天然水的化学成分•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95～99％以上：oK+,Na+,Ca2+Mg2+oHCO-,CO2-,Cl-和SO2-334o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)TotalDissolvedSolidmg/Lg/L在105～110℃温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位：g/L，mg/L21 1.2水的化学性质1.2.2天然水的矿化过程•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 溶滤作用•溶滤o土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。当地动态表水或地下水流经土壤或岩石时，在与其密切接触过程中，不断地溶解其中常含有的易溶盐类，从而提高了矿化度。静态o溶解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。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……23 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：胶体吸附离子与水中离子的交换降低水的硬度•Na+（胶体）+Ca2+（水）Na+（水）+Ca2+（胶体）•离子交换是可逆反应，动态平衡o离子交换以当量关系进行o离子交换遵守质量作用定律24 吸附性阳离子交替作用毫克当量(mEq)mEq＝mmol×原子价1mg氢，23mg钠，39mg钾，20mg钙和35mg氯都是1mEq。当量浓度：mEq/L=mmol/L×原子价o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）25 氧化作用•使围岩的矿物氧化和使水中矿物、有机物氧化o硫化矿物的氧化黄铁矿的氧化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 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28 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1.2.2天然水的矿化过程•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水的化学性质1.2.3天然水的分类•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•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HCO3•SO4-Na•Mg型水、HCO3-Na•Ca型水等。36 舒卡列夫分类当量比例计算HCO项目Cl-SO2-3Ca2+Mg2+Na+4-mg/l132.8291.1253.299.832.1145.8mmol/l3.753.034.152.491.326.34毫克当3.756.064.154.982.646.34量/升毫克当26.943.429.735.718.945.4量%按舒卡列夫法分类为S•C•Cl-Na•Ca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）：①海面泡沫飞溅，水滴蒸发成极细的干盐粒；②风从地面吹起的扬尘；③火山爆发喷入大气的易溶物质及尘埃；④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99.8～99.9%，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。K是在15°C和一个标准大气压的条件下,15海水样品电导率和质量比为32.4356×10-3的氯化钾溶液电导率的比值。39 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（＜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HCO-为主，阳离子以Ca2+为主。随3矿化度的增加，阴离子按HCO-→SO2-→Cl-次34序递增；阳离子按Ca2+→Na+（Mg2+）次序递增。o地下水的化学成分的时间变化极为缓慢。43 1.3地球上水的分布与水资源1.3.1地球上水的分布地球上的总水量为大约13.86亿立方千米44 视频资源：水的星球思考：地球上为什么会有那么多水？45 1.3地球上水的分布与水资源1.3.2水资源涵义与特性•广义水资源o世界上一切水体，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、土壤水、地下水及大气中的水分•狭义水资源o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。o这种开发利用，不仅目前在技术上可能，而且经济上合理，且对生态环境可能造成的影响也是可接受的。这种水资源主要指河流、湖泊、地下水和土壤水等淡水，个别地方还包括微咸水。46 水资源的不同定义•《不列颠百科全书》中”水资源”：自然界一切形态的水。•1963年英国国会通过的“水资源法”中，水资源是“具有足够数量的可用水源”。•联合国教科文组织（UNESCO）和世界气象组织（WMO）在1988年定义的水资源“作为资源的水应当是可供利用或有可能被利用，具有足够数量和可用质量，并可适合某地对水的需求而能长期供应的水源”•《中国大百科全书》对水资源的定义是“地球表层可供人类利用的水”。47 水资源涵义•水资源o这个水量有可靠的来源，且这个来源可以通过自然界水文循环不断得到更新或补充。o这个水量可以由人工加以开采和利用。o这个水量及其水质能够适应人类用水的要求。48 水资源的特性•可再生性o水循环过程具有无限性的特点，水资源具有可再自生性。但这种可更新的水量又是有限的。然属性•时空分布的不均匀性o年内与年际变化大；地区分布不均衡社•利用的广泛性和不可代替性会属性•利与害的两重性49 如何理解水资源•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。•最能反映水资源数量和特征的是年降水量和河流的年径流量。50 年蒸发能力1.3.351 52 50000年径流量)4000033000020000年径流量(亿m100000巴西加拿大美国印尼中国印度53 人均水量12000亩均水量120000100001000008000/亩)/人)3380000600060000400040000亩均水量(m人均水量(m20002000000巴西加拿大美国印尼中国印度巴西加拿大美国印尼中国印度54 1.3地球上水的分布与水资源1.3.4我国水资源•我国多年平均地表水资源量2.71万亿m3，地下水资源量0.83万亿m3，水资源总量2.81万亿m3。o全球陆地上多年平均年降水量为800mm，中国为628mm，偏少22%。o我国水资源量仅次于巴西、俄罗斯、加拿大、美国及印尼，居世界第六位。o人均水资源占有量为世界的1/4，耕地亩均水资源占有量为世界的3/4。55 我国水资源的时空分布特征•地区分布•年际分布（多年变化）•年内分布（季节分布）56 中国水资源利用分区图东北诸河内陆河黄河海河淮河及山东半岛诸河西南诸河长江东南诸河华南诸河57 我国水资源的地区分布•我国水资源利用分为9个一级区，北方5区多年平均水资源总量为5358亿m3，占全国的19％，水资源贫乏；•南方4区多年平均水资源总量为22766亿m3，占全国的81％，水资源丰富。58 水资源的地区分布不均59 水资源的地区分布不均60 水资源的地区分布不均61 62 水资源的时间分布不均•季节分布不均；年际分布不均山东省月平均降雨量变化曲线山东省年降雨量距平百分比63 水资源的季节分布不均•河川年径流量的季节变化取决于河流的补给条件。按照河流补给情况，全国大致可分为三区：o秦岭以南主要为雨水补给区，夏汛比较突出。o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，有春、夏两次汛期，年径流过程线呈双峰型。o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，径流量的变化与气温有密切关系。64 我国水资源条件和问题•水资源总量不少，但人均、亩均水量较少•水资源的地区分布很不均匀，与人口、耕地的分布不相适应•水量的年内、年际变化大，水旱灾害频繁•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。•地下水过量开采现象严重•水污染现象严重，大量河流、湖泊水质恶化65 我国年用水量的变化66 缺水严重，供需失衡目前年缺水总量为350亿m3左右（水利部）需水供水全国669座城市，400个供水不足，110座严重缺水，年缺水量60亿m3。2000年北方主要河流36％断流。 现状用水效率很低与国际先进水平比较：万美元GDP用水4810m3，世界平均4倍，先进水平5-10倍万元工业增加值取水量291m3，为发达国家的5-10倍工业用水重复利用率55%左右，发达国家80-85%以上灌溉水利用系数0.42-0.43，发达国家0.7-0.8粮食作物平均水分生产率1kg/m3，发达国家2-2.5kg/m3（根据水利部全国水资源综合规划的分析计算） 我国水资源条件和问题•水土流失和泥沙淤积严重o2005年《中国环境状况公报》显示，我国水土流失面积356万平方公里，占国土总面积的37．1％，全国因水土流失每年流失土壤50亿吨。o导致土地退化，毁坏耕地。o导致江河湖库淤积，加剧洪涝灾害。o恶化生存环境，加剧贫困。o削弱生态系统的调节功能。黄河平均每年泥沙流量高达16亿吨，“黄河流走的不是泥沙，而是中华民族的血液；不是微血管出血，而是主动脉破裂”69 我国水资源条件和问题•地下水过量开采现象严重华北透支的地下水估计已近2000亿立方米。相当于200个白洋淀的水量，7个鄱阳湖的水量。70 我国水资源条件和问题•地下水过量开采现象严重o地下水水位不断下降，造成地面沉降o地下水水位不断下降，使原先大量开采井报废，供水水源地，增加抽水耗电量o沿海地带引起海水入侵，使地下水水质变坏o改变自然景观。北方地区多处历史名泉已因地下水位严重下降而枯竭71 地面沉降72 地面沉降73 74 海水入侵75 76 我国水资源条件和问题•水污染现象严重，大量河流、湖泊水质恶化依据地表水水域环境功能和保护目标，划分为五类：Ⅰ类：源头水、国家自然保护区；Ⅱ类：集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产场、仔稚幼鱼的索饵场等；Ⅲ类：集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通到、水产养殖区等渔业水域及游泳区；Ⅳ类：一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；Ⅴ类：农业用水区及一般景观要求水域。77 水质污染严重78 79 80 81 我国水资源问题的对策•节水优先o节水是水资源合理利用的核心•治污为本o转变经济增长方式，发展循环经济•多渠道开源o南水北调补源+沿海海水+微咸水+雨水收集等可利用的水源•强化统筹管理观点82 南水北调三线图——东线、中线与西线北京天津石家庄烟台、威海济南东平湖郑州巴颜喀拉山扬州丹江口水库规划的东线、中线和西线到2050年调水总规模为448亿m3，其中东线148亿m3，中线130亿m3，西线170亿m3。 第一章地球上水的性质与分布•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84'