水文学-第一章地球上水的性质与分布.

第一章地球上水的性质与分布2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布第一章地球上水的性质与分布主要内容•第一节地球上水的物理性质•第二节地球上水的化学性质•第三节地球上水的分布与水资源*2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布第一节地球上水的物理性质主要内容•一、水的形态及其转化•二、水的热学性质•三、水温•四、水的密度•五、水色与透明度2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布水的物理性质•水是仅次于空气的最活跃的物质之一；•水有三态变化，是自然界水文循环的基础；•同其它氢化物相比，水有特别高的溶点和沸点；•水有特别大的比热和蒸发潜热；•水有反常的密度变化（4C时密度最大）；•水有较大的表面张力；•水是各种盐类很好的溶剂；•水具有几乎不可压缩性。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布一、水的形态及其转化•（一）水分子的结构–1、单水分子结构•单水分子结构图•氧原子附近形成负极，氢原子附近形成正极；水分子具有极性。–2、水分子聚合体•由于水分子具有极性，故有聚合体。•双水分子聚合体•三水分子聚合体2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布一、水的形态及其转化•（二）水的三态及其转化–1.冰点与沸点•在一个标准大气压下，纯水0℃为冰点，100℃为沸点。–2.水的三态与水温温度类型冰（0℃）水0℃4℃38℃98℃单水019202936双水4158595051三水5923212113不同水温水分子聚合体的分布（％）2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布一、水的形态及其转化•（二）水的三态及其转化–2.水的三态与水温–三个结论：•随着水温的升高，单水分子比例升高，聚合体比例下降，当温度高于100℃以上时，主要为单水分子。当温度高于100℃呈气态时，水主要由单水分子组成。•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。水温达到0℃结冰时，单水分子为零，三水分子增多，因三水分子结构特性，使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％。•水温在3.98℃时，二水分子占比重大，而二水分子结合紧密，故密度最大，其为1。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布一、水的形态及其转化•（三）固态水（冰）的结构–1.冰的结构的形成：氢键起着强烈的缔合作用•（1）每个氢键以等键距与另外四个氧原子相连结，在冰晶中的水分子则具有比较完整的正四面体结构形态•（2）键角增为109°28′，键距亦增至1.01Å。–2.冰晶中的内在矛盾主要表现为氢键的凝聚力和氢核的振动、水分子的热运动，前者为吸引因素，后二者为排斥因素。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布一、水的形态及其转化•（四）液态水结构的主要理论模型–1.连体理论–2.混合体理论–3.“闪动簇团”模型•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，这些簇团的尺寸较小，且处于不断转化成“闪动”的状态，因而整个液体是均匀的，稳定流动的。液态水的结构既包含有水分子的缔合体（簇团），又包含着水分子的微粒，此二者在液态温度0—100℃的条件下共居共存，且处于连续的转化“闪动”中。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布二、水的热学性质•1.水的热学性质：水的三态转化时的吸热与放热。•2.潜热：三态转化过程中吸收和放出的热量称为潜热。•3.水的融解和水的蒸发，其潜热大于其它液体。•4.水的热容量及潜热特性对地球上的热量变化有调解作用。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布三、水温•（一）海水水温–1.海水的热量收支热量的支出热量的收入•海面辐射放出的热量•海水蒸发时所消耗的热量•洋流带走的热量•海水垂直交换中耗掉的热量•来自太阳和天空的短波辐射•来自大气的长波辐射•地壳内热通过海底传给海水的热量•海面水汽凝结时放出的热量•洋流带来的热量•海水运动产生的热量•化学的、生物的和放射性物质放出的热量•海水垂直交换中所得的热量多年平均情况海水热量平衡，但各海区的收支不平衡。平衡2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布•水温从低纬向高纬递减，等温线与纬线大致平行，南半球地带性更加明显；•年平均水温约为17.4℃（太平洋最高，大西洋最低）；•在南北回归线之间的热带海区水温最高。•南半球热带海水一部分流入北半球（南赤道暖流）；•受大陆和海底地貌的影响，北冰洋海水不能大量南流，而南半球三大洋相连，冷却效果明显。•大洋东西两侧，水温分布有明显差异.三、水温•（一）海水水温–2.海水温度的分布•（1）海洋表层水温的地理分布特征图P11-12南北半球表层水温的平均值并不相等,北半球比南半球偏高。在寒暖流交汇处等温线特别密集，水温水平梯度很大；总趋势具有明显的地带性分布规律三、水温•（一）海水水温–2.海水温度的分布•（2）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：–表层暖水对流层–深层冷水平流层扰动层暖水对流层冷水平流层（m）05001000150020002500300035004000048121620℃大西洋水温垂直分布图2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布•变化总体上小；•随纬度增加，日变化减小；•近海区水温日变化大于远海区（深海区）；•最低与最高水温各地出现的时间有差异；•最高：14时—16时•最低：4时—6时•日变深度一般可达10—20米，最高可过60—70米。（1）日变化三、水温•（一）海水水温–3.海水温度的时间变化•影响水温年变的因素有：太阳辐射、洋流性质、季风和海陆位置。•水温年变的地理分布规律：•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；•水温年变深度，一般可达100—150米，最大深度可达500米左右。（2）水温的年变化表P132011级地理科学第一章地球上水的性质与分布三、水温•（一）海水水温–4.海冰•（1）冰点和最大密度温度都随盐度的增加而降低，但降低的数值不同。盐度S/10-3℃43210-1-2-3-4-5051015202530354024.695-1.332•（2）海水难以结冰的原因降低↑盐度=24.695×10-3↓升高冰点温度低于最大密度温度冰点温度=最大密度温度=-1.332℃冰点温度高于最大密度温度•含盐量高，冰点低；•结冰后，表层海水密度增大，对流运动加强。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布三、水温•（二）河水温度–1.影响因素•太阳辐射•气温•补给来源–冰雪融水补给——水温低–雨水补给——水温较高–地下水补给——税额变幅小–2.水温的分布•水平分布：大体上与气温分布一致•垂直变化：具有成层性–3.水温的时间变化：与气温的时间变化一致。清晨午后↓↓逆温现象正温现象三、水温•（三）湖泊、水库水温–1.影响因素•蒸发、凝结，垂直紊流、对流混合•大气辐射、太阳辐射。–2.水温的分布•水平分布：大致与气温一致•垂直分布：水温垂直分布梯度–正温层：上高下低，但不低于4℃–逆温层：上低下高，但不高于4℃–同温层：上下层水温一致–3.水温的变化•日变化：受气温的影响；•年变化：年较差较气温小。太湖表层水温日变化4湖中水温垂直分布2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布我国湖面水温年变化•①鄱阳湖②白洋淀③洱海④青海湖•江西省河北保定云南大理青海省•北纬28°22′-29°45′2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布三、水温•（四）地下水的水温–1.地下水的埋藏深度不同，温度变化规律也不同•近地表与气温的日变化和年变化具有同步性，但变幅小；•在年常温层中，变化很少，一般不超过0.1℃；•在年常温层以下，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。–地热增温级是指在常温层以下，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/℃。•此外，自然条件不同的地区，水温差异很大–火山活动区水温高，极地和山区水温低。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布三、水温•（四）地下水的水温–1.地下水温度变化规律–2.地下水温度分类–3.地下热水分类状态非常冷水极冷水冷水温水热水极热水沸水温度＜0℃0℃—4℃4℃—20℃20℃—37℃37℃—42℃42℃—100℃＞100℃相类型热水名称水温（℃）主要用途液相热水低温热水20—40农用灌溉、浴疗、洗涤中温热水40—60生活、取暖、锅炉用水、调节灌溉水源高温热水60—100取暖、工业热供水、锅炉用水、发电液气相过热水低温过热水100发电、动力高温过热水374发电、动力2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布阿尔山温泉2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布四、水的密度•（一）纯水的密度–水分子结构的三种形式：•四面体结构•类石英晶体结构•最紧密的堆积结构–水的密度随温度变化温度-20℃-10℃0℃的冰0℃的水3.98℃10℃50℃密度0.94030.91860.91670.99991.0000.99970.95842011级地理科学第一章地球上水的性质与分布四、水的密度•（二）海水密度–1.定义•单位体积内所含海水的质量。“ρ”，单位：g/cm3。•海水的密度值比纯水大，一般为1.022~1.028之间。•ρ=f（t，s，p）【t-水温，s-盐度，p-压力】•当p一定时，t↑ρ↓，s↑ρ↑•为了表示方便，海洋学中经常用σs,t,p代替ρs,t,p–2.条件密度与现场密度•条件密度：在一个标准大气压（p=0）下的海水密度。•现场密度：在现场温度、盐度和压力条件下所测定的海水密度。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布四、水的密度•（二）海水密度–1.定义–2.条件密度与现场密度–3.密度分布的规律•水平分布特点：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。•垂直分布特点：一般从大洋表面向下，密度逐渐增加。–50米以内梯度小，50-100米出现突变层，1500米以下变化极小。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布五、水色与透明度•（一）水色–1.影响水色的因素•（1）水体的光学性质（吸收、反射、折射、散射）–海水呈蓝色的原因：光的散射作用•（2）水中悬浮物质、浮游生物的颜色•（3）天空状况、水体底质的颜色–2.水色的测定•（1）测量：水色计•（2）度量：号码1-21代表水色。号码越小，水色越高，号码越大，水色越低。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布水色的测定•号码越小，水色越高，号码越大，水色越低。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布五、水色与透明度•（二）透明度–1.透明度：表示各种水体能见程度的一个量度。–2.测量方法：透明度板（白色圆盘直径为30cm米），测能见深度。–3.水色与透明度的关系：水色越高，透明度越高。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布第二节地球上水的化学性质•一、天然水的化学性质•二、水体的化学性质2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布一、天然水的化学性质•（一）化学成分–按性质通常分为三大类：类型粒径（纳米）主要物质悬浮物质＞100泥沙、粘土、藻类、细菌等不溶物质。胶体物质100~1无机胶体（次生粘土矿物和含水氧化物）有机胶体（腐殖酸）溶解物质＜1盐类、气体和有机化合物。•八种主要离子•主要阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+•主要阴离子：CI-、HCO-、SO42-、CO32-•矿化度：天然水中各种元素的离子、分子与化合物的总量。•矿化过程：各种溶解质在天然水中的累积和转化。2011级地理科学第一章地球上水的性质与分布一、天然水的化学性质•（二）矿化过程–1.溶滤作用•（1）概念：土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。•（2）类型：–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。–不全等溶矿物：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，主要是硅酸盐和铝硅酸盐。2011级地理科