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1、水文学教案绪 论一、水文学的研究对象水文学-是研究地球上水的性质、分布、循环、运动变化规律及其与地理环境、人类社会之间相互关系的科学。水是生命活动的物质基础，是人类赖以生存、发展的最宝贵的自然资源。自然界的水总是以一定的水体形态存在的，如江河、湖泊、海洋、地下水等，这些水体就成为水文学的主要研究对象。水循环的研究是水文学的核心内容；水资源的开发利用和人类活动对水环境的反馈效应的研究，也已成为现代水文学研究的重要内容。二、水文学发展简介自远古至约14世纪末，为水文现象定性描述阶段。本阶段特点是：开始了原始观测，水文现象的定性描述及经验积累。自15世纪初至约19世纪末，为水文科学体系形成阶段。本阶
2、段特点是水文现象由概念性描述进入定量的表达，水文理论逐渐形成。自20世纪初至50年代，为应用水文学兴起阶段。本阶段特点是水文观测理论体系进一步成熟，应用水文学进一步发展。20世纪50年代以来，进入现代水文学阶段。本阶段特点是引进遥感、电算等新技术、新方法，重点开展水资源及人类活动水文效应的研究，分支学科不断派生，研究方法趋向综合。三、水文学的体系传统的水文科学是按研究的水体对象划分分支科学的，主要有：河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学、水文气象学、地下水文学和海洋水文学。水文科学主要通过定点观测、野外查勘和室内外实验等手段，获得水体时空分布和运动变化的信息，因而形成了：水文测验学、
3、水文调查、水文实验三个分支学科。区域水文学是水文科学与自然地理学共同研究水在特定的地理环境中的作用而发展起来的，主要有：流域水文学、河口水文学、山地水文学、坡地水文学、平原水文学、干旱区水文学、岩溶水文学以及区域类比研究的比较水文学等分支学科。作为应用科学，水文学又分：工程水文学（其中包括水文计算、水利计算、水文预报等组成部分），农业水文学、土壤水文学、森林水文学、都市水文学等。50年代以来，新技术新方法的引进，出现了一些新的分支，主要有：随机水文学、模湖水文学、系统水文学、遥感水文学、同位素水文学等。近些年来，水资源水文学作为一门自然、技术和社会综合科学的出现，标志着水文科学进入了一个崭新的
4、发展时期。四、水文学的地理研究方向地理水文学水文学从其研究方向来说，一般可以归纳为三个方向：地理学、地球物理学与工程学。早期的水文学孕育在地理研究与工程研究之中，地球物理方向是近代发展的，主要偏重于数理范畴。现代水文学的研究中，三种方向是并存的，而且都是现代水文学理论发展和实际研究所必要的。三种方向也是水文研究的三种途径，它们虽然各有独立性，但是彼此又保持着配合与联系。水文学的地理研究方向，过去统称为“水文地理学”（Hydrography），由于该词的涵义容易误解为仅注重区域水文现象的描述，而忽视学科的理论基础，不能有效地利用地理学原理指导水文学的研究工作。经中国地理学会水文专业委员会多次讨论
5、，建议改用“地理水文学”（Geographical Hydrology）一词，它同时隶属于地理学和水文学，而作为这两门科学的分支科学。相对于工程水文研究来说，地理水文研究更侧重于弄清水体运动变化的自然规律，总体演化趋势；更注意开展与其它自然地理因素之间相互影响的综合研究；更多地考虑到水体是一定地理环境中的客观存在，区域因素决定了各水体的区域差异性。也就是说，地理水文研究具有宏观性、综合性及区域性三大特点。当前，地理水文学应以水、环境与人类社会作为学术研究的中心内容，从发展趋势看，积极开展水循环系统与水量平衡、区域水文、特殊水体的水文（岩溶、冰川、河口、干旱区等）、环境水文、水资源水文、比较水文
6、，以及新技术的应用（包括遥感、实验技术的研究）和系统论、控制论、信息论等的引进是至关重要的。五、水文现象的主要特点（1）水循环永无止尽。（2）水文现象在时间变化上既具有周期性又具有随机性水文现象的周期性。（3）水文现象在地区分布上既存在相似性，又存在特殊性不同的流域。总之，任何水文现象无论在时间或空间上均同时存在确定性和不确定性这两方面的性质。只是在某种情况下，更多地表现出确定性规律，而在另一种情况下，更多地表现不确定性的特性。六、水文学的研究方法水文学的研究与其他科学研究一样，通过实践获取信息，分析信息，得出规律，用以指导人们改造自然，同时促进水文科学自身的发展。水文学研究的特点，是通过已经
7、获得的短暂的实测水文资料（通常最多仅有100余年的实测系列），把各种水文现象作为一个整体，并把它们同大气圈、岩石圈、生物圈及人类活动对它的影响结合起来，进行水文过程和水文规律的研究，并进一步预测或预估水文情势的未来状况。传统的水文学研究方法主要有成因分析法、数理统计法和地理综合法三种。成因分析法以物理学原理为基础，研究水文现象的形成、演变过程，揭示水文现象的本质、成因，其与各因素之间的内在联系，以及其定性和定量的关系，通常是建立某种形式的确定性模型。数理统计法是以概率理论为基础，根据实测资料，运用数理统计方法，求得水文现象特征值的统计规律，或对主要水文现象与其影响因素之间进行相关分析，求出其经
8、验关系。20世纪60年代发展起来的随机水文学，则主要是运用随机分析方法，把水文现象确定性和不确定性结合在一起研究。地理综合法是按照水文现象地带性规律和非地带性的地域差异，用各种水文等值线图表示水文特征的分布规律，或建立地区经验公式，以揭示地区水文特征。七、水文学课程性质及教学目的要求（一）课程性质与教学要求作为部门自然地理学的水文学是高师地理系必修的专业基础课，它与地理系开设的地质学、地貌学、气象气候学、土壤学、植物地理学等课程关系十分密切，本课程应着重阐述水文科学的基础知识和基本理论，使学生认识水是自然界中最活跃的因子之一，它不但与自然地理各要素具有相互联系和相互制约的关系，而且广泛渗入地球
9、表层的岩石圈、大气圈和生物圈，积极参与地球上各种物理、化学及生物过程，给地理环境、生态系统以重大的影响。水又是生命活动的物质基础，是人类赖以生存、发展的最宝贵的自然资源之一。通过本课程的教学，使学生掌握水资源开发利用和保护的一般知识。此外水文学还要为后续课及中学地理教学提供必要的基础知识。（二）教材的主导思想本教材主导思想是以水循环、水量平衡为纲，将地球各圈层中的水体，按水循环过程作系统的、有机联系的阐述，使学生掌握各种水体运动、变化和相互转化的基本理论及分析计算方法。（三）本教材的组成本教材由下列四部分组成。1.水文学基础知识主要通过第一章阐述水的分子结构、形态组成及其转化，水及各种水体的物
10、理、化学性质，水及水资源的空间分布。2.水文循环及水量平衡基本理论主要通过第二章阐述水文循环基本过程、影响因素，各要素的物理机制和分析计算方法，水量平衡原理及其在水资源估算中的应用，以及水文循环的作用、效应等。3.水文循环具体过程的分析由于水循环实质上是一个动态有序的大系统，按系统分析的观点，本教材第三章至第五章分别阐述陆地地表、海洋、地下三个水文循环亚系统的水文循环具体过程及其理论，并阐明亚系统之间和亚系统内的子系统之间相互转化的关系。4.人类活动对水循环的影响鉴于社会经济迅速发展，科学技术不断革新，人们改造自然的能力愈来愈大，大规模的人类活动干扰了自然界水文循环过程，影响着各个水体的性质。
11、破坏了生态平衡，从而使水、自然环境和人类社会的关系严重失调。除水量外，水文科学对水质的研究也越来越多。故本教材在第六章专设人类活动对水环境的影响，作为水文学的重要内容之一。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一、水的形态及其转化地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在，在常温条件下三相可以互相转化。（一）水分子的结构每个水分子（H2O）都是由一个氧原子和二个氢原子组成。水分子的键角HOH为104031/，O - H键的键长为0.9568埃，（1埃=0.1纳米）,形成等腰三角形。由于氧原子对电子的吸引力比氢原子大得多，所以在水分子内部，电子就比较靠近氧原子。这样，电子就有在氧原
12、子周围相对集中的趋势，形成较浓厚的电子云，掩盖了原子核的正电核。所以，在氧原子一端显示出较强的负电荷作用，形成负极；相反，在氢原子周围，电子云相对稀薄，于是显示出原子核的正电核作用，形成正极，使水分子具有极性结构。由于水分子具有极性，在自然界，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，见图12。（二）水的三态及其转化在一个标准大气压下，纯水0为冰点，100为沸点。0以下为固体，0100为液体，100以上为气体。但在地球上的常温条件下，水的三态（气态、液态、固态）可以相互转化。1.水的三态与水温随着
13、水温的变化，三态水分子的聚合体也在不断的变化。从表11可见：1）随着水温的升高，水分子聚合体不断地减少，而单水分子不断地增多。当温度高于100呈气态时，水主要由单水分子组成。2）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，而强力缔合结构的三水分子增多，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。3）水温在3.98时，结合紧密的二水分子最多，所以此时水的密度最大，比重为1。2.固态水（冰）的结构气体水分子能凝聚成液态水和固态水（冰），主要是氢键起着强烈的缔合作用。在冰晶中，氧原子和氢原子的排列是很有规则的，其
14、结构是每个氧原子通过氢键，按四面体取向，与另外四个氧原子连结，见图13，呈现六方晶系的冰，见图14。正是由于冰晶内每个氧原子通过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水蒸气到凝聚态的冰，氢键为凝聚力的主要方面，为了尽可能生成较强和较多的氢键，原来水分子中的OH键必须拉伸。由此带来的后果是，水分子必须按空间利用率颇低的四面体形态堆积，故冰的晶体是一个十分敞开的结构，其密度较低。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。3.液态水结构的主要理论模型“闪动簇团”模型 - 是把液态水看成以氢键结合的水分子的闪动簇团，在略为
15、“自由”的水中游泳的一种液态体系，见图1-5；这些簇团的尺寸是比较小的，且处于不断地转化或“闪动”的状态；所谓“闪动”，就是说这些小簇团本身是非常动荡的，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，因而整个液体是均匀的，并可保持在一种稳定的流通状态之中。总之，液态水是一个极度复杂的凝聚相体系，它既包含有水分子的缔合体即簇团，又包含着水分子的微粒，此二者在液态温度0100的条件下共居、共存，且处于连续的转化“闪动”之中。这就是液态水之内存在着的矛盾同一性。“闪动簇团”理论模型较其它理论模型，能更好的概括液体水的特异结构性能，但
16、这种理论在较长时间内多处于定性阶段，现借助于统计力学，其定量化研究也开始进行，并获得迅速发展。二、水的热学性质潜热-水吸收或放出的热量称为水的潜热。水的热容量与潜热特性，对整个地球上的热量变化具有重要的调节作用，使冬季不致过冷，夏季不致过热。三、水温（一）海水温度1.海水热量的收支海水中的热量主要来自太阳辐射。2.海水温度的分布1）海水温度的水平分布三大洋表面年平均水温约为17.4，其中太平洋最高，达19.1；印度洋17.0；大西洋16.9。三大洋表面年平均水温的分布特点是：北半球高于南半球，在南北纬030之间以印度洋水温最高，在南北纬5060之间大西洋水温相差悬殊。形成上述特点的原因：热赤道
17、北移，南半球的热带水一部分流入北半球，北半球暖流势力强大，一直影响到高纬，受大陆和海底地貌影响，北冰洋的冷水不能大量南流；而南半球三大洋相连，并与南极大陆相接，因此冷却效果特别明显；印度洋热带海区三面受亚、非、澳大利亚大陆包围，并受暖流影响，所以水温最高。世界大洋表面水温分布的总趋势是：水温从低纬向高纬递减；在南北回归线之间的热带海区水温最高；大洋东西两侧，水温分布有明显差异；在寒暖流交汇处等温线特别密集，水温水平梯度很大；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。总之，大洋表面水温分布的这些特点，主要是由太阳辐射和洋流性质所决定的。2）水温的垂直分布大洋水温的垂直分布，从
18、海面向海底呈不均匀递减的趋势。在南北纬40之间，海水垂直结构可分两层，即表层暖水对流层（一般深度达6001000米）和深层冷水平流层。表层暖水对流层的最上一层（约0100米）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，故称为表层扰动层。在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，见图1-8。3.海水温度的时间变化1）水温的日变影响水温日变的因素有：太阳辐射、季节变化、天气状况（风、云）、潮汐和地理位置等。大洋表面水温日变一般很小，日较差不超过0.4。水温的日变随纬度的增加而减小。在靠近大陆浅海区日较差可达34以上。最高、最低水温出现的时间各地不同
19、，但最高水温每天出现在1416时，最低水温则出现在46时。水温日变深度，一般可达1020米，最大深度可达6070米。2）水温的年变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；南北两半球相比，北半球各纬度带的年较差大于南半球，见表1-3。水温年变深度，一般可达100150米，最大深度可达500米左右。4.海冰淡水结冰时的水温是0，最大密度温度是3.98；海水的盐度大于24.69510-3时，冰点温度低于最大密度温度；盐度小于24.69510-3时，冰点温度
20、高于最大密度温度；盐度在24.69510-3时，海水的冰点温度与最大密度温度相同，为-1.332。（二）河水温度河水热状况的综合标志是河水温度。河流水温及冰情的发生和消长，首先受到太阳辐射、气温等地带性因素的控制，因而水温和冰情的分布基本上体现了地带性规律。河流水温还受补给来源的影响：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。河流水温在空间上、时间上都有变化。河流中的水流是紊流，一般情况下水温比较均匀，但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。一般在清晨，表面水温低，愈向河底水温愈高，成逆温现象。在14时左右，表面水温高，愈向
21、河底水温愈低，成正温现象，河水温度的日变幅较小。（三）湖泊、水库水温1.水温的分布导致湖水温度分布差异的原因，一是水气界面上增温与冷却作用，一是湖泊、水库水内部紊动、对流的混合作用。水温的垂直分布常用水温垂直梯度表示，当湖水发生紊动或对流混合时，按热扩散方程得出水温垂直梯度方程（略去水热交换）：式中，Qz为深度z处单位时间通过1平方厘米水平面垂直紊动热流通量；C的水温垂直梯度。如果，C=1，=1时，上式可记为：此式说明垂直梯度与热流通量成正比，与紊动扩散系数成反比。当湖水温度随水深的增加而降低时，即水温梯度成负值时，将出现上层水温高，下层水温低，但不低于4，这种水温的垂直分布，称为正温层；当湖
22、温随水深的增加而升高时，即水温垂直梯度成正值时，将出现上层水温低，下层水温高，但不高于4。这种水温的垂直分布，称为逆温层；当湖温上下层一致，即水温垂直梯度等于零时，将出现上下层水温完全相同，这种水温的垂直分布，成同温状态。2.湖水温度的变化湖水温度具有日变和年变的特点。水温的日变以表层最明显，随温度的增加日变幅逐渐减小，最高水温一般出现在每天的1418时，最低水温出现在58时，水温日变幅在阴天和晴天之间的差别也较大，见图111。湖面水温的年变，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
23、，见图1-12。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。高山、高原区湖泊水温年变幅最小。（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；在年常温层以上，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。而在年常温层以下，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。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/。在不同地区，地下水温度差异很大。如在新火山地区，地下水温可达100以上；而在寒带、极地及高山、高原地区，地下水的温度很低，有
24、的可低至-5。地下水的温度差异可分为如下几类（表1-4）。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。它通过一定的通道，例如，沿断裂破碎带、钻孔等上涌，致使地热增温级大大提高，这种地区叫地热异常区。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。从利用热能考虑，地下热水按温度分类见表1-5。四、水的密度（一）纯水的密度纯水的介电常数很大、缔合力很强。在正常液态情况下，水分子排列成“最紧密的球形堆积”形式，也可以1043110928的原子键角排列成其它形式。水分子有三种结构形式：四面体结构；类石英晶体结构；最紧密的堆积结构。分子数相同时，
25、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，见表1-6，0的冰密度为0.9167g/cm3；0的水密度为0.9999g/cm3；3.98时纯水密度为1；50水的密度为0.9881g/cm3。（二）海水密度海水密度是指单位体积内所含海水的质量，其单位为g/cm3。但是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。因此在数值上密度和比重是相等的。海水的密度状况，是决定海流运动的最重要因子之一。海水密度是实用盐度（s）、温度（t）和压力（p）的函数。在一个标准大气压（p=0）下的海
26、水密度，称条件密度，在现场温度、盐度和压力条件下所测定的海水密度，称为现场密度或当场密度。海水的密度与温度、盐度和压力的关系比较复杂，凡是影响海水温度和盐度变化的地理因素，都影响密度变化。虽然各大洋不同季节的密度在数值上有所变化，但其分布规律大体是相同的，即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。赤道地区由于温度很高，盐度较低，因而表面海水的密度很小，约1.02300。亚热带海区盐度虽然很高，但那里的温度也很高，所以密度仍然不大，一般在1.02400左右。极地海区由于温度很低，所以密度最大。在三大洋的南极海区，密度均很大，可达1.02700以上。在垂直方向上，海水的结构总是稳定
27、的，密度向下递增。在南北纬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；50100米深度上密度垂直梯度最大，出现密度的突变层（跃层），它对声波有折射作用，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）水色纯水是无色的。但自然界水体的水色，是由水体的光学性质以及水中悬浮物质、浮游生物的颜色所决定的。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；而水体的颜色与天空
28、状况、水体底质的颜色也有关。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。（二）透明度透明度是表示各种水体能见程度的一个量度。通常是把透明度板（白色圆盘直径为30厘米）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。这就是透明度。除水体的清浊程度外，透明度还随水面波动、天气状况、太阳光照等外部条件的不同而异。水色和透明度，都反映了水体的光学特性。水面上光线越强，透入越深，透明度就越大；反之则小。水色越高透明度越大，水色越低透明度越小，见表1-7。世界大洋中透明度最大值
29、出现在大西洋的马尾藻海，达66.5米。这与该区位于大西洋中部，受大陆影响小，盐度高，离子浓度大，海水运动不强烈，悬浮物质下降快有关。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：1）悬浮物质粒径大于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。有的细菌可致病。2）胶体物质粒径为1001纳米的多分子聚合体，为水中的胶体物质。其中无机胶体主要是次生粘土矿物和各种含水氧化物。有机胶体主要是腐殖酸。3）溶解物质粒径小于1纳米的物质，在水中成
30、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。天然水中形成各种盐类的主要离子是K+、Na+、Ca2+、Mg2+四种阳离子还有Fe、Mn、Cu、F、Ni、P、I等重金属、稀有金属、卤素和放射性元素等微量元素；水中溶解的气体有O2、CO2、N2，特殊条件下也有H2S、CH4等。总之，无论哪种天然水，八种主要离子的含量都占溶解质总量的9599以上。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。各种溶解质在天然水中的累积和转化，是天然水的矿化过程。二、天然水的矿化过程地壳中含有87种化学元素，目前在天然水中基本都已发现。天然水的主要矿化作用如下：1）溶滤作用-土壤和岩石中某些成分进
31、入水中的过程称溶滤作用。按其溶解性能可分为两类：一类是按矿物成分的比例全部溶于水中，称全等溶解矿物，例如，氯化物、硫酸盐、碳酸盐；另一类是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，这一类称不全等溶矿物，主要是硅酸盐和铝硅酸盐。2）吸附性阳离子交替作用天然水中离子从溶液中转移到胶体上，是吸附过程。同时胶体上原来吸附的离子，转移到溶液中是解吸过程。吸附和解吸的结果，表现为阳离子交换。其特征有：离子交换是可逆反应，处于动态平衡；离子交换以当量关系进行；离子交换遵守质量作用定律。胶体吸附的饱和容量称为吸附容量。以100克胶体中吸附离子的摩尔数来表示。常见的粘土矿物，例如蒙脱石、伊利石、高
32、岭石吸附容量分别为80、30，10摩尔/100克。腐殖质胶体的吸附容量可达350摩尔/100克。胶体对各种阳离子的吸附能力不同，并有如下顺序：H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+Li+特别是在地下水和海水中，阳离子交替作用广泛存在。常见到矿物初期地下水中的Ca2+与胶体上面吸附的Na+交替，使硬度较大的HCO3-Ca型水变为硬度较小的HCO3-Na型水。尽管在地壳平均组成中，钾和钠的丰度很接近，而且钾盐的溶解度普通高于钠盐，但由于胶体吸附K+的能力大于Na+，并且植物普遍吸收K+，合成有机质。所以天然水中钾的含量远小于钠的含量。3）氧化作用天然水中的氧化作用，包括使围
33、岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。黄铁矿是岩石中常见的硫化物，含氧的水渗入地下，使黄铁矿氧化。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO412FeSO4+3O2+6H2O=4Fe(SO4)3+2FeO33H2O游离的硫酸进而侵入围岩中的CaCO3。CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+2H2O硫化矿物的氧化是地下水中富集硫酸盐的重要途径。在硫化矿床附近和富含黄铁矿的煤田地区，在矿坑和风化壳中往往形成含大量硫酸盐（1015克/升）的酸性水。而在深层承压水中，因含氧不足，就不会出现这种情况。4）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
34、染，碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。如：CH4+CaSO4=CaS+CO2+2H2O硫化物与CO2、H2O进一步作用生成CaCO3沉淀，而水中失去了硫酸盐，富集了H2S。CaS+CO2+H2O=CaCO3+H2S在油田地下水、河湖底泥中及封闭的海盆底部，水中的有机质受脱硫细菌作用，也会产生同样结果。这些厌氧细菌就是依靠夺取硫酸根中的氧而生存的。5）蒸发浓缩作用在干旱地区，内陆湖和地下水正在经历盐化作用。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，最后为硝酸盐。在青藏高原有众多的盐湖
35、，富集了大量的KCl、NaCl，有的富集了Br、I、B、Li、Sr等，形成可供开采的盐湖资源。6）混合作用雨水渗入补给地下水，地下水补给河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，滨海含水层的海水入侵等，都是天然水的混合。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。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，对任一组分来说都是如此。在干旱地区，这类混合作用使Ca、Mg、Fe的碳酸盐析出，石膏和二氧化硅沉淀，结果地下水或盐湖中几乎是单一的NaCl，矿化度达50克/升以上。三、天然水的分类在不同的地理环境中，天然水的
36、矿化度和主要离子组成都有很大的差异。对天然水进行系统的水化学分类，不仅能反映天然水水质的形成条件和演化过程，而且为水资源评价、利用和保护提供科学依据。水化学分类方法较多，现介绍主要分类方法如下：1）按水化学成分分类。按照水中各种主要离子成分的相对含量等指标，以公式的形式来表示水的基本化学性质。例如，北京小汤山温泉水的化学分析结果如下：式中，横线上下分别为阴、阳离子的摩尔百分数，按递减顺序排列，含量小于10的不予表示；横线前面M为矿化度，最前面为气体成分和特殊成分，均以克/升计；横线后面T为水温，还可以写出pH值等指标。各类成分的含量和特征值均标在化学式的右下角。利用库尔洛夫式表达天然水的基本化
37、学性质，不仅简单明了，而且还能根据含量大于25的主要离子成分进行水化学分类命名。小汤山温泉便属于HCO3-Na、Ca型水。2）按矿化度分类。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，见表1-8。3）按主要离子成分比例分类（1）地表水分类（前苏联）阿列金提出一个简单的水化学分类系统。首先按占优势的阴离子将天然水分为三类：重碳酸盐类（C）、硫酸盐类（S）、氯化物类（Cl）。其次，对每一类天然水按占多数的阳离子分为钙质（Ca）、镁质（Mg）、钠质（Na）三组。然后，在每一组内又按各种离子摩尔的比例关系，分为四个水型：型：H
38、CO3-Ca2+Mg2+。型水是低矿化水，系由火成岩溶滤或离子交换作用形成的。型：HCO3-Ca2+Mg2+HCO3-+SO42-。型水是低矿化和中等矿化水，多由火成岩、沉积岩的风化物与水相互作用形成。河水、湖水、地下水大多属于这一类型。型：HCO3-+SO42-Ca2+Mg2+或Cl-Na+。型水包括高矿化度的地下水、湖水和海水。型：HCO3-=0。型水是酸性水，pH4.5时，水中游离的CO2和H2CO3、CO3-的浓度为零。例如，沼泽水、硫化矿床水和煤田矿坑水重碳酸盐类、钙组、型水。表1-9天然水化学分类表（2）地下水化学分类 地下水化学分类方法很多，现介绍C.A.舒卡列夫的分类方法，见表
39、1-10。这个分类法既考虑了各主要离子成分的摩尔百分数，又考虑了水的矿化度。四、水体的化学性质在水文循环过程中，水经历了各种各样的环境，携带各种物质一起迁移，并常常由一种形态转化为另一种形态，导致各种元素在不同水体中的分散和富集。（一）大气水的化学组成及特性水分蒸发遇有凝结核时，水汽便开始凝结，这就是天然水矿化过程的开端。大气降水含有多种离子（表1-11、1-12）及微生物和灰尘。但也是溶解物质最少的天然水，雨水的矿化度较低，一般为2050毫克/升，在海滨有时超过100毫克/升。大气水的化学成分和性质有以下特点：1.溶解气体的含量近于饱和水汽蒸发上升及雨滴在凝结降落过程中与空气充分接触，在一定
40、温度、压力条件下，O2、N2、CO2在降水中都近于饱和。2.降水普遍显酸性空气中CO2的含量为0.03，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。酸雨中含有多种无机酸，绝大部分是硫酸和硝酸，它是人为排放的SO2和NO、NO2转化而成的。大量燃烧矿物燃料、金属冶炼和化工生产，在无净化的情况排放废气，都可能酿成酸雨危害。降水中的物质来源：海面上汽包崩解和浪花卷起的泡沫飞溅弥散在空中，水滴蒸发成极细的干盐粒。每年从海面溅入大气的盐分估计有1010吨；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。总之，降
41、水矿化度最低。呈弱酸性，对于各种可溶性盐类远未饱和。故降水落到地面便具有能使各种元素进入水中的能力。（二）海水的化学组成及特点1.海水的化学组成氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、硅、氟等12种，其含量约占全部海水化学元素含量的99.899.9，因此被称为海水的大量元素。其它元素在海洋中含量极少，都在1毫克/升以下，称为海水的微量元素。海水化学元素最大特点之一是上述12种主要离子浓度之间的比例几乎不变，因此称为海水组成的恒定性。它对计算海水盐度具有重要意义。溶解在海水中的元素绝大部分是以离子形式存在的。海水中主要盐类含量见表1-14。由表可知氯化物含量最高，占88.6，其次是硫酸盐占10.
42、8。对海水中盐类的来源说法不一。一种说法是，海水中的盐类是由河流带来的。可是河水与海水在目前所含的盐类差别很大（表1-15）。虽然河水所含的碳酸盐最多，但当河水入海后，一部分碳酸盐便沉淀；另一部分碳酸盐被大海中的动物所吸收，构成它们的甲壳和骨骼等，因此海水中的碳酸盐大大减少。氮、磷、硅的化合物和有机质也大量地被生物所吸收，故海水中这些物质的含量也减少。硫酸盐近于平衡状态。唯有氯化物到大海中被消耗得最少，因长年日积月累，其含量不断缓慢增多。另一种说法是，由于海底火山活动使海洋中的氯化物和硫酸盐增多。2.海水的盐度单位质量海水中所含溶解物质的质量，叫海水盐度。50年代以来，海洋化学家致力于电导测盐
43、的研究。因为海水是多种成分的电解质溶液、故海水的电导率取决于盐度、温度和压力。在温度、压力不变情况下，电导率的差异反映着盐度的变化，根据这个原理，可以由测定海水的电导率来推算盐度。电导比-即某一海水样品的电导率与氯化钾标准溶液的电导率之比。此标准溶液的浓度为1千克溶液中含KCl 32.4356克，在15时，其电导率与盐度为35.000010-3的标准海水电导率相等。1）绝对盐度（SA）定义为海水中溶解物质的质量与海水质量的比值。在实际工作中，此量不易直接量测，而以实用盐度代替。2）实用盐度（S）在温度为15、压强为一个标准大气压下的海水样品的电导率，与质量比为32.435610-3的标准氯化钾
44、（KCl）溶液的电导率的比值K15来定义。当K15精确地等于1时，海水样品的实用盐度恰好等于35。实用盐度根据比值K15由下述方程式来确定：当海水样品的电导比是任一温度下测定时，还需进行温度订正。现已制成实用盐度与电导比查算表及温度订正表，供实际应用。实验表明，绝对盐度和实用盐度呈线性关系，即SA=a+bS。参数a、b依赖于海水的离子组成。各地海水的实用盐度略小于绝对盐度，两者之差不超过210-6。 世界大洋的平均盐度是34.6910-3。绝大部分海域表面盐度变化在333710-3之间。 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，并形成鞍形（图1-13、1-14）。 赤道附近平均年
45、降水量大于蒸发量350毫米，表层海水被稀释，普遍为低盐度海区。 南北纬2030的信风带海域，蒸发量超过降水量达7001100毫米，故三大洋上都出现高盐度中心。尤以南、北大西洋的亚热带表面盐度最大，达37.2510-3以上。 西风带上降水量超过蒸发量，盐度逐渐降低到3410-3以下。 极地海域蒸发量最小，尤其是北冰洋，由于大量河水注入及大陆冰的融化，盐度减小到3310-3以下。（三）河水化学成分的特点河水流动迅速，交替期平均只有16天。河水与河床砂石接触时间短，其矿化作用很有限。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。1.河水的矿化度普遍低一般河水矿化度小于1克/升，平均只有0.15
46、0.35克/升。在各种补给水源中，地下水的矿化度比较高，而且变化大；冰雪融水的矿化度最低，由雨水直接形成的地表径流矿化度也很小。2.河水中各种离子的含量差异很大河水中各种离子含量见表1-17、1-12。其含量顺序：3.河水化学组成的空间分布有差异性大的江河，流域范围广，流程长，流经的区域条件复杂，并有不同区域的支流汇入，各河段水化学特征的不均一性就很明显。离河源越远，河水的矿化度越大，同时钠和氯的比重也增大，重碳酸盐所占比重减小。4.河水化学组成的时间变化明显河水补给来源随季节变化明显，因而水化学组成也随季节变化。以雨水或冰雪融水补给为主的河流，在汛期河水量增大，矿化度明显降低。夏季水生植物繁
47、茂，使NO3-、NO2-、NH4+含量减少。枯水季节以地下水补给为主，河水矿化度增大，随着水温降低，溶解氧增多（表1-18）。由于水生植物减少，NO3-、NO2-、NH4+的含量可达全年最大值。（四）湖水化学成分的特点湖泊-是陆地表面天然洼陷中流动缓慢的水体。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。湖水的化学成分和含盐量与海水、河水、地下水有明显差异。1.湖水的矿化度有差异按照矿化度，通常将湖泊分为淡水湖（1克/升）、微咸水湖（124.7克/升）、咸水湖（24.735克/升）、盐湖（35克/升）几种类型。不同类型的湖泊，其地理分布具有地带性规律。在湿润地区，年降水量大于年蒸发量，湖泊多为吞吐湖，水流交替条件好，湖水矿化度低，为淡水湖。在干旱地区，湖面年蒸发量远大于年降水量，内陆湖的入湖径流全部耗于蒸发，导致湖水中盐分积累，矿化度增大，形成咸水湖或盐湖。不同地区湖泊具有不同的化学成分和矿化度。湖水与海水在化学成分上的差异，主要体现在湖水主要离子之间，无一定比例关系。2.湖中生物作