水資源學

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《水資源學》是2002年科學出版社出版的圖書，作者是陳家琦、王浩、楊小柳。

書 名水資源學

作 者陳家琦、王浩、楊小柳出版社科學出版社出版時間2002年04月

開 本16 開

裝 幀平裝ISBN9787030100054

內容簡介

本書闡述了水資源學的形成與發展,探討了水資源在變化的自然環境中以及因人類活動所引起的變化,及在水資源開發利用的全過程中對水資源的評價、規劃、利用、保護和管理各個環節中的問題,對水資源學領域中的主要進展趨勢進行了綜述,並對水資源合理配置的理論與方法及其價值觀進行了有益的探討，展望了今後在水資源學領域應側重研究解決的關鍵問題。

本書具有較強的科學性、知識性、方法性和資料性,可供水利、水資源、水文、地理、環境等專業的生產、教學、科研、管理及決策者使用和參考。

水資源學是對水資源進行評價、合理配置、綜合開發和合理利用和保護，為社會和經濟的可持續發展提供水的保證，處理好水資源和社會經濟發展及環境、生態系統間關係，以及對水資源實行科學管理和保護經驗的系統總結所形成的知識體系，是指導水資源業務的理論基礎。

水密度的變化

水(20張)水的密度在3.98℃時最大，為1.0×10³kg/m³，溫度高於3.98℃時（也可以忽略為4℃），水的密度隨溫度升高而減小 ，在0～3.98℃時，水熱縮冷漲，密度隨溫度的升高而增加。

原因：主要由分子排列決定。也可以說由氫鍵導致。由於水分子有很強的極性，能通過氫鍵結合成締合分子。液態水，除含有簡單的水分子（H₂O）外，同時還含有締合分子（H₂O）2和（H₂O）3等，當溫度在0℃水未結冰時，大多數水分子是以（H₂O）3的締合分子存在，當溫度升高到3.98℃（101kPa）時水分子多以（H₂O）2締合分子形式存在，分子占據空間相對減小，此時水的密度最大。

如果溫度再繼續升高在3.98℃以上，一般物質熱脹冷縮的規律即占主導地位了。水溫降到0℃時，水結成冰，水結冰時幾乎全部分子締合在一起成為一個巨大的締合分子，在冰中水分子的排布是每一個氧原子有四個氫原子為近鄰兩個氫鍵這種排布導致成是種敞開結構，冰的結構中有較大的空隙，所以冰的密度反比同溫度的水小。

化學

震撼聯合國的水結晶實驗

化學式：H₂O

結構式：H—O—H（兩氫氧鍵間夾角104.5°）。

相對分子質量： 18.016

化學實驗：水的電解。方程式：2H₂O=通電=2H₂↑+O₂↑（分解反應）

分子構成：氫原子、氧原子。

CAS號： 7732-18-5

水具有以下化學性質：

1.穩定性：在2000℃以上才開始分解。

水的電離：純水中存在下列電離平衡：H₂O==可逆==H⁺+OH⁻ 或 H₂O+H₂O=可逆=H₃O⁺+OH⁻。

註：「H₃O⁺」為水合氫離子，為了簡便，常常簡寫成H⁺，更準確的說法為H9O4⁺，純水中氫離子物質的量濃度為10⁻⁷mol/L。

2.水的氧化性：水跟較活潑金屬或碳反應時，表現氧化性，氫被還原成氫氣2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑ 。

Mg+2H₂O=Mg（OH）₂+H₂↑ 。

3Fe+4H₂O（水蒸氣）=Fe₃O₄+4H₂↑ （加熱）

C+H₂O=CO+H₂（高溫）。電解水實驗裝置(2張)

3.水的電解：

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水在直流電作用下，分解生成氫氣和氧氣，工業上用此法制純氫和純氧 2H₂O=2H₂↑+O₂↑。

4.水化反應：

水可跟活潑金屬的鹼性氧化物、大多數酸性氧化物以及某些不飽和烴發生水化反應。

Na₂O+H₂O=2NaOH

CaO+H₂O=Ca（OH）₂

SO₃+H₂O=H₂SO₄

P₂O₅+3H₂O=2H₃PO₄分子結構

CH₂=CH₂+H₂O←→C₂H₅OH

5.水解反應

鹽的水解氮化物水解：Mg₃N₂+6H₂O（加熱）=3Mg（OH）₂↓+2NH₃↑

NaAlO₂+HCI+H₂O=Al（OH）₃↓+NaCI（NaCI少量）

碳化鈣水解： CaC₂（電石）+2H₂O（飽和氯化鈉）=Ca（OH）₂+C₂H₂↑

鹵代烴水解： C₂H₅Br+H₂O（加熱下的氫氧化鈉溶液）←→C₂H₅OH+HBr

醇鈉水解： 右側視頻

從地球的最南端到最北端，水是生命的源泉

C₂H₅ONa+H₂O→C₂H₅OH+NaOH

酯類水解：

CH₃COOC₂H₅+H₂O（銅或銀並且加熱）←→CH₃COOH+C₂H₅OH

多糖水解：（C₆H₁₀O₅）n+nH₂O←→nC₆H₁₂O₆

6.水分子的直徑數量級為10的負十次方，一般認為水的直徑為2~3個此單位。水

7.水的電離：

在水中，幾乎沒有水分子電離生成離子。

H₂O←→H⁺+OH⁻

由於僅有一小部分的水分子發生上述反應，所以純水的Ph值十分接近7。

8.水是兩性物質，既有氫離子（H⁺），也有氫氧根離子（OH⁻）。但純淨蒸餾水是中性的。

9.水的硬度：

水的硬度最初是指鈣、鎂離子沉澱肥皂的能力。水的總硬度指水中鈣、鎂離子的總濃度，其中包括碳酸鹽硬度 （即通過加熱能以碳酸鹽形式沉澱下來的鈣、鎂離子，故又叫暫時硬度）和非碳酸鹽硬度（即加熱後不能沉澱下來的那部分鈣、鎂離子，又稱永久硬度）。硬水和軟水的區別，就是水中含有鈣、鎂化合物的多少程度。

水中有些金屬陽離子，同一些陰離子結合在一起，在水被加熱的過程中，由於蒸發濃縮，容易形成水垢，附着在受熱面上而影響熱傳導，我們將水中這些金屬離子的總濃度稱為水的硬度。

如在天然水中最常見的金屬離子是鈣離子（Ca2⁺）和鎂離子（Mg2+），它與水中的陰離子如碳酸根離子（CO32-）、碳酸氫根離子（HCO3-）、硫酸根離子（SO42-）、氯離子（Cl-）、以及硝酸根離子（NO3-）等結合在一起，形成鈣鎂的碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯化物、以及硝酸鹽等硬度。水中的鐵、錳、鈄等金屬離子也會形成硬度，但由於它們在天然水中的含量很少，可以略去不計。因此，通常就把Ca2+、Mg2+的總濃度看作水的硬度。水的硬度對鍋爐用水的影響很大，因此，應根據各種不同參數的鍋爐對水質的要求對水進行軟化或除鹽處理。

水的硬度分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度兩種。

碳酸鹽硬度：主要是由鈣、鎂的碳酸氫鹽[Ca（HCO₃）₂、Mg（HCO₃）₂]所形成的硬度，還有少量的碳酸鹽硬度。碳酸氫鹽硬度經加熱之後分解成沉澱物從水中除去，故亦稱為暫時硬度。 非碳酸鹽硬度：主要是由鈣鎂的硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽等鹽類所形成的硬度。這類硬度不能用加熱分解的方法除去，故也稱為永久硬度，如CaSO₄、MgSO₄、CaCl₂、MgCl₂、Ca（NO₃）₂、Mg（NO₃）₂等。

碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度之和稱為總硬度；水中Ca2+的含量稱為鈣硬度；水中Mg2+的含量稱為鎂硬度；當水的總硬度小於總鹼度時，它們之差，稱為負硬度。

生活中可用肥皂水鑑別軟硬水，將肥皂水加入被測水後震盪，泡沫多浮渣少的是軟水，反之比較硬。

目錄

用途

1.人類的生命之源

在地球上，哪裡有水，哪裡就有生命。一切生命活動都是起源於水的。人體內的水分，大約占到體重的65%。其中，腦髓含水75%，血液含水83%，肌肉含水76%，連堅硬的骨骼里也含水22%呢!沒有水，食物中的養料不能被吸收，廢物不能排出體外，藥物不能到達起作用的部位。人體一旦缺水，後果是很嚴重的。缺水1%-2%，感到渴；缺水5%，口乾舌燥，皮膚起皺，意識不清，甚至幻視；缺水15%心跳急促 失憶，意識就快消失。缺水20%暈倒，像死一樣。往往甚於飢餓。沒有食物，人只可以活3周，如果連水也沒有，頂多能活3天。

2.植物的生命源泉

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用手抓一把植物，你會感到濕漉漉的，涼絲絲的，這是水的緣故。植物含有大量的水，約占體重的80%，蔬菜含水90%-95%，水生植物竟含水98%以上。水替植物輸送養分；水使植物枝葉保持婀娜多姿的形態；水參加光合作用，製造有機物；水的蒸發，使植物保持穩定的溫度不致被太陽灼傷。植物不僅滿身是水，作物一生都在消耗水。1公斤玉米，是用368公斤水澆灌出來的；同樣的，小麥是513公斤水，棉花是648公斤水，水稻竟高達1000公斤水。一籽下地，萬粒歸倉，農業的大豐收，水立下了不小的功勞呢！

3.工業的血液

水，參加了工礦企業生產的一系列重要環節，在製造、加工、冷卻、淨化、空調、洗滌等方面發揮着重要的作用，被譽為工業的血液。例如，在鋼鐵廠，靠水降溫保證生產；鋼錠軋製成鋼材，要用水冷卻；高爐轉爐的部分煙塵要靠水來收集；鍋爐里更是離不了水，製造1噸鋼，大約需用25噸水。水在造紙廠是紙漿原料的疏解劑、解釋劑、洗滌運輸介質和藥物的溶劑，製造1噸紙需用450噸水。火力發電廠冷卻用水量十分巨大，同時，也消耗部分水。食品廠的和面、蒸餾、煮沸、醃製、發酵都離不了水，醬油、醋、汽水、啤酒等，其實就是水的化身。

4.製備純水

方法主要有蒸餾法和離子交換法。

將自來水直接蒸餾可獲得一般實驗所需的蒸餾水。對於重要的物理化學和分析化學實驗，通常採用二次或三次蒸餾水，這種蒸餾最好在石英裝置中進行，所得的純水應收集在耐高溫玻璃、石英或聚乙烯瓶中。

為了除去水中的有機雜質和NH+4與Cl-，最好在每升被提純的水中加入0.05g KMnO4，半小時後加入0.5～1g鉀明礬，再過半小時後加入0.66g Na2HPO4，靜置半小時後過濾，濾液煮沸10min後再加入蒸餾瓶中進行蒸餾，除去餾出物開頭和最後的餾份（各10%）。

離子交換法是製備高純度水的更好方法。離子交換樹脂分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂，兩種樹脂在裝柱前分別進行預處理。陽離子交換樹脂先用自來水反覆漂洗除去其中的色素、水溶性雜質及其他夾雜物，直至水清無泡沫，並用純水浸泡4h。然後用5%的鹽酸溶液浸泡樹脂（以沒過樹脂為宜）4h，適當攪拌，將鹽酸排盡後以純水反覆洗至近中性為止。陰離子交換樹脂同樣用水反覆漂洗直至水清無泡沫，並用純水浸泡4h。再用5%氫氧化鈉溶液浸泡4h，適當攪拌，然後將氫氧化鈉溶液排盡，以純水反覆洗至近中性為止。處理好的樹脂裝入準備好的有機玻璃交換柱中，交換流程按陽離子交換柱陰離子交換柱混合樹脂交換柱（陽、陰離子交換樹脂充分混勻）的順序設定。控制一定流速向交換柱中通入蒸餾水（或自來水），從混合樹脂交換柱中流出純水，當水質達到要求後即可使用。

分類

按分子量

• 重水

重水（heavy water）（氧化氘）是由氘和氧組成的化合物。分子式D₂O，分子量20.0275，比普通水（H₂O）的分子量18.0153高出約11%，因此叫做重水。在天然水中，重水的含量約占0.015%。由於氘與氫的性質差別極小，因此重水和普通水也很相似。重水的離子積常數為1.6*10-15。

• 輕水

為了與重水區別，將普通水稱為輕水。動力堆中的慢化劑，大多是輕水、重水和石墨；它們的冷卻劑，則多是輕水、重水和氦等氣體。唯有輕水是目前各種反應堆中用得最廣的慢化劑和冷卻劑。

普通水(H2O)經過淨化，用做反應堆的冷卻劑和中子的慢化劑，叫做輕水。

輕水為相對分子質量為1的H原子和相對分子質量為16的O原子構成的水。其相對分子質量為18。另外，還有相對分子質量為20，22等的水。在中學化學階段，相對分子質量為18的水稱為輕水。

按日常生活

1、地下水與地表水

地下水——有機物和微生物污染較少，而離子則溶解較多，通常硬度較高，蒸餾燒水時易結水垢；有時錳氟離子超標，不能滿足生產生活用水需求。

地表水——較地下水有機物和微生物污染較多，如果該地屬石灰岩地區，其地表水往往也有較大的硬度，如四川的德陽、綿陽、廣元、阿壩等地區。

2、硬水與軟水

硬水——水中鈣鎂等金屬離子的總濃度稱為硬度，硬水對鍋爐等生產用水影響很大，應對其進行軟化、脫鹽處理。硬度大於200mg/L的通常就稱之為硬水。

軟水——即硬度較小的水。

3、原水與淨水

原水——通常是指水處理設備的進水，如常用的城市自來水、城郊地下水、野外地表水等，常以TDS值（水中溶解性總固體含量）檢測其水質，中國城市自來水TDS值通常為100～400ppm。

淨水——原水經過水處理設施處理後即稱之為淨水。

4、純淨水與蒸餾水

純淨水——原水經過反滲透和殺菌裝置等成套水處理設施後，除去了原水中絕大部分無機鹽離子、微生物和有機物雜質,可以直接生飲的純水。

蒸餾水——以蒸餾方式製備的純水，通常不用於飲用。

5、純水和超純水

純水——以反滲透、蒸餾、離子交換等方法製備的去離子水，其TDS值通常<5PPm,電導率通常<10μs/cm（電阻值>0.1MΩ.cm）。

超純水——以離子交換、蒸餾、電除鹽等方法將純水進一步提純去離子即得，其TDS值不可測，電導率通常<0.1μs/cm（電阻值>10MΩ.cm），其離子幾乎完全去除。理論上最純水電阻值為18.25 MΩ.cm。

6、純化水和注射用水

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純化水——醫藥行業用純水，電導率要求<2μs/cm。

注射用水——純化水經多效蒸餾、

超濾法再次提純去除熱原後可以配製注射劑的水。

按照用途區別

1.地表水：質量標準中Ⅰ類主要適用於源頭水、國家自然保護區；Ⅱ類主要適用於集中式生活飲用水地表水源地一級保護區、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產卵場、仔稚幼魚的索餌場等；Ⅲ類主要適用於集中式生活飲用水地表水源地二級保護區、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產養殖區等漁業水域及游泳區；Ⅳ類主要適用於一般工業用水區及人體非直接接觸的娛樂用水區；Ⅴ類主要適用於農業用水區及一般景觀要求水域。

2.地下水：質量標準中Ⅰ類主要反映地下水化學組分的天然低背景含量。適用於各種用途。Ⅱ類主要反映地下水化學組分的天然背景含量。適用於各種用途。Ⅲ類以人體健康基準值為依據。主要適用於集中式生活飲用水水源及工、農業用水。Ⅳ類以農業和工業用水要求為依據。除適用於農業和部分工業用水外，適當處理後可作生活飲用水。Ⅴ類不宜飲用，其他用水可根據使用目的選用。

3.海水：質量標準中第一類適用于海洋漁業水域，海上自然保護區和珍稀瀕危海洋生物保護區。第二類適用於水產養殖區，海水浴場，人體直接接觸海水的海上運動或娛樂區，以及與人類食用直接有關的工業用水區。第三類適用於一般工業用水區，濱海風景旅遊區。第四類適用于海洋港口水域，海洋開發作業區。

4.生活飲用水：供人生活的飲用和生活用水

5.電子超純水：用於電子元件及集成電路

影響

對氣候

水對氣候具有調節作用。大氣中的水汽能阻擋地球輻射量的60%，保護地球不致於被冷卻。海洋和陸地水體在夏季能吸收和積累熱量，使氣溫不致過高；在冬季則能緩慢地釋放熱量，使氣溫不致過低。

海洋和地表中的水蒸發到天空中形成了雲，雲中的水通過降水落下來變成雨，冬天則變成雪。落於地表上的水滲入地下形成地下水；地下水又從地層里冒出來，形成泉水，經過小溪、江河匯入大海。

形成一個水循環。

雨雪等降水活動對氣候形成重要的影響。在溫帶季風性氣候中，夏季風帶來了豐富的水氣，夏秋多雨，冬春少雨，形成明顯的乾濕兩季。

此外，在自然界中，由於不同的氣候條件，水還會以冰雹、霧、露水、霜等形態出現並影響氣候和人類的活動。

對地理

在地球表面有71%被水資源覆蓋，從空中來看，地球就是個藍色的星球。水侵蝕岩石土壤，沖淤河道，搬運泥沙，營造平原，改變地表形態。

地球表層水體構成了水圈，包括海洋、河流、湖泊、沼澤、冰川、積雪、地下水和大氣中的水。由於注入海洋的水帶有一定的鹽分，加上常年的積累和蒸發作用，海水和大洋里的水都是鹹水，不能被直接飲用。某些湖泊的水也是含鹽水，比如：死海。世界上最大的水體是太平洋。北美的五大湖是最大的淡水水系。歐亞大陸上的裏海是最大的鹹水湖。

地球上水的體積大約有 1,360,000, 000 立方公里。海洋占了1,320,000,000立方公里（97.2%）；冰川和冰蓋占了25,000,000立方公里（1.8%）；地下水占了13,000,000立方公里（0.9%）；湖泊、內陸海，和河裡的淡水占了250,000 立方公里（0.02%）；大氣中的水蒸氣在任何已知的時候都占了13,000立方公里（0.001%）。

雨水的藥用功能

雨水，又名無根水，中醫認為其性輕清，味甘淡，諸水之上也。夏日尤佳。飲之可以去病。（剛下的雨水中含有大量塵埃，特別在現代化的和工業污染嚴重的城市，成分相當複雜，甚至可能含有致病微生物。但在未受污染的地方，乾淨的雨水功能依舊）

對人體

水對於人來說，水是僅次於氧氣的重要物質。在成人體內，60%的質量是水。兒童體內水的比重更大，可達近80%。如果一個人不吃飯，僅依靠自己體內貯存的營養物質或消耗自體組織，可以活上一個月。但是如果不喝水，連一周時間也很難度過。體內失水10%就威脅健康，如失水20%,就有生命危險，足可見水對生命的重要意義。

水還有治療常見病的效果，比如：清晨一杯涼白開水可治療色斑；餐後半小時喝一些水，可以用來減肥；熱水的按摩作用是強效的安神劑，可以緩解失眠；大口大口地喝水可以緩解便秘；睡前一杯水對心臟有好處；噁心的時候可以用鹽水催吐。

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1.溶解消化功能

水是體內一切生理過程中生物化學變化必不可少的介質。水具有很強的溶解能力和電離能力（水分子極性大），可使水溶性物質以溶解狀態和電解質離子狀態存在，甚至一些脂肪和蛋白質也能在適當條件下溶解於水中，構成乳濁液或膠體溶液。溶解或分散於水中的物質有利於體內化學反應的有效進行。

食物進入空腔和胃腸後，依靠消化器官分泌出的消化液，如唾液、胃液、胰液、腸液、膽汁等，才能進行食物消化和吸收。在這些消化液中水的含量高達90%以上。

2.參與代謝功能

在新陳代謝過程中，人體內物質交換和化學反應都是在水中進行的。水不僅是體內生化反應的介質，而且水本身也參與體內氧化、還原、合成、分解等化學反應。水是各種化學物質在體內正常代謝的保證。

如果人體長期缺水，代謝功能就會異常，會使代謝減緩從而堆積過多的能量和脂肪，使人肥胖。

3.載體運輸功能

由於水的溶解性好，流動性強，又包含於體內各個組織器官，水充當了體內各種營養物質的載體。在營養物質的運輸和吸收、氣體的運輸和交換、代謝產物的運輸與排泄中，水都是起着極其重要的作用。比如，運送氧氣、維生素、葡萄糖、氨基酸、酶、激素到全身；把尿素、尿酸等代謝廢物運往腎臟，隨尿液排出體外。

4.調節抑制功能

水的比熱高，對機體有調節體溫的作用。

防止中暑最好的辦法就是多喝水。這是因為認為攝入的三大產能營養素在水的參與下，利用氧氣進行氧化代謝，釋放能量，再通過水的蒸發可散發大量能量，避免體溫升高。當人體缺水時，多餘的能量就難以及時散出，從而引發中暑。

此外，水還能夠改善體液組織的循環，調節肌肉張力，並維持機體的滲透壓和酸鹼平衡。

5.潤滑滋潤功能

在缺水的情況下做運動是有風險的。因為組織器官缺少了水的潤滑，很容易造成磨損。因此，運動前的1個小時最好要先喝充足的水。

體內關節、韌帶、肌肉、膜等處的活動，都由水作為潤滑劑。水的黏度小，可使體內摩擦部位潤滑，減少體內臟器的摩擦，防止損傷，並可使器官運動靈活。

同時水還有滋潤功能，使身體細胞經常處於濕潤狀態，保持肌膚豐滿柔軟。定時定量補水，會讓皮膚特別水潤、飽滿、有彈性。可以說，水是美膚的佳品。

6.稀釋和排毒功能

不愛喝水的人往往容易長痘痘，這是因為人體排毒必須有水的參與。沒有足夠的水，毒素就難以有效排出，淤積在體內，就容易引發痘痘。

其實，水不僅有很好的溶解能力，而且有重要的稀釋功能，腎臟排泄水的同時可將體內代謝廢物、毒物及食入的多餘藥物等一併排出，減少腸道對毒素的吸收，防止有害物質在體內慢性蓄積而引發中毒。因此，服藥時應喝足夠的水，以利於有效地消除藥品帶來的副作用。

人體必須的七大營養素

蛋白質	脂肪	維生素	糖類
礦物質	水	膳食纖維

視頻

水的淨化實驗

水電解實驗視頻