基础知识天然水的化学成分.docx

1、基础知识天然水的化学成分淡水养殖水化学第一章基础知识第一节天然水的化学成分 水产养殖生产虽有多种方式。如大水面天然增殖、池塘精养、高密度流水养鱼、循环过滤工厂化养鱼等，它们所用的水源，归根到底都来自天然水，水中的化学成分决定了所用天然水的水质。因此，对天然水的化学成分必须有基本的了解，这对我们认识养殖水体的水质特点是十分重要的。 一、天然水水质的复杂多变性我们知道，水是良好的溶剂，绝对不溶于水的物质是没有的。自然界中的水是在不断地循环变化，水在阳光照射下不断地从江河、湖泊、海洋中蒸发，在高空冷凝成为雨或雪降落到地面，以地面径流或渗流形式，重新回到江河、湖泊、海洋，然后再蒸发、冷凝下降至地面，如

2、此川流不息、循环交换不已。在循环过程中水与各种物质接触、作用，使之溶解或悬浮于水中。因此各种天然水不是纯水，而具有复杂的组成、多变的特点。主要表现在以下几方面： 1水中溶存的物质，种类繁多，数量悬殊，在人们迄今已知的107种元素中，在天然水中检出的已有80多种。这些成分的含量差别很大，例如海水中的Cl一离子含量高达10209I。，铜的含量只有约o003mgL，钌的含量更少，不到10-179L。 2水中溶存物质的存在形式多种多样，就物质在水中分散粒径来说，大小相差可达六个数量级以上，小的仅几个埃，以真溶液存在。大的在数百微米以上，构成多相体系。在溶液中有低分子物质，也有高分子物质，它们可以成单个

3、的离子、分子、离子对、无机络合物，有机螯合物等多种形式存在，它们通过化学反应以及吸附、交换、共沉淀等界面作用可转为胶体或粗分散粒子。 即使是同一元素在同一水体内，其存在形式也可以是多种多样的。值得注意的是，同一元素以不同形式存在时，对生物的影响可以完全不同。有的是有益的，称为“有效形式”；有的是有害的，称为“有害形式”。例如氮以N。存在时，多数浮游植物不能利用，数量多时可能使鱼苗得气泡病；以NH。存在时。浮游植物可以吸收利用，是有益的，对鱼类及其他动物则有毒害作用。 3水中溶存的物质，不论是质与量的组成，还是分散状态、存在形式，都是在不断运动变化的，有些变化可使水中某些物质浓度增大称为“增补作

4、用”。若增补来自水体内部，则称为“再生”；若增补来自水体之外，则称为“输入”或“流进”。相反，有些变化会使水中某些物质浓度减小称为“消耗作用”。离开水体而去的消耗称为“输出”或流失。水体内部的消耗作用，包括有益的吸收利用和无益的消耗浪费。 如果增补作用与消耗作用速度达到相等，即达到动态平衡。此时所述有关物质的浓度可保持相对稳定，相当于生态学上的一种“恒稳状态”，可称为稳态平衡。这种平衡与一切化学平衡一样。是在一定条件下建立起来的暂时的、相对的平衡。一旦条件改变，旧的稳态平衡随之破坏，并在新的条件下建立新的稳态平衡。由于这种矛盾运动的不断进行，可使水中任一溶存物质的实际浓度都处于不断运动变化之中

5、一天24h不同一年四季不同，前青称为。周日变化”后者称为“周年变化”或“季节变化”。同一水体的不同水层、水 区的水质也可不同，前者称为“垂直分布”，后者称为“水平分布”。 以上所述是天然水水质的一些共性。不同地区的天然水体，由于所处自然地理条件不同所受的影响也不佯。所以它们的复杂多变性常常还各有自己的特点，即所谓的地方色彩，必须具体调查分析。水产养殖加盟 二、天然水中的常见化学成分 尽管天然水中的化学成分是复杂多变的，但在了解水中的化学成分时，还是有一定规律可循。在与生物有关的水化学研究中，人们常根据各种天然水所含主要成分大体相同以及对水生生物影响的一些共性，把天然水中的化学成分大体分为六类。

6、 1溶解气体O：、N：、c()。等。 2主要离子包括四种阳离子和四种阴离f：Ca”、Mg”、Na+、K r、HCO；、CO、SOi、Cl。 3营养盐类包括三种无机氮化合物即NO。、NO：、NHi磷酸盐、硅酸盐、铁等。 4有机物质 指溶解的悬浮的各种有机物质包括淀粉、脂肪、蛋白质及其不完全分解的产物等，还包括腐植质类物质等。 5pH是表示水的酸碱性的指标。它是重要的水化因子和生态因子对生物和水质有着重要影响。 6工业污染物随着工业的发展，各种工业废物进入天然水体的量日益增多，汞、镉、铬、铅、砷、酚及氰化物等都是天然水中常见的工业污染物。随着人们对环境保护工作的重视，这类有毒有害物质进入水体的量将

7、逐渐减少。 三、天然水化学成分的主要来源天然水中的各种化学成分主要来自以下几个方面： 1从空气中溶解，空气中的各种成分可以通过气一液界面溶于水中这一作用对大气降水的化学组成影响很大，1000ml雨水在下落的过程中可洗涤约33X lol空气，空气中的成分将大量溶于水中。除Nz、()。等接近饱和外，还含有S()i、CI、Caz+、Mg、K+、Na+以及N()。、NQ 2等。大气降水的总含盐量_般在数十mg1。 2对岩石、土壤的溶滤作用 水与土壤、岩石接触，可将其中可溶组分溶解。在沉积岩内，常含有多量NaCI、CaSO2H：O、CaC()。、Mg(O。等，前二者本身可溶于水中，后二者当水中有COz存

8、在时可转变为易溶的酸式盐。各种长石经风化后也会生成易溶成分： Na 20A1 203。6Si()：+5H?【)一2NaHSi()。+2H2SiO；+AI：032Si022HzO Na20。Al 2()36Si()2+2COz+3H20-2NaHC()。+4Si02+A12032Si022H：() Ca()。2Alz()。4Si()2+2C02+5HzO+Ca(HC()3)2+2(A12032Si022H20) 土壤中含有许多可溶性无机盐及有机物质。某些干旱地区的土壤含易溶盐分很高，与这种土壤接触的水，含盐量就相对较高。 3水中生物的分泌排泄和微生物的分解转化作用 水生生物在其生命活动过程中，要

9、不断分泌排泄其代谢产物生物死亡后的尸体会被微生物分解并再合成。这是水中有机物、氮、磷等营养物质的主要来源。 4离子的交换吸附作用 天然水中存在着粘上、腐殖质等胶态、悬浮态微粒，它们带有负电荷，其表面吸附着一些可以代换下来的阳离子。腐殖质胶体的交换容量。较大，一般可达150700mmol1009；矿物胶体的交换容量较小，一般约有1080mmol1009。 交换吸附作用是可逆的过程，进行到该条件下达到平衡为止。例如，酸性土壤胶粒所具有的可交换性阳离子中H+、Al”较多，当水中其他阳离子浓度增大时会依下式把H+、A13+交换解吸，使水中H。离子浓度增大： H+ Ca2+ Caz+ l黏土或胶粒l +

10、K+一I黏土或胶粒lK+H+A13+ Al 3， Na Na 又如盐碱土所具有的可交换性阳离子中Na较多，当水中C()：浓度增大时可依下式进行交换吸附： Na H 圆+茹。一匝蔷弋2N然 Na 4 H+ 不同的离子被吸附的难易程度不同。一般首先决定于它的电价，电价越高的离子越易被吸附。电价相同时，离子半径大(水化离于半径小)的易被吸附。其他条件相同时，阳离子被土壤胶粒吸附的顺序是： Fe3Al 3+HCa2 4M92+KNH?Na 带正电荷的胶粒则具有可交换的阳离子。阴离子被带正电荷的胶粒吸附的顺序是：C2(。)：C。H。()；HP()：s()；2CIN()j 第二节天然水的一些物理性质 一、

11、水的热学性质水是热的不良导体如果不发生流转混合，热鲢由水体的一端传递到另一端的速度是极慢的。 热容：在所有固体和液体中，水的热容最高(除氨外)。 熔化潜热：在所有固体和液体中水的溶化潜热最高(除氨外)。 蒸发潜热：在所有物质中水的蒸发潜热最人。 上述热学性质对稳定水温有积极作用对水牛生物是有利的。 热膨胀：一般液体都是热胀冷缩的温度升高密度变小温度降低密度变大冷至凝固则密度最大。水与水溶液的情况则较复杂详如图卜1和图1_2所示：由图可知，纯水冰点为o(最大密度H寸的温度为4 C(398()由4 C起升温或降温密度均逐渐变小，即4(、以上，水足“热胀冷缩”的4(、以下，水是“冷胀热缩”的。含盐分

12、的天然水冰点和最大密度时的温度部随盐度的增加而下降。最大密度时的温度随盐度的增加而下降得快，冰点随盐度增加下降得慢两线相交r盐度为247。温度为一135 C处即盐度为247的水，它的最大密度时的温度与冰点相同均为一135 C。盐度小于247的水，最大密度时的温度高 于 冰点，由最大密度时的温度开始不管是升温，- 相当于loog干物质所具有的可交换阳离子的总量(以毫摩为单位)称为该物质的交换容量。还是降温，密度均逐渐变小。由于这一特点，盐度小于247的各种天然水体，当温度降至凝固点，结冰都是从水表面开始，底层水温仍在冰点之上。这时对鱼类的越冬是有利的。 二、水的透辐射性质和水的透明度 (一)水的

13、透辐射性质 抵达水面的太阳辐射，一部分被水面反射，回到大气中，一部分进入水体，被水吸收或向深处透入。影响进入水体内部的有效太阳辐射能的主要因素是： 1抵达水面的太阳辐射总量这又与云层覆盖程度、海拔高度、纬度、日长等有关。 2水面对光的反射性 主要与太阳的高度角(指太阳光线与地平面的夹角)有关。太阳高度角较大(30。以上)，因水面反射而损失的太阳辐射能很小。太阳高度角小于30。，随高度角减小。反射损失的太阳辐射能迅速增加。太阳位于天顶时，98的太阳辐射可穿过水面进入水体。若太阳位于地平线附近，则几乎全部太阳辐射被水面反射。可见早晨和傍晚被水面反射损失的阳光较多，进入水中的阳光能量较少，水中的“白

14、天”远没有大气中的白天那么长久。 水面有波浪时会影响水面对光的反射性。太阳高度角较大时，波浪会增加反射损失。太阳接近地平线时，波浪则使反射损失减小。 3水体的浑浊度 悬浮在水中的黏土粒子、有机碎屑、浮游生物、微生物、各种沉淀及絮凝物，都能形成浑浊度。浑浊度高，光的吸收、散射损失也大。 进入水体的太阳辐射，一部分被水吸收，一部分被悬浮微粒吸收或散射，一部分继续向深处穿透。透过水面进入水体内部的光能随穿透径(水深)增加而衰减。图13表示了光在穿透清洁水时能量随深度的相对变化。 太阳辐射线中，红外线、紫外线最容易被水吸收，能量衰减很快，大部分能量在表水层被吸收消耗，如图13中的曲线a、b。水对可见光

15、的吸收较弱，其中穿透能力最强的是蓝绿色光，其光随深度增加衰减很慢(曲线d)。而红色光的衰减则快得多(曲线c)。若水的浑浊度较大，则光随深度的衰减得更快。有人研究得出，照射到湖面的太阳辐射能量的80被表面1m厚的水层所吸收，并且大部分能量消耗在最表面的20cm水层中，这些辐射能被吸收后转变为热能，使表层水温升高。若无风，太阳辐射只能加热表层水，对深层水4 3 2 l O l 5 2 3 4 5 I)鹫赠的温度影响很小。 上述水的透辐射性质，对水中浮游植物可能产生以下三种影响： (1)光抑制区：光强过高，抑制浮游植物生长。在光照强的白天，最表水层可发生这一情况。 (2)光适宜区：光强适宜，在其他条

16、件合适时，浮游植物可以饱和速度进行光合作用。日 照强烈的次表水层，阴天或日照不强的最表水层，多属这种情况。 (3)光限制区：光强太弱，即使其他条件适宜，植物也无法生长。 (二)水的透明度把透明度板(直径为20cm的黑白相间的圆盘)沉入水中，至恰好看不见板面的白色，此时水的深度即为透明度。 透明度是进入水体内的阳光能量大小的一种量度，也是水体内能量流动的能源大小的一种量度。不同水体，由于影响进入水体内的有效太阳辐射的因素互不相同，它们的透明度可以相差很远，小的不足20cm，大的可达lOm左右。 经验表明：透明度深度下的照度，仅为水面照度的15左右。光辐射能量相对值) 在表水层，阳光充足，植物可正

17、常生长， 图l3光辐射能量在水中的衰减动物所需的有机营养主要在这一水层内生成，称为营养生成层。 底水层，光强不足或没有光线，植物不能正常生长，有机营养不能合成积累，相反地，有机营养物质被分解消耗，称为营养分解层。 在营养生成层与营养分解层之间的某一深度。有机营养的合成量与分解量大体相等，称为“补偿点”，相应的水深称为“补偿深度”，约为透明度的两倍。显然，在营养生成层与营养分解层内进行着不同的化学反应，这是导致天然水体内化学成分垂直分布不均一的重要原因。第三节 天然水体的流转混合及温度分布 一、水的混合作用 在天然水体内，水的混合作用可分为因密度不同引起的自动混合和因风力引起的强制混合两种。 水

18、的自动混合作用是指表层水密度增大，与密度较小的下层水之间发生对流交换作用。表层水密度增大，是由于温度下降(水温大于4 C)或温度上升(水温小于4 C)所引起。这种因上下水层的密度差而引起的自动混合又称为“密度环流”。湖水或池塘水在升温或降温时期，都是岸四周的浅水区变化人。降温时期岸边水先冷却，若在4 C以上，密度增大，会形成如图14所示的环流。4(：以卜的水在升温时期，也有类似的环流形成。这是简单的模式，具体情况不同所形成的环流状况也不同。在自然条件下。纯密度环流较少发生，常伴有风力作用的参与。 在风的吹拂下，会形成如图15所示的风动环流。在风力作用下，表层水随风力方向运动。造成迎风岸的水l二

19、涨背风岸的水F落由水位差的作用又使下层水向相反方向流动，从而使不同水层的水发生所谓强制混合作用。若风力不大，只造成部分流转混合，当风力很火时则流转混合较为彻底。 二、天然水体内的热分层和季节变化我国北方地区一些较深的湖泊、水库等相对静止的水体，水温的垂一分布有典型的季节特征：夏季水温上层高、下层低，呈温度的正分布；冬季水温下层高、上层低，呈温度的逆分布；春秋两季是表底水层温度近于相同时期(称为全同温期)。下面分别加以讨论。 1冬季的逆分层期我国北方地区的湖泊、水库在冬季都可封冻，表层被一定厚度的冰层覆盖，紧贴冰下的水温为o(、，随着深度增人温度略有增加l，到底层为l C。也可能是23 C或更低

20、些。 于水温是上层低下层高，称为温度的逆分布。此时温度随深度的变化是缓慢的故无明显的分层现象。 2春季全同温期春季气温回升大地转暖。水面冰层融化后，在太阳辐射下被加热的表层水温度向4(、方向升高，其密度大r温度较低的下层水，产生密度环流混合作用直到上 下层水温均为4C，密度环流停止 ，故称为“全同温期” 。春季一般多风，当达到全同温后，风力的强制混合作用易将整个水体彻底混合。如果一边刮风一边受阳光的照射，则水体上层被加热的水可不断地与下层水混合，使上下水层同时升温。所以春季的全同温期不仅限于4(而是呵以延续到4 C以上例如10 C、15 C等，视风力及湖盆形状而定。 春季的全同温期，对养殖水体

21、中的鱼类及饵料生 物都是有利的。 3夏季正分层期(停滞期) 夏季是温度持续向4( 以上二升高的时期。在阳光照射下，被加热的表层水难于将其热量传递到下层，如果在这一时期内无风或少风，天气晴朗，则水体表层温度能很快上升，使上下 水层温度差增大，密度差也增大，上轻下重呈现温度的正分布。此时在表底水层之间常会出现“温跃层”即在表底水层间某一深度处，水深改变不大而水温迅速下降的水层。由于表底水层温度相差较大，上轻下重，水体很难自由流转混合，所以这一时期的水体称为“停滞分层期”。在温跃层以上的水层温度高，温度随深度变化不大l在温跃层以下的水层温度低，温度随深度的变化也不大。如图16b所示的典型情况。底层水

22、温不一定是4 C。经常是高于4 C这具体决定于春季全同温期所延续的温度。 温跃层形成后，风力的强制混合作用只能在温跃层以上进行，而不能混合到底。风力增大，强制混合的深度加大，温跃层则会向下移；当风力足够大时，温跃层可能消失。 深而狭窄、岸高且多树的水体，在夏季连续多日无风或仅有微风的日子里，容易形成温跃层。 温跃层就象一个屏障，把上下水层隔开，上下水层中的物质得不到交换，久而久之，上下水层中的化学成分可能有很大差异。这种情况会影响鱼产力。对养殖生产不利。 图17是辽宁大伙房水库大坝西侧水温的垂直分布，从图中可见，在1418m间有一个温跃层。图18是无锡市河埒大队的一个小鱼池的水温垂直分布与时间

23、的关系，从图中可见，水的对流交换只能进行到80cm深处。80cm以下的水温在1天之中基本没变化，这一水层的水温随深度增加迅速下降，即所谓的温跃层，只不过由于池水较浅，温跃层以下的深水层不存在。 4秋季全同温期秋季天气转凉表层水温向4 C方向下降密度增大，变重下沉，次表水层则对流上升，发生部分流转混合。若表层水温继续下降到等于或低于底层水温，则表底水层密度差消失，甚至上重下轻，使表底水层对流混合，或在风的吹动下，完全流转混合从而使整个水体温度一一致也呈全同温流转状态。如图16c所示。 我国南方地区的一些湖泊、水库、池塘全年水温都在4 C以上因此，只存在4 C以上的正分层及流转混合。一般说来春、夏

24、趋于正分层，秋、冬趋于流转混合。 在温度剧烈变化的日子里，水的分层及流转混合，还可在1天内交替出现：白天趋于正分层，晚上趋于流转混合。水的分层及流转，对于水的化学成分的分布、变化影响极大。水分层时，水化学成分也垂直分层。水体流转时。水化学成分垂直分布趋于均一。因此了解水体分层及流转情况，是掌握水化学成分分布特点的重要依据。经常测定记录不同水层的水温变化，是了解水体分层或流转状况的有效方法。第二章主要离子 水中溶存数量多的离子称为主要离：f。各类天然水中的主要离子有Ca2+、Mgz+、Na+、K+、tCOf、CO；。、SO；一、Cr等，它们构成的盐类约占水中溶解盐类总量的90以上。在各类天然水中

25、含盐量及主要离子的比例关系有很大差别。在多数淡水中阳离子以C2为主，阴离子以HC0i为主而在海水巾阴离子则以Cl为主。 各主要离子含量。若以“mmolL”为单位(一价离子以“离子”为基本单元，二价离子以“12离子”为基本单元)表示时，则四种主要阳离子之和与四种主要阴离子之和有近似相等的关系即： Na十K+叶Ca：十Mg：H【：o。+(：()+S()：+Cr 天然水中的主要离子主要来自上壤、岩石及有关矿物。 众所周知几乎所有钾盐、钠盐、大多数硫酸盐、金属氯化物和重碳酸盐都易溶于水。这些盐类在自然界中分布极广，例如沉积岩特别是海成沉积岩内，常含多量NaCl、CaS()。2I_tzO、CaCO。、M

26、gC()。等前两者可溶于水中，后二者在C()：存在时，可转变为易溶的重碳酸盐： Ca(：(J。+(：()2+H：()=Ca(IICO。)： MgC()。+C()2十H：()一Mg(HC()二)2 盐碱土中含多量NaCI、Na。C()。，均易溶于水。 各种长石经风化后可以形成高岭土及可溶性碳酸盐类。例如： Kz()人12()。6Si()2+2C()2+3H20一一2Kt_I【：(J3+4Si()2+H人12Si20。 一些重金属硫化物经氧化风化后，也可变为易溶成分。例如： PbS+202一PbS()； CuFeS2+4()zCuS()4+FeS()l 2FeSz+7()2+2H2()=2FeS(

27、)。+2H2S() 天然水在不断循环运动过程中，流经各种土壤、岩石及矿物，与之接触时上述易溶物质溶进水中，并电离成K。、Na。、Ca2、M92+、I-IC()“CO、Cl一、S()，成为水中主要离子。与此同时，一些水合氧化铝、水合氧化铁、水合氧化硅以及铝硅酸盐、矿物微粒也被带进水中，成为水中矿物胶体的主要来源。 水中主要离子的动态主要决定于各种非生物因素(地质、地理条件、蒸发与降水强度，结冰、融冰情况，水源补给以及物质本身的理化特点)，生物影响是次要的。其一般倾向是：多雨潮湿地区，水中含盐量较低；干旱地区，水中含盐量较高。且因Caz、Mg+的碳酸盐、硫酸盐的溶解度较小，过饱和后即行析出，故水中

28、主要离子相对比例亦发生变化。阳离子由Ca2+为主过渡到以Na为主，阴离子由HC()。为丰过渡到以Cl为主。 对具体水体而言，若水源补给以雨水或冰雪融化为主，则含盐量较低；若以地下水补给为主，则含盐量较高。但水质情况较复杂与当地地质条件关系极大。受海水影响的淡水水体，含盐量显著增大。淡水中的主要离子除HCOf、C()；一外，大多为没有规律性的昼夜变化和季节变化，只是在集中降水时，表层水含盐量有所减小，强烈蒸发时，表层水含盐量有所增多。两种情况都会导致垂直方向出现小的浓度梯度，主要离子则沿浓度梯度方向由高向低扩散迁移当水体流转时，梯度很快消失，分布重新均一。一些水体，在各补给水质水源不同时，主要离

29、子的水平分布与垂直分布也可不均一。例如一条河流的同一断面上，河中心与有交流的沿岸，主要离子互不相同I同一湖泊、水库的不同水源入口处，主要离子常有差别。利用这些特点，可以推测各种补给水源对水体的影响程度。各主要离子的水化特点、规律及其对水质与养殖生产的影响，在下面分节进行讨论。第一节主要阴离子 一、碳酸盐与I碳酸盐 天然水中C()；一和HCOf，这两种主要离子所成盐类前者称为。碳酸盐”，后者称为“重碳酸盐”。 Coj一、HCOf的来源主要有：土壤、岩石中碳酸盐矿物的溶解或岩石的风化l大气中C0。的溶解转化I有机物的分解矿化；生物的呼吸作用l水源补给等。 col一的盐类，除钾、钠、铵盐易溶于水外，

30、其他大都难溶于水。在天然水中，真正以自由离子存在的COg一甚少，大都以Ca2+Co；一、M92+C0；一等离子对形式存在。HCO；的盐类易溶于水在天然水中，HCOf大都以自由离子形式存在。若水中有Cu2+等副族金属离子存在，则相当大部分Co；一、HCO；可与它们形成络合物，如CuCOs、Cu(CO。)。)2一等形式。 (一)天然水体内的二氧化碳平衡系统HCO。和cog一是构成水中二氧化碳平衡的重要成分。 上述五个平衡是相互联系，相互制约的。当它们的平衡条件都同时得到满足时，就可以建立起如图21所示的二氧化碳平衡系统。若某个平衡的平衡条件发生改变，则二氧化碳平衡系统被破坏，平衡则将向某一方向移动

31、引起一系列改变。例如，气态COz的溶解或逸散I难溶碳酸盐沉淀的生成或沉淀的溶解l pH变化；COz、HCOf、Co；一的相互转变，从而影响到水的碱度、硬度、缓冲性、有效碳、pH以及重金属的毒性等。 在平衡系统中，溶解CO。与H。CO。合称为游离二氧化碳，记作“Coz”。HCOi-、cog一则称为结合二氧化碳。两者之和称为。总二氧化碳”，记作。ECOz”，即： Eco：=Cco：)+HCOf+CO；一 式中(表示物质的量的浓度。 CO：、HCOf、C0：一三者的相对含量，主要与pH有关，它们的关系如表21所示。c02汽青 ；溶解 I气相 水合C02(溶解)；圭喧HzCCh液相 况：pH120时，只有col；pH=83时-几乎只有HCOf I pH4o83之间CO。-q HCOf共存；pH83120之间，HCO；-q C0，2一共存。因此，改变pH可使二氧化碳平衡系统发生移动。当然，改变COz、HCO；-、col一、Ca2+、M92+等物质的浓度，也可使平衡系统移动。 (二)水的碱度 1概念 水的碱度是指水中能与强酸相作