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水（H2O）是由氢、氧两种元素组成的无机物，在常温常压下为无色无味的透明液体。水是最常见的物质之一，是包括人类在内所有生命生存的重要资源，也是生物体最重要的组成部分。水在生命演化中起到了重要的作用。人类很早就开始对水产生了认识，东西方古代朴素的物质观中都把水视为一种基本的组成元素，水是中国古代五行之一；西方古代的四元素说中也有水。

水的性质

水在常温常压下为无色无味的透明液体。在自然界，纯水是罕见的，水通常多是酸、碱、盐等物质的溶液，习惯上仍然把这种水溶液称为水。纯水可以用铂或石英器皿经过几次蒸馏取得，当然，这也是相对意义上纯水，不可能绝对没有杂质。水是一种可以在液态、气态和固态之间转化的物质。固态的水称为冰；气态叫水蒸汽。水汽温度高于374.2℃时，气态水便不能通过加压转化为液态水。

在20℃时，水的热导率为0.006 J/scmK，冰的热导率为0.023 J/scmK，在雪的密度为0.1103 kg/m3时，雪的热导率为0.00029 J/scmK。水的密度在3.98℃时最大，为1103kg/m3，温度高于3.98℃时，水的密度随温度升高而减小 ，在0～3.98℃时，水不服从热胀冷缩的规律，密度随温度的升高而增加。水在0℃时，密度为0.99987103 kg/m3，冰在0℃时，密度为0.9167103 kg/m3。因此冰可以浮在水面上。

水的热稳定性很强，水蒸气加热到2000K以上，也只有极少量离解为氢和氧，但水在通电的条件下会离解为氢和氧水。具有很大的内聚力和表面张力，除汞以外，水的表面张力最大，并能产生较明显的毛细现象和吸附现象。纯水有极微弱的导电能力，但普通的水含有少量电解质而有导电能力。

水本身也是良好的溶剂，大部分无机化合物可溶于水。

在-213.16℃，水分子会表现出现厌水性。[1]

水的来源

地球是太阳系九大行星之中唯一被液态水所覆盖的星球。地球上水的起源在学术上存在很大的分歧，目前有几十种不同的水形成学说。有观点认为在地球形成初期，原始大气中的氢、氧化合成水，水蒸气逐步凝结下来并形成海洋；也有观点认为，形成地球的星云物质中原先就存在水的成分。另外的观点认为，原始地壳中硅酸盐等物质受火山影响而发生反映、析出水分。也有观点认为，被地球吸引的彗星和陨石是地球上水的主要来源，甚至现在地球上的水还在不停增加。

水和水体的作用

对气候的影响

水对气候具有调节作用。大气中的水汽能阻挡地球辐射量的60%，保护地球不致冷却。海洋和陆地水体在夏季能吸收和积累热量，使气温不致过高；在冬季则能缓慢地释放热量，使气温不致过低。

海洋和地表中的水蒸发到天空中形成了云，云中的水通过降水落下来变成雨，冬天则变成雪。落于地表上的水渗入地下形成地下水；地下水又从地层里冒出来，形成泉水，经过小溪、江河汇入大海。形成一个水循环。

雨雪等降水活动对气候形成重要的影响。在温带季风性气候中，季风带来了丰富的水气，形成明显的干湿两季。

此外，在自然界中，由于不同的气候条件，水还会以冰雹、雾、露水、霜等形态出现并影响气候和人类的活动。

对地理的影响

地球表面有71%被水覆盖，从空中来看，地球是个蓝色的星球。水侵蚀岩石土壤，冲淤河道，搬运泥沙，营造平原，改变地表形态。

地球表层水体构成了水圈，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、积雪、地下水和大气中的水。由于注入海洋的水带有一定的盐分，加上常年的积累和蒸发作用，海和大洋里的水都是咸水，不能被直接饮用。某些湖泊的水也是含盐水。世界上最大的水体是太平洋。北美的五大湖是最大的淡水水系。欧亚大陆上的里海是最大的咸水湖。

地球上水的体积大约有 1 360 000 000 立方公里. 当中

海洋占了的1 320 000 000立方公里(或97.2%)。

冰川和冰盖占了25 000 000立方公里(或1.8%)。

地下水占了13 000 000立方公里(或者0.9%)。

湖泊，内陆海，和河里的淡水占了250 000 立方公里(或0.02%)。

大气中的水蒸气在任何已知的时候都占了13 000立方公里(或0.001%)。

对生命的影响

地球上的生命最初是在水中出现的。水是所有生物体的重要组成部分。人体中水占70%；而水母中98%都是水。水中生活着大量的水生植被等水生生物。

水有利于体内化学反应的进行，在生物体内还起到运输物质的作用。 水对于维持生物体温度的稳定起很大作用。

水的种类

不同的学科对水有着一些不同的称呼：

根据水质的不同，可以分为：

软水：硬度低于8度的水为软水。

硬水：硬度高于8度的水为硬水。硬水会影响洗涤剂的效果，硬水加热会有较多的水垢。

饮用水根据氯化钠的含量，可以分为：

淡水。

咸水

此外还有：

生物水：在各种生命体系中存在的不同状态的水。

天然水：

土壤水：贮存于土壤内的水

地下水：贮存于地下的水

超纯水：纯度极高的水，多用于集成电路工业

结晶水：又称水合水。在结晶物质中，以化学键力与离子或分子相结合的、数量一定的水分子。

重水的化学分子式为D2O，每个重水分子由两个氘原子和一个氧原子构成。重水在天然水中占不到万分之二，通过电解水得到的重水比黄金还昂贵。重水可以用来做原子反应堆的减速剂和载热剂。

超重水的化学分子式为T2O，每个重水分子由两个氚原子和一个氧原子构成。超重水在天然水中极其稀少，其比例不到十亿分之一。超重水的制取成本比重水还要高上万倍。

氘化水的化学分子式为HDO，每个分子中含一个氢原子、一个氘原子和一个氧原子。用途不大。

与水相关的化学反应

水的电离与溶液pH值

水是一种极弱的电解质，它能微弱地电离: H2O+H2O?H3O++OH- 通常H3O+简写为H+

水的离子积 Kw=[H+][OH-]

25度时，Kw=110-14

pH=－log10([H+])

pH<7，溶液为酸性，pH=7，溶液为中性，pH>7，溶液为碱性。

能溶于水的酸性氧化物或碱性氧化物都能与水反应，生成相应的含氧酸或碱。酸和碱发生中和反应生成盐和水。水在电流的作用下能够分解成氢气和氧气。碱金属和水接触会发生燃烧。

在催化剂的作用下，无机物和有机物能够与水进行水解反应：

有机物的水解：有机物分子中的某种原子或原子团被水分子的氢原子或羟基(-OH)代换，例如乙酸甲酯的水解：

无机物的水解：通常是盐的水解，例如弱酸盐乙酸钠与水中的H+结合成弱酸，使溶液呈碱性：

此外，水本身也可以作为催化剂。

淡水短缺问题与对策

地球上水总储量约为1.36x1018m3，但除去海洋等咸水资源外，只有2.5%为淡水。淡水又主要以冰川和深层地下水的形势存在，河流和湖泊中的淡水仅占世界总淡水的0.3%。

世界气象组织于1996年初指出：缺水是全世界城市面临的首要问题，估计到2050年，全球有46％的城市人口缺水。对于水资源稀少的地区来说，水已经超出生活资源的范围，而成为战略资源，由于水资源的稀有性，水战争爆发的可能性越来越高。

为让全世界都关心淡水资源短缺的问题，第47届联合国大会确定每年3月22日为世界水日。

水文化

请参看水文化

水滴扬起水在科学、哲学、宗教、文学、美术、体育、神话等中都有所体现。

水的利用

水是人类生活的重要资源，特别是农业需要大量水进行灌溉，人类文明的起源大多都在大河流域。早期城市一般都在水边建立，以解决灌溉、饮用和排污问题。在人类日常生活中，水在饮用、清洁、洗涤等方面的作用不可或缺。

随着科学技术的发展，人们兴修水利，与水涝害和洪水等自然灾害作斗争。因此形成了一些专门与水有关的研究领域，如水力学，水文科学，水处理等，甚而产生了以水为生的产业水产业。

工业生产和化工生产大量使用这种廉价的原料。但未经处理的废水的任意排放就会造成水污染。为了解决这一问题，污水的处理就变得十分必要。 (见水污染和污水处理。)

古代世界观中的水

在文明的早期，人们开始探讨世界各种事物的组成或者分类，水在其中扮演了重要角色。古代西方提出的四元素说中就有水；佛教中的四大也有水；中国古代的五行学说中水代表了所有的液体，以及具有流动、润湿、阴柔性质的事物。

水崇拜

在人类的童年时期，对于水兼有养育与毁灭能力、不可捉摸的性情，产生了又爱又怕的感情，产生了水崇拜。通过赋予水以神的灵性，祈祷水给人类带来安宁、丰收和幸福。

中国传统上的龙王就是对水的神格化。凡有水域水源处皆有龙王，龙王庙、堂遍及全国各地。祭龙王祈雨是中国传统的信仰习俗。

变化环境下的水循环研究关注地球生物圈、全球变化以及人类活动对水循环的影响，是国际水文学与水资源学科及地理、生态等众多学科交叉的前沿性问题。

中国地域广阔，七大江河及中国内陆地区的水文循环与陆地表层系统中各种自然地理要素的时间和空间分布密切相关，机理比较复杂，对全球变化有重要的响应。讨论全球变化与中国水循环前沿科学问题对于促进地学相关学科的交叉渗透，深化我国该领域的发展，解决与水密切相关的水资源短缺和生态环境退化等问题具有重要的意义。

2002年7月3～5日在北京香山召开了以“全球变化与中国水循环前沿科学问题”为主题的香山科学会议第187次学术讨论会。刘昌明院士（中国科学院地理科学与资源研究所）、丑纪范院士（中国气象局）和夏军教授（中国科学院地理科学与资源研究所）被聘请担任本次会议执行主席。

刘昌明院士在题为“陆地水文循环与全球变化”的总评述报告中，对水圈的历史、水圈与其他圈层的关系、水循环过程、全球及中国水循环的特点进行了评述和讨论。他列举大量科学数据和图表，指出水圈在全球范围同大气圈、生物圈、土壤圈、岩石圈、人类圈、智能圈等其他圈层发生着相互耦合作用，全球变化对水循环有重大影响。在讨论水循环的几个焦点和难点时，强调应特别关注水文循环速率与水资源可再生性调控；人类与自然二元驱动的水文循环；水文循环与生态水文等3个方面。而水循环研究的几个关键技术问题则是：1)水循环研究的理论深入需要网格化布局的水平衡要素的观测。通量(Flux)的测量精度是水循环理论研究的基石：2)在水循环理论研究的基础建立上遥感与地理信息系统是最主要的手段；3)分布式水文循环模型；4)水文模型与GCMs的耦合；5)水文循环尺度转化。他认为，许多未知的问题不会在短期内解决，任务是长期而艰巨的，强调重点要研究系统间的反馈机制；研究全球水循环在自然与人工合力作用下的变化并分辨两种作用及其比例，减少不利的作用，适应自然变化。为此，应当面向国家水问题重大需求，实现知识创新，推动跨学科研究。

丑纪范院士则从自己长期研究实践的经验出发，作了“对水循环研究的观念、方法、问题和可开展工作的思考”的综述报告。他首先从社会经济层面上和科学技术层面上深入分析了水问题研究的重要性。进而讨论了水文循环研究涉及的重大科学问题和解决方法。他强调：1）水循环的实际状况是基础性的问题，水循环从气候系统的角度看存在多种时间尺度的变化。解决方法：①及时充分利用新近出现的高新技术，取得观测资料；②气候的数值模拟；③四维同化方法进行诊断、反演。2）某区域和时段的降水的水汽来源？逐年的变动情况？水循环过程是否存在某些“遥相关”？解决方法：建立全球降水量的数值模拟模型，利用前后两次的大气流场、湿度场和地表蒸发量，可以推算出要得到的结果。3）当某年的降水和大气情况给定后，地表状况和人类活动的差异对水文过程的影响如何？解决办法：建立流域地表的时空变化过程的数值模拟模型，并不断与实际情况比较，改进模型参数，完善模拟结果，再进行模拟预测。4）全球变暖，海平面上升对我国水循环过程将引起怎样的变化？解决办法：建立全球水循环模式，关键是蒸发问题的解决。可以用反问题方法求解。

会议针对全球变暖与水文循环问题；气-陆面-海洋水循环相互作用与耦合问题；陆地水循环与水文生态问题；适应全球变暖与水循环变化问题4个中心议题进行了学术报告交流。

中科院兰州寒旱区研究所施雅凤院士作了“全球变暖、水循环加快与西北气候由暖干向暖湿的转型问题”的评述报告，提出了以1987年左右为界，西北地区的气候由暖干向暖湿转型的看法。他强调气候从暖干向暖湿转型过程和影响的观点是个覆盖面广、非常复杂不确定因素很多的科学问题，是西北大开发长远规划、经济发展必须研究清楚、预筹对策的基础问题，尚需进一步研究。

中科院海洋研究所胡敦欣院士作了“海洋在海－陆－气水循环中的作用”的评述报告。他指出海洋是全球水循环之源，约有3万立方千米的水降到陆面，是全球淡水的净化器，海洋在全球水循环中有极其重要的作用。在讨论近年来我国河流入海淡水锐减对中国近海环境、生态的影响时，认为这些影响包括动力学影响、海岸带侵蚀、海水入侵、盐度增加等。他还提出“海水西输”的大胆的设想，坦言这仅是“假想”，尚需进一步论证。

中科院地理科学与资源研究所于强研究员在“陆地水循环与缺水地区生态恢复机理问题”评述报告中侧重讨论了有关水汽通量与生理调节、水汽通量与大气湍流和土壤和植物的水力传导、生态系统对环境变化的响应与模拟以及参数化中的若干问题，讨论了存在问题和发展趋势。他认为，未来研究可能在冠层尺度上，水汽通量可以与光合作用以及若干气象要素的简洁关系，以及对水分传输中非稳态过程的模拟等方面有所突破。

中科院大气物理所吴国雄院士作了“全球变暖与海－陆－气相互作用”评述报告，对陆面过程对夏季气候的影响；青藏高原对气候的影响；海陆热力差异和季风爆发，以及我国开展相应研究的战略及相关的管理问题进行了探讨。他指出海－陆－气相互作用是诱发地球系统中气候变化的最基本、最直接的外部驱动力，强调我国应重视时空连续资料积累和场地试验相结合，开展气候卫星研制和发射，尽快发展国家气候系统模式。

水利部水利信息中心刘春蓁教授探讨了“气候变化对陆地水循环影响研究的问题”。她指出目前主流的水文-气候模型单向连接方法存在诸多问题，并提出了改进意见。

中科院大气物理所孙菽芬教授介绍了“陆面过程和模式的研究”的现状，指出陆面过程机理及模式研究是整个全球气候系统研究一个重要分量。他讨论了现有模型存在的不足，指出现在已出现大尺度陆面过程水文模型的研究的良好契机。

北京林业大学王礼先教授探讨了“干旱地区森林对流域径流的影响”，认为森林对流域年总径流量影响的结论都是对特定地区、特定流域而言的，干旱地区森林覆盖率的增加将导致流域产水量（年总径流量）的减少，相反，森林植被覆盖率的减少则可以增加流域年总径流量。

河海大学任立良教授作了“分布式水循环模拟进展及问题讨论”的专题报告。指出当前分布式水循环模拟的关键问题是模型输入的时空分辨率问题和模型的产汇流机制及其参数的确定。通常会同时存在地表径流的超渗产流和蓄满产流，应该采用混合产流的水文模型。

中国气象科学研究院张人禾研究员探讨了“西北地区空中水资源的开发”问题。认为开发利用空中水资源，增加地面降水，有可能为西北地区解决水资源短缺提供一个新途径。

中科院大气物理所季劲钧研究员讨论了“关于水碳循环模式化问题-气候与生物圈相互作用”问题。中国农业科学研究院林尔而达研究员讨论了“全球变化的水-碳循环问题与适应对策”问题，侧重就碳汇问题作了深入分析。我国科技界应高度重视碳循环的研究，特别是水循环对碳循环的影响研究。

夏军教授在题为“变化环境中的水循环问题研究面临的挑战”的报告中指出，变化环境的水循环研究是21世纪水科学发展一个十分重要的发展方向。他强调要加强变化环境中的水循环规律，区分变化环境中水循环过程的自然变化与人类作用的贡献，量化变化环境下陆地水循环规律等关键问题的研究。

适应国家需求，加强变化环境下的水循环研究

围绕会议的4个中心议题，与会专家学者除进行了内容广泛的学术报告交流之外，更用过半的时间进行即席发言和聚焦自由讨论。与会者对以下问题和方面表示了很大的关注：

1)深化全球变化研究

陆地水文循环演化是全球变化知识创新的重要组成部分，全球变化下的陆地水文循环过程是关系到水资源可持续利用以及人类社会可持续发展的重大科学问题。这不仅是理论问题，而且还有很强的现实意义。

2)重视和加强陆面水文－大气过程耦合作用研究

从大气到陆面要统一考虑。尺度转化问题也要研究。陆面模式的研究应大力发展，同时要注意遥感技术的发展。遥感是认识现状的基础手段，也是大气科学和水文科学结合点。应该用数学物理方法，用偏微分方程来描述产汇流机制。

3)水文循环模拟和大气模拟的结合点上可能形成新的增长点

要在水文循环模拟和大气模拟的结合点上形成新的增长点。气候模拟的陆面过程要考虑水循环。现在的模型研究过于求大求全，应该有所为，有所不为。要利用遥感，DEM来描述参数关系，把相关参数从有资料地区推广到无资料地区。

4)开展关于人类活动对水循环影响的量化研究

人类活动如何影响水循环，如何量化是研究的关键问题。在全球尺度看人类活动对水的影响，水质方面会发生变化。

5)重视西北气候的转型问题以及气候模型和水文模型的数值模拟研究

气候从暖干向暖湿转型过程和影响的观点是个覆盖面广、非常复杂不确定因素很多的科学问题，是西北大开发长远规划、经济发展必须研究清楚、预筹对策的基础问题，需进一步研究。西北气候转型问题应该放在全球系统上考虑，要分析清现在西北气候的变化是长时间变化的还是短期的波动的。

6)西部人工增雨的技术应予关注

目前西部人工增雨的技术可行性以及效益问题应予关注。

7)黄河断流问题在全球变化和水循环研究中有特殊意义

刘昌明指出，以前黄河有淡水入海时，黄河三角洲以每年24平方千米的速度扩张，现在入海流量减少，甚至断流，黄河三角洲在逐渐退缩，“失退”现象正在发生。

8)不能盲目发展灌溉林业

应该研究一个区域或流域的理想的优化的生态格局，不能盲目地发展灌溉林业。有的地区盲目发展，现在已经造成了“绿了一条线，荒了一大片”的恶果。

9)全球变化与碳循环

我国科技界应高度重视碳循环的研究，特别是水循环对碳循环的影响研究。

10)实实在在地加强基础研究

开发模型和研究理论的关系要处理好，模型只是工具，基础理论的研究要加强。大气模型的研究重点要放在水循环是如何影响气候系统这个方面。当前基础研究薄弱，要加强以流域为单位的基础理论研究，对已有的数据要加强共享。基础观测十分重要，是一切研究的基础。

执行主席刘昌明院士、丑纪范院士和夏军教授对本次会议进行了学术小结，概括了会议取得的科学思想和共识，并提出了我国变化环境下的水循环研究应该加强的基础理论研究课题。

夏军在小结中首先指出会议取得的基本共识是：水循环是联系地球系统的关键纽带，当前重要的科学前沿领域。我国目前遇到的问题是：水多了－严重的洪涝灾害问题；水少了－严重的干旱问题；水脏了－严重的环境问题。

中国目前水循环的现实紧迫区包括：华北地区（中国政治经济文化中心，缺水及生态环境问题十分严重）、西部地区（水资源是西部大开发的关键制约）、长江/黄河。现在聚焦的关键系统框架是：全球变化与高强度的人类影响下的陆地水循环机理

重要的科学研究内容包括以下几个方面：

1）我国大陆水循环格局与海-陆-气的相互作用；

2）大陆水循环的主要控制因素及其演化趋势；

3）流域水循环系统与地表水、地下水合理利用；

4）人类活动（特别是跨流域调水、用耗水）对大陆水循环的影响及其生态效应。

关键的几个科学问题有：

1）海－陆－气相互作用问题；

2）陆地干湿的自然变化与气候影响；

3）区域水汽输送来源与其变化机理；

4）陆地水循环及水生态环境变化中的人为影响因素的确定与量化方法；

5）大气－陆面－水文耦合及尺度问题；

6）水文－生态相互作用问题；

7）全球变化与水－碳循环问题。

目前尚存的问题与面临的挑战：

1）海-陆-气/大陆水循环时空连续基础观测数据比较缺乏；

2）变化环境中的水循环基础理论（水量/能量平衡、西部冰冻圈作用等）方法需要创新；

3）缺乏中国大陆尺度水循环量化模式；

4）高新技术（3S/同位素方法/古气候-古水文方法等）需要大力普及和应用；

5）不同行业研究队伍需要合作/集成；

6）科学研究支持与管理需要改革,数据共享。

最后，三位执行主席依据会议讨论以及与会人员提出的看法和意见，提出了应该结合国家需求对敏感地区（华北、西部、长江）的水问题开展基础研究的建议，涉及以下重点研究内容：

1）华北地区缺水及生态环境变化的水循环基础与修复对策研究；

2）西部生态脆弱区水循环研究；

3）长江流域的环境变化、水资源演变与调控机理；

4）西北地区空中水资源转化机制及其控制原理。

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