水

发布时间：2026-02-23 03:36

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认识过程

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在人类文明的早期，人们开始探讨世界各种事物的组成或者分类，很早就开始对水产生了认识，古代西方提出的四元素说中就有水；佛教中也认为地、水、火、风是构成物质的基本元素；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。圣经创世纪中也认为水是神创造万物之前就存在的元素。在很长的一段时间里，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，直到1781年，普里斯特里点燃“易燃空气”和空气的混合气，发现瓶壁有水珠。卡文迪许又用纯氧代替空气重复这一实验，证实“易燃空气”燃烧产生水，“易燃空气”是指氢气。可惜受错误观念影响，这两位科学家仍认为水是一种元素。1782年，拉瓦锡将水蒸气通过灼热的铁管，收集到“易燃空气”和黑色固体（四氧化三铁），因此他认为水不是一种元素。

1805年，经过Gay-Lussac和Humbolt的定量研究，进一步确定了氢和氧按二比一的比例相化合，至此，水的化学组成为H2O被初步确立。 [6]

根据IUPAC规定，H2O分子的正式名称只有两种：水（Water）与氧烷（Oxidane）。民间根据其化学式，给水起了以下别称：氧化氢、一氧化二氢；类比VIA族与VIIA族其它化合物命名规律：氢氧酸、酸式氧；类比金属氢氧化物（碱）命名规律：氢氧化氢、苛性氢、羟基氢、碱式氢等。

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H2O的化学名称（化学用语）

理化性质

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物理性质

水在常温常压下为无色无味的透明液体。水的三相点是273.16 K（611.73 Pa下），临界点是647 K（22.064 MPa下）。在临界点之上水无法存在液相及固相，而在临界点之下水蒸汽容易结成液相。水是一种可以在液态、气态和固态之间转化的物质。在20℃时，水的热导率为0.006J/s⸱cm⸱K，冰的热导率为0.023J/s⸱cm⸱K。水的密度在3.98℃时最大，为1×103 kg/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0.99987×103 kg/m3，冰在0℃时，密度为0.9167×103 kg/m3。因此冰可以浮在水面上。水的定压摩尔热容会随温度变化，在0℃时，水的定压摩尔热容为75.817J/mol/K，在20℃时，水的定压摩尔热容为75.165 J/mol/K，在100℃时，水的定压摩尔热容为75.541 J/mol/K。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，但普通的水因含有少量电解质（如矿物质、溶解大气中二氧化碳形成的碳酸）而有较强的导电能力。 [7-8]

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水也有表面张力，就像有弹性的膜一样

水分子的结构示意图

日常生活中的水可分为软水和硬水，溶有较多可溶性钙、镁和铁盐的水叫做硬水。水中含有的Ca2+，Mg2+等离子的总浓度称为硬度。GPG为水硬度单位，1GPG表示1加仑水中硬度离子（钙镁离子）含量为1格令。按美国WQA（水质量协会）标准，水的硬度分为6级：0~0.5GPG为软水，0.5~3.5GPG为微硬，3.5~7.0GPG为中硬，7~10.5GPG为硬水，10.5~14.0GPG为很硬，14.0GPG以上为极硬。 [12]含有HCO3-的水称为暂时硬水，加热时碳酸氢根离子分解使得钙镁离子沉淀而软化。含有Cl-，SO42-的水不能通过加热软化，称为永久硬水。可以用肥皂水来区分软硬度，通过煮沸的方式可以使硬水变软。

水分子的球棍比例模型

水分子不是完美的球形，其分子模型如图所示，从其旋转中心测定得到的直径为0.312nm，平均范德华直径约为0.28nm。

单个水分子的结构模型

水具有氢键结构和很大的介电常数，因此水对各种物质都具有亲和性，能形成弱的键，称为水合作用。水合的原因是由于水分子偶极的定向移动而形成的静电水合和氢键水合。对于过渡金属离子，则由氧原子配位形成如[Cr(H2O)6]3+一样的水合络离子。由于水具有显著的水合作用，介电常数大，使得异性离子间的静电引力减弱，因此水是无机盐类的优良溶剂。水对分子量较小的烃类，特别是苯一类芳香烃溶解能力小。苯在水中溶解时自由能变化值为正（18℃，17.04kJ3/kg），焓的变化为零，且溶解度随温度的升高而减小。因此，烃类在水中溶解时熵值变化为正，即含有憎水基团的烃类分子难溶于水。这不是因为烃类与水的相互作用小，而是在憎水基团的周围水的氢键进行非常有规则的排列（称为“冰山”，iceberg）之故。这种“冰山”的形成也可称为憎水性结构的水合作用。过量的烃在水面形成油滴，如果含有某些亲水性基团（-COOH、-OH、-NH2等极性基团）时，则可以在水面上扩散开。即在１个分子中含有亲水性基团和憎水性基团时，在水-空气表面上倾向于聚集，从而使水的表面张力降低。含有较大的憎水性基团的称为表面活性剂。其水溶液在一定的浓度范围内如50~100个分子时，在憎水基团内侧和亲水基团外侧相互发生缔合，形成所谓胶束。 [21]

水还可以使各种胶体状物质浮游分散。大多数无机物都可以形成憎水性胶体。憎水性胶体之所以稳定是由于其表面具有电荷，加入少量电解质时使表面电荷被屏蔽而凝聚。添加的电解质的效果，随着与粒子电荷符号相反的离子价数的增高而增大（Schultz Hardy定律）。另一方面，亲水性胶体主要是具有高分子电解质等亲水性基团的有机物。在其周围具有发达的水合层，添加少量的电解质并不发生凝聚，只有加入大量的电解质时才能发生去水合作用，称为盐析。盐析作用的强度由去水合的强度而决定。阴离子的顺序是柠檬酸盐＞酒石酸盐＞硫酸盐＞乙酸盐＞盐酸盐＞硝酸盐＞氯酸盐，阳离子的顺序是Li+＞Na+＞K+＞NH4+＞Mg2+，称为Hofmeister序列。 [21]

化学性质

化学式：H2O

结构式：H—O—H（两氢氧键间夹角104.5°）。

分子构成：水是由氢氧两种元素组成，两个氢原子一个氧原子形成V字型结构。常温常压下，气态自由水分子氢氧键的键长为0.9527×10-10米，两个氢氧键之间的夹角为104.52°。

水具有以下化学性质：

1. 稳定性：在2000℃以上才开始分解。

由于水具有很大的生成热，因而它必然是一个很稳定的化合物。实际上，它在3000K的高温下，也只有11.1%的分解率，而且反应是可逆的。显然，水在离解时要吸收大量的热，在1000K和202.65kPa时，2摩尔气态水分解成H2和O需要吸收495.80kJ的热；在3000K时，则需要572.04kJ。 [20

]

虽然水是强极性的，但是由于氢键的存在，水却是难电离的。作为弱电解质的水，其自偶电离作用是可逆的： [20

]

2H2O ⇌ H3O+ + OH-

热力学指出：自由的H+离子并不能以测得出的浓度存在于水中；而且从动力学的角度来看，水中的质子都是快速地从一个氧原子移动到另一个氧原子，例如质子迅速而强烈地同H2O分子结合成水合氢离子H3O+，而后者的寿命大约只有10-13秒，它又极其迅速地同OH-离子反应。光谱学表明：质子的水合是一个强烈的放热反应，自热力学循环估算，气态质子的水合能高达1093kJ/mol。 [20

]

H3O+离子的结构是较扁平的角锥形，其中HOH角约为115°，有充分证据表明，除了H3O+以外，其它水合氢离子H+(H2O)n也能在水溶液中存在。像H9O4+离子的存在，曾用来解释酸的水溶液的许多性质。在结晶学上，已知有H3O+离子存在于HF·H2O、HNO3·H2O、H2SO4·H2O等晶态水合酸中，H5O2+离子存在于HCI·2H2O等晶态水合酸中，H7O3+和H9O4+离子存在于晶态水合酸HBr·4H2O中。 [20

]

按照化学平衡原理，当体系2H2O ⇌ H3O+ + OH-或H2O ⇌ H+ + OH-达成平衡时，服从质量作用定律，即[H+][OH-]/[H2O] = Kc，当温度为298K时，Kc=1.821×10-16 mol/L。在一定温度下，水的浓度为一常数，故有： [20

]

[H+][OH-]=Kc·[H2O] = Kw

Kw称做水的离子积常数，简称水的离子积，当温度为298K时，K=1.008×10-14 mol2/L2。同一般弱电解质的电离常数随着温度的升高而减小的趋势相反，水的离子积则随着温度的升高而迅速增大，这可能与升高温度时氢键受到破坏、解缔作用加强有关。由于H+和OH-离子浓度的乘积在水溶液中是一个常数，所以一般地常用H+离子浓度或pH值来表示溶液的酸度或碱度（当然，也可以用OH-离子浓度或pOH值表示）。在常温下： [20

]

[H+] = [OH-] = 10-7 mol/L pH=7 溶液显中性

[H+]＞10-7 mol/L pH＜7 溶液显酸性

[H+]＜10-7 mol/L pH＞7 溶液显碱性

3. 氧化性：水跟较活泼金属或碳反应时，表现氧化性，氢被还原成氢气。

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑

Mg + 2H2O = Mg(OH)2↓ + H2↑

3Fe + 4H2O（水蒸气） = Fe3O4 + 4H2↑（加热）

C + H2O = CO + H2↑（高温）

4. 还原性：水跟氟单质反应时，表现还原性，氧被氧化成氧气

2F2 + 2H2O = 4HF + O2

5. 水的电解：水在直流电作用下，分解生成氢气和氧气，工业上用此法制纯氢和纯氧，电解水也是一种电能转化为化学能的一种有用方法。

2H2O（通电）= 2H2↑ + O2↑。

6. 水化反应：水可跟活泼金属的碱性氧化物、大多数酸性氧化物以及某些不饱和烃发生水化反应。

Na2O + H2O = 2NaOH

CaO + H2O = Ca(OH)2

SO3 + H2O = H2SO4

P2O5 + 3H2O = 2H3PO4

CH2=CH2 + H2O ⇌ C2H5OH

7.水解反应

Mg3N2 + 6H2O（加热） = 3Mg(OH)2↓ + 2NH3↑

[Al(H2O)6]3+ + H2O ⇌ [Al(H2O)5(OH)]2+ + H3O+

碳化钙水解：

CaC2（电石） + 2H2O（饱和氯化钠） = Ca(OH)2 + C2H2↑

卤代烃水解：

C2H5Br + H2O（加热下的氢氧化钠溶液） ⇌ C2H5OH + HBr

醇钠水解：

C2H5ONa + H2O → C2H5OH + NaOH

酯类水解：

CH3COOC2H5 + H2O（铜或银催化并且加热） ⇌ CH3COOH + C2H5OH

多糖水解：(C6H10O5)n + nH2O ⇌ nC6H12O6

丙腈水解：CH3CH2CN + H2O → CH3CH2C(OH)NH → CH3CH2C(OH)NH + H2O → CH3CH2C(OH)2NH2 → CH3CH2CONH2 + H2O → CH3CH2COOH + NH3

酰胺水解：—CO—NH— + H2O → —COOH + H2N—

8. 两性：既有氢离子（H+），也有氢氧根离子（OH-）。但纯净蒸馏水是中性的。

制备方法

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城市的自来水作为原水虽然已经达到饮用水标准，但仍残留少量的悬浮颗粒、有机物和残余氯、钙、镁等离子，为了把这些杂质除去，需要对原水进行前处理以去除原水中的悬浮物、胶体、微生物；降低原水中过高的浊度和硬度。前处理技术通常包括多介质过滤、活性炭过滤、软化处理、精密过滤和保安过滤等步骤。 [18]

多介质过滤

多介质过滤器使用前要进行反洗和正洗，运行时多介质过滤器内必须完全充满水。多介质过滤器每运行2天，需反洗1—2次（先反洗后正洗，正洗完毕后再运行）。 [18]

活性炭过滤

活性炭过滤器用前要进行反洗和正洗，运行时活性炭过滤器内必须完全充满水。活性炭过滤器每运行2天，需反洗、正洗1—2次（先反洗后正洗）。因复合膜不耐余氯，活性炭过滤器是为除余氯而设，因此，绝不能使未经过活性炭过滤器的水进入反渗透膜，否则膜的损坏无法恢复。 [18]

软化处理

软化法是利用离子交换树脂与水中的钙镁离子进行交换，将水中的钙镁离子去除。软化器能自动完成反洗、再洗、冲洗、运行工作。 [18]

精密过滤

是采用3—5μm 的精密滤芯，滤出5μm以上的粒子。精密过滤器的滤芯一般90天或每个过滤器的压力下降大于0.1MPa时更换或清洗一次。 [18]

保安过滤

一般情况下保安过滤器放置在石英砂、活性炭、树脂等之后，是去除大颗粒杂质的最后保障，以防止反渗透膜被损坏。从广义上讲，精密过滤器也属于保安过滤器。保安过滤器的滤芯一般90天或每个过滤器的压力下降大于0.1MPa时更换或清洗一次。滤芯的清洗方法为3%—5%NaOH泡12小时以上，冲洗干净，再用3%—5%HCI泡12小时以上，冲洗干净，晾干待用。 [18]

应用领域

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饮用水

水是人类最基本的生存需求之一。人们需要水来满足日常饮水需求，保持身体健康和正常的生理功能。

工业用途

许多工业过程需要大量的水，例如制造、冷却、清洗、润滑和化学反应等。工业用水广泛应用于制造业、能源生产、化工、纺织、制药等各个行业。

水可以用于发电厂中的水力发电过程，通过水流驱动涡轮发电机产生电力。此外，水还可以用作核能和火力发电中的冷却剂。

农业用途

水是农业生产的资源之一。用于农作物的灌溉、农田的排水、养殖业的畜牧、温室中的植物生长等，水对于农业的发展和粮食生产至关。

商业用途

商业场所需要水来满足办公、商店、餐饮和娱乐场所的日常活动需求，例如供应给员工和顾客的饮用水、清洁用水、厕所冲洗等。

卫生清洁

水被用于个人卫生，包括洗手、洗澡、刷牙和洗衣服等。此外，水还被用于清洁家居、公共设施、道路和车辆等。

生态系统

水是维持湿地、河流、湖泊和海洋等生态系统的基础和支撑。水提供了许多生物的栖息地和食物链中的角色。

医疗用途

水也是药品生产不可缺少的原辅材料。其在药物生产中用量大、使用广，用于生产过程及药物制剂的制备过程。制药工业中所用的水，特别是用来制造药物产品的水的质量，直接影响药物产品的质量。制药用水的原水通常为饮用水。制药用水的制备从系统设计、材质选择、制备过程、贮存、分配和使用均应符合药品生产质量管理规范的要求。 [18]

分布情况

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地球是太阳系八大行星之中唯一由液态水所覆盖的星球。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。

全球水资源分布

地球上水的体积大约有13.6亿立方千米。其中:

·海洋占1,320,000,000立方千米（即97.1%）；

·冰川和冰盖占25,000,000立方千米（即1.8%）；

·地下水占13,000,000立方千米（即1.0%）；

·河流、湖泊以及内陆海里的淡水占250,000立方千米（即0.0018%）；

·大气中的水蒸气在任何已知的时候都占13,000立方千米（即0.0001%）。 [9]

在银河系星云中被探明存在水，由于氢和氧是构成宇宙的主要元素，科学家认为其他星系中依然存在大量水。

星云尘埃凝聚，形成各种彗星、行星、矮行星及其卫星，水也在这些天体上。在太阳系中，水以固体形式存在于以下天体:

·月球

·水星、火星、海王星、冥王星

·天然卫星、如海卫一、木卫二。尚只在地球上发现液态形式的水。科学家预测液态水也极有可能存在于土卫二的表面。

中国淡水总量在2.8万亿立方米左右，在全球范围内总淡水资源中占据约6%，人均淡水量仅占全球人均淡水量的25%，是现阶段全球人均淡水量最少的国家之一。中国水资源在空间分布上呈东南多，西北少的趋势。长江以北各水系流域面积占全国国土面积的63.5%，而水资源仅占全国总量的19%；长江以南各水系流域面积占全国国土面积的36.5%，而水资源却占全国总量的81%。 [10-11]

水污染及其分类

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水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染。当前对水体危害较大的是人为污染。 [13]水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类：

化学性污染

污染杂质为化学物品而造成的水体污染。化学性污染根据具体污染杂质可分为6类：

（1）无机污染物质：污染水体的无机污染物质有酸、碱和一些无机盐类。酸碱污染使水体的pH值发生变化，妨碍水体自净作用，还会腐蚀船舶和水下建筑物，影响渔业。

（2）无机有毒物质：污染水体的无机有毒物质主要是重金属等有潜在长期影响的物质，主要有汞、镉、铅、砷等元素。

（3）有机有毒物质：污染水体的有机有毒物质主要是各种有机农药、多环芳烃、芳香烃等。它们大多是人工合成的物质，化学性质很稳定，很难被生物所分解。

（4）需氧污染物质：生活污水和某些工业废水中所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪和酚、醇等有机物质可在微生物的作用下进行分解。在分解过程中需要大量氧气，故称之为需氧污染物质。

（5）植物营养物质：主要是生活与工业污水中的含氮、磷等植物营养物质，以及农田排水中残余的氮和磷。

（6）油类污染物质：主要指石油对水体的污染，尤其海洋采油和油轮事故污染最甚。

物理性污染

物理性污染包括：

（1）悬浮物质污染：悬浮物质是指水中含有的不溶性物质，包括固体物质和泡沫塑料等。它们是由生活污水、垃圾和采矿、采石、建筑、食品加工、造纸等产生的废物泄入水中或农田的水土流失所引起的。悬浮物质影响水体外观，妨碍水中植物的光合作用，减少氧气的溶入，对水生生物不利。

（2）热污染：来自各种工业过程的冷却水，若不采取措施，直接排入水体，可能引起水温升高、溶解氧含量降低、水中存在的某些有毒物质的毒性增加等现象，从而危及鱼类和水生生物的生长。

（3）放射性污染：由于原子能工业的发展，放射性矿藏的开采，核试验和核电站的建立以及同位素在医学、工业、研究等领域的应用，使放射性废水、废物显著增加，造成一定的放射性污染。

生物性污染

生活污水，特别是医院污水和某些工业废水污染水体后，往往可以带入一些病原微生物。例如某些原来存在于人畜肠道中的病原细菌，如伤寒、副伤寒、霍乱细菌等都可以通过人畜粪便的污染而进入水体，随水流动而传播。一些病毒，如肝炎病毒、腺病毒等也常在污染水中发现。某些寄生虫病，如阿米巴痢疾、血吸虫病、钩端螺旋体病等也可通过水进行传播。由此看见保护地球环境，防止工业污染和病原微生物对水体的污染也是保护环境，更是保障人体健康的一大课题。

污染的水若被生物饮用或灌溉，会严重的损害生物的健康，造成生物体被破坏、衰弱、生成疾病，严重者即失去生命。换而言之，生物若饮用洁净的水，可保持健康促进循环。因此避免水污染在全球是个的议题。为了解决这一问题，污水处理等水污染控制措施就变得十分必要。

研究发现

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2025年3月4日，施普林格·自然旗下专业学术期刊《自然—天文学》凌晨发表的一篇论文称，一项建模研究显示，水可能最早形成于约138亿年前宇宙大爆炸后的1亿至2亿年间。

论文作者认为，这次研究发现水在宇宙中的形成时间可能早于此前估计，而且可能是第一代星系的关键成分。

该论文介绍，水的成分氢和氧已知是以不同方式形成的，较轻的化学元素(如氢、氦和锂)形成于大爆炸期间，但更重的元素(如氧)则是恒星内部核反应或超新星爆炸的产物。因此，之前仍不清楚水在宇宙中的形成时间。 [19]

意义与影响

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对气候

水对气候具有调节作用，大气中的水汽能吸收太阳辐射到地面能量的60%，再以大气逆辐射的形式返回地面，从而对地面起到保温作用。水的比热容很大，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。

雨雪等降水活动对气候形成的影响。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，零度以下则变成雪。由于不同的条件，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。

对地形

水覆盖71%地球表面，从空中来看，地球是蓝色星球。水侵蚀岩石土壤，冲淤河道，夹带泥沙，营造平原，改变地表形态。

对生物

大部分学说认为，地球上的生命最初是在水中出现的。水中生活着大量的水生植被等水生生物。

水是所有生物体的组成部分。人体中水占70%；而水母中98%都是水。在生物体中，水是一种缓冲的溶液，利用解离出的氢氧基（OH-）以及质子（H+）可以将外来少量的强酸或强碱中和，如此可确保细胞中的蛋白质结构的完整性，而对酵素而言，在酵素的结构上需要维持一定的结构才具有活性。而经由上述案例可说明在生物体内需要利用水的化学及物理性质才可维持生物体结构（细胞形状）及机能（如酵素活性）上的稳定。水有利部分生物化学反应，维持其生理能，如动物的消化作用及植物的光合作用。在生物体内还起到运输物质的作用如血液中的血浆绝大部分都是水，有助于体内营养及氧的传输。由于水可以透过蒸发而降低温度，因此水对于维持生物体温度的稳定起很大作用，如动物的汗液及植物的蒸腾作用。一般来说植物的生长需要水分，水（与二氧化碳）作为原料参与了光合作用，且在植物的呼吸作用中作为产物。植物在运送水分时，是利用水的氢键互相牵引所形成如水链状结构，在植物专门运送水分的导管中形成氢键使水分子不会受到引力作用而掉落至导管管壁，再利用蒸散作用带动水分向上运输。在植物水分的运输过程中充分的解释了水的运输牵涉于水的物理性质。

水的氢键使水成为特优的吸热能力，水将大部分所吸收的热，用来打断氢键，因此不会增加液体的温度，而水的比热容在25°C时，大约是4200J⸱kg-1K-1，比其它液体普遍较高。因为有此项特质，生活在水中的有机体能得到水的保护，而不会因空气中温度的急剧变化而有致命的危险。

对人类

水是人类生活的资源，一天必需摄取2~3升的水，并提供人们日常生活用水和工农业生产用水，特别是农业需要大量灌溉水。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，水对于人类各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。因此衍生出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。

网址：水 https://c.klqsh.com/news/view/340924

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