地下水组分特征PPT幻灯片课件

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1、第二章地下水组分特征 1 水文地球化学 第一节地下水中的大量组分 2 第一节地下水中的大量组分 一 氯离子 Cl 1 迁移性能Cl 具有很强的迁移性能 其原因有三个方面 1 不形成难溶化合物 2 不被胶体所吸附 3 不被生物所吸附 3 第一节地下水中的大量组分 2 分布规律地下水中的Cl 含量从几mg L至100mg L以上均有 一般随地下水矿化度的增高而增高 在高矿化度水中 Cl 占阴离子首位 形成氯化物水 4 第一节地下水中的大量组分 3 来源 1 有机来源 三废水 化肥 农药 动物及人类的排泄物 2 无机来源 盐矿 含盐的沉积物 岩浆岩中含Cl矿物 火山喷出物等 3 大气降水 5 第一节

2、地下水中的大量组分 二 硫酸根 SO42 1 迁移性能 迁移性能较强 仅次于Cl 其迁移性能受下列四个因素控制 1 水中SO42 易与Ca2 Ba2 Sr2 等离子形成难溶盐 2 热带潮湿地区土壤铁 铝胶体吸附SO42 3 易被生物吸收 硫是蛋白质的组成部分 4 细菌硫酸盐还原作用 6 第一节地下水中的大量组分 2 分布规律 1 SO42 含量随地下水矿化度增高而增加 但增加速度明显落后于Cl 在中等矿化度水中 常成为含量最多的阴离子 2 在某些特殊情况下 地下水中含量可达到很高 例如硫化矿氧化带中的矿坑水 石膏层岩层地下水 7 第一节地下水中的大量组分 3 来源 1 石膏 硬石膏及含硫酸盐的

3、沉积物 2 硫化物及天然硫的氧化 3 火山喷发物中的硫的氧化 4 大气降水中的SO42 5 有机物分解 6 生活 工业 农业废水 8 3 1地下水中的大量组分 三 HCO3 和CO32 1 碳酸平衡及其与pH值的关系地下水中的碳酸以三种化合物形态存在 1 游离碳酸 它以溶解的CO2 aq 或H2CO3形态存在 习惯上记为 H2CO3 2 重碳酸根 即HCO3 3 碳酸根 即CO32 9 3 1地下水中的大量组分 三 HCO3 和CO32 这些组分之间的平衡关系式如下 10 3 1地下水中的大量组分 三 HCO3 和CO32 1 碳酸平衡及其与pH值的关系溶于水中总无机碳 11 3 1地下水中的

4、大量组分 三 HCO3 和CO32 1 碳酸平衡及其与pH值的关系可以推出pH值与各碳酸组分之间的关系 由这两个关系可求出CO2溶于水后各溶解类型占优势的pH值范围 在25 1atm条件下 pH 6 4 占优势 6 4 pH 10 3 占优势 pH 10 3 占优势 12 3 1地下水中的大量组分 三 HCO3 和CO32 1 碳酸平衡及其与pH值的关系可以推出pH值与各碳酸组分之间的关系 图3 1三种碳酸随pH值的变化曲线 13 第一节地下水中的大量组分 2 分布规律HCO3 在低矿化度水中居主导地位 在阴离子中占首位 在某些含CO2的水中 含量可达1000mg L以上 强碱 强酸水中 HC

5、O3 极少见 天然水中CO32 含量一般很低 但在苏打水中可达到很高 14 第一节地下水中的大量组分 1 影响HCO3 CO32 迁移的因素 Ca2 的存在 制约着水中HCO3 和CO32 含量 因为易产生CaCO3沉淀 脱碳酸作用 15 第一节地下水中的大量组分 2 地下水HCO3 和CO32 来源 大气中CO2的溶解 各种碳酸盐类及胶结物的溶解和溶滤 非碳酸盐火成岩的风化作用 深层CO2的加入 幔源CO2 变质CO2 16 第一节地下水中的大量组分 四 硅酸 地下水中的SiO21 地下水中SiO2的存在形式 1 硅酸的形式地下水中的硅酸有以下几种 H4SiO4 正硅酸 H2SiO3 偏硅酸

6、 H2Si2O5 二偏硅酸 H6Si2O7 焦硅酸 H2SiO3因其形式简单 常以它代表水中的硅酸 17 第一节地下水中的大量组分 2 地下水中SiO2的存在形式硅酸的盐是可溶的 但遇到酸 包括碳酸 时 很易析出正硅酸 因此 在大多数的地下水中 SiO2以不离解的H4SiO4形式存在 18 第一节地下水中的大量组分 在强碱性条件下 水中会出现H3SiO4 H4SiO4和H3SiO4 的比例与pH值的关系如下 同时 H4SiO4也往往会发生聚合 形成硅胶溶液 19 第一节地下水中的大量组分 SiO2在地下水中的存在形式归纳为 在一般的地下水中 SiO2以H4SiO4 单体硅酸 或硅酸钠钾盐的分子

7、分散状态存在 硅胶出现极少 在碱性地下水中 SiO2部分以H4SiO4形式存在 部分以H3SiO4 形式存在 部分以硅胶形式存在 20 第一节地下水中的大量组分 2 地下水中SiO2的沉淀条件 1 与含电解质的水溶液相遇 可使硅酸凝结成含水蛋白石而析出 如Ca2 Mg2 等的加入 会导致SiO2的沉淀 2 酸碱条件的变化 一般碱性介质有利于SiO2的溶解 酸性介质不利于SiO2迁移 当碱性介质流经酸性环境时 则会沉淀SiO2 如 硅化木形成即可能与此有关树木腐烂分解 产生有机酸 酸性环境引起水中SiO2的沉淀 21 22 第一节地下水中的大量组分 3 水温的变化 温度增高 有利于SiO2在水中

8、的溶解 反之则会导致SiO2的沉淀 如温泉硅质泉华的形成 4 生物化学作用 硅是很多生命物质的食物 水中SiO2由于细菌参与的生物化学作用 在生物圈往往会大量沉淀下来 如硅藻的作用 23 第一节地下水中的大量组分 3 地下水中SiO2的含量地下水中SiO2的平均含量为17mg L 不同类型地下水中 SiO2的含量大致如下 1 微矿化硅酸 硅酸 重碳酸型潜水中的SiO2 SiO2含量一般为5 25mg L 常占阴离子首位 形成硅酸型水 或硅酸 重碳酸型水 2 低矿化度潜水和浅层承压水中的SiO2 SiO2含量为10 40mg L 水型为HCO3 型水 24 第一节地下水中的大量组分 3 弱矿化碱

9、性硅质热水中的SiO2 SiO2含量一般大于40mg L 以60 100mg L者居多 硅酸在水中占矿化度的20 40 庐山温泉 水温72 pH 8 5 SiO2 80mg L 4 现代火山和岩浆活动区硅质热水中的SiO2 SiO2含量很高 常达几百mg L 西藏羊八井15区水温85 的水中 SiO2 247 6mg L 5 某些pH 9以上的强碱性矿泉水中的SiO2 SiO2含量极高 常达几千mg L 例如美国加州体斯塔山矿泉水 pH 11 6 SiO2 3970mg L 25 第一节地下水中的大量组分 4 硅酸水与硅质水 1 在阴离子中 HSiO3 占阴离子首位 按摩尔分数计算 的水叫硅酸

10、水 2 SiO2含量大于50mg L的水 叫硅质水 3 硅酸泉 HSiO3 含量大于50mg L 可作饮料与浴疗 4 HSiO3 含量大于30mg L 可作为天然饮料矿泉水 HSiO3 在25 30mg L 水温为20 以上或水同位素年龄大于1年亦可作天然饮料矿泉水 26 第一节地下水中的大量组分 1 地下水中氮的形态 有机氮 五 氮的化合物 27 第一节地下水中的大量组分 无机氮 28 第一节地下水中的大量组分 1 有机N的矿化作用 铵化作用 有机N在异养型细菌的作用下转化为无机态的NH4 此过程在好氧和厌氧条件下都可发生 2 铵的吸附作用NH4 随水向下运动过程中 可以被包气带岩土吸附在其

11、表面 属于可逆阳离子交换吸附 这种作用并不产生N的转化 2 地下水氮的转化过程与机理 29 第一节地下水中的大量组分 3 固N作用 同化作用 NO3 NO2 NH4 N2O和N2通过微生物和植物吸收同化 转化为有机N 4 硝化作用在化能自养亚硝化菌和硝化细菌的作用下 NH4 被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐 30 第一节地下水中的大量组分 5 反硝化作用在缺氧条件下 异养型去氮菌把NO3 NO2 还原分解为气态氮 N2O和N2 的过程 NO3 NO2 NO N2O N2 31 3 来源主要是人为来源 但有些地方为天然来源 人为来源很多 主要是化学肥料 农家肥 生活污水及生活垃圾 地下水污染主要是NO3

12、 污染 4 污染标志NH4 NO2 说明地下水近期受污染 而NO3 说明地下水很早以前受到污染或距离污染源较远 32 第一节地下水中的大量组分 六 K Na Ca2 Mg2 1 分布规律与迁移性能Na Na 迁移能力强 分布广泛 高矿化度水中Na 占阳离子首位 易被胶体吸附 迁移能力仅次于Cl 地下水中Na 含量从几mg L到几百g L K 与Na 近似 但迁移性能较差 因为生物易吸收K 易形成次生矿物进入晶体的结晶格架 水云母 33 第一节地下水中的大量组分 Ca2 在低矿化度水的阳离子中占首位 常见HCO3 Ca型水 天然水中Ca2 1g L 常见几mg L 几十mg L 深层水中Ca2

13、可达几十g L 甚至更高 为Cl Ca型水 Ca2 的迁移受CaSO4 CaCO3的影响 Mg2 Mg2 与Ca2 相似 但自然界中Mg盐分布不广 故在地下水中Mg2 难占主导地位 34 第一节地下水中的大量组分 2 来源Na 含Na 盐的海相沉积物 干旱环境下的陆相沉积物 以及岩盐矿的溶解 火成岩 铝硅酸盐的风化产物 阳离子交换吸附 35 第一节地下水中的大量组分 Ca2 石灰岩 白云岩和石灰质胶结物的岩石及石膏的溶解 火山岩 变质岩中含钙矿物的风化分解 36 第一节地下水中的大量组分 七 氢离子1 H 与pH值关系pH log H 标准状态 25 下 若pH 7 即 H 10 7mol L

14、 则为酸性 反之则为碱性 37 第一节地下水中的大量组分 2 中性pH值与温度关系pH中性点 随温度的增高而降低 pH中 7 470 pH中 725 pH中 6 6350 pH中 6 5160 38 第一节地下水中的大量组分 3 影响水中H 浓度 pH值 大小的因素 1 水中不同形态无机碳的含量 2 酸性土壤枯枝落叶层和沼泽中的腐殖酸是天然水中H 的重要来源 因此 林区潜水呈弱酸性 3 盐类水解 4 矿床硫化物氧化 39 第一节地下水中的大量组分 5 微生物作用硝化作用 反硝化作用 6 酸性气体CO2 HCl SO2等气体溶于水 40 第一节地下水中的大量组分 4 地下水分组与pH值关系地下水

15、pH值 0 45 11 5 大部分为6 8 5 41 3 1地下水中的大量组分 八 铁和铝1 在地下水中的含量Fe2 一般水中 含量小于几十mg L 在pH 4的酸性水中可达几十至几百mg L Fe3 以胶体存在 一般含量很小 Al3 在地下水中含量一般小于1mg L 但在pH 4的酸性水中可达几十mg L 42 3 1地下水中的大量组分 八 铁和铝2 Fe Al的迁移性能 1 Fe是变价元素 Fe2 Fe3 Fe2 在酸性环境中迁移能力强 Fe3 迁移性能很弱 当地下水中含足够氧时 Fe3 可以呈胶体状态迁移 此时迁移性能增强 Fe OH 3胶体 正胶体 负胶体 43 3 1地下水中的大量组

16、分 八 铁和铝2 Fe Al的迁移性能Fe OH 3在地表十分稳定 易形成红褐色蜂窝状的 铁帽 Fe2 和Fe3 很容易水解 产生Fe OH 2和Fe OH 3沉淀 在一定的条件下 Fe2 和Fe3 可相互转化 44 3 1地下水中的大量组分 八 铁和铝2 Fe Al的迁移性能 2 Al 非变价元素 迁移性能很差 其氢氧化物产生水解沉淀的pH水 3 1 在强酸性水中 pH 4 0 以Al3 形式存在 在碱性水中 形成AlO2 和AlO33 思考题1 地下水温度为5 pH 7 请问水是酸性还是碱性 酸性 45 水文地球化学 地下水中的无机化学成分 第二节地下水中的微量组分 46 第二节地下水中的微量组分 一 溴 Br 1 分布特征溴的化合物极易溶解 在一般地下水中含量为0 001 0 2mg L 在矿泉水中的含量较高0 50mg L 某些盐湖水中可达900mg L 在某些石油产地的卤水中含量最高 达到100 9800mg L Br和Cl一样随水的矿化度增加而增加 但在成盐过程中 Br和Cl分离 Cl进入固相 而Br仍留在水中 主要原因是Br化合物的溶解度比Cl化物的溶解度大 47 第二节