水文地球化学电子教案3

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1、水文地球化学,主讲：苏春利,中国地质大学（武汉）环境学院,第三讲 天然水化学成分的组成及水化学资料的获取与整理,第一部分 天然水化学成分的组成,天然水的分类大气降水与地表水的化学特征地下水的化学特征天然水化学成分的综合指标地下水化学成分的数据处理,天然水的组成,天然水是组成复杂的溶液 存在于地壳中的87种稳定的化学元素中，在天然水中就发现了70种以上 天然水的化学成分是指 离子、络阴离子、复杂络合物 无机分子(O2、CO2、H2、CH4、H4SiO4) 有机分子(HCl-C=C-Cl2,Cl2-C=C-Cl2) 微生物（细菌、病毒、寄生虫）（存活时间、吸附、酸性土壤） 胶体(10-9-10-7

2、m),天然水组成的分类,天然水组成可按溶质颗粒大小、化合物类型、相对浓度及相态等分类,按溶质颗粒大小 真溶液 胶体 悬浮液 按化合物类型 无机物 有机物 无机络合物及有机络合物,按相态 固相 液相 气相 按相对浓度 宏量组分 中量组分 微量组分,大气降水的一般特征,大气降水是含杂质较少、矿化度较小的软水，其含盐量一般为2050mg/L。 干旱地区的雨水杂质较多，潮湿地区雨水中杂质较少。 滨海地区降水中的Na+ 和Cl-含量较高，而内地降水中的Na+ 和Cl-含量较低。 初降雨水杂质较多，而长期降雨后的雨水杂质较少。,大气降水中的气体组分,大气降水中一般溶有较多的CO2，因此酸性较强，具有强烈破

3、坏岩石的能力。含CO2气体的降水入渗地下后，可发生一系列化学反应，在改变水自身的溶解组分的同时，也强烈地改变着所流经的岩土体的形状，并形成不同类型的次生矿物。 大气降水中还溶有一定量的惰性气体，它们可随水一直下渗到深处，基本上不改变原来状态，因此可用惰性气体作为判别地下水补给来源与运动途径的指标。,大气降水中的其他化学特征,大气降水的pH值一般为5.5-7.0左右； 大气降水的主要盐类成分为HCO3-，CO32-，SO42-，Cl-，Ca2+，Mg2+，Na+，K+； 大气降水中二氧化硅含量很小，一般不超过0.5 mg/L；,海水的化学特征,海水的无机组分 宏量组分（含量10mg/L）：按含量

4、由大到小的顺序依次为Cl-，Na+，SO42-，Mg2+， Ca2+，K+，HCO3-，Br-； 中量组分（含量在0.1mg/L-10mg/L）：包括Sr，SiO2，B，F，NO3-，Li，Rb等； 微量组分（含量Na+，HCO3-SO42-Cl-； 总含盐量在100-200 mg/L之间，一般不超过500 mg/L； 基本化学组成与河水流经地区的岩土类型直接相关，如石灰岩区的河水中富含Ca2+与 HCO3-，流经含石膏地层的河水SO42-含量较高，等等。 河水的有机组分 河水中的有机组分来源于地面植物腐烂或死亡后的分解物质，总含量一般在10-30 mg/L之间。,湖泊与水库水的化学特征,湖泊

5、水的化学特征 湖泊水的补给源为河流或地下水； 湖泊水的含盐量受补给量与蒸发量大小关系的影响； 氮、磷营养物质含量很高的污水排入湖泊后，可引起藻类大量繁殖，是湖泊中常见的一种污染，称为富营养化。 水库水的化学特征 水库为人工的淡水湖泊，其水质状态与淡水湖非常相近。,地下水的化学特征,地下水中的Si Si广泛存在于地壳上的各种岩石与矿物中，包括石英、铝硅酸盐、粘土矿物等； 在一般环境条件下，石英的溶解非常缓慢； 硅酸盐和铝硅酸盐（如钾长石、钠长石、钙长石、黑云母、白云母、钠蒙脱石、钙蒙脱石、镁橄榄石等）的不全等溶解可产生硅酸； 不论是石英还是硅酸盐和铝硅酸盐的溶解，水中的Si几乎全部以H4SiO4

6、的形式存在，H3SiO4-相对很少，H2SiO42-则极少。 地下水中SiO2的含量一般在10-30 mg/L之间，一般不超过100 mg/L。,地下水的化学特征,铝硅酸盐与地下水的反应 辉石：CaMg0.7Al0.6Si1.7O6 + 3.4 CO2 + 4H2O = 0.3Al2Si2O5 (OH)4 + Ca2+ + 0.7Mg2+ + 1.1H4SiO4 + 3.4HCO3- 黑云母：KMg3AlSi3O10 (OH)2 + 7CO2+ 7.5H2O = 0.5Al2Si2O5 (OH)4 + K+ + 3Mg2+ + 2H4SiO4 + 7HCO3- 钙长石：CaAl2Si2O8 +

7、 2CO2 + 3H2O = Al2Si2O5 (OH)4 + Ca2+ + 2HCO3- 钠长石：2NaAlSi3O8 + 2CO2 + 11H2O = Al2Si2O5 (OH)4 + 2Na+ + 4H4SiO4 + 2HCO3-,地下水的化学特征,地下水中的Al 地下水中铝的浓度主要受铝的氢氧化物（三水铝石）的溶度积的控制； 换言之，地下水中铝的浓度与pH值有关系，酸性条件有利于Al2O3的溶解； 地下水中铝的存在形式也与pH值有关系。在pH 4的地下水中，铝主要以Al3+的形式存在，而在碱性地下水中，可形成AlO2-、AlO33-等离子。,地下水的化学特征,地下水中的Fe 地下水中的

8、铁的水文地球化学特性受pH值与氧化还原条件的影响很大； 例如：当地下水的pH值从8减小到6，Fe3+在水中的溶解度将增加106倍； 所以，在河流入海处的沉积物中常会出现Fe(OH)3沉淀。原因为陆地上的河水常呈弱酸性，而海水则呈弱碱性。,地下水的化学特征,地下水中的Ca、Mg Ca2+、Mg2+在地下水中的行为受水溶CO2的影响非常大，换言之，碳酸平衡是控制钙、镁离子在水中溶解或沉淀的主导因素； 以钙为主的地下水的TDS一般小于1g/L； 虽然镁盐在水中的溶解度比钙盐大，但由于Mg2+相对于Ca2+易被植物吸收，故其在地下水中的含量一般小于后者。,地下水的化学特征,地下水中的Na、K 地下水中

9、的钠、钾一般来源于硅酸盐地层及易溶盐类地层； 钠是高矿化度水的主要成分； 钾在地壳中的含量与钠相似，钾盐也非常易溶于水，但钾是营养元素，及其容易被植物吸收，所以在地下水中含量非常低； 钾在海水中的含量可以达到很高。,地下水的化学特征,地下水中的C 地下水中的碳主要来源于石灰岩、白云岩、泥灰岩的溶解； 地下水中溶解的CO2气体对地下水中的碳酸平衡有非常重要的意义，并控制着碳的浓度与水的酸碱性。 地下水中的各种含碳组分的含量受pH影响非常大；,地下水的化学特征,地下水中的S SO42-也是地下水的重要成分之一，来源于石膏等硫酸盐的溶解，也可能来自硫化矿床氧化产物的溶解。 地下水中硫的主要存在形式为

10、SO42-，在酸性条件下出现HSO4-，在还原环境出现H2S，在还原的碱性条件下出现HS-； 在富含有机物的地下环境中，如油田、富腐殖质的土壤，脱硫酸作用将使地下水中的SO42-含量极少或不含SO42-。,地下水的化学特征,地下水中的Cl 地下水中的Cl-主要来源于岩盐的溶解，Cl是高矿化度水的主要成分； Cl在地下水中含量变化规律一般与TDS一致。,地下水的化学特征,地下水中的N 地下水中高含量的含氮离子的出现往往是人类污染的结果 ；,当氧化环境的水进入富有机质的还原性地层时，水中组分被氧化的次序是：,从还原环境的水进入氧化环境的水，其组分被氧化的次序是：,地下水的化学特征,地下水中的P 地

11、下水中的磷来自于污染或磷酸盐矿物的风化。 磷酸盐矿物的溶解度都很低，土壤中动植物及微生物的作用是使难溶性或不溶性磷酸盐进入地下水循环的关键所在。/,地下水中P的的存在形式有四种，即H3PO4(aq)、 H2PO4-、HPO22-和PO43-。水中pH的的存在形式严格受pH控制： pH4时，才出现H3PO4(aq); pH10时，才出现PO43- pH=7.21时， H2PO4-和 HPO22-各占一半,总溶解固体(TDS) 指水中溶解组分的总量，包括溶于水中的离子、分子、络合物，但不包括悬浮物与气体； 通常以105-110下水蒸干后留下的干涸残余物的重量来表示，单位为mg/L； 常用的TDS计

12、算方法为水中溶解组分总和减去HCO3-浓度的一半。 含盐量 指水中各种组分的总和； 为计算值，与TDS的差别在于不需减去HCO3-浓度的一半。,天然水化学成分的综合指标,硬度 总硬度：水中Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+等碱土金属离子的总和，计算方法为Ca2+、Mg2+毫克当量总数乘以50，以CaCO3表示，单位为mg/L。 碳酸盐硬度（暂时硬度）：指与CO32-、HCO3-结合的硬度，可通过煮沸的方式除去。计算方法为CO32-、HCO3-的毫克当量总数乘以50，以CaCO3表示，单位为mg/L。 非碳酸盐硬度（永久硬度/负硬度）：指与Cl-、NO3-、SO42-结合的硬度，不能通过煮沸

13、的方式除去。计算方法为总硬度减去暂时硬度，如结果为负值称为负硬度。 钠吸附比 用于评价灌溉水水质或土壤与地下水之间的阳离子交换反应。SAR值高的水灌溉会引起土壤板结。,天然水化学成分的综合指标,化学需氧量 (COD) 指在强酸性条件下化学氧化剂氧化水中有机物所消耗的氧量，以mg/L为单位，通常所用氧化剂为KMnO4、K2Cr2O7。 生化需氧量 (BOD) 指微生物降解水中有机物所消耗的氧量，以mg/L为单位，通常采用20条件下，培养微生物5天所得的BOD值。 总有机碳 (TOC) 水中各种形式有机碳的总量，以mg/L为单位。 氧化还原电位 (Eh) 为表征水系统氧化还原状态的指标，单位为V，

14、正值表明水系统处于相对氧化状态，负值表明水系统处于相对还原状态。,天然水化学成分的综合指标,碱度 表征水系统中和酸的能力的指标，主要取决于水中CO32-、HCO3-的含量； 天然水中的OH-、硼酸、磷酸、硅酸也具有中和酸的能力，但由于含量甚小而一般不予考虑。 计算方法为CO32-、HCO3-的毫克当量总数乘以50，以CaCO3表示，单位为mg/L。在数值上等于暂时硬度。 酸度 表征水系统中和强碱的能力的指标； 对水系统酸度有贡献的指标包括强酸（如HCl、HNO3、H2SO4）、弱酸（如CO2、H2CO3、有机酸）、强酸弱碱盐（如FeCl3）等。 总酸度包括水中已电离的H+和将会电离的H+，已电

15、离的H+称为离子酸度，与pH值一致。,天然水化学成分的综合指标,第二部分 水化学资料的获取与整理方法,Acquisition and Processing of Hydrochemical Data,在自然界中，单纯由H2O分子组成的化学意义上的“纯水”是不存在的。 1、天然水都是成分复杂的多相水溶液。 2、地下水中存在着各种元素、气体、有机化合物、胶体等 3、随着测试技术的完善，地下水中测出的元素和化合物种类越来越多。,天然水都是水溶液,1、首先在野外现场取样，现场测试，水样预处理 2、将水样带回室内，送实验室分析 3、获得水质报告 在这种报告中，通常仅有水中化学组分的含量。 4、对这些组分

16、进行分类、整理。 从中提取水文地球化学信息，并揭示其蕴含之内在的规律性。,可以说，不进行水化学资料的获取和整理工作，就谈不上水文地球化学工作。,获取地下水的化学成分资料是水文地球化学工作的第一步,第一节 水分析概述 Introduction on Water Analysis,水分析的目的：获取所研究水体水质的数据。 要求有：1）灵敏度高，精密度好的分析方法2）根据使用目的，正确选定采样时间、地点、取样深度以及样品的保存技术。 在现行的工作实践中，有许多人简单地把水化学工作理解成取样化验（分析）水质评价，是大错而特错的！上面提到的这几项需正确选定的内容，都不可忽视。,一、地下水样品的采集、保存与现场分析 二、水分析方法的分类 三、水分析结果质量评估,