第四章 水环境地球化学
04第四章(氢氧同位素)
1.氢氧同位素概述 2.天然水的氢氧同位素组成及分布特征 3.氢氧稳定同位素的应用
1概 述
1.1 氢、氧同位素的主要地球化学性质
氢和氧是自然界中的两种主要元素，它们 以单质和化合物的形式遍布全球。
冰雪的堆积与融化对海水同位素组成的影响
北极冰的δD值为-160 ‰，δ18O值为-22 ‰ ； 南极雪的δD 值为-440 ‰ ，δ18O为-55 ‰。
当极地有大量冰雪堆积时， 海洋水的同位素组成变重； 若全球冰雪融化，海洋水 的同位素组成变贫。 据计算海水的δ18O将降到 -1‰，δD降到-10‰。
降水线的斜率也是反映分馏程度的一个参数
1965年Craig和Gordon指出，云团的冷凝过程基本上属于平衡过程，没 有明显的动力分馏，分馏系数介于封闭的平衡蒸发和瑞利蒸发之间，因 此，全球降水线的斜率S＝8。
大量的研究证明，海水蒸发形成云团蒸气的过程实际上是一个动力过程， 蒸发速度受水－空气界面的扩散速度控制，而大气中的湿度、风速等因 素都会影响扩散速度。由于氢氧同位素分子有不同的扩散速度，所以得 到的斜率不等于8，而往往在5-6之间。由于受蒸发作用的影响而斜率小 于8。
2.4 地下水
1) 渗入水
不论古代还是现代，由大气降水补给的渗入水的同位素组成与其补给 源的大气降水的同位素组成相近，这是一种普遍的现象。在δD－ δ18O关系图上，数据点都落在世界降水线或地方降水线附近。
利用大气降水的高度效应，可以推测计算地下水补给区的高度和 位置。
穿过起伏较大的大陆边缘加拿大西部山脉降水的δ18O变化
-7.0
-8.0
水资源与水环境,第四章(天然水化学)
☆大气降水中所含溶解气体十分稳定，浓度几乎不变，但CO2成分不稳定。
☆大气降水中二氧化硅含量很小，一般不超过0.5mg/L。
大气降水的pH值一般为5.5－7.0左右。
☆目前，酸雨已成为全球性的重大环境问题之一。
海水占地球总水量的97.2%，世界各地海洋水质基本相似和稳定。
各种天然存在的元素，在海水中几乎都能发现，它们以单离子、络合离子、分子等各种形式存在。
海水占地球总水量的97.2%，世界各地海洋水质基本相似和稳定。
各种天然存在的元素，在海水中几乎都能发现，它们以单离子、络合离子、分子等各种形式存在。
34g 3☆宏量组分海水中宏量组分的含量按其顺序为Cl、Na、SO4、Mg、Ca、K、HCO3、Br，它们的总量占海水溶解物质的绝大部分，即99.94%。
☆中量组分它们是指含量为0.1-10mg/L的组分，这些组分是：Sr、SiO2、B、F、NO3、Li、Rb、C（有机）。
☆微量组分它们是指其含量小于0.1mg/L的组分。
它们包括P、I、Ba、Zn、Ni、As等30多种。
☆海水的含盐度大到在34‰－36‰范围内，只有含量范围变化很大，Na和Cl比也有些变化。
☆海水中含有溶解的和悬浮的有机物，一般有机碳含量在0.1-2.7mg/L范围。
2、海水的成分特征2、海、海水的成分特征3、河水的成分特征☆不同地区的岩石、土壤组成决定着该地区河水的基本化学成分。
在结晶岩地区，河流水中溶解离子含量较少；在石灰岩地区，河水中富含Ca2+及HCO3；若河流流经白云岩及燧石层时，水中Mg、Si含量增高；河流流经石膏层时，使水中富含SO4，且总含盐量有所增加；富含吸附阳离子的页岩及泥岩地区则向河水提供大量溶解物质，如Na、K、Ca、Mg。
☆河水中总含盐量在100-200mg/L间，一般不超过500mg/L，有些内陆河流可以有较高的含盐量。
河水中主要离子关系与海水相反，即其次序为Ca>Na，HCO3> SO4>Cl。
环境地球化学中科院水体地球化学幻灯片
3．重金属
这里的重金属主要是指汞、镉、铅、铬，以及 类金属砷及其化合物，也包括具有毒性的锌、 铜、钴、镍、锡等。重金属以汞毒性最大，镉 次之，铅、铬、砷也有相当的毒性，被人们称 为“五毒〞。
溶解氧
耗氧量 解氧
有机废物含量 体)
污水排放口
下
游
耗氧量
溶解氧
有机废物含量 体)
剩余溶 ( 低污染水
溶解氧 不足
(高污染水
污水排放口 下
游
水体中有机废物与溶解氧含量的关系
2．植物营养物
植物营养物主要是指氮、磷、钾以及硫及其化合 物，它们是植物生长发育所需要的养料，但过多 的营养物质进入水体，将恶化水体质量，影响鱼 类的生长和危害人体安康。
等大大增加，造成了对水体的污染，
从而影响，甚至危及人类的生存与开
展。
第一节 水体污染物与水体污ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ源
水体是指河流、湖泊、池塘、水库、 沼泽、海洋以及地下水等水的聚集体。 在环境学中，水体不仅包括水本身，还 包括了水中的悬浮物、溶解物质、胶体 物质、底质(泥)和水生生物等。
1984年公布的中华人民共和国水污染防治法 中为“水污染〞下了明确的定义，即水体因某 种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或 者放射性等方面特征的改变，从而影响水的有 效利用，危害人体安康或者破坏生态环境，造 成水质恶化的现象称为水污染。
呼吸作用(全日进行、使DO减少)
水文地球化学电子教案
水文地球化学电子教案第一章：水文地球化学概述1.1 水文地球化学的定义1.2 水文地球化学的研究对象和内容1.3 水文地球化学的发展简史1.4 水文地球化学的重要性第二章：水文地球化学基本概念2.1 地球化学的基本概念2.2 水的性质和分类2.3 地下水的形成和运动2.4 水文地球化学循环第三章：水文地球化学元素与同位素3.1 元素的性质和分布3.2 常见元素的水文地球化学行为3.3 同位素的水文地球化学应用3.4 元素和同位素在水文地球化学研究中的应用第四章：水文地球化学分析方法4.1 水文地球化学样品的采集与处理4.2 水文地球化学分析技术4.3 数据处理与质量控制4.4 水文地球化学分析方法的进展与挑战第五章：水文地球化学应用实例5.1 地下水污染的水文地球化学研究5.2 地下水资源评价与管理5.3 环境水文地球化学问题5.4 水文地球化学在工程中的应用第六章：水文地球化学循环与地球化学过程6.1 水文地球化学循环的基本原理6.2 岩石圈-大气圈-水圈-生物圈之间的水文地球化学循环6.3 地球化学过程在水文地球化学研究中的应用6.4 典型水文地球化学循环案例分析第七章：水文地球化学野外调查与采样技术7.1 野外调查的基本方法7.2 地下水采样技术7.3 岩石和土壤样品的采集7.4 数据处理与质量保证第八章：水文地球化学实验室分析技术8.1 常用实验室分析方法概述8.2 岩石和矿物分析8.3 水质分析8.4 同位素分析技术第九章：水文地球化学模型与应用9.1 水文地球化学模型的类型与构建9.2 地下水流动模型9.3 污染物迁移与转化模型9.4 水文地球化学模型在环境管理中的应用第十章：水文地球化学在我国的应用案例研究10.1 我国水文地球化学研究概况10.2 典型地区水文地球化学特征分析10.3 地下水资源评价与保护案例10.4 环境水文地球化学问题研究与治理案例第十一章：水文地球化学与环境健康11.1 水文地球化学与水质关系11.2 地下水中有害元素的来源与迁移规律11.3 水文地球化学指标在环境健康评估中的应用11.4 环境健康案例分析第十二章：水文地球化学在农业领域的应用12.1 农业水文地球化学背景12.2 土壤-植物系统中元素迁移与富集12.3 农业水文地球化学调查与评价方法12.4 农业水文地球化学应用案例第十三章：水文地球化学在能源领域的应用13.1 能源水文地球化学概述13.2 地下水资源在能源开发中的作用13.3 能源开发活动对水文地球化学的影响13.4 能源水文地球化学案例分析第十四章：水文地球化学在灾害防治中的应用14.1 地质灾害的水文地球化学因素14.2 水质预测与灾害预警14.3 水文地球化学在地质灾害防治中的应用14.4 灾害防治案例分析第十五章：水文地球化学研究的前沿与挑战15.1 水文地球化学研究的新技术与发展趋势15.2 跨学科研究在水文地球化学中的应用15.3 水文地球化学在全球变化研究中的作用15.4 未来水文地球化学研究的挑战与机遇重点和难点解析本教案全面覆盖了水文地球化学的基本概念、研究方法、应用领域及前沿挑战。
理学环境地球化学简介
Pb
设得兰群岛 <0.07 <0.8
<0.04
21
挪威北
0.01
加拿大西北
0.06
9-14
南极
<0.0004 <0.015
0.63
欧洲
0.2-7 0.5-620 <0.009-2.8 55-340
北美
0.04-2.4 <1-41 0.07-38 45-13000
日本
25
1.6
200
夏威夷或艾 20
8-92
-
0.02-0.55 -
加拿大 6.3
0.09-0.56 0.01-0.16 5.2-14.1
芬兰 0.47-10.8 0.01-0.7 0.03-0.86 2.5-8.9
瑞典 -
0.22
0.004-0.99 -
ห้องสมุดไป่ตู้
苏联 0.085
2.5
-
6.3-21
日本 3.5-52 0.4
0.04-0.33 3.4
环境地球化学简介
一、元素的环境地球化学分类 （一）元素的环境地球化学分类及存在形
态 1.元素的环境地球化学分类
环境地球化学简介
（1）生命元素 • 生命组成元素：H、C、N、O、Ca、P、
K、S • 生命必需元素：Fe、Cu、Zn、Mn、Co、
I、Mo、Se、F、Cr、V、Ni、Br
环境地球化学简介
化物等，如CaSO4•2H2O（石膏）, PbCO3 （白铅矿）, Pb(OH)2, CaF2
环境地球化学简介
(4)物理化学吸附作用 • 粘土对Cr、Cd、As、Cu、Pb、Zn、Hg
的去除深度为15cm, 净化率达89.3-100%。 • 粘土对酚，氰的去除深度小于20cm, 净化
第四章 水的地球化学循环及水文地球化学分带
1 地壳中水的地球化学循环 地壳中水的地球化学循环 1.1 水在地球中的全循环 地壳中水的全循环包括水文循环及地质循环。 地壳中水的全循环包括水文循环及地质循环。 我们已经比较熟悉水文循环。 我们已经比较熟悉水文循环。
1.2 地壳中水的地球化学循环 地壳中水的地球化学循环 水的地球化学循环总是和水循环紧密相联的。 水的地球化学循环总是和水循环紧密相联的。 水的地球化学循环：在沉积 变质作用有次序有 水的地球化学循环：在沉积-变质作用有次序有 方向性的发展过程中，水直接参与岩石、 方向性的发展过程中，水直接参与岩石、有机物 质及气体经历的地球化学作用，并被分解、 质及气体经历的地球化学作用，并被分解、合成 等作用与现象的总和。 等作用与现象的总和。 水是通过分解和合成实现其在地壳中的地球化 学循环的。 学循环的。
Hale Waihona Puke CaCa沉积盆地承压含水层地下水化学成分正垂直分带
沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（ ） 沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（1） 两个承压含水层地下水补给条件不同） （两个承压含水层地下水补给条件不同）
灰岩
粉砂岩
沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（ ） 沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（2） 两个承压含水层由渗透性不同的岩石组成，下部大于上部） （两个承压含水层由渗透性不同的岩石组成，下部大于上部）
正垂直分带：矿化度随深度增加而增加， 正垂直分带：矿化度随深度增加而增加，水化学成分也按着水 平分带中的更替次序而变化； 平分带中的更替次序而变化； 反垂直分带：上部高矿化度水下面埋藏着低矿化度水， 反垂直分带：上部高矿化度水下面埋藏着低矿化度水，在它们 下面，水的矿化度随深度重新增加； 下面，水的矿化度随深度重新增加； 复杂垂直分带： 复杂垂直分带：水的矿化度随深度增加不只一次的增加或减少
水环境化学讲义精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版水环境化学讲义水圈包括海洋水、大气水、陆地水。
陆地水包括：地下水：潜水，承压水，冻土水，岩石、土壤分子水。
地表水：冰帽水、径流水、湖泊水、沼泽水。
生物水。
从分子与溶液的角度看水与天然水作为分子的水的组成、结构、特性：易作溶剂：氢键、异性相吸、六边形、较大分子间隙。
作为溶液的天然水的物理化学性质粘度：流体运动过程中，分子之间形成的剪切应力的物理量，水的粘度相对较大且随温度升高而急剧减少。
离子活度（ɑ）及离子强度（L）离子活度系数：反映溶液体系中某离子表现活性的物理量。
当量数：相当于1摩尔氢离子所含电子量的物理化学量。
当量浓度：1L溶液中所有某种物质的当量数的量。
当量＝【M Zi】/|Zi| ，摩尔浓度【M Zi】＝|Zi|*当量。
一切化学反应都是当量平衡。
离子缔合体。
范德华力包括静电力、诱导力、色散力。
溶液体系中因分子与分子间碰撞作用形成的离子束称为离子缔合体。
第二章天然水化学成分最早形成于大气层（凝结核），成分的直接影响因素包括生物、土壤、岩石。
生物是最大来源；成分的间接影响因素包括气候、地貌（接触时间）、水文要素（容量、流速等）天然水主要离子化学水化学反应回顾：（1）中和反应（2）沉淀－溶解反应：CaCO3<==>Ca2++CO32-（3）氧化还原反应（4）水解反应Fe3++3OH－<==>Fe(OH)3↓Fe(OH)3+3OH－<==>Fe(OH)63－未脱水而先形成配位体（配位反应特例）（5）配位反应Fe3++CN－<==>Fe(CN)63－氰化物处理（6）置换反应（7）吸附－解吸反应：2Na++Mg(胶体)2+<==>(Na胶体Na)2++Mg2+ 2Na++Cd(胶体)2+<==>(Na胶体Na)2++Cd2+骨痛病（8）缔和反应：在离子强度很高的条件下发生。
AgCl+Cl －<==>AgCl2－标准海水矿化度35.5g/L ，碱金属一般不发生配位反应。
第四章 第二节 水体污染
汞在无脊椎动物体中的富集可达10万倍，
日本的水俣病就是人长期吃富集甲基汞 的鱼而造成的。
2、镉[Cd（Ⅱ ）]
镉的化合物毒性很大，蓄积性也很强，
动物吸收的镉很少能排出体外。
受镉污染的河水用作灌溉农田，可引起
的重要来源。
目前造成湖泊等水体的富营养化，主要是由面源
带来的大量氮、磷等所造成。
2、几种水体污染源的特点
（1）生活污染源
由人类消费活动产生的污水。 城市和人口密集的居住区是主要的生活污染源。
生活中产生的污水，包括由厨房、浴室、厕所等
场所排出的污水和污物。
过量使 用洗涤 剂
过量使用 洗衣粉
把剩饭倒入 下水道
是环境保护研究和水污染防治的主要对象。
人为污染源体系很复杂：
按人类活动方式分为工业、农业、交通、生活等污
染源；
按排放污染物种类不同，可分为有机、无机、热、
放射性、重金属、病源体等污染源，以及同时排放
多种污染物的混合污染源；
按排放污染物空间分布方式，可以分为点源和非点
源。
水污染点源：
指以点状形式排放而使水体造成污染的发生源。 一般工业污染源和生活污染源产生的工业废水和
造成河流、水库、湖泊等水体污染甚至富营养化。
主要特点：
①污水面广、分散、难收集、难治理。 ②含有机质，植物营养素及病原微生物高， 悬浮物及杂质含量高 ③含较高的化肥、农药
过量施用农 药污染水体
过量施用化 肥污染水体
三、水体污染物
造成水体的水质、底质、生物质等的质量恶化或形
成水体污染的各种物质或能量均可成为水体污染物。
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
我国水污染的特征
（二）各流域水体自南向北水质逐渐变差
各流域片的水质状况是：内陆河片、西南诸 河片、东南诸河片、长江片和珠江片水质良好 或尚可，符合和优于Ⅲ类的河长分别占90.7％ 、83.2％、74.1％、74.0％、63.1％；黄河片 、海河片、松辽河片、淮河片水质较差，符合 和优于Ⅲ类的河长分别占46.7％、34.9％、 33.7％、26.2％。与上年相比，符合和优于Ⅲ 类水河长占评价河长百分数上升5个百分点以 上的是淮河片，下降明显的是珠江片。
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
3.1水体污染及其控制 3.1.1天然水的组成
天然水中所含的各种物质，根据溶质 粒径的大小和形态分为四大类：
（1）溶解气体 溶质粒径小于10-9m，以分子状 态存在于水中。根据气体在水中含量的多少，进 一步划分为主要气体和微量气体。 （2）溶解性物质 溶质粒径小于10-9m，主要以 离子形态存在于水中，根据含量和生成原因，又 再细分为主体离子、生物生成物、微量元素。
第四章水环境地球化学
水体自净和水体环境容量
自净能力决定着水体的环境容量（洁净水体所能 承载的最大污染物量）。
水解酶 生活污水（淀粉、蛋白质、脂肪等）
好氧菌 氨基酸、脂肪酸、甘油、低分子糖
CO2、H2O、无机盐
第四章水环境地球化学
水体的自净作用分为三类：
（根据净化机制）
(1)物理净化：天然水体的稀释、扩散、沉淀和 挥发等作用，使污染物质的浓度降低。
完整版一到四章《环境化学》(戴树桂_第二版)课后习题解答
《环境化学》（戴树桂第二版）课后部分习题解答第一章绪论4、根据环境化学的任务、内容和特点以及发展动向，你认为怎样才能学好环境化学这门课？环境化学是一门研究有害化学物质在环境介质中的存在、化学特征、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。
环境化学以化学物质在环境中出现而引起环境问题为研究对象，以解决环境问题为目标的一门新型科学。
其内容主要涉及：有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态，潜在有害物质的来源，他们在个别环境介质中和不同介质间的环境化学行为；有害物质对环境和生态系统以及人体健康产生效用的机制和风险性；有害物质已造成影响的缓解和消除以及防止产生危害的方法和途径。
环境化学的特点是要从微观的原子、分子水平上来研究宏观的环境现象与变化的化学机制及其防治途径，其核心是研究化学污染物在环境中的化学转化和效应。
目前，国界上较为重视元素（尤其是碳、氮、硫和磷）的生物地球化学循环及其相互偶合的研究；重视化学品安全评价、臭氧层破坏、气候变暖等全球变化问题。
当前我国优先考虑的环境问题中与环境化学密切相关的是：以有机物污染为主的水质污染、以大气颗粒物和二氧化硫为主的城市空气污染；工业有毒有害废物和城市垃圾对水题和土壤的污染。
5、环境污染物有哪些类别？主要的化学污染物有哪些？按环境要素可分为：大气污染物、水体污染物和工业污染物。
按污染物的形态可分为：气态污染物、液态污染物和固体污染物；按污染物的性质可分为：化学污染物、物理污染物和生物污染物。
主要化学污染物有：1.元素:如铅、镉、准金属等。
2.无机物：氧化物、一氧化碳、卤化氢、卤素化合物等3.有机化合物及烃类：烷烃、不饱和脂肪烃、芳香烃、PAH等；4.金属有机和准金属有机化合物：如,四乙基铅、二苯基铬、二甲基胂酸等；5.含氧有机化合物：如环氧乙烷、醚、醛、有机酸、酐、酚等；6.含氮有机化合物：胺、睛、硝基苯、三硝基甲苯、亚硝胺等；7.有机卤化物：四氯化碳、多氯联苯、氯代二噁瑛；8.有机硫化物:硫醇、二甲砜、硫酸二甲酯等；9.有机磷化合物:磷酸酯化合物、有机磷农药、有机磷军用毒气等。
水文地球化学电子教案ppt课件
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
二、植物-土壤影响阶段
土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态
– 氧化条件下
As、Fe、Mn形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对 农作物的危害
Cr、Zn、Cu、Cd形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并 加强了对农作物的危害
– 水文地球化学分带性——地下水化学成分在空间变 化的规律性
自然地理分带——水平分带 地质分带 ——垂直分带
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
表生带地下水的平均化学成分特征
渗入成因的溶滤潜水
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
表生带地下水化学成分特征
表生带地下水的分带性受下列因素影响
– 一级因素：气候 – 二级因素：植被 – 三级因素：岩性
气候是控制表生带地下水分带性最宏观一级的 因素
二、植物-土壤影响阶段
经过植物-土壤的地下水的特征
– 含有数量可观的碳酸 – 未被氧化的有机化合物的进一步分解将使水中碳酸进一步提高 – 相对于碳酸盐矿物与原生铝硅酸盐矿物，远未达到饱和状态，
即具有强溶解能力；
上述特征决定了地下水具有很强的与围岩介质发 生反应的能力。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
第四讲 地下水化学成分的形成与特征
《环境地球化学》教学大纲4.4
《环境地球化学》教学大纲课程名称：环境地球化学课程编号：S011034课程学时：32课程学分：2课程性质：学位课适用专业：环境科学，地球化学先修课程：环境科学、环境化学、地球科学概论大纲执笔人：教研室主任：课程简介《环境地球化学》为环境科学专业硕士研究生的一门学位课，主要介绍化学元素和微量物质在人类赖以生存的周围环境中的含量、分布特征和来源，生物—非生物复合系统中化学物质（包括营养物质，主要是针对污染物）的生物地球化学循环的基本过程（包括迁移、转化和保留等）与反应机制及其与人类健康的关系，揭示人为系统干扰下区域及全球环境系统的变化规律，为资源合理开发利用，环境质量有效控制及人类生存、健康服务。
重点介绍地表环境中典型有机物质（主要为痕量有机污染物）的来源、分布、地球化学循环（迁移、转化与归宿），以及有关全球性和区域性环境问题。
环境地球化学是环境地学和有机地球化学的一个重要分支。
本课程共分五章，第一章介绍痕量有机污染物的主要类型、分布特征及污染源分析；第二章介绍有机污染物环境地球化学循环；第三章介绍有机污染物的环境生态效应；第四章介绍有机污染物的微生物降解及环境污染修复；第五章介绍环境地球化学分析技术。
一、课程目的与要求《环境地球化学》为环境科学专业硕士研究生的一门学位课，课程的任务是介绍化学元素和微量物质（主要为痕量有机污染物）在人类赖以生存的周围环境中的含量、分布规律及来源，生物—非生物复合系统中化学物质（包括营养物质，主要是针对污染物）的生物地球化学循环的基本过程（包括迁移、转化和保留等）与反应机制及其与人类健康的关系，揭示人为系统干扰下区域及全球环境系统的变化规律，为资源合理开发利用，环境质量有效控制及人类生存、健康服务。
学生通过本课程的学习，熟悉地球表面有机污染物的类型、性质、分布和地球化学循环原理；了解环境地球化学研究进展；掌握有关环境地球学方面的科研方法和样品分析技术。
《环境地球化学》既是一门理论基础课，又是一门实践性都很强的课程，具有综合性、多样性、交叉性和实践性很强的特点，要求学生通过本课程的学习，不仅要熟悉有机污染物环境地球化学循环的基本原理，还必须能够形成运用所学知识解决有机污染物造成的实际环境科学问题思路，培养环境样品分析检测的能力和环境质量评价的科学方法。
第四章 同位素水文地球化学
2．零点能的概念：不同的同位素组成的分子具有一 些不连续的能级，其中最低的能级称之零点能。在 化学式相同的分子中，由轻同位素组成的分子的零 点能较大，而由较重同位素组成的分子的零点能较 小。这意味着含重同位素分子的基本振动频率较低， 要破坏一个含重同位素分子需要更多的能量。 一般来说，同位素的分馏效应与分子的平动能、转 动能和振动能都有关，但与温度有关的同位素分馏 效应却只取决于分子的振动能。
2．同一元素的同位素质量数不同，由它的形成 的不同化合物之间的物理化学性质存在差异。 例如：水由氢、氧同位素可以组成9种同位 素水分子类型，分子量为18的H216O分子在天然 水的含量中占绝对优势，而其它相对较重的同 位素水分子则以不等的痕量形式存在。H2O和 D218O的物理性质和分子量，密度、粘度以及一 些热力学性质，如：蒸汽压、熔点、沸点、生 成热、焓等）都存在明显的差别。
4. δ值：样品中两种稳定同位素的比值相对于某种 标准对应比值的千分差值：
δ(‰)=｛ （Rx—Rs）/ Rs ｝× 1000
例如：硫同位素以迪亚布洛峡谷铁陨石中陨 硫 铁 的 硫 为 标 准 (CDT) ， 这 个 标 准 硫 的 34S/32S=0.0450045。它的同位素组成相当于整个地 球的平均同位素组成。样品的δ34S为“+”时，表示 样品比标准富34S，相反表示贫34S。 定义δ值的目的在于： ① 因为自然界的稳定同位素组成的变化很微，用 δ值可以明显表示变化的差异； ② 便于全世界范围内数据大小的对比。
–
二、稳定同位素分类：
1．轻质量稳定同位素：氢、氧、碳、硫 特点：（1） 同位素组成变化大； （2） 同位素分馏的原因：在于元素 的物理化学和生物作用。 2．重质量数稳定同位素：锶、钕、铅等 特点：（1）同位素组成的变化相对小些； （2）同位素组成变化的原因，主要 是由于它们的放射性母体同位素的衰变所引起 的。
第四章 地球化学热力学与地球化学动力学
在温度不变的情况下，可以得到下式：
d ln K p / dP d (GT / RT ) / dP 0 0 0
(4.25)
(4.26)
d ln K y / dP0 d ln K p / dP0 (V )(d ln P0 / dP0 ) V / P0
一、热力学基础
4.1.2 热力学参数及其基本性质 1、熵
系之间的几率比值：
根据波尔茨曼（Boltzmann）关系（又称为熵的统计原理）。任意两个体
R e S / k
孤立体系（与外界既无物质交换、又无能量交换的体系） 的自发过程总是向体系熵增加的方向进行，称熵增加原理。 自发过程： 某种变化有自动发生的趋势，一旦发生就无需借 助外力，可以自动进行，这种变化称为自发过程。
x 2
吉布斯相律：
F K 2
这个关系式称为相律。
F为自由度，是能在一定范围内自由变化而不改变体系平衡的热力学 （强度）参数的数目；K为组分数；φ为相数，只要研究过程的热力学平 衡问题，都可以应用吉布斯相律。
一、热力学基础
4.1.3 平衡态及相律 3、相律
戈尔德斯密特相律：
热力学第一定律的实质是：能量不论是从一个物体传给另一个物 体．或者从—种形式转化成另一种形式，其总量不变，这就是能量 守恒（和能量转化）定律。
一、热力学基础
4.1.1 热力学第一定律和第二定律
热力学第二定律
W Qh Qc Th Tc Qh Qh Th
Qc Tc 1 1 Qh Th
一、热力学基础
4.1.4 化学平衡 1、化学平衡的等温公式
由标准自由焓定义的气相化学反应的平衡常数Kp，等于生成物 逸度乘积与反应物逸度乘积之比。即：
第4章 水的地球化学循环
地壳中水的地球化学循环
水在地球中的全循环
水文循环
发生于地表与地表以下2km范围内； 范围内； 发生于地表与地表以下 范围内 循环方式：降水、蒸发、地表径流、地下径流、 循环方式：降水、蒸发、地表径流、地下径流、地表水 入渗地下等
地质循环
发生于地壳深部 循环方式
重结晶脱水 矿物释水 矿物结晶吸水 自由水变为结合水 沉积物压实释水 进入其他沉积层 初生水与其他成因水（主要是沉积成因水） 初生水与其他成因水（主要是沉积成因水）的水量交换
沉积成因水中富含更多的成矿组分； 沉积成因水中富含更多的成矿组分； 沉积盆地中的沉积物压实过程与深部变质过程有利于 沉积物中金属元素的淋滤。 沉积物中金属元素的淋滤。
成矿过程中水的地球化学循环
地下水的成矿作用
在各种成因的地下水中—— 在各种成因的地下水中
“内生水的成矿作用”一般与岩浆活动过程有关， 内生水的成矿作用”一般与岩浆活动过程有关， 内生水的成矿作用 内生矿床的成矿机理比较复杂，本课程暂不讨 内生矿床的成矿机理比较复杂， 论； 与渗入成因水相比， 与渗入成因水相比，沉积成因水的成矿作用更 加普遍； 加普遍；
地壳中水的地球化学循环
水文循环过程
地壳中水的地球化学循环
地质循环过程
海盆或湖盆中的沉积物在成岩过程中，一部分水将被挤出， 海盆或湖盆中的沉积物在成岩过程中，一部分水将被挤出，返回沉积 沉积物在成岩过程中 挤出 盆地；另一部分水封存在沉积岩中，成为沉积成因水 沉积成因水； 盆地；另一部分水封存在沉积岩中，成为沉积成因水；还有一部分水 与沉积岩结合成为结合水 结合水。 与沉积岩结合成为结合水。 地壳深处的沉积岩在高温高压下可发生重结晶作用，变为变质岩 变质岩， 地壳深处的沉积岩在高温高压下可发生重结晶作用，变为变质岩，在 此过程中有水释出，形成变质成因水 其中一部分可能回到地幔， 变质成因水， 此过程中有水释出，形成变质成因水，其中一部分可能回到地幔，还 有一部分可能与沉积岩发生水合作用，也成为结合水 结合水。 有一部分可能与沉积岩发生水合作用，也成为结合水。 当地幔中涌上的初生水进入地壳下部时，可能发生地壳物质的重熔作 当地幔中涌上的初生水进入地壳下部时，可能发生地壳物质的重熔作 在此过程中变质成因水、沉积成因水、变质岩、 用，在此过程中变质成因水、沉积成因水、变质岩、沉积岩及其中的 结合水，一起成为重熔岩浆 重熔岩浆。 此过程为吸水过程） 结合水，一起成为重熔岩浆。（此过程为吸水过程） 岩浆在上涌过程中冷却，并脱水，脱出的水可能重新回到沉积盆地中。 岩浆在上涌过程中冷却，并脱水，脱出的水可能重新回到沉积盆地中。
环境水文地质作用第四章
C I Dz , z
3 z
（4-4）
式中： I x3 , I y3 , I z3 , x, y, z 方向上由弥散作用所导致的污染物质量通量
Dx , D y , Dz , x, y, z方向上的弥散系数；
式中： f x , f y , f z —x、y和z方向上的污染物推流迁移通量；
u x , u y , u z —环境介质在x、y、z方向上的流速分量；
C——污染物在环境介质中的浓度。
1.2、分散作用
污染物在环境介质中的分散 作用包含三个内容：
1）分子扩散
分子扩散 湍流扩散 弥散
是由分子的随机运动引起的质点分散现象。分子扩散过程服从斐 克(Fkk)第一定律，即分子扩散的质量通量与扩散物质的浓度梯 度成正比， C C C 即 I x ' Em x , I y ' Em y , I z ' Em z , （4-2） 式中
•
（1） 线性等温吸附方程
•
• • •
它最简单的数学表达式为：
S= kd.c ——平衡时液相溶质浓度(mg／L)； (9—1) 式中：--平衡时固相上被吸附溶质的浓度(mg／kg)；
•
•
——分配系数(或称线性吸附系数)(L／kg)。
与液相溶质浓度无关,实际上它是描述平衡时固液相溶质浓 度的分配比.对特定的固相物质和污染物来说，为常数。值 越大，越易吸附，越不易迁移，反之则相反。实际上实验 中所求得的Kd值，通常还包含沉淀等其他作用截留在固相 里的污染物，它是某种岩土对某一污染物亲和性的量度。 线性等温吸附线的另外一种表达式为： S=a+ kd.c 式中：a——截距。 (9—2)
C , x C , y C , z
第四章 水环境地球化学-续
Na+,K+,Ca2+,Mg2+，这8种离子总量可占水中溶解固
体总量的95~99%以上。在海水中Na+与Cl-含量占优 势；河水中Ca2+与HCO3-离子含量占优势；地下水因 受局部环境地质条件限制，其优势离子变化较大。
(3)生物成因物质
在天然水中氮既可呈无机化合物形式，又可呈有机化 合物形式。含氮无机化合物有铵离子 (NH4+ )，亚硝酸根 (NO2-)和硝酸根(NO3-)，这些离子彼此间可相互转化。氮 的有机物主要指生物体组织中的蛋白质及其分解物。天
二氧化碳在水中的溶解度要比氧和氮大得多。天然水 中的二氧化碳主要来自大气圈和有机物的氧化。大气中的 二氧化碳与水中的二氧化碳之间不断进行着交换，从而形 成一个动态平衡体系。河水和湖水中二氧化碳全量一般均 在 20~30mg/L 以下（ 20℃下 1690mg/L,87.8mL/L ）。地 下水的含量较高，海水的含量较低。
当微量金属溶液与固相发生接触时，微量金属的浓度 一般会通过固、液界面的吸附而降低，因此，水生环境中 微量金属的浓度和分布形式，除受到体系的化学和物理条 件的影响外，还与固、液间界面的性质有关。 1.无机系统 大多数矿物由于破裂而在其破碎或断裂面上存在表面 电荷，当这样的矿物与水接触时，这些表面电荷便会吸引 能解离的H2O分子，水分子的解离一直到平衡建立为止。 2.天然水中的有机胶体 水中有机胶体与胶粒矿物在界面和吸附性能方面，表 现出明显的相似性。
4.5 天然水的化学平衡
一、溶解Байду номын сангаас沉淀的化学平衡
天然水是一种含有许多溶解物质和非溶解物质所组成的极 其复杂的综合体。由于在循环过程中物理化学条件的改变，天 然水中溶解的和非溶解的物质会发生沉淀，在此同时又有新的 物质溶入水中。
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3.1.2水体的自净
水体：指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋, 它包括水 中的悬浮物、溶解物质、水生生物和底泥等完整的生态统。
水体污染(Water Pollution)：排入水体的污染物在水体中的含 量超过了水体的本底含量和水体的自净能力，使水和底泥的物 理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而破坏了水体原有 的用途。
体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体、电导率 • 2. 化学性水质指标 • 有毒化学性水质指标 • 氧平衡指标：DO、COD、BOD、TOD • 3. 生物学水质指标 • 细菌总数、总大肠菌群数、病原细菌、病毒
1、悬浮物SS
• 固体含量分为总固体c悬浮性固体（SS）和溶解性 固体三种。总固体是指在一定温度下蒸发干燥后 所残余的固体物质总量；悬浮性固体（SS）是指 水样过滤后，截留物蒸干后的残余固体量，即悬 浮物含量；溶解性固体是指水样过滤后，滤出液 蒸干的残余固体量。溶解性固体若除去有机物部 分可称为含盐量和矿化度。
• SS是水体污染的基本指标之一。
• 固体物会淤塞排水道，窒息水底栖生物，破坏鱼类 的产卵地。
• 悬浮小颗粒物会堵塞鱼类的腮，使之呼吸困难，导 致死亡。
第四章 水环境地球化学
4.1 水体污染及其控制 4.2 污水的水质污染指标 4.3 水体的污染源 4.4 水质监测 4.5 天然水的化学平衡
我国水污染的特征
（一）污染不断加剧，水质恶化日趋严重
据2000年水质监测资料，对全国河流、湖 泊、水库的水质状况进行了评价，主要结果如 下：在11.4万公里评价河流中，水质为Ⅰ类水 河长占4.9％，Ⅱ类水河长占24.0％，Ⅲ类水河 长占29.8％，Ⅳ类水河长占16.1％，Ⅴ类水河 长占8.1％，劣Ⅴ类水河长占17.1％。全国符合 和优于Ⅲ类水的河长占评价河长的58.7％，比 上年减少了3.7个百分点。
（3）胶体物质 溶质粒径为10-9m～10-7m时， 属于胶体溶液，根据胶体的性质又分为无机胶 体和有机胶体。
（4）悬浮物质 溶质粒径＞10-7m，为悬浊 液或悬浮液，根据物质性质分为细菌、藻类及 原生动物、泥沙、粘土和其他不溶物质。
天然水中溶解的化学物质可分为可溶性气体、主 要离子、生物成因物质、微量成分、有机质五大类。 (1) 可溶性气体 (2) 主要离子: • 氯离子; 硫酸根离子; 碳酸根离子；碳酸氢钙根离子 •钙、镁离子; 钾、钠离子 (3) 生物成因物质 (4) 微量成分 (5) 有机物
3.1水体污染其控制 3.1.1天然水的组成
天然水中所含的各种物质，根据溶质 粒径的大小和形态分为四大类：
（1）溶解气体 溶质粒径小于10-9m，以分子状 态存在于水中。根据气体在水中含量的多少，进 一步划分为主要气体和微量气体。 （2）溶解性物质 溶质粒径小于10-9m，主要以 离子形态存在于水中，根据含量和生成原因，又 再细分为主体离子、生物生成物、微量元素。
我国水污染的特征
（三）湖泊水库水体富营养化不容轻视
湖泊水质在评价的24个湖泊中，9个湖泊 水质符合或优于Ⅲ类水，4个湖泊部分水体受到 污染，11个湖泊水污染严重。国家重点治理的 “三湖”情况为：太湖Ⅱ、Ⅲ类水质断面占12 ％，Ⅳ类水质断面占64％，Ⅴ类水质断面占12 ％，劣于Ⅴ类水质断面占12％；中营养水平的 水域占太湖总面积的16.5％，富营养水平的占 83.5％，富营养程度比上年略有加重。
3.1.3水体污染物与来源
水体污染分类
化学性污染 物理性污染
无机物质污染
无机有毒物质污染
有机有毒物质污染
需氧物质污染
植物营养 物质污染
油类污染
悬浮物质污染 热污染 放射性污染
生物性污染
3.2 污水的水质污染指标与水质标准
3.2.1 污水的水质污染指标
• 1. 物理性水质指标 • 温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度、总固
我国水污染的特征
（二）各流域水体自南向北水质逐渐变差
各流域片的水质状况是：内陆河片、西南诸 河片、东南诸河片、长江片和珠江片水质良好 或尚可，符合和优于Ⅲ类的河长分别占90.7％、 83.2％、74.1％、74.0％、63.1％；黄河片、 海河片、松辽河片、淮河片水质较差，符合和 优于Ⅲ类的河长分别占46.7％、34.9％、33.7 ％、26.2％。与上年相比，符合和优于Ⅲ类水 河长占评价河长百分数上升5个百分点以上的 是淮河片，下降明显的是珠江片。
水体自净和水体环境容量
自净能力决定着水体的环境容量（洁净水体所能
承载的最大污染物量）。
水解酶 生活污水（淀粉、蛋白质、脂肪等）
氨基酸、脂肪酸、甘油、低分子糖
好氧菌
CO2、H2O、无机盐
水体的自净作用分为三类：
（根据净化机制）
(1)物理净化：天然水体的稀释、扩散、沉淀和 挥发等作用，使污染物质的浓度降低。 (2)化学净化：天然水体的氧化还原、酸碱反应、 分解、凝聚等作用，使污染物质的存在形态发 生变化和浓度降低。 (3)生物净化：天然水体中的生物活动过程，使 污染物质的浓度降低。特别重要的是水中微生 物对有机物的氧化分解作用。
在环境污染的研究中，区分“水”和“水体”两个概念十分重 要。例如，重金属污染物易于从水中转移到底泥里，水中的重 金属含量一般都不高，若着眼于水，似乎水污染并不严重，但 是从整个水体看，污染就可能很严重。可见，水体污染不仅仅 是水污染，还包括底泥污染和水生生物污染。
水体自净
正常情况下，当水体接纳了一定量的有机污 染物后，在无人干预条件下，借助于水体自身的 调节能力使污染物浓度不断降低，最后水质恢复 到污染前的水平和状态，我们把水体的这种自我 净化作用叫作水体自净。
我国水污染的特征
（三）湖泊水库水体富营养化不容轻视
水库水质在评价的139座主要水库中，有 118座水库水质良好，达到Ⅱ、Ⅲ类水质标准。 在未达到地面水Ⅲ类的水库中，水污染极为严 重的劣于Ⅴ类水质水库有8座，分别是山西册田 和关河水库，山东墙夼、雪野、黄前、尼山和 田庄水库以及新疆柳沟水库。对93座水库进行 了营养化程度评价，处于贫营养状态的水库14 座，处于中营养状态的水库65座，处于富营养 状态的水库14座。