环境水文地球化学 第一篇 第一次作业

1.地下水的主要组成成分是什么？

答：地下水是组成成分复杂的溶液，近八十种天然元素以离子、原子、分子、络合物和化合物等形式存在于地下水中，有些已溶解和活动于地下水中的有机质、气体、微生物和元素同位素的形式存在。这些可溶物质主要是岩石风化过程中，经过水文地球化学和生物地球化学的迁移、搬运到水中的地壳矿物质。

地下水中溶解的无机物主要组分（即浓度>5mg/L）为：HCO3-、Cl-、SO42-、Na+、K+、Ca+、Mg2+、SiO2。占地下水中无机物成分含量的90-95%，决定着地下水的化学类型。

地下水中有机组分种类繁多，主要有：氨基酸、蛋白质、糖（碳水化合物）、葡萄糖、有机酸、烃类、醇类、醚类、羧酸、苯酚衍生物、胺等。各种不同形式的有机物主要由C、H、O组成，这三种元素占全部有机物的98.5%，另外还存在有少量的N、P、K、Ca等元素。

地下水中常见溶解气体有：O2、CO2、CH4、N2、H2以及惰性气体Ar、Kr、He、Ne、Xe等。

微生物成分主要有三种类型：细菌、真菌和藻类。微生物在地下水化学成分的形成和演变过程中起着重要的作用。地下水中存在各种不同的细菌。有在氧化环境中的硝化菌、硫细菌、铁细菌等喜氧细菌;有在还原环境的脱氮菌、脱硫菌、甲烷生成菌、氨生成菌等。这些微生物活动可以发生脱硝酸作用、脱硫酸作用、甲烷生成作用和氨生成作用等还原作用，也可以发生硫酸根生成、硝酸根生成和铁的氧化等作用等，从而导致地下水化学成分的相应变化。

2.举例论述络合作用有何环境意义？

答：地下水中大多数金属能与配体形成各种各样的络合物，这些络合物可能是电中性的，也可能是带正电或者带负电。金属络合作用对环境的意义在于：络合物的溶解度是影响金属形态迁移的重要因素；重金属离子与不同配体的配位作用，改变其化学形态和生化毒性，如铝离子(毒性很强)、有机铝络合物(毒性很弱)的生物毒性相差很大;络合作用影响络合剂的性质，如配位体的氧化还原性、脱羧及水解等;有些络合物可以通过化学絮凝、活性炭吸附或离子交换等方法容易地从水中去除。但有些重金属形成螯合物后很难用常规办法去除，影响水处理中对重金属的排除效率;络合作用会加速金属的腐蚀，比如氯离子和氨的作用。

3.胶体的稳定性和ζ电位有什么关系？研究胶体的ζ电位有何环境意义？

答：ζ电位是胶体稳定性的一个重要指标，因为胶体稳定是与离子键的经典排斥力密切相关的。ζ电势的降低会使静电排斥力减小，致使粒子之间范德华力占优势，从而引起胶体的聚沉难和破坏。故研究ζ电势的变化规律是十分重要的。

4.地球化学垒和水文地球化学分带形成的原因是什么？

答：地球化学垒是正在表生带内,因为短间隔内化学元素迁徙环境显然变迁,迁徙强度突然削弱而招致某些化学元素浓集的地段；水文地球化学分带是地下水化学成分和水中总溶解固体沿着水平或者垂直方向呈现有规律的带状分布和变化的现象。故它们共同形成成因都是地下

岩石土壤中元素溶解、溶滤到地下水中的离子溶解度在不同地带也不同，造成其迁移转化的差异，产生了分带的效果。

5.水分析结果如下，Na+含量为120mg/L，K+含量为21mg/L，Ca2+含量为15mg/L，Mg2+含量为22mg/L，Sr2+含量为0.8mg/L，SO42-含量为300mg/L，Cl-含量为15mg/L，HCO3-含量为150mg/L，SiO2含量为21mg/L，pH值为7.4，温度为15℃。求：SrSO4的SI值，并判断它与水处于过饱和还是非饱和状态。【△H fΘ（SO42-）=-909.2kJ/mol，△H fΘ（Sr2+）=-545.8kJ/mol，△H fΘ（SrSO4）=-1453.2kJ/mol】

答：利用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行如下模拟：

得到结果：

从上述数据可知SrSO4的饱和指数SI=-1.44，SI＜0，故处于非饱和状态。

6.假定含有Na-和Cl-浓度分别为10μmol/L的地下水，流经方解石含水层，试计算所得地下水的化学成分。

答：利用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行如下模拟：

得到地下水的化学成分：

7.含Cd地下水化学组成特点如下：温度22.3℃，pH值6.7，pe值6.9，Ca2+30.07mg/L，Mg2+10.01mg/L，K+3.9mol/L，Na+33.2mg/L，Cd2+0.2mg/L，Cl-136.2mg/L，十分稀有度元素Cd在地下水中存在的形态以及所占比例。

答：利用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行如下模拟：

得到稀有元素Cd在地下水中存在形态以及所占比例如下：

8.假定有pH为7，pe为4的纯水溶液，当气流经由方解石和白云石共同构成的含水层介质时可达到溶解平衡。试绘制不同温度下（5-35℃）含水层介质中方解石和白云石的溶解度曲线，分析化学组成的变化规律。

答：利用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行如下模拟：

得到不同温度下（5-35℃）方解石和白云石lgK数据以及图线如下：

序号温度/℃方解石lgK 白云石lgK

1 5 -8.39 -16.59

2 10 -8.41 -16.72

3 15 -8.43 -16.85

4 20 -8.4

5 -16.97

5 25 -8.48 -17.09

6 30 -8.51 -17.2

7 35 -8.54 -17.31

对于方解石（CaCO3）有：溶解平衡式

对于白云石（CaMg(CO3)2）有：溶解平衡式

故有：

序号温度/℃方解石溶解度S 白云石溶解度S

1 5 6.38E-057.12E-05

2 10 6.24E-05 6.61E-05

3 15 6.10E-05 6.13E-05

4 20 5.96E-0

5 5.72E-05