水文地球化学-第六讲

水文地球化学基础Hydrogeochemistry第二部分：水化学基础第二部分水化学基础—地下水的化学组成地下水的化学组成1水的结构与性质2地下水的化学成分3水质指标4水化学数据处理构1水的结构与性质水的体积变化与压强的关系学2地下水的化学成分0 课前回顾0课前回顾水的结构O（16O、17O、18O）水分子的种类：H（H、D、T）16O占绝对优势，即：H2O共9 种类型，H几种重要的水分子16O，重水，核反应堆的中子减速剂D18O，重氧水，水解反应示踪剂HO，氚水，示踪剂、测定地下水年龄T极性V型结构，H-O键夹角104.5度，电子分布不均匀水分子间通过静电引力（氢键）相互缔合，巨大分子团液态水处于结晶态-液态的过渡态水的某些异常性质及意义温度、压力对水的性质的影响-物理性质、溶解性质、pH、……0 课前回顾0课前回顾水的组成复杂的溶液，80/93元素，无机/有机/气体/重金属/微生物颗粒大小真溶液，分子-离子，D<10-9m胶体，D=10-9——10-7m悬浮液，D<10-7m无机组分宏量组分，C>5mg/L微量组分, C=0.01-1mg/L痕量组分，C<0.01mg/L0课前回顾0 课前回顾水的组成有机物，ppb、ppt级20025/1200种类多，多万，万个配方年，饮水中已发现种地下水中，发现175种，总化学物质200多种C、H、O组成的98.5%，主要是卤代烃，疏水性有机物气体大气来源，O2、N2、CO2及惰性气体CO岩层生物化学作用, CO2、H2S、H2、CH4、CO、N2、NH3等岩层变质作用，还包括HCl、HF、SO2等放射性衰变：Rn、He、Ne、Ar等微生物细菌、真菌、藻类0≥1000m,-n-90℃，黑暗环境C、N、S等生物转化、有机物降解、重金属的催化3水质指标3-1水化学成分的浓度单位3 水化学成分的浓度单位质量浓度mg/L(ppm)，μg/L （ppb ），ng/L （ppt ）mg/kg(ppm)，μg/kg （ppb ），ng/kg （ppt ）摩尔浓度，mol/L （M ），mol/kg(m)摩尔浓度=单位溶液中溶质的摩尔数溶质的摩尔数=质量/摩尔质量摩尔质量=溶质的原子量或分子量Mole Fraction 摩尔分数（Mole Fraction ）适用于固溶体、非水溶相液体（NAPL ）的混合物中摩尔数（若A 和B 的混合物中，A 的摩尔分数=A 摩尔数：（A 摩尔数+B 摩尔数）1LH2O=55.56mol/L3-1水化学成分的浓度单位3 水化学成分的浓度单位当量浓度（Equivalents or Normality），NEquivalents or Normality）克当量浓度=单位体积溶液中溶质的克当量数=eq or meq克当量数质量/克当量，eq or meq克当量离子：原子量或分子量/离子的价态酸：分子量/酸分子中被金属置换的氢原子数碱：分子量/碱分子中所含氢氧根数碱分碱分所含氢氧数盐：分子量/结合为酸或碱所要的H+或OH-数量CO3的就是2，NaHCO3是1如：Na金属氧化物：分子量/参加氧化还原的金属得失的电子数Cr2O7应该是6N如：1mol/L的K转换N=M×离子的价态练习题水中计算其摩尔浓度和当浓度1、水中SO42-的浓度为96.0mg/L, 计算其摩尔浓度和当量浓度5压力下密度为1020g/mL200gCaCl 2、在25、10Pa压力下，密度为1.020g/mL含2.00gCaCl2/L的溶液，计算体积摩尔浓度、当量浓度和质量浓度3、在Ca-MgCO3固溶体中，含有质量分数为5%的Mg，计算MgCO3在该固溶体中的摩尔分数Assume the background concentration of dissolved oxygen (DO) is 5 ppb in the above aquifer. Further assume the aquifer is 10,000 m long, 1000 m wide and 100 m thick.1) What’s is the total amount of DO in the aquifer?2) What is the mass flux of DO across the right face?3-2 地下水环境特征的主要参数☐1 pH值⏹它表示水中氢离子摩尔浓度（活度）的负对数值⏹衡量地下水酸碱环境强弱的指标pH=6.0--8.5⏹一般地下水pH=6.0☐2 氧化还原电位(Eh，mv)2⏹它表示水中电子摩尔浓度（活度）的负对数值还原环境强弱的指标氧化⏹衡量地下水氧化-还原环境强弱的指标，+氧化，-还原⏹需现场测定17g☐ 3 总溶解固体（TDS，mg/L）⏹水中所含离子、分子、络合物的总量，不包括悬浮物和溶解气体105--110℃，使水全部蒸发剩下的残渣重量⏹1L水加热到105--⏹∑溶解组分（溶解气体除外）(HCO3)/2⏹分类☐淡水，TDS<1000mg/L淡水☐微咸水，1000mg/L<TDS<2000mg/L☐咸水，2000mg/L<TDS<3500mg/L咸水☐卤水，TDS>3500mg/L4S li it/L☐ 4 含盐量（Salinity，mg/L）⏹地下水中各种溶解组分的总量⏹S-TDS= (HCO3-)/2☐ 6 硬度（Hardness ）地下水中碱土金属的总和般以C M ⏹地下水中碱土金属的总和，一般以Ca 2+、Mg 2+的总和来计⏹硬度（CaCO 3mg/L ）=50×毫克当量数（Ca 2++ Mg 2+）=2.5C (mg/L)+4.1M ⏹硬度（CaCO 3mg/L ） 2.5 ×C Ca (mg/L)+4.1 ×C Mg (mg/L)☐1德国度=17.8mg/L （CaCO 3）☐1法国度=10mg/L （CaCO 3）☐1英国度=14.3mg/L （CaCO 3）⏹碳酸盐硬度，暂时硬度222☐Ca 2+、Mg 2+与HCO 3-、CO 32-结合的硬度☐50×毫克当量数（HCO 3-+ CO 32-）☐煮沸可消除⏹非碳酸盐硬度，永久硬度☐与SO 42-、Cl -、NO 3-结合的多价金属阳离子综合☐非碳酸盐硬度（永久硬度）=总硬度-碳酸盐硬度（暂时硬度）⏹负硬度钠盐硬度钠钾的碳酸盐重碳酸盐氢氧化物☐钠盐硬度，钠、钾的碳酸盐、重碳酸盐、氢氧化物☐负硬度=碳酸盐硬度-总硬度≥0硬度CaCO3m g/L 极软水软水微硬水硬水极硬水<757575--150150150--300300300--450>450☐7 酸度（Acidity）⏹表征水中可中和强碱能力的指标。

酸度物质分为三类。

⏹以CaCO3mg/L计离酸度离氢离⏹离子酸度，已电离的氢离子数量⏹pH=pH=--lg离子酸度8☐8 溶解氧（DO）⏹溶解于水中的游离氧，大气中氧气的分压、水温等有关9西门子（☐9 电导率（EC，西门子（S）/米（m））⏹水的导电性即水的电阻的倒数，通常用它来表示水的纯净度EC=K⏹EC K×TDS10☐10 化学需氧量(COD)⏹指化学氧化剂氧化水中有机物和还原无机物所消耗的氧量，以mg/L表示。

11☐11 生化需氧量(BOD)⏹是指微生物降解水中有机物过程中消耗的氧量，以mg/L表示。

通常采用20o C条件下，培养5天所测得BOD /表示通常采用条件下培养O。

值，记为BOD5☐12 总有机碳（TOC）水中各种形式的有机碳总量以⏹水中各种形式的有机碳总量，以mg/L表示⏹高温燃烧所产生的CO2⏹有机碳分析仪学4 水化学数据处理地下水化学成分数据检验4-1地下水化学成分数据检验4-1地下水化学成分数据检验地下水化学成分数据检验2、分析结果中某些计算值的检查TDS若TDS 为计算值，则检查其数值是否减去（HCO3-）/2硬度计算值检查硬度（CaCO3mg/L ）=50×毫克当量数（Ca 2++ Mg 2+）硬度（CaCO mg/L ）=2.5 ×C (mg/L)+4.1 ×C (mg/L)硬度3g Ca (g )Mg (g )Ε=︱TDS测-TDS 算︱TDS<100mg/L, E<10%g ,TDS>1000mg/L, E <5%100mg/L<TDS<1000mg/L E<7%100mg/L<TDS<1000mg/L, E<7%2、碳酸平衡4-2地下水化学成分的表示地下水化学成分的表示1、库尔洛夫式常规阴阳离子以分数表示，阴离子作分子，阳离子作分母单位meq%，小于10%的不予表示，自大而小分数前面依次是：气体、特殊成分、矿化度（M），g/L分数后面表示温度t℃4-2地下水化学成分的表示地下水化学成分的表示舒2、舒卡列夫分类将大于25%毫克当量百分数的离子参加分类命名阴离子在前, 阳离子在后含量大的在前, 含量小的在后, 中间用短横线相连共分49种类型, 每型用一个阿拉伯数字表示按矿化度分为四组矿度分A 组为<1.5g/L ；B 组为1.5—10g/L10—40g/L >40g/L C 组为1040g/L ；D 组为>40g/L水型代号-矿化度组号49—D 型则是矿化度大于40g/L 的Cl—Na 型水舒卡列夫分类表舒卡夫分类表4-2 地下水化学成分的表示3、苏林分类(meq%)Na ClNaCl SO 4Mg SO 4HCO 3MgHCO 3CaCaNa Cl Na ClMgMgSO 4CaSO 4CaHCO 3HCO 33 地下水化学成分的图示4-3地下水化学成分的图示1、Piper三线图2个△和1个◇；左△的表阳离子的meq%；右△表阴离子的meq%1）任一水样，先据阴、阳（）任水样先据阴阳离子分别在两个△中表示出来（2）再从两个△对应的位置向上方的菱形延伸得出交点，交点以圆圈综合表示此水样的阴阳离子相对含量（3）按一定比例尺画圆，大小表示水样的矿化度4-3地下水化学成分的图示3 地下水化学成分的图示Piper 三线图-菱形分区1区，碱土金属离子超过碱金属离子2区，碱金属大于碱土金属3区，弱酸根超过强酸根4区，强酸大于弱酸5区，碳酸盐硬度超过50％区非碳酸盐硬度超过6区，非碳酸盐硬度超过50％7区，碱金属及强酸为主区碱土及弱酸为主8区，碱土及弱酸为主9区，任一对阴阳离子含量均不超过50％毫克当量百分数碱土金属指元素周期表中ⅡA 族元素，即铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra) 碱金属指元素周期表ⅠA 族元素中金属元素，即锂（Li ）、钠（Na ）、钾（K ）、铷（Rb ）、铯（Cs ）、钫（Fr ）Piper diagram p gPIPER三线图。