第二章 天然水化学基础知识

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第三节 天然水组成的影响因素
• 影响土壤水化学组成的因素：硅酸盐或其 他矿物的溶解或蚀变；较难溶解的盐类的 沉淀；植物对营养元素的选择性去除和循 环；产生二氧化碳的生化反应；矿物和有 机表面对离子的吸附与解吸；蒸腾引起的 溶质浓缩；气态氮转化为能被植物吸收的 形式。
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第一节 天然水的化学成分
按溶质颗 粒大小 按化合物 类型
天然水的 组成分类
按相对 浓度 按相态
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第一节 天然水的化学成分
• 1.按颗粒大小分：
名称 特征 颗粒直径 (cm) 成分
真溶液 由溶质和溶剂组成的、均一的、 <10-9 稳定的混合物
胶体 一种物质的极细颗粒分散到另 一种物质中形成的不均匀的、 高度分散的多相分散体系 10-9~10-7
• 四、湖泊及水库的成分特征
淡水湖(矿化度<1g/L) 湖 泊 咸水湖(矿化度在1-35g/L) 盐湖(矿化度>35g/L)
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第四节 各类天然水体的化学特征
• 五、地下水的成分特征
• (1)成分极其复杂，不同程度地可以含有地 壳中可以见到的几乎所有元素。 • (2)气体含量不高，但这些气体成分的存在 都有意义。
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第二章 目 录
1
天然水的化学成分
2 天然水溶质成分的形成过程
3 4
天然水组成的影响因素 各种天然水体的化学特征
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教学目标
• 1.掌握天然水化学成分的概念
• 2.掌握天然水的组成分类 • 3.掌握天然水的一般成分 • 4.掌握矿化度、硬度等概念
• 5.了解天然水组成的影响因素
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第一节 天然水的化学成分
• 2. 主 要 离 子 ： K+ 、 Na+ 、 Ca2+ 、 Mg2+ 、 HCO3- 、 CO32- 、 SO42- 、 Cl- 这些离子占天然 水离子总量的95%~99%以上。海水中Na+与 Cl-含量占优势；河水中Ca2+ 与HCO3-含量占 优势。
• 溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)：溶解于水 中的分子态氧。
• 游离CO2：溶解在水中呈分子状态的CO2。 • 平衡性 CO2 ：在水中 H2CO3 与 HCO3- 、 CO32的平衡关系随 pH 值而变。在此平衡体系中 ，与HCO3-处于平衡态时的CO2。 • 侵蚀性CO2 ：当水中游离的CO2超过平衡性 CO2时，多余的部分。
• 一、大气降水的成分特征 • 大气降水是杂质较少而且矿化度很低(2050mg/L)的软水，呈弱酸性。
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第四节 各类天然水体的化学特征
• 二、海水的成分特征
• (1)具有很高的矿化度，约35g/L。 • (2)成分比较均一且恒定。 • (3)离子成分无时空变化，很稳定。
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第三节 天然水组成的影响因素
• 一、气象因素：气温、蒸发、大气降水等
• (一)温度 • 表现在两个方面：一是温度变化改变了各 种生物化学反应速率，包括那些以生物群 为媒介的反应过程；二是水温的变化会引 起天然水中溶质溶解性能的变化，从而改 变了溶解度的大小。
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第三节 天然水组成的影响因素
第一节 天然水的化学成分
• 3.生源物质：
• 定义：指在成因上与生命活动有关的物质 。主要包括含氮化合物(NH4+、NO2-、NO3-) 、含磷化合物 (HPO42-、H2PO4-、 PO43-)、含 铁化合物及含硅化合物。
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第一节 天然水的化学成分
• 4.微量元素
• 定义：天然水中的微量元素是指含量小于 1mg/L的元素。
第四节 各类天然水体的化学特征
• 三、河水的成分特征
• (1)矿化度普遍较小。 • (2)无机物成分与流经的地层岩性有关。 • (3)河水中有机物成分复杂。
• (4)河水的化学组成在空间分布上不均一。
• (5)河水的化学组成随季节变化较其他水体 更为明显。
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第四节 各类天然水体的化学特征
微 量 元 素 重金属(Zn、Cu、Pb、Ni、Co等)
稀有金属(Li、Rb、Cs、Be等)
卤素(Br、I、F等) 放射性元素(Ra、Rn等)
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第一节 天然水的化学成分
• 5.有机物
• 来源：生物生命过程及生物遗体分解过程 中所产生，构成各种水生生物的有机质。 • 状态：大部分呈胶体状态，其他呈真溶液 或悬浮状态。
分解
有机物
光合作用
无机物
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第一节 天然水的化学成分
微量 元素
溶解性气体
生源物质
有机物质
Tt 4
主要离子
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第三节 天然水组成的影响因素
• 影响因素分类：直接因素、间接因素
• 直接因素：能直接使天然水中溶质成分增 加或减少的因素。如岩石、土壤及生物有 机体。 • 间接因素：通过改变天然水中溶质的赋存 条件，间接起到改变溶质含量的因素。如 气温、蒸发等气象因素。
• 6.了解各类天然水体的化学特征
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重点难点
• 重点：
• 1.天然水的组成分类。 • 2.天然水的一般成分。 • 3.各种天然水体的化学特征。
• 难点：
• 1.天然水的一般成分。
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第一节 天然水的化学成分
• 定义：
• 存在于水中各种元素的离子、分子、溶解 和未溶解的气体成分、天然和人工的同位 素、各种有机化合物、活的或死的微生物( 细菌 ) 以及不同成分的机械物质和胶体物质 等。 • 天然水实际上是一种混合溶液。
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第一节 天然水的化学成分
• 矿化度：离子在水中的总含量。
• 总硬度：水中所含钙、镁离子 (Ca2++Mg2+) 的总量称为总硬度。 • 暂时硬度：Ca2+、Mg2+的碳酸盐和重碳酸盐 构成的硬度。 • 永久硬度： Ca2+ 、 Mg2+ 的硫酸盐和氯化物 构成的硬度。
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本章小结
• 1.天然水的概念与组成分类
• 2.天然水的一般成分
• 3.天然水组成的影响因素
• 4.各种天然水体的化学特征
溶解性气体、一些离子、 微量元素、有机物、放 射性元素
硅、铝、铁等元素的氧 化物和氢氧化物、黏土 矿物、腐殖质 细菌、病毒、藻类、原 生动物、黏土微粒、泥 沙、淤泥
>10-7 悬浮物 一些大颗粒物质与水呈机械混 合，在水中呈悬浮状态，其存 在使水着色、浑浊或产生异味， 在静水中易于沉积
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名称 浓度(mg/L) 成分 Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+ Fe3+、NO3-、NH4+、H4SiO4、F-、Sr2+、BrSi、I、Cu、Zn、Se、Mo、Cr、Mn、V、Ni、Sn 宏量物质 >10 中量物质 1~10 微量物质 ＜1
• 4.按相态分：
第三节 天然水组成的影响因素
• 二、水文地质因素：岩石化学成分的差异 、矿物的纯度和晶体大小、岩石结构、孔 隙、暴露时间长短，等
• (一)岩石类型的影响 • 岩浆岩的风化是天然水中各种离子成分最 初的来源。
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第三节 天然水组成的影响因素
• (二)土壤特征
• 天然水的化成学成分是土壤形成过程或土 壤化学反应额直接作用结果。 • 水渗透过已经强淋溶的土壤时获得的离子 数量少，水呈酸性反应；水透过含有大量 盐基的土壤时获得大量盐基离子，水呈碱 性反应。wk.baidu.com透过土壤后CO2含量增加，O2含 量减少。
第三节 天然水组成的影响因素
• 三、生物化学因素
• (一)微生物的影响 • 自养细菌、异养细菌、酶、功能细菌 • (二)水生生物和植物
• 光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、对离子 的选择吸收、对土壤酸碱度的改变、重金 属的富集
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第四节 各类天然水体的化学特征
• 天然水的成分是与周围介质(大气圈、岩石 圈、生物圈)在长期历史演进中相互作用的 结果。
水环境学
授课班级：自然地理与资源
环境1401
主 讲 人：雷军成 授课单位：地理与规划学院
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背景知识
• 天然水体：指被水覆盖着的地球表面的自 然综合体。
• 水体不单指水，还包括其中所含的各种物 质，如溶解物质、悬浮物质、水生生物及 底质。
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背景知识
知识拓展
底质：是矿物、岩石、土壤的自然侵蚀产 物，生物活动及降解有机质等过程的产物 ，污水排出物和河(湖)床底母质等随水迁移 而沉积在水体底部的堆积物质的统称。一 般不包括工厂废水沉积物及废水处理厂污 泥。
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第三节 天然水组成的影响因素
• 岩土内部蒸发：指水分子脱离潜水面扩散 到空气中，而盐分滞留在潜水中。
• 这种蒸发过程会引起潜水中盐分的积累， 最后形成高矿化度的咸水或卤水。 • 由于气象因素会有年际和年内波动，因此 天然水体的化学成分也呈现出一定的年际 和年内变化规律。
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名称 来源 O2 CO2 H2S 大气及水生植物 的光合作用 大气和有机物的 氧化 含硫蛋白质的分 解、硫酸盐里的 还原作用、火山 喷发 含量(mg/L) 影响因素 0~14 0.1~1000 缺氧条件 下存在 温度、水体的流动状态、水 与大气的接触面积、水深 温度、水压 水深
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第一节 天然水的化学成分
• 固相、液相、气相
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第一节 天然水的化学成分
• 天然水的一般成分：
强电解质在水 中多呈离子状 态；弱电解质 和非电解质在 水中多呈分子 状态。
溶解性气体
有机质
主要离子
微量元素
生源物质
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第一节 天然水的化学成分
• 1. 溶解性气体包括： O2 、 CO2 、 H2S 、 N2 、 CH4、He
第一节 天然水的化学成分
• 2.按化合物类型分：
• 无机物(矿物质)、有机物 • 有机物和含碳无机物最大的区别就是有机 物中的 C 是作为有机物的骨架，连接 H 、 O 、 N 等其他元素，而含碳无机化合物中C不 作为化合物的骨架。
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第一节 天然水的化学成分
• 3.按含量(相对浓度)分：
• (二)蒸发
• 1.地表水 • 过程：溶解度小的盐先析出，溶解度大的 盐后析出。 • 结果： 重碳酸盐型水 氯化物型水 硫酸盐型水
硫酸盐—氯 化物型水
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第三节 天然水组成的影响因素
• 2.地下水(主要是潜水)
• 毛细蒸发：指潜水在埋藏深度不大于毛细 上升高度时，地下水沿毛细管上升，并返 回大气的过程。 • 毛细蒸发过程中会携带一定的盐分到表层 土壤，从而形成盐渍土，但潜水自身矿化 度并不增加。
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第四节 各类天然水体的化学特征
• (3)水质成分呈现出分层的特点。
水层 位置 特点
表层水 不透水层以上 受地表环境影响大 层间水 不透水层以下 距补给水源较远，一般是自流 深层水 不透水层以下 一般有很高的矿化度或含有特种盐类
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第四节 各类天然水体的化学特征
• (4) 大多数地区地下水含盐量随含水层深度 增加而增大，其主要离子成分随含水层深 度从低矿化度的淡水型转化为高矿化度的 咸水型。