环境水文地球化学3

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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。
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
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。
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+,已电离的 H+ 称为离子 酸度,与pH值一致。
第二部分 水化学资料的获取 与整理方法
按溶质颗粒大小
真溶液 胶体 悬浮液
按相态
固相 液相 气相
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20—50mg/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。
地下水的化学特征
铝硅酸盐与地下水的反应
辉 石 : [ CaMg0.7Al0.6Si1.7]O6 + 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 + 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Fe 地下水中的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。

2

地下水的化学特征
地下水中的P
地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:
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。
pH<4时,才出现H3PO4(aq); pH<10时,才出现PO43pH=7.21时, H2PO4-和 HPO22-各占一半
天然水化学成分的综合指标
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计算方法为水中溶解组分总和减去 HCO3-浓度的一 半。
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)
(1)一般天然水: c a 100 % 3%
(2)一般污染水
c a c a 100 % 4% c a
不适用于卤水、严重污染水及∑c+∑a<5meq/L的样品。
一、水分析结果质量评估
2、在简分析中,Na+、K+是计算值。其算法是:
地下水的化学特征
地下水中的Na、K
地下水中的钠、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
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,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(10-9-10-7m)
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
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<0.1mg/L):包括I,Ba,Mo,Zn,Ni, As等。
海水的有机组分
海水中有机物的来源为海生生物所释放的碳水化合物、 蛋白质等,其有机碳含量一般处于0.1 mg/L-2.7 mg/L之 间。
河水的化学特征
河水的无机组分
主 要 离 子 含 量 的 大 小 顺 序 与 海 水 相 反 : 即 Ca2+>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。
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,水中组分被还 原的次序是:
O2 NO3 Fe SO4 CO2
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:

3
2
CH 2O HS 及H2 S Fe FeCO3 NH 4
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。
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 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。
Acquisition and Processing of Hydrochemical Data
Leabharlann Baidu
一、水分析结果质量评估
Quality Assessment of Water Analysis Data
1、水溶液均呈中性 阳离子的毫克当量总数(∑ c )与阴离子的毫克当量总数 (∑a)应是相当的 实际上存在各种误差,故当∑c+∑a > 5 meq/L时,要求:
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+;
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