《水文地质基础》第五章 地下水的化学成分及其形成

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地下水按TDS的分类 德国度(H0):一个德国度相当于1升水中含有
10mgCaO或7.2mgMgO。 1meq = 2.8 H0
第2节 地下水的主要物理化学性质
类别
TDS(g/L)
类别
TDS(g/L)
ห้องสมุดไป่ตู้
淡水
微咸水 (低矿化水)
<1 1 ~3
半咸水 (中矿化水)
咸水 (高矿化水)
3 ~ 10 >10
第1节 地下水的化学成分
Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O → 2HCO3-+2Na++ H4Al2Si2O9+4SiO2
• 特点 含量一般不超过1g/L,在低矿化水中为主要阴离子。 钠离子(Na+) • 含量:在低矿化水中的含量一般很低,仅数毫克/
升到数十毫克/升,但在高矿化水中则是主要的阳 离子,其含量最高可达数十克/升。 • 来源:
第1节 地下水的化学成分
微量组分:Br、I、F、B、Sr等 胶体成分:未离解的化合物,颗粒直径10-7~10-5
主要的有:Fe(OH)3、Al(OH)3 及 HsiO3等 还有:CaCO3、MgCO3
各种硫化物:PbS,CuS,CdS等 有机质胶体 粘土质胶体 胶体的形成: 物理风化使矿物机械破碎磨细形成; 急剧化学反应使溶液过饱和并形成许多结晶中心, 但未来得及结晶而形成。
化肥农药,使天然地下水富集了原来含量很低的有 害元素,如酚、汞、砷、铬、亚硝酸等。
第4节 地下水化学成分的基本 成因类型
地球上的水圈是原始地壳生成的。地下水起源于地球深 部层圈。但从形成地下水化学成分的基本成分出发,可 将地下水分为三个成因类型:
溶滤水
概念:富含CO2与O2的渗入成因的地下水,溶滤它所 流经的岩土而获得其主要化学成分,这种水称之为溶 滤水。
结果: 地下水中HCO3-及Ca2+、Mg2+减少,矿化度降低 ; 深部地下水上升成泉,泉口往往形成钙华。 Ca2++ 2HCO3-→CO2↑+ H2O+ CaCO3↓ Mg2++2HCO3-→CO2↑+ H2O+ MgCO3↓
第3节 地下水化学成分的形成作用
脱硫酸作用
在还原环境中,当有机质存在时,脱硫酸细菌能使 SO42-还原为H2S 。 SO42-+2C+2 H2O→H2S+2HCO3-
第3节 地下水化学成分的形成作用
岩性:可溶成分溶于水,使水中富含这些可溶成分; 难溶成分通过风化溶解进入水中,对地下水 成分产生影响。
地质构造: 隆起构造地区,溶滤作用为主,形成低矿化水; 封闭的向斜构造地区发生浓缩作用使矿化度增高;
气候:潮湿地区降雨量大,地下水矿化度常较低; 干旱的沙漠、半沙漠地区蒸发强,矿化度高。
影响化学成分的因素: • 岩性。石灰岩、白云岩分布地区地下水中HCO3-、 Ca2+和Mg2+为主要成分;含石膏的沉积岩地区地下
第2节 地下水的主要物理化学性质
计算 • r[Ca2++Mg2+] > r[HCO3-]时, 暂时硬度 = r[HCO3-] 永久硬度 = r[Ca2++Mg2+]- r[HCO3-] • r[Ca2++Mg2+] < r[HCO3-]时, 总硬度 = 暂时硬度 = r[Ca2++Mg2+] 永久硬度 = 0
第1节 地下水的化学成分
• 特点 • 水迁移能力很强,但次于Cl-; • 含量由数mg/L~数十g/L。
重碳酸根离子(HCO3-) • 来源 • 来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩(如大理岩) CaCO3+ H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+ MgCO3+ H2O+CO2→2HCO3-+Mg2+ • 岩浆岩与变质岩地区,主要来自铝硅酸盐矿物 的风化溶解
影响因素: • 组成岩土的矿物盐类的溶解度 • 岩土的空隙特征 • 水的溶解能力决定着溶滤作用的强度 • 水中CO2、O2等气体成分的含量决定着某些盐类的 溶解能力 • 地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最 活跃最关键的因素
第3节 地下水化学成分的形成作用
浓缩作用
概念:地下水受到蒸发失去水分或流动将溶解物质带 到排泄区而使地下水中盐分浓缩的过程。
主要的物理性质有:温度、导电性、放射性、味、嗅、色、 透明度、比重等
主要的化学性质有:总溶解固体、硬度、酸碱性 两者关系:物理性质往往是化学性质的外在表现。
温度
水交替缓慢时与地温一致,并取决于:太阳辐射热能、 地球内部热流
分三个带:变温带、常温带和增温带 • 变温带:受太阳辐射热能影响,呈昼夜变化与季节 变化。昼夜变化只影响地表以下1~2m深度。变温带 的下限为15~30m。
第1节 地下水的化学成分
• 特点: • 水迁移能力很强; • 含量变化幅度大:数mg/L~数百g/L 一般岁TDS的增加而有所提高。
硫酸根离子(SO42-) • 来源 • 含石膏(CaSO4•2H2O)或其它硫酸盐的沉积岩 的溶解 ; • 硫化物的氧化 2FeS2+7O2+2H2O→2Fe2++4H++4SO42-
第3节 地下水化学成分的形成作用
混合作用
成分不同的两种水汇合在一起,形成化学成分与原来两 者都不相同的地下水,便是混合作用。
影响地下水化学成分形成的因素
三大类:自然地理因素(气候、水文、地形、植物) 地质因素(岩性、地质构造等) 人为因素
这些因素的错综组合决定着地下水化学成分形成的方 向及其分布规律。
第1节 地下水的化学成分
• 地球深部高温高压下变质生成: CaCO3---CaO+CO2 SiO2+CaCO3---CaSiO3+CO2
• 工业发展造成人为CO2(温室效应)。 • 作用
地下水中CO2越多,其溶解碳酸盐岩和对结晶岩进 行风化作用的能力越强。
主要离子成分
七种:Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+和Mg2+
第1节 地下水的化学成分
• 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解 • 含量
低矿化水中为主要阳离子,一般不超过数百mg/L 高矿化水中含量显著增大,但仍低于Na+的含量。 镁离子(Mg2+) 含量与来源同Ca2+
地下水中的其它成分
次要离子:H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、 NO3-、CO32-、SiO32-及 PO43-等
第1节 地下水的化学成分
• O2与N2共存---来源于大气并处于氧化环境 • N2单独存在---来源于大气并处于还原环境 • 大气中惰性气体(Ar, Kr, Xe)与N2的比值: (Ar, Kr, Xe)/ N2 = 0.0118 , 则N2是大气起源 (Ar, Kr, Xe)/ N2 < 0.0118,则N2是生物或变
在岩石含有有机物质的情况下,碳氢化合物也可使硫 酸盐还原。
第3节 地下水化学成分的形成作用
阳离子交替吸附作用
概念:一定条件下,颗粒将吸附地下水中的某些阳离 子,而将原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分, 即为阳离子交替吸附作用。
影响因素: • 岩土颗粒的比表面积 • 阳离子吸附于颗粒表面的能力: H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+ • 地下水中某种离子的相对浓度。
• 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解;
第1节 地下水的化学成分
• 海水 • 岩浆岩和变质岩地区,来自含钠矿物风化溶解。 钾离子(K+) • 来源与Na+相近 • 地下水中含量远低于Na+含量。原因有:
• K+大量参与形成不溶于水的次生矿物; • 易被植物吸收。 钙离子(Ca2+) • 来源: • 碳酸盐类沉积物的溶解
第2节 地下水的主要物理化学性质
• 常温带:是变温带以下一个极簿的地带。地温一般 比当地年平均气温高出1~2℃,粗略计算时可视为 当地的年平均气温。
• 增温带:受地球内部热流控制。随深度增加而温度 升高。用地温梯度或地温增温率表示。 地温梯度:每增加100m深度时地温的增值。 (℃/100m) 地温增温率:温度每升高1 ℃所需增加的深度。 (m/℃)
条件: • 干旱或半干旱的气候; • 低平地势控制下较浅的地下水位埋深,有利于毛细 作用的颗粒细小的松散岩土 。
特点: 不仅使地下水的矿化度提高,也使水的化学(成分) 类型发生改变。
第3节 地下水化学成分的形成作用
脱碳酸作用
概念:水中CO2的溶解度受环境的温度和压力控制。 CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小,一部分 CO2便成为游离CO2从水中逸出,这便是脱碳酸作用。
第2节 地下水的主要物理化学性质
硬度
水中Ca2+、Mg2+的总含量。(meq/L) 德国度(H0):一个德国度相当于1升水中含有
10mgCaO或7.2mgMgO 1meq = 2.8 H0
分类 • 总硬度(total hardness):水中Ca2+、Mg2+的 总含量 • 暂时硬度(temporary hardness):水煮沸时 因形成碳酸盐沉淀而失去的一部分Ca2+、Mg2+含量 • 永久硬度:水煮沸后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量
质起源
硫化氢(H2S)、甲烷(CH4) • H2S来源: • 硫酸盐还原:
第1节 地下水的化学成分
• 硫化矿物分解:
• 火山喷发 • H2S和CH4的存在表明还原环境 • H2S一般出现在深层地下水中,油田水中含量很高,
常以此作为寻找石油的间接标志。 二氧化碳(CO2)
• 来源: • 大气,但含量较低,工业化城市地区含量高。 • 土壤层。有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸 作用使土壤中源源不断产生CO2并溶入流经土壤 的地下水中。
地下水按硬度分类
第2节 地下水的主要物理化学性质
水的类别
极软水 软水
微硬水 硬水
极硬水
硬度(meq/L) < 1.5
1.5 ~ 3.0 3.0 ~ 6.0 6.0 ~ 9.0
> 9.0
第3节 地下水化学成分的形成作用
溶滤作用
概念:在水与岩土相互作用下,岩土中一部分物质转 入地下水中的过程。
第五章 地下水的化学成分及其 形成作用
地下水的化学成分 地下水的主要物理、化学性质 地下水化学成分的形成作用 地下水化学成分的基本成因类型 地下水化学成分的分类图示 地下水的水质评价
第1节 地下水的化学成分
主要的气体成分
常见的有O2、 N2、CO2、CH4 及 H2S
氧(O2)、氮(N2) • 来源: • 主要来源于大气 : O2占20.95%, N2占78.09% • 生物化学作用:微生物分解有机物与矿物盐类 • 水生植物的光合作用放出O2 • 变质作用:岩石在高温高压下影响下可生成。 • 判别:
第2节 地下水的主要物理化学性质
增温带内某深度(H)地温(T)的计算: T = t + (H - h)/r
t为年平均气温;h为年常温带深度;r为地温梯度。 地下水活动对地温的影响:
第2节 地下水的主要物理化学性质
总溶解固体(TDS)(矿化度)
地下水中所含种离子、分子与化合物的总量。(g/L) (Total Dissolved Solids—TDS) 习惯上以105—110℃时将水干所得的涸残余物总量。 因此 ⑴ 计算时挥发性成分不计入; ⑵ HCO3-只取重量的半数
水文因素: 反映在地表水与地下水的补排关系上。
第3节 地下水化学成分的形成作用
地形:高山地区地形切割强烈,地下水循环交替快, 矿化度低;平原地区地下水流动慢,矿化度高。
植物: 人类活动的影响:
• 人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水; • 人为作用大规模地改变了地下水形成条件,从而使
地下水化学成分发生变化; • 工业生产的废气、废水与废渣以及农业上大量使用
第1节 地下水的化学成分
细菌成分:如氧化环境中存在的硫细菌、铁细菌; 还原环境中存在的脱硫细菌; 污水中的各种致病细菌等
• 分病源菌和非病源菌 • 细菌分析结果的表示:
• 细菌总数:每毫升水或每升水中的细菌总数 • 菌度:含有一条大肠杆菌的水的毫升数 • 检定量:1升水中大肠杆菌的总数
第2节 地下水的主要物理化学性质
第1节 地下水的化学成分
氯离子(Cl-) • 来源: • 与其相关的各种原岩的风化溶解。如 沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解; 岩浆岩中含氯矿物[氯磷灰石Ca5(PO4)3 Cl、 方钠石NaAlSiO4 NaCl]的风化溶解。 • 来自海水:海水补给地下水,或者来自海面的 风将细沫状的海水带到陆地,使地下水中Cl-增 多; • 火山喷发物的溶滤 ; • 人为污染
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