地下水组分特征教学课件PPT.ppt

第二章 地下水组分特征 水文地球化学 第一节 地下水中的大量组分 第一节 地下水中的大量组分 一、氯离子 (Cl-) 1. 迁移性能 Cl-具有 很强 的迁移性能，其原因有三个方面： (1) 不形成 难溶化合物 ； (2) 不被 胶体 所吸附； (3) 不被 生物 所吸附。 第一节 地下水中的大量组分 2. 分布规律 地下水中的 Cl-含量从几 mg/L至 100mg/L以 上均有，一般 随地下水矿化度的 增高而增高 。 在高矿化度水中， Cl-占阴离子首位，形成 氯化物水。 第一节 地下水中的大量组分 3. 来源 (1) 有机来源 ：三废水、化肥、农药、动物 及人类的排泄物。 (2) 无机来源 ：盐矿、含盐的沉积物、岩浆 岩中含 Cl矿物、火山喷出物等。 (3) 大气降水 。 第一节 地下水中的大量组分 二 、 硫酸根 (SO42-) 1. 迁移性能：迁移性能 较强 ， 仅次于 Cl-， 其迁移性能受下列 四个因素控制： (1) 水中 SO42-易与 Ca2+、 Ba2+、 Sr2+等离子 形成难溶盐 。 (2) 热带潮湿地区土壤铁、铝 胶体吸附 SO42-。 (3) 易 被 生物吸收 ，硫是蛋白质的组成部分。 (4) 细菌硫酸盐还原 作用： 32 - -4 2 2S O + 2 C + 2 H O 2 H C O + H S（ 有 机 质 ） 第一节 地下水中的大量组分 2. 分布规律 (1) SO42-含量随地下水矿化度 增高而增加 ，但增 加速度明显落后于 Cl-。在 中等矿化度 水中，常成为 含量最多的阴离子。 (2)在某些特殊情况下，地下水中含量可达到很 高，例如硫化矿氧化带中的矿坑水，石膏层岩层地 下水。 第一节 地下水中的大量组分 3. 来源 (1) 石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物； (2) 硫化物及天然硫的氧化； (3) 火山喷发物中的硫的氧化； (4) 大气降水中的 SO42- ； (5) 有机物分解； (6) 生活、工业、农业废水。 3.1 地下水中的大量组分 三 、 HCO3-和 CO32- 1、 碳酸平衡及其与 pH值的 关系 地下水中的碳酸以三种化合物形态存在： （ 1） 游离碳酸，它以溶解的 CO2（ aq）或 H2CO3 形 态 存在，习惯上记为“ H2CO3” ; （ 2）重碳酸根，即 HCO3-; （ 3）碳酸根，即 CO32-。 3.1 地下水中的大量组分 三 、 HCO3-和 CO32- 这些组分之间的平衡关系式如下： )()( 3222 aqCOHOHgCO 5.1321 10/ 2 COPCOHK 332 H C OHCOH 4.63232 10/ COHH C OHK 233 COHH C O 3.103233 10/ H C OCOHK 3.1 地下水中的大量组分 三 、 HCO3-和 CO32- 1、 碳酸平衡及其与 pH值的关系 溶 于水中总无机碳： )()( 3222 aqCOHOHgCO 5.1321 10/ 2 COPCOHK 332 H C OHCOH 4.63232 10/ COHH C OHK 233 COHH C O 3.103233 10/ H C OCOHK 233322D I C COH C OCOHCO 3.1 地下水中的大量组分 三 、 HCO3-和 CO32- 1、 碳酸平衡及其与 pH值的关系 可以推出 pH值与各碳酸组分之间的关系： 由这两个关系可求出 CO2溶于水后各溶解类型占优 势的 pH值范围 ， 在 25 ， 1atm条件下： pH 6.4 ， 占优势； 6.4pH10-7mol/L，则为酸性，反之则为碱性。 W+- -2 14H O = H + O H = = 1 0， KK +- H = O H p H = 7，时当 第一节 地下水中的大量组分 2. 中性 pH值与温度关系 pH中性点，随温度的增高而降低。 pH中 = 7.47 0 pH中 = 7 25 pH中 = 6.63 50 pH中 = 6.51 60 第一节 地下水中的大量组分 3. 影响水中 H+浓度 (pH值 ) 大小的因素 (1) 水中不同形态无机碳的含量； (2) 酸性土壤枯枝落叶层和沼泽中的腐殖酸是天然水中 H+ 的重要来源。因此，林区潜水呈弱酸性。 (3) 盐类水解： (4) 矿床硫化物氧化 + 2 -4 2 2 4Fe SO + 2H O = Fe (OH ) + 2H + SO + 2 -2 2 2 4 42 Fe S + 7 O + 2 H O = 2 Fe SO + 2 H + 2 SO 第一节 地下水中的大量组分 (5) 微生物作用 硝化作用： 反硝化作用： (6) 酸性气体 CO2、 HCl、 SO2等气体溶于水。 + - +4 2 2 2N H + 3 / 2 O N O + H O + H亚 硝 化 细 菌 - + -3 2 22 N O + 1 0 H N + 4 H O + 2 O H反 硝 化 细 菌 第一节 地下水中的大量组分 4. 地下水分组与 pH值关系 地下水 pH值： 0.45-11.5，大部分为 6-8.5。 pH值 成因 强酸性水 3 与 H2SO4有关，硫化矿床氧化带 酸性水 3-5 除可能与自由 H2SO4有关外，还可能与有机 酸和 H2CO3有关 弱酸性 5- 6.5 中性水 6.5-7.5 与含 Ca(HCO3)2， Mg(HCO3)2有关 弱碱性水 7.5-8.5 碱性水 8.5-9.5 与 Na2CO3或 NaHCO3有关 强碱性水 9.5 一般在热水中才遇到 Company Logo 3.1 地下水中的大量组分 八、铁和铝 1、在地下水中的含量 Fe2+：一般水中，含量小于几十 mg/L，在 pH4的 酸性水中可达几十至几百 mg/L。 Fe3+：以胶体存在，一般含量很小。 Al3+ ：在地下水中含量一般小于 1mg/L，但在 pH4 的酸性水中可达几十 mg/L。 Company Logo 3.1 地下水中的大量组分 八、铁和铝 2、 Fe、 Al的迁移性能 (1) Fe是变价元素（ Fe2+， Fe3+） Fe2+在酸性环境中迁移能力强。 Fe3+迁移性能很弱，当地下水中含足够氧时， Fe3+可以呈胶体状态迁移，此时迁移性能增强。 Fe(OH)3胶体： 正胶体 负胶体 33)( FeOHFe mmOHOHFe )()( 3 Company Logo 3.1 地下水中的大量组分 八、铁和铝 2、 Fe、 Al的迁移性能 Fe(OH)3在地表十分稳定，易形成红褐色蜂窝状 的“铁帽”。 Fe2+和 Fe3+很容易水解，产生 Fe(OH)2和 Fe(OH)3沉淀 ; 在一定的条件下， Fe2+和 Fe3+可相互转化。 42242 )( SOHOHFeF e S OF e S Company Logo 3.1 地下水中的大量组分 八、铁和铝 2、 Fe、 Al的迁移性能 (2) Al（非变价元素） 迁移性能很差，其氢氧化物产生水解沉淀的 pH水 =3.1。 在强酸性水中（ pH 4.0），以 Al3+形式存在。在碱性水中， 形成 AlO2-和 AlO33-。 思考题 1、地下水温度为 5 ， pH=7。请问水是酸性还是碱性 ？ 酸性 水文地球化学地下水中的无机化学成分 第二节 地下水中的微量组分 第二节 地下水中的微量组分 一、溴 (Br) 1. 分布特征 溴的化合物极易溶解 ，在一般地下水中含量为 0.001- 0.2mg/L，在矿泉水中的含量较高 0-50mg/L。某些盐湖水中可 达 900mg/L，在某些石油产地的卤水中含量最高，达到 100- 9800mg/L.。 Br和 Cl一样随水的矿化度增加而增加，但在成盐过程中， Br和 Cl分离， Cl进入固相，而 Br仍留在水中，主要原因是 Br化 合物的溶解度比 Cl化物的溶解度大。 第二节 地下水中的微量组分 2. 影响 Br在地下水中富集的因素 (1) 有机物同化； (2) 被软泥、有机物 、泥炭等吸附。 3. Br的来源： 岩石中分散的 Br和海洋中的 Br是地下水中 Br的主要来源。 4. 与人体健康关系 含 Br的水具有工业开采价值，适量的 Br (0.2-1mg/L) 具有 镇静、调节中枢神经的作用，过量会导致智力减退，神经混乱。 第二节 地下水中的微量组分 二、碘 (I) 1. 分布特征 (1) 碘在地下水中的含量比 Br还少，一般 ppb级； (2) 海水中碘的含量为 0.05mg/L； (3) 盐湖的卤水中不含 I； (4) 在油田地下水中， I含量可达 30-600mg/L；在含油构 造上的沙漠地区盐土中富含 I，可作为寻找石油的标志。 第二节 地下水中的微量组分 2. 地球化学特点 (1)自然界中碘矿物极少见； (2) 与生命物质密切相关，可富集于动植物中； (3) 强还原环境有利于在地下水中富集； (4) 呈分散状态。 第二节 地下水中的微量组分 3. 来源 (1) 有机质吸附的 I； (2) 岩石分散状态的 I； (3) 大气降水。 4. 与人体健康关系 缺碘：造成甲状腺肿大，发育停滞、痴呆。（治疗：含 碘盐，海带） 过量：甲状腺中毒、克汀病。 第二节 地下水中的微量组分 三、氟 (F) 1. 分布特征 (1) 一般水中 F的含量为 0.04-0.3mg/L； (2) 海水中 F的含量为 1mg/L； (3) 温泉水中 F含量较高。如江西温泉水 F的含量大于 2mg/L，如奉新九仙汤温泉 F的含量为 11mg/L； (4) 盐湖卤水中 F的含量为 23.4-37.8mg/L； (5) 活火山区热泉中 F的含量极高。如新西兰普兰蒂海湾 白岛火山上热泉 F的含量高达 806mg/L。 第二节 地下水中的微量组分 2. 来源 含氟矿物（氟磷灰石、电气石、萤石、氟云母）、火山活 动区水中氟含量高。 3. 影响 F迁移的因素 (1) 水中 Ca2+，易形成难溶的 CaF2沉淀； (2) 生物积聚， F和 I、 Br相似，可被有机物吸附。 + 2 +2C a F + 2 H = C a + 2 H F -22C a F + O H = C a (O H ) + 2 F 水文地球化学地下水中的无机化学成分 第三节 地下水中的气体组分 第三节 地下水中的气体组分 一、氧 (O2) 1. 氧的溶解度 溶解于水中的氧称为 “ 溶解氧 ” ，氧在水 中有比较大的溶解度，与水的矿化度、埋藏条件、 温度、大气压力、空气中氧的分压有关。 第三节 地下水中的气体组分 2. 含量分布特征 (1) 地下水中溶解氧的含量一般在 0-15mg/l； (2) 缺氧环境各地深度不一，主要取决于地下水与大气的 隔绝程度； (3) 地下水中溶解氧的含量 随深度增加而减少 ； (4) 温度升高，溶解氧含量降低 （ 0 35 ，溶解氧浓 度从 14.74mg/L降低到 7.03mg/L）； (5) 大气压升高，溶解氧含量增加。 第三节 地下水中的气体组分 3. 氧的来源 (1)氧在干燥空气中的含量为 20.95%，水体中的大部分单 质氧可以来自大气，因此水体与大气接触再复氧的能力是水体 的一个重要特征 ; (2) 水生植物光合作用释放氧， 但这个过程仅限于白天 ; 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 水中氧的输出部分包括有机物的氧化、有机体的呼吸和 生物残骸的发酵腐烂作用等。 第三节 地下水中的气体组分 4. 氧的水文地球化学作用 (1) O2决定地下水的氧化还原状态，从而影响水 中元素的迁移。 如在含氧多的地下水中， Fe形成高 价化合物而从中沉淀；反之，地下水中含 O2少，形 成低价态化合物而易于在水中迁移。 (2) 对金属材料具有侵蚀作用。 如自来水管锈蚀。 (3) 影响水生动植物的生存。 第三节 地下水中的气体组分 二、氮 (N2) 1. 来源 主要来自大气， N2占大气的 78%。 在封闭缺氧的地质构造，由于去硝化作用 将 NO3-和 NO2-转为 N2。 第三节 地下水中的气体组分 2. 分布特征 (1) 由于 N2的化学性质不及氧活泼 ， 它的分布随 深度的减少 ， 不及 O2明显 。 (2) 若地下水中 Ar/N2比值为 0.0118（ 氩占大气体 积的 0.93%） ， 则表明水中 N起源于大气 ， 若 Ar/N2 0.0118， 则表明水中含生物起源或变质起源的 N。 第三节 地下水中的气体组分 三、硫化氢 (H2S) 1. 来源 (1) 有机物来源： 含硫蛋白质厌氧分解 。 (2) 无机来源：缺氧条件下，脱硫酸作用使 硫酸盐还原 分解而产生 H2S； 火山喷发 气体的析出，自然界最多的 H2S 来自火山喷发。 硫化氢不稳定，只有缺氧条件下才能存在，一旦受到 扰动，就会发生氧化或从水中溢出。所以天然水中的硫化 氢一般出现在地下水中。 第三节 地下水中的气体组分 2. 分布特征 (1) 一般地下水中含量很少，多在 1mg/L以下。 (2) 在油田地下水及现代火山活动区地下水中， H2S 含量较高，可达几百 mg/L-几十 g/L， H2S的存在说明地下 水处于还原环境。 3. 与人体健康关系 H2S 2mg/L以上的地下水，称为 H2S矿水， H2S矿 水可治疗多种外伤及皮肤病。 第三节 地下水中的气体组分 4. 地下水中 H2S的存在形式 天然水中 ， H2S以溶解气体及硫氢酸的离解形式存在： + - -7 2 - + 2 - -1 3 H S H + H S = 1 0 H S H + S = 1 0 K K 第三节 地下水中的气体组分 (1) pH7.5， 呈 HS-形式存在； (3) pH=6.5-7.5， H2S、 HS-各占一部分 。 H2S和 HS-的分布分数随 pH变化的曲线 ？ 存在形态 pH 4 5 6 7 8 9 10 H2S mol 99.8 98.8 78.3 43.9 7.3 0.8 0.09 HS- 0.2 1.2 21.7 56.1 92.7 99.2 99.01 第三节 地下水中的气体组分 四、二氧化碳 (CO2) 1. 基本概念 (1) 游离 CO2：溶解于水中的 CO2的统称。 (2) 平衡 CO2：与 HCO3-平衡的 CO2。 (3) 侵蚀性 CO2：当水中的游离 CO2浓度大于平 衡 CO2浓度时，多余部分的 CO2对碳酸盐岩和金属构 件具有侵蚀性，这部分 CO2即为侵蚀性 CO2。 第三节 地下水中的气体组分 2. 来源 (1) 空气中的 CO2； (2) 土壤生物化学作用（植物呼吸、有机物分解是浅层地 下水中 CO2的主要来源。 (3) 深部地壳中发生各种变质作用产生的 CO2； (4) 幔源碳逸出的 CO2； (5) 岩浆分异作用产生的 CO2。 0 0 4 0 0 C 32 7 0 0 C 3 2 2 C a C O C a O + C O C a M g (C O ) C a O + M g O + C O 第三节 地下水中的气体组分 3. 分布特征 (1) 一般地下水中游离 CO2为 15-40mg/L，很少 超过 150mg/L。 (2) 矿泉水中 CO2含量很高，几百 mg/L至几十 g/L.如：江西寻乌温泉 CO2含量为 1193mg/L。 (3) 现代火山活动区，地下水中 CO2含量为 500- 10000mg/L。 第三节 地下水中的气体组分 五、甲烷 (CH4) CH4是最简单的有机物，它可由有机质的各种生物 化学作用产生。一般地下水中含量不高，只有在封闭的 还原环境的地下水中达到较高含量。 石油及卤水中 CH4含量很高：四川某卤水开采区， 井下 4500m以下的地下卤水中， 10%为 CH4气体。当地下 水中有硫酸盐时，甲烷能促使还原而产生 H2S气体， 甲烷 是强还原环境标志之一。