水文地质学习题答案

在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。溶滤作用的结果，岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。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地下水的径流与交替强度溶滤作用将岩土中的某些成分溶入水中，地下水的流动又把这些溶解物质带到排泄区。在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处，地下水位埋藏不深，蒸发成为地下水的主要排泄去路。由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大。与此同时，随着地下水矿化度上升，溶解度较小的盐类在水中相继达到饱和而沉淀析出，易溶盐类（如NaCl）的离子逐渐成为水中主要成分。产生浓缩作用必须同时具备下述条件，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；最后一个必备的条件是地下水流动系统的势汇——排泄处，因为只有水分源源不断地向某一范围供应，才能从别处带来大量的盐分，并使之集聚。干旱气候下浓缩作用的规模从根本上说取决于地下水流动系统的空间尺度以及其持续的时间尺度。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，这便是混合作用。两种水的混合也可能不产生明显的化学反应。例如当高矿化的氯化钠型海水混入低矿化的重碳酸钙镁型地下水中，基本上不产生化学反应。这种情况下，混合水的矿化度与化学类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例。当以SO42—、Na+为主的地下水，与HCO3—、Ca2+为主的水混合时，石膏沉淀析出，便形成以HCO3-及Na+为主的地下水。(1)请对以下陈述作出辨析：A.地下水中的氧气和二氧化碳主要来源于补给地下水的降雨；二氧化碳应该为氮气，地下水CO2补给源有降水和地表水，主要来源于土壤，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。B.通常深部地下水处于还原环境，而浅部地下水由于氧气较为丰富，处于氧化环境；C.当含有NaCl和MgSO4的地下水发生浓缩作用时，NaCl首先析出；×（参考表6-1,MgSO4的溶解度比NaCl小）D.农业灌溉管理不善，导致土地盐碱化，这是溶滤作用的结果。×(溶滤作用应为蒸发作用)E.盐类在水中的溶解度都是随着温度的增加而增加。×(A)油田储层地下水中42NHS,H浓度较高，而3-24NO,SQ含量很低；答：油田储层是封闭的地质构造，是产生脱硫酸作用、反硝化作用的有力还原环境。由于脱硫酸作用、反硝化作用的发生，使得油田储层地下水3-24NO,SQ含量很低，而42NHS,H浓度较高。(B)某抽水井抽出的地下水进入水池后，开始为透明无色，不久出现红色絮状悬浮物；答：氧化作用，水中的Fe2+氧化形成红色的Fe(OH)3絮状悬浮物。(C)灰岩地区的泉口出现钙华。答：灰岩地区的泉水流出泉口时，由于压力降低，CO2气体逸出，发生脱碳酸作用，在泉口形成CaCO3、MgCO3沉淀，即钙华。(a)观测时期地下水与河流的关系？(p77)答：当河流切割含水层时，地下水沿河呈带状排泄，称作地下水的泄流。观测时期，地下水泄流补给河水，或者地下水通过河水泄流排泄。(b)地表、地下径流量的峰值出现时间为何不同？（p99）答：大气降水补给河流不具有时间延长和滞后，所以两个断面流量差随着降雨持续而增加，随后随降雨结束，其值逐渐减小。而大气降水补给潜水首先要入渗地面并在包气带下渗，然后到达地下水面，增加地下径流，所以地下水泄流量的峰值出现在Q(t)=Q2Q1的峰值之后。(1)在洪积扇地区，从山前到平原区，含水层的结构、渗透性和地下水运动特征如何变化？答：①在洪积扇地区，从山前到平原区，由于水动力条件的变化，扇顶，多为砾石、卵石、漂砾等，沉积物不显层理，或仅在期间所夹的细粒层中显示层理。向外，过渡为砾及砂为主，开始出现粘性土夹层，层理明显。没入平原的部分，则为砂与粘性土互层。②水动力条件变化，使洪积扇显示良好的地貌岩性分带：岩性上由粗变细、分选由差变好。地貌岩性分带性又决定了地下水的分带性。由山口扇顶向平原（扇前缘）岩层透水性由好到差；随之，排泄由径流为主转化为以蒸发为主（特别是在干旱半干旱气候下）；地下水位的变动（变幅）也由大到小。(2)山前冲洪积扇中地下水从山前向平原具有盐分增多的分带现象，试分析其原因。（P107）答：由山口向平原（盆地），由于水动力条件控制着沉积作用，洪积扇显示良好的地貌岩性分带：地貌上坡度由陡变缓，岩性上由粗变细、分选由差变好。地貌岩性分带性又决定了地下水的分带性。由山口扇顶向平原（扇前缘）岩层透水性由好到差，地下水位埋深由大变小，补给条件由好到差；随之，排泄由径流为主转化为以蒸发为主（特别是在干旱半干旱气候下），水化学作用由溶滤到浓缩，矿化度由小到大，出现盐分增多显现。（可以照原书答）(3)具有侵蚀性的地下水在碳酸盐岩含水层中流动时，将使碳酸盐岩中的矿物逐渐溶解，形成溶蚀结构，请分析哪些因素会影响地下水的溶蚀能力？答：①CO2含量。一方面当CO2溶入水中形成碳酸，或水含有其它酸类时，水才对碳酸盐类具有明显的侵蚀能力；另一方面，水中溶解CO2越高，越有利于碳酸盐溶解。②地下水对CaCO3的饱和指数SI：当地下水中的饱和指数大于1时，地下水对CaCO3不具有侵蚀能力；当SI=1时，地下水对CaCO3达到溶解平衡；当SI1时，地下水对CaCO3具有侵蚀能力。③水的流动：具有一定侵蚀能力的水如在碳酸盐岩中停滞而不与外界发生交替，水的侵蚀能力终将因碳酸盐溶入水中成为饱和溶液，而丧失其侵蚀性（封闭体系）；因此，水的流动是保证岩溶发育的充要条件热力学中，在恒温恒压条件下，根据体系在状态变化前后的自由能变化，作为判断反应方向和进行程度的依据。若△G0，表示生成物的自由能小于反应物的自由能，反应进行时能做出有用功，故反应能自发进行，反应自发进行的方向，就是体系自由能减小的方向。若△G0，表示生成物的自由能大于反应物的自由能，反应进行时不能做出有用功，故反应不能自发进行；若△G=0，说明体系已经失去了作功的能力，反应处于平衡状态。热力学中规定，△G0，表示反应可自发进行，△G负值越大，表明反应进行的推动力越大，反应完成的程度越高。另外一个化学反应的完成程度也可以从该反应的平衡常数大小来定量判断，平衡常数越大，说明反应完成程度越高。这是因为反应平衡常数与体系自由能变化之间存在下列关系：kGkRTGkRTGlg7.5-lg3.2ln000标准状态下2.S－H2O－O2体系的pE－pH图建立该体系pE－pH图所使用的电极反应及其标准电位或反应的平衡常数如表2-4-2。表2-4-2S-H2O-O2体系的电极反应序号电极反应平衡常数1H2S(g)=HS-+H+10-72HS-=S2-+H+10-12.913HSO4-=H++SO42-10-1.94HSO4-+7H++6e=S(s)+4H2O1034.325SO42-+8H++6e=S(s)+4H2O1036.226S(s)+2H++2e=H2S(g)104.87SO42-+9H++8e=HS-+4H2O1034.028SO42-+8H++8e=S2-+4H2O1020.169S(s)+H++2e=HS-10-2.12与Fe－H2O－O2体系类似，下面按照表2-4-2中的顺序，分别绘制各反应的pE－pH关系曲线。对于表2-4-2中的反应1，反应的平衡常数为：（2-4-43）两边同时取对数得：即（2-4-44）令[HS-]=[H2S]，式（2-4-45）变为：（2-4-45）把式（2-4-45）绘制到pE－pH关系图中可得图2-4-5中的直线①。显然，[HS-]=[H2S]的点正好落在直线①上，[HS-][H2S]的点应落在直线①的右侧，[HS-][H2S]的点应落在直线①的左侧。对于表2-4-2中的反应2、3，反应的平衡常数依次为：（2-4-46）（2-4-47）对式（2-4-46）和（2-4-47）两边同时取对数并整理得：（2-4-48）（2-4-49）分别令[S2-]=[HS-]、[SO42-]=[HSO4-]，则由（2-4-48）、（2-4-49）有：（2-4-50）（2-4-51）把式（2-4-50）、（2-4-51）绘制到pE－pH关系图中可分别得到图2-4-5中的直线②、③。图中，[S2-]=[HS-]的点正好落在直线②上，[S2-][HS-]的点落在直线②的右侧，[S2-][HS-]的点落在直线②的左侧；类似地，[SO42-]=[HSO4-]的点正好落在直线③上，[SO42-][HSO4-]的点落在直线③的右侧，[SO42-][HSO4-]的点落在直线③的左侧。对于表2-4-2中的反应4，其电子活度为：（2-4-52）令[HSO4-]=[S]，式（2-4-52）变为：（2-4-53）把式（2-4-53）绘制到pE－pH关系图中可得图2-4-5中的直线④。显然，[HSO4-]=[S]的点正好落在直线④上，[HSO4-][S]的点应落在直线④的右上方，[HSO4-][S]的点应落在直线④的左下方。对于表2-4-2中的反应5、6、7、8、9，其电子活度依次为：（2-4-54）（2-4-55）（2-4-56）（2-4-57）（2-4-58）分别令[SO42-]=[S]、[S]=[H2S]、[SO42-]=[HS-]、[SO42-]=[S2-]、[S]=[HS-]，由（2-4-54）～（2-4-58）有：（2-4-59）（2-4-60）（2-4-61）（2-4-62）（2-4-63）把式（2-4-59）～（2-4-63）绘制到pE－pH关系图中可得图2-4-5中的直线⑤、⑥、⑦、⑧、⑨。这样，便可得到S－H2O－O2体系的pE－pH构造线图（图2-4-5），图中直线⑩为水稳定场的上限，直线⑾为水稳定场的下限。图2-4-5S－H2O－O2体系体系的pE－pH构造线图在S－H2O－O2体系中，共有6种类型的组分，分别为：SO42-、HSO4-、H2S、HS-、S2-、S。采用与Fe－H2O－O2体系类似的分析方法，可得到如图2-4-6所示的S－H2O－O2体系稳定场图。图2-4-6Fe－H2O－O2体系的稳定场图