第二章 地下水组分特征

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--422SO+2C+2HO2HCO+HS（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：)()(3222aqCOHOHgCO5.132110/2COPCOHK332HCOHCOH4.6323210/COHHCOHK233COHHCO3.10323310/HCOCOHK3.1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：)()(3222aqCOHOHgCO5.132110/2COPCOHK332HCOHCOH4.6323210/COHHCOHK233COHHCO3.10323310/HCOCOHK233322DICCOHCOCOHCO3.1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；6.4pH10.3，占优势；pH＞10.3，占优势。4.6/log323COHHCOpH3.10/log323HCOCOpH32COH3HCO23COCompanyLogo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：图3-1三种碳酸随pH值的变化曲线CO32-H2CO3HCO3－6.48.3410.3pH0050100第一节地下水中的大量组分•2.分布规律•HCO3-在低矿化度水中居主导地位，在阴离子中占首位。在某些含CO2的水中，含量可达1000mg/L以上；强碱、强酸水中，HCO3-极少见。•天然水中CO32-含量一般很低，但在苏打水中可达到很高。第一节地下水中的大量组分•(1)影响HCO3--CO32-迁移的因素•①Ca2+的存在，制约着水中HCO3-和CO32-含量，因为易产生CaCO3沉淀。•②脱碳酸作用：2+-3322Ca+2HCO=CaCO+CO+HO第一节地下水中的大量组分•(2)地下水HCO3-和CO32-来源•①大气中CO2的溶解；•②各种碳酸盐类及胶结物的溶解和溶滤；•③非碳酸盐火成岩的风化作用；•④深层CO2的加入（幔源CO2，变质CO2）；3822+-3222622NaAlSiO+2CO+2HO2Na+2HCO+HAlSiO+4SiO第一节地下水中的大量组分•四、硅酸―地下水中的SiO2•1.地下水中SiO2的存在形式•(1)硅酸的形式•地下水中的硅酸有以下几种：H4SiO4（正硅酸），H2SiO3（偏硅酸），H2Si2O5（二偏硅酸），H6Si2O7（焦硅酸），H2SiO3因其形式简单，常以它代表水中的硅酸。第一节地下水中的大量组分•(2)地下水中SiO2的存在形式•硅酸的盐是可溶的，但遇到酸（包括碳酸）时，很易析出正硅酸。因此，在大多数的地下水中，SiO2以不离解的H4SiO4形式存在。24223444244NaSiO+4CO+4HONaSiO4NaHC+HClNaCl+HSi+HOOSiO第一节地下水中的大量组分•在强碱性条件下，水中会出现H3SiO4-，H4SiO4和H3SiO4-的比例与pH值的关系如下。同时，H4SiO4也往往会发生聚合，形成硅胶溶液。衍生物的存在形式pH78910H4SiO4mol％99.998.687.741.5H3SiO4-0.11.412.358.5第一节地下水中的大量组分•SiO2在地下水中的存在形式归纳为：•①在一般的地下水中，SiO2以H4SiO4（单体硅酸）或硅酸钠钾盐的分子分散状态存在，硅胶出现极少。•②在碱性地下水中，SiO2部分以H4SiO4形式存在，部分以H3SiO4-形式存在，部分以硅胶形式存在。第一节地下水中的大量组分•2.地下水中SiO2的沉淀条件•(1)与含电解质的水溶液相遇，可使硅酸凝结成含水蛋白石而析出。如Ca2+、Mg2+等的加入，会导致SiO2的沉淀。•(2)酸碱条件的变化：一般碱性介质有利于SiO2的溶解、酸性介质不利于SiO2迁移，当碱性介质流经酸性环境时，则会沉淀SiO2。如：硅化木形成即可能与此有关树木腐烂分解，产生有机酸，酸性环境引起水中SiO2的沉淀。第一节地下水中的大量组分•(3)水温的变化：温度增高，有利于SiO2在水中的溶解，反之则会导致SiO2的沉淀。如温泉硅质泉华的形成。•(4)生物化学作用：硅是很多生命物质的食物，水中SiO2由于细菌参与的生物化学作用，在生物圈往往会大量沉淀下来。如硅藻的作用。•第一节地下水中的大量组分•3.地下水中SiO2的含量•地下水中SiO2的平均含量为17mg/L，不同类型地下水中，SiO2的含量大致如下：•(1)微矿化硅酸、硅酸－重碳酸型潜水中的SiO2：SiO2含量一般为5-25mg/L。常占阴离子首位，形成硅酸型水，或硅酸―重碳酸型水。•(2)低矿化度潜水和浅层承压水中的SiO2：SiO2含量为10-40mg/L，水型为HCO3-型水。第一节地下水中的大量组分•(3)弱矿化碱性硅质热水中的SiO2：SiO2含量一般大于40mg/L，以60-100mg/L者居多，硅酸在水中占矿化度的20-40%。庐山温泉，水温72℃，pH=8.5，SiO2=80mg/L。•(4)现代火山和岩浆活动区硅质热水中的SiO2：SiO2含量很高，常达几百mg/L。西藏羊八井15区水温85℃的水中，SiO2=247.6mg/L。•(5)某些pH＞9以上的强碱性矿泉水中的SiO2：SiO2含量极高，常达几千mg/L。例如美国加州体斯塔山矿泉水，pH=11.6，SiO2=3970mg/L。第一节地下水中的大量组分•4.硅酸水与硅质水•(1)在阴离子中，HSiO3-占阴离子首位（按摩尔分数计算）的水叫硅酸水。•(2)SiO2含量大于50mg/L的水，叫硅质水。•(3)硅酸泉：HSiO3-含量大于50mg/L，可作饮料与浴疗。•(4)HSiO3-含量大于30mg/L，可作为天然饮料矿泉水，HSiO3-在25-30mg/L，水温为20℃以上或水同位素年龄大于1年亦可作天然饮料矿泉水。第一节地下水中的大量组分•1.地下水中氮的形态有机氮氨基酸蛋白质核酸腐殖质主要来源于土壤有机质下渗和地下水系统中的微生物活动。由于土壤层吸附和特殊的生境条件，含量较少。五、氮的化合物第一节地下水中的大量组分无机氮NH4+NO3-气态(N2O和N2)NO2-第一节地下水中的大量组分•(1)有机N的矿化作用（铵化作用）•有机N在异养型细菌的作用下转化为无机态的NH4+，此过程在好氧和厌氧条件下都可发生。•(2)铵的吸附作用•NH4+随水向下运动过程中，可以被包气带岩土吸附在其表面，属于可逆阳离子交换吸附，这种作用并不产生N的转化。2.地下水氮的转化过程与机理第一节地下水中的大量组分•(3)固N作用（同化作用）•NO3-、NO2-、NH4+、N2O和N2通过微生物和植物吸收同化，转化为有机N。(4)硝化作用在化能自养亚硝化菌和硝化细菌的作用下，NH4+被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。32222242/12/3NOONOHOHNOONH第一节地下水中的大量组分•(5)反硝化作用•在缺氧条件下，异养型去氮菌把NO3-、NO2-还原分解为气态氮(N2O和N2)的过程。•NO3-→NO2-→NO→N2O→N2OHNHONOHOHNHNOOHOHNHNO22222222322262241023、来源主要是人为来源，但有些地方为天然来源。人为来源很多，主要是化学肥料、农家肥、生活污水及生活垃圾。地下水污染主要是NO3-污染。4、污染标志NH4+、NO2-说明地下水近期受污染，而NO3-说明地下水很早以前受到污染或距离污染源较远。第一节地下水中的大量组分•六、K+、Na+、Ca2+、Mg2+•1.分布规律与迁移性能•Na+：Na+迁移能力强，分布广泛，高矿化度水中Na+占阳离子首位；易被胶体吸附，迁移能力仅次于Cl-；地下水中Na+含量从几mg/L到几百g/L。•K+：与Na+近似，但迁移性能较差，因为生物易吸收K+，易形成次生矿物进入晶体的结晶格架（水云母）；第一节地下水中的大量组分•Ca2+：在低矿化度水的阳离子中占首位，常见HCO3-Ca型水，天然水中Ca2+＜1g/L，常见几mg/L-几十mg/L。深层水中Ca2+可达几十g/L，甚至更高，为Cl-Ca型水。Ca2+的迁移受CaSO4+CaCO3的影响。•Mg2+：Mg2+与Ca2+相似，但自然界中Mg盐分布不广，故在地下水中Mg2+难占主导地位。第一节地下水中的大量组分•2.来源•Na+：含Na+盐的海相沉积物、干旱环境下的陆相沉积物、以及岩盐矿的溶解。火成岩―铝硅酸盐的风化产物。•阳离子交换吸附：2+++2+Ca+Na()Na+Ca吸（吸）第一节地下水中的大量组分•Ca2+：石灰岩、白云岩和石灰质胶结物的岩石及石膏的溶解：•火山岩、变质岩中含钙矿物的风化分解：2+2+-32223CaMg(CO)+2CO+HOCa+Mg+4HCO28223222CaAlSiO+4HOAlO3HO+2SiO+Ca(OH)第一节地下水中的大量组分•七、氢离子•1.H+与pH值关系•pH=-log[H+]•标准状态，25℃下，•若pH＜7，即[H+]10-7mol/L，则为酸性，反之则为碱性。W+--214HO=H+OH==10，KK]]+-[H=[OHpH=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=7.470℃•pH中=725℃•pH中=6.635