水文地球化学

水文地球化学研究现状、基本模型与进展

摘要：1938 年, “水文地球化学”术语提出, 至今水文地球化学作为一门

独立的学科得到长足的发展, 其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究, 以及人类开发资源和保护生态的需要, 水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域, 并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。

早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开, 在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果( 沈照理, 1985) 。水文地球化学在利用地下水化学成分资料, 特别是在查明地下水

的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20 世纪60 年代后, 水文地球化学向更深更广的领域延伸, 更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用( 任福弘, 1993) 。

1981 年, Stumm W 等出版了5水化学) ) ) 天然水化学平衡导论6 专著, 较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992 年, C P 克拉依诺夫等著5水文地球化学6分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分, 全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题, 以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等, 概括了20 世纪80 年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解答( 谭凯旋, 1998) , 逐渐构架起更为严密的科学体系。

1 应用水文地球化学学科的研究现状

1. 1 油田水研究

水文地球化学的研究在对油气资源的勘查和预测以及提高勘探成效和采收率等方面作出了重要的贡献。早期油田水地球化学的研究只是对单个盆地或单个坳陷, 甚至单个凹陷进行研究, 并且对于找油标志存在不同见解。此时油田水化学成分分类主要沿用B A 苏林于1946 年形成的分类。1965 年, E C加费里连科在其所著5根据地下水化学组分和同位素成分确定含油气性的水文地球化学指标6中系统论述了油气田水文地球化学特征及寻找油气田的水文地球化学方法。1975 年, A G Collins 在其5油田水地球化学6中论述了油田水中有机及无机组分形成的地球化学作用( 汪蕴璞, 1987) 。1994 年, 汪蕴璞等对中国典型盆地油田水进行了系统和完整的研究, 总结了中国油田水化学成分的形成分布和成藏规律性, 特别是总结了陆相油田水地球化学理论, 对油田水中宏量组分、微量组分、同位素等开展了研究, 并对油田水成分进行种类计算, 从水化学的整体上研究其聚散、共生规律和综合评价找油标志和形成机理。同时还开展了模拟实验、化学动力学和热力学计算, 从定量上探索油田水化学组分的地球化学行为和形成机理。

1. 2 洋底矿藏研究

1870 年,AA BePnro在黑海河口湾开始了海洋水的研究。直至20 世纪50 年代中期, 苏联和美国都较系统地开展了该次研究。1972 年,oB III IKHHa在其5海洋软泥水地球化学6中讨论了世界三大洋和内陆海软泥水化学成分资料, 对不同类型沉积物中的软泥水化学成分特征进行了描述和分类, 总结了软泥水化学成分浓度随深度变化的规律性, 并进行了解释。1988 年, G N Baturin 撰著的5大洋锰和锰结核的地球化学6英文版专著中有一个章节, 专论海洋沉积物孔隙水中的Mn。研究发现海洋沉积物孔隙水中Mn 含量的变化幅度很大, 可在7 个数量级的范围中变动; 每种沉积物类型软泥水的Mn 浓度变动范围亦相当大。依Mn 浓度将沉积物分为内陆盆地、边缘海洋带和大洋深海带3 种类型( 汪蕴璞, 1991) 。

近20 年来, 由于陆地资源储量日益消耗加剧特别是陆地上的Cu、Ni、Co、Mn 4 种多金属资源在50~ 60 a 后即将殆尽; 另一方面世界大洋底部蕴藏着金属结核约有3 @ 108 t , 因此人类转向大洋矿产

资源开发。汪蕴璞等在1986~ 1988 年期间, 在太平洋中部海域开展的多金属结核调查, 以及通过开展室内水-岩作用模拟系列试验和各类样品成分的多项分析测试, 在应用电子计算机技术和数理统计法等取得的极其珍贵的、比较系统的第一手资料的基础上, 经过综合分析研究, 首次披露了洋底界面水的物理化学场的景观, 以及洋底存在金属垒、氧化垒和碱性垒的现代环境。剖析了大洋水物质模型和界面水物理化学场的形成机理及其与多金属结核形成之间的规律性联系。发现多金属结核的成矿溶液是一种稀的金属溶液和参与成矿的金属存在形式。概括了成矿作用反应场中成矿金属的形成和转移模式。

提出了水成多金属结核的成矿阶段、作用和机理。

阎葆瑞等采用新的微生物成矿的理论和观点着重论述了大洋水及沉积物系统的地质、地球化学环境, 洋底水、沉积物、孔隙水及多金属结核等介质中微生物的分布及其地球化学作用对成矿元素富集、沉析的影响, 现代和古代微生物的成矿作用及成矿机制等问题( 阎葆瑞, 1994) 。在微生物成矿机制及古微生物的成矿作用, 以及多金属结核纹层等微构造的微生物成因等方面提出了新的见解与发现。

1. 3 地热水研究

目前对地热水中的地球化学研究, 已有了较全面的了解。其地下热水( 蒸汽) 绝大部分起源于大气( 沈照理, 1985) 。早在1964 年A J Ellis 等在/ 天然水系统与实验室热水-岩反应0一文中提到热水中的大部分溶解组分来自于水与围岩之间的反应。可以概括为: 地热田是一个高温条件下的水文地球化学系统, 构成该系统的基本物质成分是地热流体和固相介质( 围岩) 。1977 年, Ellis 等发表了5地热系统化学6一书。书中就热水的起源、热水的物理化学同位素特征、水热蚀变、热水中矿物沉淀等作了详细的阐述。同时还讨论了新西兰有关野外采样和实验室分析方法。1977~ 1983 年, 美国学者Bow ers T S 经过6 年的实验室工作, 获得第一手有关矿物、气体和溶解态组分在一系列温度、压力下的热力学参数和化学反应方程, 建立了600 多种相图( 包括压力达500 MPa, 温度达600 e ) , 并出版了5矿物-水溶液平衡活度相图6 一书。20 世纪80 年代, R O Fournier等对地热温标作了进一步探讨, 建立了一系列地热温标公式, 被广泛应用于地热开发利用中确定热水系统的热贮层温度。1988 ~ 1992 年, W F Giggenbach创立了一系列三角图作为研究地热流体起源和形成机理的标志

( Geoindicators) 。这些三角图作为一种简明而强有力的技术对热泉及热水井水作出快速的评价( Gig genbach, 1993; Hedenquist , 1990;Reyes A G 等, 1993) 。目前广泛使用的标志有O C-lSO4-HCO3 三角图、C-l L-i B 三角图、Na-K-Mg 三角图和N2-Ar-He 三角图。

1957 年, H Craig 在意大利地热田应用了同位素技术, 随后H P Tay lor 等相继研究了世界上一些大型的地热田水的同位素, 认为在氢氧同位素的组成中地热水18O 的正漂移原因是地热流体在上升过程中沸腾-闪蒸-混合作用、水-岩相互作用及岩浆水的输入P。中国西藏羊八井地热田的热水来源问题就是利用氢-氧同位素组成得以解决的。并认为羊八井热水最轻, 可用西藏的瑞利过程引起的同位素分馏效应来解释。此外同位素作为地热温标得到深入的研究。

水文地球化学的研究在地热开发利用领域中的应用是卓有成效的, 在新西兰、菲律宾、印尼等国家的一些大型地热田中水文地球化学的应用在以下3个方面发挥了重要的作用: 1探查阶段: 利用泉水化学和喷气孔化学并配合地质和地球物理确定热源, 找出流体的垂向上升带和侧向径流带; o发展阶段: 通过比较泉水和井水化学, 利用混合图解估算地热田的潜能、水文情况及评价热贮层化学和基准温度; ? 开发利用阶段: 通过井水常规采样, 对热贮层进行监测, 并分析地热水的腐蚀和结垢状况。

1. 4 环境水文地球化学研究

1. 4. 1 地下水质与地方病

环境因素与人类健康的关系自古就为国内外的学者所重视。1916 年, 布雷克#麦凯首次发现斑釉齿与饮水有关。随后, 天然水的化学成分与人类健康的关系逐渐引起了人们的重视, 各国学者如日本、瑞典、美国、英国、荷兰、芬兰、加拿大相继探索了天然水质与大骨节病、脑溢血、心血管病、胃癌、皮肤癌等的关系。中国幅员辽阔, 自然环境复杂多变, 地方病种类多、分布广、危害大。据粗略统计( 林年丰, 1991) , 在全国2 201 个县中( 1986 年12 月31 行政区划) 约有834 个县不同程度地分布着各种地方病, 占全国总县数的37. 89% 。各类地方病的患病人数不低于0. 6 亿, 受威胁人口达3 亿。在全世界人口中各类地方病患者约3 亿, 受威胁人数达15 亿。可见环境地球化学地方病对人类造成的危害之大。中国自20 世纪70 年代初开始先后对克山病、地氟病等开展了水文地球化学研究工作, 目前水文地球化学在生命科学研究中的意义已在世界范围内引起重视。林年丰领导下的长春地质学院地方病科研组自1968 年以来进行了20 多年的综合考察, 对中国东北、西北、西南、华东、华南等十几个省区进行了克山病、大骨节病、癌症、地方性甲状腺肿、地方性氟中毒、地方性砷中毒、伽师病以及其它的生物地球化学地方病进行了专题研究, 建立起了医学环境地球化学的理论体系。1990 年, 在杨忠耀主编的5环境水文地质学6 一书中论述原生环境水文地质条件与地方病, 详细讨论了各种地方病病区的水文地球化学特征。1989 年, 中共中央地方病防治领导小组办公室与中国科学院环境科学委员会主办出版了5中华人民共和国地方病与环境图集6, 综合、系统地分析了中国已经积累的宝贵资料, 全面展示了中国地方病的地理分布规律、流行特点及其与生态环境, 特别是化学生态环境的关系。最近出版的5中国生态环境地球化学图集6,展示了环境地球化学背景及影响生态地球化学系统的主要因素和相关因素, 揭示了浅层地下水微量元素迁移集散规律及其健康效应。

1. 4. 2 与污染有关的水文地球化学研究

随着环境水文地质学研究的深入, 对地下水污染的结果有了较全面的认识, 即危害人体健康, 影响水资源在工农业生产中的有效利用, 破坏生态平衡, 损害环境优美等各个方面。因此, 对于大型建设项目在施工建设期内可能在地下水的补、径、排关系破坏方面造成较大影响及在随后造成的污染问题时, 应进行环境水文地球化学研究。

1975 年, J J Fried 所著的5地下水污染6专著中探讨了非活性污染物预测。1987 年, 前苏联学者 丘丘诺娃所著5工程技术成因的水文地球化学6论述了大陆水圈技术成因带地球化学输出和物质交换, 以及工农业生产区域地下水由于技术活动引起变质作用的特点等。1990 年, 杨忠耀主编的5环境水文地质学6一书中有相应的章节阐述次生环境水文地质条件与地下水污染。

1. 5 地下水微生态的研究

把地下水视为一个有生命的系统加以研究, 即地下水微生态研究, 是近年来水文地球化学领域兴起的新的生长点, 是当今世界水文地球化学学术上的热门话题, 在水文地球化学研究史上是个新进展。目前主要的议题涉及到地下水微生物总数的研究;微生物作为控制地下水化学反应的角色以及研究地下水微生物的方法( Barbara, 2000) 。

任福弘、孙继朝等在这一领域进行了一些探索。他们为研究氮素的生物化学循环问题, 通过河北正定试验场贯穿包气带的18. 5 m 的钻孔剖面土样的水理性质、地球化学指标、有机质含量的测试和微生

物的培养鉴定, 发现土体的氮素、TDS 、Cl- 含量以及微生物细菌的变化随深度变化不是呈简单的线性分布, 而是在剖面上的丰度波动及其递增或衰减幅度, 受生物地球化学及其组构形式的制约。这一研

究成果, 为氮素污染地下水的阻控以及污染土体的原位生态修复开辟了新的思路.

2.水文地球化学模拟

2.1 水溶液组分平衡的地球化学模型

这类模型是70 年代初在化学热力学基础上发展起来的, 用于模拟天然水溶液体系中的化学平衡。到80 年代, 在Pi tze r 电解质理论的基础上引入地下水化学系统, 是在化学平衡的条件下以质量能量及电荷守恒原理, 根据热力学第二定律而建立的。考虑的化学反应类型有三类: 液相离子络合、固相表面的吸附交换、固相的溶解或沉淀。这三种作用过程以每个元素的质量平衡方程、形成络合物的质量作用方程及平衡常数方程表示, 从而得到一系列非线性方程, 这组方程在一定约束条件下求解构成了地球化学模型。这些模型被用来研究地下水系统中的水一岩相互作用、核废料处理场地附近地下水化学反应及其变化、油田开采过程中储层渗透性变化等等。其中一类是模拟物种形成(s p e c ia ti o n), 另一类是模拟反应路径(re ac tp at h ) 。前者考虑单相或多相组分的平衡问题, 后者考虑反应动力学速率等因素。模型一般采用N e w to n 一R a p hs o n 迭代法求解, 各种模型多在考虑的元素数目、包括多少有机物、气液反应、吸附模型以及如何确定活度系数和温压范围上有区别。这类模型存在下列局限:

(1) 模拟结果仅反映了一种可能的反应趋势。因模型探讨的是时间范围以外的

作用现象, 很少涉及动力学过程。此外, 下列因素常造成模拟结果的不准确: 1)应用的实际系统可能不是化学平衡或近化学平衡。模型几乎不外乎两类化学作用, 一是反应“足够快” , 并且可逆, 局部平衡得以维持; 二是反应“非足够快”或不可逆, 局部平衡不适用, 化学平衡是基本条件, 即使动力学方程也包含在该条件之中, 但许多反应非常缓慢, 平衡模型不十分有效, 因而应用模型应考虑实际系统的平衡状态。此外, 应进行平衡动力学模型的研究, 以更好地模拟实际的水溶液化学系统。

2)改进的D e b ye 一H uo ke l 方程不能准确地描述复杂的地下水系统。最近引入适合于各种高低离子强度溶液的Pi t ze r 方程使模型的应用更切实际, 但受到热力学数据的限制。

3)天然元素化合物和有机物的热力学数据缺少或不可靠, 造成计算水一岩系统相互作用的可靠性明显减小。对化学物种和矿物热力学数据的获取是理论和实验地球化学家着重解决的一项工作。

( 2) 模型对生物和有机物反应过程考虑较少, 特别是人类活动对地下水的影响, 如工业废水和农药、化肥对地下水污染的地球化学作用研究得更少。而生物化学反应对地下水的污染是很重要的, 如在生物作用下大量有机氮化合物形成硝酸盐污染地下水。而工业废水和农药、化肥强烈地改变了地下水的地球化学性质, 如p H 、氧化一还原状态及络合物的浓度, 其实质并非增加了污染物的来源, 而是改变了地下水的地球化学环境, 从而改变了元素的迁移形式和能力.因此, 模型研究应着重考虑如何模拟人为影响下有机物及生物对地下水水质产生的不可逆转的、持续的向污染方向演化的地球化学过程, 开发考虑各类化学反应的非平衡和部分平衡模型.

2.2 地下水溶质运移模型

地下水溶质运移模型与水溶液组分平衡地球化学模型不同, 是以对流一弥散方程和地下水流方程为基础的, 是从流体动力学上来研究化学物质的迁移问题。绝大多数是研究地下·水中示踪物质的运移过程, 模拟和预测污染质在地下水中随时空的变化过程, 解决了大量的点源与非点源地下水污染问题。近二十年来, 模型发展很快, 大量的一维、二维模型开发出来模拟各种条件下地下水的溶质运移过程。有关模型建立的详细过程有许多学者曾专门介绍过.主要是通过达西定律, 利用地下水流速及其与弥散系数的关系将弥散一对流方程和地下水流方程藕合起来, 求解流场和溶质浓度场。目前, 模拟多侧重于饱和的孔隙介质中, 对非饱和介质及裂隙介质的研究还不太完善。模型多在空间维数和求解方法上有差别, 对于以对流传输为主的模型, 如抽注水井联合运营, 一般采用特征值法及质点追踪法求解, 可以避免数值弥散; 对于以弥散传输为主的模型, 如地下水流速缓慢的系统, 一般采用有限差分(F D M )、有限单元(FE M ) 、积分有限差分(IF D M )方法求解, 关于F D M、F E M、IFD M 的优缺点已有讨论〔, 〕。一般来说, 无论那种方法都并非很完美, 因此, 应研究混合型的数值求解方法以吸收各种方法的优点, 克服常规数值方法难以消除的数值弥散和振荡现象, 这方面的研究已有所进展。关于裂隙介质中的溶质运移问题, 开发了流动路径网络模型(fl o w p a thnetw or k m o d e l) , 采用蒙特卡洛、格林函数、高斯函数、随机行走等方法求解, 这种模型表述了含水层介质的空间平均统计特征。溶质运移模型在模拟各向异性介质、非等温和有限的非饱和及裂隙介质中溶质迁移的稳态和瞬态过程上起到了很大作用。目前在研究中应着重解决的一些问题

是:

(1 ) 对流一弥散方程描述地下水中溶质在野外宏观非均质介质中的运移过程不十分完美。在饱和孔隙介质中对流弥散作用控制着溶质运移, 在裂隙介质中对流可能沿裂隙面产生, 在非饱和带中发生各种化学反应及溶质沿宏观大孔隙选择性流动。解决上述问题要求一方面发展不同介质及流动状态理论 , 另一方面研究含水层非均质性的统计特征和开发表征各向异性的随机模型。

(2) 由于不考虑水一岩系统中复杂的化学过程, 溶质运移模型并非完全符合实际的水化学过程, 即使考虑有限的简单吸附、溶解, 也是将其看成是瞬时的、

可逆的和平衡的作用。而柱式水流试验研究表明: 吸附作用实际分为两个阶段, 第一阶段服从亨利等温方程, 但不能给出固体表面的极限吸附容量, 必须用La ng m ui r 方程解决极限吸附容量问题; 第二阶段服从非平衡过程: S (C , F ) = K : (Fm 一F )C 一K Z F , 其中S 为相间的物质迁移速度(m g / e m , ·s ) 、K , (e m , · s / m g ) 、K Z (1 / s ) 是速度常数。

(3)弥散系数空间尺度间题是正在讨论的问题, 野外试验值是实验室从岩心测得值的1 0 0 ~ 10 0 0 倍, 这是由于大规模的非均质及弥散矢量场是时间、流速和距离的函数。实际应用是对比实验室测值与野外试验值。此外, 用参数识别法通过拟合可以确定弥散系数。因此弥散系数的有效性是模型研究中一个亚待解决的问题。

(4) 研究确定非饱和带中吸附、溶解平衡常数及含水度的有效方法, 解决如何从渗透系数K (护和贮水系数C (妇的精确特征曲线关系得到足够的数据以及非线性迟后对计算的影响问题。研究污染质在非饱和带中的迁移和化学反应机理。目前, 只是对病毒和细菌传输〔‘们、有机农药降解及代谢的运移过程有些研究, 而对生物及其它有机物的化学作用及其对地下水污染可能起的加速或缓解作用研究不多。

(5 )加强对地下水溶质运移过程中胶体运移的研究。地下水中胶体含量可能很高, 胶体粒子可以通过地下水运移为污染物的迁移提供一个活动的固体相。

2.3 耦合水化学模型

由于水溶液组分平衡地球化学模型和溶质运移模型各自的优缺点相互弥补, 因此藕合二者开发了反应溶质运移模型。它完美地反映了地下水中溶质运移过程中的物理一化学过程, 具有模拟非均质和随时间变化边界条件的能力, 同时包括大量的化学反应、非平衡反应动力学。模型的祸合关系通常有两种, 一种是藕合化学关系和溶质运移方程, 另一种是藕合化学关系和地下水流方程。模型要求解描述传输过程的偏微分方程、描述反应动力学的常微分方程和描述质量作用过程及质量平衡的代数方程组成的三联立方程组。常用的求解方法有三种（1）微分与代数混合求解( D A E ) , 解完整的三联立方程组; （2）直接代替法( D S A ) ,把化学方程代入传输偏微分方程求解; （3）顺序迭代法( SI A ) , 对传输偏微分方程和地球化学模型中的代数方程组在每一个时段上依次求解; 有关藕合模型求解方法的优缺点仍在讨论中。在藕合模型的研究上, 许多学者做了大量的工作, 但模型多局限于稳态流速的一维、二维流场问题, 仅少数几个模型描述三维问题, 这一方面是由于三维模型建立的复杂性及计算机和数据库的限制, 同时野外工作精度难以满足模型要求; 另一方面, 从反映实际作用的物理化学规律和应用来看, 不应建立过于复杂的数学模型, 而应建立有严格的物理论证和自然论证的模型。藕合模型是最近发展起来的, 许多问题仍在讨论中, 还

很少应用于野外实际问题。目前应寻求有效的藕合方法和求解方法, 并将模型应用于野外实际过程的模拟, 同时提高野外工作精度, 以满足模型的要求, 解决模型开发与野外工作的脱节问题。

( 1) 尽管在人为影响下有机物、生物化学反应类型对水一岩平衡的影响不很清楚, 但地下水系统中的地球化学作用仍服从化学热力学规律, 因此, 水溶液组分平衡的地球化学模型仍是模拟和预测水一岩相互作用的重要方法, 同时应开展非平衡化学动力学模型的研究工作。

( 2) 溶质运移模型在预测地下水的污染中起到了很好的作用, 特别是对于点源污染问题的模拟和预测。尽管存在一些理论和实践问题, 但它是当前定量模拟地下水中污染质运移过程的一个重要手段, 已成为地下水资源管理中不可缺少的一部分。今后的研究是裂隙流和非饱和流中溶质的运移问题, 并向祸合水化学模型发展。

( 3) 藕合水化学模型虽未投入野外实际工作, 但已应用于野外试验和实验室实验, 目前的研究工作是寻求有效的藕合求解方法。毫无疑问, 祸合水化学模型将成为水文地球化学模拟中最有前景的模型。

3 水文地球化学的最新进展

至1985 年水文地球化学的研究方法, 已形成了50 余个地球化学计算的软件, 将地球化学模拟( 化学热力学模拟和化学动力学模拟) 引向深入。近二十年来, 另一个引人注目的动态是地球化学已开始从平衡的静态描述转向重视其作用过程的动力学研究。此外, 核检测技术取得的巨大进步使同位素技术在水文地质学研究中得到日益广泛的应用。

3. 1 化学热力学计算

地球化学模拟是近十几年发展起来的定量研究地下水地球化学演化的重要方法。对反应的识别是研究天然水化学演化的必要因素之一。国外应用地下水地球化学模拟方法定量研究地下水地球化学演化问题。中国自20 世纪90 年代亦开始进行该项研究。地下水地球化学模拟是研究地下水地球化学演化的重要方法。当前亟需更多的热力学数据以及研究元素的化学形态( 包括水溶态) 的实验方法等。

3. 1. 1 种类计算化学分析资料提供的某个元素的含量均是以其溶解态形式

存在的一个总和值, 并未给出该元素在水中存在形式及其在总和值中所占的比例。水溶液中的溶解态组分以单一离子络阴离子以及复杂的无机和有机络合物3 种形式存在。目前要将元素的存在形式全部测定出来是很困难的,但通过模拟水溶液物理化学反应的数值计算可获得求解。

地球化学( 反应) 模拟是在平衡热力学理论基础上于20 世纪60 年代发展起来的一种理论计算方法。之后不断取得了改进和完善, 至1985 年已形成了50 余个地球化学计算的软件, 并可用以研究天然水系统和水岩系统的地球化学作用。地下水地球化学热力学模拟的理论基础是化学理论, 可用物理化学模型和数学模型表述。模型可通过2 种方法求解: 1自由能函数的最小值方法,即最小自由能法; o质量作用定律和质量守衡约束组成的一组多元非线性方程组, 即平衡常数法。这两种方法在热力学上是完全等价的。在种类计算、质量平衡计算和物质迁移计算( 或称反应途径模拟)中, 种类计算是后两者的基础和不可缺少的

组成部分( Plummer L N 等, 1992) 。

该热力学模拟计算在最近的大洋水多金属结核研究中及油田水研究中进行成功的应用, 并取得了一系列重要的结论。

3. 1. 2 质量平衡和反应路径计算质量平衡和反应路径计算是定量研究水

文地球化学演化的重要手段。质量平衡模拟方法是已知起点和终点水化学成分, 确定它们之间所发生的水-岩相互作用和矿物质量转移量, 即所谓模拟的逆问题。由于质量平衡模型为一线性方程组, 建模方法简单, 求解容易, 因此,许多研究者应用该方法研究了碳酸盐( Plummer,1977, 1983; Plummer 等, 1990; John 等, 1991; Back等, 1970; Jones 等, 1993 ) 或铝硅酸盐( James 等,1989) 含水层中的水-岩相互作用。反应路径模拟方法是已知起点水化学成分, 利用质量平衡模型确定水-岩相互作用和矿物质量转移量, 预测终点水化学成分, 是模拟的正问题。

3. 2 动力学研究

化学热力学理论可预测化学变化的方向和可能进行程度。自发化学变化沿着化学位梯度向降低的方向进行, 当自由能随着反应程度的增加而降低时,反应是可能进行的。在平衡状态时, 正反应驱动力等于逆反应的驱动力。并且由平衡常数K 可以求得组成。但是一个自发过程并不一定是一个快速过程。整个化学反应的能量和速度之间并没有简单的关系, 其取决于诸多因素。例如在研究地热流体的管道硅酸盐结垢时, 根据实验室经验和野外观察表明, 大量的因素影响着Si 沉淀的动力学特征, 如饱和度、pH、温度、流量、流体所含气体的多寡以及流体中其它离子的存在O 反应的动力学特性及速度公式是从实验中得到的, 并且是按照由各级单元反应组成的机理来阐述的( Stumm W 等, 1981) 。吴大清等( 2000) 探讨了CaCO3 溶解作用的动力学方程。目前有关矿物-水反应的动力学数据正在积累之中,有关地球化学模拟中的动力学模拟理论还不成熟,比较适用的计算软件尚待建立。

越来越多的野外观察、实验与理论研究表明, 应将化学动力学的研究放在开放的和非平衡的复杂系统加以研究。目前国内外研究者们针对开放体系、非平衡和不可逆性是地球化学反应体系的普遍而重要的特征, 建立了一些地球化学反应动力学的实验方法( 如连续流动搅拌反应器) 与理论模式。特别是近年来通过实验陆续发现了化学振荡、混沌振荡、化学分形等非线性现象。在水文地球化学研究中这一理论的引入, 将推动研究矿物-水反应速度, 研究在开放-流动体系内物质与能量的传递, 进而达到真正把握地球化学过程的本质( 谭凯旋, 1998) 。

3. 3 同位素研究

20 世纪50 年代, 同位素研究和应用在水文地质学研究中得到日益广泛的应用, 该方法不仅可以探讨地下水的起源、形成、埋藏以及质与量的沿时变化等地下水形成理论问题, 而且还可以判定地下水的补给来源、补给强度、各种补给来源的比例、补给区位置高度以及测定地下水年龄、流向和流速等实际应用问题。这种研究方法的进步, 使水文地质工作者能够把大气水-地表水-地下水视为统一的“系统”, 进而定量研究其转化关系。

前苏联对很多盆地的地下水同位素进行了调查以解决区域水文地质问题, 并

对同位素水文学的理论和应用进行了研究。美国的研究者应用环境同位素进行了大量水文地质示踪试验, 评价地下水的补给量, 确定地下水中的溶质运移, 研究裂隙地层的渗透性能, 示踪天然水力梯度等, 并对示踪试验的原理、问题和应用进行了广泛的研讨。加拿大、日本和西德等国在地下水研究中也应用了同位素方法, 如通过测定氚的浓度来验证地下水的流速, 利用环境同位素氚和碳-14 的浓度直接求出地下水的年龄,利用人工放射性同位素示踪, 在单孔中测定地下水流向、流速和渗透系统, 通过多孔测定有效孔隙度、导水系数和弥散系数等。中国同位素研究在地热系统、地下水盐化作用、地下水年龄、区域水文地质学、矿床水文地质学、环境地质学等方面得到广泛应用并产生了相应的研究成果( 王东升等, 1993) 。

3. 3. 1 地下水年代学研究中国的地下水同位素年代学研究始于20 世纪70

年代末80 年代初, 刘存富、张之淦等分别对河北平原第四系地下水采用氚、

碳-14 和氯-36 等方法进行了研究。1993 年以来, 孙继朝等对河北平原第四系地下水进行了系统的研究, 指出由于地下水的年龄不同于岩石或矿物的年龄, 地下水处在不断运动且与流经介质相互作用着。事实上, 没有任何一滴水是由单一年龄的水构成的,所谓地下水年龄是一个平均值, 其精度受测年方法、研究对象和取样过程的制约。认为提高测年质量的关键是加强水岩作用和水动力混合影响研究, 并建议将测年纳入研究工作全过程。

3. 3. 2 同位素分馏理论从20 世纪70 年代中期开始, 美、法、日等国除

不断推进氢氧同位素的研究外, 相继探索氮同位素方法确定地下水中硝酸盐起源, 作为传统方法的重要补充, 已显示出良好前景。针对水圈被氮化合物污染已成为一个严重的环境问题, 人们越来越关注氮同位素的研究。邵益生等对水土环境中的氮同位素分馏机理作了深入的研究。并认为影响氮同位素分馏的7 个因素为: 固氮、同化、矿化、硝化、反硝化、离子交换及氨的挥发。而硝化、反硝化和氨的挥发是影响地下水中硝酸盐的同位素组成变化最直接和最主要的过程。

2. 3. 3 硼、氯同位素应用进入20 世纪80 年代中期以来, P、Cl 同位素

测定技术的提高, 自然界中P、Cl 同位素的分馏被证实并引起重视。该项研究已在海洋、盐湖、地下水、蒸发岩、热液矿床、环境等方面开展, 并显示出良好前景。

3. 3. 4 地下水同位素年代学剖面的建立和环境演变信息的提取地

下水作为古气候变化信息的档案库进行研究始于1993 年, 各国学者的研究有一个共同的特点, 就是不再将地下水仅仅视为流体, 而是作为信息储存库进行研究。孙继朝等通过对河北平原第四系地下水的研究, 建立了地下水同位素年代学剖面, 并与各种古气候研究剖面进行对比, 研究表明地下水的形成过程并不是一个简单的连续过程, 其过程受控于区域排泄基准面的变化; 地下水确实记录了古气候变化信息, 水中主要离子的分布支持这种认识。国外地下水中惰性气体的研究亦证实了这一点, 此方面研究将是未来一个重要方向。

参考文献

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东华理工大学水文地球化学试卷

2006-2007第一学期《水文地球化学》期末试卷(B)－参考答案班级（）学号（）姓名（） 一、名词解释（每题3分，共21分） 1、盐效应：矿物在纯水中的溶解度低于矿物在高含盐量水中的溶解度，这种含盐量升高而使矿物溶解度增大的现象。 2、阳离子交替吸附作用：在一定条件下，岩石颗粒吸附地下水中的某些阳离子，而将其原来吸附的某些阳离子转入水中，从而改变了地下水的化学成分，这一作用即为阳离子交替吸附作用。 3、氧化垒：在还原条件被氧化条件激烈交替的地段上所形成的地球化学垒。 4、侵蚀性CO2：当水中游离CO2大于平衡CO2时，水中剩余部分的CO2对碳酸盐和金属构件等具有侵蚀性，这部分即为侵蚀性CO2。 5、TDS：指水中溶解组分的总量，它包括溶于水中的离子、分子及络合物，但不包括悬浮物和溶解的气体。 6、硅质水与硅酸水：SiO2含量大于50mg/L的水称为硅质水（1.5分）；在阴离子中，HSiO3-占阴离子首位（按mol%计算）的水称为硅酸水（1.5分）。 7、硬度：是以水中Ca2+和Mg2+来量度，其计算方法是以Ca2+和Mg2+的毫克当量总数乘以50，以CaCO3表示，其单位为mg/L。 二、填空（每题1分，共14分） 1、Fe2+在（酸）性中迁移强，而在（碱）性中迁移弱。 2、地球化学垒按成因可分为（机械）垒、（物理化学）垒、（生物）垒和（复合）垒。 3、碱度主要决定于水中的（HCO-3，CO2-3）的含量。硬度是以（Ca2+，Mg2+）的毫克当量总数乘以50，而暂时硬度是以（HCO-3，CO2-3）的毫克当量总数乘以 50。 4．大气CO2的δ13C平均值是（-7‰），而土壤CO2的δ13C平均值是（ -25‰）。5．标型元素的标型程度取决于（元素的克拉克值）和（它的迁移能力）。 6．弥散作用包括（分子扩散），（对流扩散迁移）和（渗透分散）。 7、SiO2和Na/K地热温度计适用的温度范围分别为（0~250℃）和（150~350℃）。8．近代火山型浅部地下热水的水化学类型为（SO2-4SO2-4 -Cl），而深部地下热水的水化学类型为（Cl-HCO-3）。 9．海水的水化学类型为（Cl-Na），而海成存封水的水化学类型为（Cl-Na -Ca）。 10、水对离子化合物具有较强的溶解作用，是由于水分子具有较强的（介电）效应所致，水的沸点较高，是由于水分子间（氢键）的破坏需要较大的能量。 11、在35℃下，pH=7的地下水是（碱）性。在天然水化学成分的综合指标中，体现水的质量指标的有（TDS，硬度，含盐量或含盐度,电导率），而表征水体系氧化还原环境状态的指标有（COD，BOD，TOC，Eh）。 12、迪拜—休克尔公式的使用条件是离子强度小于（0.1mol/L），而戴维斯方程的使用条件是离子强度小于（0.5mol/L）。 13、空气迁移的标型元素主要决定环境的（氧化还原）条件，而水迁移的标型元素主要决定环境的（酸碱）条件 14、在氮的化合物中，（NO-2，NH4+）可作为地下水近期受到污染的标志，而（NO-3）可作为地下水很早以前受到污染的标志。

水文地球化学

水文地球化学研究现状、基本模型与进展 摘要：1938 年, “水文地球化学”术语提出, 至今水文地球化学作为一门 独立的学科得到长足的发展, 其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究, 以及人类开发资源和保护生态的需要, 水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域, 并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开, 在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果( 沈照理, 1985) 。水文地球化学在利用地下水化学成分资料, 特别是在查明地下水 的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20 世纪60 年代后, 水文地球化学向更深更广的领域延伸, 更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用( 任福弘, 1993) 。 1981 年, Stumm W 等出版了5水化学) ) ) 天然水化学平衡导论6 专著, 较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992 年, C P 克拉依诺夫等著5水文地球化学6分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分, 全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题, 以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等, 概括了20 世纪80 年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解答( 谭凯旋, 1998) , 逐渐构架起更为严密的科学体系。 1 应用水文地球化学学科的研究现状 1. 1 油田水研究 水文地球化学的研究在对油气资源的勘查和预测以及提高勘探成效和采收率等方面作出了重要的贡献。早期油田水地球化学的研究只是对单个盆地或单个坳陷, 甚至单个凹陷进行研究, 并且对于找油标志存在不同见解。此时油田水化学成分分类主要沿用B A 苏林于1946 年形成的分类。1965 年, E C加费里连科在其所著5根据地下水化学组分和同位素成分确定含油气性的水文地球化学指标6中系统论述了油气田水文地球化学特征及寻找油气田的水文地球化学方法。1975 年, A G Collins 在其5油田水地球化学6中论述了油田水中有机及无机组分形成的地球化学作用( 汪蕴璞, 1987) 。1994 年, 汪蕴璞等对中国典型盆地油田水进行了系统和完整的研究, 总结了中国油田水化学成分的形成分布和成藏规律性, 特别是总结了陆相油田水地球化学理论, 对油田水中宏量组分、微量组分、同位素等开展了研究, 并对油田水成分进行种类计算, 从水化学的整体上研究其聚散、共生规律和综合评价找油标志和形成机理。同时还开展了模拟实验、化学动力学和热力学计算, 从定量上探索油田水化学组分的地球化学行为和形成机理。 1. 2 洋底矿藏研究

水文地球化学试卷

09031123 一、名词解释（每题3 分，共21 分） 1、BOD： 指用微生物降解水中有机物过程中所消耗的氧量，以mg/L 为单位。 2、脱硫酸作用： 在缺氧和有脱硫酸菌存在的情况下，SO4 2- 被还原成H2S 或S2-的过 程。 3、同离子效应： 一种矿物溶解于水溶液，如若水溶液中有与矿物溶解相同的离子，则这种矿物的溶解度就会降低，这种现象在化学上称为同离子效应 4、降水氢氧稳定同位素的高程效应： 大气降水中的18O 和D 含量随着海拔高程的增加而不断下降的现象。 5、酸性垒： 当中性或碱性条件转变为弱酸性和酸性条件或在pH 值急剧降低的地段所形成的地球化学垒。 6、水分子的缔合作用： 由单分子水结合成比较复杂的多分子水而不引起水的物理化学性质改变的现象。7、硅质水与硅酸水： SiO2 含量大于50mg/L 的水称为硅质水（1.5 分）；在阴离子中，HSiO3 -占阴离子首位（按mol%计算）的水称为硅酸水（1.5 分）。 二、填空（每题1 分，共14 分） 1、水对离子化合物具有较强的溶解作用，是由于水分子具有较强的（介电）效应所致，水的沸点较高，是由于水分子间（氢键）的破坏需 要较大的能量。 2、在35℃下，pH=7 的地下水是（碱）性。在天然水化学成分的综 合指标中，体现水的质量指标的有（TDS，硬度，含盐量或含盐度, 电导率），而表征水体系氧化还原环境状态的指标有（COD，BOD，TOC，Eh ）。 3、迪拜—休克尔公式的使用条件是离子强度小于（0.1 mol/L ），而 戴维斯方程的使用条件是离子强度小于（0.5 mol/L ）。

4、空气迁移的标型元素主要决定环境的（氧化还原）条件，而水迁移的标型元素主要决定环境的（酸碱）条件 5、在氮的化合物中，（NO- 2，NH4 + ）可作为地下水近期受到污染的 标志，而（NO- 3 ）可作为地下水很早以前受到污染的标志。 6、Fe2+在（酸）性中迁移强，而在（碱）性中迁移弱。 7、地球化学垒按成因可分为（机械）垒、（物理化学）垒、（生 物）垒和（复合）垒。 8、碱度主要决定于水中的（HCO- 3，CO2- 3 ）的含量。硬度是以 （Ca2+，Mg2+）的毫克当量总数乘以50，而暂时硬度是以（HCO- 3，CO2- 3 ）的毫克当量总数乘以50。 9．大气CO2 的δ13C 平均值是（-7 ‰），而土壤CO2 的δ13C 平均值是（-25‰）。 10．标型元素的标型程度取决于（元素的克拉克值）和（它的迁移能力）。 11．弥散作用包括（分子扩散），（对流扩散迁移）和（渗透分 散）。 12、SiO2 和Na/K 地热温度计适用的温度范围分别为（0~250 ℃）和（150~350 ℃）。 13．近代火山型浅部地下热水的水化学类型为（SO2- 4 SO2- 4 Cl- ）， 而深部地下热水的水化学类型为（Cl-HCO- 3 ）。 14．海水的水化学类型为（Cl-Na ），而海成存封水的水化学类型为（Cl-Na -Ca）。 三.简答题（每题5 分，共30 分） 1、氧漂移及其影响因素?

水文地球化学教学大纲

《水文地球化学》教学大纲 一、课程名称：水文地球化学 Hydrogeochemistry 二、课程编号： 三、学分学时：2学分/32学时 四、使用教材：沈照理等编，《水文地球化学基础》，地质出版社，1993年5月第一版，1999年第二次印刷 五、课程属性：专业内选修课 选修 六、教学对象：地质工程专业本科生 七、开课单位：地球科学与工程学院地质科学与工程系 八、先修课程：普通化学、普通地质学、岩石矿物学、构造地质学、水文地质学基础等。 九、教学目标： 通过比较系统地介绍有关水文地球化学的基础理论，掌握水-岩相互作用在天然和人类活动条件下导致的地下水各溶解组分的迁移转化规律，熟悉应用水化学的分析理论与方法解决各种环境和工程问题。 十、课程要求： 通过本课程的学习，使学生掌握水文地球化学的平衡理论，学会水文地球化学的分析方法，基本要求是： 1．掌握水化学平衡原理； 2．掌握地下水溶解组分的迁移和转化规律； 3．学会应用水文地球化学的基本原理和分析方法解决自然和人类活动条件下的各种地下水环境问题； 十一、教学内容： 本课程主要由以下内容组成： 第一章水化学基础（12学时） ?知识要点：溶解平衡、碳酸平衡、洛河计算、氧化还原作用、吸附平衡 ?重点难点：各种平衡的计算方法 ?教学方法：课堂教学 第二章地下水化学成分的组成（4学时）

?知识要点：天然水的化学特性、元素的水文地球化学特性、天然水化学成分的综合指标、 地下水化学成分的数据处理 ?重点难点：各天然水体的常量和微量及痕量化学成分特性 ?教学方法：课堂教学 第三章地下水化学成分的形成与特征（4学时） ?知识要点：渗入成因地下水、沉积成因地下水和火山成因地下水的化学成分的形成与特征 ?重点难点：各种成因水的化学成分的形成机理与演化 ?教学方法：课堂教学 第四章水的地球化学循环（4学时） ?知识要点：地下水圈、地壳中水的地球化学循环、成矿过程中的地球化学循环 ?重点难点：地下水循环过程中元素的迁移转化 ?教学方法：课堂教学 第五章水文地球化学的应用（8学时） ?知识要点：地下水污染、地球化学环境与人体健康、矿泉水 ?重点难点：如何应用水文地球化学的基本原理分析和评价各种水环境问题 ?教学方法：课堂教学 十二、实践环节： 主要是习题： ?络合计算 ?饱和指数计算 ?Eh-pH计算 ?吸附平衡计算 ?水化学成分的图示 ?应用分析 十三、教学参考： 1．参考教材 ?沈照理等编，《水文地球化学基础》，地质出版社，1993年5月第一版，1999年第二次印刷 2．参考文献 ?杨忠耀，环境水文地质，原子能出版社，1990年 十四、考核方式：

第4章 水文地球化学参数

第四章水文地球化学参数 水文地球化学参数有三类：物性水文地球化学参数，条件水文地球化学参数，综合性水文地球化学参数。 第一节物性和条件水文地球化学参数 一、物性水文地球化学参数 物性水文地球化学参数是反映事物的性质（物质的性质和物质间相互作用时的质量和能量关系）的参数。如平衡常数，反应速度常数，分配系数，吸附容量，自由能，焓，熵，标准电子活度或标准电极电位，离子电位，离子半径和价态，以及原子结构和其外层的价电子层结构都是反映事和物内在本性的参数。这些参数反映的是事物的本性，或反映的仅仅是事物在理想状态时的特征。事物在理想条件下的状态与实际条件下是有一定的差距的。在研究客观具体事物时还需根据具体条件作具体分析。但尽管如此，收集和掌握这些参数对水文地球化学研究无疑是非常必要和有益的，因为这些参数是对事物进行分析判断的基础，是对事物进行理论计算和实践设计必不可少的参数。 二、条件水文地球化学参数 条件水文地球化学参数是反应体系及其环境所处的条件的参数，是用来描述事物或体系与环境的外观状态的参数，当然也是进行水文地球化学计算时所需要的基本数据。它们主要有水化学组分，含量，pH，pE或Eh，温度，压力等。无疑这些参数是水文地球化学研究和计算中必不可少的重要参数，因而也是我们野外和实验室工作中必须取得的主要资料。 第二节参比和综合性水文地球化学参数 上面已提及，仅有物性水文地球化学参数是不能对水岩体系的客观状态和变化作出确定性的定量回答，也是无法对水岩体系进行具体的水文地球化学计算。但是仅仅依靠条件水文地球化学参数也是不够的，因为同一个客观具体条件对不同的事物的影响显然是不尽相同的。对一个事物要作出既科学又符合客观实际的回答，必须将理论与实践相结合，也就是说，将事物的条件状态与该条件下事物发生变化的边界状态相比较，才能对事物的状态、发展结果和将可能发生的事件作出正确的论断。反映实际条件与该具体条件下的边界条件相比较的结果的参数

徐默淞水文地球化学期末复习

水文地球化学复习 静下心，一切都会过去----------徐默淞 1、理想溶液：任一组分在全部浓度范围内都符合拉乌尔定律的溶液。（各组分分子的大小 及作用力彼此相似，当一种组分的分子被另一种组分的分子取代时，没有能量的变化或空间结构的变化。即：当各组分混合成溶液时，没有热效应和体积的变化。） **溶液中离子之间或分子之间没有相互作用。 2、活度※（考）定义：指实际参加化学反应的物质浓度，或指所研究的溶液体系中化学组分的有效浓度（校正后的浓度）。 ※离子的活度a与浓度c 通过活度系数r联系起来：a=r·m r—活度系数 m—实测浓度，物质的量浓度（mol/L） a—活度，物质在化学反应中表现出的有效浓度，单位（mol/L） 3、※活度系数r（了解）：衡量实际溶液对理想溶液的偏离程度。 ※活度系数随水中溶解固体（TDS）增加而减小，一般都小于1。当水中TDS很低时，r趋近于1，活度趋近于实测浓度。 ※强电解质溶液，当溶液的浓度极稀时，离子之间的距离是如此之大，以致离子之间的相互作用力可忽略不计，活度系数r≈1 ，所以a= c。 ※在化学平衡计算中，固体、纯液体和中性分子的活度系数：r＝1;离子强度与活度系数之间存在一定的关系，如已知某些离子强度，可查表或计算得活度系数。 ※分子（包括水分子）和不带电的离子对的活度系数为1 4、离子强度I 定义：溶液中某种离子i 的物质的量浓度乘以该离子的价数（Zi）的平方所得诸项之和的一半。用公式表示为: （必背此公式） 式中：Zi为i离子的电荷数；mi为i离子的浓度（mol/L）。 5、迪拜-休克尔方程（考）：对于离子半径较大，不能作为点电荷处理的体系，Debye-Hückel 极限定律公式修正为：当I<0.1mol/L时，该方程精确性很高 （必背此公式） 式中：r为活度系数；Z为离子的电荷数；I为离子强度（mol/L）；A和B为取决于水的介电常数、密度和温度的常数；a是与离子水化半径有关的常数。 ※（仅了解）对于高矿化度的地下水，即0.5mol/L＞I＞0.1mol/L，迪拜－休克尔公式就不适用了，为此应用戴维斯方程： 式中：A，B参数同上式；a与b参数，对于主要离子查表1.3，对于次要离子查表1.4，b

环境水文地球化学 第一篇 第一次作业

1.地下水的主要组成成分是什么？ 答：地下水是组成成分复杂的溶液，近八十种天然元素以离子、原子、分子、络合物和化合物等形式存在于地下水中，有些已溶解和活动于地下水中的有机质、气体、微生物和元素同位素的形式存在。这些可溶物质主要是岩石风化过程中，经过水文地球化学和生物地球化学的迁移、搬运到水中的地壳矿物质。 地下水中溶解的无机物主要组分（即浓度>5mg/L）为：HCO3-、Cl-、SO42-、Na+、K+、Ca+、Mg2+、SiO2。占地下水中无机物成分含量的90-95%，决定着地下水的化学类型。 地下水中有机组分种类繁多，主要有：氨基酸、蛋白质、糖（碳水化合物）、葡萄糖、有机酸、烃类、醇类、醚类、羧酸、苯酚衍生物、胺等。各种不同形式的有机物主要由C、H、O组成，这三种元素占全部有机物的98.5%，另外还存在有少量的N、P、K、Ca等元素。 地下水中常见溶解气体有：O2、CO2、CH4、N2、H2以及惰性气体Ar、Kr、He、Ne、Xe等。 微生物成分主要有三种类型：细菌、真菌和藻类。微生物在地下水化学成分的形成和演变过程中起着重要的作用。地下水中存在各种不同的细菌。有在氧化环境中的硝化菌、硫细菌、铁细菌等喜氧细菌;有在还原环境的脱氮菌、脱硫菌、甲烷生成菌、氨生成菌等。这些微生物活动可以发生脱硝酸作用、脱硫酸作用、甲烷生成作用和氨生成作用等还原作用，也可以发生硫酸根生成、硝酸根生成和铁的氧化等作用等，从而导致地下水化学成分的相应变化。 2.举例论述络合作用有何环境意义？ 答：地下水中大多数金属能与配体形成各种各样的络合物，这些络合物可能是电中性的，也可能是带正电或者带负电。金属络合作用对环境的意义在于：络合物的溶解度是影响金属形态迁移的重要因素；重金属离子与不同配体的配位作用，改变其化学形态和生化毒性，如铝离子(毒性很强)、有机铝络合物(毒性很弱)的生物毒性相差很大;络合作用影响络合剂的性质，如配位体的氧化还原性、脱羧及水解等;有些络合物可以通过化学絮凝、活性炭吸附或离子交换等方法容易地从水中去除。但有些重金属形成螯合物后很难用常规办法去除，影响水处理中对重金属的排除效率;络合作用会加速金属的腐蚀，比如氯离子和氨的作用。 3.胶体的稳定性和ζ电位有什么关系？研究胶体的ζ电位有何环境意义？ 答：ζ电位是胶体稳定性的一个重要指标，因为胶体稳定是与离子键的经典排斥力密切相关的。ζ电势的降低会使静电排斥力减小，致使粒子之间范德华力占优势，从而引起胶体的聚沉难和破坏。故研究ζ电势的变化规律是十分重要的。 4.地球化学垒和水文地球化学分带形成的原因是什么？ 答：地球化学垒是正在表生带内,因为短间隔内化学元素迁徙环境显然变迁,迁徙强度突然削弱而招致某些化学元素浓集的地段；水文地球化学分带是地下水化学成分和水中总溶解固体沿着水平或者垂直方向呈现有规律的带状分布和变化的现象。故它们共同形成成因都是地下

《水文地球化学》教学大纲

《水文地球化学》教学大纲 Hydrogeochemistry－Course Outline 第一部分大纲说明 一、课程的性质、目的与任务 《水文地球化学》是水文与水资源工程专业本科生必修的一门主要专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握水文地球化学的基本原理和学会初步运用化学原理解决天然水的地球化学问题和人类对天然水的影响问题的方法与手段，为学习后续课程和专业技术工作打下基础。 二、与其它课程的联系 学习本课程应具备普通地质学、综合地质学、工程化学和水文地质学的基础。后续课程为水质分析实验、铀水文地球化学、环境水文地质学和水文地质勘察。 三、课程的特点 1．对基本概念、基本规律与常见的应用方法的理解并重。 2．对基本理论与常见水文地球化学问题的定量计算方法的掌握并重。 3. 采用英文教材，中、英语混合授课。 四、教学总体要求 1．掌握水文地球化学的基本概念、基本规律与研究方法。 2．掌握控制地下水与地表水化学成分的主要作用：酸碱反应与碳酸盐系统；矿物风化与矿物表面过程；氧化－还原反应；有机水文地球化学作用等。 3．通过理论讲述、研究实例分析与习题课，使学生理解天然水中常见的化学组份与同位素组成，掌握最基本的地球化学模拟方法与整理水化学数据的能力。 五、本课程的学时分配表 编 号教学内容课堂讲 课学时 习题课 学时 实验课 学时 自学 学时 1 引言及化学背景 （Introduction and Chemical Background） 6 2 酸碱反应与碳酸盐系统 (Acid-Base Reactions and the Carbonate System) 4 2 3 矿物风化与矿物表面过程 Mineral weathering and mineral surface processes 6

水文地球化学习题讲解学习

水文地球化学习题 第一章 第二章水溶液的物理化学基础 1．常规水质分析给出的某个水样的分析结果如下（浓度单位：mg/L）： Ca2+=93.9；Mg2+=22.9；Na+=19.1；HCO3-=334；SO42-=85.0；Cl-=9.0；pH=7.2。求： （1）各离子的体积摩尔浓度（M）、质量摩尔浓度（m）和毫克当量浓度（meq/L）。 （2）该水样的离子强度是多少？ （3）利用扩展的Debye-Huckel方程计算Ca2+和HCO3-的活度系数。 2．假定CO32-的活度为a CO32- =0.34?10-5，碳酸钙离解的平衡常数为4.27?10-9，第1题中的水样25℃时CaCO3饱和指数是多少？CaCO3在该水样中的饱和状态如何？ 3．假定某个水样的离子活度等于浓度，其NO3-，HS-，SO42-和NH4＋都等于10-4M。反应式如下： H+ + NO3- + HS- = SO42- + NH4＋ 问：25℃和pH为8时，该水样中硝酸盐能否氧化硫化物？ 4．A、B两个水样实测值如下（mg/L）： 组分Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-NO3- A水样706 51 881 310 204 4 5．请判断下列分析结果（mg/L）的可靠性，并说明原因。 组分Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-CO32-pH A水样50 6 60 18 71 96 183 6 6.5 B水样10 20 70 13 36 48 214 4 8.8 6．某水样分析结果如下： 离子Na+Ca2+Mg2+SO42-Cl-CO32-HCO3-含量(mg/l) 8748 156 228 928 6720 336 1.320 试计算Ca2+的活度(25℃)。 4344 含量（mg/l）117 7 109 24 171 238 183 48 试问： （1）离子强度是多少？ （2）根据扩展的Debye-Huckel方程计算，Ca2+和SO42－的活度系数？ （3）石膏的饱和指数与饱和率是多少？ （4）使该水样淡化或浓集多少倍才能使之与石膏处于平衡状态？ 8．已知温度为298.15K（25℃），压力为105Pa（1atm）时，∑S=10-1mol/l。试作硫体系的Eh-pH图（或pE-pH图）。 9．简述水分子的结构。 10．试用水分子结构理论解释水的物理化学性质。 11．温、压条件对水的物理、化学性质的影响及其地球化学意义。 12．分别简述气、固、液体的溶解特点。

水文地球化学试卷B卷

一、名词解释（每题3分，共21分） 1、盐效应：矿物在纯水中的溶解度低于矿物在高含盐量水中的溶解度，这种含盐量升高而使矿物溶解度增大的现象。 2、阳离子交替吸附作用：在一定条件下，岩石颗粒吸附地下水中的某些阳离子，而将其原来吸附的某些阳离子转入水中，从而改变了地下水的化学成分，这一作用即为阳离子交替吸附作用。 3、氧化垒：在还原条件被氧化条件激烈交替的地段上所形成的地球化学垒。 4、侵蚀性CO2：当水中游离CO2大于平衡CO2时，水中剩余部分的CO2对碳酸盐和金属构件等具有侵蚀性，这部分即为侵蚀性CO2。 5、TDS：指水中溶解组分的总量，它包括溶于水中的离子、分子及络合物，但不包括悬浮物和溶解的气体。 6、硅质水与硅酸水： SiO2含量大于50mg/L的水称为硅质水（1.5分）；在阴离子中，HSiO3-占阴离子首位（按mol%计算）的水称为硅酸水（1.5分）。 7、硬度：是以水中Ca2+和Mg2+来量度，其计算方法是以 Ca2+和Mg2+的毫克当量总数乘以50，以CaCO3表示，其单位为mg/L。二、填空（每题1分，共14分）1、Fe2+在（酸）性中迁移强，而在（碱）性中迁移弱。 2、地球化学垒按成因可分为（机械）垒、（物理化学）垒、（生物）垒和（复合）垒。 3、碱度主要决定于水中的（HCO-3，CO2-3 ）的含量。硬度是以（ Ca2+，Mg2+）的毫克当量总数乘以50，而暂时硬度是以（ HCO-3，CO2-3 ）的毫克当量总数乘以 50。 4．大气CO2的δ13C平均值是（-7 ‰），而土壤CO2的δ13C平均值是（ -25‰）。 5．标型元素的标型程度取决于（元素的克拉克值）和（它的迁移能力）。 6．弥散作用包括（分子扩散），（对流扩散迁移）和（渗透分散）。7、SiO2 和Na/K地热温度计适用的温度范围分别为（ 0~250 ℃）和（ 150~350 ℃）。 8．近代火山型浅部地下热水的水化学类型为（SO2-4 SO2-4 -Cl ），而深部地下热水的水化学类型为（Cl-HCO-3 ）。 9．海水的水化学类型为（ Cl-Na ），而海成存封水的水化学类型为（Cl-Na -Ca ）。 10、水对离子化合物具有较强的溶解作用，是由于水分子具有较强的（介电）效应所致，水的沸点较高，是由于水分子间（氢键）的破坏需要较大的能量。11、在35℃下，pH=7的地下水是（碱）性。在天然水化学成分的综合指标中，体现水的质量指标的有（ TDS，硬度，含盐量或含盐度 , 电导率），而表征水体系氧化还原环境状态的指标有（ COD，BOD，TOC，Eh ）。 12、迪拜—休克尔公式的使用条件是离子强度小于（ 0.1 mol/L ），而戴维斯方程的使用条件是离子强度小于（ 0.5 mol/L ）。 13、空气迁移的标型元素主要决定环境的（氧化还原）条件，而水迁移的标型元素主要决定环境的（酸碱）条件14、在氮的化合物中，（ NO-2，NH4+ ）可作为地下水近期受到污染的标志，而（ NO-3 ）可作为地下水很早以前受到污染的标志。 三.简答（每题5分，共30分） 1、水的酸度与pH值的区别？ 答：酸度是表征水中和强碱能力的指标（1分）。它与水中的氢离子浓度并不是一回事，pH值仅表示呈离子状态的H+数量（1分），而酸度则表示中和过程中可以与强碱进行反应的全部H+数量，其中包括原已电离的和将会电离的部分（2分），已电离的H+数量称为离子酸度，它与pH值是一致的（1分）。 2、水分析结果是简分析，请问从那几方面检查分析数据可靠性。？答：（1）阴阳离子平衡的检查（1.5分）（2）碳酸平衡关系的检查（1.5分）（3）分析结果中一些计

水文地球化学课程面临的问题与挑战

55 2019年4月总第311期 ISSN1672-1438 CN11-4994/T 水文地球化学课程面临的问题与挑战 孙红福 颜瑞雯 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院 北京 100083 摘 要：水文地球化学是在水文地质学、地球化学及水化学基础上发展起来的一门学科，主要研究地下水化学组分的形成及演化规律，是水文地质和工程地质本科生的必修专业课。随着时代的发展和我国高等教育改革的深入，水文地球化学课程也面临诸多问题和挑战，主要从教材缺失、学时压缩下的教学内容调整、教师能力要求的提升、课程特色、课程衔接、学生思维和能力的培养以及实践教学环节几个方面进行探讨。希望通过对课程教学问题的探讨，引起同行的关注，促进水文地球化学的课程教学和学科的发展。 关键词：水文地球化学；教材；课程特色；实践教学 作者简介：孙红福，理学博士，副教授；颜瑞雯，理学博士，讲师。 基金项目：中国矿业大学(北京)《水文地球化学》课程建设项目(编号：k140206)。 1938年初由苏联著名水文地质学家奥弗琴尼科夫首次提出了“水文地球化学”这一术语，到20世纪50年代成为一门独立的学科。20世纪80年代，我国的水文地球化学研究也蓬勃发展，出版了一系列专著。目前我国许多高校开设了水文地球化学课程，这门课程主要研究地下水水质随时间和空间的演变规律，对于地下水的研究是其他课程不能替代的。该课程相关的教研文章和教学研讨非常少。随着水文地球化学学科的不断发展以及我国高等教育改革的深化，水文地球化学课程也面临一系列的问题和挑战，只有面对和解决这些问题才能更好地促进水文地球化学的发展。 1 教材问题 水文地球化学课程教学面临严峻的教材问题。水文地球化学这门科学是从原苏联引入并发展壮大的，20世纪70年代以来，热力学被引入到水文地球化学的研究中，并对水文地球化学的发展起巨大的推动作用；但欧美国家并没有对应的英文专著和教材，只有水化学相关的著作。目前我国已经出版的相关著作包括沈照理等编著的《水文地球化学基础》[1]、李学礼等编著的《水文地球化学》(第三版)[2]、钱会和马致远编著的《水文地球化学》[3]、周福俊等编著的《水文地球化学》[4]等；这些教材的内容各有侧重，并且均已不再出版印刷，因此高校无法通过出版社购买这些教材。《水化学》和《水环境化学》均有合适的教材，但它们与《水文地球化学》的教学内容存在较大差异，无法取代《水文地球化学》。因此，为了促进水文地球化学的发展，亟须编写和出版适合本科教学的高质量的教材。 2 教学内容和学时 我国高等教育改革要求适当减少课堂讲授学时，加大实践教学环节比例。然而水文地球化学课程涵盖的内容很多，包括水化学基础、地下水的无机化学成分、地下水中有机物质及其地球化学意义、同位素水文地球化学、地下水化学成分的形成及其影响因素、元素在地下水中的迁移和沉淀、地下水的水文地球化学分带、地下热水的水化学特征、水的地球化学循环、水文地球化学的研究方法、水文地球化学模拟、地下水污染防治、水文地球化学应用等内容。每个章节都可以自成一门独立的课程，如何在有限的学时内完成水文地球化学的核心重点内容的讲授是该课程面临的第二个挑战。因此，需要任课教师根据教学目标认真筛选教学内容，合理分配学时，精心设计每堂课的教学过程，改革教学方法，才能达到我国高等教育改革的目的。 3 教师能力 由于水文地球化学课程涉及内容广泛，授课教师不仅需要具备水文地质学、地球化学、无机化学、有机化学、同位素化学、分析化学、软件模拟等相关专业知识，而且需要从事过相关的工程实践，才能更好地提升学生解决工程问题的能力。所以这门课程对授课教师的要求非常高。如果一个教师独立讲授比较吃力，也可以让不同知识专长的教师共同讲授这门课程。 水文地球化学课程中涉及大量水化学的基础原理，对于公式推导等理论部分很容易使学生感觉索然无趣。如何才能提升学生的学习兴趣也是面临的挑战之一。为了提高学生的专注力和学习兴趣，可以在基

水文地球化学基础知识

《水文地球化学基础知识》 ——（绝对一个字一个字打出来的，正版资料！） 名 词 解 释

目录 第一章水化学基础 第一节溶解平衡 (3) 第二节碳酸平衡 (4) 第三节地下水中络合物的计算 (4) 第四节氧化还原反应 (5) 第二章地下水的化学成分的组成 第一节天然水的组成 (6) 第二节天然水的化学特性 (6) 第三节元素的水文地球化学特性 (7) 第四节天然化学成分的综合指标（三种） (7) 第五节地下水化学成分的数据处理 (7) 第三章地下水化学成分的形成与特征 第一节地下水基本成因类型的概念 (7) 第二节渗入成因地下水化学成分的形成与特征 (8) 第三节沉积成因地下水化学成分的形成与特征 (8) 第四章水的地球化学循环 第一节地下水圈的概念 (8) 第二节地壳中水的地球化学循环 (9) 第三节成矿过程中水的地球化学循环 (9) 第五章水文地球化学的应用 第六章补充部分 (10)

第一章<水化学基础> 第一节溶解平衡 质量作用定律： 一个化学反应的驱动力与反应物及生成物的浓度有关 化学平衡与自由能 体系：把所研究对象一个物体或一组相互作用的物体称为体系或系统，而体系（或系统）周围的其他物质称为环境。 状态及状态参数：热力学状态分为平衡状态和非平衡状态。热力学平衡体系特性是由系列参数来表示当体系没有外界影响时，各状态参数若能保持长久不变，此体系称为热力学平衡状态。 焓：它是一种化学反应向环境提供的热量总值。以符号“H”表示。在标准状态下，最稳定的单质生成1摩尔纯物质时的焓变化，称为“标准生成焓”。 △H r=△H(生成物)-△H（反应物）△H r为正值，属吸热反应，△H r为负值，属放热反应 自由能：在热力学中，自由能的含义是指一个反应在恒温恒压下所能做的最大有用功，以符号“G”表示。在标准状态下，最稳定的单质生成1摩尔纯物质时的自由能变化，称为“标准生成自由能”，以“△Gf”表示 △Gr=△G(生成物)- △G（反应物）△Gr为正值，反应在恒温恒压条件下不能自发进行，△Gr 为负值，反应在恒温恒压条件下可以自发反应；△G=0，反应处于平衡状态。 活度及活度系数 为了保证计算的精确程度，就必须对水中组分的实测浓度加以校正，校正后的浓度为校正浓度，也就是活度。质量作用定律中，浓度是以活度表示的。活度是真实浓度（实测浓度）的函数，一般情况下，活度小于实测浓度。活度与实测浓度的函数表示式为:a=rm m为实测浓度（mol/L）,r为活度系数。活度系数随水中溶解固体（矿化度）增加而减小，但一般都小于1 理想溶液：从理论上讲，溶液中离子之间或分子之间没有相互作用，这种溶液称为理想溶液。 地下水中的溶解-沉淀 全等溶解：矿物与水接触产生溶解反应时，其反应产物都是溶解组分，这种溶解反应称为全等反应； 非全等溶解：矿物与水接触产生溶解反应时，其反应产物除溶解组分外，还有新生成的组分，这种反应称为非全等溶解 溶度积：当难溶电解质溶于水而成饱和溶液时，溶液中同时存在的溶解离子和未溶解的固体。按质量作用定律，在给定的温压下，溶液中相应方次的离子的活度乘积是一个常数，称为平衡常数K，对于难溶盐来说，这个常数称为“容积度”，或者“溶度积常数”常用KSP表示。 溶解度：在给定温压下，达到溶解平衡时，溶液中溶解物质的总量。在水文地球化学研究中，溶解度常用mg/L表示。 同离子效应：一种矿物溶解于水溶液中，若水溶液中有与矿物溶解相同的离子，则这种矿物的溶解度就会降低，这种现象在化学上称为同离子效应。 盐效应：矿物在纯水中的溶解度低于矿物在高含量水中的溶解度，这种含盐量升高使矿物溶解度增大的现象，在化学上称为盐效应。其主要原因是，水中含盐量升高，离子强度I也升高，而活度系数则降低。注：就对溶解度的影响而言，同离子效应大于盐效应。所以，在盐效应和同离子效应同时存在时，盐效应往往可忽略；如无同离子效应时，盐效应是应考虑的。 饱和指数 饱和指数是确定水与矿物出于何种状态的参数，以符号“SI”表示。一般来说，根据饱和指数值判断水

水文地球化学研究现状与进展

本文由国土资源部地质调查项目“全国水资源评价”和“鄂尔多斯自留盆地地下水赋存运移规律的研究”项目资助。改回日期:2001212217;责任编辑:宫月萱。 第一作者:叶思源,女,1963年生,在读博士生,副研究员,从事矿水、地热水及水文地球化学研究。 水文地球化学研究现状与进展 叶思源1)　孙继朝2)　姜春永3) (1)中国矿业大学,北京,100083;2)中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北正定,050803; 3)山东地质工程勘查院,山东济南,250014) 摘　要　1938年,“水文地球化学”术语提出,至今水文地球化学作为一门独立的学科得到长足的发展,其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究,以及人类开发资源和保护生态的需要,水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域,并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。关键词　水文地球化学　研究现状　进展 Current Situ ation and Advances in H ydrogeochemical R esearches YE Siyuan 1) 　SUN Jichao 2) 　J IAN G Chunyong 3 ) (1)Chi na U niversity of Mi ni ng and Technology ,Beiji ng ,100083;2)Instit ute of Hydrogeology and Envi ronmental Geology ,CA GS , Zhengdi ng ,Hebei ,050803;3)S handong Instit ute of Geological Engi neeri ng S urvey ,Ji nan ,S handong ,240014) Abstract Hydrogeochemistry ,as an independent discipline ,has made substantial development since the term “hydrogeochemistry ”was created in 1938.At present hydrogeochemical theories have been applied to various fields such as oil field water ,ocean water ,geothermal water ,groundwater quality ,endemic diseases and groundwater microorganism ,and related research methods have also become mature.With the further development of chemical thermodynamics ,kinetics method and isotope method ,hydrogeochemistry will surely extend its research fields in the course of multi 2discipline interaction and make new progress in basic theory and quantifica 2tion research ,so as to meet the demand of human exploration and exploitation as well as ecological protection.K ey w ords hydrogeochemistry current state of research advance 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开,在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果(沈照理,1985)。水文地球化学在利用地下水化学成分资料,特别是在查明地下水的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20世纪60年代后,水文地球化学向更深更广的领域延伸,更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用(任福弘,1993)。1981年,Stumm W 等出版了《水化学———天然水化 学平衡导论》专著,较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992年,C P 克拉 依诺夫等著《水文地球化学》分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分,全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题,以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等,概括了20世纪80年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解 答(谭凯旋,1998),逐渐构架起更为严密的科学体系。 第23卷　第5期2002210/4772482 地　球　学　报ACTA GEOSCIEN TIA SIN ICA Vol.23 No.5 Oct.2002/4772482

水文地球化学分析

地下水受到污染后的修复技术研究 概况 我国的环境污染问题比较突出，生态环境脆弱，经济的发展使废物的排放量不断增大，使土壤和地下水的污染日益加重。如废水的排放、工业废渣和城市垃圾填埋场的泄漏、石油和化工原料的传输管线、储存罐的破损、农业灌溉等都有可能造成土壤和地下水的污染，使本来就紧张的水资源短缺问题更加严重。特别是北方城市，地下水在供水中占有很重要的地位，地下水的污染加剧了水资源的短缺，所以地下水污染的研究工作迫在眉睫。随着经济的快速发展，经济实力的不断提升，对地下水污染开展调查、进行污染控制甚至治理已经逐渐成为可能。地下水污染的控制与修复是我们面临的新的、极具挑战性的重要课题，需要进行多学科交叉和联合攻关。水的污染问题已经引起了人们的普遍关注，长期以来，我国把主要的注意力和研究、治理工作集中在地表水的污染，国家投入了大量的人力和物力进行地表水污染的防治，取得了一定的成效。而地下水污染由于其隐蔽性、复杂性、难以控制和治理的特性，以及治理、修复费用巨大，地下水污染的修复在我国尚未展开。近年来，随着一些突发地下水污染事件的发生，地下水污染问题也越来越引起人们的关注，国家有关部门也开始把地下水污染研究列为工作内容。如国土资源部已开始进行全国地下水污染的大调查；国家环保总局和国土资源部联合开展了“全国地下水污染防治规划”；在不同层次的科研项目中也出现了地下水污染控制和治理方面的课题。含水层的污染是一个缓慢的过程，污染具有累积和滞后效应，有

时在泄漏发生数年、甚至数十年后才会发现，如大多数的垃圾填埋场渗滤液泄漏导致的地下水污染等。所以，首先需要进行污染源的辨析、污染途径的分析、污染物在地下的迁移转化机理研究。在此基础上，开展地下水污染的控制、污染的修复工作。 地下水污染源成因分析 按照污染物产生的类型，可以将地下水污染源分为：工业污染源、农业污染源、生活污染源和自然污染源。 工业污染源 工业污染源主要指未经处理的工业“三废”，即废气、废水和废渣。工业废气如二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物等物质会对大气产生严重的一次污染，而这些污染物又会随降雨落到地面，随地表径流下渗对地下水造成二次污染，未经处理的工业废水如电镀工业废水、工业酸洗污水、冶炼工业废水、石油化工有机废水等有毒有害废水直接流入或渗入地下水中，造成地下水污染；工业废渣如高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、硫铁渣、电石渣、赤泥、洗煤泥、硅铁渣、矿场尾矿及污水处理厂的淤泥等，由于露天堆放或地下填埋隔水处理不合格，经风吹、雨水淋滤，其中的有毒有害物质随降水直接渗入地下水，或随地表径流往下游迁移过程下渗至地下水中，形成地下水污染。 农业污染源 农业用水占全部用水量的70％以上，污染的影响面广泛。一是过量

水文地球化学习题

第一章 第二章水溶液的物理化学基础 1．常规水质分析给出的某个水样的分析结果如下（浓度单位：mg/L）： Ca2+=； Mg2+=； Na+=； HCO3-=334； SO42-=； Cl-=；pH=。 求： （1）各离子的体积摩尔浓度（M）、质量摩尔浓度（m）和毫克当量浓度（meq/L）。 （2）该水样的离子强度是多少？ （3）利用扩展的Debye-Huckel方程计算Ca2+和HCO3-的活度系数。 2．假定CO32-的活度为a CO32- =10-5，碳酸钙离解的平衡常数为10-9，第1题中的水样25℃时CaCO3饱和指数是多少？CaCO3在该水样中的饱和状态如何？ 3．假定某个水样的离子活度等于浓度，其NO3-，HS-，SO42-和NH4＋都等于10-4M。反应式如下： H+ + NO3- + HS- = SO42- + NH4＋ 问：25℃和pH为8时，该水样中硝酸盐能否氧化硫化物？ 4．A、B两个水样实测值如下（mg/L）： 组分Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-NO3- A水样706518813102044 B水样51098372120 求：Na+ + K+、TDS、盐度、总硬度、暂时硬度、负硬度。 5．请判断下列分析结果（mg/L）的可靠性，并说明原因。 组分Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-CO32-pH A水样506601871961836 B水样1020701336482144 6．某水样分析结果如下： 离子Na+Ca2+Mg2+SO42-Cl-CO32-HCO3-含量(mg/l)87481562289286720336 试计算Ca2+的活度(25℃)。 7．已知一水样（水温25℃）化学成分如下： 组分Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-H4SiO4含量（mg/l）11771092417123818348 试问： （1）离子强度是多少？ （2）根据扩展的Debye-Huckel方程计算，Ca2+和SO42－的活度系数？ （3）石膏的饱和指数与饱和率是多少？ （4）使该水样淡化或浓集多少倍才能使之与石膏处于平衡状态？ 8．已知温度为（25℃），压力为105Pa（1atm）时，∑S=10-1mol/l。试作硫体系的Eh-pH 图（或pE-pH图）。 9．简述水分子的结构。 10．试用水分子结构理论解释水的物理化学性质。 11．温、压条件对水的物理、化学性质的影响及其地球化学意义。 12．分别简述气、固、液体的溶解特点。 第三章地下水的无机化学成分