第四章 水环境地球化学
04第四章(氢氧同位素)
1.氢氧同位素概述 2.天然水的氢氧同位素组成及分布特征 3.氢氧稳定同位素的应用
1概 述
1.1 氢、氧同位素的主要地球化学性质
氢和氧是自然界中的两种主要元素，它们 以单质和化合物的形式遍布全球。
冰雪的堆积与融化对海水同位素组成的影响
北极冰的δD值为-160 ‰，δ18O值为-22 ‰ ； 南极雪的δD 值为-440 ‰ ，δ18O为-55 ‰。
当极地有大量冰雪堆积时， 海洋水的同位素组成变重； 若全球冰雪融化，海洋水 的同位素组成变贫。 据计算海水的δ18O将降到 -1‰，δD降到-10‰。
降水线的斜率也是反映分馏程度的一个参数
1965年Craig和Gordon指出，云团的冷凝过程基本上属于平衡过程，没 有明显的动力分馏，分馏系数介于封闭的平衡蒸发和瑞利蒸发之间，因 此，全球降水线的斜率S＝8。
大量的研究证明，海水蒸发形成云团蒸气的过程实际上是一个动力过程， 蒸发速度受水－空气界面的扩散速度控制，而大气中的湿度、风速等因 素都会影响扩散速度。由于氢氧同位素分子有不同的扩散速度，所以得 到的斜率不等于8，而往往在5-6之间。由于受蒸发作用的影响而斜率小 于8。
2.4 地下水
1) 渗入水
不论古代还是现代，由大气降水补给的渗入水的同位素组成与其补给 源的大气降水的同位素组成相近，这是一种普遍的现象。在δD－ δ18O关系图上，数据点都落在世界降水线或地方降水线附近。
利用大气降水的高度效应，可以推测计算地下水补给区的高度和 位置。
穿过起伏较大的大陆边缘加拿大西部山脉降水的δ18O变化
-7.0
-8.0
水资源与水环境,第四章(天然水化学)
☆大气降水中所含溶解气体十分稳定，浓度几乎不变，但CO2成分不稳定。
☆大气降水中二氧化硅含量很小，一般不超过0.5mg/L。
大气降水的pH值一般为5.5－7.0左右。
☆目前，酸雨已成为全球性的重大环境问题之一。
海水占地球总水量的97.2%，世界各地海洋水质基本相似和稳定。
各种天然存在的元素，在海水中几乎都能发现，它们以单离子、络合离子、分子等各种形式存在。
海水占地球总水量的97.2%，世界各地海洋水质基本相似和稳定。
各种天然存在的元素，在海水中几乎都能发现，它们以单离子、络合离子、分子等各种形式存在。
34g 3☆宏量组分海水中宏量组分的含量按其顺序为Cl、Na、SO4、Mg、Ca、K、HCO3、Br，它们的总量占海水溶解物质的绝大部分，即99.94%。
☆中量组分它们是指含量为0.1-10mg/L的组分，这些组分是：Sr、SiO2、B、F、NO3、Li、Rb、C（有机）。
☆微量组分它们是指其含量小于0.1mg/L的组分。
它们包括P、I、Ba、Zn、Ni、As等30多种。
☆海水的含盐度大到在34‰－36‰范围内，只有含量范围变化很大，Na和Cl比也有些变化。
☆海水中含有溶解的和悬浮的有机物，一般有机碳含量在0.1-2.7mg/L范围。
2、海水的成分特征2、海、海水的成分特征3、河水的成分特征☆不同地区的岩石、土壤组成决定着该地区河水的基本化学成分。
在结晶岩地区，河流水中溶解离子含量较少；在石灰岩地区，河水中富含Ca2+及HCO3；若河流流经白云岩及燧石层时，水中Mg、Si含量增高；河流流经石膏层时，使水中富含SO4，且总含盐量有所增加；富含吸附阳离子的页岩及泥岩地区则向河水提供大量溶解物质，如Na、K、Ca、Mg。
☆河水中总含盐量在100-200mg/L间，一般不超过500mg/L，有些内陆河流可以有较高的含盐量。
河水中主要离子关系与海水相反，即其次序为Ca>Na，HCO3> SO4>Cl。
环境地球化学中科院水体地球化学幻灯片
3．重金属
这里的重金属主要是指汞、镉、铅、铬，以及 类金属砷及其化合物，也包括具有毒性的锌、 铜、钴、镍、锡等。重金属以汞毒性最大，镉 次之，铅、铬、砷也有相当的毒性，被人们称 为“五毒〞。
溶解氧
耗氧量 解氧
有机废物含量 体)
污水排放口
下
游
耗氧量
溶解氧
有机废物含量 体)
剩余溶 ( 低污染水
溶解氧 不足
(高污染水
污水排放口 下
游
水体中有机废物与溶解氧含量的关系
2．植物营养物
植物营养物主要是指氮、磷、钾以及硫及其化合 物，它们是植物生长发育所需要的养料，但过多 的营养物质进入水体，将恶化水体质量，影响鱼 类的生长和危害人体安康。
等大大增加，造成了对水体的污染，
从而影响，甚至危及人类的生存与开
展。
第一节 水体污染物与水体污ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ源
水体是指河流、湖泊、池塘、水库、 沼泽、海洋以及地下水等水的聚集体。 在环境学中，水体不仅包括水本身，还 包括了水中的悬浮物、溶解物质、胶体 物质、底质(泥)和水生生物等。
1984年公布的中华人民共和国水污染防治法 中为“水污染〞下了明确的定义，即水体因某 种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或 者放射性等方面特征的改变，从而影响水的有 效利用，危害人体安康或者破坏生态环境，造 成水质恶化的现象称为水污染。
呼吸作用(全日进行、使DO减少)
水文地球化学电子教案
水文地球化学电子教案第一章：水文地球化学概述1.1 水文地球化学的定义1.2 水文地球化学的研究对象和内容1.3 水文地球化学的发展简史1.4 水文地球化学的重要性第二章：水文地球化学基本概念2.1 地球化学的基本概念2.2 水的性质和分类2.3 地下水的形成和运动2.4 水文地球化学循环第三章：水文地球化学元素与同位素3.1 元素的性质和分布3.2 常见元素的水文地球化学行为3.3 同位素的水文地球化学应用3.4 元素和同位素在水文地球化学研究中的应用第四章：水文地球化学分析方法4.1 水文地球化学样品的采集与处理4.2 水文地球化学分析技术4.3 数据处理与质量控制4.4 水文地球化学分析方法的进展与挑战第五章：水文地球化学应用实例5.1 地下水污染的水文地球化学研究5.2 地下水资源评价与管理5.3 环境水文地球化学问题5.4 水文地球化学在工程中的应用第六章：水文地球化学循环与地球化学过程6.1 水文地球化学循环的基本原理6.2 岩石圈-大气圈-水圈-生物圈之间的水文地球化学循环6.3 地球化学过程在水文地球化学研究中的应用6.4 典型水文地球化学循环案例分析第七章：水文地球化学野外调查与采样技术7.1 野外调查的基本方法7.2 地下水采样技术7.3 岩石和土壤样品的采集7.4 数据处理与质量保证第八章：水文地球化学实验室分析技术8.1 常用实验室分析方法概述8.2 岩石和矿物分析8.3 水质分析8.4 同位素分析技术第九章：水文地球化学模型与应用9.1 水文地球化学模型的类型与构建9.2 地下水流动模型9.3 污染物迁移与转化模型9.4 水文地球化学模型在环境管理中的应用第十章：水文地球化学在我国的应用案例研究10.1 我国水文地球化学研究概况10.2 典型地区水文地球化学特征分析10.3 地下水资源评价与保护案例10.4 环境水文地球化学问题研究与治理案例第十一章：水文地球化学与环境健康11.1 水文地球化学与水质关系11.2 地下水中有害元素的来源与迁移规律11.3 水文地球化学指标在环境健康评估中的应用11.4 环境健康案例分析第十二章：水文地球化学在农业领域的应用12.1 农业水文地球化学背景12.2 土壤-植物系统中元素迁移与富集12.3 农业水文地球化学调查与评价方法12.4 农业水文地球化学应用案例第十三章：水文地球化学在能源领域的应用13.1 能源水文地球化学概述13.2 地下水资源在能源开发中的作用13.3 能源开发活动对水文地球化学的影响13.4 能源水文地球化学案例分析第十四章：水文地球化学在灾害防治中的应用14.1 地质灾害的水文地球化学因素14.2 水质预测与灾害预警14.3 水文地球化学在地质灾害防治中的应用14.4 灾害防治案例分析第十五章：水文地球化学研究的前沿与挑战15.1 水文地球化学研究的新技术与发展趋势15.2 跨学科研究在水文地球化学中的应用15.3 水文地球化学在全球变化研究中的作用15.4 未来水文地球化学研究的挑战与机遇重点和难点解析本教案全面覆盖了水文地球化学的基本概念、研究方法、应用领域及前沿挑战。
理学环境地球化学简介
Pb
设得兰群岛 <0.07 <0.8
<0.04
21
挪威北
0.01
加拿大西北
0.06
9-14
南极
<0.0004 <0.015
0.63
欧洲
0.2-7 0.5-620 <0.009-2.8 55-340
北美
0.04-2.4 <1-41 0.07-38 45-13000
日本
25
1.6
200
夏威夷或艾 20
8-92
-
0.02-0.55 -
加拿大 6.3
0.09-0.56 0.01-0.16 5.2-14.1
芬兰 0.47-10.8 0.01-0.7 0.03-0.86 2.5-8.9
瑞典 -
0.22
0.004-0.99 -
ห้องสมุดไป่ตู้
苏联 0.085
2.5
-
6.3-21
日本 3.5-52 0.4
0.04-0.33 3.4
环境地球化学简介
一、元素的环境地球化学分类 （一）元素的环境地球化学分类及存在形
态 1.元素的环境地球化学分类
环境地球化学简介
（1）生命元素 • 生命组成元素：H、C、N、O、Ca、P、
K、S • 生命必需元素：Fe、Cu、Zn、Mn、Co、
I、Mo、Se、F、Cr、V、Ni、Br
环境地球化学简介
化物等，如CaSO4•2H2O（石膏）, PbCO3 （白铅矿）, Pb(OH)2, CaF2
环境地球化学简介
(4)物理化学吸附作用 • 粘土对Cr、Cd、As、Cu、Pb、Zn、Hg
的去除深度为15cm, 净化率达89.3-100%。 • 粘土对酚，氰的去除深度小于20cm, 净化
第四章 水的地球化学循环及水文地球化学分带
1 地壳中水的地球化学循环 地壳中水的地球化学循环 1.1 水在地球中的全循环 地壳中水的全循环包括水文循环及地质循环。 地壳中水的全循环包括水文循环及地质循环。 我们已经比较熟悉水文循环。 我们已经比较熟悉水文循环。
1.2 地壳中水的地球化学循环 地壳中水的地球化学循环 水的地球化学循环总是和水循环紧密相联的。 水的地球化学循环总是和水循环紧密相联的。 水的地球化学循环：在沉积 变质作用有次序有 水的地球化学循环：在沉积-变质作用有次序有 方向性的发展过程中，水直接参与岩石、 方向性的发展过程中，水直接参与岩石、有机物 质及气体经历的地球化学作用，并被分解、 质及气体经历的地球化学作用，并被分解、合成 等作用与现象的总和。 等作用与现象的总和。 水是通过分解和合成实现其在地壳中的地球化 学循环的。 学循环的。
Hale Waihona Puke CaCa沉积盆地承压含水层地下水化学成分正垂直分带
沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（ ） 沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（1） 两个承压含水层地下水补给条件不同） （两个承压含水层地下水补给条件不同）
灰岩
粉砂岩
沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（ ） 沉积盆地承压含水层地下水化学成分反垂直分带（2） 两个承压含水层由渗透性不同的岩石组成，下部大于上部） （两个承压含水层由渗透性不同的岩石组成，下部大于上部）
正垂直分带：矿化度随深度增加而增加， 正垂直分带：矿化度随深度增加而增加，水化学成分也按着水 平分带中的更替次序而变化； 平分带中的更替次序而变化； 反垂直分带：上部高矿化度水下面埋藏着低矿化度水， 反垂直分带：上部高矿化度水下面埋藏着低矿化度水，在它们 下面，水的矿化度随深度重新增加； 下面，水的矿化度随深度重新增加； 复杂垂直分带： 复杂垂直分带：水的矿化度随深度增加不只一次的增加或减少
水环境化学讲义精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版水环境化学讲义水圈包括海洋水、大气水、陆地水。
陆地水包括：地下水：潜水，承压水，冻土水，岩石、土壤分子水。
地表水：冰帽水、径流水、湖泊水、沼泽水。
生物水。
从分子与溶液的角度看水与天然水作为分子的水的组成、结构、特性：易作溶剂：氢键、异性相吸、六边形、较大分子间隙。
作为溶液的天然水的物理化学性质粘度：流体运动过程中，分子之间形成的剪切应力的物理量，水的粘度相对较大且随温度升高而急剧减少。
离子活度（ɑ）及离子强度（L）离子活度系数：反映溶液体系中某离子表现活性的物理量。
当量数：相当于1摩尔氢离子所含电子量的物理化学量。
当量浓度：1L溶液中所有某种物质的当量数的量。
当量＝【M Zi】/|Zi| ，摩尔浓度【M Zi】＝|Zi|*当量。
一切化学反应都是当量平衡。
离子缔合体。
范德华力包括静电力、诱导力、色散力。
溶液体系中因分子与分子间碰撞作用形成的离子束称为离子缔合体。
第二章天然水化学成分最早形成于大气层（凝结核），成分的直接影响因素包括生物、土壤、岩石。
生物是最大来源；成分的间接影响因素包括气候、地貌（接触时间）、水文要素（容量、流速等）天然水主要离子化学水化学反应回顾：（1）中和反应（2）沉淀－溶解反应：CaCO3<==>Ca2++CO32-（3）氧化还原反应（4）水解反应Fe3++3OH－<==>Fe(OH)3↓Fe(OH)3+3OH－<==>Fe(OH)63－未脱水而先形成配位体（配位反应特例）（5）配位反应Fe3++CN－<==>Fe(CN)63－氰化物处理（6）置换反应（7）吸附－解吸反应：2Na++Mg(胶体)2+<==>(Na胶体Na)2++Mg2+ 2Na++Cd(胶体)2+<==>(Na胶体Na)2++Cd2+骨痛病（8）缔和反应：在离子强度很高的条件下发生。
AgCl+Cl －<==>AgCl2－标准海水矿化度35.5g/L ，碱金属一般不发生配位反应。
第四章 第二节 水体污染
汞在无脊椎动物体中的富集可达10万倍，
日本的水俣病就是人长期吃富集甲基汞 的鱼而造成的。
2、镉[Cd（Ⅱ ）]
镉的化合物毒性很大，蓄积性也很强，
动物吸收的镉很少能排出体外。
受镉污染的河水用作灌溉农田，可引起
的重要来源。
目前造成湖泊等水体的富营养化，主要是由面源
带来的大量氮、磷等所造成。
2、几种水体污染源的特点
（1）生活污染源
由人类消费活动产生的污水。 城市和人口密集的居住区是主要的生活污染源。
生活中产生的污水，包括由厨房、浴室、厕所等
场所排出的污水和污物。
过量使 用洗涤 剂
过量使用 洗衣粉
把剩饭倒入 下水道
是环境保护研究和水污染防治的主要对象。
人为污染源体系很复杂：
按人类活动方式分为工业、农业、交通、生活等污
染源；
按排放污染物种类不同，可分为有机、无机、热、
放射性、重金属、病源体等污染源，以及同时排放
多种污染物的混合污染源；
按排放污染物空间分布方式，可以分为点源和非点
源。
水污染点源：
指以点状形式排放而使水体造成污染的发生源。 一般工业污染源和生活污染源产生的工业废水和
造成河流、水库、湖泊等水体污染甚至富营养化。
主要特点：
①污水面广、分散、难收集、难治理。 ②含有机质，植物营养素及病原微生物高， 悬浮物及杂质含量高 ③含较高的化肥、农药
过量施用农 药污染水体
过量施用化 肥污染水体
三、水体污染物
造成水体的水质、底质、生物质等的质量恶化或形
成水体污染的各种物质或能量均可成为水体污染物。
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3.1.2水体的自净
水体：指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋, 它包括水 中的悬浮物、溶解物质、水生生物和底泥等完整的生态统。
水体污染(Water Pollution)：排入水体的污染物在水体中的含 量超过了水体的本底含量和水体的自净能力，使水和底泥的物 理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而破坏了水体原有 的用途。
体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体、电导率 • 2. 化学性水质指标 • 有毒化学性水质指标 • 氧平衡指标：DO、COD、BOD、TOD • 3. 生物学水质指标 • 细菌总数、总大肠菌群数、病原细菌、病毒
1、悬浮物SS
• 固体含量分为总固体c悬浮性固体（SS）和溶解性 固体三种。总固体是指在一定温度下蒸发干燥后 所残余的固体物质总量；悬浮性固体（SS）是指 水样过滤后，截留物蒸干后的残余固体量，即悬 浮物含量；溶解性固体是指水样过滤后，滤出液 蒸干的残余固体量。溶解性固体若除去有机物部 分可称为含盐量和矿化度。
• SS是水体污染的基本指标之一。
• 固体物会淤塞排水道，窒息水底栖生物，破坏鱼类 的产卵地。
• 悬浮小颗粒物会堵塞鱼类的腮，使之呼吸困难，导 致死亡。
第四章 水环境地球化学
4.1 水体污染及其控制 4.2 污水的水质污染指标 4.3 水体的污染源 4.4 水质监测 4.5 天然水的化学平衡
我国水污染的特征
（一）污染不断加剧，水质恶化日趋严重
据2000年水质监测资料，对全国河流、湖 泊、水库的水质状况进行了评价，主要结果如 下：在11.4万公里评价河流中，水质为Ⅰ类水 河长占4.9％，Ⅱ类水河长占24.0％，Ⅲ类水河 长占29.8％，Ⅳ类水河长占16.1％，Ⅴ类水河 长占8.1％，劣Ⅴ类水河长占17.1％。全国符合 和优于Ⅲ类水的河长占评价河长的58.7％，比 上年减少了3.7个百分点。
（3）胶体物质 溶质粒径为10-9m～10-7m时， 属于胶体溶液，根据胶体的性质又分为无机胶 体和有机胶体。
（4）悬浮物质 溶质粒径＞10-7m，为悬浊 液或悬浮液，根据物质性质分为细菌、藻类及 原生动物、泥沙、粘土和其他不溶物质。
天然水中溶解的化学物质可分为可溶性气体、主 要离子、生物成因物质、微量成分、有机质五大类。 (1) 可溶性气体 (2) 主要离子: • 氯离子; 硫酸根离子; 碳酸根离子；碳酸氢钙根离子 •钙、镁离子; 钾、钠离子 (3) 生物成因物质 (4) 微量成分 (5) 有机物
3.1水体污染其控制 3.1.1天然水的组成
天然水中所含的各种物质，根据溶质 粒径的大小和形态分为四大类：
（1）溶解气体 溶质粒径小于10-9m，以分子状 态存在于水中。根据气体在水中含量的多少，进 一步划分为主要气体和微量气体。 （2）溶解性物质 溶质粒径小于10-9m，主要以 离子形态存在于水中，根据含量和生成原因，又 再细分为主体离子、生物生成物、微量元素。
我国水污染的特征
（三）湖泊水库水体富营养化不容轻视
湖泊水质在评价的24个湖泊中，9个湖泊 水质符合或优于Ⅲ类水，4个湖泊部分水体受到 污染，11个湖泊水污染严重。国家重点治理的 “三湖”情况为：太湖Ⅱ、Ⅲ类水质断面占12 ％，Ⅳ类水质断面占64％，Ⅴ类水质断面占12 ％，劣于Ⅴ类水质断面占12％；中营养水平的 水域占太湖总面积的16.5％，富营养水平的占 83.5％，富营养程度比上年略有加重。
3.1.3水体污染物与来源
水体污染分类
化学性污染 物理性污染
无机物质污染
无机有毒物质污染
有机有毒物质污染
需氧物质污染
植物营养 物质污染
油类污染
悬浮物质污染 热污染 放射性污染
生物性污染
3.2 污水的水质污染指标与水质标准
3.2.1 污水的水质污染指标
• 1. 物理性水质指标 • 温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度、总固
我国水污染的特征
（二）各流域水体自南向北水质逐渐变差
各流域片的水质状况是：内陆河片、西南诸 河片、东南诸河片、长江片和珠江片水质良好 或尚可，符合和优于Ⅲ类的河长分别占90.7％、 83.2％、74.1％、74.0％、63.1％；黄河片、 海河片、松辽河片、淮河片水质较差，符合和 优于Ⅲ类的河长分别占46.7％、34.9％、33.7 ％、26.2％。与上年相比，符合和优于Ⅲ类水 河长占评价河长百分数上升5个百分点以上的 是淮河片，下降明显的是珠江片。
水体自净和水体环境容量
自净能力决定着水体的环境容量（洁净水体所能
承载的最大污染物量）。
水解酶 生活污水（淀粉、蛋白质、脂肪等）
氨基酸、脂肪酸、甘油、低分子糖
好氧菌
CO2、H2O、无机盐
水体的自净作用分为三类：
（根据净化机制）
(1)物理净化：天然水体的稀释、扩散、沉淀和 挥发等作用，使污染物质的浓度降低。 (2)化学净化：天然水体的氧化还原、酸碱反应、 分解、凝聚等作用，使污染物质的存在形态发 生变化和浓度降低。 (3)生物净化：天然水体中的生物活动过程，使 污染物质的浓度降低。特别重要的是水中微生 物对有机物的氧化分解作用。
在环境污染的研究中，区分“水”和“水体”两个概念十分重 要。例如，重金属污染物易于从水中转移到底泥里，水中的重 金属含量一般都不高，若着眼于水，似乎水污染并不严重，但 是从整个水体看，污染就可能很严重。可见，水体污染不仅仅 是水污染，还包括底泥污染和水生生物污染。
水体自净
正常情况下，当水体接纳了一定量的有机污 染物后，在无人干预条件下，借助于水体自身的 调节能力使污染物浓度不断降低，最后水质恢复 到污染前的水平和状态，我们把水体的这种自我 净化作用叫作水体自净。
我国水污染的特征
（三）湖泊水库水体富营养化不容轻视
水库水质在评价的139座主要水库中，有 118座水库水质良好，达到Ⅱ、Ⅲ类水质标准。 在未达到地面水Ⅲ类的水库中，水污染极为严 重的劣于Ⅴ类水质水库有8座，分别是山西册田 和关河水库，山东墙夼、雪野、黄前、尼山和 田庄水库以及新疆柳沟水库。对93座水库进行 了营养化程度评价，处于贫营养状态的水库14 座，处于中营养状态的水库65座，处于富营养 状态的水库14座。