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岩石土壤中元素溶解、溶滤到地下水中的离子溶解度在不同地带也不同，造成其迁移转化的差异，产生了分带的效果。

5.水分析结果如下，Na+含量为120mg/L，K+含量为21mg/L，Ca2+含量为15mg/L，Mg2+含量为22mg/L，Sr2+含量为0.8mg/L，SO42-含量为300mg/L，Cl-含量为15mg/L，HCO3-含量为150mg/L，SiO2含量为21mg/L，pH值为7.4，温度为15℃。

求：SrSO4的SI值，并判断它与水处于过饱和还是非饱和状态。

【△H fΘ（SO42-）=-909.2kJ/mol，△H fΘ（Sr2+）=-545.8kJ/mol，△H fΘ（SrSO4）=-1453.2kJ/mol】
答：利用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行如下模拟：
得到结果：
从上述数据可知SrSO4的饱和指数SI=-1.44，SI＜0，故处于非饱和状态。

6.假定含有Na-和Cl-浓度分别为10μmol/L的地下水，流经方解石含水层，试计算所得地下水的化学成分。

答：利用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行如下模拟：
得到地下水的化学成分：
7.含Cd地下水化学组成特点如下：温度22.3℃，pH值6.7，pe值6.9，Ca2+30.07mg/L，Mg2+10.01mg/L，K+3.9mol/L，Na+33.2mg/L，Cd2+0.2mg/L，Cl-136.2mg/L，十分稀有度元素Cd在地下水中存在的形态以及所占比例。

答：利用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行如下模拟：
得到稀有元素Cd在地下水中存在形态以及所占比例如下：
8.假定有pH为7，pe为4的纯水溶液，当气流经由方解石和白云石共同构成的含水层介质时可达到溶解平衡。

试绘制不同温度下（5-35℃）含水层介质中方解石和白云石的溶解度曲线，分析化学组成的变化规律。

答：利用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行如下模拟：
得到不同温度下（5-35℃）方解石和白云石lgK数据以及图线如下：
对于方解石（CaCO3）有：溶解平衡式
对于白云石（CaMg(CO3)2）有：溶解平衡式
由数据和图线可知：方解石和白云石在温度为5-35℃之间的溶解度逐渐降低；根据方解石和白云石的组成成分可推测地下水中钙镁离子和碳酸根离子的浓度随温度的升高而降低；地下水中碳酸根离子减少，pH值增大，金属离子的溶解度减小，在地下水中的含量会减少。

9.某地地下水等水位线以及五口取样井的位置如图所示，地下水的水质分析结果见表。

根据所提供的数据资料完成以下工作：（1）把水化学成分绘制在三线图上，并应用所学的地下形成作用相关理论分析水化学成随流线的变化特征以及原因；（2）计算各位置方解石和白云石的饱和度，并分析其随流线的变化特征；（3）计算K IAP/K sp，并判断水溶液的饱和状态；（4）根据已有资料，选择适当方法、手段判断此区域的地下水是否受到海水入侵的影响。

答：
（1）
由地下水等水位线以及取样井位置图可知：水位从1号到4号井位逐渐降低，1号井位水位最高，4s井位水位最低；1号到4s号方向逐渐远离主要补给区；地下水从1号井位处流向4s号井位处；
该地水化学piper图（三线图）如上所示，由piper图可知：
①1号井位地下水类型为Ca型-重碳酸型水，碱土金属离子超过碱金属离子，弱酸根超过
强酸根，碳酸盐硬度超过50%；2w号井位地下水类型为Ca型-重碳酸型水，碱土金属离子超过碱金属离子，弱酸根超过强酸根，碳酸盐硬度超过50%；2s号井位地下水类型为Ca型-重碳酸型水，碱土金属离子超过碱金属离子，弱酸根超过强酸根，碳酸盐硬度超过50%；3s号井位地下水类型为Ca型-重碳酸型水，碱土金属离子超过碱金属离子，弱酸根超过强酸根，碳酸盐硬度超过50%；4s号井位地下水类型为硫酸型水，碱土金属离子超过碱金属离子，强酸大于弱酸，非碳酸盐硬度超过50%。

②从1号井位到4s号井位地下水中主要优势离子相对含量逐渐增加，越来越靠近无优势
类型水。

③从1号井位到2w井位地下水中优势离子含量变化不大，而从2w号井位到2s号井位地
下水中优势离子含量变化突然变大，说明地下环境突然改变，
（2）利用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行各点位模拟得到的方解石和白云石饱和指数
由图线可知对于方解石来说，在2W井位的饱和指数最大，并且处于过饱和状态；对于白云石来说，在2W和4S两点位饱和指数较高；方解石和白云石饱和指数SI均在1号井位到2W 号井位出现巨大变化，都有一定幅度的增加；从2W点位到4S点位白云石的饱和指数逐渐减小，而白云石则是在2S点位减小后有上升。

（3）饱和指数SI=K IAP/K sp
利用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行模拟，得到如下结果：
1号井位：
2W井位：
2S井位
3S井位
4S井位
（4）参照房琦,范尧,程鹏, 等的单因子界定联合模糊综合评判的海水入侵评价方法，对曹庄镇海水入侵进行评价。

单因子界定联合模糊综合评判氯离子与海水入侵程度的关系如下表所示：
地下水海水入侵氯离子代表的等级划分
ⅠⅡⅢ评价指标
等级范围代表值等级范围代表值等级范围代表值氯离子（Cl¯）浓度/（mg·L-1）<250100250-1000500>10001500水质淡水微咸水咸水
海水入侵程度无入侵轻度入侵重度入侵进行评价：
井号位置Cl-浓度（mg/L）等级水质海水入侵程度1Polk City 4.5Ⅰ淡水无入侵
2W Lakeland8.5Ⅰ淡水无入侵
2S Ft.Meade9Ⅰ淡水无入侵
3S Wauchula10Ⅰ淡水无入侵
4S Arcadia28Ⅰ淡水无入侵。