水文地球化学基础
水文地球化学基础知识要点
水文地球化学基础知识要点1.水的起源：地球上的水主要来自于地球形成过程中的原始水以及后来的陨石和彗星碰撞。
水可以存在于固态、液态和气态，并在地球不同的储存库中循环。
2.水文循环：水循环是指水在地球上不断循环的过程，包括蒸发、降水、融化、冷凝和蒸发等过程。
在循环过程中，水通过地表和大气之间的相互作用，影响了气候和地质过程。
3.地球化学现象：地球化学是研究地球物质的组成、性质、分布和演化过程的学科。
地球化学现象包括水体中溶解的矿物元素、元素的转化和富集、岩石的风化和溶解等。
4.溶解质和溶液：在水中，溶解质是指溶解在水中的物质，可以是离子、分子或大分子物质。
溶液是指溶解质完全溶解在水中形成的混合物。
溶解质的溶解和溶液的浓度会受到温度、溶剂性质和溶质性质的影响。
5.pH和酸碱性：pH是衡量溶液酸碱性的指标，它表示溶液中氢离子的浓度。
pH值介于0到14之间，pH低于7表示酸性，pH值高于7表示碱性，pH等于7表示中性。
6.水体的化学组成：水体的化学组成受到地形、岩石成分、人类活动等多种因素影响。
不同类型的水体中含有不同的溶解质和悬浮物，如河水中的溶解氧、湖水中的盐度和海洋中的盐度等。
7.水质污染：水质污染是指水体中出现的可疑、异常或有害物质的现象。
水质污染可以来自农业、工业、城市污水、生活废水等多种源头。
常见的污染物包括有机物、无机物和微生物等。
8.水文地球化学模型：水文地球化学模型是用来模拟和预测水体中的化学组成和变化的工具。
这些模型可以帮助研究人员理解水体中的物质转化过程，并评估环境变化对水体的影响。
9.水文地球化学的应用：水文地球化学的研究成果可以应用于环境监测、水资源管理、生态保护、地质勘探等领域。
它们对于了解和保护地球的水资源的可持续利用至关重要。
总结起来，水文地球化学是一门综合性学科，涉及了水文过程和地球化学现象之间的相互作用。
通过研究水的起源、循环、质量变化以及与地球化学过程之间的关系，可以帮助我们更好地理解和管理地球上的水资源。
水文地球化学总复习
地下水：
水文循环： 地质循环：
贮存于地下岩土空隙中的水；地球内部各种相态水的总称。 地壳中水的地球化学循环含义：在沉积-变质过程（作用）有次序、有方向的发展
中，在岩石、有机物、气体经历的地球化学改造中，导致水的直接参与，产生水的分 解和合成等作用与现象的总和。
地下水圈的水文物理分带：
固体水带、 液体水带、 具有聚群态结构的实流体带 单分子带、 离解分子带。
水的结构
良好的溶解性能
天然水 组成复杂的溶液
第一组指标 体现水的质量 总溶解固体、含盐量、 硬度 第二组指标 水体环境状态 COD、BOD、TOC、Eh 第三组指标 表征水酸碱平衡 碱度(碳酸盐碱度)、 酸度(离子酸度)
水质分析结果的可靠性检验
库尔洛夫式
1.阴阳离子平衡的检验： 2. 分析结果中一些计算值的检验 总溶解固体、总硬度、25 3.根据碳酸平衡关系的检验 pH=8.34
水强烈交替带（上部带）、水缓慢交替带（中部带）、水消极交替带（下部带）
承压水盆地三个水文地质动力分带：
承压水盆地的水化学成分的分带
水平分带：同一含水层中水化学成分分带规律。
垂直分带：垂向上不同含水层水化学成分分布规律。 按矿化度：1．淡水带 2. 盐水带 3. 卤水带 水化学成分：正垂直分带：反垂直分带、复杂垂直分带
地下水的成分、 环境的热力学条件 溶滤作用 水-岩地球化学作用 离子交换作用
氧化还原作用
重碳酸型水
氯化物型水--硫酸盐型水—重碳酸型 水---含硅酸、Fe3+较高的重碳酸型水
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海水
海相淤泥沉积物
陆源的泥砂堆积、海水沉淀产 生的化学沉积物和生物堆积
水文地球化学PPT总结(东华理工大学)
第一章绪论第二章水溶液的物理化学基础一、水的结构2.水分子的内部结构原子结构理论表明，H2O分子呈V形结构，H-O键的夹角为104°45′，键长为0.96Å（1Å=10-10m）2.水分子的内部结构由于氧的电负性为3.5，氢的电负性为2.1，（中性原子接受电子的能力，称为电负性）这种差异导致了H、O形成共价键。
由于氧的电负性大，所以共价电子偏向氧原子，这样使氧带有部分负电性，氢还有部分正电性，这就造成了极性共价键。
由这种极性共价键所形成的分子称为极性分子。
3.电负性(E)电负性就是原子在化合成分子时把价电子吸引向自己的能力。
规定氟的电负性为4.0，并以此为标准求出其它元素的电负性。
电负性小于2.0时，多数元素显金属性，大于2时，多数元素显非金属性。
铀的电负性为1.7，显金属性。
U4+的电负性为1.4，U6+为1.9，U4+的金属性较U6+强。
电负性差值大于2的两个元素化合时，多数形成离子键化合物，电负性差值小于2时，多数形成共价键的化合物。
由于电负性影响化合物的键性，而化学键的性质又影响到化合物的许多物理化学性质，如硬度、光泽，溶解度等，所以电负性对元素的迁移和沉淀也有影响。
3.水分子间的联结水分子间是靠氢键联结起来的。
所谓氢键是一种因静电吸引作用而产生的附加键，所以一个水分子中的氢原子，在保持同本分子中氧原子的共价键的同时，又能同相邻水分子中的氧原子产生一种静电吸引力。
这样水分子就有具有了两种类型的键：（1）存在于水分子内部的极性共价键；（2）存在于水分子之间的氢键。
3.水分子间的联结水分子间的氢键联结，使水分子相互缔合形成巨型分子（H2O）n，水分子的这种缔合强度取决于温度，一般温度越低，缔合程度越稳定，4℃时，水的缔合程度最大，此时达到最大密度。
在250～300℃时，n接近1，即水具有H2O形式。
水分子在缔合过程中不会引起化学性质的变化。
这种由单分子水结合成多分子水而不引起水的化学性质改变的现象，称为水分子的缔合作用。
水文地球化学
当 pH ＜9时，上式中的 (H+)、 (OH-) 和(CO32-)的浓度比 (Ca2+)和 (HCO3-) 相对小得多，因此，可忽略不计，则方程可变为：
2(Ca2+) = (HCO-3) ，或 (Ca2+) = (HCO3-)/2
以上为描述碳酸平衡系统的最基本的方程
5、地下水系统中的碳酸平衡
碳酸平衡
在稀溶液中，挥发性溶质的分压以巴为单位，等于溶 质的摩尔数（亨利定律），适用于难溶气体
CO 2 ( g ) H 2O H 2CO 3 (aq)
K CO 2
H 2CO 3
PCO 2
H 2CO3 H HCO
3
K1
H HCO
HCO H CO
3、温度和压力
温度和压力对某些矿物，如石英、玉髓、非晶质 SiO2的溶解度有显著影响。
在结晶岩地区的热泉口，由于温度和压力降低，SiO2 的溶解度也降低，形成硅华；
碳酸盐矿物的溶解度取决于CO2分压，pH值，温度等，
一般而言， CO2分压越高、温度越低，气体在水中的
溶解度越大，如CO2分压降低则发生脱碳酸作用，形
2、pH值
pH值是决定天然水中许多元素溶解性的重要因素
Na、Ca、NO3和Cl等少数几种离子可存在于各种pH条
件下的天然水中；
多数金属元素在酸性条件下以阳离子形式存在，而当
pH值增高时，即以氢氧化物或偏碱性的盐类形式从水
中沉淀出来(如Fe3+)；
一些金属元素（如Cu、Zn等）发生沉淀的pH略高一 些（Cu为5.3, Zn为7）
水文地球化学-第七讲
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二、植物-土壤影响阶段
植物
雨水流经植物根部时，经常会富集一些植物中 的生物成因元素
1955年瑞典Gorham 作了一个比较研究，在松柏针叶树树根下 作了一个比较研究 在松柏针叶树树根下 采的雨水样与当地空中采的雨水样相比，发现，经过植物的雨 水的钠和钙含量高出三倍，钾则高出七倍。
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二、植物-土壤影响阶段
水文地球化学基础
Hydrogeochemistry
第三部分：水化学基础 —地下水的化学成分的形成与 地下水的化学成分的形成与 特征
地下水化学成分的形成与特征
1 2 3 4 基本成因类型 渗入成因 沉积成因 火山成因
1 地下水的基本成因类型
目前，概念尚未统一，分类原则各异，名词术语较多 按照地下水化学成分形成的基本作用 可分为 按照地下水化学成分形成的基本作用，可分为：
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三、水-岩相互作用阶段 溶滤作用
水与岩石的相互作用取决于
岩石的性质； 水的成分； 环境的热力学条件 溶解/沉淀作用 氧化还原作用 吸附作用 。。。
水-岩地球化学作用类型
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三、水-岩相互作用阶段 溶滤作用
渗入水与含盐海相地层
形成矿化度高的卤水Cl-Na Cl Na 富含氯化物、硫酸盐 Na/Cl=1 Na/Cl 1；Cl/Br>>300；Br、NH4低，含大气起源的N2
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三、水-岩相互作用阶段 溶滤作用
当水中存在有机物时
硫酸盐被还原为H2S，H2S与Fe结合成FeS2 渗入水由Cl.SO4-Na Cl.HCO3-Na;pH=7-8 渗入水继续稀释古海水，氯化物被消耗，形成HCO3. Cl -Na 沉积岩中黄铁矿溶解 形成Fe F 3+硫酸盐 沉积岩中黄铁矿溶解，形成 上述反应生成的硫酸与碳酸岩反应，会生成CO2，会进一步促进碳酸 岩的溶解 SO4.HCO3- Ca. Mg g；若无碳酸岩，会形成硫酸水 在强氧化、且碳酸岩存在时，硫酸被中和，pH增高，氢氧化铁沉淀 析出， SO4- Ca. Mg；此时，如遇还原条件，可形成含Fe2+的HCO3Ca. Mg
水文地球化学及其应用
水文地球化学及其应用水文地球化学是地球化学的一个分支学科，其研究对象是水与地球物质的相互作用、反应和转化过程。
水文地球化学地位重要，尤其是在环境保护和自然资源管理方面具有很大的应用潜力。
本文将着重探讨水文地球化学的基本理论、应用现状和未来发展趋势。
一、水文地球化学的基本理论1、水文循环水文循环是地球上水分子在不同地方以不同形态的运动。
水分子在不同状态下所体现的物理、化学性质也不同。
水循环包括蒸发、降水和地下水的形成，它是水文地球化学的基础。
2、岩石和土壤岩石和土壤是水文地球化学的重要研究对象。
岩石化学和土壤化学是水文循环的重要环节。
岩石和土壤可以分解成不同的化学组分，并对水的特性产生深远的影响，因此，研究它们的化学特征和变化过程对于水文地球化学研究至关重要。
3、水文地球化学过程水文地球化学过程是指地球上水的循环、沉积、蒸发、降水等过程中与水相互作用、反应和转化的物质。
包括水分子与矿物、溶解气体、有机物和微生物的相互作用。
水文地球化学的过程是广泛且多样的，对其进行分析研究可以形成修正以及完善生态环境政策。
二、水文地球化学的应用现状1、水资源管理水资源是人类生存和发展的基础资源之一，对于保障人类健康和经济发展大有裨益。
水文地球化学对于水资源管理有着重要的作用。
科学有效的管理水资源是现代社会永续发展的必要条件，水文地球化学则可以提供一系列的分析方法和数据供管理层面参考，使得水资源的合理开发和保护得以实现。
2、水污染治理随着城市化的加剧和经济发展的快速发展，水污染已成为了一个不可避免的问题。
水文地球化学为水污染治理提供了一种全新的思路。
在处理水体中的化学物质时，可以运用水文地球化学的更准确的能力寻找有效的污染治理方法及杀菌程序，有效保障水生态的平衡和协调。
3、环境保护水文地球化学在环境保护领域有广泛应用。
例如，可以用化学和物理方法来检测大气、水、土壤污染程度以及其它人为污染物质的存在。
有越来越多的证据表明，环境的水文地球化学变化是关于地球气候科学和环境科学的。
水文地球化学基础沈照理
水文地球化学基础沈照理水文地球化学是研究水体与地球化学相互作用的重要领域，它涉及了水文学、地球化学和环境科学等多个学科的交叉。
在这篇文章中，我将会通过深度和广度的方式来探讨水文地球化学基础沈照理的相关内容，帮助读者更全面、深刻地理解这一主题。
在我们深入研究水文地球化学基础沈照理之前，首先需要明确什么是水文地球化学。
水文地球化学是研究地球化学在水环境中的反应与迁移的学科，它以溶解态的物质为研究对象，包括了水体中的元素、化合物和有机物等。
我们来探讨水文地球化学的基本概念和理论基础。
水文地球化学主要通过实地观测和实验研究来揭示水体与地球化学之间的关系。
通过对水体中溶解物质的特征和浓度的测定，可以了解地球化学过程对水体的影响。
还可以通过水体中不同元素的同位素比值来追踪元素的来源和迁移路径。
水文地球化学在解释地下水形成机制、水体补给过程以及寻找地下水资源等方面有着重要的应用。
我们将深入研究水文地球化学基础沈照理的理论和方法。
沈照理是国内水文地球化学研究的权威专家，他提出了“溶解平衡理论”和“物化共控理论”等重要理论。
溶解平衡理论认为，在特定条件下，溶解物质的平衡浓度与溶解体系的温度、pH值、离子强度和气体压力等参数有关。
物化共控理论则强调了物理、化学和生物过程共同驱动着水体中溶解物质的形成和迁移。
这些理论为水文地球化学的研究提供了重要的指导，并推动了该领域的发展。
我们来总结和回顾一下水文地球化学基础沈照理的研究成果和意义。
沈照理教授的研究成果涵盖了水文地球化学的多个方面，包括了地下水水化学特征、水体变质过程、污染物迁移和水文地球化学模型等。
他的研究不仅提升了我们对地球化学过程与水体相互作用的认识，也为水资源开发和环境保护提供了科学依据。
在未来的研究中，我们还需要进一步拓展水文地球化学的研究领域，加强对水体与环境之间相互作用的理解，以应对日益严峻的环境挑战。
水文地球化学是一个涉及多学科交叉的重要领域，通过深入研究水文地球化学基础沈照理的相关内容，我们可以更全面、深刻地理解地球化学在水体中的反应和迁移过程。
水文地球化学-第六讲
水文地球化学基础Hydrogeochemistry第二部分：水化学基础第二部分水化学基础—地下水的化学组成地下水的化学组成1水的结构与性质2地下水的化学成分3水质指标4水化学数据处理构1水的结构与性质水的体积变化与压强的关系学2地下水的化学成分0 课前回顾0课前回顾水的结构O（16O、17O、18O）水分子的种类：H（H、D、T）16O占绝对优势，即：H2O共9 种类型，H几种重要的水分子16O，重水，核反应堆的中子减速剂D18O，重氧水，水解反应示踪剂HO，氚水，示踪剂、测定地下水年龄T极性V型结构，H-O键夹角104.5度，电子分布不均匀水分子间通过静电引力（氢键）相互缔合，巨大分子团液态水处于结晶态-液态的过渡态水的某些异常性质及意义温度、压力对水的性质的影响-物理性质、溶解性质、pH、……0 课前回顾0课前回顾水的组成复杂的溶液，80/93元素，无机/有机/气体/重金属/微生物颗粒大小真溶液，分子-离子，D<10-9m胶体，D=10-9——10-7m悬浮液，D<10-7m无机组分宏量组分，C>5mg/L微量组分, C=0.01-1mg/L痕量组分，C<0.01mg/L0课前回顾0 课前回顾水的组成有机物，ppb、ppt级20025/1200种类多，多万，万个配方年，饮水中已发现种地下水中，发现175种，总化学物质200多种C、H、O组成的98.5%，主要是卤代烃，疏水性有机物气体大气来源，O2、N2、CO2及惰性气体CO岩层生物化学作用, CO2、H2S、H2、CH4、CO、N2、NH3等岩层变质作用，还包括HCl、HF、SO2等放射性衰变：Rn、He、Ne、Ar等微生物细菌、真菌、藻类0≥1000m,-n-90℃，黑暗环境C、N、S等生物转化、有机物降解、重金属的催化3水质指标3-1水化学成分的浓度单位3 水化学成分的浓度单位质量浓度mg/L(ppm)，μg/L （ppb ），ng/L （ppt ）mg/kg(ppm)，μg/kg （ppb ），ng/kg （ppt ）摩尔浓度，mol/L （M ），mol/kg(m)摩尔浓度=单位溶液中溶质的摩尔数溶质的摩尔数=质量/摩尔质量摩尔质量=溶质的原子量或分子量Mole Fraction 摩尔分数（Mole Fraction ）适用于固溶体、非水溶相液体（NAPL ）的混合物中摩尔数（若A 和B 的混合物中，A 的摩尔分数=A 摩尔数：（A 摩尔数+B 摩尔数）1LH2O=55.56mol/L3-1水化学成分的浓度单位3 水化学成分的浓度单位当量浓度（Equivalents or Normality），NEquivalents or Normality）克当量浓度=单位体积溶液中溶质的克当量数=eq or meq克当量数质量/克当量，eq or meq克当量离子：原子量或分子量/离子的价态酸：分子量/酸分子中被金属置换的氢原子数碱：分子量/碱分子中所含氢氧根数碱分碱分所含氢氧数盐：分子量/结合为酸或碱所要的H+或OH-数量CO3的就是2，NaHCO3是1如：Na金属氧化物：分子量/参加氧化还原的金属得失的电子数Cr2O7应该是6N如：1mol/L的K转换N=M×离子的价态练习题水中计算其摩尔浓度和当浓度1、水中SO42-的浓度为96.0mg/L, 计算其摩尔浓度和当量浓度5压力下密度为1020g/mL200gCaCl 2、在25、10Pa压力下，密度为1.020g/mL含2.00gCaCl2/L的溶液，计算体积摩尔浓度、当量浓度和质量浓度3、在Ca-MgCO3固溶体中，含有质量分数为5%的Mg，计算MgCO3在该固溶体中的摩尔分数Assume the background concentration of dissolved oxygen (DO) is 5 ppb in the above aquifer. Further assume the aquifer is 10,000 m long, 1000 m wide and 100 m thick.1) What’s is the total amount of DO in the aquifer?2) What is the mass flux of DO across the right face?3-2 地下水环境特征的主要参数☐1 pH值⏹它表示水中氢离子摩尔浓度（活度）的负对数值⏹衡量地下水酸碱环境强弱的指标pH=6.0--8.5⏹一般地下水pH=6.0☐2 氧化还原电位(Eh，mv)2⏹它表示水中电子摩尔浓度（活度）的负对数值还原环境强弱的指标氧化⏹衡量地下水氧化-还原环境强弱的指标，+氧化，-还原⏹需现场测定17g☐ 3 总溶解固体（TDS，mg/L）⏹水中所含离子、分子、络合物的总量，不包括悬浮物和溶解气体105--110℃，使水全部蒸发剩下的残渣重量⏹1L水加热到105--⏹∑溶解组分（溶解气体除外）(HCO3)/2⏹分类☐淡水，TDS<1000mg/L淡水☐微咸水，1000mg/L<TDS<2000mg/L☐咸水，2000mg/L<TDS<3500mg/L咸水☐卤水，TDS>3500mg/L4S li it/L☐ 4 含盐量（Salinity，mg/L）⏹地下水中各种溶解组分的总量⏹S-TDS= (HCO3-)/2☐ 6 硬度（Hardness ）地下水中碱土金属的总和般以C M ⏹地下水中碱土金属的总和，一般以Ca 2+、Mg 2+的总和来计⏹硬度（CaCO 3mg/L ）=50×毫克当量数（Ca 2++ Mg 2+）=2.5C (mg/L)+4.1M ⏹硬度（CaCO 3mg/L ） 2.5 ×C Ca (mg/L)+4.1 ×C Mg (mg/L)☐1德国度=17.8mg/L （CaCO 3）☐1法国度=10mg/L （CaCO 3）☐1英国度=14.3mg/L （CaCO 3）⏹碳酸盐硬度，暂时硬度222☐Ca 2+、Mg 2+与HCO 3-、CO 32-结合的硬度☐50×毫克当量数（HCO 3-+ CO 32-）☐煮沸可消除⏹非碳酸盐硬度，永久硬度☐与SO 42-、Cl -、NO 3-结合的多价金属阳离子综合☐非碳酸盐硬度（永久硬度）=总硬度-碳酸盐硬度（暂时硬度）⏹负硬度钠盐硬度钠钾的碳酸盐重碳酸盐氢氧化物☐钠盐硬度，钠、钾的碳酸盐、重碳酸盐、氢氧化物☐负硬度=碳酸盐硬度-总硬度≥0硬度CaCO3m g/L 极软水软水微硬水硬水极硬水<757575--150150150--300300300--450>450☐7 酸度（Acidity）⏹表征水中可中和强碱能力的指标。
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水文地球化学基础
水文地球化学基础，又称为水文水化学，是研究地表运动和地下运动中水电解质、元
素和化学物质的组成、分布、交换、变化和与水体特性、水质、气候环境等间的相互作用，从基本物理、化学定律出发得出的理论基础。
它是水文学与地球化学科学等相结合的一门
新学科，旨在研究并揭示水电解质、元素和微量污染物的变化对地球流动水体、水环境及
气候环境的影响及机理，为当今流域水资源管理和保护提供基础理论支持。
水文地球化学基础主要有以下几个方面的研究内容：
首先，研究不同水体水电解质、元素组成的变化，尤其是流域水质的季节性差异及背
景水体的形成。
对于复杂的河流系统，一旦水电解质的变化穿透到上游，就可以在流域范
围内形成一定的结构特征，例如：上游的水体有更高的pH值、盐度和总碱度；中游的水
体碱度下降，同时水温也有较大变化；下游的水体则比中、上游更加净化，其中有效氮已
大大减少，水温变化较小。
其次，探讨水文地球化学中存在的元素循环，及其与水系、土壤及植被的相互作用。
研究表明，水文循环会传导元素、化合物，例如硝酸根、氨氮以及重金属，在水系中的运
行和分布，以及土壤中的积累、迁移、形成以及贮存。
另外，还需要研究这些元素对水体
的影响，即污染物的溶解和迁移及其生物代谢等，以及植物的生理生态效应。
根据污染元
素的收集、运移、形成和排除的模式，可以构建水文地球化学模型，从而可以模拟污染物
在水体、土壤和植被中的转化特征，以及与水体结构、水质及气候环境之间的相互制约作用，为河流水资源的调控、保护及管理提供依据。
接下来，研究微量物质的污染特性及其对水环境的影响。
污染物的有效性微量污染物，例如有机物和重金属，都会具有特定的污染机制例如，有机物用于生产某些物种，可能对
某些物种利益具有潜在的危害；重金属会污染水体，可能会影响水体中微生物和植物的数量，从而使某些水生物成为污染物的积累者；而其他有害物质如氰化物和氟离子，通常是
不可见的，但是却可能对水的生物安全及人类健康构成威胁。
最后，研究水文地球化学对水环境有害物质的控制，从而为人类水资源的利用提供技
术保障及理论支持。
只有深入研究不同地区不同水系污染物的扩散及其控制，才能有效减
少水污染，从而使得水资源的管理更加有效、可持续。