第四章水环境地球化学
水环境化学4
如水体pH为7，pE为-4.13，说明水体处于还原状态 根据(a)式及(b)式可作天然水体的pE-pH图(图3-13)
(1)天然水体的pE与其决定电位体系的物质含量有关
溶解氧含量随水深而减少，表层水呈氧化性环境，深层水及底泥则为还原 性环境； 溶解氧含量随水体温度升高而降低，还随水中耗氧有机物的增加而减 少，并与水生生物的分布、活动有关。
pE 电子浓度 体系提供电子的倾向
pE pE增大
电子浓度
体系接受电子的倾向
体系氧化态相对浓度升高
热力学定义:
根据 H2 的半电池反应2H+(aq)+ 2e = H2 当反应的全部组分活度为1单位，该反应的自由 能变化ΔG可定义为零。即当H+(aq)为1个单位 活度与H2为1.0130×105 Pa (活度1)平衡的介质 中，电子活度α为1， 则pE = 0.0。
[Fe3+]-[Fe2+]体系的lgc-pE图 (cTFe=1.0×10-3mol/L)
当水体pE<12时，Fe(Ⅱ)占优势；pE>14时，Fe(Ⅲ)占优势
● pE-pH图
pE与氧化态和还原态浓度有关，还与体系的pH有关 pE对于pH的依赖关系可用pE-pH图来表示。
例: 水的pE-pH图 H+ + e == 1/2 H2 ( pE0 = 0 ) 1/4O2 + H+ + e == 1/ 2 H2O ( pE0 = 20.75 ) pEH+/H2 = -pH (PH2=101325 Pa ) (PO2=101325 Pa)
pE = 15.14- 4/3 pH (4)
NH4OH == NH4+ + OH当[NH4+]=[NH4OH]时，
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。
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便是综合性的参数，如饱和指数、反应条件指数等。
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。
《水文地质学》第4章 地下水的化学成分及其形成
•地下水的化学特征•地下水化学成分的形成作用•地下水化学成分的基本成因类型•地下水化学成分的分析内容与分类图示1、地下水中主要气体成分氧、氮、硫化氢、二氧化碳2、地下水中气体成分及其反映的地球化学环境（1）地下水中溶解氧含量越多，说明其所处的地球化学环境愈有利于氧化作用进行；（2）氮气的单独存在，常可说明地下水起源于大气并处于还原环境；（3）硫化氢的出现说明地下水处于缺氧的还原环境；（4）地下水中二氧化碳愈多，其溶解碳酸盐类的能力以及对结晶岩类进行风化作用的能力愈强。
1、地下水中主要离子成分氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离子、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子2、离子成分与矿化度的变化（1）矿化度发生变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。
低矿化度水中常以碳酸根离子、钙离子与镁离子为主；（2）高矿化水则以氯离子与钠离子为主；（3）中等矿化水中，阴离子常以硫酸根离子为主，主要阳离子可以是钠离子，也可以是钙离子。
1、微量成分Br、I、B、Sr、Ba等；2、胶体Fe(OH)3、Al(OH)3、SiO2及有机质胶体；3、微生物（如硫细菌、脱氧细菌等）；4、物理性质（如温度、透明度、颜色、放射性等）。
1、地下水的总矿化度（g/L）地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量成为总矿化度；2、库尔洛夫式1、溶滤作用：在水与岩土相互作用下，岩土中的一部分物质转入地下水中，即为溶滤作用；溶滤作用结晶作用2、影响溶滤作用强度的因素（1）组成岩土的矿物盐类的溶解度；（2）岩土的空隙特征；（3）水的溶解能力；（4）水中二氧化碳、氧气等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力。
水中二氧化碳含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强，氧气的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈强；（5）水的流动状况。
3、溶滤作用在时间上的阶段性（1）溶滤作用是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。
（2）首先易溶物质如氯化物由岩层转入水中，成为地下水中主要化学成分，并被水流带走而逐渐贫化；然后相对易溶物质如硫酸盐溶入水中，成为地下水的主要成分；随着溶滤作用的长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐和硅酸盐，地下水的化学成分也就以碳酸盐和硅酸盐为主。
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。
《地球化学》章节笔记
《地球化学》章节笔记第一章：导论一、地球化学概述1. 地球化学的定义：地球化学是应用化学原理和方法，研究地球及其组成部分的化学组成、化学性质、化学作用和化学演化规律的学科。
它是地质学的一个分支，同时与物理学、生物学、大气科学等多个学科有着密切的联系。
2. 地球化学的研究对象：- 地球的固体部分，包括岩石、矿物、土壤等；- 地球的流体部分，包括大气、水体、地下水等；- 地球生物体，包括植物、动物、微生物等；- 地球内部，包括地壳、地幔、地核等。
3. 地球化学的研究内容：- 地球物质的化学组成及其时空变化；- 地球内部和外部的化学过程；- 元素的迁移、富集和分散规律；- 地球化学循环及其与生物圈的相互作用；- 地球化学在资源、环境、生态等领域的应用。
二、地球化学的研究方法与意义1. 地球化学的研究方法：- 野外调查与采样：包括地质填图、钻孔、槽探、岩心采样等；- 实验室分析：包括光学显微镜观察、X射线衍射、电子探针、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等；- 地球化学数据处理：包括统计学分析、多元回归、聚类分析等；- 地球化学模型：建立地球化学过程的理论模型和数值模型；- 同位素示踪：利用稳定同位素和放射性同位素研究地球化学过程。
2. 地球化学研究的意义：- 揭示地球的形成和演化历史；- 了解地球内部结构、成分和动力学过程；- 探索矿产资源的形成机制和分布规律；- 评估和治理环境污染问题；- 理解地球生物圈的化学循环和生态平衡；- 为可持续发展提供科学依据。
三、地球化学的发展历程与现状1. 地球化学的发展历程：- 起源阶段：19世纪初，地质学家开始关注矿物的化学组成；- 形成阶段：19世纪末至20世纪初，维克托·戈尔德施密特等科学家奠定了地球化学的基础；- 发展阶段：20世纪中叶，地球化学在理论、方法、应用等方面取得显著进展；- 现代阶段：20世纪末至今，地球化学与分子生物学、环境科学等学科交叉，形成新的研究领域。
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第四章水环境地球化学
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。
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
3.1水体污染及其控制 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。
第四章水环境地球化学
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）
好氧菌 氨基酸、脂肪酸、甘油、低分子糖
CO2、H2O、无机盐
第四章水环境地球化学
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。
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 第四章水环境地球化学
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
第四章 水环境地球指标 4.3 水体的污染源 4.4 水质监测 4.5 天然水的化学平衡
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
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。
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
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。
(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。
第四章水环境地球化学
3.1.3水体污染物与来源
第四章水环境地球化学
水体污染分类
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
第四章水环境地球化学
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。
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
第四章水环境地球化学
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。
第四章水环境地球化学
（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。
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
第四章水环境地球化学
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。