5 水文地球化学过程-Hydrochemical process
关中盆地潜水水文地球化学演化机理-精选文档
关中盆地潜水水文地球化学演化机理地下水是人们赖以生存的宝贵资源，特别是在干旱、半干旱地区，地下水对人们生活和工农业的生产、发展具有重要的意义[12]。
地下水的水文地球化学特征是地区环境特征的重要参数，也是用来研究地下水质量的重要方法。
聚类分析、相关分析、主成分分析和地下水化学成分分析（Piper图）等多种方法被用来研究地下水水文地球化学在空间上的分布规律[35]。
研究表明，其空间分布规律是自然因素和人为因素相互作用的结果[6]。
类似的，水文地球化学沿地下水流程演化，并受到居民和农业生产活动的影响[7]。
PHREEQC等一些软件也被用来模拟水文地球化学演化进程。
KyuYoul Sung等[8]研究了地下水在花岗岩层中的水文地球化学演化，发现水化学类型从最初的ClCa型水（雨水），经浅层的HCO3Ca型水，演化为深层的HCO3Na型水。
Christian Ekberg等[9]讨论了水岩反应系统中溶解性计算的几个不确定性，包括实验数据的不确定性及概念的不确定性等。
同位素的方法也被用来研究地下水循环和水文地球化学场的演化[10]，2H、18O和14C为常用示踪元素。
关中盆地位于陕西中部，总面积约2万km2，属于半干旱、半湿润季风气候。
地下水是该区工农业发展和居民生活用水的重要支撑，目前，多以开发利用浅层地下水为主[11]。
关中盆地蕴藏着丰富的地下水，地表水（雨水、河水）是其主要的补给来源[12]。
随着污染加剧、经济快速发展以及管理不当[1314]，造成地表水的水量贫乏，水质急剧恶化，人们便开始寻求开发利用地下水[15]。
故本文旨在对关中盆地浅层地下水水文地球化学空间分布特征进行研究，以多种方法相结合，定性定量的描述水文地球化学过程，并阐述其机理，为地下水的合理利用与开发、饮水安全以及水质改良提供可靠依据。
1研究区概况关中盆地位于陕西省中部，是一个三面环山、东面敞开的盆地，西起宝鸡，东至潼关，南依秦岭，北靠北山。
环境水文地球化学.
专题讲座
吉林大学环境工程系
2014年5月
水文地质学系统结构
含水层性质
岩性
水动力性质
补给 重 力 径流 水压力 应 力 排泄
地层
地貌 构造
水文地球化学
孔隙介质
裂隙介质
岩溶介质
双重介质
环境水文地球化学
污染质在地下环境中的主要衰减作用
Where: rb = soil bulk density [g/cm3] rn = NAPL bulk density[g/cm3] n = porosity TPH = Total Petroleum Hydrocarbons [mgNAPL/kgdry soil]
rb TPH rn n 10 6
机械过滤 吸附交替作用 溶解、沉淀作用 生物作用
对流、弥散作用
生物地球化学作用
第一讲 污染物的生物地球化学降解
Biogeochemical Degradation f Pollutants
1. 污染物生物地球化学降解原理
（1）地下环境中的主要氧化还原物质
地下环境氧化还原系统中主要包括气体（O2、N2、CH4、CO2）、 溶解性组分（NO3-、NH4+、CH2O、Fe2+、Mn2+、SO42-、HS-、H+）、 固体（FeOOH、MnO2、FeCO3、MnCO3）和存在于固体中的离子交 换态组分（Fe2+、Mn2+、NH4+）。
KJ/molCH2O
-475 -448 -349 -114 -77 -58
1. 污染物生物地球化学降解原理
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。
水文地球化学
3.氧化还原电位
在标准状态下处于同一水溶液中时，将发生下述的 氧化还原反应： Br2+2Fe2+＝2Br-+2Fe3+
电流是从Br2流向Fe2+的,电流之所以能够发生，是因为 有电位差的存在，在该反应中的电位差等于电极Br2︱ Br-的电位减去电极Fe3+︱ Fe2+的电位
反应的电位差Eh等于：
3. 微生物及有机物的影响
微生物参与下所发生的有机物氧化反应的主要特征 是：
（1）这是一类以微生物为催化剂的生物化学过 程，因此与温度有密切的关系；
（2）当有机物含量有限时，主要进行有氧氧化， 产物为H2O、CO2、NO3-、SO42-等；
（3）当有机物输入量很大时，主要进行缺氧分 解，产物一般为NH3、CH4、H2S等。
在标准状态下有：
pE 1 lg K 16.89 E n
E 0.059 pE
pE⊙为标准电子活度 ,电子活度也是一个反映电极中氧化态 和还原态物质得失电子能力相对强弱的量。
二、氧化还原强度及水的稳定场
在标准状态下，电极的pE⊙越大，其氧 化态物质得到电子的能力越强，是强氧 化剂；电极的pE ⊙越小，其还原态物质 越容易失去电子，是强还原剂。
➢ 在地下水与含水层岩土介质的长期接触过程中，吸 附作用对地下水化学成分的形成和迁移、特别是污 染溶质的迁移具有非常重要的控制作用。
第五节 吸附解析及离子交替吸附作用
• 吸附剂：对气体与液体中的物质具有吸附作用的固体物质 • 吸附质：被吸附的气体和液体中的物质 • 吸附态：吸附质在固体表面被吸附以后的状态 • 吸附中心：发生吸附作用的吸附剂表面的局部位置 • 解吸附作用：吸附在固体表面的吸附质进入液相或气相，
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
水文地球化学
By Prof. Dr. Sun Zhanxue
1
Chapter 1 Introduction and chemical background 引言与化学背景
2
LEARNING OBJECTIVES
Review basic fundamentals of chemistry. Understand commonly used concentration units and unit conversions. Learn to calculate and understand the significance of water hardness and charge-balance error. Be introduced to some common ways of graphically displaying natural water compositions.
9
•1979年 H.Φ.沃兹娜娅 《水化学与微生物学》 •1982年G. Matthess 《The Properties of Groundwater》 •1988年 J.I. Drever 《The Geochemistry of Natural Waters》 （第二版）（1997已出第三版） •1988年 R.M. Pytkowicz 《平衡非平衡与天然水》 •1989年 J.D. Hem 《Study and interpretation of the chemical characteristics of natural water》 •1994 年 C.A.J. Appelo & D. Postma 《Geochemistry, Groundwater and Pollution》 •1996年 W. Stumm & J.J. Morgan 《Aquatic Chemistry》 •1997 年 Langmuir, AQUEOUS ENVIRONMENT GEOCHEMISTRY
水文地球化学电子教案ppt课件
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
二、植物-土壤影响阶段
土壤的氧化还原条件改变金属元素的价态
– 氧化条件下
As、Fe、Mn形成难溶化合物，阻碍其随地下水迁移，并减小了对 农作物的危害
Cr、Zn、Cu、Cd形成易溶化合物，有利于其随地下水迁移，并 加强了对农作物的危害
– 水文地球化学分带性——地下水化学成分在空间变 化的规律性
自然地理分带——水平分带 地质分带 ——垂直分带
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
表生带地下水的平均化学成分特征
渗入成因的溶滤潜水
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
表生带地下水化学成分特征
表生带地下水的分带性受下列因素影响
– 一级因素：气候 – 二级因素：植被 – 三级因素：岩性
气候是控制表生带地下水分带性最宏观一级的 因素
二、植物-土壤影响阶段
经过植物-土壤的地下水的特征
– 含有数量可观的碳酸 – 未被氧化的有机化合物的进一步分解将使水中碳酸进一步提高 – 相对于碳酸盐矿物与原生铝硅酸盐矿物，远未达到饱和状态，
即具有强溶解能力；
上述特征决定了地下水具有很强的与围岩介质发 生反应的能力。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
第四讲 地下水化学成分的形成与特征
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Model of pyrite oxidation
ywu@
MODELS OF PYRITE OXIDATION- micro scale
liquid
Water film Product layer
a b c d e
Sulphide
gas waste rock
a b c d e
Influence of bacteria
ywu@
Influence of pH on Thiobacillus activity
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Oxygen dependence of bacteria
ywu@
Importance of bacterial catalysis on oxidation rate
++
-20
. Ca 2Cl 2(OH)2 H2O
-25 Lime -30
-35
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7
pH
Groundwater Quality
• Dependent on rock types and length of reaction times • Usually long enough to allow significant reaction • Higher dissolved substances than surface waters • Chemistry usually reflects composition of rocks in aquifer • Dolomites-Ca, Mg, HCO3 • Granites-Na, K, F, Sand Aquifer-low TDSrelatively inert rocks-rainfall determining factor ywu@
ywu@
Buffer reactions
CaCO3 + 2H+ Ca2+ + H2O + CO2(g) H2O + CO2(g) H2CO3 H2CO3 H+ + HCO3- H+ + CO32 FeS2 + 2CaCO3 + 3,75O2 + 1,5H2O Fe(OH) 3 + 2SO42+ 2Ca2+ + 2CO2 (open system) • 1 mole of FeS2 (64 g sulphur) is neutralised by 2 moles of CaCO3 (200 g) or 1 g sulphur: 3.125 g CaCO3 • FeS2 + 2CaCO3 + 3,75O2 + 3,5H2O Fe(OH) 3 + 2SO42+ 2Ca2+ + 2H2CO3 Closed system • 1 mole of FeS2 is neutralised by 4 moles of CaCO3, which results in a mass ratio of 1 g pyrite: 6.25 g calcite • • • •
0.1
0.1
0
0 0 1 2 3 4 5 6 7 pH 8 9 10 11 12 13 14
ywu@
Other reactions
• Dolomite CaMg(CO3) 2 + 4H+ = Ca2+ + Mg2+ + 2H2O + 2CO2 • Albite dissolution NaAlSi3O8(s) + H+ + 9/2H2O => Na+ + 2H4SiO4 + 1/2Al2Si2O5(OH)4(s) • Anorthite dissolution CaAl2Si2O8(s) + + H2O => Ca2+ + Al2Si2O5(OH)4(s) • K-feldspar dissolution KAlSi3O8(s) + H+ + 9/2H2O => K+ + 2H4SiO04 + 1/2Al2Si2O5 (OH)4(s) • Iron oxy-hydroxide dissolution Fe(OH)3(s) + 3H+ => Fe3++
碳酸平衡
ywu@
Distribution Diagram for the Carbonate System
1
1
0.9
0.9
0.8
0.8
0.7
0.7
Ionisation Fraction
0.6
0.6
0.5 H2CO3 0.4 HCO3
-
CO3
2-
0.5
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
ywu@
Pyrite (Fool’s Gold )
Detailed reactions
(1) FeS2 + 7/2 O2 + H2O => Fe 2+ + 2SO42- + 2H+ (2) Fe2+ + 1/4O2 + H+ => Fe3+ + 1/2 H2O (rate limiting step) (3) Fe3+ + 3H2O => Fe(OH)3 (yellow boy) + 3H+ (4) FeS2 +14Fe3+ + 8H2O => 15Fe2+ + 2SO42- + 16H+
Why should we study Hydrochemical Reactions?
0 Anhydrite Bassanite Gypsum Aragonite
(log Q/K)
-5
Antarcticite
Calcite Ca(OH) (c)
2
-10 Dolomite -15
Saturation, Min. w/ Ca
ywu@
Groundwater reacts with Soils and rocks
Water Reaction
SoilБайду номын сангаас and Rocks
Hydrogeochemistry
Water
Hydrochemistry Geochemistry ywu@
Groundwater Regime & Water Quality
unreacted pyrite ywu@ pyrite oxidation -oxygen consumed oxygen diffuses to oxidation layer liquid phase -oxygen concentration in equilibrium with the gas phase Gas phase between the waste rocks - oxygen supply by diffussion and advection
BOTTOM LINE = Sulphides +water +oxygen (+ bacteria) give acidity (4H+) + sulphates • If this is not neutralized it can result in heavy metal mobilisation which can have disastrous environmental consequences ywu@
Comparison of reaction rates
ywu@
Dissolve of Pyrite
3218BA1731:745m Malmesbury
• Oxidation of sulphide minerals, in the presence of oxygen, water and bacteria • Generally in South Africa the mineral pyrite (FeS2) is the primary cause. • Pyrite occurs as an associated or gangue mineral with gold, the base metals and also coal
ywu@
Flow & Reaction Time
ywu@
Overview of groundwater reactions
• Solid phase interactions Solution-precipitation and volatilization Adsorption including ion exchange • Enrichment • Neutralisation-acidbase reaction • Oxidation Reduction reactions (redox) • Adsorption including Ion exchange • Complexation •Hydrolysis reactions •Isotopic reactions • Decarbonation • Desulfation • Diogenic agency ywu@
ywu@
Buffer level of some common minerals
Mineral
Composition Buffer pH
Calcite CaCO3 5.5 - 6.9 Dolomite CaMg(CO3)2 5.3 - 6.8 Siderite FeCO3 5.1 - 6.0 Kaolinite Al2Si2O5(OH)4 3.7 - 4.3 Gibbsite Al(OH)3 3.7 - 4.3 Ferric hydroxide Fe(OH)3 3.3 - 3.7 Goethite FeO(OH) 2.1 - 2.2