《地下水化学成分及其形成作用ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地下水化学成分及其形成作用ppt课件.ppt（44页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、LOGOFundamentals of Hydrogeology 水文地质学基础水文地质学基础第六章第六章 地下水的化学成分地下水的化学成分 及其形成作用及其形成作用主讲教师：张卫民主讲教师：张卫民Company L 6.3 总矿化度与地下水化学成分分类总矿化度与地下水化学成分分类6.2 地下水化学成分的形成作用地下水化学成分的形成作用本章内容本章内容 6.1 地下水的化学成分地下水的化学成分Company Lv概述概述v 地下水不是纯的地下水不是纯的H2O，而是，而是天然溶液天然溶液，含有各种组分。，含有各种组分。v 水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的水是良好的溶剂，在空隙中运移
2、时，可溶解岩石中的成分。在自然界成分。在自然界水循环过程水循环过程中，地下水与大气圈、水圈中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换化学成分的交换。v 物理性质：物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。射性。v 化学成分：化学成分：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。等。Company Lv概述概述v 水水是岩石中元素迁移、分散与富集的是岩石中元素迁移、分散与富集的载体载体。研究。研究许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。许多地质作用时都不能不涉及地下水的化
3、学作用。v 在利用地下水时，不同的用水目的，对水的质量在利用地下水时，不同的用水目的，对水的质量有一定要求有一定要求（如：饮用水、锅炉用水、灌溉用水、饮用矿泉水、如：饮用水、锅炉用水、灌溉用水、饮用矿泉水、地下水对混凝土的侵蚀性等地下水对混凝土的侵蚀性等）v 研究地下水的研究地下水的化学成分与作用化学成分与作用必须与地下水的必须与地下水的流流动条件动条件结合结合 。 Company L6.1一、地下水中常见的气体成分一、地下水中常见的气体成分v 氧（氧（O2）、氮（）、氮（N2）、二氧化碳（）、二氧化碳（CO2） 硫化氢（硫化氢（H2S）、甲烷（）、甲烷（CH4），）， 常见气体成分与地下水所
4、处环境和地下水来源有关常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关二、地下水中主要离子成分二、地下水中主要离子成分v 地下水中含量多的有七种离子地下水中含量多的有七种离子n阴离子：阴离子： HCO-3 、 SO2-4 、 Cl- n阳离子：阳离子： Ca2+、Mg2+、 K+、Na+Company L6.1.1地下水中常见的气体成分地下水中常见的气体成分 1、氧（、氧（oxygen, O2）、氮（）、氮（nitrogen, N2）v 起源起源：随大气降水入渗进入含水层中，如富含：随大气降水入渗进入含水层中，如富含O2与与N2 说明地下水是大气起源的，说明地下水是大气起源的，氮氮还有生物起源与变
5、质起还有生物起源与变质起源。源。v 说明是大气成因的；若比值小于说明是大气成因的；若比值小于0.01180.0118，则说明是生，则说明是生物或变质成因的。物或变质成因的。v 环境环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大，指示水是大气起源且处于封闭还原环境。气起源且处于封闭还原环境。0118. 02NXeKrArCompany L6.1.1地下水中常见的气体成分地下水中常见的气体成分 2、硫化氢（、硫化氢（H2S）、甲烷（）、甲烷（methane, CH4） 这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与的
6、物参与的生物化学过程生物化学过程中形成。还原环境下：中形成。还原环境下：vSO2-4 H2S，成煤过程，煤田水，成煤过程，煤田水 成油过程，油气藏，油田水成油过程，油气藏，油田水脱硫酸作用：脱硫酸作用：SHHCOOHCSO22243222脱硫酸细菌（有机质）Company L6.1.13、二氧化碳（、二氧化碳（CO2） 大气降水中的大气降水中的CO2含量较低，地下水中含量较低，地下水中CO2主要主要源于源于v土壤层土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生植物呼吸作用产生v碳酸盐岩地层碳酸盐岩地层：在深部高温下，可变质生成在深部高
7、温下，可变质生成CO2 v深部地幔和地壳：深部地幔和地壳：通过活动的深大断裂。通过活动的深大断裂。v人类活动：人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的大气中的CO2增加，引起温室效应。增加，引起温室效应。 地下水中地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风风化溶解能力增强！化溶解能力增强！Company L地下水中气体成分的研究意义：地下水中气体成分的研究意义：v 气体成分气体成分指示地下水所处的地球化学环境指示地下水所处的地球化学环境 氧化环境氧化环境oxidation 还原环境还原环境deoxidati
8、onv 气体成分气体成分可以增加水对盐类的溶解能力可以增加水对盐类的溶解能力 促进水促进水岩的化学反应，相互作用岩的化学反应，相互作用6.1.1Company L6.1.2地下水中的主要离子成分地下水中的主要离子成分v水中离子成分主要取决于：水中离子成分主要取决于：元素的丰度元素的丰度（克拉克值（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的重量：某元素在地壳化学成分中的重量百分比；百分比；元素组成的化合物在水中的溶解度元素组成的化合物在水中的溶解度v地壳中主要元素有哪些？地壳中主要元素有哪些？地壳中丰度较高的元素：地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低）（地下水中低）地壳中丰度较低的元素
9、：地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C （地下水中高）（地下水中高）v地下水中主要离子有：地下水中主要离子有：Ation 阴离子：阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl- Cation 阳离子：阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+ Company L6.1.2常见离子在常见离子在水中的相对含量水中的相对含量与地下水中的溶解性总固体与地下水中的溶解性总固体（TDS，也叫矿化度，也叫矿化度）有关：）有关：v 矿化度矿化度(g/L) : 低低(1) 中中(1-10) (1-10) 高高(10-30)(10-30)v 阴阴 离离 子子: HCO: HCO- -3 3 SOSO2-2-4 4 ClCl-
10、 - v 阳阳 离离 子子: : CaCa2+ 2+ CaCa2+2+，NaNa+ + NaNa+ + 地下水的矿化度与离子成分间的这种对应关系，主要地下水的矿化度与离子成分间的这种对应关系，主要与离子构成的盐类溶解度有关与离子构成的盐类溶解度有关（参见（参见54页表页表7-1）： 碳酸盐类碳酸盐类 硫酸盐类硫酸盐类 Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+ v离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力愈大。离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力愈大。H H+ +则是例外则是例外 2）水中阳离子的浓度）水中阳离子的浓度 水中某种阳离子浓度越大，则其交替吸附能力就越强水中某种阳离子浓度越大，则其交替吸
11、附能力就越强，甚至可以发生，甚至可以发生吸附能力小的交替岩土颗粒表面吸附能力大吸附能力小的交替岩土颗粒表面吸附能力大的阳离子的阳离子。6.2.56.2.5阳离子吸附交替作用阳离子吸附交替作用阳离子吸附交替作用阳离子吸附交替作用v影响因素影响因素 2）水中阳离子的浓度）水中阳离子的浓度 例如：在海水入侵大陆时可以发生如下反应：例如：在海水入侵大陆时可以发生如下反应： 3）岩土本身吸附能力的大小）岩土本身吸附能力的大小 主要取决于其比表面积（主要取决于其比表面积（1克重的岩土颗粒表面积），克重的岩土颗粒表面积），比表面积越大，则岩土本身吸附能力就越大，交替吸附比表面积越大，则岩土本身吸附能力就越大
12、，交替吸附能力越强；反之，交替吸附能力越弱。能力越强；反之，交替吸附能力越弱。2222CaClNaCaNaCl（吸附）（吸附）6.2.66.2.6混合作用混合作用混合作用混合作用v定义：定义：指成分或矿化度不同的两种地下水相遇，引起水指成分或矿化度不同的两种地下水相遇，引起水质发生变化的过程。质发生变化的过程。v结果：结果：可能发生化学反应而形成化学类型完全不同的地可能发生化学反应而形成化学类型完全不同的地下水下水，如浅部的，如浅部的HCO3-Ca型水与深部的型水与深部的SO4-Na型水，由型水，由于导水断层的沟通而相遇时，将形成一种新的于导水断层的沟通而相遇时，将形成一种新的HCO3Na型水
13、型水 ： 两种水的混合也可能不产生明显的化学反应，两种水的混合也可能不产生明显的化学反应，如当高如当高矿化的矿化的Cl-Na型海水与低矿化的型海水与低矿化的HCO3-Ca-Mg型地下水型地下水混合，基本上不产生化学反应。混合，基本上不产生化学反应。混合水的矿化度与化学混合水的矿化度与化学类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例。类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例。 3442232)(NaHCOCaSOSONaHCOCa6.2.76.2.7人为活动的作用人为活动的作用人为活动的作用（影响）人为活动的作用（影响） 人类活动对地下水化学成分的影响：人类活动对地下水化学成分的影响： 1）
14、人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水；）人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水； 2）人为作用大规模地改变了地下水形成条件，从而使）人为作用大规模地改变了地下水形成条件，从而使地下水化学成分发生变化。地下水化学成分发生变化。其他：其他：氧化还原作用、络合作用、生物作用等氧化还原作用、络合作用、生物作用等 Company Logo一、地下水化学成分的分析内容一、地下水化学成分的分析内容地下水化学成分分析地下水化学成分分析是水质评价基础是水质评价基础v可可分为分为简分析、全分析和专项分析简分析、全分析和专项分析。 1、 简分析：简分析：除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬除物理性质（色、味、嗅
15、、透明度、悬浮物等）外，主要浮物等）外，主要定量分析定量分析： HCO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、 Mg2+、 K+Na+、 pH 、总硬度及总硬度及 矿化度矿化度。 定性分析：定性分析： NO-3，NO-2 ，NH+4，Fe2+ ， Fe3+，H2S，耗氧量等。耗氧量等。v 简分析简分析项目少，精度要求低、简便快速，成本低。项目少，精度要求低、简便快速，成本低。 分析这些项目只是为了初步了解分析这些项目只是为了初步了解水质性质水质性质Company L一、地下水化学成分的分析内容一、地下水化学成分的分析内容 2、全分析：全分析：项目较多，要求精度高，通常在简分析项目较多，要求精度高，
16、通常在简分析的基础上的基础上选择代表性水样选择代表性水样进行全分析进行全分析v 一般定量分析一般定量分析：HCO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、 NO-3、NO-2 、NH + 4、Fe2+ 、 Fe3+、H2S、CO2、耗氧量、耗氧量、总硬度、总硬度、pH、及干涸残余物（矿化度）；某、及干涸残余物（矿化度）；某些些微量元素、有毒微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时需分析水的组分；研究水的侵蚀性时需分析水的侵蚀性侵蚀性CO2。全国地下水污染防治规划全国地下水污染防治规划调查指标调查指标Company L全国地下水污染防治规划全国地下水污染防治规划调查指标调查指标（1
17、） 感官指标感官指标：肉眼可见物、颜色、嗅、味、透明度、：肉眼可见物、颜色、嗅、味、透明度、浑浊度、色度、水温等。浑浊度、色度、水温等。 常规组分常规组分：pH值、游离二氧化碳、值、游离二氧化碳、Cl-、SO4-、HCO3-、CO32-、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、NH4+、Fe2+、Fe3+、NO2-、NO3-、F-、Br-、I-、PO43-、COD、可溶性二氧化硅、总硬度、矿化度等。、可溶性二氧化硅、总硬度、矿化度等。 重金属组分重金属组分：Hg、Cu、Pb、As、Cd、Mn、Zn、Ni、Co、Cr6+、总、总Cr、V、W、Sr、Ba、U、Ra、Se、Al3+等。等。全国地下水污染防
18、治规划全国地下水污染防治规划调查指标调查指标（2） 有机污染组分有机污染组分：三氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、二氯：三氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、二氯甲烷、甲烷、1，2-二氯乙烷、环氧氯丙烷、氯乙烯、二氯乙烷、环氧氯丙烷、氯乙烯、1，1-二二氯乙烯、氯乙烯、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、氯丁二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、氯丁二烯、六氯丁二烯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛、二烯、六氯丁二烯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛、三氯乙醛、苯、乙苯、二甲苯、异丙苯、氯苯、三氯乙醛、苯、乙苯、二甲苯、异丙苯、氯苯、1，2-二氯苯、二氯苯、1，4-二氯苯、三氯苯、四氯苯、六氯苯、硝二氯苯、三氯苯、四氯苯、六
19、氯苯、硝基苯、二硝基苯、基苯、二硝基苯、2，4-二硝基甲苯、二硝基甲苯、2，4，6-三硝基三硝基甲苯、硝基氯苯、甲苯、硝基氯苯、2，4-二硝基氯苯、二硝基氯苯、2，4-二氯苯酚、二氯苯酚、2，4，6-三氯苯酚、五氯酚、苯胺、联苯胺。三氯苯酚、五氯酚、苯胺、联苯胺。DDT、六六六（总量）、林丹（六六六（总量）、林丹（-六六六）、六六六）、2，4-滴、七氯、滴、七氯、呋喃丹、敌敌畏（含敌百虫）。呋喃丹、敌敌畏（含敌百虫）。 生物学指标生物学指标：总大肠菌群、菌落总数。：总大肠菌群、菌落总数。矿化度或溶解性总固体矿化度或溶解性总固体 (TDS）v 定义：定义：指溶解在水中的无机盐和有机物指溶解在水中
20、的无机盐和有机物的总称（不包括悬的总称（不包括悬浮物和溶解气体等组分）。浮物和溶解气体等组分）。v 测定方法：测定方法：直接测定直接测定 ：105110温度下，水样烘干后的干涸残余温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位为物质，单位为g/L, mg/L 。计算法：计算法：用分析得出的各种溶解性固体组分含量累加，用分析得出的各种溶解性固体组分含量累加，减减 1/2 HCO-3含量求算。含量求算。2HCO-3CO2-3CO2H2Ov 据矿化度的水样分类：据矿化度的水样分类：50g/L50g/L, 50g/L 淡水淡水 微咸水微咸水 咸水咸水 盐水盐水 卤水卤水矿化度或溶解性总固体矿化度或溶解性总固体
21、 (TDS）（total dissolved solids)321HCOimmTDS水化学成分的表示方法水化学成分的表示方法库尔洛夫式库尔洛夫式v 分式前：分式前：特殊成分、气体成分、特殊成分、气体成分、TDSTDS（M M），），单位单位 (g/L)(g/L)v 分式上下分式上下：阴、阳离子（毫克当量百分数阴、阳离子（毫克当量百分数10%10%）v 分式后分式后：水温（水温（o oC C) ) v 特点特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类型（常用方法）型（常用方法）05227.871.6414853.220.03130.072CaNaS
22、OClMCOSiOHt库尔洛夫式库尔洛夫式:p66舒夫卡列分类舒夫卡列分类前苏联学者前苏联学者C.A. 提出来的提出来的:v方式：方式：将地下水中主要七种离子合并为将地下水中主要七种离子合并为6种（种（K归入到归入到Na中），取含量（毫克当量百分数）中），取含量（毫克当量百分数）25%的离子的离子，组合定名。，组合定名。v阴、阳离子阴、阳离子25%的出现情况各有的出现情况各有7种（种（7种组合）种组合）两者（阴、阳）共组合为两者（阴、阳）共组合为 77 = 49 种水型（种水型（P62，表，表7.3）v按矿化度按矿化度分为分为4组：组： A：TDS 40g/L 40g/L, D: 40g/L
23、每一种水可用一个简单的符号代替。每一种水可用一个简单的符号代替。如：如：B46 查表查表 中等矿化度中等矿化度 Cl-Na-Ca型型 A1 查表查表 沉积岩地区浅层溶滤水，为低矿化度沉积岩地区浅层溶滤水，为低矿化度 HCOHCO3 3- -CaCav特点：特点：简明易查，被广泛应用简明易查，被广泛应用舒夫卡列分类舒夫卡列分类Company L舒夫卡列分类舒夫卡列分类表表6-2 舒卡列夫分类舒卡列夫分类 实际应用中一般不用数字代号，而用水化学代号，例实际应用中一般不用数字代号，而用水化学代号，例如：如：HCOHCO3 3-Ca-Ca型水型水超过超过25毫毫克当量的离克当量的离子子HCO3HCO3
24、SO4HCO3SO4ClHCO3ClSO4SO4ClClCa181522293643CaMg291623303744Mg3101724313845NaCa4111825323946NaCaMg5121926334047NaMg6132027344148Na7142128354249Company L水化学形成作用水化学形成作用课堂练习课堂练习1 1某地区地表为厚约某地区地表为厚约10m10m的第四纪沉积物，由砂土和亚粘土组成，的第四纪沉积物，由砂土和亚粘土组成，下伏花岗岩岩体。下伏花岗岩岩体。 一温泉源于花岗岩裂隙含水一温泉源于花岗岩裂隙含水 层中，并通过第四系益溢出层中，并通过第四系益溢出
25、地表，其水化学成分用库尔地表，其水化学成分用库尔 洛夫式表示为：洛夫式表示为：04592103845 . 0005. 02tNaClHCOMSH01212844183742 . 0tNaCaSOHCOM已知已知 温泉补给区的地下水温泉补给区的地下水化学成分的库尔洛夫表示式为：化学成分的库尔洛夫表示式为： 问：问：（1）由补给区到排泄区，）由补给区到排泄区，地下水化学成分有哪些变化？地下水化学成分有哪些变化？ （2）可能发生哪些的水化学形成作用。）可能发生哪些的水化学形成作用。水化学资料整理水化学资料整理课堂练习课堂练习2、整理以下水质分析资料、整理以下水质分析资料 问：问：1）计算矿化度；）计
26、算矿化度；2）写出库尔洛夫式；）写出库尔洛夫式；3）利用舒卡）利用舒卡列夫分类进行水质归类列夫分类进行水质归类离子离子mg/LmgN/LmgN%阳阳离离子子Na+28.01.2242.66K+6.80.175.94Ca2+21.81.0938.11Mg2+4.50.3813.29总计总计61.12.86100.00阴阴离离子子Cl-11.30.3211.31SO2-4120.02.5088.34HCO-30.50.010.35总计总计131.82.83100.00水化学资料整理水化学资料整理课堂练习课堂练习3. 整理以下水质分析资料整理以下水质分析资料 问：问：1）计算矿化度；）计算矿化度；2
27、）写出库尔洛夫式；）写出库尔洛夫式；3）利用舒卡）利用舒卡列夫分类进行水质归类列夫分类进行水质归类水化学成分水化学成分含量含量(mg/L)水化学成分水化学成分含量含量(mg/L)K+1.02Cl-1.37Na+17.08SO42-6.36Ca2+6.11HCO3-56.19Mg2+0游离游离CO24.4pH8.03H2SiO364.02温度温度/45水化学资料整理水化学资料整理课堂练习课堂练习3. 整理以下水质分析资料整理以下水质分析资料 问：问：1）计算矿化度；）计算矿化度；2）写出库尔洛夫式；）写出库尔洛夫式；3）利用舒卡）利用舒卡列夫分类进行水质归类列夫分类进行水质归类离子离子mg/Lm
28、gN/LmgN%阳阳离离子子Na+17.08K+1.02Ca2+6.11Mg2+0总计总计阴阴离离子子Cl-11.3SO2-4120.0HCO-30.5总计总计水化学资料整理水化学资料整理课堂练习课堂练习原子量：原子量：Na：23.0，K：39.1，Ca：40.1，Mg：24.3， Cl：35.5，S：32.1，O：16.0，H：1，C：12.0。 HCO3-Na-Ca型型455 .281 .692 .12433 .84124. 02004. 03064. 02tCaNaSOHCOMCOSiOHPiper三线图三线图Piper三线图解由两个三角形和一个菱形组成三线图解由两个三角形和一个菱形组成(图图64). 自学内容自学内容v地下水温度地下水温度p59v地下水化学成分的基本成因类型地下水化学成分的基本成因类型p63p65v -第六章第六章 结束结束-Company L 6.3 总矿化度与地下水化学成分分类总矿化度与地下水化学成分分类6.2 地下水化学成分的形成作用地下水化学成分的形成作用本章内容本章内容 6.1 地下水的化学成分地下水的化学成分