滦河下游河水及沿岸地下水水化学特征及其形成作用
王晓曦王文科王周锋赵佳莉谢海澜王小丹
摘要:了解地表水和沿岸地下水的水化学特征及其形成作用，对地下水水资源保护和可持续开发利用具有重要意义。在系统采集滦河河水及沿岸地下水的基础上，运用描述性统计、相关性分析、阴阳离子三角图、Gibbs图、离子比例系数等方法对水样的离子特征和水化学类型的形成作用进行了分析。研究结果表明: (1) 从出山口到入海口，浅层地下水化学类型由HCO3型过渡到HCO3·SO4(SO4·HCO3) 型，再逐渐转变为Cl·HCO3型，而阳离子则由Ca(Ca·Mg) 向Na·Ca(Na)型转化。(2) 浅层地下水化学的形成受地形地貌以及地质结构的控制，在山间盆地和冲洪积扇，溶滤作用是控制地下水水化学变化的主要作用，向下游随着含水介质颗粒变细，地下水径流速度变缓，溶滤作用减弱，蒸发浓缩作用逐渐增强，从出山口到入海口，河水和地下水的钠吸附比(SAＲ) 不断增大，说明溶滤作用逐渐被阳离子交替吸附作用代替。(3) 河水的水化学类型主要为HCO3·SO4-Ca·Mg(SO4·HCO3-Ca·Mg) 型。水化学形成以蒸发浓缩作用为主，同时受河床中的碳酸盐矿物和硅铝酸盐矿物溶滤作用的影响，在冲积海积平原可能存在蒸发盐岩的溶解。
关键词: 滦河; 河水; 地下水; 水化学; 形成作用
中图分类号: P641. 3 文献标识码: A 文章编号: 1000-3665(2014) 01-0025-09
Hydrochemical characteristics and formation mechanism of river water and groundwater along the downstream Luanhe Ｒiver，northeastern China
WANG Xiao-xi1，2，3，WANG Wen-ke1，2，3，WANG Zhou-feng1，2，3，ZHAO Jia-li1，2，3，XIE Hai-lan4，WANG Xiao-dan4
Abstract: Understanding of the hydrochemical characteristics and formation mechanism of surface water and groundwater in an unconfined aquifer is important for protection and sustainable utilization of groundwater．In this paper，the exploratory research was done in the Luanhe Ｒiver watershed using the water samples including river water and groundwater along the LuanheＲiver．Methods including mathematical statistics，Gibbs figure，Triangle plot and ionic ratios were employed to analyze the hydrochemical characteristics and formation mechanism．The results show that (1) from the mountain front to the estuary，anion transforms from HCO3 type to HCO3·SO4 (SO4·HC O3 ) type from north to south，then gradually converted to Cl·HCO3 type．Cation transforms from Ca(Ca·Mg) type to Na·Ca(Na) type．(2) The formation of shallow groundwater is constrained by topography and geologic structure．In the district of the intermontane basin and alluvial-proluvial fan，the leaching of halite，carbonate minerals and aluminosilica te is the chief geochemistry action of the shallow groundwater．Along with the runoff pass，the influence of leaching becomes weaker and the effect of evaporation concentration becomes stronger．SAＲ of river water and shallow groundwater increases from the mountain front to the estuary; and cation exchange and adsorption gradually replaces
the leaching．(3) The main hydrochemistry type of the river water is HCO3·SO4-Ca·Mg (SO4·HCO3-Ca·Mg) type．Evaporation concentration plays an important role in the formation of the chemical characteristics．In addition，the carbonate minerals and aluminosilicate in the riverbed may be leached by the river water; and the halite may be leached in the marine plain．
Key words: Luanhe Ｒiver; river water; groundwater; hydrochemistry; formation
地下水水化学研究是水文地质学的重要研究内容之一。开展相关研究不仅对揭示地下水化学特征和水化学形成作用具有重要的学术意义，而且对地下水水资源保护和可持续开发利用具有重要的实际价值［1～3］。水体的水化学分布受控于地层岩性［4］、地质地貌［5］、海水入侵［6］、人为作用等因素，能够反映该地区水体的历史演变过程［7］，因而该特性被广泛用于识别水体化学组成的控制因素［8］。Carol［9］对Samborombón湾的滨海平原地下水盐化过程进行了研究，结果表明地下水的盐化作用主要受溶滤、蒸发作用和人类活动影响等因素的控制。王文科［2，8］利用数理统计、离子比例系数以及水化学模拟等方法对关中盆地浅层地下水水化学演化进行研究，结果表明水化学类型、离子含量等均呈现一定的水平分带性。水岩相互作用、蒸发浓缩，混合作用是该地区水化学演化的主要因素。安乐生等［10］采用数理统计、piper 三线图和离子比例系数等方法对黄河三角洲浅层地下水水化学特征及其成因进行了系统研究，结果表明混合、蒸发浓缩、溶滤、阳离子交替吸附作用及人类活动的影响是该区浅层地下水化学成分形成的主要作用。目前，国内外相关研究针对内陆地区较多，而针对滨海地区的研究河水和地下水的综合研究相对较少［9～14］。
滦河是河北省第一大河流，是京津唐地区的重要水源地之一。滦河流域也是环渤海经济区发展的主要支柱之一。然而该地区也是中国北方水资源短缺地区，人均占用水资源量约510 m3/a，仅为全国平均水平的23%，且时空分布极为不均。随着国民经济的快速发展，“三废”排放量逐渐增加，水污染问题日益突出，水资源短缺已经成为制约该区社会经济可持续发展和环境保护的一个主要问题［15］。因此，本文通过系统采集滦河流域河水和地下水水样，采用相关性分析、Gibbs 图、离子比例系数等方法对该区的水化学特征及形成作用进行分析，为进一步研究水循环机制、水资源合理开发利用、环境保护政策措施的制定等提供科学指导和依据。
1 研究区概况
滦河流域地区位于河北省东北部，包括唐山市和秦皇岛市南部部分辖区。滦河发源于巴延吉尔山北麓，穿过燕山山脉，南流入渤海，全长1200km，流域面积9000km2。研究区位于滦河下游，长度约88km，分布在燕山山前冲洪积倾斜平原之上，地势由北向南倾斜，地面标高多为10～50m，地面坡降0. 6‰左右，较为平坦。
研究区属暖温带湿润－半湿润气候区，多年平均气温11℃左右，年降水量600～750mm，降水量主要集中在7～9 月份，占全年的80% 以上，年蒸发量1775mm。
研究区地下水主要为第四系孔隙水和岩溶水。第四系孔隙水主要分布在滦河－洋河冲洪积扇和冲积海积平原地区，岩溶水主要分布在开平向斜蓄水构造中。
在冲洪积扇地区，包气带岩性以砂性土为主，第一、第二含水层组主要岩性为卵砾石、
粗砂、中粗砂、中细砂。在冲积海积平原，含水层岩性主要为粉细砂，局部含中砂，为多层结构，单层厚度4～14m。第一含水层组底板埋深40～60m。包气带岩性以砂性土为主，浅层淡水厚10～60m。
浅层地下水埋深自北向南逐渐减小，其中山前洪积扇区地下水由于地形较高，包气带厚度较大，因此地下水位埋深在15～30m，局部地区则出现大于30m的深度。而位于冲积平原下部的沿海区域地下水位埋深最浅，大部分则小于2m。地下水径流方向与河流流向大体一致。流向由北向南，自山前向滨海、由冲洪积扇顶部向扇缘放射状流动。主要接受大气降水、山前侧向径流流入(主要包括现代河流出山口地下潜流、出山口古河道地下潜流补给) 和河道渗漏补给。水力坡度约2‰。浅层地下水排泄主要为人工开采和蒸发。
2 研究内容与方法
2. 1 样品采集
2012 年7 月，在滦河流域垂直于河流精选7 个剖面进行河水和地下水水样采集，共采集水样33 组(采样点位置如图1)，其中河水7 组，浅层地下水样品26组。采样过程中，用预采样品对采样瓶进行3 次以上的冲洗，再进行取样。采样时利用GPS 记录采样点的地理坐标。本次地下水采样深度主要集中在1～9m。
2. 2 样品测试
样品水化学分析在中国建筑材料工业地质勘查中心陕西测试研究所完成。K +、Na +、Ca2+、Mg2+、SO42-等离子均采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICAP-6300) 测定，HCO3-、Cl-采用滴定法，用自动电位滴定仪(ZDJ-4A) 测定。
2. 3 数据分析
利用SPSS 对水化学参数进行统计及Pearson 相关性分析。绘制主要离子三角图，了解其水化学空间分布特征。利用Origin 8. 0 软件、Surfer 8. 0 软件绘制Gibbs 图、离子比例系数图。结合相关研究区资料，揭示研究区水化学的分布特征和主要形成作用。
3 结果与讨论
3. 1 水化学类型及参数统计特征
随着地貌单元的变化，滦河沿岸的水化学类型和离子浓度特征具有一定的分带性，从出山口到入海口，浅层地下水的水化学类型变化趋势为HCO3型→HCO3·SO4(SO4·HCO3) 型→Cl·HCO3型，阳离子则由Ca(Ca·Mg)向Na·Ca(Na) 型转化。
山间盆地(剖面Ⅰ、Ⅱ) 含水层以砾卵石、粗砂为主，颗粒粗、渗透性好，直接接受山前地下水侧向径流补给，地下水径流速度快，更新速率高，水化学类型主要为HCO3—Ca 型、HCO3—Ca·Mg 型。地下水的各离子浓度相对较低。离子浓度整体表现为Ca2+＞＞K ++ Na+＞Mg2+，HCO3-＞＞SO42-＞Cl-。在阳离子中，Ca2+占主要优势，为Na++ K+的5. 62 倍，为Mg2+的6. 50 倍; 浓度最大值为344. 29mg/L，最小值为37. 93mg/L。阴离子中HCO3-占优势，分别为SO42-和Cl-的2. 37 倍和2. 61 倍。浓度最大值为393. 05 mg/L，最小值为104. 40 mg/L。
冲洪积扇(剖面Ⅲ-Ⅴ) 包气带岩性以砂性土为主，局部为砾卵石，颗粒较粗、渗透性较好; 主要接受大气降水和地下水侧向径流补给，地下水径流速度较快。水化学类型主要为HCO3—Ca·Mg 型和HCO3·SO4—Ca·Mg。地下水各离子浓度逐渐增加，离子浓度整体表现为Ca2+＞＞K++ Na+＞Mg2+，HCO3-＞＞SO42-＞Cl-。阳离子优势离子Ca2+为K++Na+的2. 96 倍，为Mg2+的3. 38 倍。最大值为226. 05mg/L，最小值为104. 05mg/L。优势阴离子为HCO3-，分别为SO42-和Cl-的3. 68 倍和4. 54 倍，浓度最大值为663. 27mg/L，最小值为257. 94mg/L。
冲积海积平原(剖面Ⅵ、Ⅶ) 含水层岩性主要为粉细砂，颗粒较细、渗透性较差，地下水径流速度慢，水化学类型主要为HCO3—Na·Ca 型、SO4·HCO3—Na·Ca型、Cl·HCO3—Na·Ca 型。地下水离子浓度整体表现为K++Na+＞＞Ca2+＞Mg2+，HCO3-＞＞SO42-＞Cl-。阳离子优势离子K++Na+为Ca2+的3. 22 倍，为Mg2 +的7. 99倍，浓度最大值为470. 26mg/L，最小值为87. 08mg/L。阴离子优势离子为HCO3-，分别为SO42-、Cl-的2. 48 倍和2.
89 倍，浓度最大值为1056. 3mg/L，最小值为257. 94mg/L。
滦河河水水化学类型主要为HCO3·SO4—Ca·Mg(SO4·HCO3—Ca·Mg) 型，入海口处为Cl—Na 型。除入海口(剖面Ⅶ)，离子浓度均呈现Ca2+＞Na++ K+＞Mg2 +、HCO3-＞SO42-＞Cl-的变化趋势。阳离子的优势离子Ca2+为Na++ K+的7. 44 倍，为Mg2+的2. 43 倍。浓度最大值为54. 95mg/L，最小值为47. 11mg/L。阴离子的优势离子为HCO3-，分别为SO42-和Cl-的1. 74 倍和5. 49 倍，浓度最大值为190. 38mg/L，最小值为135. 11mg/L。
3. 2 水化学参数间相关性分析
表3 为研究区水化学参数的Pearson 相关系数。
各离子与TDS 之间具有良好的相关性(均大于0. 5)，说明它们之间可能有相同的来源。Mg2 +、SO42-与TDS的回归方程见式(1) :
ρTDS=20. 91ρMg2++ 73. 75 Ｒ2=0. 711
ρTDS=3. 68ρSO42-+ 286. 46 Ｒ2=0. 784 (1)
式中: ρTDS、ρMg2 +、ρSO42-——TDS、Mg2 +、SO42-的质量浓度(mg/L) ;
Ｒ2——相关系数，无量纲。
由式(1) 可见，Mg2+、SO42-与TDS 的相关系数大于0. 7。此外，Mg2+与SO42-、Ca2+与SO42-、Na+与HCO3-、K+与SO42-也存在显著的相关性，Ca2+与HCO3-相关系数较低(Ｒ=0. 326) 。滦河流域地层中，常见的矿物为石英［15］、长石［16］、云母等硅铝酸盐，黏土矿物中以蒙脱石和伊利石为主［17］，局部地区含有方解石、白云石等碳酸盐矿物，同时盐岩等蒸发岩对浅层水的水化学组分同样具有重要的影响。据此可初步推测石英、长石等硅铝酸盐，方解石、白云石等碳酸盐矿物以及盐岩的风化溶解是区域水体的主要离子来源。
3. 3 水化学空间分布特征
利用水化学三线图可以表明水体的主离子组成变化，体现不同水体的化学组成特征，从而辨别其控制端元［18］。在阳离子Ca2 +—Mg2 +—(Na++ K+) 组成的三角图中，流经碳酸盐地区的组分点落在Ca2 +—Mg2 +线上，且靠近Ca2+端; 流经蒸发盐岩地区的组分点偏向(Na++ K+) 。在阴离子HCO3-—SO42-—Cl-组成的三角图中，流经碳酸盐地区的组分点落在HCO3-端;流经蒸发盐岩地区的组分点落在SO42-—Cl-线上，且远离HCO3-端［19］。
图2 为滦河河水及浅层地下水的阴阳离子组成。图2a表明入海口以上(剖面Ⅰ-Ⅵ) 河水阳离子组分分布在Ca2+—Mg2+线上，且微偏向Ca2+端，Ca2 +、Mg2 +、(Na++K+) 离子浓度变化不大，浓度范围分别集中在38%～50%、23%～38%、19%～37%。阴离子以HCO3-、SO42-为主，靠近HCO3-端，HCO3-浓度范围集中在60%～80%。推测在入海口以上，河水水化学组分
受碳酸盐溶解作用的影响较大。而入海口(剖面Ⅶ) 的离子组分分别在SO42-—Cl-线上及靠近(Na++K+) 端，表现出海水的特性。同时入海口处河水可能存在蒸发盐岩的溶解。
根据地下水阴阳离子的三角图(图2b) 可以得出:山间盆地(剖面Ⅰ、Ⅱ) 和冲洪积扇(剖面Ⅲ-V) 地下水浅层阳离子分布在Ca2+—Mg2+线上，且微偏向Ca2+端。阴离子大部分靠近HCO3-端，但分布较为分散。离子浓度由大到小的顺序为HCO3-＞SO42-＞Cl-，HCO3-是该区地下水的主要控制因素。由于该地有白云石、方解石等碳酸盐矿物分布，由此推知该区浅层地下水化学组分受碳酸盐溶滤作用控制。位于冲积海积平原的剖面Ⅵ地下水的阳离子位于(Na++K+)端，阴离子分布在HCO3-—Cl-线上，靠近HCO3-端，SO42-含量相对稳定，占阴离子组成的10%～20%，HCO3-仍是主要的控制离子。入海口剖面Ⅶ的地下水样Na+和Cl-浓度分别占阳、阴离子各组成的50%以上，由此推测冲积海积平原的近海区可能受到海水入侵影响，致使Na +、Cl-浓度的显著增高。
4 水化学类型形成作用
4. 1 溶滤作用
溶滤作用是指在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，溶滤作用的结果，岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。
通过对世界地表水化学组分的分析，Gibbs 将天然水组分的控制因素分为三个类型: 大气降水控制型、岩石风化控制型和蒸发－结晶控制型［20］。并利用TDS—Na+/(Na++Ca2+) 关系图和TDS—Cl-/(Cl-+ HCO3-) 关系图划分出三种主要控制因素下天然水体的特征区域(图3) 。
将河水和地下水的水化学数据绘入Gibbs 模型中。可以看出，滦河河水和沿岸地下水绝大部分落在Gibbs模型中。(1) 入海口剖面Ⅶ河水位于Gibbs 模型的右上端，进一步表现出海水的特性。(2) 入海口以上(剖面Ⅰ－Ⅵ) 河水分布于岩石风化控制区与蒸发/结晶控制区之间，更靠近蒸发/结晶控制区，表明控制河水水化学特征的主要作用是岩石风化作用和蒸发/结晶作用，并且受蒸发/结晶作用的影响程度更大。(3) 地下水点在两图中有所差异，但地下水点大部分分布于岩石风化控制区与蒸发/结晶控制区之间，表明其水化学组成受两种作用共同控制。综上，入海口剖面河水显示出海水特性; 滦河沿岸地下水和入海口以上河水的水化学组分形成主要受岩石风化和蒸发/结晶作用控制。
此外，C1-离子与TDS 和Na++K+离子的比值也可以反映研究区可能存在的溶滤作用。Cl-/TDS 随TDS 的变化有两个趋势(图4a)，一个是随着TDS 的增加基本保持不变，另一个是随着TDS 的增大而增大，表明地下水存在岩盐溶解，并且受蒸发作用的影响［10］。(Na++ K+)/ C1-的相互关系可以进一步确定离子是否存在硅铝酸盐矿物的溶解［20］，通过C1-—Na++K+关系图(图4b) 发现，大多数地下水点位于C1-= Na++K+线附近，部分点分布在该线两侧，说明该区不仅发生了岩盐的溶解，同时发生硅铝酸盐矿物等的溶解。研究区水体中Mg2 +、Ca2+主要来自含镁和钙的硅铝酸盐或碳酸盐的溶解，通过 (Mg2++Ca2+)—γ (HCO-+ SO42-) 散点图可以推断其来源［22～23］。图4c显示，河水位于(Mg2++Ca2+)/(HCO-+ SO42-)=1 的两侧，表明河水水化学形成的主要作用是碳酸盐矿物和硅铝酸盐矿物的溶解。地下水绝大部分落在(Mg2++Ca2+)/(HCO-+SO42-)=1的下方，硅铝酸盐矿物的溶解是该区浅层地下水形成的主要作用，同时可能存在碳酸盐的溶解。γ(SO42- +Cl-)—γHCO3-散点图(图4d) 反映水体溶
解碳酸盐的情况。图4d 显示河水位于HCO3-/(SO42-+Cl-)=1的上方，表明河水主要来自碳酸盐的溶解;而地下水大部分位于HCO3-/(SO42-+Cl-)=1的上方，少数点位于该线下方，表明地下水来自碳酸盐的溶解，部分来自蒸发盐岩的溶解。综上所述，滦河河水主要存在碳酸盐矿物和硅铝酸盐矿物溶解，入海口处可能受蒸发盐岩溶解的影响。而硅铝酸盐溶解、碳酸盐的溶解以及蒸发盐岩的溶解是浅层地下水水化学类型形成的主要作用。
4. 2 蒸发浓缩作用
由研究区水文地质条件可知，从出山口到入海口浅层地下水埋深逐步变浅，地势逐渐平坦。冲积海积平原(剖面Ⅵ、Ⅶ)，降雨量相对较小，地下水径流缓慢，给蒸发浓缩作用提供了有利条件。上述分析已经显示出蒸发作用对河水和浅层地下水的影响。而入海口处(剖面Ⅶ) 的水体受到较强的蒸发作用。蒸发浓缩作用导致地下水的TDS 浓度逐渐上升，通常形成TDS＞1g/L 的HCO3·Cl 型水。在冲积海积平原存在的Cl·HCO3型，则是蒸发浓缩作用较强的另一指示。
4. 3 阳离子交替吸附作用
阳离子交替吸附作用是在一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转化为地下水中的组分。阳离子交换的典型反应方程式如下:
Ca2+(水)+2Na+(岩) →Ca2+(岩)+2Na+(水)
Mg2+(水)+2Na+(岩) →Mg2+(岩)+2Na+(水)
从出山口到入海口，河水和地下水的钠吸附比(SAＲ) 不断增大(图5)，说明阳离子交替吸附作用逐渐增强，在冲积海积平原(即剖面Ⅵ、Ⅶ) 阳离子交替吸附作用很强。地下水中Mg2 +、Ca2 +、Na+浓度的分布显示，从出山口到入海口，山间盆地和冲洪积扇顶(即剖面Ⅰ－Ⅲ) Mg2+、Ca2 +、Na+的浓度变化不大，但基本呈现Ca2+含量不断减少，Na+含量不断增加、Mg2+含量基本不变的趋势。也表明发生阳离子交替吸附作用。冲积海积平原Na+含量大幅度增加，Ca2 +含量有所下降，Mg2+含量缓慢下降，进一步表明阳离子交替吸附作用增强。
4. 4 混合作用
混合作用是成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水。滦河下游河水和浅层地下水之间存在密切的水力联系。由于地形等对地下水流动的控制，从出山口到入海口，各水体间存在不同程度的混合作用。山间盆地含水介质颗粒较粗，黏性土多以透镜状分布，上下水力联系好，地下水循环积极，形成低溶解性总固体的重碳酸型水。磁铁矿存在地段，地下水TDS 增加到1g/L 以上，低溶解性总固体的河水渗漏补给地下水后，使得该区地下水的溶解性总固体有所减小。冲洪积扇河水与浅层地下水的水力联系复杂，相互补给，河水与地下水相互控制。
4. 5 人类活动影响
人类活动对研究区浅层地下水组分的影响主要包括引滦工程、地下水开采等方式。这些人类干扰导致了地下水补给条件的变化，对溶滤、混合作用等产生了复杂的影响。为解决津唐地区的缺水问题及提高下游灌溉用水保证率，国家先后在滦河修建了潘家口水库、大黑汀水库、引滦枢纽工程以及桃林口水库。这些工程运行之后，导致滦河下游径流量大幅度减少，改变了地下水的补给条件，河水与地下水的补给关系发生变化。同时随着该区开采量的增加，导致地下水降落漏斗的产生，咸淡水界面发生移动。使混合作用、溶滤作用、阳离子交替吸附作用在时间和空间及强度上发生改变。
5 结论
(1) 从山间盆地至冲洪积扇再到冲积海积平原，地下水类型由HCO3型过渡到HCO3·SO4(SO4·HCO3)型，再逐渐转变为C l·HCO3型，而阳离子则由Ca(Ca·Mg) 向Na·Ca(Na) 型转化。除入海口处河水水化学类型为Cl—Na型以外，河水水化学类型主要为HCO3·SO4—Ca·Mg(SO4·HCO3—Ca·Mg) 型。山间盆地和冲洪积扇地下水呈现Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K +、HCO3-＞SO42-＞Cl-，冲积海积平原地下水样阳离子均呈现Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，剖面Ⅵ上地下水水样阴离子仍然呈现HCO3-＞SO42-＞Cl-，而剖面Ⅶ地下水阴离子呈现Cl-＞HCO3-＞SO42-变化趋势。
(2) 浅层地下水以形成过程中既有盐岩的溶解，又有硅铝酸盐矿物(石英、长石、云母
等) 的溶解，同时还存在白云石、方解石等碳酸盐矿物的溶解。此外，形成过程受地形地貌以及地质结构的控制。溶滤作用是控制地下水水化学变化的主要作用，并且向下游随着含水介质颗粒变细，地下水径流缓慢，溶滤作用减弱，蒸发浓缩作用逐渐增强，溶滤作用逐渐被阳离子交替吸附作用代替，到冲积海积平原，水化学作用以阳离子交替吸附作用和蒸发浓缩作用为主。
(3) 河水的水化学形成优势机制是蒸发浓缩作用，同时溶滤河床中的碳酸盐矿物和硅铝酸盐矿物，冲积海积平原可能存在蒸发盐岩的溶解。此外，人类活动对水化学演化的各过程都有不同程度的影响。
致谢: 感谢长安大学环境科学与工程学院研究生张樑、王宇航、魏哲、赵亚琼、张在勇等在样品采集过程中给予的支持与帮助。感谢中国建筑材料工业地质勘查中心陕西测试研究所在样品测试中给予的支持。
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作者简介: 王晓曦(1989-)，女，硕士研究生，从事水文学与水资源研究。
3.1 水 第2课时水的性质 教学目标： 1.知识与技能 （1）知道水是一种重要的分散剂 （2）初步认识悬浊液、乳浊液、溶液的概念，辨析它们的区别 (3) 掌握二氧化碳、生石灰、硫酸铜和水的反应以及水合现象，懂得结晶水合物 2.过程与方法 （1）观察、收集生活中的实例，交流各种分散体系。 （2）通过实验，记录、观察二氧化碳、生石灰、硫酸铜反应，学习水的化学性质。 3.情感态度与价值观 （1）体验各种分散体系对人类生活生命的重要意义 （2）培养仔细观察的科学实验态度 重点和难点： 教学重点：二氧化碳、生石灰、硫酸铜和水的反应 教学难点：区别溶液、悬浊液、乳浊液 教学用品： 药品：植物油、汽水、食盐、蒸馏水、泥土、生石灰、石蕊、硫酸铜 仪器：烧杯、试管、玻璃棒、药匙、镊子、吸管 教学过程： [展示]烧杯中有浮动的冰，鱼照样能自由的生存。这是为什么？ 今天我们就来学习“水”，解释这一现象。 [提问]物质的物理性质包括哪几方面？ [提问]水是我们最熟悉的物质，就你知道的，观察到的水具有哪些物理性质？ [板书] 3.1水 三、水的性质 1．水的物理性质：无色、无味、液体。在标准状态下，沸点100℃，凝固点0℃。 [提问]看书p70表，比较一下水的密度，说说水在什么温度时密度最大？ [板书]4℃时，水的密度最大。 [讲述]由于，4℃时，水的密度最大，0℃时密度却变小，这种现象称为反膨胀，这种性质跟分子的缔合有关。 正由于水具有的这种反常膨胀的奇特性质，使冰能浮在水面上，在寒冷的冬天，水生生物在河流和湖泊中的以生存。 （解释课开始时的现象） 2．水的特性： 1）缔合性 [设问]为什么在工厂里、我们生活中，通常我们用冷水来降低物质的温度，又用温水去预热物质，起到节约能源的作用呢？ [讲述]由于水就有吸收大量热量的功能 [讲述]水还有极高的溶解和分散其他物质的能力。 [演示]饮料、注射用药水 [板书] 2）分散性
习题六 地下水的化学成分及其形成作用 一、名词解释 1．总溶解固体：地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量。 2．变温带：受太阳辐射影响的地表极薄的带。 3．常温带：变温带以下，一个厚度极小的温度不变的带。 4．增温带：常温带以下，随深度增大而温度有规律地升高的带。 5．地温梯度：指每增加单位深度时地温的增值。 6．溶滤作用：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。 7．浓缩作用：由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大的作用。 8．脱碳酸作用：地下水中CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。 9．脱硫酸作用：在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使硫酸根离子还原为硫化氢的作用。 10．阳离子交换吸附作用：一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。 11．混合作用：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水，这便是混合作用。 12．溶滤水：富含CO2与O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。 13．沉积水：指与沉积物大体同时生成的古地下水。 14．内生水：来自地球深部层圈物质分异和岩石变质作用过程中化学反应生成的水。 15．总硬度：水中所含钙离子和镁离子的总量。 16．暂时硬度：指水中钙离子和镁离子与碳酸根离子和重碳酸根
离子结合的硬度。 17．永久硬度：指水中钙离子和镁离子与氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子结合的硬度。 二、填空 1．地下水中含有各种 气体、离子、胶体物质、有机质 以及微生物等。 2．地下水中常见的气体成分有 氧气、氮气、二氧化碳、甲烷 及硫化氢 等。 3．地下水中分布最广、含量较高的阴离子有 氯离子、硫酸根离子及重碳酸根离子 等。 4．地下水中分布最广、含量较高的阳离子有 钠离子、钾离子、钙离子 及 镁离子 等。 5．一般情况下，低矿化水中常以 重碳酸离子、钙离子 及 镁离子 为主；高矿化水则以 氯离子及 钠离子 为主。 6．一般情况下，中等矿化的地下水中，阴离子常以 硫酸根离子为主，主要阳离子则可以是 钠离子 ，也可以是 钙离子 。 7．地下水化学成分的形成作用有 溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用和混合作用。 8．据地下水化学成分的成因类型，可将地下水分为 溶滤水、沉积水 和 内生水 。 9．在低矿化水中，阴离子以重碳酸盐为主，阳离子以钙离子、镁离子为主。随着蒸发浓缩，溶解度小的钙、镁的碳酸盐部分析出， 硫酸根 及 钠离子 逐渐成为主要成分，继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，便将形成以 氯离子 、钠离子 为主的高矿化水。 10．当含钙为主的地下水，进入主要吸附有钠离子的岩土时，水中的钙离子便置换岩土所吸附的一部分 钠离子 ，使地下水中 钠离子增多而 钙离子 减少。
水的基本物理化学性质 一. 水的物理性质（形态、冰点、沸点）： 常温下（0~100℃），水可以出现固、液、气三相变化，利用水的相热转换能量是很方便的。 纯净的水是无色、无味、无臭的透明液体。水在1个大气压时（105Pa），温度 1)在0℃以下为固体，0℃为水的冰点。 2)从0℃-100℃之间为液体（通常情况下水呈液态）。 3)100℃以上为气体（气态水），100℃为水的沸点。 4)水是无色、无臭、无味液体，在浅薄时是清澈透明，深厚时呈蓝绿色。 5)在1atm时，水的凝固点(f.p.)为0℃，沸点(b.p.)为100℃。 6)水在0℃的凝固热为5.99 kJ/mole(或80 cal/g)。 7)水在100℃的汽化热为40.6 kJ/mole(或540 cal/g)。 8)由於水分子间具有氢键，故沸点高、莫耳汽化热大，蒸气压小。 9)沸点： (1)沸点：液体的饱和蒸气压等於液面上大气压之温度，此时液体各点均呈剧烈汽 化现象，且液气相可共存若液面上为1 atm(76 mmHg)时，则该沸点称为「正常沸点」，水的正常沸点为100℃。 (2)若液面的气压加大，则液体需更高的蒸气压才可沸腾；而更高的温度使得更高 的蒸气压，故液体的沸点会上升。液面上蒸气压愈大，液体的沸点会愈高。 (3)反之，若液面上气压变小，则液面的沸点将会下降。 10)水在4℃(精确值为3.98℃)时的体积最小、密度最大，D = 1g/mL。 11)三相点：指在热力学里，可使一种物质三相（气相，液相，固相）共存的一个温度 和压力的数值。举例来说，水的三相点在0.01℃（273.16K）及611.73Pa 出现。 12)临界点（critical point）：物理学中因为能量的不同而会有相的改变(例如：冰 →水→水蒸气),相的改变代表界的不同,故当一事物到达相变前一刻时我们称它临 界了,而临界时的值则称为临界点。之温度为临界温度，压力为临界压力。 13)临界温度：加压力使气体液化之最高温度称为临界温度。如水之临界温度为374℃， 若温度高於374℃，则不可能加压使水蒸气液化。 14)临界压力：在临界温度时，加压力使气体液化的最小压力称之。临界压力等於该液 体在临界温度之饱和蒸气压。 二. 水的比热： 把单位质量的水升高1℃所吸收的热量，叫做水的比热容，简称比热，水的比热为4.18xKJ/Kg.K。 在所有的液体中，水的比热容最大。因此水可作为优质的热交换介质，用于冷却、储热、传热等方面。 三. 水的汽化热： 在一定温度下单位质量的水完全变成同温度的气态水（水蒸气）所需的热量，叫做水的汽化热。 水从液态转变为气态的过程叫做汽化，水表面的汽化现象叫做蒸发，蒸发在任何温度下都能进行。 水的汽化热为2257KJ/Kg。一般地：使水在其沸点蒸发所需要的热量五倍于把等量水从1℃加热到100℃所需要的热量。
资源环境 节能减灾 与s/cm ，它不仅反映了水中例子强度，还可以指示总 例子组成以及溶解态的无机物组成。2.1.3水中溶解氧 地下水水体中元素在三相中转化，同水中的氧化还原反映强度有很大关系，水中溶解氧的浓度直接反映生态环境的 节能技术改造节能汇总表 4结论 项目改造前公司2009年2座混合式一段煤气发生炉耗煤53900t/a （热值7200kcal/kg 的高热值块煤，折标煤55441tce/a ），5座链排式燃煤喷雾干燥塔粉煤67231.8t/a （热值5780kcal/kg ，折标煤55514.3tce/a ），合计烧成热耗110955.3tce/a （相当于5000kcal/kg 的原煤155336t/a ），产品烧成单耗为4.5287kgce/m 2；水消耗量为88.7949万m 3/a ，电消耗量4988.81万kwh/a 。 煤气炉改造后烧成单耗下降为3.53985kgce/m 2，公司用5000kcal/kg 的原煤121419.865t/a ，煤气炉改造节煤折标煤 24226.825tce/a （相当于5000kcal/kg 的原煤33916.135t/a ），改造后用电4397.3156万kwh/a ，项目改造节电591.4944万kwh/a,项目改造节能折标煤26297tce/a 。 煤气发生炉气化后的炉渣基本不含可溶性的有害物，对环境不会造成危害，可以用于铺路、制砖。 由以上所述，本项目改造完成后，公司可年节约原煤折标煤24226.825tce/a ；建成后的环保效益显著，从源头上削减烟尘和SO 2等污染物，明显改善周边的环境。参考文献： [1]高力明.陶瓷工业的燃烧技术进步与节能减排[J ].中国陶瓷 工业,2008,15(4)∶1-6. [2]杨洪儒,苏桂军,曾明峰.我国建筑卫生陶瓷工业能耗现状及 节能潜力研究[J ].陶瓷,2005,11:9-20. [3]骆晓玲,徐坤山.煤气发生炉工作原理的研究[J ].煤炭工程, 2009,8:98-100 [4]顾群音.煤气发生炉气化过程分析与提高煤气品质的技术 措施[J ].上海理工大学学报,2006.1:99-102.
水的化学性质 化学式：H?O 结构式：H—O—H（两氢氧键间夹角104.5°）。 相对分子质量：18.016 化学实验：水的电解。方程式：2H?O=通电=2H?↑+O ?↑（分解反应） 分子构成：氢原子、氧原子。 水具有以下化学性质： 1.稳定性：在2000℃以上才开始分解。 水的电离：纯水中存在下列电离平衡：H?O==可逆 ==H?+OH?或H?O+H?O=可逆=H?O?+OH?。注：“H?O?”为水合氢离子，为了简便，常常简写成H?，更准确的说法为H9O4?，纯水中氢离子物质的量浓度为 10??mol/L。 2.水的氧化性：水跟较活泼金属或碳反应时，表现氧化性，氢被还原成氢气。 2Na+2H?O=2NaOH+H?↑ Mg+2H?O=Mg（OH）?↓+H?↑ 3Fe+4H?O（水蒸气）=Fe?O?+4H?（加热）C+H?O=CO+H?（高温）
3.水的电解： 水在直流电作用下，分解生成氢气和氧气，工业上用此法制 纯氢和纯氧2H?O=2H?↑+O?↑。 4.水化反应： 水可跟活泼金属的碱性氧化物、大多数酸性氧化物以及某些不饱和烃发生水化反应。 Na?O+H?O=2NaOH CaO+H?O=Ca（OH）? SO?+H?O=H?SO? P?O?+3H?O=2H?PO? CH?=CH?+H?O←→C?H?OH 5.水解反应 盐的水解氮化物水解： Mg?N?+6H?O（加热）=3Mg（OH）?↓+2NH?↑ NaAlO?+HCI+H?O=Al（OH）?↓+NaCI（NaCI 少量） 碳化钙水解：CaC?（电石）+2H?O（饱和氯化钠）=Ca（OH）?+C?H?↑ 卤代烃水解：C?H?Br+H?O（加热下的氢氧化钠溶液）←→C?H?OH+HBr 醇钠水解：
浅述地下水水化学特征分析方法研究 发表时间：2012-12-20T09:33:38.530Z 来源：《建筑学研究前沿》2012年9月供稿作者：丁时晨[导读] 地下水是地质环境构成要素中最为活跃、动态变化最为剧烈的要素之一。丁时晨江苏地矿局第五地质大队 221004 摘要：地下水是地质环境构成要素中最为活跃、动态变化最为剧烈的要素之一，最重要的方式就是对地下水物理特性及水化学特征进行分析，地下水化学特征分析常用描述方法有矿化度、化学组分、同位素分析、污染源分析、氨氮含量、重金属含量等，为资源保护和生态文明提供决策支持。 关键词：水文地质；地下水; 水化学性质；水化学特征；特征分析近年来，研究地下水水化学特征以及进行地下水水质评价已经成为水文地质界比较热得话题，国内外众多学者都采用不同的方法对不同地区进行水质评价和水化学特征研究，促进了地下水科学的极大发展。地下水化学特征受补给来源，地球化学，排水系统，表层厚度，大气和土壤以及人类活动的共同影响，表现出时间和空间异质性特征。地下水在岩石圈运移过程中不断的与岩石发生化学反应，并与大气圈和生物圈进行长期的水循环过程，同时也进行着化学成分转化，随着人类活动在地球表面系统圈进一步深度的发展，人为因素也对地下水产生重要的影响。地下水水化学特征一般从水文地质和化学特征两个方面进行说明，水文地质调查一般从现场勘查可以对地质状况有个比较清晰地认识，对于地下水水化学特征则需要现场检测和实验分析过程进行了解。 1 地下水的化学性质 矿化度:存在于地下水中的离子、分子及化合物的总含量称为地下水的矿化度。矿化度是反映地下水化学成分的主要指标一般情况下,地下水随着矿化度的变化，所占主要离子的种类也相应改变。低矿化度的淡水常以HCO3-为主要成分，中矿化度的盐质水常以SO42-为主要成分，高矿化度的咸水和卤水则常常是以Cl-为主要成分。酸碱度水的酸碱度常以PH值表示，是水中氢离子浓度的负对数值，当PH=7时，说明水为中性;当PH<7时，说明水呈酸性，当PH>7时，说明水呈碱性。硬度水中Ca2+和Mg2+的含量多少用“硬度”概念表示。水中所含Ca2+和Mg2+的数量称为水的总硬度。 2 地下水水化学分析指标 2.1 地下水水化学特征现场观测 地下水物理性质与所含化学成分密切联系，在一定程度上反映地下水的化学成分与形成环境。因此，在进行地下水化学成分研究时，首先要研究地下水的物理性质。 2.1.1 温度监测 自然界许多化学变化都是在一定温度下才能发生的，温度对水体中的化学元素的浓度和存在状态都有一定的影响，甚至表层地下水对气候的干湿冷暖都有响应。地下水温度对气温的响应一般都存在一个滞后期且变化幅度可能会是微弱的。 2.1.2 电导率监测 电导率是地下水传送电流的能力，它和电阻值相对应，测量单位为，它不仅反映了水中例子强度，还可以指示总例子组成以及溶解态的无机物组成。 2.1.3 水中溶解氧 地下水水体中元素在三相中转化，同水中的氧化还原反映强度有很大关系，水中溶解氧的浓度直接反映生态环境的状况。 2.1.4 PH值监测 地下水的PH值（即酸碱度）主要取决于地下水中的H+浓度，是制约元素迁移和沉淀的主要条件。水中的PH值能够直接影响迁移强度大的元素。 2.2 地下水水化学特征实验分析 2.2.1 矿化度 水中化学组分含量的总和称为总矿化度。地下水在运移过程中通过淀滤，蒸发和沉积作用，使得地下水矿化度发生变化。天然水按矿化度的分类，矿化度在0.000—1.000g/L之间的为淡水；矿化度在1.000—3.000g/L之间的为微咸水；矿化度在3.000—10.000g/L之间的为咸水；矿化度在10.000—100.000g/L之间的为盐水；矿化度在＞100.000g/L之间的为卤水；按照各个划分标准可以对研究区地下水性质进行划分。 2.2.2 化学成分分析 化学成分主要是研究地下水多汗阴阳离子浓度，主要的例子监测室以K+,Na+，Ca2+，Mg2+为主；阴离子主要以Cl-，SO42-，PO43-,NO3-,HCO3-为主。阴离子和阳离子一起不仅可以反映水体的化学组成，还可以进一步揭示不同端元对研究水体的影响。（Stallard，1983）利用Piper三线图的方法可以得出水化学类型。此种方法可以看出地下水与岩石耦合发生反应得岩石类型。主要影响地下水的矿物主要是方解石，白云石，石膏等，天然情况下阳离子Ca2+，Mg2+和阴离子HCO3-和SO42-空地下空间变化来源于水岩作用中对岩石溶解，据此可以推算出相关的溶解率等指标。其中还要有降水对其离子变化的贡献。人类生产生活对地下水Ca2+，Mg2+，HCO3-和SO42-扰动也比较大。 K+,Na+和NO3-，SO42-，Cl-离子主要来源于除降水之外还要受到花费，人畜粪便，生活废水等。 Cl-被认为是具有惰性的离子，它既不容易吸附在黏土上，也不容易产生氯化物沉淀，除非其浓度超过200g/L。单纯雨水中Cl-来自海洋，随距海洋距离越远其浓度呈指数级衰减，运移过程中受到大陆上空尘埃和气体（天然的和工农业生产）影响会改变雨水中Cl-浓度。Cl-在地下运移中不会在透水层停留就不会明显产生Cl-。 2.2.3 同位素在水化学特征分析中应用 人气降水卞要来源于海水蒸发形成的蒸汽团，故人气降水的同位素组成特征取决于海水的同位素组成及海水蒸发冷凝中同位素的分馏作用，它决定了人气降水形成初期氢氧同位素组成特征，即人气降水的 D和 18O成线性关系。大气降水形成后，其氢氧同位素组成特征在其空间运移上还会随着温度和空间变化产生新的效应，即温度效应、纬度效应、高程效应和降水量效应。1991年原地矿部水文地质工程地质研究所得出西南地区降水线方 D=7.87 18O+11.09。
水岩作用的研究现状及趋势 水岩作用(Water-Rock Interaction—WRI）泛指地质作用过程当中所发生的流体与岩石的相互作用。具体来说，水溶液和岩石在岩石固相线以下的温度、压力范围内进行的各种化学反应和物理化学作用。学者们对水岩作用的研究起源于20世纪50年代末，此后得到不断的重视和发展，并于1974 年在捷克召开了第一届国际WRI 学术会议。20世纪中叶以来，固体地球科学和环境地球科学都越来越重视水岩作用研究，已经成为水文地质学、地球化学、岩石学、工程地质学、地热学、矿床学、环境化学等学科的研究热点和前沿领域．对于水文地质而言和工程地质而言，很多问题均得益于把地下水和固体含水介质作为整体的系统来研究。 1国内外研究现状 1.1研究方向 目前, 关于水岩作用的研究主要涉及到两个方向,一是水文地质方向;二是工程地质和岩土力学的方向。前者主要研究水与岩土介质作用对地下水溶质运移的影响, 其采用的研究方法主要是水力学和同位素化学方法等,对于这方面的研究,资料很多。我国沈照理先生在1991年就提出了此问题, 并得到了同行们的广泛支持与响应。到目前为止,国际上已召开了多次相关的学术会(Water-Rock Interaction—WR I ) ,集中反映了国内外学者的研究成果,为水资源的研究做出了很大的贡献。后者主要集中在水与岩土介质作用对岩土的力学状态、变形特性的影响。由于它涉及到工程的成败问题, 因此必须对之进行详细而认真的研究。 1.2水岩作用的分类 从工程地质学和岩土工程的角度看,水岩作用主要有以下两类: 即力学和物理化学作用。力学作用包括静水压力、动水压力和浮托力等; 物理化学作用主要有水的软化作用、岩溶(溶解与沉淀)、冻融、基质吸力等。王思敬院士将水库地区的水岩作用总结为以下几种:岩土的软化,即在水的作用下岩石单轴抗压强度的弱化; 渗压效应, 岩体结构面上渗压主要是通过降低有效法向应力来降低结
第九章各类天然水体的水化学概况 天然水在自然界中的分布和循环，构成地球的水圈，水圈为地球表面和接近地球表面的各类水的总称。天然水的总水量近14亿km3, 地球表面积的三分之二被其所覆盖。天然水在流动与循环过程中接受了周围环境的各种杂质，形成不同水系。按天然水形成、形态与性质的特点，可划分为河水、湖（库）水、地下水、大气降水(雨水、雾、雪、霜、雹等)及海水五大类。各类天然水均具有各自的特点，即使同类水体，其水质状况也不尽相同。这是由于水体所处的环境条件，如气象、气候、地理、地质、人类生产与生活用水和排废、各种生物的生命代谢活动等均会影响水质。本章将简要叙述各种类型天然水体的水化学概况及相关概念。 第二节河水 一、河流水化学基本特点 河流是大气降水径流和出露地面的地下水径流在地表线性凹地汇集而成的水体，河流是自然界水分循环的组成部分及水量平衡的组成要素。其具有集水流域面积广、敞开、流动等特点。河流水质与土壤、岩石、植被、气候及河水的补充水源等状况有关，和人类活动有关，特别是与水中生物生命代谢活动直接相关。河流是水圈中最为活跃的部分，由于其流动所涉及的面积较为广阔，流动过程中接触的环境较复杂，且多样性，故河水化学组成具多样性和易变性的特点，不同地区河流与同一河流的不同季节、不同河段，其河水化学成分都可能有较大差异。通常河流的水化学有以下基本特点： 1、溶解有丰富的气体 因河水处于运动状态，与空气接触充分，溶有空气中的各种气体，溶解氧气和氮气较丰富，含量近为饱和。未污染河流中生物不多，溶解氧等气体的含量主要受温度和气压影响。 夏季大型水库溢洪放水时，放出大量温度低且为溶解气体所饱和了的库水，这些水在大坝以下河道中如温度迅速上升，可能造成水中溶解气体过饱和。 2、河水化学组成与含盐量 （1）主要离子世界各地河水所含主要离子种类相同，阳离子为：Ca2+、Mg2+、Na+、、K+，阴离子为：HCO3- CO32-、SO42-、Cl-，即通常所说八大离子。世界河水平均化学组成、我国及世界部分河流主要离子含量和分别列于表9-3、9-4与9-5。多数河流主要离子中以HCO3-和Ca2+含量最高，水质属碳酸盐类钙组。在含盐量较高河水中，水质类型可能与前者不同，存有硫酸盐类或氯化物类钠组类型水质。较多河水中主要离子含量大小基本具有以下顺序：阳离子：[Ca2+]>[Na++K-]> [Mg2+]，阴离子：[HCO3-+CO32-]> [SO42-]> [Cl-] 东南沿海各河流，水质类型主要以重碳酸盐类钙组或钠组为主，但是主要离子比例关系
水岩作用研究现状及趋势 水岩作用是指：水、热液和岩石在岩石固相线以下的温度、压力范围内进行的各种化学反应和物理化学作用。它是一种基本的地球化学作用，导致了化学元素、同位素在岩石与水之问重新分配，是元素活化、迁移及整个地球化学质量平衡过程的一种潜在因素。因此，它并不局限于某一种地质过程，而是广泛地存在于地壳乃至上地幔中。在水岩作用中，基本的地球化学、物理化学方式有：①流体对固相的溶解淋滤和交代，②固液两相间的同位索交换，③氧化一还原，④流体、地下水中的元素在固相表面的吸附，⑤流体、地下水流经细孔隙岩石时发生的渗滤分异。以上①、②两项在热液活动中有着广泛的意义。 水岩作用的主要地球化学特点如下：①水岩作用以流体、地下水和岩石之间存在的化学或同位素的不平衡为前提，并且是一个非平衡的地球化学过程②水岩作用的地球化学效应，与同一体系中诸矿物或元素问的差异行为有关，这种差异是元素选择性迁移、栝化及矿物间同位素非平衡现象的原因，⑤水岩作用是一个与时间有很大关系的过程，尤其是一些受局部性、暂时性热源控制的水岩作用，表现得更为明显。 由于上述原因，水岩作用研究的一个关键问题，就是阐明整个过程的动力学效应。地球化学动力学理论是水岩作用地球化学研究的主要理论工具，在今后的一段时间内将是地球化学理论的一个重要发展方向。
水岩作用对各种地质构造、工程施工都有很重要的影响，目前，主要研究以下几个方面： 1、低温地热系统水岩作用的实验研究。用水——岩反应实验模拟了开采条件下天然地热水的化学组分，研究开采引起的水化学性质改变的主要控制因素和过程，认为其机理通常是储层中水岩反应的重新整。实验结果揭示出储层中水岩比发生了局部变化，从理论上找到了地热水资源开发中的水动力学过程和水化学过程的结合点，在实践找到到了调节、控制和改良水质的技术途径和方法。 2、红层泥岩水岩作用特征研究。红层中的泥岩具有透水性弱、亲水性强，遇水易软化、塑变，抗风化能力弱，易崩解等特性。特别是遇水后岩体及结构面抗剪强度大幅度降低，并且具有遇水膨胀、失水收缩的工程特性。水岩作用对边坡的影响主要有，结构面遇水泥化导致楔形体失稳，泥岩塑性变形引起边坡蠕变，同时红层还具有很强的崩解性，边坡开挖后发生崩解等现象。 3、滑坡体水岩作用机制与变形机理研究。水岩作用对滑坡形成与发展具有非常重要的影响。从水岩作用的材料力学效应、水力学效应、化学效应及地震效应4个方面对某滑坡体的水岩作用机制进行了分析，其中前3种作用机制对滑坡体的变形演化与复活关系最为密切。在此基础上，对滑坡体变形机理进行了综合分析。分析认为，滑坡发育的基本条件有软硬相间的有利地层结构、地质构造条件等；滑坡发育的诱发因素有降雨、水库蓄水及人类活动等。 4、人工回灌条件下的水岩作用研究。人工回灌过程中所发生的
内蒙古河套平原现代湖泊的 水化学特征及成因类型 收稿日期:20160914;修订日期:20161119; 编辑:王敏基金项目:中国地质调查局 特殊地质地貌区填图试点 项目(D D 20160060 )作者简介:李成路(1992 ),男,山东济宁人,硕士研究生,主要从事第四纪环境及覆盖区填图等方面的研究;E m a i l :l c l h l b @126.c o m 李成路1,张绪教1,叶培盛2,傅连珍1,叶梦旎1 (1.中国地质大学地球科学与资源学院,北京 100083;2.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081 )摘要:在1?5万区域地质调查的基础上,于山前 黄河 沙漠沿线采集湖水二地下水样品16组,分析其水化学特征,并结合遥感解译和钻探等技术方法划分了河套平原现代湖泊的成因类型三研究表明该区湖泊多数为淡水 微咸水湖,水化学类型呈N a (M g )(C a )H C O 3(C l )型;少数为咸水湖,水化学类型呈N a (M g )(K )C l (S O 4)型,湖水T D S 变化较大,介于0.857~7.36g /L ,主要接受引黄灌溉补给和山前地下水侧向补给三湖泊的成因类型可分为河流成因的牛轭湖二基底为全新世黄河古河道冲积砂层的风蚀湖及基底为全新世风积沙层的风蚀湖;其中以Ⅱ型占主导地位三 关键词:现代湖泊;成因类型;水化学;河套平原中图分类号:P 592 文献标识码:B 引文格式:李成路,张绪教,叶培盛,等.内蒙古河套平原现代湖泊的水化学特征及成因类型[J ]. 山东国土资源,2016,32(12):3036.L IC h e n g l u ,Z HA N G X u j i a o ,Y EP e i s h e n g ,e t c .H y d r o c h e m i c a lC h a r a c t e r i t i c sa n dG e n e t i c T y p e s o fM o d e r nL a k e s i nH e t a oP l a i n [J ].S h a n d o n g L a n da n dR e s o u r c e s ,2016,32(12):3036.0 引言 湖泊具有调节河川径流二发展灌溉二提供工业和饮用水源的功能,在国民经济的发展中发挥着重要作用三同时,湖泊本身对全球变化响应敏感,能真实地记录湖区较长地质历史时期内各种环境变化的信 息[12 ]三河套平原常年干旱少雨,但是区内湖泊星罗 棋布,形成湖泊 沙丘 湿地相间分布的地貌景观三平原内湖泊湿地总面积为3.57万h m 2, 湖泊面积100~500h m 2的湖泊共10个;500~1500h m 2的 湖泊2个;大于1500h m 2的湖泊1个[36] 三仅该文研究区就有大小湖泊60余个,水域面积超过1067 h m 2三因此, 对湖泊的调查研究成为该区区域地质调查中不可缺少的一环三 湖水通过入渗补给地下水,影响地下水流场,改变地下水水化学特征三另一方面,地下水通过排泄补给湖水,导致湖水化学特征的变化[ 78] 三湖泊的化学组成在运移和形成过程中受到区域气候环境和地 质状况的强烈影响三因此,不同区域气候环境和地 质状况,湖泊的水化学特性具有明显的差异[ 910] 三研究区域内湖泊的水化学特征及湖泊的形成机制,对于查清区域地下水动态二正确评价区域水资源具有重要意义三 近年来关于河套平原湖泊水化学特征二湖水补给来源和湖水面积的动态变化等科学问题逐渐成为学者研究的热点三对于湖泊的补给来源,有观点认为补给主要来自黄河灌渠,也有观点认为现存的湖泊是河套古湖水系的残留,更有学者提出河套平原携带砷的地表水和浅层地下水可能来地下承压含水 岩系[11] 三目前,有关内蒙古河套平原水资源环境方 面的研究主要集中在地下水砷的研究上,如砷的分布规律以及高砷水中稀土元素含量及分异特征三在地下水分布以及区域气候环境演变方面也有涉 及[ 1214 ]三而对于区内湖泊的调查资料则比较欠缺,尤其是缺少对湖泊成因类型的分类梳理三 该文针对以上研究的不足,在区域地质填图的 四 03四第32卷第12期 山东国土资源 2016年12月
天然水及其分类 一、水源 水是地面上分布最广的物质，几乎占据着地球表面的四分之三，构成了海洋、江河、湖泊以及积雪和冰川，此外，地层中还存在着大量的地下水，大气中也存在着相当数量的水蒸气。地面水主要来自雨水，地下水主要来自地面水，而雨水又来自地面水和地下水的蒸发。因此，水在自然界中是不断循环的。 水分子（H2O）是由两个氢原子和一个氧原子组成，可是大自然中很纯的水是没有的，因为水是一种溶解能力很强的溶剂，能溶解大气中、地表面和地下岩层里的许多物质，此外还有一些不溶于水的物质和水混合在一起。 水是工业部门不可缺少的物质，由于工业部门的不同，对水的质量的要求也不同，在火力发电厂中，由于对水的质量要求很高，因此对水需要净化处理。 电厂用水的水源主要有两种，一种是地表水，另一种是地下水。 地表水是指流动或静止在陆地表面的水，主要是指江河、湖泊和水库水。海水虽然属于地表水，但由于其特殊的水质，另作介绍。 天然水中的杂质 要有氧和二氧化碳天然水中的杂质是多种多样的，这些杂质按照其颗粒大小可分为悬浮物、胶体和溶解物质三大类。 悬浮物：颗粒直径约在10-4毫米以上的微粒，这类物质在水中是不稳定的，很容易除去。水发生浑浊现象，都是由此类物质造成的。 胶体：颗粒直径约在10-6---10-4毫米之间的微粒，是许多分子和离子的集合体，有明显的表面活性，常常因吸附大量离子而带电，不易下沉。 溶解物质：颗粒直径约在10-6毫米以上的微粒，大都为离子和一些溶解气体。呈离子状态的杂质主要有阳离子（钠离子Na+、钾离子K+、钙离子Ca2+、镁离子Mg2+）,阴离子（氯离子CI -、硫酸根SO42-、碳酸氢根HCO3-）；溶解气体主。 水质指标 二、水中的溶解物质 悬浮物的表示方法：悬浮物的量可以用重量方法来测定（将水中悬浮物过滤、烘干后称量），通常用透明度或浑浊度（浊度）来代替。 溶解盐类的表示方法： 1.含盐量：表示水中所含盐类的总和。 2.蒸发残渣：表示水中不挥发物质的量。 3.灼烧残渣：将蒸发残渣在800℃时灼烧而得。 4.电导率：表示水导电能力大小的指标。 5.硬度的表示方法：硬度是用来表示水中某些容易形成垢类以及洗涤时容易消耗肥皂得一类物质。对于天然水来说，主要指钙、镁离子。硬度按照水中存在得阴离子情况。划分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两类。 6.碱度和酸度：碱度表示水中含OH -、CO32-、HCO3-量以及其它一些弱酸盐类量得总和。碱度表示方法可分为甲基橙碱度和酚酞碱度两种。酸度表示水中能与强酸起中和作用的物质的量。 有机物的表示方法：通常用耗氧量来表示。
第三章：水环境化学——天然水的性质 第三章：水环境化学——天然水的基本特征以及污染物存在形态 一、水和水分子结构的特异性 二、天然水的基本特征 1、天然水的组成（离子、溶解气体、水生生物） 2、天然水的化学特征 3、天然水的性质 （1）碳酸盐系统 （2）酸度和碱度 （3）天然水的缓冲能力 ● 缓冲溶液能够抵御外界的影响，使其组分保持一定的稳定性，pH 缓冲溶液能够在一定程度上保持pH 不变化。 ● 天然水体的pH 值一般在6-9之间，而且对于某一水体，其pH 几乎保持不变，这表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系。 ● 一般认为各种碳酸盐化合物是控制水体pH 值的主要因素，并使水体具有缓冲作用。但最近研究表明，水体与周围环境之间发生的多种物理、化学和生物化学反应，对水体的pH 值也有着重要作用。 ● 但无论如何，碳酸化合物仍是水体缓冲作用的重要因素。因而，人们时常根据它的存在情况来估算水体的缓冲能力。 对于碳酸水体系，当pH<8.3时，可以只考虑一级碳酸平衡，故其pH 值可由下式确定： ][] [lg 3*321--=HCO CO H pK pH 如果向水体投入△B 量的碱性废水时，相应由△B 量H 2CO 3*转化为HCO 3-，水体pH 升 高为pH ＇,则： B HCO B CO H pK pH ?+?--=-][][lg 3*321＇ 水体中pH 变化为△pH=pH ＇-pH ，即：
][][lg ][][lg 3*323*32--+?+?--=?HCO CO H B HCO B CO H pH 由于通常情况下，在天然水体中，pH=7左右，对碱度贡献的主要物质就是[HCO 3-]，因此经常情况下，可以把[HCO 3-]作为碱度。若把[HCO 3-]作为水的碱度，[H 2CO 3*]作为水中游离碳酸[CO 2]，就可推出： △B=[碱度][10△pH -1]/(1+K 1×10pH+△pH ) △pH 即为相应改变的pH 值。 ● 在投入酸量△A 时，只要把△pH 作为负值，△A=-△B,也可以进行类似计算。 举例：在一个pH 为6.5、碱度为1.6mmol/L 的水体中，用NaOH 进行碱化，需多少碱能使pH 上升至8.0? 解：△pH=8-6.5=1.5, pH=6.5, 碱度=1.6mmol/L 所以△B=[碱度][10△pH -1]/(1+K 1×10pH+△pH ) =1.6×（101.5-1）/(1+10-6.35×106.5+1.5) =1.6×（101.5-1）/45.668 =1.08 mmol/L （4）天然水的酸碱平衡 ● 许多化学和生物反应都属于酸碱化学的范畴，以化学、生物化学等学科为基础的环 境化 ● 学也自然要经常需要应用酸碱化学的理论。 ● 酸碱无时无刻都存在于我们的身边，食醋、苏打以及小苏打等都是生活中最常见的 酸和碱，一些学者认为弱碱性的水更有利于人类的健康。 ● 酸碱反应一般能在瞬间完成，pH 值是体系中最为重要的参数，决定着体系内各组 分的 ● 相对浓度。在与沉积物的生成、转化及溶解等过程有关的化学反应中，pH 值往往 能决定转化过程的方向。 ● 天然水体pH 值一般在6～9的范围内，所以在水和废水处理过程中，水体酸碱度的 观测是一个首先必须考虑的指标之一。 ● 在天然水环境中重要的一元酸碱体系有HCN-CN —、NH 4+—NH 3等，二元酸碱体系 有H 2S-HS —S 2—、H 2SO 3—HSO 3——SO 32—、H 2CO 3—HCO 3——CO 32—等，三元酸碱体系有：H 3PO 4—H 2PO 4——HPO 42——PO 43—等。
习题六地下水的化学成分及其形成作用 一、名词解释 1．总溶解固体：地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量。 2．变温带：受太阳辐射影响的地表极薄的带。 3．常温带：变温带以下，一个厚度极小的温度不变的带。 4．增温带：常温带以下，随深度增大而温度有规律地升高的带。 5．地温梯度：指每增加单位深度时地温的增值。 6．溶滤作用：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。 7．浓缩作用：由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大的作用。 8．脱碳酸作用：地下水中CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。 9．脱硫酸作用：在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使硫酸根离子还原为硫化氢的作用。 10．阳离子交换吸附作用：一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。 11．混合作用：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水，这便是混合作用。 12．溶滤水：富含CO2与O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。 13．沉积水：指与沉积物大体同时生成的古地下水。 14．内生水：来自地球深部层圈物质分异和岩石变质作用过程中化学反应生成的水。 15．总硬度：水中所含钙离子和镁离子的总量。 16．暂时硬度：指水中钙离子和镁离子与碳酸根离子和重碳酸根离子结合的硬度。
17．永久硬度：指水中钙离子和镁离子与氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子结合的硬度。 二、填空 1．地下水中含有各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等。 2．地下水中常见的气体成分有氧气、氮气、二氧化碳、甲烷及硫化氢等。 3．地下水中分布最广、含量较高的阴离子有氯离子、硫酸根离子及重碳酸根离子等。 4．地下水中分布最广、含量较高的阳离子有钠离子、钾离子、钙离子及镁离子等。 5．一般情况下，低矿化水中常以重碳酸离子、钙离子及镁离子为主；高矿化水则以氯离子及钠离子为主。 6．一般情况下，中等矿化的地下水中，阴离子常以硫酸根离子为主，主要阳离子则可以是钠离子，也可以是钙离子。 7．地下水化学成分的形成作用有溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用和混合作用。 8．据地下水化学成分的成因类型，可将地下水分为溶滤水、沉积水和内生水。 9．在低矿化水中，阴离子以重碳酸盐为主，阳离子以钙离子、镁离子为主。随着蒸发浓缩，溶解度小的钙、镁的碳酸盐部分析出，硫酸根及钠离子逐渐成为主要成分，继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，便将形成以氯离子、钠离子为主的高矿化水。 10．当含钙为主的地下水，进入主要吸附有钠离子的岩土时，水中的钙离子便置换岩土所吸附的一部分钠离子，使地下水中钠离子增多而钙离子减少。 11．地下水的物理性质主要包括：温度、颜色、透明度、嗅味和味道。 12．地壳表层有两个主要热能来源：一个是太阳的辐射，另一个是来自地球内部的热流。 13．根据受热源影响的情况，地壳表层可分为变温带、常温带、和增温带三个带。
地层水中存在各种离子是水岩作用作用的结果，按照化学反应的原理，应该是温度越高，岩石成分越易溶解，时间越久溶液中的离子就越多，也就是说地层埋深越大，地层时代越老，岩石中易容组分越多矿化度就越大 地下水，是贮存于包气带以下地层空隙，包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。地下水是水资源的重要组成部分，水质好，是饮用水的最佳选择。人体里含有40多种元素，其中，铁、氟、锌、铜、铬、锰、碘、钼、钴等9种元素是人体必须的，对生命的正常新陈代谢非常重要，不可缺少，也不可过多。许多地方病就是由于人们长期饮用不符合标准的水而引起的，如高氟水引起氟斑牙、低碘水引起大脖子病、高砷水引起皮肤癌等。我国各地不同程度地存在着与饮用水水质有关的地方病区， 地下水中含量最高的元素 Cl－，SiO42－，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，是地下水中含量最高的6种离子。 地表之下隐藏着丰富的水资源，在干旱缺水地区，寻找地下水资源对人民生产生活有着十分重要的意义；即便是在湿润地区，寻找干净水、矿泉水、温泉等，对健康休闲、提高生活品质也有十分重要的作用。相反，不合理地开采地下水，会引发地陷、沉降等各种灾害。因此，了解和掌握地下水运动规律，显得十分必要。 一、地下水的赋存条件 大气降水，一部分在地表流动，形成地面流水，另一部分进入土壤，被植被吸收，然后回到大气，最后一部分渗入地下，形成地下水。地下水通过地下径流或泉涌，最终回到地表，完成在地下的循环。水之所以能够在赋存于地下并流动，靠的是沉积物或地下岩石（层）中的空隙，其中包括孔隙、裂隙和溶隙等3种类型，换句话说，地下空隙是地下水存在前提。 油、气、水的密度不同，在圈闭内分为三个层次，最轻的天然气在上面，较重的油在中间，最重的水在下面。至此，石油从生成、运移到进入圈闭，完成了油气形成的全过程 天然气是渗滤气体的岩层。 洁净、水质好，多为低矿化的重碳酸型水。 地下水源依据地下水不同的贮存条件，一般可分为；上层滞水、潜水、承压水三种。 1)上层滞水：存在于地表面以下局部隔水层上部的水为上层滞水。一般分布范围窄，埋深比较浅。其水位随大气降水与季节影响而发生变化。
天然水的化学特征 一、雨水 雨、雪、雹等统称为降水，比较纯净，但随地区和大气环境影响，会溶存吸收杂质和气体。在接近海洋和内陆盐湖地方的降水中会溶解一些氯化钠盐分，离海岸距离近的雨水中Cl-含量高。一般雨水的总含盐量不超过50mg/L，结垢物质(钙、镁〕更微。在250C, 1大气压下，由于空气中COZ的溶人可使雨水pH值达5.6，这一因素是自然的，并非化学污染，温度、气压澎响但多不大，pH<5. 6时才称为酸雨。 二、河水 河水中含有的悬浮物和溶解盐类随流经地区的气候、地质条件、补给水的影响而变化。沿途有工矿企业排水时将污染水质。我国河水的含盐量可在13 -9185mg/L之间变化，而1000mg/L 以上者为少。河水的水化学特征是Ca z+ > Na+ > Mg2+ ; HCO3->SO2-4>Cl- 一般河水呈现微酸性。在洪峰期间悬浮物含量增加，含盐量减少;枯水期则相反。细菌、藻类及有机物在河水中含量也较高。 我国河流的水化学特征有明显的地带性:重碳酸盐类分布最广，占全国面积的680o I氯化物盐类占25.4%o，硫酸盐类分布最少占6.6%并大部分分布在西部内陆地区。东南沿海河流含盐量最少为36. 4mg/L，在塔里木河米兰附近测得含盐量达32 732mg/L(接近海水含盐度)，两者相差近1000倍。我国河水中硬度类别分布情况。 三、湖水 湖泊是提供工业和饮用的主要水源，并具有改善区域生态环境等多种功能。湖水的化学成分决定于流人水源及补给湖泊的地下水流的成分，并与在湖内进行生物作用和湖泊集水面的自然地理条件有关。是否有水流从湖泊流出，对湖水化学成分形成过程有特殊意义。不排水湖泊湖水耗损于蒸发，因而进人湖内的盐类不断聚积，其浓度继续升高，结果湖泊变成咸水湖。 排水湖的含盐量通常不超过200 - 300mg/L，咸水湖中的离子总数可达5. 82g/L。湖泊的深度、面积、容量对水质有明显影响。我国东北地区(松嫩平原的东北部)气候干旱，地形低洼，湖泊密集，周围盐碱土分布其盐分多属苏打盐土，地表水和地下水的含盐量较高，水中主要成分是重碳酸钠，含盐量2700mg/L左右，为淡水湖、咸水湖和卤水盐湖三种类型。