天然水的組成及性質(zhì)

關于天然水的組成及性質(zhì)第二章天然水的組成和性質(zhì)第一節(jié)水的分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第二節(jié)天然水的組成第三節(jié)天然水的演化及其特征第2頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.1水的分子結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)

2.1.1水的分子結(jié)構(gòu)極性很大分子間有很強的氫鍵

第3頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.1.2水的基本性質(zhì)第4頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.2天然水的組成與分類天然水僅指處于天然狀態(tài)下的水，不包括人為因素的作用，不含有水的社會屬性和經(jīng)濟屬性。

第5頁,共90頁，2024年2月25日，星期天1、天然水中的主要離子組成陸地水HCO3-

＞SO42-

＞Cl-Ca2+

＞Na+

＞Mg2+

海水中Cl-

＞SO42-

＞HCO3-Na+

＞Mg2+

＞Ca2+

地下水受局部環(huán)境地質(zhì)條件限制，其優(yōu)勢離子變化較大。

2.2.1天然水的組成第6頁,共90頁，2024年2月25日，星期天總含鹽量（TDS）=[Ca2++Mg2++Na++K+]+[HCO3-+SO42-+Cl-]

第7頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（1）鈣（Ca2+）在現(xiàn)代條件下，方解石的溶解是天然水中Ca2+的主要來源。鈣廣泛地存在于各種類型的天然水中，不同條件下天然水中鈣的含量差別很大，潮濕地區(qū)的河水中Ca2+含量一般在20mg/L左右。它主要來源于含鈣巖石（如石灰?guī)r）的風化溶解，是構(gòu)成水中硬度的主要成分。

第8頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（2）鎂（Mg2+）天然水中的鎂以Mg(H2O)62+的形式存在，含量一般在1～40mg/L之間。鎂是天然水中的一種常見的成分，它主要是含碳酸鎂的白云巖以及其它巖石的風化溶解產(chǎn)物(火成巖的風化產(chǎn)物和沉積巖礦物)。鎂是動物體內(nèi)所必需的元素之一，人體每日需鎂量約為0.3～0.5g，濃度超過125mg/L時，還能起導瀉和利尿作用。第9頁,共90頁，2024年2月25日，星期天總硬度水質(zhì)0～4度很軟水4～8度軟水8～16度中等硬水16～30度硬水30度以上很硬水第10頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（3）鈉（Na+）鈉存在于大多數(shù)天然水中，主要來自火成巖的風化產(chǎn)物和蒸發(fā)巖礦物。天然水中的鈉在含量很低時主要以游離態(tài)存在，在含鹽量較高的水中可能存在多種離子和絡合物。不同條件下天然水中鈉的含量差別很懸殊，其含量從小于1mg/L到大于500mg/L不等。

第11頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（4）鉀（K+）鉀是植物的基本營養(yǎng)元素，它存在于所有的天然水中，主要來自火成巖的風化產(chǎn)物和沉積巖礦物。盡管鉀鹽在水中有較大的溶解度，但因受土壤巖石的吸附及植物吸收與固定的影響，在天然水中K+的含量遠低于Na+，為鈉離子的4%～10%左右。大多數(shù)飲用水中，它的濃度很少達到20mg/L。在某些溶解性固體總量高的水與溫泉中，鉀的含量每升可達到幾十至幾百毫克。第12頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（5）氯（Cl-）天然水中的Cl-主要來自火成巖的風化產(chǎn)物和蒸發(fā)巖礦物。Cl-是水和廢水中一種常見的無機陰離子。幾乎所有天然水中都有氯離子存在，它的含量范圍變化很大。在河流、湖泊、沼澤地區(qū)，氯離子含量一般較低，而在海水、鹽湖及某些地下水中，含量可高達數(shù)十克/升。

第13頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（6）碳酸氫根（HCO3-）、碳酸根（CO32-）天然水中的HCO3-來自碳酸鹽礦物的溶解。在一般河水與湖水中HCO3-的含量不超過250mg/L，地下水中略高。第14頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（7）硫酸根（SO42-）硫酸鹽在自然界分布廣泛，天然水中的SO42-主要來自火成巖的風化產(chǎn)物、火山（溫泉）氣體、沉積中的石膏與無水石膏、含硫的動植物殘體以及金屬硫化物氧化等等。SO42-易與某些金屬陽離子生成絡合物和離子對；天然水中的SO42-含量除決定于各類硫酸鹽的溶解度外，還決定于環(huán)境的氧化還原條件，其濃度可從幾毫克/升至數(shù)千毫克/升。第15頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（8）主要離子締合體由于配位體濃度較低，淡水中絡合物的數(shù)量很少，海水中則有相當數(shù)量的離子束縛于絡合物中。海水中的絕大部分陽離子為游離的水合金屬離子。第16頁,共90頁，2024年2月25日，星期天淡水中的主要無機絡合物濃度：-logM

離子HCO3-CO32-SO42-自由離子Na+6.37.66.43.30K+－－6.94.00Ca2+4.95.24.83.17Mg2+5.95.85.13.54H+－－9.68.0自由離子2.704.973.75－體系組成：C總＝2.05×10-7M；

[Ca2+]總=7×10-4M；

[Mg2+]總=3×10-4M；

[Na+]=5×10-4M；

[K＋]＝1×10-4M；

[SO42-]=2×10-4M；pH=8（25℃）；離子強度=3×10-3M

第17頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2、水中的金屬離子

水中金屬離子以M(H2O)xn+以及各種絡合態(tài)化合物存在。以金屬Fe為例，在中性水體中各形態(tài)存在如下平衡:

第18頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

如果考慮到存在固體Fe(OH)3(S)，則

當pH=7時,[Fe3+]=9.1×103×(1.0×10-7)3=9.1×10-18mol/L第19頁,共90頁，2024年2月25日，星期天將這一數(shù)據(jù)代入上面的方程中，即可得到其它各形態(tài)的濃度：[Fe(OH)2+]=8.1×10－14mol/L[Fe(OH)2+]=4.5×10－10mol/L[Fe2(OH)24+]=1.02×10－23mol/L第20頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3、天然水中的微量元素

它們的含量很小，常低于1ug/L。這類元素包括重金屬(Zn、Cu、Pb、Ni、Cr等)，稀有金屬（Li、Rb、Cs、Be等），鹵素（Br、I、F）及放射性元素。盡管微量元素含量很低．但是對水中動植物體的生命活動卻有很大影響。

第21頁,共90頁，2024年2月25日，星期天溶解氧：溶解于水中的氧稱為溶解氧（DO），主要以分子狀態(tài)存在于水中。水中的溶解氧主要來自空氣中的氧和水生植物的光合作用產(chǎn)生的氧。水中的溶解氧主要消耗于生物的呼吸作用和有機物的氧化過程，消耗的氧從水生（生物）植物的光合作用和大氣中補給。如果有機物含量較多，其耗氧速度超過補給速度，則水中溶解氧量將不斷減少。當水體受到有機物嚴重污染時，則水中溶解氧甚至可能接近零。

4、溶解在水中的氣體

O2

、CO2

、H2S、N2和CH4等第22頁,共90頁，2024年2月25日，星期天CO2:來源于有機物的氧化分解、水生動植物的新陳代謝作用及空氣中二氧化碳溶解。消耗于碳酸鹽類水解和水生植物的光合作用。由于CO2的含量較低，且其是酸性氣體，測定和計算水體中CO2的溶解度要比測定和計算氧氣等其他氣體的溶解度復雜得多。水體中游離的CO2濃度對水體中動植物、微生物的呼吸作用和水體中氣體的交換產(chǎn)生較大的影響，嚴重的情況下有可能引起水生動植物和某些微生物的死亡。一般要求水中CO2的濃度應不超過25mg／L。第23頁,共90頁，2024年2月25日，星期天非腐殖質(zhì)：碳水化合物、脂肪酸、蛋白質(zhì)、氨基酸、色素、纖維及其它低分子量有機物簡單無機物

腐殖質(zhì)：植物殘體經(jīng)微生物分解時，不易分解的部分如油類、臘、樹脂及木質(zhì)素等殘余物與微生物的分泌物相結(jié)合，形成褐色或墨色無定形膠態(tài)復合物

富里酸(humicacid)

溶于酸堿

腐植酸(fulvicacid)

溶于堿、不溶于酸

胡敏酸(humin)

不溶于酸堿（腐黑物）生物降解5、有機物

第24頁,共90頁，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)：含大量苯環(huán)，還含大量羧基、醇基和酚基，隨親水性基團含量的不同，腐殖質(zhì)的水溶性不同，并且具有高分子電解質(zhì)的特性，表現(xiàn)為酸性。

第25頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第26頁,共90頁，2024年2月25日，星期天因而腐殖質(zhì)具有弱酸性、離子交換性、配位化合及氧化還原等化學活性。它能與水體中的金屬離子形成穩(wěn)定的水溶性或不溶性化合物，還能與有機物相互作用。腐殖質(zhì)對水體中重金屬等污染物的遷移轉(zhuǎn)化具有較大的影響。第27頁,共90頁，2024年2月25日，星期天6、水生生物

水生生物直接影響水中許多物質(zhì)的存在，具有代謝、攝取、轉(zhuǎn)化、存儲和釋放等的作用。自養(yǎng)生物

利用太陽能或化學能量，把簡單、無生命的無機物元素引進至復雜的生命分子中即組成生命體。異養(yǎng)生物

利用自養(yǎng)生物產(chǎn)生的有機物作為能源及合成它自身生命的原始物質(zhì)。第28頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（1）細菌細菌是關系到天然水體環(huán)境化學性質(zhì)的最重要生物體。結(jié)構(gòu)簡單、形體微小，在環(huán)境條件下繁殖快分布廣。多數(shù)是還原者。比表面甚大，從水體攝取化學物質(zhì)的能力極強，細胞內(nèi)含有各種酶催化劑，由此引起生物化學反應速度也非?？臁０赐庑涂蓪⒓毦譃榍蚓?、桿菌和螺旋菌等類。它們可能是單細胞或多至幾百萬個細胞的群合體。

第29頁,共90頁，2024年2月25日，星期天單細胞細菌形體的示意圖

細胞體表面莢膜層由多糖或多肽類化合物組成，具有保護自身免受其他微生物進攻的作用。在莢膜層上還聯(lián)結(jié)著很多基團（羧基、氨基、羥基等），在水體pH發(fā)生變化時，可能通過這些基團的電離或質(zhì)子化作用等使細胞體表面帶電：低pH條件下+H3N(+Cell)CO2H（帶正電），中pH條件下+H3N(Cell)COO-（不帶電），高pH條件下H2N(-Cell)COO-（帶負電）

第30頁,共90頁，2024年2月25日，星期天營養(yǎng)方式，可將細菌分為自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌兩類。按照有機營養(yǎng)物質(zhì)在氧化過程（即呼吸作用）中所利用的受氫體種類，還可將細菌分為：①好氧細菌②厭氧細菌③兼氧細菌

第31頁,共90頁，2024年2月25日，星期天(2)藻類

藻類是在緩慢流動水體中最常見的浮游類植物。按生態(tài)觀點看，藻類是水體中的生產(chǎn)者，它們能在陽光輻照條件下，以水、二氧化碳和溶解性氮、磷等營養(yǎng)物為原料，不斷生產(chǎn)出有機物，并放出氧。合成有機物一部分供其呼吸消耗之用，另一部分供合成藻類自身細胞物質(zhì)之需。在無光條件下，藻類消耗自身體內(nèi)有機物以營生，同時也消耗著水中的溶解氧，因此在暗處有大量藻類繁殖的水體是缺氧的。按藻類結(jié)構(gòu)，它們可能是以單細胞、多細胞或菌落形態(tài)生存。一般河流中可見到的有綠藻、硅藻、甲藻、金藻、藍藻、裸藻、黃藻等大類。第32頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（a）綠藻（衣藻屬）（b）硅藻（舟形屬）（c）藍－綠藻（念珠藻屬）第33頁,共90頁，2024年2月25日，星期天藻類等浮游植物體內(nèi)所含碳、氮、磷等主要營養(yǎng)元素間一般存在著一個比較確定的比例。按質(zhì)量計C∶N∶P=41∶7.2∶1，按原子數(shù)計C∶N∶P=106∶16∶1。大致的化學結(jié)構(gòu)式為(CH2O)106(NH3)16H3PO4。

第34頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

106CO2+16NO3+HPO42-+122H2O+18H++

(痕量元素)(respiration)RP(photosynthesis)C106H263O110N16P+138O2藻類的生成和分解就是在水體中進行光合作用(P)和呼吸作用(R)的一典型過程，可用一簡單的化學計量關系來表征：第35頁,共90頁，2024年2月25日，星期天利用太陽能從無機礦物合成有機物的生物體稱為生產(chǎn)者，水體產(chǎn)生生物體的能力稱為生產(chǎn)率，生產(chǎn)率是由化學及物理的因相結(jié)合而決定的。在高生產(chǎn)率的水體中藻類生產(chǎn)旺盛，死藻的分解引起水中溶解氧水平的降低，這就是水體的富營養(yǎng)化。第36頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.2.2天然水體中化學物質(zhì)的存在形態(tài)

化學物質(zhì)在環(huán)境中有一定的賦存形態(tài)。廣而言之，“形態(tài)”一詞含義包括物理結(jié)合狀態(tài)、化學態(tài)（有機的或無機的）、價態(tài)、化合態(tài)和化學異構(gòu)態(tài)等多方面。第37頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共90頁，2024年2月25日，星期天具有一定形態(tài)的化學污染物在環(huán)境中有其發(fā)生和演變的過程。認為污染物具有確定的分子結(jié)構(gòu)和環(huán)境特性，只是相對的，而其變化則是絕對的。

第39頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.2.3天然水的分類

1天然水按離子總量（礦化度）的分類

蘇聯(lián)學者O.A.阿列金于1970年提出如下的分類方案：淡水離子總量＜1g/kg微咸水1～25g/kg具海水鹽度的咸水25～50g/kg鹽水（鹵水）＞50g/kg第41頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

美國（1970）所采用的按離子總量分類的數(shù)值界限稍有區(qū)別：淡水離子總量＜1g/kg微咸水1～10g/kg咸水10～100g/kg鹽水＞100g/kg第42頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2天然水按優(yōu)勢離子的分類首先按優(yōu)勢陰離子將天然水劃分為三類：重碳酸鹽類、硫酸鹽類和氯化物鹽類。然后在每一類中再按優(yōu)勢陽離子劃分為鈣質(zhì)、鎂質(zhì)和鈉質(zhì)三個組。每一組內(nèi)再按離子間的毫克當量比例關系劃分為四個水型：Ⅰ型[HCO3-]＞[Ca2+]+[Mg2+]Ⅱ型[HCO3-]＜[Ca2+]+[Mg2+]＜[HCO3-]+[SO42-]Ⅲ型[HCO3-]+[SO42-]＜[Ca2+]+[Mg2+]或[Cl-]＞[Na+]Ⅳ型[HCO3-]=0第43頁,共90頁，2024年2月25日，星期天Ⅰ型水是弱礦化水，主要形成于含大量Na+與K+的火成巖地區(qū)，水中含有相當數(shù)量的NaHCO3成分，在某些情況下也可能由Ca2+交換土壤和沉積物中的Na+而形成。II型水為混合起源水，其形成既與水和火成巖的作用有關，又與水和沉積巖的作用有關。大多數(shù)低礦化和中礦化的河水、湖水和地下水屬于這一類型。第44頁,共90頁，2024年2月25日，星期天III型水也是混合起源的水，但具有很高的礦化度。在此條件下由于離子交換作用使水的成分激劇地變化，通常是水中的Na+交換出土壤和沉積物中的Ca2+和Mg2+。大洋水、海水、海灣水、殘留水和許多具高礦化度的地下水屬此類型。Ⅳ型水是酸性水，其特點是缺少HCO3-。這是酸型沼澤水、硫化礦床水和火山水的特點。在重碳酸鹽類水中不包括此種類型的水。另外，在硫酸鹽與氯化物類的鈣組和鎂組中無Ⅰ型水。第45頁,共90頁，2024年2月25日，星期天類重碳酸鹽[C]HCO3-

硫酸鹽

[S]SO42-氯化物[Cl]Cl-

組

鈣鎂鈉

CaMgNa鈣鎂鈉CaMg

Na鈣鎂鈉CaMg

Na型ⅠⅠⅠⅡⅡⅡⅢⅢⅢⅡⅡⅠⅢ

ⅢⅡⅣ

ⅣⅢⅡⅡⅠⅢⅢ

ⅡⅣⅣⅢ“類”采用相應的陰離子符號表示（C、S、Cl）“組”采用陽離子的符號表示，寫作“類”的方次的形式“型”則用羅馬字標在“類”符號下面全符號寫成下列形式：如[C]CaⅡ表示重碳酸類鈣組第二型水第46頁,共90頁，2024年2月25日，星期天河流K+Na+Ca2+Mg2+HCO3-SO42-Cl-金沙江0.0310.591.920.922.690.260.39金沙江（鄧柯）0.0722.982.381.543.780.902.45金沙江[C]CaII型水金沙江（鄧柯）[C]NaII型水金沙江水系主要離子濃度(meq/L)

第47頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.3天然水的演化及其特征

大氣圈雨、雪、水蒸氣生物圈體液、細胞內(nèi)液、水合的生物聚合物巖石圈地下水、巖漿水、水合作用水水圈陸水：泉水和沼澤；塘、湖、冰帽和雪帽；河流、冰川海水：河口、海灣；海洋；海洋沉積物中的吸納水2.3.1天然水的物理化學特征

第48頁,共90頁，2024年2月25日，星期天海水含鹽量很高，離子強度I≈0.7，表現(xiàn)出強電解質(zhì)溶液性質(zhì)。海水具有冰點下降特性，且有很大的密度、電導率、折光率、滲透壓等。溫度和鹽度是決定海水各種性質(zhì)的決定性因數(shù)。

海洋第49頁,共90頁，2024年2月25日，星期天性質(zhì)單位水海水（鹽分，35‰）密度（20℃）g·cm-30.98231.02478

（0℃）g·cm-30.99871.02812容積壓縮率（0℃，107Pa）%0.4870.458

（0℃，108Pa）%4.007音速（20℃）m·s-11482.71522.1折光率（20℃）—1.333001.33940電導率（20℃）mΩ-1·cm-14.5×10-547.88比熱（20℃）J·g-14.1823.993表面張力（20℃）10-3N·m-172.7673.53粘度（20℃）10-3Pa·s1.0051.092滲透壓（20℃）105Pa—24.8冰點℃0.00－1.91吸光度（波長520nm光程10cm）—0.0020.007（人工海水）0.008（外洋水）第50頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共90頁，2024年2月25日，星期天海水和河水的平均年化學組成

成分平均化學組成（mol/kg）成分平均化學組成（mol/kg）海水河川水海水河川水Na+0.468472.83×10-4Cu10-8K+0.010205.9×10-5Zn10-8Mg2+0.053071.69×10-4Cd10-8Ca2+0.010283.74×10-4Mn10-8Cl-0.545902.20×10-4Hg10-9SO42-0.028231.17×10-4Ni10-8Alk①0.00249.54×10-4Co10-9CT②0.00221.02×10-8腐殖質(zhì)10-6pH7.58.2Alk（碳酸鹽堿度和重碳酸鹽堿度）﹦[HCO3-]﹢2[CO32-]。CT（總無機碳）﹦[H2CO3﹡]﹢[HCO3-]﹢[CO32-]第52頁,共90頁，2024年2月25日，星期天海水和河水中DOC濃度

系統(tǒng)正常值最高值系統(tǒng)正常值最高值海灣1～520深層海水0.5～0.8—海濱1～520河水10～2050表面海水1～1.5—第53頁,共90頁，2024年2月25日，星期天海洋是一個開放系統(tǒng)，它時刻與外系統(tǒng)間發(fā)生物質(zhì)和能量的交換海洋的污染來源主要有以下幾個方面：（1）入海河水夾帶的工農(nóng)業(yè)污水，其中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)；（2）投棄海洋的各種工業(yè)、漁業(yè)廢物等；（3）依傍海岸建立的核電站、熱電站排水中的放射性污染物和熱污染；（4）由運輸船只機房排出的機油以及海難事件中油輪的原油傾泄；（5）旅游開發(fā)引起的海濱地區(qū)污染等。第54頁,共90頁，2024年2月25日，星期天河流

一般說來，河水（還有海水）都是含碳酸型的水質(zhì)系統(tǒng)，以平衡碳酸組分作為水質(zhì)的基本調(diào)節(jié)因素，因此其化學成分也有一定的穩(wěn)定性。在主要離子中，一般Na+、Ca2+占大多數(shù)，陰離子含量一般遞減順序是HCO3-、Cl-、SO42-。河流的主要污染物是各種有毒金屬和各類有機物。

第55頁,共90頁，2024年2月25日，星期天湖泊

由地面上大小形狀不同的洼地積水而成湖泊。湖泊的形成條件是具有一個周圍高、中間低的蓄水湖盆及長期有水蓄積。

第56頁,共90頁，2024年2月25日，星期天按照溫度的變化規(guī)律，湖水可分為三層。湖上層，即上部溫暖的水層；變溫層，即中間過渡層；底層，即湖底深處的冷水層。

第57頁,共90頁，2024年2月25日，星期天湖水水流緩慢，蒸發(fā)量大，蒸發(fā)掉的水靠河流及地下水補償。湖水中含鈣、鎂、鈉、鉀、硅、氮、磷、錳、鐵等元素，其中氮、磷等元素引起的富營養(yǎng)化問題是湖泊的主要污染問題。低營養(yǎng)度的水體適宜于水體流動和水生生物游動，中等營養(yǎng)度的水體最適宜藻類和魚類等水生生物正常生活，高營養(yǎng)度的水體反而造成藻類大量萌生，水中溶解氧濃度大為降低，進一步引起水道阻塞、魚類生存空間縮小、有害有毒的還原性氣體H2S的產(chǎn)生等一系列不良后果。

第58頁,共90頁，2024年2月25日，星期天地下水地下水中污染物質(zhì)主要來源于人們的生產(chǎn)或日常生活：

（1）耗氧污染物。當某些生活污水、工業(yè)廢水或固體廢物的瀝取液流過土壤表層時，其中一些耗氧物質(zhì)被土壤過濾或者發(fā)生生物氧化而被除去，但其殘留部分仍可能進入地下水；（2）病原體，如細菌、病毒、原生物動等。在一些選址不當?shù)臏\井井中仍有可能檢出這些病菌；（3）植物營養(yǎng)物質(zhì)。當降水流經(jīng)富含肥料的土壤時，土壤中所含的氮、磷化合物可能被淋溶而穿透土層，歸入地下水；（4）有機化學物品。在低濃度下就呈現(xiàn)較大毒性的殺蟲劑、農(nóng)藥隨農(nóng)田灌溉水滲濾而進入地下水；（5）放射性物質(zhì)。放射性廢棄物，其處置方法之一就是深井投棄。投棄的放射性廢物可能會滲入地下水，尤其是半衰期長的放射性核素對于地下水的危害性更大。

第59頁,共90頁，2024年2月25日，星期天總的說來，地下水不如地面水那樣容易受到污染，但因為地下水基本上屬于封閉水系（深層地下水的滯留時間可達幾千年），在地層之下不易揮發(fā)、不被稀釋和不易發(fā)生降解，因此水系一旦受到污染，就很難通過自然過程或人工手段予以消除。除污染問題外，過量開采地下水將會引起海水倒灌和地面沉降等問題。

第60頁,共90頁，2024年2月25日，星期天照片上的人是美國地質(zhì)調(diào)查所（GeologicalSurvey）的約瑟夫?波蘭（JosephF.Poland），他身旁的柱子上，有三個標明數(shù)字的牌子，由上而下分別寫著：1925、1955、1977.第61頁,共90頁，2024年2月25日，星期天日本新瀉市地面沉降使建筑物基礎相對上升使基礎與地面脫離，目前作為停車庫

第62頁,共90頁，2024年2月25日，星期天1977年,美國緬因州Gray鎮(zhèn)在飲用水井中發(fā)現(xiàn)8種以上人工合成有機物,從而導致16眼水井關閉1986年,美國飲用水井中至少檢出33種有機化合物美國地調(diào)局(USGS)對全美農(nóng)村地區(qū)1926眼生活飲用水井在1986～1999年間的檢測資料進行了收集整理,其中至少有一種VOCs檢出的井為232眼,檢出率為12%。其中檢出率最高的有機污染物分別是三氯甲烷、四氯乙烯等第63頁,共90頁，2024年2月25日，星期天上世紀80年代,荷蘭對232個地下水抽水站進行監(jiān)測,共檢出113種有機物,三氯乙烯檢出率高達67%。英國地下水中也發(fā)現(xiàn)有機污染物的存在,Flordward(1985)對英國209眼供水井的研究發(fā)現(xiàn),三氯乙烯和四氯乙烯是主要的污染組分。日本環(huán)境廳從1974年開始組織了全國范圍的化學品環(huán)境安全性綜合調(diào)查,首次發(fā)現(xiàn)有三氯乙烯(TCE)存在第64頁,共90頁，2024年2月25日，星期天全國195個城市監(jiān)測結(jié)果表明，97%的城市地下水受到不同程度污染，40%的城市地下水污染有逐年加重趨勢，部分地區(qū)水質(zhì)污染超標嚴重。地下水污染已呈現(xiàn)由點到面、由淺到深、由城市到農(nóng)村的擴展趨勢；污染物組分則由無機向有機發(fā)展。

第65頁,共90頁，2024年2月25日，星期天據(jù)1985年北京市高碑店污水系統(tǒng)污染綜合防治研究報告,在北京市東南部污灌區(qū)淺水井和深水井中均檢出有機物,其中,深水井中有機物58種,淺水井中有機物51種(如芳烴類、鹵代烴類等)有害成分超標,其中不少是眾所周知的致癌物(如三氯甲烷、苯等)

。第66頁,共90頁，2024年2月25日，星期天中國科學院化學研究所對北京、天津、唐山地區(qū)地下水中有機污染物的初步研究表明,該地區(qū)地下水的有機污染物種類達133種。最近的調(diào)查表明,我國地下水中的單環(huán)芳烴、多環(huán)芳烴、鹵代烴、有機氯農(nóng)藥污染已不容忽視。

第67頁,共90頁，2024年2月25日，星期天大氣降水

主要表現(xiàn)形式為雨、雪，在組成上變化很大，不僅各個地區(qū)之間差異很大，就是同一地區(qū)的兩場雨之間或者同一場雨的不同時段之間，其離子含量和組成也有很大差異。大氣降水的平均組成同河水、湖水、海水及地下水相比仍有其特點。一般表現(xiàn)為，總可溶性固體量相對較少，其主要陽離子的含量遠低于與地球巖石層充分交換的地下水和海水，也低于一般的河水和湖水。

第68頁,共90頁，2024年2月25日，星期天大氣水的存在形式是多種多樣的。以分子形式存在的大氣水是大氣中氣態(tài)水的基本形式。但是真正有意義的能夠形成降水落到地面的大氣水卻不像地表水及地下水那樣能夠形成連續(xù)的流體，而是多以粒子形式存在，如云滴、雨滴、雪、雹、霰等。第69頁,共90頁，2024年2月25日，星期天大氣中主要水粒子和凝結(jié)核顆粒的線形尺度統(tǒng)計表

粒子名稱特征長度說明水分子0.1nm大氣中氣體狀態(tài)的水的基本存在形態(tài)，作連續(xù)介質(zhì)處理顆粒5nm～1μm凝結(jié)核等海鹽粒1μm0.1μm～10μm冰晶10μm云的小顆粒（結(jié)晶水狀態(tài)）云滴、霧滴10μm1μm～100μm雨滴1mm毛毛雨0.05mm～0.5mm，陣雨1.5mm～3.5mm霰1mm～2.5mm雪花2.5mm～10mm米雪<0.5mm冰雹2.5mm～5mm特別大的10cm第70頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.3.2天然水的演化

一、巖石的化學風化作用與地表水溶質(zhì)成分的形成原生礦物為適應地表熱力條件而在物理、化學形態(tài)和性質(zhì)方面所發(fā)生的一系列變化過程稱為風化作用。風化作用表現(xiàn)為兩個主要方面：1）巖石的解體過程，指巖石和礦物所發(fā)生的機械破碎作用；2）巖石化學成分的改變過程，包括原生巖石與礦物的物理－化學性質(zhì)發(fā)生變化和新礦物的形成。前者稱為巖石的物理風化作用，為水和空氣等的滲入準備了條件；后者稱為巖石的化學風化作用，促使巖石中元素的釋放。從巖石中釋放的元素，可溶者大多進入了天然水并加入全球水分循環(huán)過程，這對于地表水獲得離子成分具有極為重要的意義。第71頁,共90頁，2024年2月25日，星期天巖石循環(huán)與水循環(huán)的交互作用

第72頁,共90頁，2024年2月25日，星期天典型的風化反應第73頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第74頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第75頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、地表水溶質(zhì)成分的物理、化學演化過程

1天然水中離子之間的相互作用

（1）硅酸鹽與其他鹽類的反應風化過程會釋放出大量的硅酸和鈉等，這使Na2SiO3成為早期地表水的主要成分。Na2SiO3可以使水蘇打化，結(jié)果是使SiO2自溶液中析出：

Na2SiO3＋CO2＋H2O＝Na2CO3＋SiO2·H2O第76頁,共90頁，2024年2月25日，星期天當其他鹽類進入水體，Na2SiO3便可能與之發(fā)生反應，生成其他一些硅酸鹽：

Na2SiO3＋Ca(HCO3)2

＝CaSiO3↓＋2NaHCO3Na2SiO3＋Mg(HCO3)2

＝MgSiO3↓＋2NaHCO3Na2SiO3＋CaSO4

＝CaSiO3↓＋Na2SO4Na2SiO3＋MgSO4

＝MgSiO3↓＋Na2SO4CaSiO3、MgSiO3進一步與水合CO2作用，析出SiO2

CaSiO3＋2CO2＋2H2O＝Ca(HCO3)2＋SiO2·H2O經(jīng)過上述反應，水體主要成分從Na2SiO3轉(zhuǎn)變成了Ca(HCO3)2

第77頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（2）堿金屬碳酸鹽與其他鹽類的反應

Na2CO3＋CaSO4

＝CaCO3↓＋Na2SO4Na2CO3＋MgCl2

＝MgCO3↓＋2NaCl這些反應會析出CaCO3和MgCO3等，使水的成分轉(zhuǎn)變?yōu)橐訬a2SO4或氯化物為主。第78頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3）Mg2+、K+與其他鹽類的反應天然水中的鎂鹽和鉀鹽在與其他鹽類反應的過程中常不可逆地析出沉淀：

MgSO4＋2CaCO3

＝MgCO3·CaCO3↓＋CaSO4MgCl2＋2CaCO3

＝MgCO3·CaCO3↓＋CaCl2天然水中的K+易自水中析出，參與形成絹云母和伊利石等次生礦物，還有相當一部分被有機體吸收保存，這一情況決定了K+在天然水中的低積累性。第79頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2．天然水中的離子與沉積物和土壤中吸收性陽離子之間的交換反應地表水在運動過程中，其陽離子與周圍土壤和沉積物中的吸收性陽離子可進行置換反應，從而改變著天然水的陽離子組成。

第80頁,共90頁，2024年2月25日，星期天1）在天然水化學成分形成的早期階段，水中的主要成分是Na2SiO3與NaHCO3，水與圍巖可能發(fā)生的離子交換反應是：

Na2SiO3＋Ca2+（膠體）＝

2Na+（膠體）＋CaSiO3↓2NaHCO3＋Ca2+（膠體）＝

2Na+（膠體）＋Ca(HCO3)2CaSiO3沉淀析出，在地下水中積累起以Ca(HCO3)2為主的成分，使水有自硅酸鹽鈉質(zhì)水轉(zhuǎn)變?yōu)橹靥妓猁}鈣質(zhì)水的趨勢。重碳酸鹽鈣質(zhì)水在進一步演化的過程中，隨著硫酸鈣的溶解進入，可能發(fā)生的離子交換反應是：CaSO4＋2Na+（膠體）＝

Ca2+（膠體）＋NaSO4從重碳酸鹽鈣質(zhì)水向硫酸鹽鈉質(zhì)水轉(zhuǎn)變的趨勢。第81頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2）隨著地表水中離子總量的增加，水中有越來越多Mg2+的出現(xiàn)，引起了鎂和膠體中Ca2+和Na+的交換反應：

Mg2+＋Ca2+（膠體）＝

Ca2+＋Mg2+（膠體）

Mg2+＋2Na+（膠體）＝

2Na+＋Mg2+（膠體）這一反應在干旱地區(qū)氯化