史上水文地球化学重点习题.pdf

水文地球化学 一 名词解释 每题3 分 共21 分 1 BOD 指用微生物降解水中有机物过程中所消耗的氧量 以 mg L 为单 位 2 脱硫酸作用 在缺氧和有脱硫酸菌存在的情况下 SO42 被还原成H2S 或S2 的过程 3 同离子效应 一种矿物溶解于水溶液 如若水溶液中有与矿物溶解相同 的离子 则这种矿物的溶解度就会降低 这种现象在化学上称为同离子效应 4 降水氢氧稳定同位素的高程效应 大气降水中的 18O 和D含量随着海 拔高程的增加而不断下降的现象 5 酸性垒 当中性或碱性条件转变为弱酸性和酸性条件或在 pH 值急剧降 低的地段所形成的地球化学垒 6 水分子的缔合作用 由单分子水结合成比较复杂的多分子水而不引起水 的物理化学性质改变的现象 7 硅质水与硅酸水 SiO2 含量大于50mg L 的水称为硅质水 1 5 分 在阴离子中 HSiO3 占阴离子首位 按mol 计算 的水称为硅酸水 1 5 分 8 盐效应 矿物在纯水中的溶解度低于矿物在高含盐量水中的溶解度 这 种含盐量升高而使矿物溶解度增大的现象 9 阳离子交替吸附作用 在一定条件下 岩石颗粒吸附地下水中的某些阳 离子 而将其原来吸附的某些阳离子转入水中 从而改变了地下水的化学成 分 这一作用即为阳离子交替吸附作用 10 氧化垒 在还原条件被氧化条件激烈交替的地段上所形成的地球化学垒 11 侵蚀性 CO2 当水中游离 CO2 大于平衡CO2 时 水中剩余部分的CO2 对碳酸盐和金属构件等具有侵蚀性 这部分即为侵蚀性CO2 12 TDS 指水中溶解组分的总量 它包括溶于水中的离子 分子及络合物 但不包括悬浮物和溶解的气体 13 硅质水与硅酸水 SiO2 含量大于50mg L 的水称为硅质水 1 5 分 在阴离子中 HSiO3 占阴离子首位 按mol 计算 的水称为硅酸水 1 5 分 14 硬度 是以水中Ca2 和Mg2 来量度 其计算方法是以 Ca2 和Mg2 的毫克当量总数乘以50 以CaCO3 表示 其单位为mg L 15 活度 实际参加化学反应的物质浓度 16 总溶解固体 水中各溶解组分的总和 它包括溶解于水中的分 17 电子活度 溶液中 电子 e 浓度的负对数值 18 氧化反应 在某个反应中某物质失去电子的反应称氧化反应 并称该物 质被氧化 19 高程效应 大气降水中的 18O 和 D 值随高度 或高程 增加而减 少的现象 20 矿化度 溶液中溶解的所有盐类组分的总和 21 还原作用 在某个反应中某物质得到电子的反应称还原反应 并 称该物质被还原 22 Eh 值 溶液中某种处于氧化态与处于还原态的物质组成的原电池 的电位差 23 同位素比值 物质中某种元素的两种同位素含量的比值 24 重金属 原子序数大于20 的金属元素 25 Hydrogeochemistry 水文地球化学是水文地质学的一门分支学科 它 研究的是地下水质随时空变 化的规律 是研究地下水中化学元素迁移 聚集与分散规律的学科 26 Temperature effect 大气降水中的 D 和 O18 值随温度的降低而降 低的现象 27 Isotopic Fractionation 某元素的同位素由于质量差异 使其在物理 化学过程中 以不同比例分配于不同物质或不同相之间的现象 28 标型元素 指能控制地球化学环境的高克拉克值 强迁移的元素 29 地球化学垒 指地壳中在很短距离内 元素的迁移强度剧减 导致元素 富集的地段 30 水迁移系数 指地表水和地下水中元素在单位干涸残渣中的质量与该区 岩石中元素含量之比值 31 阳离子交替吸附作用 指在一定条件下 岩石颗粒吸附水中的阳离子 而岩石中一些阳离转入到水 中 从而改变了地下水的性质的作用 32 同离子效应 指某一水溶液中 混合了其它溶液 由于相同离子的进入 而降低了原有离子活度的现象 脱硫酸作用 33 脱硫酸作用 是指在缺氧条件中 在脱硫酸菌的作用下 将地下水中或 岩石 中的SO42 还原成H2S S2 的过程和现象 34 溶滤作用 溶滤作用是指岩石某些组分与地下水发生作用而进入水的过程 它没有破坏 岩石的 结构 而只是一些元素进入了水中 二 填空 每题1 分 共14 分 1 水对离子化合物具有较强的溶解作用 是由于水分子具有较强的 介电 效应所致 水的沸点较高 是由于水分子间 氢键 的破坏需要较大的能 量 2 在35 下 pH 7 的地下水是 碱 性 在天然水化学成分的综合指标中 体现水的质量指标的有 TDS 硬度 含盐量或含盐度 电导率 而表 征水体系氧化还原环境状态的指标有 COD BOD TOC Eh 3 迪拜 休克尔公式的使用条件是离子强度小于 0 1 mol L 而戴维 斯方程的使用条件是离子强度小于 0 5 mol L 4 空气迁移的标型元素主要决定环境的 氧化还原 条件 而水迁移的标 型元素主要决定环境的 酸碱 条件 5 在氮的化合物中 NO 2 NH4 可作为地下水近期受到污染的标 志 而 NO 3 可作为地下水很早以前受到污染的标志 6 Fe2 在 酸 性中迁移强 而在 碱 性中迁移弱 7 地球化学垒按成因可分为 机械 垒 物理化学 垒 生物 垒 和 复合 垒 8 碱度主要决定于水中的 HCO 3 CO2 3 的含量 硬度是以 Ca2 Mg2 的毫克当量总数乘以50 而暂时硬度是以 HCO 3 CO2 3 的 毫克当量总数乘以 50 9 大气CO2 的 13C 平均值是 7 而土壤 CO2 的 13C 平均值 是 25 10 标型元素的标型程度取决于 元素的克拉克值 和 它的迁移能力 11 弥散作用包括 分子扩散 对流扩散迁移 和 渗透分散 12 SiO2 和 Na K 地热温度计适用的温度范围分别为 0 250 和 150 350 13 近代火山型浅部地下热水的水化学类型为 SO2 4 SO2 4 Cl 而 深部地下热水的水化学类型为 Cl HCO 3 14 海水的水化学类型为 Cl Na 而海成存封水的水化学类型为 Cl Na Ca 15 酸雨是指pH 值小于 5 65 的降水 16 氧同位素的国际标准英文缩写为 SMOW 而碳同位素的国际标准 缩写为 PDB 17 测定Eh 值采用 铂 电极和 甘汞 电极 18 在碳酸平衡中 pH 小于6 35 H2CO3 占优势 pH 在6 35 到10 33 HCO3 占优势 pH 大于10 33 CO32 占优势 19 一个化学反应A B C D 其反应自由能变化 Gr 0 则说明该反应 可自发从左向右进行 20 氧同位素的国际标准英文缩写为 SMOW 或V SMOW 21 强酸性的地下水一般是出现在 含有硫化物的矿床的氧化带 等情况 下 22 据板块构造理论 全球地热带可分为二种类型 板缘构造型地热带 和 板内型构造型地热带 23 地下水污染研究中三氮指的是 NO2 NO3 和 NH4 常 可作为污染的标志 24 稳定同位素组成的常用表示方法有 丰度 和 千分偏差值 等 三 简答题 每题5 分 共30 分 1 氧漂移及其影响因素 答 1 由于岩石的 18O 值比水的 18O 值大 因此 水 岩同位素 交换的结果是使水富18O 18O 值增大 而岩石18O 贫化 18O 值 减少 这种现象称为氧漂移 2 分 2 影响氧漂移的因素主要有 A 温度越高 氧漂移越明显 1 分 B 水及岩石的初始 18O 值差别越大 氧漂移越明显 1 分 C 水与岩石接触的面积越大 时间越长 氧漂移 越明显 1 分 D 水与岩石中氧元素的含量比越小 氧漂移越明显 1 分 E 水与矿物的分馏系数越大 氧漂移越明显等 1 分 影响因素只要答 三个方面 2 我国潜水化学成分分带有何特点 答 1 区域上 由东南向西北 地下水由溶滤成因为主的低矿化度重碳 酸型淡水 向成分复杂的硫酸型或氯化物型咸水过渡 最后为由浓缩作用形 成的氯化物型水或卤水 1 5 分 2 局部上 每个盆地由山前至盆地中心或至滨海地带的水平分带为 重碳酸型水 硫酸型水 氯化物型水 1 5 分 3 用图表示承压水盆地基本水化学类型的形成过程 4 水文地球化学分类的基本原则 并解释C 承 250 77 5 11 含义 答 1 首先按照空气迁移的标型元素 化合物 进行分组 分出6 个组 分组反映了地下水的氧化还原环境 2 然后按照水迁移的标型元素 化合物 进行分类 A 根据主要的阴离子将地下水分6 类 B 再根据阳离子进一步划分出9 个 亚类 分类反映了地下水的酸碱条件和矿化度 总之 水文地球化学分类的基本原 则力求充分反映地下水成分的特点及其所处的地质环境 3 C 承 250 77 5 11 硫化氢还原水组 承压水亚组 Eh 值为 250mv 氯化钠型 热水 pH 值为7 5 TDS 为11g L 5 标准状态下 碳酸平衡与pH 值的关系 答 1 水中碳酸平衡与pH 值的关系式如下 1 5 分 log HCO 3 H2CO3 pH 6 4log CO32 HCO 3 pH 10 3 2 pH 6 4 时 H2CO3 占优势 1 5 分 3 6 410 3 时 HCO 3 占优势 1 5 分 4 pH 10 3 时 CO32 占优势 1 5 分 6 水的酸度与pH 值的区别 答 酸度是表征水中和强碱能力的指标 1 分 它与水中的氢离子浓度并 不是一回事 pH 值仅表示呈离子状态的H 数量 2 分 而酸度则表示 中和过程中可以与强碱进行反应的全部H 数量 其中包括原已电离的和将 会电离的部分 2 分 已电离的H 数量称为离子酸度 它与pH 值是一 致 1 7 水分析结果是简分析 请问从那几方面检查分析数据可靠性 答 1 阴阳离子平衡的检查 1 5 分 2 碳酸平衡关系的检查 1 5 分 3 分析结果中一些计算值的检查 1 分 4 其它检查方法 1 分 8 何谓降水氢氧稳定同位素的大陆效应 试用蒸发与凝结的机理加以解释 图示 答 降水氢氧稳定同位素的大陆效应指大气降水中的18O 和D 含量随着远 离海洋而不断下降的现象 2 9 试述潜水的毛细蒸发与土石内部蒸发的区别 答 1 毛细蒸发 指水沿着毛细管上升 水份蒸发后 盐份积累在毛细 管内 使土壤富含盐而形成土壤盐碱地 它使潜水的水位下降 但不会使潜 水的矿化度增高 2 土石内部蒸发 指水分子直接脱离潜水面而扩散到空气中 水份蒸发 后 盐份积累在潜水内 它不会使土壤富含盐而形成土壤盐碱地 它使潜水 的水位下降 同时使潜水的矿化度增高 10 热力学方法在水文地球化学中有那些应用 答 1 判断水文地球化学体系反应进行的方向和程度 即计算化学反应 的自由能变化和平衡常数 2 计算化学反应的热效应 即计算化学反应的焓变 1 分 3 计算 氧化还原反应的Eh 值和pH 值 1 分 4 计算和判断地下水中各种化 学组分的存在形式 1 分 5 判断矿物与水的溶解或反应状态 即计算浓度积常数或饱和指数 1分 11 请用图表示水文地质封闭构造的水化学成分全水平分带 正常海相沉 积岩中有还原硫酸盐的有机物存在的含水层 12 如何根据热力学方法判断水文地球化学反应进行的方向与程度 答 在水文地球化学中一般用体系自由能变化 G 和反应平衡常数K 来判断 反 应进行的方向和程度 例如 A B C D当 G0 时 反应由右向左自发进行 当K 1 时 反应由左向右程度比较大 K SO4 HCO3 型 SO4 Cl 型 Cl 型水 1 分 C 东北北部大兴安岭 以 HCO3 Ca 型 为主 东北平原 以HCO3 Na Ca型为主 低洼盆地以Cl Na Ca 型水为主D 西 北干旱地区 主要以 Cl Na 型和Cl SO4 Na 型为主 1 分 E 滨海地区的 狭长地带受海水风扬作用的影响 可为 Cl Na 型水 1分 16 阳离子交替吸附作用及其影响因素 答 阳离子交替吸附作用是指在一定条件下 岩石颗粒吸附水中的阳离子 而岩石中一些阳离转入到水中 从而改变了地下水的性质的作用 1分 1 粒的粒度 粒度越小 交替吸附的能力越大 1 分 2 阳离子的性质 阳 离子的电价越高 离子半径越小 交替吸附能力越强 1 分 3 阳离子浓度 浓度越高交替吸附能力越强 1 分 4 pH 值 pH 值的升高 促进吸附作用 反之 降低 1 分 17 试解释下图的意义 由图中可知 该图表示的是全球大气降水线方程 D 8 18O 10 3分 18O 和 D 同位素的大气降水点和赤道海水蒸汽点都有在全球大 气降水线上 它们在蒸发和凝结过程中的 18O 和 D 同位素的值都符合全 球大气降水线 分 四 推导题 每题 10 分 共20 分 1 一供水井 井深91 5m 含水层为含黄铁矿的绢云母片岩 连续抽水13 个 月 水位下降36 5m 在这期间 水中SO2 4 浓度在13mg L 左右 变化不大 停抽4 个月 再次抽水时 第一天的水样中 SO2 4 1330mg L Fe2 365mg L pH 2 5 此后 水中的SO2 4 和 Fe 不断降低 pH 升 高 试解释这种现象出现的原因 答 据题意所述 由于水位下降很大 所以形成了一个漏斗区 1 分 在 漏斗区内 原来的含水层变为包气带 因此绢云母片岩中的黄铁矿被氧化 其反应式如下 2 分 2FeS2 7O2 2H2O 2FeSO4 2H2SO4停抽期 间 水位逐渐恢复 使第一次抽水所形成的降落漏斗区又充满水 黄铁矿氧 化所产生的SO42 和H 进入水中 并溶解FeSO4 结果 在漏斗区内形成 一个SO42 Fe2 及H 浓度高的局部污染晕 2 分 再次抽水时 这部 分水首先被抽出 从而出现第一天水样中SO42 Fe2 浓度高 而pH 低 的现象 2 分 随着抽水继续 原漏斗区外的水流入与漏斗区内的水混合 因此产生SO42 Fe2 及H 浓度逐渐降低的现象 2 分 这种现象是地 下水中典型的氧化还原过程 1 分 2 已知半反应式SO2 4 9H 8e HS 4H2O 的平衡常数K 1033 63 试求在25 C 105Pa 条件下Eh pH 的关系式 法拉第常数 F 96 564KJ V 答 1 求 Gr0 3 分 Gr0 5 71logK 5 71 33 63 192 03 2 求Eh0 3 分 Eh0 Gr0 NF 192 03 8 96 564 0 2486 v 3 求Eh pH 的关系式 3 分 Eh Eh0 0 0591 N log SO42 H 9 HS 0 2486 0 0591 8 log SO42 HS 0 0591 8 log H 9 0 2486 0 0074 log SO42 HS 0 0665pH 4 若 SO42 HS 1 1 分 则 Eh 0 2486 0 0665pH 3 某一深层砂岩含水层的地下水化学成分为 mg L K 18 Na 390 Ca2 41 Mg2 60 HCO 3 210 SO2 4 670 pH 8 1 由于过量开采 地 下水位降幅很大 为保持稳定供水量 以井灌方式进行人工补给 补给水源 来自湖水 发草绿色 含有机质 结果 观测井中检查出H2S 人工补给前 未检出 试述出现H2S 的原因 发生何种反应 HCO 3 及pH将升高或降低 五 论述题 15 分 4 水分析结果是简分析 请问如何检查分析数据可靠性 答 1 阴阳离子平衡的检查 3 分 E mc ma mc ma 100 式中 E 为相对误差 mc 及 ma 分别为阳离子及阴离子的毫克当量总数 升 如Na 和K 为 实测值 E 应小于 5 如Na 和K 为计算值 E 应为零值或接近零值 2 碳酸平衡关系的检查 3 分 当 pH8 34 时 分析结果 中不应出现H2CO3 如果水分析结果不符合上述情况 说明pH 或CO32 和 H2CO3 的测定有问题 3 分析结果中一些计算值的检查 6 分 A TDS 如果TDS 是计算值 应检查其数值是否减去1 2HCO3 B Na K 值 如果Na K 为计算值 其计算方法是 阴离子 毫克 当量总数 Ca2 Mg2 毫克当量总数 Na K 毫克当 量总数 Na K 毫克当量总数 25 Na 和K mg L C 硬度 硬度是计算值 其数值应按下列方法检查 Ca2 Mg2 毫 克当量总数 50 硬度 CaCO3 mg L D TDS 实测值与TDS 计算值之差 如果分析结果中有实测的TDS 值 应 求得TDS 的计算值 以检查TDS 实测值的可靠性 4 其它检查方法 3 分 A 在一般地下水中 Na 总是大于K 如果 出现