2025年大学《地球化学》专业题库- 地球地表水体地球化学模拟

2025年大学《地球化学》专业题库——地球地表水体地球化学模拟考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪个元素通常被认为是地表水体中典型的保守元素？A.钙(Ca)B.铝(Al)C.碳酸氢根(HCO₃⁻)D.硅(Si)2.在水-矿物反应过程中，当某种矿物的饱和指数（SI）大于0时，表明该矿物处于什么状态？A.过饱和，有沉淀趋势B.不饱和，有溶解趋势C.恰好饱和D.反应已完成3.地表水体中pH值主要受哪种离子的影响最为直接？A.钙离子(Ca²⁺)B.镁离子(Mg²⁺)C.氢离子(H⁺)或氢氧根离子(OH⁻)D.碳酸根离子(CO₃²⁻)4.地球化学模拟中，“反应路径模拟”主要用来模拟什么过程？A.系统在达到平衡状态时的组成B.流体从一个完全混合到另一个完全混合的系统的过程C.系统中发生化学反应，组成随时间（或反应进程）的变化D.系统中不同水体的混合比例计算5.某湖泊水化学类型为HCO₃-Ca型，其主要离子来源最可能是什么？A.大气降水输入为主B.沉积物再悬浮为主C.溶滤碳酸盐岩石为主D.生物作用为主6.使用地球化学模型预测地下水污染羽的迁移路径时，必须输入的关键参数通常不包括：A.地下水流速B.污染物初始浓度C.水体pH值D.污染源类型7.稳定同位素δ¹⁸O值在河流水中的变化通常反映了什么过程？A.水的混合程度B.水的蒸发程度C.水的离子强度D.水的矿物沉淀程度8.当地表水体中溶解氧（DO）含量极低时，通常处于什么地球化学状态？A.中性氧化状态B.强氧化状态C.弱还原状态D.强还原状态9.水化学阳离子（如Na⁺,K⁺,Ca²⁺,Mg²⁺）的总浓度与阴离子（如HCO₃⁻,CO₃²⁻,Cl⁻,SO₄²⁻）的总浓度之差（Δ）可以用来判断水体的什么特征？A.氧化还原条件B.酸碱平衡状态C.矿物饱和状态D.水的来源10.地球化学模拟结果的可靠性主要取决于哪些因素？（多选）A.模型选择的合理性B.输入参数的准确性C.计算者的经验D.模拟软件的先进性二、填空题（每空2分，共20分）1.地表水体的主要地球化学过程包括______、______和______等。2.判断水体中某元素是保守还是非保守元素，通常比较其______与______。3.地球化学模拟中，“混合模型”通常用来模拟不同来源水体的______过程。4.在水-白云石（CaCO₃）反应中，若溶液中钙离子和碳酸根离子浓度乘积（Ca²⁺·CO₃²⁻）大于白云石的溶度积常数（Ksp），则溶液对白云石呈______状态。5.湖泊富营养化过程中，氮（N）和磷（P）是限制初级生产力的关键______元素。6.地球化学模拟需要设定系统的______条件，如温度、压力、pH、Eh等。7.稳定同位素比值在自然界中的变化可用于追踪______和______。8.地下水中的HCO₃⁻离子浓度升高，通常指示碳酸盐岩遭受了______作用。9.当水体中SO₄²⁻含量高且出现硫酸盐沉积时，通常意味着发生了______作用。10.地球化学模拟可以帮助科学家评估污染治理措施的效果，预测______的变化趋势。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述水-岩相互作用对地表水体化学成分的影响。2.简述地表水体中碳循环的主要过程及其对水化学的影响。3.简述进行地球化学模拟需要考虑的主要假设条件。4.简述如何利用水化学数据判断地表水体的主要水化学类型。四、计算题（每题10分，共20分）1.某水样分析结果如下（单位：mg/L）：Ca²⁺:80,Mg²⁺:20,K⁺:2,Na⁺:5,HCO₃⁻:180,CO₃²⁻:10,Cl⁻:60,SO₄²⁻:20。计算该水样的：(1)阳离子总浓度和阴离子总浓度。(2)阳离子与阴离子总浓度之差（Δ）。(3)根据Δ值，大致判断该水样的酸碱平衡状态（酸性、中性、碱性）。（假设所有离子均以离解形式存在，且单位换算为mmol/L时，mg/L数值约等于mmol/L）2.假设某湖泊受到外界输入的氮（N）和磷（P）污染，导致水体富营养化。简述在地球化学模拟中，为预测富营养化发展过程，需要考虑哪些关键反应和参数？并说明这些反应和参数对模拟结果的影响。五、论述题（10分）试述地球化学模拟在解决实际环境问题（如水污染溯源、水处理效果评估等）中的应用价值、面临的挑战以及如何提高模拟结果的可靠性。试卷答案一、选择题1.A2.A3.C4.C5.C6.D7.B8.D9.B10.A,B二、填空题1.物质输入，物质输出，物质转化2.浓度比值（或活动浓度比值），保守系数（或分系数）3.混合4.过饱和5.营养6.环境（或边界）7.水的来源，水循环路径8.溶滤（或风化）9.硫化物（或硫酸盐还原）10.水化学组分（或环境化学条件）三、简答题1.答：水-岩相互作用是地表水体地球化学成分形成的重要因素。水体与岩石、土壤接触时，溶解作用会释放出岩石中的元素（如Ca²⁺,Mg²⁺,K⁺,Na⁺,Si,CO₃²⁻等），改变水体的化学成分；沉淀作用则会使水体中的某些离子结合形成沉淀物，移出水溶液。风化程度、岩石类型、水动力条件等都会影响水-岩相互作用强度和结果，进而塑造水体的化学特征。2.答：地表水体碳循环主要包括：大气二氧化碳（CO₂）溶解进入水体；水生植物和微生物通过光合作用吸收CO₂；水体中碳酸钙（CaCO₃）的沉淀和溶解平衡；水-空气界面CO₂的交换；以及有机碳的分解等过程。这些过程相互关联，共同控制着水体pH值、碳酸盐系统（H₂CO₃,HCO₃⁻,CO₃²⁻）的平衡和CO₂的浓度，并影响水体的缓冲能力。3.答：地球化学模拟通常基于一些简化假设，主要包括：系统处于局部平衡状态（或快反应主导）；忽略相间传质阻力（或假设传质迅速）；反应物和产物浓度足够高，活度系数可近似为1（或使用经验活度系数）；忽略辐射、生物代谢等因素的影响（除非模型特别考虑）；输入参数（如温度、pH、Eh、初始浓度等）是准确已知的等。4.答：判断地表水体主要水化学类型通常依据其主要离子或离子对的比例。常用的图解方法有三角图（如Na-K-Cl,Ca-Mg-HCO₃,Ca-Mg-SO₄等）和离子比率图。通过将水样点绘制在相应图解上，根据其落位区域确定水化学类型，如Ca-HCO₃型、Na-Cl型、HCO₃-Ca型、SO₄-Ca型等。有时也根据主要离子（如HCO₃⁻,CO₃²⁻,SO₄²⁻,Cl⁻）的相对含量进行判断。四、计算题1.解：(1)阳离子总浓度=Ca²⁺+Mg²⁺+K⁺+Na⁺=80+20+2+5=107mmol/L阴离子总浓度=HCO₃⁻+CO₃²⁻+Cl⁻+SO₄²⁻=180+10+60+20=270mmol/L(2)Δ=阴离子总浓度-阳离子总浓度=270-107=163mmol/L(3)Δ值显著大于0，表明阴离子总浓度远高于阳离子总浓度，根据电荷平衡原理，水中必须存在大量的OH⁻离子来平衡电荷。因此，该水样呈强碱性。2.答：模拟富营养化过程需要考虑的关键反应和参数包括：*关键反应：*氮循环反应：硝化作用（NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻）、反硝化作用（NO₃⁻→N₂O,N₂）、固氮作用等。*磷循环反应：磷酸盐的溶解、吸附-解吸过程、生物吸收、沉积物释放等。*初级生产作用：光合作用（CO₂+H₂O+光能→有机物+O₂）消耗CO₂，释放氧气；呼吸作用（有机物+O₂→CO₂+H₂O）消耗氧气，产生CO₂。*水体沉淀反应：如碳酸盐沉淀（Ca²⁺+2HCO₃⁻→CaCO₃↓+H₂O+CO₂）、磷酸盐沉淀（如FePO₄）等，可能消耗营养盐或改变颗粒物组成。*关键参数：*氮、磷的输入通量（外源负荷）。*水体温度、光照强度、pH等环境因子，它们影响化学反应速率和生物活动。*水体湍流混合系数，影响物质扩散和混合。*生物量（浮游植物、细菌等）及其生长速率、吸收效率、呼吸速率。*沉积物类型、性质及其对氮、磷的吸附解吸能力。*溶解氧浓度，影响反硝化作用等。*影响：这些反应和参数共同决定了氮、磷的转化速率、生物利用度、水体初级生产力的水平以及最终导致富营养化的程度和速度。准确设定这些反应和参数是模拟结果可靠性的关键。五、论述题答：地球化学模拟在解决实际环境问题中具有重要应用价值：*溯源分析：通过模拟不同水源输入的贡献，可以有效追踪污染物的来源和迁移路径，为污染控制和治理提供依据。*过程预测：可预测污染物在环境介质中的迁移转化过程、浓度变化趋势以及长期环境影响，评估污染风险。*治理评估：可模拟污染治理措施（如改变水流、添加化学药剂等）的效果，优化治理方案。*效果评估：可评估自然恢复或工程治理后的环境改善情况，判断是否达到治理目标。面临的挑战主要包括：*模型不确定性：模型结构、参数选择、边界条件设定等存在不确定性，导致模拟结果与实际情况可能存在偏差。*参数数据缺乏：获取准确、全面的现场参数（如反应速率常数、吸附解吸系数等）困难，影响模拟精度。*复杂过程耦合：环境系统过程复杂，多过程耦合（物理、化学、生物过程）难以完全准确描述。*计算复杂性：复杂模型计算量大，需要较强的计算能力和专业知识。提高模拟结果可靠性的方法