第八章 地下水化学的研究方法.ppt

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1、第八章地下水化学的研究方法8.1 地下水采样和分析地下水采样和分析8.2 地下水化学成分的数据处理地下水化学成分的数据处理8.3 地下水化学成分数学模拟地下水化学成分数学模拟目目 录录二、地下水样品的分析二、地下水样品的分析1、IC：主要离子（：主要离子（HCO3-除外）；除外）；2、AFS：As、Hg、Se、Sb等；等；3、ICP-AES：金属元素；：金属元素；4、GC：挥发：挥发-半挥发性有机物；半挥发性有机物；5、LC：不易挥发性有机物；：不易挥发性有机物；6、ICP-MS：微量元素；：微量元素；8.2 地下水化学成分的数据处理地下水化学成分的数据处理 地下水化学研究往往需要大量的数据地

2、下水化学研究往往需要大量的数据来正确地解释地下水化学问题。数据分析来正确地解释地下水化学问题。数据分析和处理在地下水化学研究中十分重要。和处理在地下水化学研究中十分重要。S水质分析结果的可靠性检验水质分析结果的可靠性检验 S比例系数分析法的应用比例系数分析法的应用S地下水化学成分的图示法地下水化学成分的图示法一、水质分析结果的可靠性检验一、水质分析结果的可靠性检验 为了使用水质分析资料对地下水化学问题进行正确为了使用水质分析资料对地下水化学问题进行正确解释，首先应对水质分析结果的可靠性进行检验，解释，首先应对水质分析结果的可靠性进行检验，只有正确的分析结果才能得出可靠的结论。只有正确的分析结果

3、才能得出可靠的结论。主要的检验方法：主要的检验方法：阴阳离子平衡的检验阴阳离子平衡的检验 分析结果中一些计算值的检验分析结果中一些计算值的检验 根据碳酸平衡关系的检验根据碳酸平衡关系的检验 1 阴阳离子平衡的检验阴阳离子平衡的检验水中阴阳离子的平衡误差可用下式来计算：水中阴阳离子的平衡误差可用下式来计算：式式中中:E为为相相对对误误差差，nc、na分分别别为为阳阳离离子子和和阴阴离离子子的的毫毫克克当当量量浓浓度度（meq/L）。如如Na+、K+为为实实测测值值，E应应小小于于5;如如Na+K+为为计计算算值，值，E应等于零或接近于零。应等于零或接近于零。电中性条件：电中性条件：Zmc=Zma

4、2 分析结果中一些计算值的检验分析结果中一些计算值的检验总溶解固体（总溶解固体（TDS）：）：如果总溶解固体是计算值，应检验其如果总溶解固体是计算值，应检验其数值是否减去了数值是否减去了1/2的的HCO3-含量含量Na+K+：在简分析中，在简分析中，Na+K+是计算值，其计算方法是：是计算值，其计算方法是：硬度：硬度：总硬度也是计算值，可按下述方法检验：总硬度也是计算值，可按下述方法检验：TDS：如果水质分析结果中有实测的如果水质分析结果中有实测的TDS值，应求得值，应求得TDS的的计算值，以检验计算值，以检验TDS实测值的可靠性。实测值的可靠性。3 根据碳酸平衡关系的检验根据碳酸平衡关系的检

5、验方法方法1：当当pH8.34时时，水水质质分分析析结结果果中中不不应应出出现现H2CO3。如如果果分分析析结结果果不不符符合合上上述述的的情情况况，则则说说明明pH或或CO32-和和H2CO3的测定有问题。的测定有问题。pH=8.34方法方法2：用计算的方法，也可以检查用计算的方法，也可以检查pH和和HCO3-、CO32-测试结果测试结果的可靠性：的可靠性：可以推出：可以推出：如如果果分分析析结结果果中中，有有CO32-检检出出，则则可可以以通通过过计计算算求求出出pH，判断其与实测判断其与实测pH是否相差过大。是否相差过大。一水样分析结果如下（一水样分析结果如下（mg/L）：）：试从碳酸平

6、衡角度审查分析结果的可靠性，提示：25下，pK210.33。4 其它检验方法其它检验方法 S在一般的地下水中，在一般的地下水中，Na+的含量总是大于的含量总是大于K+的含量，如果的含量，如果出现反常情况，则分析结果就值得怀疑。出现反常情况，则分析结果就值得怀疑。S地地下下水水中中的的Na+或或Na+K+一一般般不不会会等等于于零零，如如果果出出现现这这种情况，可认为分析结果有错误。种情况，可认为分析结果有错误。S电导与总溶解固体（电导与总溶解固体（TDS）有较好的相关性：）有较好的相关性：TDS（mg/L）=K电导（电导（mS/cm）K为系数（为系数（0.550.75）电导（电导（mS/cm）

7、=100（阴离子或阳离子毫克当量总数（阴离子或阳离子毫克当量总数/升）升）二、比例系数分析法的应用二、比例系数分析法的应用 对水质分析数据可靠性检验之后，就可以对这些数据进行对水质分析数据可靠性检验之后，就可以对这些数据进行处理，结合其它数据和资料，进行地下水化学分析和研究。处理，结合其它数据和资料，进行地下水化学分析和研究。“比例系数比例系数”指的是水中溶解组分浓度之间的比例。这些组指的是水中溶解组分浓度之间的比例。这些组分可以是离子或气体；单位可能是分可以是离子或气体；单位可能是mg/L 或者或者 meq/L。“比例系数分析法比例系数分析法”常用于常用于判断地下水的成因判断地下水的成因和和

8、地下水化学地下水化学成分的来源或形成过程成分的来源或形成过程。较为成熟的的比例系数是较为成熟的的比例系数是,常用于判断深层地下水是否是海相常用于判断深层地下水是否是海相沉积水或者有海相沉积水的组成沉积水或者有海相沉积水的组成（残余海水；盐水、卤水）。（残余海水；盐水、卤水）。海水：海水：Na/Cl=0.85；Cl/Br=300岩盐溶滤水：岩盐溶滤水：Na/Cl1；Cl/Br300变质封存海水（残余海水）：变质封存海水（残余海水）：Na/Cl0.85；Cl/Br 10%），），这时，主体式中就须列出；这时，主体式中就须列出；气体成分的单位一般为气体成分的单位一般为g/L，只有放射性气体氡气例外，

9、只有放射性气体氡气例外，1爱曼爱曼3.7Bq。pH为6.8，M(g/l)为1.9。1 Introduction There have recently been tremendous advances in quantitative modeling of chemical processes in the subsurface.A prime motivation for this is the need,for both regulatory and practical purposes,to predict the consequences of human activities suc

10、h as waste disposal and mining.一、简介一、简介 地下水化学模拟，也称水文地球化学模拟。近来在地下化学过程的定量模拟方面取得了很大进展。它的主要动机是预测人类活动(包括废物堆放和采矿)对环境产生的后果。8.3 地下水化学模拟地下水化学模拟The predictions are usually based on:A Hydrological model,which describes the movement of water.A chemical model,which describes the the behavior of solutes in the wa

11、ter.这种预测通常基于以下模型：一个是描述水流动的水文学模型；一个是描述水中溶质行为的化学模型.Aqueous geochemical modeling began more than 30 years ago as an attempt to apply more quantitative techniques to the interpretation of water-rock interactions.There must be nearly 100 computer programs mentioned in the literature that can calculate ch

12、emical processes for aqueous solutions,and these have been applied to a wide variety of problems.30多年以前，水文地球化学模拟就试图对水-岩相互作用进行定量描述。从文献中我们可以发现大约有100个计算机程序可以用来计算水溶液中的化学过程，并且他们已经用来解决各种问题。二、二、ConceptsModel:a testable idea,hypothesis,theory,or combination of theories that can provides new insight or a new

13、 interpretation of an old problem(Nordstrom,1994).模型：模型：指对一个老的问题可以提供新的视野或新的解释的一种能被验证的想法、假设、理论或理论的复合。Chemical model:a theoretical construct that permits the calculation of physicochemical properties and processes of substances(such as the thermodynamic,kinetic,and quantum mechanic properties).化学模型化学模

14、型：指一种可以用于计算物质的物理化学特性和作用过程（如热力学的、动力学的和量子力学的）的理论框架。Geochemical(or hydrogeochemical)model:a chemical model developed for geological systems.Speciation:the equilibrium distribution of aqueous species among free ions,ion pairs,and complexes(an integral part of phase distribution,mass transfer,and reactio

15、n-path calculation)地球化学或水文地地球化学或水文地球化学模型：球化学模型：为地质系统开发的化学模型。元素存在形式（化元素存在形式（化学形态）：学形态）：指自由离子、离子对和络合物等水溶组分的平衡分布（是相分布、质量转化和反应途径计算的整合部分。）Phase distribution:the equilibrium distribution of components among two or more phases.Mass transfer:transfer of mass between two or more phases,such as precipitation

16、or dissolution of minerals(similar to phase distribution except that equilibrium is not required).相分布：相分布：两相或多相组分的平衡分布。质量转化：质量转化：两相或多相之间的质量转移，如矿物的溶解与沉淀（除了不需要平衡以外，与相分布类似）。Reaction-path calculation:a selected sequence of mass transfer calculations that follows defined phase boundaries or reaction boun

17、daries.Mass transport:solute movement by fluid flow.Reaction transport:combined mass transfer and speciation with fluid flow.反应途径计算：反应途径计算：指符合限定的相边界或反应边界的一组选定的质量转化计算。质量迁移：质量迁移：由流体流动引起的溶质运动。反应迁移反应迁移：有流体流动条件下质量转化与元素存在形式的复合。三、三、Types of geochemical modelsMass equilibrium model（质量平衡模式）以研究元素存在形式(species)

18、为主体,建立在质量（mass）、能量(energy)和电荷(charge)守恒定律(the conservation law)的基础上的，计算物质在水中的存在形式和饱和指数的模式。这类模式程序的代表有:WATEQ,WATEQF,GEOCHEM 和EQ3等。它们用于求解、描述溶质质量平衡的联立方程，输出的结果是各种水溶组分的存在形式。有些程序还包括描述离子交换和简单线性吸附的方程，所有地球化学模式程序都能对数据库中各种矿物和固体化合物的饱和指数进行计算。mass-transfer model(质量转化模式)建立在热力学热力学(thermodynamics)和反反应动力学应动力学(reaction

19、 kinetics)基础上，以研究元素存在形式，及其转化数量、速率为主体，是计算天然水体中或水-岩体系中物质转化的模式。此类程序不仅对水溶相物质的平衡分布和矿物的饱和状态进行计算，而且还能计算出选定矿物和化合物溶解或沉淀后新的化学成分新的化学成分，以及矿物溶解和沉淀析出的数量数量。物质转化模式有两种：一种是受固-液反应控制的溶解和沉淀作用模式；另一种受固-液界面反应控制的吸附作用模式。mass-transport model(质量迁移模式)相当于水文地球化学模式，建立在热力学、反应动力学和水力学弥散、扩散原理的基础上，是计算元素(物质)水迁移的模式。由于此模式结构复杂，数学计算较困难，需要大型

20、甚至超大型计算机，所以目前只开发出一些简单的溶质迁移CHEMTRN、CPT、DYNAMIC、CHMTRNS、PHAST 等。四、Some common geochemical codes and their applications（1）PHREEQC、MINTEQA2、WATEQ4F等 三个主要地化模式程序的主要功能 1）元素在水中的存在形式 2）饱和指数可能由水中沉淀析出的化合物 3）两种以上溶液的混合作用混合后的水化学成分,Eh,pH和 SI值 4）水岩相互作用 a.正向模拟(Forward Modeling)：模拟可能发生的溶解与沉淀、吸附与解吸、氧化与还原等作用，并计算出溶解或沉淀物

21、、物质被吸附或解吸的数量。b.反向模拟(Inverse Modeling)：至少设计2种水化学成分，计算考虑到流动路径中水化学成分变化的地球化学反应.Forward modeling involves taking a solution composition and determining what minerals are in or near equilibrium with the solution.It includes reaction path modeling,which tracks the evolution of water in response to chemical

22、 reaction with minerals,surfaces,or mixing.过程已知过程已知q正向地球化学模拟有许多用途，如计算矿物在特定水溶液中的溶解性、溶解度；评价不能接近或是不易了解的系统中发生的水岩相互作用等。q正向地球化学模拟是依据假定的水岩反应来预测水的化学组分和质量转移。q对正向地球化学模拟而言，主要是对以下三种物质进行计算：（1）液相成分；（2）溶液中所发生的物质交换；（3）气相组分。Inverse modeling involves at least two solution compositions and calculates geochemical react

23、ions that account for the observed changes in chemical composition of water along a flowpath.PHREEQC adds to this combination the ability to describe kinetic parameters and one-dimensional advection and dispersion.1 逆向地球化学模拟就是依据观测到的化学和同位素资料来确定系统中所进行的水岩反应，也就是对观测到的水化学资料做出解释。u目的目的：地下水流动过程中发生的水岩反应：有哪些矿物

24、发生了溶解、沉淀，其量各是多少（这类模拟的结果不一定是唯一的，有可能无解，也可能有多解）u所需参数所需参数：系统的水文、矿物、热力学、同位素等方面资料获得的程度。u适用条件适用条件：同一水流路径上处于稳定状态（指地下水流场和化学组分不随时间变化）、忽略水动力弥散的影响。The acronym PHREEQC stands for PH(pH),RE(redox),EQ(equilibrium),C(program written in C).五、Examples of geochemical modeling(PHREEQC)A.Aqueous species and saturation i

25、ndex B.Equilibration with Pure Phases C.Mixing A.Aqueous species and saturation indexSolution 1 units ppm pH 8.22 pe 8.451 density 1.023 temp 25.0 redox O(0)/O(-2)Ca 412.3 Mg 1291.8 Na 10768.0 K 399.1 Fe 0.002 Mn 0.0002 pe Si 4.28 Cl 19353.0 Alkalinity 141.682 as HCO3 S(6)2712.0 N(5)0.29 gfw 62.0 N(

26、-3)0.03 as NH4 U 3.3 ppb N(5)/N(-3)O(0)1.0 O2(g)-0.7Aqueous speciesSaturation indexB.Equilibration with pure phasesTemperature dependence of solubility gypsum and anhydrite Pure water:pH 7.0 temp 25.0 Minerals:gypsum and anhydrite Temperature:2575 C.MixingSolution 1 Seawater units mg/L pH 8.22 pe 8.

27、451 density 1.023 temp 25.0 redox O(0)/O(-2)Ca 412.3 Mg 1291.8 Na 10768.0 K 399.1 Fe 0.002 Mn 0.0002 pe Si 4.28 Cl 19353.0 Alkalinity 141.682 as HCO3 S(6)2712.0 N(5)0.29 gfw 62.0 N(-3)0.03 as NH4 U 3.3 ppb N(5)/N(-3)O(0)1.0 O2(g)-0.7Solution 2 Rain water units mg/L pH 4.5#estimated temp 25.0 Ca 0.384 Mg 0.043 Na 0.141 K 0.036 Cl 0.236 C(4)0.1 CO2(g)-3.5 S(6)1.3 N(-3)0.208 N(5)0.237Mix 70%Rain water and 30%seawater 此此课件下件下载可自行可自行编辑修改，修改，仅供参考！供参考！感感谢您的支持，我您的支持，我们努力做得更好！努力做得更好！谢谢!