第十一章水质特性分析

第十一章水质特性环境水文学之主要内容一．地球上水的物理性质二．地球上水的化学性质三．地球上水的分布与水资源一、物理性质1.水的形态及其转化2.水的热力学性质3.水的温度4.水的密度5.水色与透明度1.水的形态及其转化（1）水分子的结构由一个氧原子和两个氢原子组成。键角104031’,O-H键长为0.9568埃。因此，水具有极性结构，以单分子、双分子、三分子聚合体形式存在。1.水的形态及其转化（2）水的三态及其转化随着水温升高，聚合水分子减少，而单分子增多；水温降低，聚合水分子增多，单水分子减少；水温3.98℃时，双分子最多，密度最大，比重为1。固态水结构水分子有完整正四面体结构形态，键角增为109028’。键距增至1.01埃。冰晶内在矛盾主要是氢键的凝聚力和氢核的振动、水分子的热运动，前者为吸引因素，后二者为排斥因素。液态水结构理论模型大体分连体理论和混合理论，但其忽略液态任意性特点，因此，提出“闪动簇团”模型。2.水的热学性质水是所有固体和流体中热容量最大的物质之一，能吸收相当多的热量而不损害其稳定性。0℃水直接蒸发潜热为2500J/g，100℃汽化潜热为2257J/g，0℃冰融解潜热为1404J/g，冰直接升华潜热为1401＋2500＝3901J/g。3.水的温度水的温度是一很重要的物理特性，影响水中生物、水体净化和人类对水的利用。太阳辐射是主要热源之一。1）海水的温度热量收支、水平和垂直分布、时间变化（日、月、年）、海冰（24.695*10-3、-1.332℃）。2）河水温度农田灌溉、水生养殖、水工建筑物等有重要意义。受太阳辐射、气温等地带性因素控制，因而体现地带性规律。还受补给源影响，有时空上变化。我国河流水温受大陆性气候影响年变幅大日变幅小。3.水的温度3）湖泊、水库水温受水气界面上增温与冷却和湖泊内部紊动、对流混合作用影响，使水温分布存在差异。有日、月、年的变化。月平均最高值出现在7、8月，最低值出现在1、2月。我国水温年变幅最大是太湖，达38℃。高山、高原年变幅最小。3.水的温度4）地下水的水温地下水的埋藏深度不同，温度变化规律不同。近地表受气温影响；年常温层变化小，＜0.1℃；常温层下随着深度增加升高。地下水在一定地质条件下，受内部热能影响而形成地下热水。地热异常区为地热田。类型非常冷水极冷水冷水温水热水极热水沸腾水温度＜00-44-2020-3737-4242-100＞100表1-4地下水温度分类(℃)4.水的密度1）纯水的密度水分子有三种结构形式：①四面体结构；②类石英晶体结构；③最紧密的堆积结构。分子数相同时，第一种结构体积最大，第三种结构体积最小。温度一旦增减，三种形式分布就要发生变化。水温℃-20-100(冰)0(水)3.9810100(水)密度(g/cm3)0.94030.91860.91670.99991.00000.99970.9584表1－6水的密度随温度变化4.水的密度2）海水的密度指单位体积内所含海水的质量，其单位为g/cm3。海水的比重即指在一个大气压力条件下，海水的密度与水温3.98℃时蒸馏水密度之比。因此在数值上密度和比重是相等的。海水的密度状况，是决定海流运动的最重要因子之一。4.水的密度2）海水的密度海水密度是实用盐度（s）、温度（t）和压力（p）的函数。因此，海水密度可用海水状态方程表示：ρ(s,t,p)=ρ(s,t,0)/[110ρ/k(s,t,p)]式中，ρ为海水密度；k为海水正割体积弹性模量。k(s,t,p)=k(s,t,0)+Ap+Bp2式中，A、B为系数。在一个标准大气压（p=0）下的海水密度，称条件密度，在现场温度、盐度和压力条件下所测定的海水密度，称为现场密度或当场密度。5.水色与透明度1）水的颜色水体对光的选择吸收和散射作用的结果，以水色计测量。水色常用水色计测定。水色计由21种颜色组成，由深蓝到黄绿直到褐色，并以号码1-21代表水色。号码越小，水色越高；号码越大，水色越低。5.水色与透明度2）水的透明度透明度是表示各种水体能见程度的一个量度，以透明度板测量。水色和透明度，都反映了水体的光学特性。水面上光线越强，透入越深，透明度就越大；反之则小。水色越高透明度越大，水色越低透明度越小。二、化学性质1.天然水的化学成分2.天然水的矿化过程3.天然水的分类4.水体的化学性质1.天然水的化学成分目前各种水体里已发现80多种元素。天然水中各种物质按性质通常分为三大类：悬浮物质：粒径＞100nm的物质颗粒;胶体物质：粒径为100-1nm的多分子聚合体;溶解物质：粒径＜1nm的物质。1.天然水的化学成分K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-为天然水中的八大离子。还有Fe、Mn、Cu、F、Ni、P、I等重金属、稀有金属、卤素和放射性元素等微量元素；水中溶解的气体有O2、CO2、N2，特殊条件下也有H2S、CH4等。总之，无论哪种天然水，八种主要离子的含量都占溶解质总量的95-99％以上。天然水中各种元素的离子、分子与化合物的总量称为矿化度。各种溶解质在天然水中的累积和转化，是天然水的矿化过程。2.天然水的矿化过程1）溶滤作用：土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。2）吸附性阳离子交替作用：天然水中离子从溶液中再转移到胶体上是吸附过程。H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞Li+3）氧化作用：围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO412FeSO4+3O2+6H2O=4Fe2(SO4)3+2Fe2O3·3H2O游离的硫酸进而侵入围岩中的CaCO3。CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2↑+2H2O2.天然水的矿化过程4）还原作用：天然水若与含有机物的围岩（油泥、石油等）接触，或受到过量的有机物污染，碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。5）蒸发浓缩作用：在干旱地区，内陆湖和地下水正在经历盐化作用。蒸发浓缩沉积顺序是Al、Fe、Mn的氢氧化物，Ca、Mg的碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐，Na的硫酸盐，Na、K的氯化物，Ca、Mg的氯化物，最后为硝酸盐。6）混合作用：雨水渗入补给地下水，地下水补给河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，滨海含水层的海水入侵等，都是天然水的混合。3.天然水的分类按水化学成分分类按矿化度分类按主要离子成分比例分类1）地表水分类阿列金（前苏联）提出一个简单的水化学分类系统。首先按占优势的阴离子将天然水分为三类：重碳酸盐类（C）、硫酸盐类（S）、氯化物类（Cl）。其次，对每一类天然水按占多数的阳离子分为钙质（Ca）、镁质（Mg）、钠质（Na）三组。然后，在每一组内又按各种离子摩尔的比例关系，分为四个水型：Ⅰ型：［HCO3-］＞［Ca2++Mg2+］。Ⅰ型水是低矿化水，系由火成岩溶滤或离子交换作用形成的。Ⅱ型：［HCO3-］＜［Ca2++Mg2+］＜[HCO3-+SO42-）。Ⅱ型水是低矿化和中等矿化水，多由火成岩、沉积岩的风化物与水相互作用形成。河水、湖水、地下水大多属于这一类型。Ⅲ型：［HCO3-+SO42-］＜［Ca2++Mg2+］或[Cl-]＞[Na+]。Ⅲ型水包括高矿化度的地下水、湖水和海水。Ⅳ型：［HCO3-］=0。Ⅳ型水是酸性水，pH＜4.5时，水中游离的CO2和H2CO3、HCO3-的浓度为零。例如，沼泽水、硫化矿床水和煤田矿坑水。按此系统共分27个类型。表1-9天然水化学分类表2）地下水化学分类地下水化学分类方法很多，现介绍C.A.舒卡列夫的分类方法。这个分类法既考虑了各主要离子成分的摩尔百分数，又考虑了水的矿化度。4.水体的化学性质在水文循环过程中，水经历了各种各样的环境，携带各种物质一起迁移，并常常由一种形态转化为另一种形态，导致各种元素在不同水体中的分散和富集。1）大气水的化学组成及特性大气降水含有多种离子及微生物和灰尘。但也是溶解物质最少的天然水，雨水的矿化度较低，一般为20-50mg/L，在海滨有时超过100mg/L。化学成分和性质特点：溶解气体含量近于饱和；降水普遍显酸性，矿化度最低。2）海水的化学组成及特点•海水的盐度：单位质量的海水中所含溶解物质的质量。以电导测盐法进行研究。1979年第17届国际海洋物理协会通过决议，将盐度分为绝对盐度和实用盐度。（1）绝对盐度（SA）：定义为海水中溶解物质的质量与海水质量的比值。在实际工作中，此量不易直接量测，而以实用盐度代替。（2）实用盐度（S）：在温度为15℃、压强为一个标准大气压下的海水样品的电导率，与质量比为32.4356×10-3的标准氯化钾（KCl）溶液的电导率的比值K15来定义。当K15精确地等于1时，海水样品的实用盐度恰好等于35。•实用盐度根据比值K15由下述方程式来确定：3）河水化学成分的特点河水流动迅速，交替期平均只有16天。河水与河床砂石接触时间短，其矿化作用很有限。河水的水化学属性几乎完全取决于补给水源的性质及比例。（1）河水的矿化度普遍低。一般河水矿化度小于1g/L，平均只有0.15－0.35g/L。在各种补给水源中，地下水的矿化度比较高，而且变化大；冰雪融水的矿化度最低，由雨水直接形成的地表径流矿化度也很小。3）河水化学成分的特点（2）河水中各种离子的含量差异很大。其含量顺序：3）河水化学成分的特点（3）河水化学组成的空间分布有差异性。大的江河，流域范围广，流程长，流经的区域条件复杂，并有不同区域的支流汇入，各河段水化学特征的不均一性就很明显。（4）河水化学组成的时间变化明显。河水补给来源随季节变化明显，因而水化学组成也随季节变化。4）湖水化学成分的特点湖泊是陆地表面天然洼陷中流动缓慢的水体。湖泊的形态和规模、吞吐状况及所处的地理环境，造成了湖水化学成分及其动态的特殊性。在湿润地区，年降水量大于年蒸发量，湖泊多为吞吐湖，水流交替条件好，湖水矿化度低，为淡水湖。在干旱地区，湖面年蒸发量远大于年降水量，内陆湖的入湖径流全部耗于蒸发，导致湖水中盐分积累，矿化度增大，形成咸水湖或盐湖。不同地区湖泊具有不同的化学成分和矿化度。湖水与海水在化学成分上的差异，主要体现在湖水主要离子之间，无一定比例关系。4）湖水化学成分的特点（1）湖水的矿化度有差异。按照矿化度，通常将湖泊分为淡水湖（＜1g/L）、微咸水湖（1—24.7g/L）、咸水湖（24.7—35g/L）、盐湖（＞35g/L）几种类型。（2）湖中生物作用强烈。营养元素（N、P）在湖水、生物体、底质中循环，各地的淡水湖泊都有不同程度的富营养化的趋势。（3）湖水交替缓慢，深水湖有分层性。随着水深的增加，溶解氧的含量降低，CO2的含量增加。在湖水停滞区域，会形成局部还原环境，以致湖水中游离氧消失，出现H2S、CH4类的气体。5）地下水的化学特征地下水化学组成类型之多，地区性差异之大，是其它天然水不可比的。关于地下水化学成分的起源和形成过程，至今仍有许多长期争论的问题没有解决。地下水化学基本特点如下：（1）地下水充填于岩石、土壤空隙中，与岩石、土壤广泛接触渗流速度很小，循环交替缓慢，而且地下水贮存于岩石圈上部相当大的深度（10公里），构成了地下水圈。（2）矿化度变化范围大，从淡水直到盐水。在淡水中阴离子以HCO3-为主，阳离子以Ca2+为主。随着矿化度的增加，阴离子按HCO3-→SO42-→Cl-次序递增；阳离子中Na+的含量增多，逐渐代替Ca2+成为主要成分，而且Mg2+的含量稍有增加。5）地下水的化学特征（3）地下水的化学成分的时间变化极为缓慢，常需以地质年代衡量。（4）地下水与大气接触有很大的局限性，仅限于距地表最近的含水层，此层可溶入氧气成为地下水氧化作用带。然而地下水中CO2的含量比较多，因为生物的呼吸、有机质的分解，使土壤空气中C02的含量可达1－7％。如果地下水交替缓慢，则氧很快耗尽，成为还原环境。围岩中若含有机质，则地下水便富集H2S、CH4等气体。三