5水化学分类水化学数据处理

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1、水文地球化学水文地球化学主讲：郭清海主讲：郭清海中国地质大学（武汉）环境学院中国地质大学（武汉）环境学院一门关于地下水的科学一门关于地下水的科学水化学分类、水化学数据处理水化学分类、水化学数据处理体积量纲：克体积量纲：克/升（升（g/L）、毫克）、毫克/升（升（mg/L）摩尔量纲（摩尔量纲（M）：）：mol/L（克（克/升升/摩尔分子数）摩尔分子数）重量量纲重量量纲ppm(Part per million,百万分之一百万分之一)=1mg/kgppb(Part per billion,十亿分之一十亿分之一)=10-9=10-3ppm毫克当量量纲：以毫克当量量纲：以 Meq/L表示表示毫克当量表示

2、某物质和毫克当量表示某物质和1mg氢的化学活性或化合力相当的量氢的化学活性或化合力相当的量1 mg氢、氢、23 mg钠、钠、39 mg钾、钾、20 mg钙和钙和35.5 mg氯都是氯都是1 Meq，其换算公式，其换算公式如下：如下：meq/L(mg/L)化合价化合价/化学结构式量化学结构式量 mg/L(meq/L)化学结构式量化学结构式量/化合价化合价毫克当量百分数（毫克当量百分数（Meq）近年来，水分析中倾向于使用近年来，水分析中倾向于使用mg/L，因为，因为mg/L法代表了大多数水化学组分法代表了大多数水化学组分所用的分析方法，即分析一已知体积溶液中的物质质量，而不是一已质量所用的分析方法

3、，即分析一已知体积溶液中的物质质量，而不是一已质量溶液中物质的质量。溶液中物质的质量。%100之和离子的阴阳离子的阴某阳meqmeq常用浓度量纲常用浓度量纲库尔洛夫式具有一目了然的特点，是以数学分式形式表示库尔洛夫式具有一目了然的特点，是以数学分式形式表示水化学成分的方法，但并无数学上的意义。水化学成分的方法，但并无数学上的意义。其主体分式的写法为：在分子、分母的位置，按其主体分式的写法为：在分子、分母的位置，按Meq%大大小顺序写出各主要阴、阳离子的化学式及其小顺序写出各主要阴、阳离子的化学式及其Meq%值。沿值。沿用惯例，只列出用惯例，只列出Meq%10%的阴、阳离子，若认为需要，的阴、阳

4、离子，若认为需要，也可将也可将 10%），这时，主体式中就须列出），这时，主体式中就须列出实例实例1：江西崇仁县马鞍坪，某下降泉水化学成分为（江西崇仁县马鞍坪，某下降泉水化学成分为（mg/L）Ca2+：1.02（8.2%）Mg2+：0.912（12.3%）Na+K+：10.235（78.7%）Fe3+：0.08（0.6%）Fe2+：0.02（0.1%）pH为为6.3、Eh为为475.5mV、耗氧量为、耗氧量为0.24、M为为43.28，t为为14 其库尔洛夫式为：其库尔洛夫式为：Cl-：1.7（7.6%）SO42-：0.5（1.6%）HCO3-：16.71（44.3%）HSiO3-：22.1（

5、46.4%）3.6143.127.784434632043.0)(pHtMgKNaHCOSiOHM。实例实例2：乌克兰南部某农业耕作层土壤水（：乌克兰南部某农业耕作层土壤水（mg/L）：）：HCO3：318SO4：142Cl：173NO3：800NO2：0.04pH为为6.8、Eh(mV)为为300、M(g/L)为为1.9 其库尔洛夫式为：其库尔洛夫式为：8.69.115216319320350)(pHKNaMgCaClHCONOMNa+K+：97Ca2+：330Mg2+：66、水中偏硅酸根、硝酸根含量有时较高，构成了、水中偏硅酸根、硝酸根含量有时较高，构成了主要阴离子（主要阴离子（10%），

6、这时，主体式中就须列出），这时，主体式中就须列出3、气体成分的单位一般为、气体成分的单位一般为g/L，只有放射性气体氡例外，只有放射性气体氡例外，其单位为放射性活度单位（指放射性样品在单位时间内其单位为放射性活度单位（指放射性样品在单位时间内的衰变次数）或放射性浓度单位的衰变次数）或放射性浓度单位如埃曼、贝可（如埃曼、贝可（Bq，每秒钟衰变，每秒钟衰变1次），次），1埃曼埃曼3.7贝可贝可/立方米立方米如某放射性泉的化学成分库尔洛夫式为：如某放射性泉的化学成分库尔洛夫式为：9.4933052961.30032.02012.0120pHtCaNaClMSHBrRnBq。课堂作业课堂作业1：v一水

7、样成分如下一水样成分如下(mg/L):（简分析结果）（简分析结果）Cl-为为35.5、SO42-为为48、HCO3-为为122Ca2+为为30、Mg2+为为18、Na为为23pH为为7.3、T为为15v试写出其库尔洛夫式试写出其库尔洛夫式 v为科学、合理地开发利用地下水资源，除应评价水资源量为科学、合理地开发利用地下水资源，除应评价水资源量外，还必须评价水质外，还必须评价水质n在水量方面可把水资源分为补给资源和储存资源在水量方面可把水资源分为补给资源和储存资源n在水质方面对地下水的划分有三种：在水质方面对地下水的划分有三种：n按成因分：渗入成因、沉积成因、内生成因按成因分：渗入成因、沉积成因、

8、内生成因n按溶解组分和水化学指标分（本节讲）按溶解组分和水化学指标分（本节讲）n按潜在用途分：饮用水、农业用水、工业用水、按潜在用途分：饮用水、农业用水、工业用水、医疗矿水、工业矿水医疗矿水、工业矿水水化学分类水化学分类1.按矿化度划分按矿化度划分淡水淡水 M 50.0 g/L欧美划分（据欧美划分（据TDS，mg/L）淡水淡水 0-1000咸水咸水 1000-10000盐水盐水 10000-100000卤水卤水 1000002.按温度划分按温度划分 v地下水的温度变化范围较宽。我国目前把水温低地下水的温度变化范围较宽。我国目前把水温低于于25的地下水称为地下冷水，高于的地下水称为地下冷水，高于

9、25的地下的地下水称为地下热水，并细分为：水称为地下热水，并细分为：25-40 温水温水40-60 温热水温热水 统称低温地热资源统称低温地热资源60-90 热水热水90-150 中温地热资源中温地热资源150 高温地热资源高温地热资源3.按主要离子组分分类按主要离子组分分类 v 大多考虑主要阴、阳离子的相对含量大多考虑主要阴、阳离子的相对含量v 两种常用的水化学分类方法两种常用的水化学分类方法 舒卡列夫分类舒卡列夫分类编号命名法编号命名法 顺序命名法顺序命名法 苏林分类苏林分类 舒卡列夫分类舒卡列夫分类编号命名法编号命名法 根据地下水中根据地下水中Ca、Mg、Na(Na+K)、Cl、SO4、

10、HCO3将将Meq百分百分数大于数大于25%的阴离子和阳离子进行组合，每种类型以阿拉伯数字为的阴离子和阳离子进行组合，每种类型以阿拉伯数字为代号，共代号，共49类类 按矿化度又分为按矿化度又分为4组：组：A组矿化度组矿化度 40 g/L 命名时在数字与字母间加连接号，如命名时在数字与字母间加连接号，如1-A型：指的是型：指的是M Meq 25，阳离子只有，阳离子只有Ca大于大于25 Meq%不足之处：不足之处：有的水化学类型至今在自然界未见到有的水化学类型至今在自然界未见到 未包括一些其它类型的水，如硝酸钙水未包括一些其它类型的水，如硝酸钙水 在此分类中看不出阴阳离子的大小顺序在此分类中看不出

11、阴阳离子的大小顺序含量含量 25%Meq的离的离子子HCO3HCO3+SO4H+S+ClH+ClSO4SO4+ClClCa181522293643Ca+Mg291623303744Mg3101724313845Na+Ca4111825323946Na+Ca+Mg5121926334047Na+Mg6132027344148Na7142128354249舒卡列夫分类表舒卡列夫分类表v 按水中阴阳离子含量按水中阴阳离子含量 25 Meq%的顺序排列的顺序排列命名，阴离子在前，阳离子在后。命名，阴离子在前，阳离子在后。v 如：如：HCO3SO4-Ca水、水、SO4-Na水。水。v 这样命名，有时涉及

12、的离子就不限于上述六这样命名，有时涉及的离子就不限于上述六种，而可以是种，而可以是NO3-NaCa水，水，NO3HCO3-Na水等。这种命名法应用十分广泛。水等。这种命名法应用十分广泛。舒卡列夫分类舒卡列夫分类顺序命名法顺序命名法 苏林分类苏林分类 v根据水中主要阴、阳离子（根据水中主要阴、阳离子（Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、Mg2+、Ca2+）彼此化学亲和力）彼此化学亲和力的强弱顺序而组成盐类的原则，划分出四种的强弱顺序而组成盐类的原则，划分出四种类型的水，具体划分方案如下：类型的水，具体划分方案如下：水化学类型分类水化学类型分类苏林分类法苏林分类法（1）Cl-Na+（毫克当量数

13、）（毫克当量数）CaMgNaHCO3SO4ClMeq%碱性增强碱性增强酸性增强酸性增强14SOClNaNa2SO4型水型水A：B：CaMgNaHCO3SO4ClMeq%碱性增强碱性增强酸性增强酸性增强14SOClNaNaHCO3型水型水Meq%1MgNaClMgCl2型水型水A：B：CaMgNaHCO3SO4ClMeq%碱性增强碱性增强酸性增强酸性增强1MgNaClCaCl2型水型水（2）Cl-Na+（毫克当量数）（毫克当量数）CaMgNaHCO3SO4Cl碱性增强碱性增强酸性增强酸性增强为什么要如此分类呢？为什么要如此分类呢？v 苏林苏林1948年提出这一分类原则时，是为了区分四种产于年提出

14、这一分类原则时，是为了区分四种产于不同环境中的地下水：不同环境中的地下水：大陆环境大陆环境 海洋环境海洋环境 氯化镁型水氯化镁型水 深成环境深成环境 氯化钙型水氯化钙型水v 但已有资料表明，在苏林上述四种水化学类型与地下水但已有资料表明，在苏林上述四种水化学类型与地下水形成环境之间并不存在唯一的对应关系。比如，形成环境之间并不存在唯一的对应关系。比如，CaCl2型水确实多见于深成环境，但在浅部地下水中由于阳离型水确实多见于深成环境，但在浅部地下水中由于阳离子交替吸附作用，也可发育子交替吸附作用，也可发育CaCl2型水。但考虑到苏林型水。但考虑到苏林分类已在我国被广泛采用，还要求同学们加以掌握。

15、分类已在我国被广泛采用，还要求同学们加以掌握。重碳酸钠型水重碳酸钠型水硫酸钠型水硫酸钠型水空气来源的气体：空气来源的气体：N2、O2、CO2、Ne、Ar、Xe 生物化学来源的气体：生物化学来源的气体：CH4、CO2、N2、H2S、H2、O2、NH3、碳氢化合物（已烷、丙烷、丁烷等）碳氢化合物（已烷、丙烷、丁烷等）化学来源的气体：化学来源的气体：CO2、H2S、H2、CH4、CO、N2、HCl、HF、SO2、NH3，如：，如：放射性和核反应来源的气体：放射性和核反应来源的气体：He、Rn4.按地下水中溶解气体分类按地下水中溶解气体分类 地下水中经常含有各种溶解气体，按其来源可分为：地下水中经常含

16、有各种溶解气体，按其来源可分为：24003COCaOCaCOC223NNOHNOHNO研究地下水中溶解气体的意义研究地下水中溶解气体的意义 v 水中水中CO2、H2S或或Rn含量超过一定值后，水即成为矿含量超过一定值后，水即成为矿水，可用来治病。水，可用来治病。H2S水水(H2S 2mg/L)可治疗外伤溃疡、皮肤病、降血压、治可治疗外伤溃疡、皮肤病、降血压、治疗某些心血管疾病疗某些心血管疾病 碳酸水（水中游离碳酸水（水中游离CO2 0.25g/L）可作为矿泉水，能增进食）可作为矿泉水，能增进食欲、消除疲劳，对高血压，外伤溃疡等均有疗效欲、消除疲劳，对高血压，外伤溃疡等均有疗效v 在工程建设中，

17、必须查明水中侵蚀性在工程建设中，必须查明水中侵蚀性CO2是否构成对是否构成对水泥、混凝土的侵蚀。因此，研究水中气体十分必要。水泥、混凝土的侵蚀。因此，研究水中气体十分必要。A、实际意义、实际意义指示地下水的成因（来源不同），更重要的是，它们在很指示地下水的成因（来源不同），更重要的是，它们在很大程度上决定了地下水的氧化大程度上决定了地下水的氧化-还原条件。还原条件。水中主要水中主要溶解气体溶解气体地下水中的氧化还原条件地下水中的氧化还原条件O2大气成因、氧化环境大气成因、氧化环境N2与与O2共存：大气成因、氧化环境共存：大气成因、氧化环境与与CH4、H2S共生：生物化学成因、还原环境共生：生物

18、化学成因、还原环境CO2主要指示潜育环境或变质、岩浆作用主要指示潜育环境或变质、岩浆作用H2S、CH4指示还原环境指示还原环境B、理论意义、理论意义根据水中溶解气体成分，对地下水进行分类根据水中溶解气体成分，对地下水进行分类 v氧化水组（以氧化水组（以O2为主）为主）v潜育水组（生物成因的潜育水组（生物成因的CO2为主）为主）v硫化氢还原水组（硫化氢还原水组（H2S为主，有部分生物成为主，有部分生物成因的因的CO2）v甲烷强还原水组甲烷强还原水组(CH4为主，有部分生物成因为主，有部分生物成因的的CO2、N2和和H2S)v变质或岩浆变质或岩浆CO2水组水组v含含N2热水组（大气成因的热水组（大

19、气成因的N2为主）为主）特殊矿水氧化还原强还原地下水化学成分的图示法地下水化学成分的图示法地下水化学成分的数据处理地下水化学成分的数据处理圆形图示法圆形图示法柱形图示法柱形图示法地下水化学成分的图示法地下水化学成分的图示法地下水化学成分的数据处理地下水化学成分的数据处理多边形图示法多边形图示法半对数图示法半对数图示法地下水化学成分的图示法地下水化学成分的图示法地下水化学成分的数据处理地下水化学成分的数据处理三线图的优点：三线图的优点：v能把大量的水分析资料点绘在同一张图上，依据其分布情况可解释许能把大量的水分析资料点绘在同一张图上，依据其分布情况可解释许多水文地质问题。多水文地质问题。vPip

20、er认为该法能判断某种水是否是另外两种水简单混合的结果。认为该法能判断某种水是否是另外两种水简单混合的结果。Piper三线图：三线图：v由两个三角形及一个菱形组成，左下角三角形的三条边线分别代表阳由两个三角形及一个菱形组成，左下角三角形的三条边线分别代表阳离子中离子中Na+K+、Ca2+、Mg2+的的Meq%；右下角三角形表示阴离子；右下角三角形表示阴离子Cl-、SO42-及及HCO3-的的 Meq%。v任一水样的阴阳离子的相对含量分别在两个三角形中以圆圈或圆点表任一水样的阴阳离子的相对含量分别在两个三角形中以圆圈或圆点表示，其引线在菱形中的交点以圆圈或圆点表示，有时，圆圈大小按一示，其引线在

21、菱形中的交点以圆圈或圆点表示，有时，圆圈大小按一定比例尺画出，表示水样矿化度的高低。定比例尺画出，表示水样矿化度的高低。地下水化学成分的图示法地下水化学成分的图示法地下水化学成分的数据处理地下水化学成分的数据处理Piper 三线图三线图水质资料的数学处理水质资料的数学处理地下水化学成分的数据处理地下水化学成分的数据处理聚类分析图聚类分析图欧氏距离 O S N J L H G R M D C Q I B K F P E A02468101214水质资料的数学处理水质资料的数学处理地下水化学成分的数据处理地下水化学成分的数据处理趋势分析图趋势分析图024682004006008001000HCO3-(mg/L)F-(mg/L)R=0.6503Trend line4v利用比例系数法判断地下水的来源利用比例系数法判断地下水的来源地下水化学成分的数据处理地下水化学成分的数据处理Knowledge is everything.