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一、天然水的化学成分

天然水经常与大气、土壤、岩石和生物接触。在运动过程中，大气、土壤、岩石中的许多物质被溶解或挟持，使它们共同参与水循环，成为一个极其复杂的系统。目前已在各种水体中发现了80多种元素。

天然水中的各种物质通常根据其性质分为三类：

1)悬浮物

大于100纳米(10-7米)的物质颗粒悬浮在水中，如泥沙、粘土、藻类、细菌等不溶性物质。悬浮物的存在使天然水变得有颜色、浑浊或有臭味。一些细菌会导致疾病。

2)胶体物质

粒径为100-1 nm的聚合物是水中的胶体物质。其中无机胶体主要是次生粘土矿物和各种水合氧化物。胶体主要是腐植酸。

3)溶解物质

粒径小于1纳米的物质，以分子或离子的溶解状态存在于水中，包括各种盐类、气体和一些有机化合物。

天然水中形成各种盐的主要离子是K、Na、Ca2、Mg2阳离子，以及重金属、稀有金属、卤素等微量元素和铁、锰、铜、氟、镍、磷、碘等放射性元素；水中溶解的气体包括O2、CO2、N2和H2S、CH4等。在特殊条件下。总之，无论哪种天然水中，八种主要离子的含量占总溶解物质的95-99%以上。天然水中各种元素的离子、分子和化合物的总量称为盐度。天然水中各种溶解物质的积累和转化就是天然水的矿化过程。

二。天然水的矿化过程

地壳中有87种化学元素，这些元素都存在于天然水中。这些元素在天然水中的含量与岩石圈的平均组成大相径庭。许多化合物溶于水，随水文循环迁移，经历不同的环境，其数量、组成和存在形式都在不断变化。这个过程受到两个因素的制约：一是元素和化合物的物理化学性质；二是各种环境因素，如天然水的酸碱性质、氧化还原状态、有机物的数量和组成、各种自然环境条件等。

天然水的主要矿化作用如下：

1)沥滤

土壤和岩石的某些成分进入水中的过程称为淋溶。当地表水或地下水流经土壤或岩石时，在与土壤或岩石密切接触的过程中，不断溶解可溶性盐类，从而增加盐度。按其溶解度可分为两类：一类是按矿物成分比例完全溶于水的，称为全等溶解矿物，如氯化物、硫酸盐和碳酸盐；另一类是矿物中只有一部分元素进入水中，而原生矿物保持其晶体框架。这类矿物称为不完全等规矿物，主要是硅酸盐和铝硅酸盐。

2)吸附

天然水中离子在阳离子的交替作用下从溶液转移到胶体中，这是一个吸附过程。同时，原来吸附在胶体上的离子转移到溶液中，这是一个解吸过程。吸附和解吸结果显示阳离子交换。其特征在于：

离子交换是可逆反应，处于动态平衡；

(2)离子交换是以等价关系进行的；

离子交换服从质量作用定律。

胶体吸附的饱和容量称为吸附容量。用100g胶体中吸附离子的摩尔数表示。普通粘土矿物如蒙脱石、伊利石和高岭石的吸附量分别为80、30和10 mol/100g。腐殖质胶体的吸附量可达350mol/100g。

胶体对各种阳离子的吸附能力不同，顺序如下：

h > Fe3 > Al3 > Ba2 > Ca2 > Mg2 > K > NH4 > Na > Li

尤其是在地下水和海水中，阳离子交替广泛存在。在矿物初始阶段，地下水中的Ca2与吸附在胶体上的Na交替，使硬度较高的HCO3-Ca水变成硬度较低的HCO3-Na水。

虽然钾和钠的含量在地壳的平均成分中非常接近，但它们的含量却很高

水中天然微量元素的不溶物远未饱和。胶体的阳离子交换能使许多重金属离子从稀溶液中沉淀出来并转化为固相，如锰、铜、镍、钴、铅、锌、汞等重金属。从湖水和海水沉积到湖底和海底。

3)氧化

天然水中的氧化包括围岩中矿物质的氧化和水中有机物的氧化。黄铁矿是岩石中常见的硫化物。含氧水渗入地下，氧化黄铁矿。

2 FeS 27o 22H2O=2 feso 42h2so 4

12硫酸亚铁3o 26H2O=4Fe(SO4)32fe O33H2O

然后，游离硫酸侵入围岩中的CaCO3。

CaCO3 H2SO4=CaSO4 CO2 2H2O

硫化物矿物的氧化是富集地下水中硫酸盐的重要途径。

含有大量硫酸盐(10-15g/L)的酸性水常形成于硫化物矿床附近的矿山和风化壳以及富含黄铁矿的煤田。但在深层承压水中，由于缺氧，不会出现这种情况。

4)还原

在还原环境中，如果天然水与含有有机物(污泥、油等)的围岩接触。)或被过量的有机物污染，碳氢化合物可以减少水中的硫酸盐。例如CH4 CaSO4=CaS CO2 2H2O

硫化物与CO2和H2O反应形成CaCO3沉淀，而水失去硫酸盐并富集H2S。

二氧化碳H2O=碳酸钙H2S

在油田的地下水、江河湖泊的沉积物和封闭的海洋盆地底部，水中的有机物受到脱硫菌的影响，也会产生同样的结果。这些厌氧菌通过捕获硫酸根中的氧来生存。

5)蒸发和浓缩

在干旱地区，内陆湖泊和地下水正在盐碱化。在蒸发浓缩过程中，各种盐的沉淀顺序是：铝、铁、锰的氢氧化物，钙、镁的碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐，钠的硫酸盐，钠、钾的氯化物，钙、镁的氯化物，最后是硝酸盐。

青藏高原盐湖众多，富含KCl和氯化钠，部分富含溴、碘、硼、锂和锶，形成可开发的盐湖资源。

6)混合

雨水渗入地下水，地下水补充河水，河水注入湖泊或海洋，河口的潮汐水到达上游，沿海含水层的海水入侵等。所有这些都是天然水的混合物。当两种或两种以上盐度和成分不同的天然水体相遇时，混合后盐度和化学成分会发生变化。如果混合过程中没有沉淀和吸附阳离子交换，那么混合前后的水的盐度是线性关系，对于任何组分都是如此。

在干旱地区，这种混合使钙、镁和铁的碳酸盐沉淀，石膏和二氧化硅沉淀。结果，地下水或盐湖几乎是单一的NaCl，盐度大于50g/L。

三。水体的化学性质

在水文循环过程中，水经历各种环境，携带各种物质一起迁移，往往从一种形态变化到另一种形态，导致各种元素在不同水体中的分散和富集。

(a)大气水的化学成分和特性

当蒸发遇到凝结核时，水蒸气开始凝结，这是天然水矿化过程的开始。大气降水中含有多种离子(表1-11、1-12)、微生物和尘埃。但也是溶解物质最少的天然水。雨水的盐度较低，一般为20-50毫克/升，有时在海边超过100毫克/升。

大气水的化学成分和性质具有以下特点：

1.溶解气体的含量接近饱和。

水汽上升，雨滴在凝结降落的过程中与空气充分接触。在一定的温度和压力条件下，O2、N2和CO2在降水中接近饱和。

2.沉淀一般是酸性的。

空气中二氧化碳的含量为0.03%。当雨雪中的饱和CO2达到电离平衡时，其pH值为5.6，所以呈酸性。大气降水pH值小于5.6为酸雨。酸雨中含有多种无机酸，大部分是硫酸和硝酸。它由人类排放的SO2、NO和NO2转化而来。大量燃烧化石燃料、金属冶炼和化学生产、未经净化就排放废气都可能导致酸雨危害。

降水中的物质来源：

在海面上，泡沫被汽包解体和波浪溅起分散，水滴蒸发成极细的干盐颗粒。从海面溅入大气层的盐估计每年有1010吨；

风从地面吹来的灰尘；

火山喷发喷入大气的可溶性物质和粉尘；

人类活动排放到大气中的废气和烟雾。

总之，降水的盐度是最低的。它呈弱酸性，对各种可溶性盐来说远未饱和。因此，当降水落到地面时，它有能力使各种元素进入水中。

(2)海水的化学成分和特征

它是地球水圈的主体，是全球水循环的主要起点和终点，也是各大陆流出区岩石风化产物的最终聚集地。海水的历史可以追溯到地壳形成的早期。在漫长的岁月中，由于地壳的变化和广泛的生物活动，海水的一些化学成分发生了变化。

1.海水的化学成分

目前海水中已发现80多种化学元素，但含量差异很大。主要化学元素有氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、硅、氟等十二种，约占海水中所有化学元素的99.8-99.9%，故称为海水中的大量元素。其他元素在海洋中很少，都在1mg/L以下，称为海水中的微量元素。海水中化学元素的一个最大特点是上述12种主要离子的浓度之间的比值几乎是恒定的，因此被称为海水成分的恒定性。计算海水的盐度具有重要意义。溶解在海水中的大多数元素都是以离子的形式存在的。海水中氯化物含量最高，占88.6%，其次是硫酸盐，占10.8%。

海水中盐的来源众说纷纭。

一种理论认为海水中的盐是由河流带来的。

然而，目前河水和海水中所含的盐类差别很大。虽然河水含碳酸盐最多，但河水入海时，部分碳酸盐沉淀；另一部分碳酸盐被海中的动物吸收，形成它们的外壳和骨骼，所以海水中的碳酸盐大大减少。氮、磷、硅化合物和有机物也被生物大量吸收，因此这些物质在海水中的含量也随之降低。硫酸盐接近平衡。只有氯化物在海水中消耗最少，其含量逐年缓慢增加。

另一种理论是，由于海底火山活动，海洋中的氯化物和硫酸盐增加了。

2.海水的盐度

单位海水中所含溶解物质的质量称为海水盐度。它是海水物理化学性质的重要标志。在过去的一百年里，由于盐度测量原理和方法的不断变化，盐度的定义也在不断变化。

自20世纪50年代以来，海洋化学家一直致力于电导法测盐的研究。因为海水是多组分电解质溶液，所以海水的电导率取决于盐度、温度和压力。在恒温恒压条件下，电导率的差异反映了矿化度的变化。根据这个原理，可以通过测量海水的电导率来计算盐度。

为了确定电导率与盐度的对应关系，引入了电导率比的概念，即海水样品的电导率与氯化钾标准溶液的电导率之比。本标准溶液浓度为1kg，含KCl32.4356 KCl。在15时，其电导率相当于盐度为35.000010-3的标准海水的电导率。在实验室中，将标准海水用蒸馏水稀释或蒸发浓缩，在15的恒温下同时测定其盐度和电导率比值，从而建立二者之间的对应关系。在海洋调查和海洋站的日常工作中，只有通过测量电导率才能发现盐度。

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，并将后者定义为习惯盐度，命名为

海水样品在15和标准大气压下的电导率由质量比为32.435610-3的标准氯化钾(KCl)溶液的电导率之比K15定义。当K15正好等于1时，海水样品的实际盐度正好等于35。

根据比率K15，实际盐度由以下方程确定：

在任何温度下测量海水样品的电导率时，都需要进行温度校正。为了便于实际应用，制作了实用的矿化度/电导率比值查找表和温度校正表。

实验表明，绝对盐度与实际盐度之间存在线性关系，即SA=a bS。参数a和b取决于海水的离子组成。海水的实际盐度略小于绝对盐度，二者之差小于210-6。

海水的盐度在空间和时间上有一定的变化。主要取决于影响海水盐度的各种自然环境因素和海水中发生的许多过程。上述过程在不同的海域发挥着不同的作用。在低纬度海域，降水、蒸发、海流和海水的湍流和对流起主要作用。如果降水量大于蒸发量，海水会被稀释，盐度降低；如果蒸发量大于降水量，盐度就会增加。当盐度较高的洋流流经某一海域时，盐度会增加；反之，盐度可以降低。在高纬度海域，除上述因素外，冰的冻结和融化也会影响盐度。在大陆沿海地区，由于河流等淡水的注入，盐度降低。比如说；在我国长江口附近，夏季海水因流量增加而稀释，平均盐度可降至11.510-3左右。

世界海洋的平均盐度为34.6910-3。大部分海域的表层盐度在33 ~ 3710-3之间。海洋盐度分布的总趋势是从亚热带海域向高、低纬度递减，并形成马鞍形。赤道附近年平均降水量大于蒸发量350 mm，表层海水被稀释，一般在低盐度海域。在南北纬20-30的信风带海域，蒸发量超过降水量700-1100mm，所以三大洋都有高盐度中心。特别是南、北大西洋的副热带表层盐度最高，达到37.2510-3以上。西风带的降水量超过蒸发量，盐度逐渐降低到3410-3以下。极地的蒸发量最小，尤其是北冰洋。由于大量的河水注入和大陆冰的融化，盐度降低到3310-3以下。

上层海洋的盐度等值线一般与纬度平行，但寒流和暖流经过的海域盐度等值线明显弯曲。寒流和暖流交汇处，盐度等值线密集，盐度水平梯度增大。海水盐度随时间的变化很小，一般日变化小于0.0510-3，年变化小于210-3。只有在大河入海口附近，或者海冰大量融化的海域，盐度的年变化才比较大。

(3)河水的化学成分特征

河水流速很快，平均交替周期只有16天。河水与河床泥沙接触时间短，其矿化作用有限。河水的水化学特性几乎完全取决于补给水源的性质和比例。

1.河水的盐度通常很低

河水含盐量一般小于1g/L，平均只有0.15-0.35g/L，在各类补给水源中，地下水含盐量较高，变化较大；融水盐度最低，雨水直接形成的地表径流盐度也很小。

2.河水中各种离子的含量差异很大。

3.河水化学成分的空间分布是不同的。

大河流域广，流量长，区域条件复杂，不同地区的支流交汇，各河段水化学特征的异质性明显。离河流源头越远，河水的盐度越大，比例越高

它是陆地表面天然洼地中缓慢流动的水体。湖泊的形状、规模、吞吐量和地理环境造成了湖水化学成分和动力学的特殊性。湖水的化学成分和含盐量与海水、河水和地下水有明显的不同。

1.湖水的盐度不同。

根据盐度，湖泊通常分为淡水湖(<1g/L)、苦咸水湖(1-24.7g/L)、咸水湖(24.7-35g/L)和盐湖(> 35g/L)。

不同类型湖泊的地理分布是带状的。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，盐度低，故为淡水湖。在干旱地区，湖面年蒸发量远大于年降水量，内陆湖泊的径流全部被蒸发消耗，导致湖水中盐的积累，盐度增加，形成盐湖或盐湖。不同地区的湖泊有不同的化学成分和盐度。湖水和海水化学成分的差异主要体现在湖水中的主要离子上，并没有一定的比例关系。

2.湖中的生物作用很强。

营养物质(N、P)在湖水、生物和沉积物中循环，世界各地的淡水湖都存在不同程度的富营养化。

3.这些湖泊缓慢交替。

深水湖泊是分层的。随着水深的增加，溶解氧含量降低，CO2含量增加。在湖水停滞区，会形成局部还原环境，使湖水中的游离氧消失，出现H2S和CH4气体。

(5)地下水的化学特征

地下水的化学成分类型多，地域差异大，是其他天然水体无法比拟的。关于地下水化学成分的来源和形成过程，仍有许多长期存在争议的问题。

地下水化学的基本特征如下：

1.地下水填充在岩石和土壤之间的空隙中。

地下水与岩土广泛接触，渗流速度很小，循环交替缓慢。此外，地下水储存在岩石圈上部相当深的地方(10公里),构成了地下水圈。

从地表到地下深处，介质的温度、压力、渗流运动等热力和动力条件差异很大，使得土壤和岩石圈中的各种元素和化合物有可能存在于地下水中。矿化地下水流入河流、湖泊、海洋等，对其化学成分影响很大。

2.盐度变化范围大。

从淡水到咸水。在淡水中，HCO3-是主要的阴离子，Ca2-是主要的阳离子。随着盐度的增加，阴离子按照HCO3-SO42-Cl-的顺序增加。阳离子Na含量增加，逐渐取代Ca2成为主要成分，Mg2含量略有增加。