地下水化学组分存在形式及其SI值计算

饱和指数

第19卷第3期2005年8月文章编号:

1671-1211(2005)03-0200-03

资源环境与工程

ResourcesEnvironment&EngineeringVol 19TotalNo 56

地下水化学组分存在形式及其SI值计算

郭张军,宋汉周

(河海大学土木工程学院,江苏南京 210098)

摘 要:地下水化学组分形式主要为络阴离子和单一离子,但络合物也是地下水化学组成不可忽视的存在形式。络合物的存在对饱和指数SI值具有重要影响。关键词:地下水;组分存在形式;络合物;饱和指数SI值中图分类号:

P641.12 文献标识码:A

0 引言

常规水化学分析中得到的是某种离子的总量,实际上,由于水体中离子间的络合作用,化学元素在水中的存在形式是多种多样的,既有离子态形式,也

有分子态形式;既有简单离子存在,也有呈复杂络合离子存在。在水化学分析中,仅给出某组分存在形式含量之和,只从某组分总量的变化往往不足以判断天然水组成的控制机理。我们需要知道各种络合形式,才能深入认识天然水化学成分形成的物理化学过程和污染物的相互作用本质

[1,2]

络合物,又称离子对,是由一中心离子(一般是金属阳离子)和其周围的配位体(一般为阴离子或中性成分)以配位键的方式结合在一起的复杂缔合物。这种离子对可能是带电的(如CaHCO3、MgHCO3、NaCO3、Fe(OH)3等),也可能是不带电的(如Mg SO4、CaSO4、NaHCO3、Fe(OH)3等)。

地下水溶解组分形式的确定,在地下水与矿物溶解平衡的研究中是不可缺少的重要组成。大量研究结果表明,构成地下水化学组分形式主要为单一

00+

离子和络阴离子,但MgSO4、CaSO4、MgHCO3等也是地下水化学组成不可忽视的络合形式,地下水溶解组分的存在形式有三种:

2+2+++

(1)单一离子形式。如Ca、Mg、Na、K、Cl、F等。

(2)络阴离子形式。如SO4、CO3、HCO3、NO3、CrO4、PO4等。

(3)复杂络合物。它包括无机络合物及有机络合物。地下水中络合物存在形式及存在量,目前还无法完全确定。无机组分的总浓度可表示为:

Ci=

-2-3-2-2----0

--+

+

。

国外有许多学者致力于地下水、地表水和海水中组分存在形式及其含量的研究,其内容包括:不同性质的水体相混合时,络合存在形式会发生什么样的变化?络合存在形式对吸附作用有何种影响

[3]

?

络合存在形式对矿物的沉淀溶解有何影响(包括热

[4]

力学和动力学方面)?并致力于如何确定组分存在形式及含量的方法研究

[5,6]

。

1 地下水化学组分存在形式

地下水是一种复杂溶液,其溶解组分以各种形式存在。所谓组分存在形式是指构成水溶液中游离离子(包括单一离子、络阴离子)和络合物(或称离

子对)的统称。地下水的化学组成及其存在形式非常复杂,即水溶液中的组分除了以简单的离子形式存在外,还包括一些络合组分形式即络合物。所谓

C(游离离子)+ C(无机络合物)+

C(有机络合物)

式中的游离离子包括单一离子及络阴离子。地下水中存在哪种络合物,所占比例多少,随地下水化学成分的组成及浓度而变化。如果构成地下水中的主要离子为Ca、Mg、Na、SO4、Cl、HCO3、和

2+

2+

+

2---

收稿日期:2005-04-18;改回日期:2005-05-08

作者简介:郭张军(1980-),男,在读硕士生,水文地质专业。E-mai:lgzj0224@

饱和指数

第3期

-

郭张军等:地下水化学组分存在形式及其SI值计算

201

F等,那么其可能的组分存在形式如表1所列:

表1 化学组分的可能存在形式

Table1 Somepossibleformsofchemicals

主要组分Ca2+Mg2+Na

+

存在,只考虑活度的情况下,进行反应平衡的计算,饱和指数SI值计算过程简单;但是通过研究元素在地下水中的存在形式以后,发现地下水溶解组分由游离

离子和络合物两部分组成,例如钙,其组成如下:m

、

Ca2+

组分存在形式

Ca、CaOHCaF+

Mg2+、MgOH+、MgCO0MgSO0MgHCO+MgF+3、4、3、Na

+2+

+

+0

、CaHCO3、CaCO0HSO+3、CaSO4、Ca4

(T)=m

Ca2+

+m

CaSO0

4

+m

CaHCO+

3

+m

CaCO0

3

式中符号 m 表示mol浓度;m水中的总浓度,即分析浓度;m

2+

2--

Ca2+

(T)是Ca在

4

CaSO0

、m

2-

CaHCO+

3

和(T

、NaCO-3、NaHCO0NaSO-3、4

mCaCO0分别为Ca与SO4、HCO3和CO3结合的3络合物浓度。通常的水分析结果只能代表m

Ca2+

Cl-SO2-4HCO-3F-

Cl---SO2-HSO4、MgSO0CaSO0NaSO4、CaHSO+4、4、4、4

)浓度,而游离离子及络合物浓度是未知数,所以饱和指数SI值出现偏差。在进行饱和指数SI值计算过程中,由于所涉及的概念广,公式多,所要解的方程中有数十个未知数,如果用一般方法来计算,费时

费力,十分繁琐;若利用计算机,采用迭代进行计算,不但计算过程方便,而且计算结果也有很高的精确度。针对上述情况,根据图1和图2所示的程序流程,作者编写了两个不同的FORTRAN应用程序,分别进行不考虑络合物和考虑络合物的饱和指数SI值计算。FORTRAN语言具有严谨的语言结构和丰富的数据类型,因此处理水化学组分计算十分适宜

[7]

CO2-HCO-HCO0CaCO0CaHCO+MgCO03、3、3、3、3、3、NaHCO0NaCO-MgHCO+3、3、3F-、CaF+、MgF+

2 饱和指数SI值的计算

饱和指数SI值(saturationindex)是一个十分重要的参数,因为根据SI值可以判断和确定水与岩石、矿物之间处于何种反应状态,考察下列反应:

aA+bB=cC+dD

式中:a,b,c,d分别为反应物(A,B)和生成物(C,D)的摩尔数,按质量作用定律,当上述反应达到平衡时,有

=Kab[A][B]

上式左边称为活度积,以 AP 表示;如所有组分均为离子,则称离子活度积,以 IAP 表示。SI值的数学表达式为

SI=IAP/K

或

SI=lg

IAP

K

2+

2-c

d

。

3 实例应用及结果分析

结合这一工程实例,说明如何求解饱和指数,以及地下水中化学组分存在形式尤其是离子的络合对矿物溶解平衡的重要影响。水化学分析数据来源于福建省古田溪水电站一级坝坝址地下水分析结果。古田溪一级坝坝址区基岩为白垩纪燕山期流纹斑岩,致密坚硬,矿物成分以石英、长石为主,黑云母次之,含少量黄铁矿等。库水渗流经过岩石,水的成分主要取决于围岩性质与水交替特点。分析水样取自一级坝内廊道的排水孔,水样分析结果见表2:

表2 古田溪一级坝坝址区水样分析结果/(mg L-1)

Table2 AnalyticaldataofwatersamplesfromGutianxi项目PHCa2+Mg2+

1#

2#

3#

4#8.25

5#

6#

7#

8#9.535.390.48

(1)(2)

以CaCO3与水的反应为例

CaCO3

+CO3

2+

2-

K=[Ca][CO3]

当SI=1(式(1))或SI=0(式(2)),水与Ca CO3达到溶解平衡状态;当SI<1(式(1))或SI<0(式(2))时,水与CaCO3处于非饱和状态,反应向右进行,CaCO3继续溶解;当SI>1(式(1))或SI>0(式(2)),水与CaCO3处于过饱和状态,反应向左进行,产生CaCO3沉淀。一般说来,根据SI值来判断水与岩石、矿物的反应状态,对于地下淡水来说,效

果比较理想。

在溶解平衡研究中,如果不考虑地下水中络合物

7.1611.218.5622.3523.40.88

0.24

6.312.07

8.5910.168.92

8.870.64

8.1510.125.921.75

0.88

0.2

.8640.48118.1317.4816.9822.6713.6919.06K++Na+10CO2-3HCO-3SO2-4Cl-091.71

30.459.960

1.17

3.5128.093.51

12

308.7968.4564.9118.4651.0734.84

0.754.72

1.263.85

0.321.24

0.84.84

1.584.22

0.9611.031.264.96

2.73

7.2

饱和指数

202

资源环境与工程

2005年

图1 不考虑络合物程序流程图 图2 考虑络合物程序流程图

Fig 1 Theflowchartwithoutcomplex Fig 2 Theflowchartwithcomplex(a是与离子水化半径有关的常数;A和B均为取决于水的介电常数、密度和温度的常数[7]。)

饱和指数SI值的计算是基于作者编写的FOR TRAN程序sfx.for1和sfx.for2来完成的,计算时只需将相关数据根据Read语句的读入顺序依次输入数据文件sfx.dat中,通过运行即可计算出相应的SI

值。表3即为考虑络合物和不考虑络合物两种情况下所计算出的饱和指数SI值,并通过分析SI值,从而确定水与矿物处于何种状态。

表3 水样饱和指数SI值及其反应方向

Table3 SIvaluesofwatersamplesanditsreactiondirection孔号未考虑

SI

1#

2#

3#

4#

5#

6#

7#

8#

物之间处于两种截然相反的反应状态。说明地下水络合效应明显,水中络合物存在的影响必须考虑。

对古田溪水电站一级坝坝址区地下水两种情况下饱和指数SI值计算的结果表明,络合物在各种地

下水中的存在是很明显的,并且它对矿物的沉淀、溶解、物质迁移及地下水的形成具有重要的作用。饱和指数SI值在两种情况下误差很大,所以要对矿物的沉淀、溶解、水岩相互作用作正确的研究,必须考虑络合物的影响。参考文献:

[1] 丘丘诺娃.防止地下水污染的水质预测[M].张先起译.北京:

地质出版社,1985.107~116.

[2] 斯塔姆,摩尔根.水化学[M].汤鸿霄译.北京:科学出版社,

1987.257~285.

[3] AppeloCaCationandprotonexchangePHvariationandcarbonate

reactionsinafresheningaquifer[J].WaterResourcesResearch1994,30(10):2793~2805.[4]

JocbsonRL.DissociationconstantsofcalciteandCaHCO+m0to3fro50 [J].GeochmiicaletCosmochmiica.Acta,1974,(38):301~318.

3.624.063.16.242.2910.82.084.29

络合物反应方向 考虑

SI

1.92.131.60.5822.1

1.91.323.996

络合物反应方向

从表3可以看出,不考虑络合物存在计算出的饱和指数SI值普遍高于考虑络合物存在情况下计算出的饱和指数SI值,尤其是排水孔7#水样,两种情况下

计算出的饱和指数SI值变化幅度很大,地下水与矿

(下转219页)

饱和指数

第3期雷天赐等:高光谱数据挖掘在蚀变矿物识别与提取中的应用

219

APPLICATIONONDATAMININGOFHYPERSPECTRUMTOIDENTIFICATIONANDEXTRACTIONOFALTERATIONMINERALS

LeiTianc,iZhuMingqiang,ZhouWanpeng

(EastChinaInstituteofTechnology,Fuzhou,Jiangxi344000)

Abstract:Thestatusquoofhyperspectralremotesensingapplicationonidentificationofmaterialsindomesticand

overseageologicdomainwasdescribedbriefly.Basedonmineralcrystalfieldtheory,ionicandmineralspectrumi dentificationrules,thetechnologyofidentificationandextractionofalterationmineralswasdevelopedbyusingdi agnosticspectrum,spatialdataminingtheoryandmodelofremotesensinginformation.Accordingtoconcreteoper atingprocedure,somerelativeflowchartswerebuil,twhichcouldprovidehelpsforsubsequentextractionofremotesensingimformations.Keywords:Hyperspectrum;Diagnosticubsorptionspectrum;Datamining;Alterationminerals(上接202页)

[5] ParkhurstDL,ThorstensonDC,PlummerLN.PHREEQE-a

computerprogramforgeochemical-culationUSGSWaterResour[J].lnvest.Rept.1980.[6]

PlummerLN.Geochemicalmodelingofwater-rockinteraction:

past,presentandfuture.Proceedingsofthe7thInternationalSym posiumonWater-rockinteraction,1992.

[7] 沈照理.水文地球化学基础[M].北京:地质出版社,1993.

CHEMIALCOMPONENTSINGROUNDWATERANDITSSIVALUES

GuoZhangjun,SongHanzhou

(CivilEngineeringCollege,RiverandSeaUniversity,Nanjing,Jiangsu210098)

Abstract:ThispaperdealswithchemicalcomponentsingroundwaterandcalculationofSIvalues,consideringgroundwaterischemicallymadeupdominantlyofsimpleionsandcomplexanions.Certainlycomplexesisalsosig nificantamongthechemicalspecies.TheimportantaffectionoftheexistentcomplexesonsaturationindexSIvalueisilluminatedthroughacase.Keywords:Groundwater;Existenceform;Complex;Saturationindex(SI)

简 讯

湖北省地质学会荣获省科普工作先进集体

2005年5月31日~6月1日湖北省 科学素质工程 总结表彰大会在武昌东湖宾馆召开。会上,湖北省地质学会荣获2002~2004年度湖北省科普

工作先进集体,湖北省地质学会科普委主任李正棋荣获2002~2004年度湖北省科普工作先进工作者。

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