2025年大學(xué)《地球化學(xué)》專業(yè)題庫——河流水體中的地球化學(xué)元素考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填涂在答題卡上）1.下列哪一項不屬于河流水體中主要存在的地球化學(xué)元素賦存形態(tài)？A.溶解態(tài)離子B.懸浮顆粒物吸附態(tài)C.沉積物間隙水中D.河床固體礦物內(nèi)部2.河流水化學(xué)成分的主要控制因素不包括：A.流域降水類型B.河流流速C.巖石和土壤的礦物組成D.河流與大氣之間的氣體交換3.當(dāng)河流水體的pH值降低時，通常會增強(qiáng)哪種元素的溶解遷移能力？A.Ca2?B.Fe3?C.Al3?D.PO?3?4.河流中，下列哪種過程主要是物理吸附作用？A.碳酸鈣的沉淀B.鐵的氫氧化物沉淀C.陽離子（如K?,Na?）被粘土礦物表面吸附D.重金屬離子與有機(jī)配體形成絡(luò)合物5.穩(wěn)定同位素δ1?O值在河流中的變化，主要反映了：A.河水的溫度B.河水的年齡C.水的來源（如雨水、地下水、融雪）D.河水的礦化度6.河流輸入海洋的溶解物質(zhì)中，哪一項是含量最高的常量元素？A.氮（N）B.磷（P）C.鈣（Ca）D.硅（Si）7.水文地球化學(xué)循環(huán)中，河流扮演的主要角色是：A.元素儲存庫B.元素轉(zhuǎn)化場所C.元素搬運(yùn)通道D.元素最終沉淀地8.在河流中，下列哪種過程會導(dǎo)致水體Eh（氧化還原電位）升高？A.二氧化碳的溶解B.氫氧根離子的增加C.二價鐵（Fe2?）被氧化為三價鐵（Fe3?）D.有機(jī)質(zhì)的水解9.人類活動對河流地球化學(xué)循環(huán)影響顯著，以下哪項描述不準(zhǔn)確？A.工業(yè)廢水排放增加水體重金屬含量B.農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致水體氮、磷含量升高，引發(fā)富營養(yǎng)化C.水利工程改變河流流速，顯著增加水-巖相互作用D.城市化導(dǎo)致地表徑流增加，但河床物質(zhì)淋濾減少10.利用放射性同位素3H（氚）研究河流水年齡時，主要基于其：A.自然界中存在的豐度較高B.半衰期適中，易于測量C.主要通過大氣降水進(jìn)入地表水系統(tǒng)D.在水循環(huán)中不易發(fā)生損失二、簡答題（每小題5分，共25分。請將答案寫在答題紙上）1.簡述影響河流水化學(xué)成分的主要自然因素。2.概述水-巖相互作用對河流水體化學(xué)成分的主要貢獻(xiàn)。3.解釋什么是同位素分餾，并簡述其在一個簡單的河流入湖/海過程中可能的表現(xiàn)。4.簡述河流中重金屬元素的主要遷移途徑和影響因素。5.闡述河流地球化學(xué)過程對評價水環(huán)境質(zhì)量的意義。三、計算題（每小題10分，共20分。請將計算過程和答案寫在答題紙上）1.某河流水樣測得總?cè)芙夤腆w（TDS）為300mg/L，其中主要陰離子濃度分別為：Cl?=60mg/L,SO?2?=40mg/L,HCO??=80mg/L,CO?2?=10mg/L。假設(shè)陽離子僅以Na?,K?,Ca2?,Mg2?形式存在，且陽離子總量等于陰離子總量。請估算該水樣中Na?,K?,Ca2?,Mg2?的大致濃度。（提示：可先計算各陰離子摩爾濃度，再根據(jù)電荷平衡估算陽離子摩爾濃度，最后換算成質(zhì)量濃度。）2.假設(shè)某河流水樣中二價鐵離子（Fe2?）的濃度為0.1mM（10?3mol/L），水樣的pH=7。如果該水體暴露于空氣中，F(xiàn)e2?被氧化為Fe3?，并形成Fe(OH)?沉淀。已知在pH=7時，F(xiàn)e3?的溶度積常數(shù)（Ksp）為1×10?3?。請計算（假設(shè)反應(yīng)瞬間達(dá)到平衡，且忽略其他配體影響）：（1）Fe3?開始沉淀時水樣中剩余的Fe2?濃度；（2）Fe(OH)?沉淀平衡時水樣中Fe3?的濃度。（提示：沉淀平衡時，[Fe3?][OH?]2=Ksp。需要先計算平衡時的[OH?]濃度，再結(jié)合電荷平衡計算[Fe3?]。）四、論述題（共15分。請將答案寫在答題紙上）結(jié)合水-巖相互作用和元素遷移轉(zhuǎn)化的知識，論述人類活動（如礦山開采、農(nóng)業(yè)施肥、城市污水排放）如何改變河流特定流域的地球化學(xué)背景，并可能引發(fā)的環(huán)境問題。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.C5.C6.C7.C8.C9.D10.C二、簡答題1.簡述影響河流水化學(xué)成分的主要自然因素。答案：主要自然因素包括：流域降水（決定水體的初始化學(xué)成分和pH）、巖石和土壤類型（決定水-巖相互作用釋放的元素種類和數(shù)量）、氣候（影響降水、蒸發(fā)、氣溫等，進(jìn)而影響化學(xué)過程強(qiáng)度）、地形地貌（影響水流速度和水巖接觸時間）、地質(zhì)構(gòu)造（影響地下水系統(tǒng)和元素來源）。2.概述水-巖相互作用對河流水體化學(xué)成分的主要貢獻(xiàn)。答案：水-巖相互作用是河流地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主要包括：河水中溶解的離子與河床/河岸巖石、土壤發(fā)生溶解反應(yīng)，使元素進(jìn)入水體（如碳酸鹽巖溶解提供Ca2?,Mg2?,HCO??；硅酸鹽巖溶解提供Si??,K?,Na?,Ca2?,Mg2?等）；水體中的離子與河床/河岸物質(zhì)發(fā)生沉淀反應(yīng)，使元素從水中去除（如CO?增加導(dǎo)致碳酸鹽沉淀，鈣鎂離子與硫酸根結(jié)合形成硫酸鈣沉淀）；吸附-解吸過程，水體中的離子被固體表面吸附，或在一定條件下被解吸進(jìn)入水中。這些過程共同決定了河流水體的化學(xué)成分。3.解釋什么是同位素分餾，并簡述其在一個簡單的河流入湖/海過程中可能的表現(xiàn)。答案：同位素分餾是指在物理或化學(xué)過程中，不同質(zhì)量的同位素之間發(fā)生相對富集或虧損的現(xiàn)象，這種差異稱為分餾。在簡單的河流入湖/海過程中，輕同位素（如2H,1?O）由于物理性質(zhì)（如蒸汽壓、擴(kuò)散速率）或化學(xué)性質(zhì)（如與HCO??等配體的結(jié)合能力）上的微小差異，傾向于更快地被蒸發(fā)、或在水-氣界面交換中更容易進(jìn)入大氣，而較重的同位素則相對滯留。因此，從源頭到下游，隨著水量的減少和蒸發(fā)量的增加，河流水體的δ2H和δ1?O值通常呈現(xiàn)系統(tǒng)性升高（即變重）的趨勢，直到入湖/海時達(dá)到最大分餾。4.簡述河流中重金屬元素的主要遷移途徑和影響因素。答案：河流中重金屬元素的遷移途徑主要包括：溶解態(tài)遷移（重金屬離子或絡(luò)合離子直接溶解在水中）、吸附-解吸遷移（重金屬被懸浮顆粒物吸附，隨顆粒物遷移，或在一定條件下解吸進(jìn)入水中）、揮發(fā)遷移（如Hg?的揮發(fā)）。影響因素包括：重金屬本身的化學(xué)性質(zhì)（如離子半徑、價態(tài)、水合能、絡(luò)合能力）、水體的pH值和Eh（影響溶解度、沉淀和氧化還原狀態(tài)）、水體中存在的配體（如有機(jī)酸、碳酸鹽根）濃度、懸浮顆粒物的性質(zhì)（種類、表面電荷、孔隙度）、水流速度等。5.闡述河流地球化學(xué)過程對評價水環(huán)境質(zhì)量的意義。答案：河流地球化學(xué)過程是評價水環(huán)境質(zhì)量的基礎(chǔ)。通過分析河流水體的化學(xué)成分（離子種類和濃度）、同位素組成、懸浮物化學(xué)特征等，可以判斷水體背景值、識別污染源（如工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染、礦業(yè)污染）、評價污染物的遷移轉(zhuǎn)化路徑和程度、判斷水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)、評估酸雨影響、監(jiān)測水體自凈能力等，為水環(huán)境管理、污染控制和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。三、計算題1.某河流水樣測得總?cè)芙夤腆w（TDS）為300mg/L，其中主要陰離子濃度分別為：Cl?=60mg/L,SO?2?=40mg/L,HCO??=80mg/L,CO?2?=10mg/L。假設(shè)陽離子僅以Na?,K?,Ca2?,Mg2?形式存在，且陽離子總量等于陰離子總量。請估算該水樣中Na?,K?,Ca2?,Mg2?的大致濃度。（提示：可先計算各陰離子摩爾濃度，再根據(jù)電荷平衡估算陽離子摩爾濃度，最后換算成質(zhì)量濃度。）解析思路：首先，將各陰離子濃度從mg/L轉(zhuǎn)換為mol/L（使用相應(yīng)元素的摩爾質(zhì)量）。然后，根據(jù)電荷平衡方程：[Na?]+[K?]+2[Ca2?]+2[Mg2?]=[Cl?]+[SO?2?]+[HCO??]+[CO?2?]。將已知的陰離子摩爾濃度代入方程，求解[Na?]+[K?]+2[Ca2?]+2[Mg2?]的總和。由于假設(shè)陽離子總量等于陰離子總量，該總和也等于陰離子總摩爾濃度。最后，根據(jù)TDS的定義（TDS=Σ(陰離子質(zhì)量濃度)=Σ(陰離子摩爾濃度×摩爾質(zhì)量)），可以估算出總的陽離子摩爾濃度。將這個總摩爾濃度分配到Na?,K?,Ca2?,Mg2?上（通常需要額外的信息或假設(shè)，如假設(shè)Ca2?=Mg2?或Na?=K?，或使用經(jīng)驗公式，但題目只要求估算）。這里簡化處理，假設(shè)陽離子平均分配，或給出一個大致比例。最終將各離子的估算摩爾濃度換算回mg/L。答案（估算過程）：略。需計算各陰離子摩爾濃度，代入電荷平衡式求解，并結(jié)合TDS估算各陽離子濃度。例如，Cl?mol/L≈60/35.5，SO?2?mol/L≈40/96，HCO??mol/L≈80/61，CO?2?mol/L≈10/60。陰離子總摩爾濃度約為(60/35.5)+(40/96)+(80/61)+(10/60)mol/L。此值約等于陽離子總摩爾濃度。假設(shè)陽離子平均分配，估算各離子濃度。2.假設(shè)某河流水樣中二價鐵離子（Fe2?）的濃度為0.1mM（10?3mol/L），水樣的pH=7。如果該水體暴露于空氣中，F(xiàn)e2?被氧化為Fe3?，并形成Fe(OH)?沉淀。已知在pH=7時，F(xiàn)e(OH)?沉淀平衡時水樣中剩余的Fe2?濃度；（2）Fe(OH)?沉淀平衡時水樣中Fe3?的濃度。（提示：沉淀平衡時，[Fe3?][OH?]2=Ksp。需要先計算平衡時的[OH?]濃度，再結(jié)合電荷平衡計算[Fe3?]。）解析思路：首先，根據(jù)pH=7，計算水樣中的[OH?]濃度，pOH=14-pH=14-7=7，[OH?]=10??mol/L。這是溶液中存在的初始[OH?]。Fe2?被氧化為Fe3?的過程是快速發(fā)生的，主要控制沉淀速率的是Fe(OH)?的沉淀平衡。沉淀平衡表達(dá)式為：Fe(OH)?(s)?Fe3?+3OH?。平衡常數(shù)Ksp=[Fe3?][OH?]3。設(shè)沉淀平衡時生成了xmol/L的Fe3?，則消耗了xmol/L的Fe2?，并生成了3xmol/L的OH?。平衡時的[Fe2?]=0.1mM-x。平衡時的[OH?]=10??mol/L+3xmol/L。將這些代入Ksp表達(dá)式：Ksp=(0.1-x)(10??+3x)3。由于Ksp（1×10?3?）非常小，且初始Fe2?濃度（0.1mM）相對較大，可以假設(shè)x遠(yuǎn)小于0.1mM，即0.1-x≈0.1，10??+3x≈10??。這樣Ksp≈0.1×(10??)3，可以解出x（即平衡時的[Fe3?]）。然后，平衡時的[Fe2?]=0.1-x。答案（估算過程）：略。需列出沉淀平衡表達(dá)式，代入Ksp值和初始[OH?]計算x（[Fe3?]），再計算[Fe2?]。由于Ksp極小，近似計算即可。四、論述題結(jié)合水-巖相互作用和元素遷移轉(zhuǎn)化的知識，論述人類活動（如礦山開采、農(nóng)業(yè)施肥、城市污水排放）如何改變河流特定流域的地球化學(xué)背景，并可能引發(fā)的環(huán)境問題。解析思路：首先，概述人類活動如何干擾自然的水-巖相互作用和元素遷移轉(zhuǎn)化過程。然后，分別針對礦山開采、農(nóng)業(yè)施肥、城市污水排放這三種活動進(jìn)行具體論述。1.礦山開采：開采活動直接擾動和破壞地表巖石，增加裸露礦巖與水的接觸面積和接觸頻率。特別是硫化物礦山的開采，會顯著加速硫化物氧化和水-巖相互作用，釋放大量的重金屬（如Cu,Pb,Zn,Cd,As,Hg等）和酸性物質(zhì)（硫酸）。這些物質(zhì)隨礦井排水或地表徑流進(jìn)入河流，導(dǎo)致河水pH急劇下降，TDS升高，重金屬濃度遠(yuǎn)超背景值，改變河流整體地球化學(xué)背景。環(huán)境問題包括：嚴(yán)重污染河流水體，危害水生生物；重金屬通過食物鏈富集，影響人類健康；酸化水體，溶解土壤中的鋁等有毒元素；可能引發(fā)礦山尾礦庫潰壩等次生災(zāi)害。2.農(nóng)業(yè)施肥：大量施用化肥（主要提供N,P,K）會改變土壤和水體的化學(xué)成分。過量的N,P元素隨農(nóng)田地表徑流或淋溶進(jìn)入河流，導(dǎo)致河流營養(yǎng)鹽含量顯著升高。這會打破河流原有的營養(yǎng)平衡，引發(fā)水體富營養(yǎng)化。富營養(yǎng)化導(dǎo)致藻類等初級生產(chǎn)者過度繁殖，消耗水中溶解氧，造成水體缺氧，死亡水生生物，水質(zhì)惡化。同時，化肥中可能含有的重金屬、農(nóng)藥殘留等也會隨水流進(jìn)入河流，造成復(fù)合污染。此外，硝酸鹽淋溶還會導(dǎo)致地下水污染和潛在的“硝酸鹽中毒”風(fēng)險。3.城市污水排放：城市生活污水含有大量的有機(jī)物、氮、磷、洗滌劑、病原體以及城市排放的