当前世界环境

介绍

地下水是自然界最宝贵的财富，用于维持地球上的生命和任何发展活动。尽管水是一种常见的商品，但它在地球上是稀缺的，没有替代品。根据Kumar等人的说法，2005年安全饮用水的回收势在必行，因为印度30%的城市人口和90%的农村人口完全依赖未经处理的地下水资源。了解水文地球化学过程和污染源，定期监测水质，是任何地区地下水资源可持续发展和有效管理的必要条件。

pH和碱度在地下水资源管理中起着重要作用。通过测定样品的pH和碱度，可以快速确定样品的性质，并与地层的地球化学有关。pH值超过5.0-10.0为工业污染和灾害性事件。碱度值的长期数据库为研究人员提供了探测水体化学组成趋势的能力(河口自愿监测手册，2006年)。碳酸盐的风化作用增加了水体的碱度，提高了pH值(Sengupta, 2014)。Kupwade和Langade(2013)报告说，过量的碱度会与阳离子发生反应，导致沉淀，从而损坏管道、阀门等。

pH值是氢离子浓度的负对数，它表明一种物质是酸还是碱，碱度通过中和酸来保持相当稳定的pH值。pH值7.0可能代表一个中性体系，pH值越高为碱性，pH值越低为酸性。

pH = -log₁₀[H⁺］

碱度= [HCO_3.^-) + 2(有限公司_3.^{2 -}+[哦^-- [h]⁺］

在pH值约为4.3及以下时，只有游离的矿物质酸度(FMA)和溶解的二氧化碳(H₂有限公司_3.)存在，且未观察到碱性。当pH值在4.3到8.3之间增加时，溶解的二氧化碳转化为碳酸氢盐离子。当pH值超过8.3时，碳酸氢盐离子转化为碳酸盐离子。在pH值10.2左右，几乎所有的碳酸氢盐都转化为碳酸盐，转化几乎完成。当pH值超过10.2时，可测量到的氢氧根离子和碳酸盐离子水平是明显的(McDonald, 2006)。任何地区的地下水质量都是其物理和化学参数的函数，而这些参数又受到地质构造、气候条件和人为活动的高度inï影响(Matthess, 1982;Subramani et al.， 2005)。地下水化学变化取决于地下水与特定岩石接触的持续时间。接触时间越长，岩石化学对地下水配方和pH值的影响越大。基岩的化学成分倾向于缓冲地下水的pH值。 Groundwater passing through carbonate-rich rocks (e.g. limestones and marbles) usually has pH values more than 7. American Ground Water Trust (2003) reported that the acidic nature of the groundwater persist if the geology of the aquifer has few carbonate rocks (e.g., sandstones, metamorphic granitic schists and gneisses; volcanic rocks, etc.) the ground water will tend to remain acidic. Hence, the purpose of the study was to figure out the seasonal variation in pH and alkalinity of groundwater in semi-arid regions around Central India.

材料与方法

研究区域

西迪区位于印度中央邦的东北边界，位于北部的印度-恒河平原和南部的德干高原之间的过渡地区。它位于北纬22ÌŠ 47.5′和24ÌŠ 42.10′之间，东纬81ÌŠ 18.40′和82ÌŠ 48.30′之间(图1)。Sidhi地区总面积为10,536公里²其中森林面积占40%。全区总人口11,26,515人，分布密度为110人/公里²(人口普查,2011)。

图1:地图显示(a)采样地点 (b) Sidhi地区的地质分类 点击此处查看图

地质

研究区(Sidhi区)位于印度中部，是印度最大的元古代盆地之一的Vindhyan-Mahakoshal盆地的一部分(Auden, 1933;Tondon et al.， 1991)，是经历半干旱气候的重要地质域。该带的标志是异质角砾岩的线性隆起和低丘，包括高度丰富的新太古代至古元古代基底-物源(Chhotanagpur花岗片麻岩杂岩)，千粒岩/碳千粒岩的存在，幕式基性和酸性岩浆作用和基底活化(Banerjee et al.， 2010)。从地形上看，该地区可分为三个带:温德哈扬山或Kaimour山脉，冈瓦纳带和太古宙带。Roy和Bandyopadhyay, 1990报道了Sidhi地区最古老的Tonalite-Trondjhemite系列岩石单元形成于原大陆阶段(3.7-2.9 Ga)，具有古固结作用。

现场取样和实验室分析

为了了解pH和碱度在评估地下水质量中的作用，我们从手泵中收集了39个地下水样本，这些样本代表了季风前(2013年6月- 2013年)季风(2013年8月- 2013年)和季风后(2014年1月- 2014年)Sidhi地区不规则区域的不同地质构造和土地利用模式。手摇泵的使用年龄报告是从居民中收集的，年龄范围从不到一年到20年不等，平均为7年。3个季节分别在无气泡的纯聚丙烯瓶中采集地下水样品39份。地下水样品用0.45µm Millipore滤纸过滤。pH采用电法监测，碱度采用滴定法测定，参照APHA(2012)。分析是重复进行的，以量化误差。整个样品的总体精度低于5%。

结果与讨论

在本研究中，pH和碱度表现出相似的空间和季节变化。在季风前、季风后和季风后，地下水的pH值在6.2-7.8、7.1-8.5和6.8-7.9之间变化(图2a)，表明季风期的pH值为碱性，而季风前和季风后的pH值为酸性至碱性。pH值记录在6.5-8.5的标准允许范围内(IS: 10500)。在季风前、季风期和季风后，Sidhi地区地下水的总碱度分别为236-798、624-1388和568-894 mg/l(图2b)，均高于600 mg/l的建议允许限值。季风季节pH值和碱度较高，且呈正相关关系。

图2:季节变化图 (a) pH (b) Sidhi地区的碱度 点击此处查看图

季风季节的水通过富含碳酸氢盐、碳酸盐、方解石和萤石的岩石渗透，并从附近的岩石中浸出到地下水中，导致碱度增强(Raju等人，2014年，Naaz和Anshumali, 2015年)。由于碳酸氢盐和碳酸盐的溶解，石灰岩含水层的地下水可能具有较高的硬度和碱度(Chris, 2010)。高碱度可能是由于岩层中存在石灰石，因此某些矿物质或盐溶解在水中并赋予碱度(Kumar, 2005)。岩性是钙等阳离子的主要来源^２＋_，毫克^２＋, Na⁺和K⁺(哼哼,1991)。乡村岩石的风化作用和长石(斜长石和钾品种)和氧化铁矿物(石榴石、黑云母、硅线石和辉石)在碳酸(H₂有限公司_3.)有助于运动。在阴离子中，HCO离子_3.^{- - - - - -}是一个岩性源，这是由CO₂在土壤区有水。的有限公司₂也释放到土壤区，由于有机物的腐烂和根呼吸。控制地下水碱度的主要地球化学反应有:

阳离子硅酸盐(s) + H₂有限公司_3.(q)⇒H₄SiO₄(aq) + HCO_3.^{- - - - - -}(aq) + Ca^２＋(aq) + Mg^２＋(aq) +

Na⁺(aq) + K+ (aq) +粘土(s) (3)

有限公司₂(g) + H₂O (l)⇒H₂有限公司_3.(aq) (4)

H₂有限公司_3.(q)⇒H⁺(aq) + HCO_3.^{- - - - - -}(aq) (5)

结论

季风期和后季风期pH值较高，夏季pH值较低。研究区地下水水质的主要问题是高碱度。季风和季风后季节的高碱度主要是由于乡村岩石中的碳酸盐矿物(石灰石和白云石)风化所致。季风期间的水通过土壤剖面和岩石地层渗透，导致溶解固体的富集，并在地下水中造成暂时和永久的硬度。简而言之，在Sidhi地区，地下水供应需要在消费前进行处理。

鸣谢

作者感谢印度政府人力资源发展部和印度矿业学院资助Asmaa Naaz女士的博士论文(注册号:2013 dr0060)。我们也感谢丹巴德环境科学与工程系为开展实地监测和实验室分析提供后勤支持。

参考文献

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