第2章 地下水化学成分的组成

天然水化学成分的综合指标
硬度
总 硬度：水中 Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+ 等碱 土金属离子 的总 和，计算方法为Ca2+、Mg2+毫克当量总数乘以50，以CaCO3 表 示，单位为mg/L。 碳酸盐硬度（暂时硬度）：指与CO32-、HCO3- 结合的硬度， 可通过煮沸的方式除去。计算方法为CO32-、HCO3- 的毫克当 量总数乘以50，以CaCO3表示，单位为mg/L。 非碳酸盐硬度（永久硬度/负硬度）：指与Cl-、NO3-、SO42-结 合的硬度，不能通过煮沸的方式除去。计算方法为战士暂时硬 度减去总硬度，如结果为负值称为负硬度。
第二章 天然水化学成分的组成
授课内容
水的独特性质 大气降水与地表水的化学特征 地下水的化学特征 天然水化学成分的综合指标 地下水化学成分的数据处理
水分子的结构与性质
在水分子中， 氢、氧原子核 呈等腰三角形 排列，氧核位 于两腰相交的 顶角上，而两 个氢核则位于 等腰三角形的 两个底角上， 两腰夹 角为 104°45′。
相邻水分子之间由于有氢键联结，使水能以(H2O)n巨 型分子存在，但它不会引起水的化学性质的改变，这 种现象称为水分子的缔合作用。 (H2O)n中的n，一般变化于12—860之间。当温度为 4°C时，缔合程度最大，水的密度也最大。
水的独特性质
水具有独特的热理性质
氢键的存在使水具有很高的沸点和达到沸点以前极长的液 态阶段 水的生成热很高——2000℃高温下仅分解1%
地下水中的碳主要来源于石灰岩、白云岩、泥灰岩的溶 解； 地下水中溶解的CO2 气体对地下水中的碳酸平衡有非常 重要的意义，并控制着碳的浓度与水的酸碱性。 地下水中的各种含碳组分的含量受pH影响非常大；
地下水的化学特征
地下水中的S
SO42-也是地下水的重要成分之一，来源于石膏等硫酸盐 的溶解，也可能来自硫化矿床氧化产物的溶解。 地下水中硫的主要存在形式为SO42-，在酸性条件下出现 HSO4-，在还原环境出现H2S，在还原的碱性条件下出现 HS-； 在富含有机物的地下环境中，如油田、富腐殖质的土 壤，脱硫酸作用将使地下水中的SO42- 含量极少或不含 SO42-。
地下水的化学特征
地下水中的Na、K
地下水中的钠、钾一般来源于硅酸盐地层及易溶盐类地 层； 钠是高矿化度水的主要成分； 钾在地壳中的含量与钠相似，钾盐也非常易溶于水，但 钾是营养元素，及其容易被植物吸收，所以在地下水中 含量非常低； 钾在海水中的含量可以达到很高。
地下水的化学特征Байду номын сангаас
地下水中的C
地下水的化学特征
地下水中的Cl
地下水中的Cl- 主要来源于岩盐的溶解，Cl是高矿化度 水的主要成分； Cl在地下水中含量变化规律一般与TDS一致。
地下水的化学特征
地下水中的N、P
地下水中高含量含氮离子的出现往往是人类污染的结 果； 地下水中的磷来自于污染或磷酸盐矿物的风化。磷酸盐 矿物的溶解度都很低，土壤中动植物及微生物的作用是 使难溶性或不溶性磷酸盐进入地下水循环的关键所在。
水具有较大的表面张力
水与其它液体相比，具有较大的表面张力（汞除外）。它 随温度升高而减少

水具有使盐类离子产生水化作用的能力 水具有高的介电效应 水具有良好的溶解性能 水具有较小的粘滞度和较大的流动性
天然水的组成
天然水是组成复杂的溶液
存在于地壳中的87种稳定的化学元素中，在天然水中就发现了70 种以上
海水的无机组分
宏量组分（含量>10mg/L）：按含量由大到小的顺序依次为 Cl-，Na+，SO42-，Mg2+， Ca2+，K+，HCO3-，Br-； 中量组分（含量在0.1mg/L-10mg/L）：包括Sr，SiO2，B， F，NO3-，Li，Rb等； 微量组分（含量<0.1mg/L）：包括I，Ba，Mo，Zn，Ni， As等。
典型实例：太原盆地孔隙水的硅酸盐矿物体系平衡图
地下水的化学特征
地下水中的Al
地下水中铝的浓度主要受铝的氢氧化物（三水铝石）的 溶度积的控制； 换言之，地下水中铝的浓度与pH值有关系，酸性条件 有利于Al2O3的溶解； 地下水中铝的存在形式也与pH值有关系。在pH < 4的 地下水中，铝主要以Al3+的形式存在，而在碱性地下水 中，可形成AlO2-、AlO33-等离子。
地下水的化学特征
地下水中的Fe
地下水中的铁的水文地球化学特性受pH值与氧化还原 条件的影响很大；
例如：当地下水的pH值从8减小到6，Fe3+在水中的溶解度 将增加106倍； 所以，在河流入海处的沉积物中常会出现Fe(OH)3沉淀。 原因为陆地上的河水常呈弱酸性，而海水则呈弱碱性。
地下水的化学特征
河水的有机组分
河水中的有机组分来源于地面植物腐烂或死亡后的分解物 质，总含量一般在10-30 mg/L之间。
湖泊与水库水的化学特征
湖泊水的化学特征
湖泊水的补给源为河流或地下水； 湖泊水的含盐量受补给量与蒸发量大小关系的影响； 氮、磷营养物质含量很高的污水排入湖泊后，可引起藻 类大量繁殖，是湖泊中常见的一种污染，成为富营养 化。
水库水的化学特征
水库为人工的淡水湖泊，其水质状态与淡水湖非常相 近。
地下水的化学特征
地下水中的Si
Si广泛存在于地壳上的各种岩石与矿物中，包括石英、 铝硅酸盐、粘土矿物等； 在一般环境条件下，石英的溶解非常缓慢； 硅酸盐和铝硅酸盐（如钾长石、钠长石、钙长石、黑云 母、白云母、钠蒙脱石、钙蒙脱石、镁橄榄石等）的不 全等溶解可产生硅酸； 不论是石英还是硅酸盐和铝硅酸盐的溶解，水中的Si几 乎 全 部 以 H4SiO4 的 形 式 存 在 ， H3SiO4- 相 对 很 少 ， H2SiO42-则极少。 地下水中SiO2的含量一般在10-30 mg/L之间，一般不超 过100 mg/L。
天然水的化学成分是指
离子、络阴离子、复杂络合物 无机分子(O2、CO2、H2、CH4、H4SiO4) 有机分子(HCl-C=C-Cl2,Cl2-C=C-Cl2) 微生物（细菌、病毒、寄生虫）（存活时间、吸附、酸性土壤） 胶体(10-9-10-7m)
天然水组成的分类
天然水组成可按溶质颗粒大小、化合物类型、 相对浓度及相态等分类
酸度
表征水系统中和强碱的能力的指标； 对水系统酸度有贡献的指标包括强酸（如HCl、HNO3、H2SO4）、 弱酸（如CO2、H2CO3、有机酸）、强酸弱碱盐（如FeCl3）等。 总酸度包括水中已电离的H+和将会电离的H+，已电离的H+称为离子 酸度，与pH值一致。
地下水化学成分的数据处理
地下水中的Ca、Mg
Ca2+、Mg2+ 在地下水中的行为受水溶CO2的影响非常大， 换言之，碳酸平衡是控制钙、镁离子在水中溶解或沉淀 的主导因素； 以钙为主的地下水的TDS一般小于1g/L； 虽然镁盐在水中的溶解度比钙盐大，但由于Mg2+相对于 Ca2+ 易被植物吸收，故其在地下水中的含量一般小于后 者。
地下水的化学特征
铝硅酸盐与地下水的反应
辉 石 ： [ CaMg0.7Al0.6Si1.7]O6 + 3.4 CO2 + 4H2O 0.3Al2Si2O5 (OH)4 + Ca2+ + 0.7Mg2+ + 1.1H4SiO4 3.4HCO3黑 云 母 ： KMg3AlSi3O10 (OH)2 + 7CO2+ 7.5H2O 0.5Al2Si2O5 (OH)4 + K+ + 3Mg2+ + 2H4SiO4 + 7HCO3钙长石：CaAl2Si2O8 + 2CO2 + 3H2O = Al2Si2O5 (OH)4 Ca2+ + 2HCO3钠长石：2NaAlSi3O8 + 2CO2 + 11H2O = Al2Si2O5 (OH)4 2Na+ + 4H4SiO4 + 2HCO3= + = + +
性气体作为判别地下水补给来源与运动途径的指标。
大气降水中的其他化学特征
大气降水的pH值一般为5.5-7.0左右； 大气降水的主要盐类成分为HCO3-，CO32-，SO42-， Cl-，Ca2+，Mg2+，Na+，K+； 大气降水中二氧化硅含量很小，一般不超过0.5 mg/L；
海水的化学特征
海水的有机组分
海水中有机物的来源为海生生物所释放的碳水化合物、蛋 白质等，其有机碳含量一般处于0.1mg/L-2.7mg/L之间。
河水的化学特征
河水的无机组分
主 要 离 子 含 量 的 大 小 顺 序 与 海 水 相 反 ： 即 Ca2+>Na+， HCO3->SO42->Cl-； 总含盐量在100-200 mg/L之间，一般不超过500 mg/L； 基本化学组成与河水流经地区的岩土类型直接相关，如石 灰岩区的河水中富含Ca2+与HCO3- ，流经含石膏地层的河 水SO42-含量较高，等等。
水分析数据的可靠性检查
阴阳离子平衡检查 TDS实测值与计算值的校核 碳酸平衡关系的检查
地下水化学成分的数据处理
地下水化学成分的图示法
圆形图示法
在 水 分 子 中 氢、氧原子的 这种排列，使 水分子在结构 上正负电荷静 电引力中心不 重合，从而形 成水分子的偶 极性质。
水分子的结构与性质
以上图象为计算机模拟所得的水分子结构图。
水的独特性质
由于水分子的结构很特殊，这就导致水具有一系列的 独特性质。水与一般液体相比，在物理化学性质方面 有一些不符合一般规律的现象。
天然水化学成分的综合指标
总溶解固体(TDS)
指水中溶解组分的总量，包括溶于水的离子、分子、络合 物，但不包括悬浮物与气体； 通常以105-110℃下水蒸干后留下的干涸残余物的重量来表 示，单位为mg/L； 常用的TDS计算方法为水中溶解组分总和减去HCO3- 浓度的一 半。
含盐量
指水中各种组分的总和； 为计算值，与TDS的差别在于不需减去HCO3-浓度的一半。
总有机碳 (TOC)
水中各种形式有机碳的总量，以mg/L为单位。
天然水化学成分的综合指标
氧化还原电位 (Eh)
为表征水系统氧化还原状态的指标，单位为V，正值表明水系 统处于相对氧化状态，负值表明水系统处于相对还原状态。
天然水化学成分的综合指标
碱度
表征水系统中和酸的能力的指标，主要取决于水中CO32-、HCO3- 的 含量； 天然水中的OH-、硼酸、磷酸、硅酸也具有中和酸的能力，但由于含 量甚小而一般不予考虑。 计算方法为CO32-、HCO3-的毫克当量总数乘以50，以CaCO3 表示，单 位为mg/L。在数值上等于暂时硬度。
大气降水中的气体组分
大气降水中一般溶有较多的CO2， 因此酸性较强，具 有强烈破坏岩石的能力。含CO2气体的降水入渗地下 后，可发生一系列化学反应，在改变水自身的溶解组 分的同时，也强烈地改变着所流经的岩土体的形状， 并形成不同类型的次生矿物。 大气降水中还溶有一定量的惰性气体，它们可随水一 直下渗到深处，基本上不改变原来状态，因此可用惰
按溶质颗粒大小
真溶液 胶体 悬浮液
按相态
固相 液相 气相
按化合物类型
无机物 有机物 无机络合物及有机 络合物
按相对浓度
宏量组分 中量组分 微量组分
大气降水的一般特征
大气降水是含杂质较少、矿化度较小的软水， 其含盐量一般为20—50mg/L。 干旱地区的雨水杂质较多，潮湿地区雨水中杂 质较少。 滨海地区降水中的Na+ 和CI-含量较高，而内地 降水中的Na+ 和CI-含量较低。 初降雨水杂质较多，而长期降雨后的雨水杂质 较少。
钠吸附比
用于评价灌溉水水质或土壤与地下水之间的阳离子交换反应。
天然水化学成分的综合指标
化学需氧量 (COD)
指化学氧化剂氧化水中有机物所消耗的氧量 ，以mg/L为单 位，通常所用氧化剂为KMnO4、K2Cr2O7。
生化需氧量 (BOD)
指微生物降解水中有机物所消耗的氧量，以mg/L为单位，通 常采用20℃条件下，培养微生物5天所得的比值。