水文地质学基础(课件)-中国地质大学(武汉)06_地下水的物理性质与化学性质

矿化度变化与离子成分之间的对应关系
矿化度的变化
高
中
低
主要离子 阴离子
Cl-
SO42-
HCO3-
成分变化 阳离子
Na+
Na+或Ca2+
Ca2+、Mg2+
矿化度与离子成分具有对应关系的一个主要原因是水中盐类 的溶解度不同(表6-1)。
总的说来，氯盐的溶解度最大， 硫酸盐的溶解度次之，碳酸盐的溶解
表6-1 地下水中常见盐类的溶解度
度最小；钙的硫酸盐，特别是钙、镁 的碳酸盐的溶解度最小。
盐类 NaCl
溶解度 (0℃，g/L)
350
随着矿化度的增加，钙镁的碳 酸盐首先达到饱和析出，继续增大时， 钙的硫酸盐也饱和析出，因此，高矿 化水中便以易溶的氯和钠占优势了， 由于氯化钙的溶解度更大，因此在矿
KCl 290
MgCl2 CaCl2 Na2SO4 MgSO4 CaSO4
某些元素通过原子核衰变自发地放出α 或β射线(有时还放出γ射线)的性质。
6.3 地下水的化学特征
6.3.1 地下水的化学成分
地下水是一种复杂的天然水溶液，含有各种气体、离子、胶 体物质、有机质以及微生物等。
6.3.1.1 主要气体成分
地下水中常见的气体成分有O2、N2、CO2、CH4、H2S，尤其以前 三种为主。
矿化度的概念： 存在于地下水中各种离子、分子与化合物的总含量，称为地下水
的矿化度，g/L。其中包括所有呈溶解状态及胶体状态的成分，但不包 括游离状态的气体成分。矿化度表示地下水中含盐量的多少，即地下 水的矿化程度。
矿化度的表征方法： 习惯上以105～110℃时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表征； 将分析所得的水中阴阳离子含量相加，求得理论上干涸残物值。
由于在蒸干时，有将近一半的HCO3-分解生成CO2和H2O而逸失，因此阴阳 离子相加时， HCO3-只取重量的一半。
按照矿化度可将地下水分为淡水、微咸水、咸水、盐水及 卤水五类，见下表。
地下水按矿化度的分类
地下水类别 矿化度(g/L)
淡水
<1
微咸水
1-3
咸水
3-10
Hale Waihona Puke Baidu
盐水
10-50
卤水
>50
地下水的矿化度变化与其离子成分之间的对应关系。
纯水中的氢离子是由水分子离解产生的。水的离解度很小，在 水温22℃时，一千万(107)个水分子中仅有一个水分子离解成一个 氢离子(H+)和一个氢氧离子(OH-)，这时水的离子浓度积为10-14。
在纯水中，H+和OH-的浓度是相等的，均为10-7，水呈中性 反应；
当水中H+的浓度大于OH-的浓度，水呈酸性反应； 当水中H+的浓度小于OH-的浓度，水呈碱性反应。
H 2S0 i3 .0O H 72S0.0C 210 2 .0 O 3 M 1 0.32 N C 8 7.8 .4 6 a 1 lS C1 4 2 O .3 .4 5 a 7t5 。 2
6.3 地下水的化学特征
6.3.3 地下水的酸碱度、硬度、矿化度
6.3.3.1 地下水的酸碱度 地下水的酸碱程度用氢离子浓度或用pH值来衡量。
大气降水的矿化度一般为0.02-0.05g/L，海边和干旱地区较 高，分别可达0.1g/L，及n×0.1g/L。
味： 地下水一般无气味； 硫化氢气体使水具有臭鸡蛋气味，含有氧化亚铁时水具有铁腥 味，腐殖质使水具有鱼腥气味、沼泽气味。 气味之强弱，地下水所含气体成分以及有机物质的含量。
在一般温度下，地下水中的气味不宜辨别，而在40℃左右气 味最为显著，故在测定地下水的气味时，应将水稍加热，以使 气味明显易辩。
根据气味的强度，地下水的气味分为六级。
第六章 地下水的物理性质与化学性质
6.1 概述 6.2 地下水的物理性质 6.3 地下水的化学特征 6.4 地下水化学成分的形成作用 6.5 地下水化学成分的分析方法 6.6 地下水化学分析结果的表示方法 6.7 小结
6.1 概述
储存、运移于岩石空隙中的地下水，不断与其周围的介质相 互作用，交换着物质和能量；地下水作为自然界水循环的一部分， 在与大气圈、水圈和生物圈进行水量交换的同时，也交换着物质 和能量。因而地下水具有非常复杂的物理性质与化学性质。可见， 地下水的物理性质和化学性质是地下水形成过程的产物。
6.2.3 颜色
地下水的颜色主要由其成分和悬浮于其中的杂质所决定： 一般的地下水为无色； 含硫化氢气体的水，在氧化后由于有硫磺胶体产生，故常呈翠绿色； 硬度大的水为浅蓝色，含氧化亚铁的水呈浅蓝绿色，含氧化铁的水 呈褐红色；
含腐殖质的水多呈暗黄褐色。
含有悬浮杂质的水，其颜色决定于悬浮物的颜色，颜色深浅则取 决于悬浮物的多少。
测定地下水的颜色可在试管中进行：
取两个试管，将蒸馏水注入其中一管，地下水注入另一管中。在 管下衬以白纸，自上而下观之，即能比较出地下水的颜色。
6.2 地下水的物理性质
6.2.4 透明度
地下水的透明度取决于水中的固体矿物质、有机物和胶体悬浮 物的含量。
按透明度可将地下水分为四级。
地下水透明度野外分级
水沸腾之后仍留在水中的Ca+、Mg2+的含量，它等于总硬度 与暂时硬度之差，称为永久硬度。
水的硬度的大小，可用毫克当量(meq)和德国度(H°)为单 位来表示。
一个德国度相当于1升水中含有10mg CaO或7.2mg MgO。 由于1meq CaO=28mg CaO，所以，1meq=2.8H°。 我国目前广泛采用德国度表示方法。
即日常温带以上； 温度具有季节变化的地下水，其埋藏深度一般在地表以下50m以内， 即年常温带以上。
常温带——处于年常温带以下，厚度极小，下限深度一 般为15-30m；地温一般比当地年平均气温高1-2℃。
增温带——处于常温带以下，地下水的温度随深度的加 大而逐渐升高，成为热水甚至蒸汽，其变化规律取决于地 温梯度(℃/100m)。地温梯度的平均值约为3℃/100m，通 常变化在1.5～4℃/100m之间，但个别新火山活动区可以 很高。
6.3 地下水的化学特征
6.3.2 地下水化学成分表示式
为了明确地反映水的化学特点，可采用库尔洛夫表示。
将阴阳离子分别标注在横线上下，按毫克当量百分数自大而小 顺序排列，小于10%的离子不予表示。横线前依次表示气体成分、 特殊成分及矿化度(以字母M为代号)，三者单位均为g/L，横线后为 以字母t为代号表示摄氏计的温度。例如：
一个地区地下水的化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。
人类活动对地下水物理性质和化学性质的影响，在时间上虽然非 常短，然而，在许多情况下这种影响已经深刻地改变了地下水的 面貌！
在实际生产和科研工作中，对地下水的物理性质 和化学性质的研究，有着重要意义：
阐明地下水的起源与形成； 揭示许多地质过程； 水质评价。 研究地下水中化学元素的时空分布特征和迁移转化 规律的学科是——水文地球化学。
通常情况下，地下水中的气体含量不高，每升水中的气体成 分只有几毫克到几十毫克。
研究地下水中气体成分的意义在于：
>>说明地下水所处的地球化学环境； >>增强水对岩石的溶解能力，促进某些化学反应。
6.3.1.2 主要离子成分
地下水分布最广，含量最多的有七种离子： Cl-、SO42-、HCO3-，Ca2+、Mg2+、K+、Na+。
558.1(18℃） 739.1(18℃) 50 270 1.9
化度异常高的地下水中以氯和钙为主。 Na2CO3 193.9(18℃)
MgCO3 0.1
6.4 地下水化学成分的形成作用
地下水主要来源于大气降水，其次是地表水。这些水在进入 含水层之前已经含有某些物质：
靠近海岸处的大气降水中，Na+、Cl-含量较高； 内陆的大气降水中，一般以Ca2+与HCO3-为主，初降雨水或干旱 区雨水中杂质较多，而雨季后期与湿润地区的雨水杂质较少。
6.3.1.3 其它成分
次要离子成分：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、NO3-、 CO32-、SiO32-、PO43-等； 微量组分：有Br、I、F、B、Sr等； 胶体：主要有Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等； 有机物：以胶体方式存在于地下水中； 微生物。
硬水在锅炉中易成水垢，而水垢不易传热，浪费燃料，甚至引 起锅炉爆炸。
因此，人们对水中的Ca+、Mg2+含量给予重视。
水中Ca+、Mg2+含量的多少用“硬度”概念来表示。硬度 可区分为总硬度、暂时硬度和永久硬度：
水中所含Ca+、Mg2+的总量称为总硬度；
在水加热沸腾时，由于形成碳酸盐沉淀而使水失去一部分 Ca+、Mg2+，这些失去的Ca+、Mg2+的数量称为暂时硬度；
地下水各种味道的强弱，取决于其中各种成分的浓度、温度以 及人的味觉神经的敏感性、个人口味的不同。 测定地下水的味道时，应将水加温到20～30℃，这时水的味 道最明显。
6.2 地下水的物理性质
6.2.7 放射性
地下水的放射性取决于其中所含放射性元素的数量。
地下水在不同程度上或多或少地都具有放射性，但一般地下水 的放射性极微弱，埋藏和运动于放射性矿床以及酸性火成山岩分布 的地下水，其放射性显著增强。
地壳中含量高、且比较容易溶于水中的元素(O2、Ca、Mg、 Na、K)；或者地壳中含量虽不大、但极易溶于水中的元素(Cl、 以SO42-形式出现的S)，以这些元素构成的离子在地下水中的含量 比较多。
在地壳中含量很大的一些元素(Si、Al、Fe)，但由于其难溶 于水，以这些元素构成的离子在地下水中含量通常不大。
水的酸碱度通常用pH值来表示。pH值是水中氢离子浓度值 的负对数值，即：
pH=-lg[H+]
当[H+]为10-7，pH=7，说明水为中性； 当[H+]大于10-7，pH<7，说明水呈酸性反应； 当[H+]小于10-7，pH>7，说明水呈碱性反应。
按照pH值，可将地下水分为强酸性、弱酸性、中性、弱碱性、 强碱性五类，见下表。
因此，地下水的温度变化范围非常大。
按照温度，通常把地下水分为六类，见下表。
地下水按温度分类
地下水类型 过冷水 冷水 温水 热水 过热水
水温(℃) <0 0-20 20-42 42-100 >100
地下水的温度测定利用温度计就地进行，测定泉水的温度， 应尽量靠近泉的出口，测井水温度时则应靠近井底。
6.2 地下水的物理性质
分级
说
明
透明的 无悬浮物，60cm水深可见3mm的粗线
微浊的 有少量悬浮物，大于30cm水深可见3mm的粗线
浑浊的 有较多的悬浮物，小于30cm水深可见3mm的粗线
极浊的 有大量的悬浮物，水深很小也不能看见3mm的粗线
6.2 地下水的物理性质
6.2.5 嗅(气味) 地下水的气味取决于它所含有的气体成分与有机物质的气
地下水的酸碱度 水的类别 pH值 强酸性水 <5 弱酸性水 5-7 中性水 7 弱碱性水 7-9 强碱性水 >9
地下水pH值一般用离子酸度计进行，也可用试纸做简易测定。
6.3.3.2 地下水的硬度 地下水中含有大量Ca+、Mg2+时，对生活和工业用水都较大的
影响： 用硬水洗衣，肥皂气泡少，造成浪费； 用硬水煮饭做菜，不易煮熟；
地下水气味的等级强度
强度 0
程度 无
没有任何气味
说明
Ⅰ 极微弱 有经验分析者能觉察
Ⅱ
弱 注意辨别时一般人能觉察
Ⅲ 显著 易觉察，不加处理不能饮用
Ⅳ
强 引人注意的气味，不适饮用
Ⅴ 极强 具有强烈扑鼻的气味，不能饮用
6.2.6 味(味道、口味)
地下水的味道(口味)取决于它的化学成分： 纯水是淡而无味的； 含氯化钠的水具有咸味，含硫酸钠的水具有涩味，含硫酸镁或 氯化镁的水具有苦味，含氧化亚铁的水具有“墨水味”，含氧 化铁的具有铁锈味； 地下水中含有CO2时清凉可口，含有重碳酸钙、镁及碳酸的水 则美味适口； 大量有机质的存在使地下水具有甜味。
按照硬度，地下水可分为极软水、软水、微硬水、硬水、 极硬水五类，见下表。
地下水的硬度分类
水的类别
极软水 软水 微硬水 硬水 极硬水
硬 meq/l <1.5 1.5-3.0 3.0-6.0 6.0-9.0 >9.0
度 H° <4.2
4.2-8.4 8.4-16.8 16.8-25.2
>25.2
6.3.3.3 地下水的矿化度
6.2 地下水的物理性质
6.2.2 温度
埋藏在不同深度的地下水，其温度变化规律不同。根据受热 源影响的不同，地壳表层可分为变温带、常温带及增温带。
变温带——受太阳辐射影响的地表极薄的带。近地表的地下水温 度受气温的影响较大，具有周期性的昼夜变化和季节变化：
温度具有昼夜变化的地下水，其埋藏深度一般在3-5m (1-2m)以内，