第三章 地下水的物理性质与化学成分

2、根据矿化度大小, 将地下水分为四组：A组为矿化度 <1.5g/L; B组为1.5—10g/L; C组为10—40g/L; D组为 >40g/L。 3、各水型的代号在前, 矿化度划分的组在后。
3.3 地下水化学成分的形成与演变
3.3.1 原始成分的影响 地下水继承了各种补给源的原始化学成分。 3.3.2 地下水化学成分的形成作用 溶滤作用 浓缩作用 阳离子交替吸附作用 脱碳酸作用 脱硫酸作用 混合作用
水化学分带
HCO3-
HCO32-
SO4
SO42Cl-
Cl-
HCO3-
SO42Cl-
阳离子交替和吸附作用 一定条件下，颗粒将吸附地下水中的某些阳离子， 而将原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，即 为阳离子交替和吸附作用。 影响因素： 岩土颗粒的比表面积； 阳离子吸附于颗粒表面的能力； 地下水中某些离子的相对浓度。 混合作用 成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原 来两者都不相同的地下水，称为混合作用。
脱硫酸作用的结果 SO42-减少以至消失; HCO3-增加; pH值变大。
不同位置发生的水化学作用不同
溶滤作用
氧化作用 脱碳酸 交替吸附 脱硫酸
浓缩 混合
还原作用
3.4 地下水化学特征与为类生存的关系
• 在天然状态下，水中存在的有害物质或缺乏某些 人体所必需的物质问题，称之为第一类环境地质 问题或原生的环境地质问题。 • 由于人为污染生成的水中有害物质称之为第二类 环境地质问题或次生环境地质问题。
• 德国度，以1 升水中含10 毫克CaO 或7.2 毫克MgO为1 度； • 目前根据国家化学分析标准计量要求，硬 度按 mg/L（以CaCO3计）表示。
硬度1度＝17.9mg/L（以CaCO3计）
4. 侵蚀性二氧化碳
CaCO3＋H2O＋CO2 ＝ Ca2+＋2HCO3呈游离状态的、将消耗于溶解碳酸盐的CO2称 为侵蚀性CO2，它能溶解混凝土中的CaCO3使混 凝土的结构遭到破坏。
• 4、式中各成分含量一律标于该成分符号的右下角, 原 子数则移至右上角。
舒卡列夫的水化学类型分类
• 1、根据水中各阴、阳离子含量, 将大于25%毫克 当量百分数的离子参加分类命名。阴离子在前, 阳 离子在后, 含量大的在前, 含量小的在后, 中间用 短横线相连来对地下水化学类型进行命名。
• 共分49种类型, 每型用一个阿拉伯数字表示。
溶滤作用 在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地 下水中，称为溶滤作用。 作用结果 岩土失去一部分可溶物质，地下水获得新的成分。
影响溶滤作用强度的因素
组成岩土的矿物盐类的溶解度； 岩土的空隙特征； 水的溶解能力（低矿化水溶解能力强）； 水中O2、CO2等的含量；
地下水的径流与交替强度。
浓缩作用 地下水受到蒸发失去水分或流动将溶解物质带到排泄 区而使地下水中盐分浓缩的作用。 产生条件： 干旱或半干旱的气候； 低平地势控制下较浅的地下水位埋深，有利于毛细作 用的颗粒细小的松散岩土； 集中排泄的地带。 特点： 不仅使地下水的矿化度提高，也使地下水的化学类型 发生改变。
1 HCO 3 2
• 地下水的总矿化度M
定义：地下水中所含各种离子、分子与化合物的总 量称为总矿化度（总含盐量），单位g/L。
通常以在105℃—110℃温度下，将水蒸干所得的干 涸残余物来表征总矿化度（总溶解固体）。 1 计算方法：M=∑阳离子+∑阴离子HCO 3 2 地下水按矿化度分类
矿化度 （g/l） 分类名称 <1 淡水 1-3 微咸水 3-10 咸水 10-50 盐水 >50 卤水
2. 地下水中的主要离子成分
地下水中占主要地位的离子有七种：
（1）氯离子
几乎存在于所有地下水中，含量一般较大，由 每升数毫克到数百毫克，是高含盐量水中的主要 阴离子。 来源：地下水溶解盐岩及含氯化物的其它矿物； 海水入侵。 特点：不被细菌及植物所摄取，不被土颗粒表 面吸附，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离 子。
来源：地下水溶解盐岩及含钠的岩石和矿物。 （5）钾离子
来源与钠离子相似，但钾离子容易为植物所吸 收，也容易形成难溶于水的水云母等矿物，且常为 土颗粒表面所吸附，所以在地下水中的含量不大。
（6）钙离子
在地下水中分布很广，但含量不高，很少超过 1g/L，是低含盐量地下水中的主要阳离子。
来源：地下水溶解碳酸盐类岩石及矿物。 （7）镁离子 主要来源于地下水对白云岩及泥灰岩的溶解。 镁盐的溶解度虽然比钙盐大，但镁离子容易被植 物吸收，所以在地下水中的含量一般比钙离子少。
• 变温带：地温受气温控制，有昼夜变化和年变化， 变幅随深度增加而减小； • 常温带：气温的影响趋于零的深度。地温一般略 高于所在地区的年平均气温，概略计算时可用所 在地区的年平均气温来代替地温。 常温带深度在低纬度地区为5～10米，中纬度 地区为10～20米； • 增温带：地温受地球内部热力影响，随深度的增 加而有规律地升高。温度每增加1℃所需要增加的 深度称为地热增温级，一般平均每33m升高1℃。
3.1.4 味
地下水的水味来自于水中所溶解的盐分及气体 成分。如，地下水中含有重碳酸钙、重碳酸镁及 碳酸时，水味爽快、适口，为“甜水” ；含氯化 物的水有咸味；硫酸钠、硫酸镁使水变苦，还可 引起饮用者呕吐、腹痛或腹泻；大量的有机物能 使水发甜味，但不宜饮用，等等。
3.1.5 气味 地下水的气味同样来自于水中所溶解的盐分及 气体成分。如，含有硫化氢时发臭鸡蛋气味；含 有氧化亚铁时有铁腥气味；含腐植质时有鱼腥气 味等。 气味在40 ℃时最明显。 3.1.6 导电性
• 库尔洛夫表示式是以类似数学分式的形式来表示地下 水化学成分。其方法为： • 1、将阴、阳离子分别标示在横线上、下, 按毫克当量 百分数自大而小的顺序排列, 小于10%的离子不予标 示。 • 2、横线前依次标示气体成分、特殊成分及矿化度(用 M表示), 单位均为g/L。
• 3、横线后以字母t为代号, 表示水温, 单位为℃ 。
• 研究地下水的物理性质、化学成分及其形成， 不能从纯化学角度，孤立、静止地研究，必须 从水与环境长期相互作用的角度出发，去揭示 地下水化学演变的内在依据和规律。
3.1 地下水的物理性质
地下水的物理性质一般指：
温度、颜色、透明度、嗅、味、相对密度、
导电性、放射性等。 3.1.1 温度 地下水的温度主要来自于地温。 地壳按热力状态从上而下分为变温带、年常 温带和增温带。
2. 氢离子浓度
氢离子浓度常用pH 值表示。pH=7 呈中性反应， pH＜7 呈酸性反应，pH＞7 呈碱性反应。 3. 硬度
水中钙、镁离子的总量，称为水的总硬度。当水 煮沸时，一部分钙镁离子的重碳酸盐因失去CO2 而 成为碳酸盐沉淀，沉淀的部分叫做暂时硬度。总硬 度减去暂时硬度即为永久硬度。
• 表示水的硬度的方法有两种：
3.4.1 地下水中化学成分天然分布不均匀
对人体的影响 • 粗脖子病（甲状腺肿） 病因：饮用水中缺碘 一般认为，只要饮用水中的含碘量大于5μg/L 就基本不会发生甲状腺肿；当水中含碘量在3μg/L 以下时，则要普遍发生。 地下水中的含碘量与地形地貌有一定关系：山 区地下水中的含碘量常常比平原区低；平原区地 下水中的含碘量由山前向平原逐渐增高。
• 地下水的温度与它所处地区的地温状况是相适应 的。 • 增温带中地下水温度计算方法： TH ＝ TB ＋（H－h）/ G TH－地表以下深度H处的地下水温度（ ℃ ） TB －所在地区年常温带温度（ ℃ ）
H －地下水所处的尝试（m）
h －年常温带深度（m） G －所在地区的地热增温级（m/ ℃ ）
（2）硫酸根离子
总含量仅次于氯离子，每升可达数克。
来源：地下水溶解石膏及其他硫酸盐类沉积岩 或含硫矿物。 （3）重碳根离子 是地下水中普遍存在的阴离子，但含量一般不 超过 1 g/L。以重碳酸根为主要成分的地下水含 盐量较低，一般均为淡水。 来源：地下水溶解碳酸盐类岩石和矿物。
（4）钠离子
是地下水中分布广，含量变化最大的阳离子， 在高含盐量地下水中的含量可达数克到数百克每升。 含大量钠离子的水用于灌溉，可引起土壤盐渍化。
3.2.2 地下水化学成分的性质
1. 总含盐量与总溶解固体（TDS） 定义：存在于地下水中的离子、分子和微粒（不 包括气体）之总含量称为地下水的总食盐量，通 常以 g/L 表示。
通常在105～110 ℃温度下将水样蒸干的得干 涸残余物的总量称为总溶解固体（TDS）。
总溶解固体也可用理论计算： TDS =∑阳离子＋∑阴离子－
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地下水导电性取决于其中所含电解质的数量与 性质。离子含量愈多，离子价愈高，则水的导电 性愈强。
3.2 地下水的化学成分
地下水中的化学元素一般以气体、离子和分子状 态存在。 3.2.1 地下水中常见的化学成分 1.气体 地下水中溶解的气体主要有CO2、O2、N2、CH4、 H2S，还有少量的惰性气体和H2、CO 等。 （1）O2、N2（来源：大气） O2含量高，表明地下水所处的地球化学环境为氧化 环境 ； N2的单独存在表明地下水起源于大气并处于还原环 境。
（2）H2S、CH4
与有机物、微生物的生物化学过程有关；表明 地下水所处的地球化学环境为还原环境。 （3）CO2
来源：土壤（植物的呼吸作用、有机质的发酵 作用 、碳酸岩盐的高温分解、化石燃料） 含量愈高，其溶解碳酸盐岩与对结晶岩进行风 化作用的能力愈强。
研究意义 指示地下水所处的地球化学环境；
影响地下水的溶解能力； O2、CO2↑，地下 水对岩石矿物的溶解能力↑。 决定地下水的利用价值。
第3章 地下水的物理性质 和化学成分
• 地下水的物理性质和化学成分是地下水与周围 环境长期相互作用的结果，它是一种重要信息 源，研究地下水的物理性质和化学成分可以帮 助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明地 下水的起源和形成。 • 从实际应用来看，不同的用水目的，对水质要 求不同，因此研究地下水的物理性质和化学成 分是水质评价的需要。
3.1.2 颜色
地下水一般是无色透明的，但有时因含某种 离子、富集悬浮物或含胶体物质，也可显出各种 各样的颜色。例如含亚铁离子或硫化氢气体的水 为浅蓝绿色，含腐殖质或有机物的带浅黑色，含 黑色矿物质或碳质悬浮物的为灰色，含粘土颗粒 或浅色矿物质悬浮物的为土色，等等。
3.1.3 透明度
地下水的透明度决定于水中所含盐类、悬 浮物、有机质和胶体的数量。透明度分为透 明、微混浊、混浊和极混浊四级。水深60 厘 米时能看见容器底部3 毫米粗的线者为透明； 于30～60 厘米深度能看见者为微混浊；30 厘 米深度以内能看见者为混浊；水很浅也看不 见者为极混浊。
脱碳酸作用
水中CO2的溶解度受环境温度和压力控制， CO2的溶 解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为 游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。
Ca 2 2HCO3 CO2 H 2 O CaCO3
Mg 2 2HCO3 CO2 H 2 O MgCO3
3.2.3 地下水的化学成分分析与 按化学成分的分类
（库尔洛夫表示式与舒卡列夫分类法）
1. 地下水化学成分的分析与表示
• 简分析 分析项目 定量分析：Ca2+、Mg2+、 Cl－、 SO42－、HCO3－、 K+ + Na+、 pH值、游离CO2 、硬度和TDS • 简分析分析项目少，分析手段简单方便，在野外即可 进行。
• 分析目的在于概略了解区域性的水质成因和变化规律。
• 全分析
分析项目
K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Fe3+、Fe2+ 、Cl－、 SO42－、HCO3－、CO32－、NO3－、NO2－、pH值、游 离CO2 、侵蚀性CO2 、耗氧量、H2S、H2SiO3、硬度 和TDS。 • 分析目的 对水源地水质进行全面评价，分析研究水源地水质变 化规律。
脱碳酸作用的结果 HCO3- 、 Ca2+ 、 Mg2+减少; 矿化度降低。 深部地下水上升成泉，泉口附近形成的钙华就是脱碳酸 作用的结果。
脱硫酸作用
在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌 能使SO42-还原为H2S ，这种作用称为脱硫酸作用。
2 SO4 2C 2H 2 O H 2 S 2HCO3