水文地质王维平第三章地下水的理化性质与水质污染

1、第三章第三章 地下水的理化性质地下水的理化性质与水质污染与水质污染 济南大学济南大学 王维平教授王维平教授stu容概要内容概要 地下水的物理、化学性质地下水的物理、化学性质 地下水污染的概念地下水污染的概念 地下水污染源特征地下水污染源特征 地下水中的重要污染物地下水中的重要污染物 地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径 污染物在地下水系统运移过程中的物理、污染物在地下水系统运移过程中的物理、化学及其他作用化学及其他作用地下水的物理、化学性质地下水的物理性质地下水的物理性质 地下水的物理性质包括颜色、透明度、气地下水的物理性质包括颜色、透明度、气味、味道、温度、

2、密度、导电性和放射性。味、味道、温度、密度、导电性和放射性。颜色颜色气味气味透明度透明度味道味道温度温度地下水的物理性质 颜色颜色气味气味 一般地下水是无味的，当其中含有某种气一般地下水是无味的，当其中含有某种气体成分和有机物质时，产生一定的气味。体成分和有机物质时，产生一定的气味。存在存在物质物质硬水硬水低铁低铁高铁高铁硫化氢硫化氢锰的化锰的化合物合物腐植酸腐植酸盐盐颜色颜色浅蓝浅蓝淡灰淡灰锈色锈色翠绿翠绿暗红暗红暗黄或暗黄或灰黑灰黑地下水的物理性质透明度透明度 常见的地下水多是透明的，但其中如含有常见的地下水多是透明的，但其中如含有一些固体和胶体悬浮物时，则地下水的透明度一些固体和胶体悬浮

3、物时，则地下水的透明度有所改变。有所改变。分级分级野外鉴别特征野外鉴别特征透明的透明的无悬浮物及交替，无悬浮物及交替，60cm水深可见水深可见3mm的粗线的粗线微浊的微浊的有少量悬浮物，有少量悬浮物，3060cm水深可见水深可见3mm的粗线的粗线浑浊的浑浊的有较多的悬浮物，半透明状，小于有较多的悬浮物，半透明状，小于30cm深可见深可见3mm的粗线的粗线极浊的极浊的有大量悬浮物或胶体，似乳状，水深很浅也不能有大量悬浮物或胶体，似乳状，水深很浅也不能清楚看见清楚看见3mm的粗线的粗线地下水的物理性质味道味道存存在在物物质质NaCl Na2SO4MgCl2及及MgSO4大量大量有机有机物物铁铁盐盐

4、腐腐殖殖质质H2S与碳与碳酸气酸气同时同时存在存在CO2、Ca(HCO3)2和和Mg(HCO3)2味味道道咸咸味味涩涩味味苦苦味味甜味甜味 墨墨水水味味沼沼泽泽味味酸酸味味可可口口地下水的物理性质 温度温度 地下水的埋藏深度不同，温度变化规律也不同。地下水的埋藏深度不同，温度变化规律也不同。常温层中，温度变化很小，一般不超过常温层中，温度变化很小，一般不超过0.1；在常；在常温层下，地下水温随深度的增加而逐渐升高。地热温层下，地下水温随深度的增加而逐渐升高。地热增温级一般为增温级一般为3 /100m。类别类别非常非常冷的冷的水水极冷极冷的水的水冷水冷水温水温水热水热水极热水极热水沸腾水沸腾水温

5、度温度 100地下水的化学性质地下水中溶解的化学成分，常以地下水中溶解的化学成分，常以离子离子、化合化合物物、分子分子以及以及游离气体游离气体状态存在。状态存在。离子成分中，以离子成分中，以Cl-、SO42-、HCO3-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+最常见、含量最多；最常见、含量最多；以未离解的化合物分子状态存在的有以未离解的化合物分子状态存在的有Fe2O3、Al2O3、H2SiO3；溶解的气体有溶解的气体有CO2、O2、N2、CH4、H2S、Rn地下水中可能出现各种微量元素。如地下水中可能出现各种微量元素。如Br、I、F、B、P、Pb、Zn、Li等。等。1 1 氯离子（氯离子（ClCl-

6、 -）主要来源有两大类主要来源有两大类： 1) 无机来源无机来源：岩盐矿床和其他氯化沉积：岩盐矿床和其他氯化沉积物的溶解和海相沉积物中埋藏的海水物的溶解和海相沉积物中埋藏的海水 2) 有机来源有机来源：生活和工农业废水、动物：生活和工农业废水、动物及人类排泄物及人类排泄物 此外，含此外，含Cl-的的大气降水大气降水也是重要来源也是重要来源2 2 硫酸根离子硫酸根离子(SO(SO4 42-2-) )地下水中的地下水中的SOSO4 42-2-来自含石膏和含硫酸来自含石膏和含硫酸盐矿物的溶解盐矿物的溶解硫化物和天然硫的氧化硫化物和天然硫的氧化有机物的分解有机物的分解3 3 重碳酸根离子重碳酸根离子(

7、HCO(HCO3 3- -) )和碳酸根和碳酸根离子（离子（COCO3 32-2-） 地下水中的重碳酸根离子有地下水中的重碳酸根离子有2 2个来源个来源: : 1) 1) 来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩( (如大如大理岩理岩) )： CaCO3+ H2O +C022HCO3-+ Ca2+ MgCO3+ H2O +C022HCO3-+Mg2+ 2) 2) 岩浆岩与变质岩地区，岩浆岩与变质岩地区，HCOHCO3 3- -主要来自主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解铝硅酸盐矿物的风化溶解4 钠离子钠离子(Na(Na+ +) ) NaNa+ +来自沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶来自沉积

8、岩中岩盐及其它钠盐的溶解解 来自海水来自海水 岩浆岩和变质岩地区，来自含钠矿物岩浆岩和变质岩地区，来自含钠矿物的风化溶解的风化溶解5 5 钾离子钾离子(K(K+ +) ) 钾离子来自含钾盐类沉积岩的溶解钾离子来自含钾盐类沉积岩的溶解 岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解解 钾离子在低矿化水中含量甚微，在高钾离子在低矿化水中含量甚微，在高矿化水中较多矿化水中较多6 6 钙离子钙离子(Ca(Ca2+2+) ) 钙是低矿化地下水中的主要阳离子，含量钙是低矿化地下水中的主要阳离子，含量一般不超过数百一般不超过数百mg/lmg/l 来源于来源于: :1 1）碳酸盐类沉积物及

9、含石膏沉积物的溶解）碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解2 2）岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解）岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解3 3）阳离子交替和大气降水）阳离子交替和大气降水7 7 镁离子镁离子(Mg(Mg2+2+) ) 来源于含镁的碳酸盐类沉积岩来源于含镁的碳酸盐类沉积岩( (白云岩、白云岩、泥灰岩泥灰岩) )，此外，还来自岩浆岩、变质岩中，此外，还来自岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解含镁矿物的风化溶解MgMg2+2+易被岩土吸附及被植物摄取易被岩土吸附及被植物摄取32223HCO2MgCOOHMgCO8 pH8 pH值值 pH值为水中氢离子浓度的负对数值。地值为水中氢离子浓度的负

10、对数值。地下水按下水按pH值可分为：值可分为：水的分水的分类类pH值值水的类水的类别别pH值值水的类水的类别别pH值值强酸性强酸性水水 9弱酸性弱酸性57 弱碱性弱碱性水水799 9 矿化度矿化度 是指地下水中所是指地下水中所含盐分的总量含盐分的总量。通常是指在。通常是指在 105110将水蒸干所得到的固体残余物的将水蒸干所得到的固体残余物的数量。地下水按矿化度分为：数量。地下水按矿化度分为：水的类别水的类别矿化度矿化度/（g/l）水的类别水的类别矿化度矿化度/（g/l）淡水淡水 1010 10 硬度硬度 地下水的硬度可分为总硬度、暂时硬地下水的硬度可分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。总硬度是指

11、水中所含钙、度和永久硬度。总硬度是指水中所含钙、镁盐类的总含量。镁盐类的总含量。11 11 溶解氧溶解氧12 12 化学耗氧量化学耗氧量 水的化学耗氧量在一定程度上代表水水的化学耗氧量在一定程度上代表水中所含可被氧化物质的数量，是水被污染中所含可被氧化物质的数量，是水被污染的标志之一。的标志之一。13 13 含氮化合物含氮化合物 水中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的含水中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的含量，是判断水体是否受到有机物污染的重要量，是判断水体是否受到有机物污染的重要指标。指标。14 14 大肠菌群大肠菌群 大肠菌群是大肠菌及其他与其相似的细大肠菌群是大肠菌及其他与其相似的细菌的菌的 总称

12、。若水体中发现了大肠菌群，说总称。若水体中发现了大肠菌群，说明水体已受到粪便污染。饮用水中大肠菌群明水体已受到粪便污染。饮用水中大肠菌群小于小于3个个/L。地下水污染的概念地下水污染的概念定义：凡在人类活动的影响下，地下水水质定义：凡在人类活动的影响下，地下水水质变化朝着水质变化朝着水质恶化方向发展恶化方向发展的现象，统称为的现象，统称为地下水污染。地下水污染。判断地下水污染必须具备的两个条件：判断地下水污染必须具备的两个条件：1 1）水质朝着恶化的方面发展）水质朝着恶化的方面发展2 2）这类变化是人类活动引起的）这类变化是人类活动引起的地下水污染源特征地下水污染源特征引起地下水污染的各种物质

13、的来源称为引起地下水污染的各种物质的来源称为地下地下水污染源水污染源。其种类繁多，分类方法各异。其种类繁多，分类方法各异。按产生污染物的部门或活动，可将污染源分按产生污染物的部门或活动，可将污染源分为工业污染源、农业污染源、生活污染源及为工业污染源、农业污染源、生活污染源及区域性水体污染源。区域性水体污染源。下面讨论按产生污染物的行业（部门）或活下面讨论按产生污染物的行业（部门）或活动划分的各种污染源特征。动划分的各种污染源特征。地下水污染源特征地下水污染源特征1 工业污染源工业污染源 “三废三废”：种类繁多、排放量大、含污染：种类繁多、排放量大、含污染物组成复杂、毒性大、不易净化。物组成复杂

14、、毒性大、不易净化。 储存装置和输运管道的渗漏：连续性污染储存装置和输运管道的渗漏：连续性污染源源事故类污染源：偶然性污染源，污染严重事故类污染源：偶然性污染源，污染严重地下水污染源特征地下水污染源特征2 农业污染源农业污染源农药：毒性大，经土壤向地下水渗透农药：毒性大，经土壤向地下水渗透化肥：氮肥是引起地下水污染的主要物质化肥：氮肥是引起地下水污染的主要物质动物废物：含大量的细菌和病毒，含氮动物废物：含大量的细菌和病毒，含氮植物残余物：具有需氧特性植物残余物：具有需氧特性污水灌溉：废水含多种有毒有害物质污水灌溉：废水含多种有毒有害物质地下水污染源特征地下水污染源特征3 生活污染源生活污染源污

15、染物来自人体排泄物和肥皂、洗涤剂、污染物来自人体排泄物和肥皂、洗涤剂、腐烂的食物等腐烂的食物等科研文教单位排出的废水成分复杂，含有科研文教单位排出的废水成分复杂，含有多种有毒物质多种有毒物质医疗卫生部门污水含大量细菌和病毒医疗卫生部门污水含大量细菌和病毒生活垃圾含大量各种有机物生活垃圾含大量各种有机物粪池泄漏粪池泄漏生活垃圾生活垃圾地下水污染源特征地下水污染源特征4 区域性水体污染源区域性水体污染源海水入侵或盐水入侵海水入侵或盐水入侵地下水开采地下水开采滨海地区过多开采地下水地下水中的重要污染物地下水中的重要污染物定义：凡是人类活动导致进入地下水环境，定义：凡是人类活动导致进入地下水环境，会引

16、起水质恶化的溶解物或悬浮物，无论会引起水质恶化的溶解物或悬浮物，无论其浓度是否达到使水质明显恶化的程度，其浓度是否达到使水质明显恶化的程度，均称为均称为地下水污染物地下水污染物。按其性质分三类：按其性质分三类：化学污染物化学污染物、生物污染生物污染物物和和放射性污染物放射性污染物地下水中的重要污染物地下水中的重要污染物1 化学污染物化学污染物（1）无机污染物无机污染物 地下水中最常见的无机污染物是地下水中最常见的无机污染物是NO3-、NO2-、NH3、Cl-、SO42-、F-、CN-，硬度、，硬度、总溶解固体物及微量重金属汞、镉、铬、总溶解固体物及微量重金属汞、镉、铬、铅和类金属砷等。铅和类金

17、属砷等。地下水中的重要污染物地下水中的重要污染物无直接毒害作用：总溶解固体物、无直接毒害作用：总溶解固体物、 Cl-、SO42-、 NO3-、NH3等等有直接毒害作用：亚硝酸盐、氟化物、氰有直接毒害作用：亚硝酸盐、氟化物、氰化物、及重金属中的汞、镉、铬、铅和类化物、及重金属中的汞、镉、铬、铅和类金属砷金属砷 地下水中的重要污染物地下水中的重要污染物（2） 有机污染物有机污染物生物易降解有机污染物生物易降解有机污染物耗氧有机污染物耗氧有机污染物 多属于碳水化合物、蛋白质、脂肪和油多属于碳水化合物、蛋白质、脂肪和油类等自然生成的有机物。类等自然生成的有机物。 一般无直接毒害作用，其降解过程中会一般

18、无直接毒害作用，其降解过程中会消耗溶解氧（消耗溶解氧（DO），从而使水中），从而使水中DO值下降，值下降，水质变差。在地下水中此类污染物浓度一般水质变差。在地下水中此类污染物浓度一般都比较小，危害性不大。都比较小，危害性不大。地下水中的重要污染物地下水中的重要污染物生物难降解有机污染物生物难降解有机污染物 性质均比较稳定，不易为微生物所分解，性质均比较稳定，不易为微生物所分解，能够在各种环境介质（大气、水、生物体、能够在各种环境介质（大气、水、生物体、土壤和沉积物）中长期存在，又称之为持久土壤和沉积物）中长期存在，又称之为持久性有机污染物（性有机污染物（Permanent Organic Po

19、llutants POPs）。）。 POPs一般具有较强的毒性，严重危害生一般具有较强的毒性，严重危害生物体的健康和安全。物体的健康和安全。 地下水中的重要污染物地下水中的重要污染物2 生物污染物生物污染物 地下水中生物污染物可分为三类：细菌、地下水中生物污染物可分为三类：细菌、病毒和寄生虫。病毒和寄生虫。3 放射性污染物放射性污染物 核工业是放射污染物的主要来源，与放核工业是放射污染物的主要来源，与放射性有关的健康问题包括白内障、肿瘤、白射性有关的健康问题包括白内障、肿瘤、白血病等，这些对人类健康的危害是很难评价血病等，这些对人类健康的危害是很难评价的。的。地下水污染的特点与途径地下水污染的

20、特点与途径地下水污染的特点地下水污染的特点（1）隐蔽性）隐蔽性（2）难以逆转性）难以逆转性地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径地下水污染途径地下水污染途径 定义：污染物从污染源进入到地下水中定义：污染物从污染源进入到地下水中所经过的路径。所经过的路径。 分类：分类：间歇入渗型间歇入渗型、连续入渗型连续入渗型、越流越流型型和和径流型径流型。地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径1 间歇入渗型间歇入渗型 特点是污染物通过大气降水或灌溉水的特点是污染物通过大气降水或灌溉水的淋滤，使固体废物、表层土壤或地层中的淋滤，使固体废物、表层土壤或地层中

21、的有毒或有害物质周期性从污染源通过包气有毒或有害物质周期性从污染源通过包气带土层渗入含水层。带土层渗入含水层。 此类污染，有明显的季节性变化，污染此类污染，有明显的季节性变化，污染物是呈固体形式赋存于固体废物或土壤中，物是呈固体形式赋存于固体废物或土壤中，受污染的对象主要是潜水。受污染的对象主要是潜水。地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径2 连续入渗型连续入渗型 特点是污染物随各种液体废弃物不断地特点是污染物随各种液体废弃物不断地经包气带渗入含水层，这种情况下或者包气经包气带渗入含水层，这种情况下或者包气带完全饱水，呈连续入渗的形式，或者是包

22、带完全饱水，呈连续入渗的形式，或者是包气带上部的表土层完全饱水呈连续渗流形式，气带上部的表土层完全饱水呈连续渗流形式，而其下部（下包气带）呈非饱水的淋雨状的而其下部（下包气带）呈非饱水的淋雨状的渗流形式渗入含水层。渗流形式渗入含水层。 污染物一般是液态的，污染对象主要是污染物一般是液态的，污染对象主要是潜水潜水地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径3 越流型越流型 特点是污染物通过层间越流的形式转特点是污染物通过层间越流的形式转入其他含水层。入其他含水层。 污染来源可能是地下水环境本身的，污染来源可能是地下水环境本身的，也可能是外来的，它可能污

23、染承压水或潜也可能是外来的，它可能污染承压水或潜水。水。地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径地下水污染的特点与途径4 径流型径流型 特点是污染物通过地下水径流的形式特点是污染物通过地下水径流的形式进入含水层，即或者通过废水处理井，或进入含水层，即或者通过废水处理井，或者通过岩溶发育的巨大岩溶通道，或者通者通过岩溶发育的巨大岩溶通道，或者通过废水地下储存层的隔离层的破裂进入其过废水地下储存层的隔离层的破裂进入其他含水层。他含水层。 污染物可能是人为来源也可能是天然污染物可能是人为来源也可能是天然来源，可能污染潜水或承压水。来源，可能污染潜水或承压水。地下水污染的特点

24、与途径污染物在地下水系统运移过程中污染物在地下水系统运移过程中的物理、化学及其他作用的物理、化学及其他作用主要物理、化学作用有：溶滤作用、主要物理、化学作用有：溶滤作用、浓缩作用、混合作用、阳离子交替吸浓缩作用、混合作用、阳离子交替吸附作用、脱硫酸作用、脱碳酸作用等。附作用、脱硫酸作用、脱碳酸作用等。1 溶滤作用溶滤作用 在水的作用下，岩石中某些组分进入水在水的作用下，岩石中某些组分进入水中的作用称为中的作用称为溶滤作用溶滤作用，是形成地下水原，是形成地下水原始化学成分的主要作用。始化学成分的主要作用。 溶滤作用主要发生在侵蚀基准面以上地溶滤作用主要发生在侵蚀基准面以上地带。一般溶滤作用形成的

25、地下水为低矿化带。一般溶滤作用形成的地下水为低矿化度的重碳酸盐水。度的重碳酸盐水。污染物在地下水系统运移过程中污染物在地下水系统运移过程中的物理、化学及其他作用的物理、化学及其他作用污染物在地下水系统运移过程污染物在地下水系统运移过程中的物理、化学及其他作用中的物理、化学及其他作用2 浓缩作用浓缩作用 当水分蒸发时，水中盐分含量不减，致当水分蒸发时，水中盐分含量不减，致使其浓度（即矿化度）相对增大，这种作使其浓度（即矿化度）相对增大，这种作用称为用称为浓缩作用浓缩作用。 浓缩作用主要发生在干旱、半干旱地区浓缩作用主要发生在干旱、半干旱地区的潜水中，直接影响深度一般不超过常温的潜水中，直接影响深

26、度一般不超过常温带的深度。带的深度。污染物在地下水系统运移过程污染物在地下水系统运移过程中的物理、化学及其他作用中的物理、化学及其他作用3 混合作用混合作用 当两种以上化学成分或矿化度不同的地当两种以上化学成分或矿化度不同的地下水相遇时，所形成的地下水在化学成分下水相遇时，所形成的地下水在化学成分或矿化度上都与混合前有所不同，这种作或矿化度上都与混合前有所不同，这种作用称用称混合作用混合作用。 混合作用分为简单混合作用和反应混合混合作用分为简单混合作用和反应混合作用两种。作用两种。污染物在地下水系统运移过程中污染物在地下水系统运移过程中的物理、化学及其他作用的物理、化学及其他作用4 阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用 一定条件下，岩石颗粒将吸附地下水中的一定条件下，岩石颗粒将吸附地下水中的某些阳离子，而将其原来吸附的阳离子转入某些阳离子，而将其原来吸附的阳离子转入水中成为地下水的化学成分，这种交换称为水中成为地下水的化学成分，这种交换称为阳离子的交换吸附