地下水的物理性质与化学成分课件

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。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。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℃。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）/GTH－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/℃

）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。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。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。（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1g/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。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。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－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）。计算方法：M=∑阳离子+∑阴离子-地下水按矿化度分类矿化度（g/l）<11-33-1010-50>50分类名称淡水微咸水咸水盐水卤水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：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。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。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℃。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。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

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。水化学分带SO42-HCO3-Cl-SO42-HCO3-Cl-矿化度升高SO42-HCO3-Cl-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。

脱碳酸作用的结果

HCO3-

、Ca2+

、Mg2+减少;

矿化度降低。深部