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,第3章地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分,地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分是地下水與周圍環(huán)境長期相互作用的結(jié)果，它是一種重要信息源，研究地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分可以幫助我們回溯一個(gè)地區(qū)的水文地質(zhì)歷史，闡明地下水的起源和形成。從實(shí)際應(yīng)用來看，不同的用水目的，對(duì)水質(zhì)要求不同，因此研究地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分是水質(zhì)評(píng)價(jià)的需要。研究地下水的物理性質(zhì)、化學(xué)成分及其形成，不能從純化學(xué)角度，孤立、靜止地研究，必須從水與環(huán)境長期相互作用的角度出發(fā)，去揭示地下水化學(xué)演變的內(nèi)在依據(jù)和規(guī)律。,3.1地下水的物理性質(zhì),地下水的物理性質(zhì)一般指：溫度、顏色、透明度、嗅、味、相對(duì)密度、導(dǎo)電性、放射性等。3.1.1溫度地下水的溫度主要來自于地溫。地殼按熱力狀態(tài)從上而下分為變溫帶、年常溫帶和增溫帶。,變溫帶：地溫受氣溫控制，有晝夜變化和年變化，變幅隨深度增加而減?。怀貛В簹鉁氐挠绊戁呌诹愕纳疃?。地溫一般略高于所在地區(qū)的年平均氣溫，概略計(jì)算時(shí)可用所在地區(qū)的年平均氣溫來代替地溫。常溫帶深度在低緯度地區(qū)為5～10米，中緯度地區(qū)為10～20米；增溫帶：地溫受地球內(nèi)部熱力影響，隨深度的增加而有規(guī)律地升高。溫度每增加1℃所需要增加的深度稱為地?zé)嵩鰷丶?jí)，一般平均每33m升高1℃。,地下水的溫度與它所處地區(qū)的地溫狀況是相適應(yīng)的。增溫帶中地下水溫度計(jì)算方法：TH＝TB＋（H－h(huán)）/GTH－地表以下深度H處的地下水溫度（℃）TB－所在地區(qū)年常溫帶溫度（℃）H－地下水所處的嘗試（m）h－年常溫帶深度（m）G－所在地區(qū)的地?zé)嵩鰷丶?jí)（m/℃）,3.1.2顏色地下水一般是無色透明的，但有時(shí)因含某種離子、富集懸浮物或含膠體物質(zhì)，也可顯出各種各樣的顏色。例如含亞鐵離子或硫化氫氣體的水為淺藍(lán)綠色，含腐殖質(zhì)或有機(jī)物的帶淺黑色，含黑色礦物質(zhì)或碳質(zhì)懸浮物的為灰色，含粘土顆粒或淺色礦物質(zhì)懸浮物的為土色，等等。,3.1.3透明度地下水的透明度決定于水中所含鹽類、懸浮物、有機(jī)質(zhì)和膠體的數(shù)量。透明度分為透明、微混濁、混濁和極混濁四級(jí)。水深60厘米時(shí)能看見容器底部3毫米粗的線者為透明；于30～60厘米深度能看見者為微混濁；30厘米深度以內(nèi)能看見者為混濁；水很淺也看不見者為極混濁。,3.1.4味地下水的水味來自于水中所溶解的鹽分及氣體成分。如，地下水中含有重碳酸鈣、重碳酸鎂及碳酸時(shí)，水味爽快、適口，為“甜水”；含氯化物的水有咸味；硫酸鈉、硫酸鎂使水變苦，還可引起飲用者嘔吐、腹痛或腹瀉；大量的有機(jī)物能使水發(fā)甜味，但不宜飲用，等等。,3.1.5氣味地下水的氣味同樣來自于水中所溶解的鹽分及氣體成分。如，含有硫化氫時(shí)發(fā)臭雞蛋氣味；含有氧化亞鐵時(shí)有鐵腥氣味；含腐植質(zhì)時(shí)有魚腥氣味等。氣味在40℃時(shí)最明顯。3.1.6導(dǎo)電性地下水導(dǎo)電性取決于其中所含電解質(zhì)的數(shù)量與性質(zhì)。離子含量愈多，離子價(jià)愈高，則水的導(dǎo)電性愈強(qiáng)。,3.2地下水的化學(xué)成分地下水中的化學(xué)元素一般以氣體、離子和分子狀態(tài)存在。3.2.1地下水中常見的化學(xué)成分1.氣體地下水中溶解的氣體主要有CO2、O2、N2、CH4、H2S，還有少量的惰性氣體和H2、CO等。（1）O2、N2（來源：大氣）O2含量高，表明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境為氧化環(huán)境；N2的單獨(dú)存在表明地下水起源于大氣并處于還原環(huán)境。,（2）H2S、CH4與有機(jī)物、微生物的生物化學(xué)過程有關(guān)；表明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境為還原環(huán)境。（3）CO2來源：土壤（植物的呼吸作用、有機(jī)質(zhì)的發(fā)酵作用、碳酸巖鹽的高溫分解、化石燃料）含量愈高，其溶解碳酸鹽巖與對(duì)結(jié)晶巖進(jìn)行風(fēng)化作用的能力愈強(qiáng)。,研究意義指示地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境；影響地下水的溶解能力；O2、CO2↑，地下水對(duì)巖石礦物的溶解能力↑。決定地下水的利用價(jià)值。,2.地下水中的主要離子成分地下水中占主要地位的離子有七種：（1）氯離子幾乎存在于所有地下水中，含量一般較大，由每升數(shù)毫克到數(shù)百毫克，是高含鹽量水中的主要陰離子。來源：地下水溶解鹽巖及含氯化物的其它礦物；海水入侵。特點(diǎn)：不被細(xì)菌及植物所攝取，不被土顆粒表面吸附，不易沉淀析出，是地下水中最穩(wěn)定的離子。,（2）硫酸根離子總含量僅次于氯離子，每升可達(dá)數(shù)克。來源：地下水溶解石膏及其他硫酸鹽類沉積巖或含硫礦物。（3）重碳根離子是地下水中普遍存在的陰離子，但含量一般不超過1g/L。以重碳酸根為主要成分的地下水含鹽量較低，一般均為淡水。來源：地下水溶解碳酸鹽類巖石和礦物。,（4）鈉離子是地下水中分布廣，含量變化最大的陽離子，在高含鹽量地下水中的含量可達(dá)數(shù)克到數(shù)百克每升。含大量鈉離子的水用于灌溉，可引起土壤鹽漬化。來源：地下水溶解鹽巖及含鈉的巖石和礦物。（5）鉀離子來源與鈉離子相似，但鉀離子容易為植物所吸收，也容易形成難溶于水的水云母等礦物，且常為土顆粒表面所吸附，所以在地下水中的含量不大。,（6）鈣離子在地下水中分布很廣，但含量不高，很少超過1g/L，是低含鹽量地下水中的主要陽離子。來源：地下水溶解碳酸鹽類巖石及礦物。（7）鎂離子主要來源于地下水對(duì)白云巖及泥灰?guī)r的溶解。鎂鹽的溶解度雖然比鈣鹽大，但鎂離子容易被植物吸收，所以在地下水中的含量一般比鈣離子少。,3.2.2地下水化學(xué)成分的性質(zhì)1.總含鹽量與總?cè)芙夤腆w（TDS）定義：存在于地下水中的離子、分子和微粒（不包括氣體）之總含量稱為地下水的總食鹽量，通常以g/L表示。通常在105～110℃溫度下將水樣蒸干的得干涸殘余物的總量稱為總?cè)芙夤腆w（TDS）。總?cè)芙夤腆w也可用理論計(jì)算：TDS=∑陽離子＋∑陰離子－,地下水的總礦化度M,,定義：地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量稱為總礦化度（總含鹽量），單位g/L。通常以在105℃—110℃溫度下，將水蒸干所得的干涸殘余物來表征總礦化度（總?cè)芙夤腆w）。計(jì)算方法：M=∑陽離子+∑陰離子-地下水按礦化度分類,,,2.氫離子濃度氫離子濃度常用pH值表示。pH=7呈中性反應(yīng)，pH＜7呈酸性反應(yīng)，pH＞7呈堿性反應(yīng)。3.硬度水中鈣、鎂離子的總量，稱為水的總硬度。當(dāng)水煮沸時(shí)，一部分鈣鎂離子的重碳酸鹽因失去CO2而成為碳酸鹽沉淀，沉淀的部分叫做暫時(shí)硬度。總硬度減去暫時(shí)硬度即為永久硬度。,表示水的硬度的方法有兩種：德國度，以1升水中含10毫克CaO或7.2毫克MgO為1度；目前根據(jù)國家化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量要求，硬度按mg/L（以CaCO3計(jì)）表示。硬度1度＝17.9mg/L（以CaCO3計(jì)）,4.侵蝕性二氧化碳CaCO3＋H2O＋CO2＝Ca2+＋2HCO3-呈游離狀態(tài)的、將消耗于溶解碳酸鹽的CO2稱為侵蝕性CO2，它能溶解混凝土中的CaCO3使混凝土的結(jié)構(gòu)遭到破壞。,3.2.3地下水的化學(xué)成分分析與按化學(xué)成分的分類,（庫爾洛夫表示式與舒卡列夫分類法）,1.地下水化學(xué)成分的分析與表示,簡分析分析項(xiàng)目定量分析：Ca2+、Mg2+、Cl－、SO42－、HCO3－、K++Na+、pH值、游離CO2、硬度和TDS簡分析分析項(xiàng)目少，分析手段簡單方便，在野外即可進(jìn)行。分析目的在于概略了解區(qū)域性的水質(zhì)成因和變化規(guī)律。,全分析分析項(xiàng)目K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Fe3+、Fe2+、Cl－、SO42－、HCO3－、CO32－、NO3－、NO2－、pH值、游離CO2、侵蝕性CO2、耗氧量、H2S、H2SiO3、硬度和TDS。分析目的對(duì)水源地水質(zhì)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，分析研究水源地水質(zhì)變化規(guī)律。,庫爾洛夫表示式是以類似數(shù)學(xué)分式的形式來表示地下水化學(xué)成分。其方法為：1、將陰、陽離子分別標(biāo)示在橫線上、下,按毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)自大而小的順序排列,小于10%的離子不予標(biāo)示。2、橫線前依次標(biāo)示氣體成分、特殊成分及礦化度(用M表示),單位均為g/L。3、橫線后以字母t為代號(hào),表示水溫,單位為℃。4、式中各成分含量一律標(biāo)于該成分符號(hào)的右下角,原子數(shù)則移至右上角。,舒卡列夫的水化學(xué)類型分類1、根據(jù)水中各陰、陽離子含量,將大于25%毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)的離子參加分類命名。陰離子在前,陽離子在后,含量大的在前,含量小的在后,中間用短橫線相連來對(duì)地下水化學(xué)類型進(jìn)行命名。共分49種類型,每型用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字表示。,2、根據(jù)礦化度大小,將地下水分為四組：A組為礦化度40g/L。3、各水型的代號(hào)在前,礦化度劃分的組在后。,3.3地下水化學(xué)成分的形成與演變,3.3.1原始成分的影響地下水繼承了各種補(bǔ)給源的原始化學(xué)成分。3.3.2地下水化學(xué)成分的形成作用溶濾作用濃縮作用陽離子交替吸附作用脫碳酸作用脫硫酸作用混合作用,,溶濾作用在水與巖土相互作用下，巖土中一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中，稱為溶濾作用。作用結(jié)果巖土失去一部分可溶物質(zhì)，地下水獲得新的成分。影響溶濾作用強(qiáng)度的因素組成巖土的礦物鹽類的溶解度；巖土的空隙特征；水的溶解能力（低礦化水溶解能力強(qiáng)）；水中O2、CO2等的含量；地下水的徑流與交替強(qiáng)度。,,濃縮作用地下水受到蒸發(fā)失去水分或流動(dòng)將溶解物質(zhì)帶到排泄區(qū)而使地下水中鹽分濃縮的作用。產(chǎn)生條件：干旱或半干旱的氣候；低平地勢(shì)控制下較淺的地下水位埋深，有利于毛細(xì)作用的顆粒細(xì)小的松散巖土；集中排泄的地帶。特點(diǎn)：不僅使地下水的礦化度提高，也使地下水的化學(xué)類型發(fā)生改變。,水化學(xué)分帶,,,,,SO42-,HCO3-,Cl-,SO42-,HCO3-,Cl-,,礦化度升高,SO42-,HCO3-,Cl-,陽離子交替和吸附作用一定條件下，顆粒將吸附地下水中的某些陽離子，而將原來吸附的部分陽離子轉(zhuǎn)為地下水中的組分，即為陽離子交替和吸附作用。影響因素：巖土顆粒的比表面積；陽離子吸附于顆粒表面的能力；地下水中某些離子的相對(duì)濃度?；旌献饔贸煞植煌膬煞N水匯合在一起，形成化學(xué)成分與原來兩者都不相同的地下水，稱為混合作用。,,脫碳酸作用水中CO2的溶解度受環(huán)境溫度和壓力控制，CO2的溶解度隨溫度升高或壓力降低而減小，一部分CO2便成為游離CO2從水中逸出，這便是脫碳酸作用。,,脫碳酸作用的結(jié)果HCO3-、Ca2+、Mg2+減少;礦化度降低。深部地下水上升成泉，泉口附近形成的鈣華就是脫碳酸作用的結(jié)果。,,,脫硫酸作用在還原環(huán)境中，當(dāng)有有機(jī)質(zhì)存在時(shí)，脫硫酸細(xì)菌能使SO42-還原為H2S，這種作用稱為脫硫酸作用。,,脫硫酸作用的結(jié)果SO42-減少以至消失;HCO3-增加;pH值變大。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,氧化作用,還原作用,脫硫酸,交替吸附,脫碳酸,濃縮,混合,溶濾作用,不同位置發(fā)生的水化學(xué)作用不同,3.4地下水化學(xué)特征與為類生存的關(guān)系,在天然狀態(tài)下，水中存在的有害物質(zhì)或缺乏某些人體所必需的物質(zhì)問題，稱之為第一類環(huán)境地質(zhì)問題或原生的環(huán)境地質(zhì)問題。由于人為污染生成的水中有害物質(zhì)稱之為第二類環(huán)境地質(zhì)問題或次生環(huán)境地質(zhì)問題。,3.4.1地下水中化學(xué)成分天然分布不均勻?qū)θ梭w的影響粗脖子?。谞钕倌[）病因：飲用水中缺碘一般認(rèn)為，只要飲用水中的含碘量大于5μg/L就基本不會(huì)發(fā)生甲狀腺腫；當(dāng)水中含碘量在3μg/L以下時(shí)，則要普遍發(fā)生。地下水中的含碘量與地形地貌有一定關(guān)系：山區(qū)地下水中的含碘量常常比平原區(qū)低；平原區(qū)地下水中的含碘量由山前向平原逐漸增高。,大骨節(jié)病與克山病病因：缺鈣、硫、硒等元素；飲用水中含過量的腐殖酸。慢性氟中毒3.4.2地下水污染及其與人類生存的關(guān)系,