地下水的物理性质及化学成分PPT演示课件

气象干旱综合指数CI以标准化降水指数、相对湿润指数和降水量为基础建立的一种综合指数。气象干旱等级国家标准中将干旱划分为五个等级，并评定了不同等级的干旱对农业和生态环境的影响程度：1.无旱：正常或湿涝，特点为降水正常或较常年偏多，地表湿润；2.轻旱：特点为降水较常年偏少，地表空气干燥，土壤出现水分轻度不足，对农作物有轻微影响；3.中旱：特点为降水持续较常年偏少，土壤表面干燥，土壤出现水分不足，地表植物叶片白天有萎蔫现象，对农作物和生态环境造成一定影响；4.重旱：特点为土壤出现水分持续严重不足，土壤出现较厚的干土层，植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落，对农作物和生态环境造成较严重影响，对工业生产、人畜饮水产生一定影响；5.特旱：特点为土壤出现水分长时间严重不足，地表植物干枯、死亡，对农作物和生态环境造成严重影响，工业生产、人畜饮水产生较大影响。气象干旱等级国家标准规范全国通用，具有空间和时间可比性，能较为客观地描述干旱的发生、发展、持续、解除等过程，以及干旱发生程度和范围的等级标准的干旱监测指标。,美丽的彩云之南,截至3月26日18时，全国耕地受旱面积1.14亿亩(多年同期均值1.04亿亩)，其中作物受旱8829万亩(重旱2849万亩、干枯1515万亩)，待播耕地缺水缺墒2526万亩；有2372万人、1555万头大牲畜因旱饮水困难(多年同期均值1144万人、893万头)。,中国兴农网报道：初春的元阳一派繁忙。当地的哈尼族人开始翻田育秧，备耕生产。虽然遭受着旱情的困扰，但元阳的大片梯田因独特的地质条件以及长期坚持退耕还林，形成了“人栽树，树涵养水分，水浇田”这一良性循环的生态系统，从而使得这里的春耕用水得到了很好的保证。,第三章 地下水的物理性质及化学成分,本章内容3.1 地下水的物理性质3.2 地下水的化学成分3.3 地下水化学成分的形成3.4 总矿化度与地下水化学成分分类,温度透明度颜色嗅味口味放射性等,3.1 地下水的物理性质,（1）温度 地温梯度（ /100m ）:一般把在常温层以下，每向下加深100所升高的温度称为地热增温级或地温梯度。 过冷水 冷水 温水 热水 过热水（2）透明度 取决于水中固体矿物质、有机物和胶体悬浮物的含量。 透明的 微浊的 混浊的 极浊的（3）颜色（4）气味（5）口味（6）放射性,3.2 地下水的化学成分,地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。 水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。 化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。 水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。 不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求 （如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等） 研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合,地下水中常见的气体成分 氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2） 硫化氢（H2S）、甲烷（CH4） 常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关 地下水中主要离子成分 地下水中的八大离子 阴离子： Cl- 、HCO-3 、 SO2-4 、CO2-3阳离子： K+、Na+ 、 Ca2+ 、 Mg2+,3.2.1 气体成分,地下水中常见的气体成分 （1）氧（oxygen, O2）、氮（nitrogen, N2） 起源：大气圈中的氧气和氮气随降水入渗进入含水层中溶解氧含量愈多，说明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用的进行。说明地下水是大气起源的，氮还有生物起源与变质起源 环境：若地下水中氮气单独存在，通常可说明地下水起源于大气并处于还原环境。在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且处于封闭环境,（2）硫化氢（H2S）、甲烷（methane, CH4） 这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与的生物化学过程中形成。还原环境下： SO2-4 H2S，成煤过程，煤田水 成油过程，油气藏，油田水,（3）二氧化碳（CO2） 大气降水中的CO2含量较低，地下水中CO2主要源于 土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生 碳酸盐岩地层：在深部高温下，也可变质生成CO2 CaCO3CaO+CO2地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩与结晶岩进行风化作用人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的CO2增加，（增长20%） 地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解能力愈强！,地下水中气体成分的意义： 气体成分指示地下水所处的地球化学环境 氧化环境oxidation 还原环境deoxidation 气体成分可以增加水对盐类的溶解能力 促进水岩的化学反应，相互作用,（1）地下水中的主要离子成分 水中离子成分主要取决于： 元素的丰度（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的重量百分比； 元素组成的化合物在水中的溶解度 地壳中主要元素有哪些？ 地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低） 地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C （地下水中高） 地下水中主要离子有： Anion 阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl- Cation 阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+,3.2.2 主要离子成分,（2）地下水中主要离子成分来源一般情况下：低矿化度水中常以HCO3-及Ca2+ 、 Mg2+为主；高矿化度水则以Cl-及Na+为主；中等矿化度的地下水中，阴离子常以SO42-为主。主要阴离子可以是Na+ ，也可以是Ca2+ 。,这与主要离子构成的盐类溶解度有关：碳酸盐类 硫酸盐类 氯化物 常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物（TDS）或矿化度有关： 矿化度：指水中溶解组分的总量，包括溶解于地下水中各种离子、分子、化合物的总量，但不包括悬浮物和溶解气体。矿化度以“克/升”表示。矿化度(g/L) : 低(1) 中(1-10) 高(10-30) 阴 离 子: HCO-3SO2-4 Cl- 阳 离 子: Ca2+Ca2+,Mg2+ Na+,K+,氯离子（ Cl- ） 氯离子在地下水中广泛分布，主要来源有：（1）沉积岩中所含岩盐或其他氯化物的溶解；（2）岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；（3）海水。,硫酸根离子（ SO42- ） 主要来源有：（1）含石膏（CaSO42H2O）或其他硫酸盐的沉积岩的溶解；（2）煤系地层的黄铁矿；（3）酸雨,重碳酸根离子（ HCO3- ） 重碳酸根离子的主要来源有：（1）含碳酸盐的沉积岩与变质岩（大理岩）；（2）岩浆岩与变质岩地区， HCO3- 主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解。,钠离子（ Na+ ）、钾离子（ K+） 钠离子与钾离子在低矿化度水中的含量一般很低。主要来源有：（1）沉积岩中岩盐及其他钠盐、钾盐的溶解；（2）岩浆岩与变质岩地区， 来自含钠、钾矿物的风化溶解；（3）海水,钙离子（ Ca2+）、镁离子（ Mg2+） 钙是低矿化度地下水中的主要阳离子，镁离子在地下水中的分布与钙相似。主要来源有：（1）含碳酸盐的沉积物及含石膏沉积物的溶解；（2）岩浆岩与变质岩地区， Ca2+、Mg2+主要来自含钙、镁矿物矿物的风化溶解。,+,+,+,+ +,Cl-,+,+,+,+,SO42-,+,+,+,+,HCO3-,水中阴离子在地下水水流过程的（分布）变化,3.2.3 地下水中的其他成分,地下水次要离子: 如H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH、NO2、NO3、CO32、SiO32及PO42等。地下水中的微量组分: 有Br、I、F、B、Sr等。 地下水中以未离解的化合物构成的胶体：主要有Fe(OH)3、Al(OH)3及H2SiO3等，有时可占到相当比例。有机质也经常以胶体方式存在于地下水中。有机质的存在，常使地下水酸度增加，并有利于还原作用。 地下水中还存在各种微生物。例如，在氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；在还原环境中存在脱硫酸细菌等；此外，在污染水中，还有各种致病细菌。,3.3 地下水化学成分的形成,矿化作用：溶滤作用水岩相互作用时发生 浓缩作用蒸发排泄时发生 脱碳酸作用在温度与压力发生变化时发生 脱硫酸作用在还原环境下发生：SO42- H2S 阴离子交替吸附作用岩土表面吸附的阳离子与水中阳离子发生交换 混合作用 2种不同类型地下水混合时发生 人类活动的作用影响越来越大,3.3.1 溶滤作用,（1）定义 水与岩土相互作用下，岩土中某些组分向地下水中转移的过程。其结果是：岩土失去部分可溶物质，地下水中获得相应的化学成分使水中TDS。 CaCO3 + H2O + CO2 2HCO-3 + Ca2+ (固) (水) (气),（2）溶滤作用的影响因素,岩土- 化学组分 （如：石灰岩 HCO3-Ca水、花岗岩HCO3-Na水) 组分的可溶性 （溶解度、溶解速度） 盐分溶解度的差异导致易溶成分先进入水中，难溶成分后进入水中 水- 水的溶解能力（TDS，O2、CO2气体组分） 水的流动性 a.水中已溶组分的多少水中盐分含量增高，溶解能力降低 b.水中某些气体组分- O2增加硫化物的，CO2增加碳酸盐类. 通常刚渗入到地下的水，矿化度很低，随着水在地下含水岩层的运移，不断有新的盐分溶解到水中，水中TDS，水的溶解能力下降，最终水的溶解能力0，溶滤作用将会停止？是否会？,地下水是如何保持它的溶解能力的？,地下水的流动（交替）性： 地下水的径流速度和交替强度（ V 与 Q ） 停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零，溶滤作用停止。 水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不断被补充，低TDS水不断更新溶解能力已降低的水 如果某地区地下水流动很快，水交替（循环）迅速，溶滤作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何？ 该地区地下水中的水质-矿化度是高（TDS）？还是低？ 水中以哪种阴、阳离子为主？,长期、强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主，HCO3Ca水 或 HCO3Ca Mg 这是由溶滤作用的阶段性决定！在由多种盐类组成的岩石中： 早期，Cl盐最易溶于水中随水带走，岩土贫Cl盐继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中随水带走，贫SO42-盐类持续（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。 因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征： 要从地质历史发展的眼光（角度）来理解它是地质历史长期作用的结果 地下水是不断运动的溶解的组分会被带去（岩土组分变化） 前期溶滤作用溶滤什么组分，水中获得相应组分 后期溶滤作用长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水,3.3.2 浓缩作用,定义：地下水在蒸发排泄条件下，水分不断失去，盐分相对浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。 浓缩作用（过程）理想的蒸发浓缩模式 水分失去过程盐分相对浓集，化学成分的变化 （实际上与上述理想模式是不同的） 地下水在蒸发过程中，水分失去还有补充；盐分积累也有补充。因此，实际的蒸发作用可以产生含盐量很高的地下水(卤水)或盐渍化的土地 浓缩作用的结果：往往形成高矿化度、以易溶离子为主的地下水（Cl-Na+为主） 影响因素与蒸发排泄的影响因素相同(气候-地下水位-土层岩性),浓缩作用（过程）理想模式,浓缩作用 水流迟缓 矿化度高、Cl-Na,过渡区 矿化度中、SO4-MgCa,地下水化学特征具有分带性,溶滤作用 水交替迅速 矿化度低、HCO3-Ca,受区域自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。,,山西忻州盆地地下水水化学图,三、脱碳酸作用（钟乳石、石笋、泉华） Ca2+(Mg2+) + 2HCO3- CO2+ H2O + CaCO3 结果：Ca2+Mg2+HCO3-矿化度pH（略有变化） 四、脱硫酸作用(还原环境中脱硫酸细菌使SO42-还原为H2S） SO42- + 2C + 2H2O H2S+ 2HCO-3 结果：SO42-；HCO3-，pH；寻找油田的辅助标志。 五、阳离子吸附交替作用 某种阳离子，某另一种阳离子增高 六、混合作用七、人为活动的作用（影响）,七、人为活动的作用（影响）,云南的草海 滇池,人为活动的“矿化作用”,地下水化学成分的基本成因类型,不同领域的学者，目前已得出趋于一致的看法：地球上的水圈是原始地壳生成(约40亿年前)以后，氢和氧随同其它易挥发组分从地球内部层圈逸出而形成的。由此可见，初始的地下水起源于地球深部层圈。从形成地下水化学成分的基本作用出发，可将地下水分为三种基本成因类型，即：溶滤水、沉积水及内生水。溶滤水主要分布于地壳浅表，沉积水分布于地壳较深的部位，内生水则来源于地幔。,溶滤水,溶滤水的化学组分主要来自水对岩土体的溶滤作用。大气降水、地表水在渗入地壳上部发生溶滤作用之前，便已具有一定的化学成分。大部分地区的大气降水为矿化度数十mgL的重碳酸型水，饱含CO2、O2、N2及其它惰性气体。河水通常为矿化度100200 mg/L的重碳酸型水，含有大气起源的气体。富含CO2、O2的大气水渗入地下，溶滤它所流径的岩土而改变其化学成分。地下水所流经的岩土对溶滤水化学成分有一定影响。在含盐地层沉积区，地下水中往往以Cl-、Na+为主。有石膏沉积的地下水中SO42-与Ca2+较多。石灰岩、白云岩等碳酸盐沉积区的地下水，HCO3-、 Ca2+ 、Mg2+为其主要成分。酸性岩浆岩地区的地下水，大多为HCO3-Na型水。基性岩浆岩地区的地下水常富含Mg2+ 。煤系地层分布区及金属矿床附近常常形成硫酸盐水。如果简单地断定，地下水流经什么样的岩土，就必定具有何种化学成分，那就把问题简单化了。岩土体的化学组分按其地球化学特性，迁移能力各不相同，同时受到气候、地形、地下水埋藏条件等因素影响。,沉积水,沉积水是指与沉积物同时生成的古老地下水，其化学成分在一定程度上反映古沉积盆地水的化学特征。海水的平均化学成分是矿化度35g/L的氯化钠水( )。,与海水相比，海相淤泥所形成的沉积水一般有以下几个特点：(1) 矿化度很高，最高可达300g/L；(2) 硫酸根离子减少以至消失；(3) 钙的相对含量明显增大，钠减少，(rNarcl)0.85；(4) 富集溴、碘，尤其是碘的合显显著增加，Cl/Br变小；(5)出现硫化氢、甲烷、铵、氮；(6)pH值增高。,内生水,早在本世纪初，曾把温热地下水看作岩浆分异的产物。后来发现在大多数情况下，温泉是大气降水渗入到深部加热后重新回到地表形成的。近些年来，某些学者通过对地热系统的热均衡分析得出，仅靠水渗入深部获得的热量无法解释这些高温水的出现，认为应有1030的来自地球深部层圈的高热流体的加入。于是源自地球深部层圈的内生水说又逐渐为人们所重视。有人认为，深部高矿化卤水的化学成分也显示了内生水的影响。内生水的典型化学特征至今并不完全清楚。苏联某些花岗岩中包裹体溶液为矿化度100200g/L的氯化钠型水。冰岛玄武岩区的热蒸汽凝成的水，是矿化度12g/L的HS-HCO3-Na+水，含有大量SiO2与CO2。内生水的研究迄今还很不成熟，但由于它涉及水文地质学乃至地质学的一系列重大理论问题，因此，今后水文地质学的研究领域将向地球深部层圈扩展，更加重视内生水的研究。,3.4.1 地下水化学成分的分析内容是水质评价基础 分为简分析和全分析，某些专门性工作进行专项分析。 简分析：除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬浮物等） 主要定量分析： HCO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、 总硬度、pH、Mg2+、 K+Na+ 及 矿化度 有时含专项分析： NO-3，NO-2 ，NH4，Fe2+ ， Fe3+，H2S，耗氧量等,全分析项目较多，要求精度高，通常在简分析的基础上选择代表性水样进行全分析 一般定量分析：HCO-3,SO2-4,Cl-，Ca2+, Mg2+, K+, Na+， NO-3，NO-2 ，NH4，Fe2+ ，Fe3+，H2S，CO2, 耗氧量，总硬度，pH, 及干涸残余物；某些微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时需分水的侵蚀性CO2。,全国地下水污染防治规划调查指标（1）, 感官指标：肉眼可见物、颜色、嗅、味、透明度、浑浊度、色度、水温等。 常规组分：pH值、游离二氧化碳、Cl-、SO4-、HCO3-、CO32-、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、NH4+、Fe2+、Fe3+、NO2-、NO3-、F-、Br-、I-、PO43-、COD、可溶性二氧化硅、总硬度、矿化度等。 重金属组分：Hg、Cu、Pb、As、Cd、Mn、Zn、Ni、Co、Cr6+、总Cr、V、W、Sr、Ba、U、Ra、Se、Al3+等。,全国地下水污染防治规划调查指标（2）, 有机污染组分：三氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、二氯甲烷、1，2-二氯乙烷、环氧氯丙烷、氯乙烯、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、氯丁二烯、六氯丁二烯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛、三氯乙醛、苯、乙苯、二甲苯、异丙苯、氯苯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、三氯苯、四氯苯、六氯苯、硝基苯、二硝基苯、2，4-二硝基甲苯、2，4，6-三硝基甲苯、硝基氯苯、2，4-二硝基氯苯、2，4-二氯苯酚、2，4，6-三氯苯酚、五氯酚、苯胺、联苯胺。DDT、六六六（总量）、林丹（-六六六）、2，4-滴、七氯、呋喃丹、敌敌畏（含敌百虫）。 生物学指标：总大肠菌群、菌落总数。,3.4.2 矿化度或总固体溶解物 (TDS）,矿化度或总固体溶解物 (TDS）,求算方法： 105110温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位：g/L, mg/L (ppm) 计算中，用全分析实验结果，阴阳离子总和减 1/2 HCO-3含量求算 据矿化度的水样分类： 50g/L 淡水 微咸水 咸水 盐水 卤水,总固体溶解物 (TDS） 溶解性总固体T. 为Total Dissolved Solids 的缩写，也就是溶解于水中的固体的总量。如矿物质在水中的重量比数。 水中的溶解固体主要是一些钙和镁，且不是可测得的污染物质。测量单位为ppm(parts per millions)或mg/L(milligram/Liter)，它表明1升水中溶有多少毫克溶解性总固体。 水中溶解物越多，水中的TDS值就越大，水的导电性也越好，纯净水往往其电导率10s/cm，相当于水中总含盐量小于3mg/L。,地下水的硬度指水中所含钙、镁离子的数量。总硬度水中所含钙、镁离子总量。暂时硬度可由煮沸去掉的钙、镁离子含量。永久硬度煮沸后能保留下来的钙、镁离子的含量。,按硬度分类,总硬度 = 暂时硬度 永久硬度,德国方法：硬度1相当于每升溶液中含有CaO 10mg；原苏联方法：用每升水溶液中所含钙、镁离子的毫克当量(meg)数表示硬度。,硬度的表示方法,地下水按硬度的分类,按pH值分类,PH值是衡量溶液酸碱程度的指标。PH值是溶液中氢离子活度的负对数。当溶液很稀时，氢离子活度近似于氢离子浓度。所以PH=-lgH+根据地下水中PH值的大小，水分为五类：,3.4.3 水化学成分的表示方法库尔洛夫式,库尔洛夫式:,分式前：特殊成分、气体成分、矿化度 M ，单位 (g/L) 分式上下：阴、阳离子（毫克当量百分数10% 或称 视毫摩尔百分数） 分式后：水温（oC) 特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类型（常用方法）,3.4.4 舒夫卡列分类,前苏联学者C.A. 提出来的: 方式：将地下水中主要七种离子合并为6种，取含量（毫克当量百分数，或视毫摩尔百分含量）25%的离子，组合定名。 阴、阳离子2