地下水的物理性质与化学成分ppt课件

地下水的物理性质地下水的物理性质 和化学成分和化学成分 n n 地下水的物理性质和化学成分是地下水与周围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。下水的起源和形成。 n n 从实际应用来看，不同的用水目的，对水质要从实际应用来看，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。分是水质评价的需要。 n n 研究地下水的物理性质、化学成分及其形成，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。地下水化学演变的内在依据和规律。 3.1 3.1 地下水的物理性质地下水的物理性质 地下水的物理性质一般指：地下水的物理性质一般指： 温度、颜色、透明度、嗅、味、相对密度、温度、颜色、透明度、嗅、味、相对密度、 导电性、放射性等。导电性、放射性等。 3.1.1 3.1.1 温度温度 地下水的温度主要来自于地温。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地壳按热力状态从上而下分为变温带变温带、年常年常 温带温带和和增温带增温带。 n n 变温带变温带：地温受气温控制，有昼夜变化和年变化：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；，变幅随深度增加而减小； n n 常温带常温带：气温的影响趋于零的深度。地温一般略：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。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常温带深度在低纬度地区为5 51010米，中纬度米，中纬度 地区为地区为10102020米；米； n n 增温带增温带：地温受地球内部热力影响，随深度的增：地温受地球内部热力影响，随深度的增 加而有规律地升高。温度每增加加而有规律地升高。温度每增加1 1所需要增加的所需要增加的 深度称为地热增温级，一般平均每深度称为地热增温级，一般平均每33m33m升高升高1 1 。 n n 地下水的温度与它所处地区的地温状况是相适应地下水的温度与它所处地区的地温状况是相适应 的的。 n n 增温带中地下水温度计算方法：增温带中地下水温度计算方法： T T H H T T B B （H Hh h）/ G/ G T T H H 地表以下深度地表以下深度H H处的地下水温度（处的地下水温度（ ） T TB B 所在地区年常温带温度（ 所在地区年常温带温度（ ） H H 地下水所处的尝试（地下水所处的尝试（mm） h h 年常温带深度（年常温带深度（mm） G G 所在地区的地热增温级（所在地区的地热增温级（m/ m/ ） 3.1.2 3.1.2 颜色颜色 地下水一般是无色透明的，但有时因含某种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。或浅色矿物质悬浮物的为土色，等等。 3.1.3 3.1.3 透明度透明度 地下水的透明度决定于水中所含盐类、悬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。透明度分为浮物、有机质和胶体的数量。透明度分为透透 明、微混浊、混浊和极混浊明、微混浊、混浊和极混浊四级。水深四级。水深60 60 厘厘 米时能看见容器底部米时能看见容器底部3 3 毫米粗的线者为透明；毫米粗的线者为透明； 于于303060 60 厘米深度能看见者为微混浊；厘米深度能看见者为微混浊；30 30 厘米深度以内能看见者为混浊；水很浅也看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。不见者为极混浊。 3.1.4 3.1.4 味味 地下水的水味来自于水中所溶解的盐分及气体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，为碳酸时，水味爽快、适口，为“ “甜水甜水” ” ；含氯化物；含氯化物 的水有咸味；硫酸钠、硫酸镁使水变苦，还可引的水有咸味；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。水发甜味，但不宜饮用，等等。 3.1.5 3.1.5 气味气味 地下水的气味同样来自于水中所溶解的盐分及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有氧化亚铁时有铁腥气味；含腐植质时有鱼腥气 味等。味等。 气味在气味在40 40 时最明显。时最明显。 3.1.6 3.1.6 导电性导电性 地下水导电性取决于其中所含电解质的数量与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，则水的导电性质。离子含量愈多，离子价愈高，则水的导电 性愈强。性愈强。 3.2 3.2 地下水的化学成分地下水的化学成分 地下水中的化学元素一般以气体、离子和分子状地下水中的化学元素一般以气体、离子和分子状 态存在。态存在。 3.2.1 3.2.1 地下水中常见的化学成分地下水中常见的化学成分 1.1.气体气体 地下水中溶解的气体主要有地下水中溶解的气体主要有COCO 2 2 、OO 2 2 、NN 2 2 、CHCH 4 4 、HH 2 2 S S，还有少量的惰性气体和，还有少量的惰性气体和HH 2 2 、COCO 等。等。 （1 1）OO 2 2 、NN 2 2 （来源：大气）（来源：大气） OO 2 2 含量高，表明地下水所处的地球化学环境为氧含量高，表明地下水所处的地球化学环境为氧 化环境化环境 ； NN 2 2 的单独存在表明地下水起源于大气并处于还原的单独存在表明地下水起源于大气并处于还原 环境。环境。 （2 2）HH 2 2 S S、CHCH 4 4 与有机物、微生物的生物化学过程有关；表明与有机物、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。地下水所处的地球化学环境为还原环境。 （3 3）COCO 2 2 来源：土壤（植物的呼吸作用、有机质的发酵来源：土壤（植物的呼吸作用、有机质的发酵 作用作用 、碳酸岩盐的高温分解、化石燃料）、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。化作用的能力愈强。 研究意义研究意义 指示地下水所处的地球化学环境；指示地下水所处的地球化学环境； 影响地下水的溶解能力；影响地下水的溶解能力； OO 2 2 、COCO 2 2 ，地下，地下 水对岩石矿物的溶解能力水对岩石矿物的溶解能力。 决定地下水的利用价值。决定地下水的利用价值。 2. 2. 地下水中的主要离子成分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：地下水中占主要地位的离子有七种： （1 1）氯离子）氯离子 几乎存在于所有地下水中，含量一般较大，由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，每升数毫克到数百毫克，是高含盐量水中的主要是高含盐量水中的主要 阴离子阴离子。 来源：地下水溶解盐岩及含氯化物的其它矿物来源：地下水溶解盐岩及含氯化物的其它矿物 ；海水入侵。；海水入侵。 特点：不被细菌及植物所摄取，不被土颗粒表特点：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面吸附，不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离 子。子。 （2 2）硫酸根离子）硫酸根离子 总含量仅次于氯离子，每升可达数克。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来源：地下水溶解石膏及其他硫酸盐类沉积岩 或含硫矿物。或含硫矿物。 （3 3）重碳根离子）重碳根离子 是地下水中普遍存在的阴离子，但含量一般不是地下水中普遍存在的阴离子，但含量一般不 超过超过 1 g/L1 g/L。以重碳酸根为主要成分的地下水含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。来源：地下水溶解碳酸盐类岩石和矿物。 （4 4）钠离子）钠离子 是地下水中分布广，含量变化最大的阳离子，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。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。来源：地下水溶解盐岩及含钠的岩石和矿物。 （5 5）钾离子）钾离子 来源与钠离子相似，但钾离子容易为植物所吸来源与钠离子相似，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。土颗粒表面所吸附，所以在地下水中的含量不大。 （6 6）钙离子）钙离子 在地下水中分布很广，但含量不高，很少超过在地下水中分布很广，但含量不高，很少超过 1g/L1g/L，是低含盐量地下水中的主要阳离子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。来源：地下水溶解碳酸盐类岩石及矿物。 （7 7）镁离子）镁离子 主要来源于地下水对白云岩及泥灰岩的溶解。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物吸收，所以在地下水中的含量一般比钙离子少 。 3.2.2 3.2.2 地下水化学成分的性质地下水化学成分的性质 1. 1. 总含盐量与总溶解固体（总含盐量与总溶解固体（TDSTDS） 定义：存在于地下水中的离子、分子和微粒（不定义：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，通包括气体）之总含量称为地下水的总食盐量，通 常以常以 g/L g/L 表示。表示。 通常在通常在105105110 110 温度下将水样蒸干的得干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（涸残余物的总量称为总溶解固体（TDSTDS）。）。 总溶解固体也可用理论计算：总溶解固体也可用理论计算： TDS =阳离子阴离子 n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），单位量称为总矿化度（总含盐量），单位g/Lg/L。 通常以在通常以在105105110110温度下，将水蒸干所得的干温度下，将水蒸干所得的干 涸残余物来表征总矿化度（总溶解固体）。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） 50 分类名称淡水微咸水咸水盐水卤水 2. 2. 氢离子浓度氢离子浓度 氢离子浓度常用氢离子浓度常用pH pH 值表示。值表示。pH=7 pH=7 呈中性反应呈中性反应 ，pHpH7 7 呈酸性反应，呈酸性反应，pHpH7 7 呈碱性反应。呈碱性反应。 3. 3. 硬度硬度 水中钙、镁离子的总量，称为水的水中钙、镁离子的总量，称为水的总硬度总硬度。当水。当水 煮沸时，一部分钙镁离子的重碳酸盐因失去煮沸时，一部分钙镁离子的重碳酸盐因失去COCO 2 2 而而 成为碳酸盐沉淀，沉淀的部分叫做成为碳酸盐沉淀，沉淀的部分叫做暂时硬度暂时硬度。总硬。总硬 度减去暂时硬度即为度减去暂时硬度即为永久硬度永久硬度。 n n 表示水的硬度的方法有两种：表示水的硬度的方法有两种： n n 德国度，以德国度，以1 1 升水中含升水中含10 10 毫克毫克CaOCaO 或或7.27.2 毫克毫克MgOMgO为为1 1 度；度； n n 目前根据国家化学分析标准计量要求，硬目前根据国家化学分析标准计量要求，硬 度按度按 mg/Lmg/L（以（以CaCOCaCO 3 3 计）表示。计）表示。 硬度硬度1 1度度17.9mg/L17.9mg/L（以（以CaCOCaCO 3 3 计）计） 4. 4. 侵蚀性二氧化碳侵蚀性二氧化碳 CaCOCaCO 3 3 HH 2 2 OOCOCO2 2 CaCa2+ 2+ 2HCO2HCO 3 3 - - 呈游离状态的、将消耗于溶解碳酸盐的 呈游离状态的、将消耗于溶解碳酸盐的COCO 2 2 称称 为侵蚀性为侵蚀性COCO2 2， ，它能溶解混凝土中的 它能溶解混凝土中的CaCOCaCO 3 3 使混凝使混凝 土的结构遭到破坏。土的结构遭到破坏。 3.2.3 3.2.3 地下水的化学成分分析与地下水的化学成分分析与 按化学成分的分类按化学成分的分类 （库尔洛夫表示式与舒卡列夫分类法库尔洛夫表示式与舒卡列夫分类法） 1. 1. 地下水化学成分的分析与表示地下水化学成分的分析与表示 n n 简分析简分析 分析项目分析项目 定量分析：定量分析：CaCa2+ 2+、 、MgMg2+ 2+、 、 ClCl 、 、 SOSO 4 4 2 2 、 、HCOHCO 3 3 、 、K K + + + Na+ Na + + 、 pHpH值、游离值、游离COCO 2 2 、硬度和、硬度和TDSTDS n n 简分析分析项目少，分析手段简单方便，在野外即可简分析分析项目少，分析手段简单方便，在野外即可 进行。进行。 n n 分析目的在于概略了解区域性的水质成因和变化规律分析目的在于概略了解区域性的水质成因和变化规律 。 n n 全分析全分析 分析项目分析项目 K K + + 、NaNa + + 、CaCa2+ 2+、 、MgMg2+ 2+、 、NHNH 4 4 + + 、FeFe3+ 3+、 、FeFe2+ 2+ 、 、ClCl 、 、 SOSO 4 4 2 2 、 、HCOHCO 3 3 、 、COCO 3 3 2 2 、 、NONO 3 3 、 、NONO 2 2 、 、pHpH值、游离值、游离 COCO 2 2 、侵蚀性侵蚀性COCO 2 2 、耗氧量耗氧量、H H 2 2 S S、H H 2 2 SiOSiO 3 3 、硬度和硬度和 TDSTDS。 n n 分析目的分析目的 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。化规律。 n n 库尔洛夫表示式库尔洛夫表示式是以类似数学分式的形式来表示地下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：水化学成分。其方法为： n n 1 1、将阴、阳离子分别标示在横线上、下、将阴、阳离子分别标示在横线上、下, , 按毫克当量按毫克当量 百分数自大而小的顺序排列百分数自大而小的顺序排列, , 小于小于10%10%的离子不予标的离子不予标 示。示。 n n 2 2、横线前依次标示气体成分、特殊成分及矿化度、横线前依次标示气体成分、特殊成分及矿化度( (用用 MM表示表示), ), 单位均为单位均为g/Lg/L。 n n 3 3、横线后以字母、横线后以字母t t为代号为代号, , 表示水温表示水温, , 单位为单位为 。 n n 4 4、式中各成分含量一律标于该成分符号的右下角、式中各成分含量一律标于该成分符号的右下角, , 原原 子数则移至右上角。子数则移至右上角。 舒卡列夫的水化学类型分类 n1、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。 n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 40g/L。 3、各水型的代号在前, 矿化度划分的组在后。 3.3 3.3 地下水化学成分的形成与演变地下水化学成分的形成与演变 3.3.1 3.3.1 原始成分的影响原始成分的影响 地下水继承了各种补给源的原始化学成分。地下水继承了各种补给源的原始化学成分。 3.3.2 3.3.2 地下水化学成分的形成作用地下水化学成分的形成作用 溶滤作用溶滤作用 浓缩作用浓缩作用 阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用 脱碳酸作用脱碳酸作用 脱硫酸作用脱硫酸作用 混合作用混合作用 溶滤作用溶滤作用 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。下水中，称为溶滤作用。 作用结果作用结果 岩土失去一部分可溶物质，地下水获得新的成分。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影响溶滤作用强度的因素 组成岩土的矿物盐类的溶解度；组成岩土的矿物盐类的溶解度； 岩土的空隙特征；岩土的空隙特征； 水的溶解能力（低矿化水溶解能力强）；水的溶解能力（低矿化水溶解能力强）； 水中水中OO 2 2 、COCO 2 2 等的含量；等的含量； 地下水的径流与交替强度。地下水的径流与交替强度。 浓缩作用浓缩作用 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。区而使地下水中盐分浓缩的作用。 产生条件产生条件： 干旱或半干旱的气候；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；用的颗粒细小的松散岩土； 集中排泄的地带。集中排泄的地带。 特点特点： 不仅使地下水的矿化度提高，也使地下水的化学类型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。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，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。为阳离子交替和吸附作用。 影响因素影响因素： 岩土颗粒的比表面积；岩土颗粒的比表面积； 阳离子吸附于颗粒表面的能力；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。地下水中某些离子的相对浓度。 混合作用混合作用 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。来两者都不相同的地下水，称为混合作用。 脱碳酸作用脱碳酸作用 水中水中COCO 2 2 的溶解度受环境温度和压力控制，的溶解度受环境温度和压力控制， COCO 2 2 的溶的溶 解度随温度升高或压力降低而减小，一部分解度随温度升高或压力降低而减小，一部分COCO 2 2 便成为便成为 游离游离COCO 2 2 从水中逸出，这便是脱碳酸作用。从水中逸出，这便是脱碳酸作用。 脱碳酸作用的结果脱碳酸作用的结果 HCOHCO 3 3 - - 、 CaCa2+ 2+ 、 、 MgMg2+ 2+减少 减少; ; 矿化度降低。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。作用的结果。 脱硫酸作用脱硫酸作用 在还原环境中，当有有机质存在时