供水水文地质课件

第三章第三章 地下水的物理性质、化学成分与地下水的物理性质、化学成分与 水质评价水质评价 概概 述述 1.1 1.1 地下水的物理性质地下水的物理性质 1.2 1.2 地下水的化学成分地下水的化学成分 1.3 1.3 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 1.4 1.4 地下水化学特征与人类健康地下水化学特征与人类健康 1.5 1.5 地下水水质评价地下水水质评价 概概 述述 1、地下水不是化学纯水，地下水与环境（自然地理、 地质背景及人类活动）长期相互作用，呈现出不同 的物理性质和化学成分。 2、地下水所含有的各种成分对人类有着显著的害益差 异，不同实际目的所利用的地下水，对其水质（物 理性质、化学成分和微生物种类和数量）有不同的 要求，因此，选择水源时必须根据生产和生活的需 要对水源作出水质评价。 返回 1. 1 1. 1 地下水的物理性质地下水的物理性质 一、水温 二、颜色 三、透明度 四、气味 五、味道 六、导电性 七、放射性 返回 1、影响因素： 地下水的温度主要受地温控制，影响地温的热源主要 有太阳辐射热和地热。 2、地温变化规律： 地温从上到下可分三个带： 变温带（01020m)：地温随昼夜季节变化 常温带：厚度1020m，地温一般略高于当地年平均 气温1-2 增温带：按地热增温级（温度每升高1所需要的深 度，平均33m/)升高。 一、水温 3、H深度处地下水的温度（ TH ）： TB-年常温带温度，；h-年常温带深度，m；G-地热增温级 ，m 。 4、地下水按水温分类： 类型过冷水冷水温水热水过热水 水温， 100 返回 地下水一般无色，只有当水中含有某些离于成分、悬 浮物或胶体成分时，才呈现不同的颜色。如： 有机质黄色；硫化氢翠绿色；氧化铁浅红褐色；氧 化亚铁浅蓝绿色；硬水浅蓝色。 地下水中色度的测定采用铂钴标准比色法。最低检测 色度为5 度。 测定范围:5 度50 度。 二、地下水的颜色 返回 （三）地下水的透明度 地下水通常是无色透明的，当水中含有某种离子、 胶体、有机质或悬浮物质时，透明度将降低。 透明度的野外分级： （3mm的粗线） 返回 四、地下水的气味(嗅) 地下水的气味取决于水中所含的气体成分和有机物质的含量 。地下水一般无气味，若含有H2S气体，水有臭鸡蛋味，含Fe2+ ，水有铁腥味；含腐植质有腐草味或淤泥臭味。水中气味强弱 程度和水温有关，一般在低温时气味不明显，若将水加热至40- 60时，气味显著，根据气味强度，可将地下水分为六级： 等 级 气味强度说明等级气味强 度 说明 o无没有任何气味显著易于觉察，不加处 理不能饮用 极微弱有经验分析者能 觉察 强气味引人注意，不 适饮用 弱注意辨别时，一 般人能觉察 极强气味强烈扑鼻，不 能饮用 返回 五、味道 地下水的味道取决于水中所含的化学成分和气 体成分。地下水一般淡而无味，若含有较多的氯化 钠，水具咸味；含较多的二氧化碳，水清凉可口， 含碳酸钙、镁的水味美适口，称“甜水”，若含有较 多的有机质或腐植质，水有腻人的土甜味，不宜饮 用；合硫酸纳的水味涩，含氯化镁和硫酸镁较多的 水味苦，且可引起呕吐和腹泻；含氧化铁的水具有 铁锈味。 返回 六、导电性 地下水的导电性取决于水中溶解的电解质的数 量和性质，即取决于各种离子的含量和离子价。离 子含量越多，价数越高，则水的导电性越强。此外 ，温度也影响导电性。 返回 七、放射性 地下水的放射性取决于水中放射性物质的含量。 大多数地下水都具有放射性，但其含量微弱。放射 性矿床与酸性火成岩地区的地下水具有较高的放射 性。水按放射性分级： 分级水中放射气含量 （埃曼） 镭水中镭的含量 （g/l) 强放射性水30010-9 中等放射性水10030010-10 10-9 弱放射性水3510010-11 10-10 注：氡的浓度一般用单位体积空气中所含的放射性活度来表示，其国际 单位为贝可/升(Bq/L)，非国际单位有居里/升，艾曼。1居里/升 =11010 艾曼=3.71010 Bq/L。1Bq=1次衰变/秒 返回 1.2 1.2 地下水的化学成分地下水的化学成分 一、地下水的常见化学成分 1、地下水中的主要气体 2、地下水中主要离子成分 3、其他化学成分 二、地下水的化学成分的性质 三、地下水化学成分分析与按化学成分的分类 1、地下水化学成分的分析与表示 2、地下水按化学成分的分类 返回 1、地下水中的主要气体 地下水中常见的气体成分有O2、N2、CO2、 H2S和CH4等，气体在地下水中的含量通常不高， 每升水数毫克到数十毫克。但是它们能很好地反 映地下水的形成环境（温、压条件和地质条件） ，同时某些气体的含量会影响盐类在水中的溶解 度以及其它化学反应。 返回 2、地下水中主要离子成分 地下水中含很多离子成分但是在水中分布最 广、含量最多的主要有七种，即Cl-、SO42-、 HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。它们是人们评价 地下水化学成分的主要项目。次要离子有CO32-、 NO3-、NO2-、OH-、H+、NH4+、Fe2+、Fe3+、 Mn2+ 、PO43-等。 返回 3、地下水中的其他化学成分 （1）微量成分：如Br、I、F、Ba、Li、Sr、Se、Co、Mo 、Cu、Pb、Zn、B、P、As等。它们来源于地球深部或海洋 。微量元素对人体健康有明显的影响。（2）胶体化合物：地 下水中分布最广的胶体化合物有Fe(OH)3、A1(OH)3和SiO2等 及有机胶体。有机胶体分布较广，在气候炎热的沼泽地带含 量较高。（3）有机物：地下水中常含一定数量的有机质。有 机质是以碳、氢、氧为主的高分子化合物，其他成分尚有氮 、磷、硫等。有机质中稳定的腐植酸主要以胶体形式存在于 地下水中，部分呈悬浮状态的有机酸及特殊高分子腐植酸能 溶于水成为真溶液，富集于土壤及沼泽水中，其含量从小于 1mgL到数百mg/L，一般在10mgL左右。呈黄色、黑色 及灰黑色，并有特殊的气味和味道。有机质的形成主要由于 生物化学作用，由生物的排泄物或生物遗骸分解形成。（4） 微生物： 氧化环境：硫细菌、铁细菌等；还原环境：脱 硫酸细菌等； 污染水：致病细菌。 返回 二、地下水的化学成分的性质 1、总矿化度 2、酸碱度 3、硬度 4、侵蚀性 返回 1、总矿化度 总矿化度表示地下水中含盐量的多少，是表征水矿化程 度的指标。它指地下水中所含各种离于、分子及化合物的总 量，以g/L表示。它包括所有溶解状态和胶体状态的成分，但 不包括游离状态的气体成分。 总矿化度可根据化学分析所得全部离子量、分子量及化合 物量相加求得（总含盐量）。也可以在105110的温度下 将水烘干所得的干涸残余物表示（总溶解固体）。 总溶解固体（TDS）总含盐量-1/2HCO3- 地下水按总溶解固体分类： 地下水类型TDS（g/l)地下水类型TDS（g/l) 淡水50 咸水310 返回 2、酸碱度 水的酸碱度取决于水中H+浓度。水的酸碱度对人 体健康和金属设备有重要影响。如弱碱性水对人体 健康有利；地下水的pH值小于4时，对金属有剧烈的 腐蚀作用，矿井酸性水强烈腐蚀井下排水设备和管 道，并污染环境。 地下水按酸碱度分类： 水的类型pH值水的类型pH值 强酸性水9 中性水7 返回 3、硬度 硬度是由于水中含有Ca2+、Mg2+而具有的性质。硬度大的水对生 活和工业用水都有不良的影响：硬度大的水味道差，且易引起 肠胃不适，我国饮用水规定“不超过25度”，用硬水洗衣使肥皂 泡沫减少，煮菜、煮饭不易烧熟，锅炉用硬水易形成锅垢，甚 至因不均匀导热引起锅炉爆炸，硬度大的水会影响印染、造纸 等工业的质量。 总硬度：水中含Ca2+、Mg2+的总量称为总硬度。 暂时硬度：指水加热沸腾后，由于脱碳酸作用，而从水中失去的 那部分Ca2+、Mg2+含量，主要为Ca2+、Mg2+的碳酸盐。 永久硬度：水加热沸腾后，仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量称为水 的永久硬度，主要为Ca2+、Mg2+的硫酸盐和氯化物。 现阶段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1M mol/L=100mg/L（以CaCO3计） 硬度1度=17.9 mg/L（以CaCO3计） 地下水按硬度分类： 类别硬度（mg/L， 以CaCO3计） 类别硬度（mg/L， 以CaCO3计） 极软水450 弱硬水150300 返回 4、侵蚀性 地下水的侵蚀性主要表现为含侵蚀性CO2 水对混凝土的侵蚀，硫酸对混凝土的侵蚀及酸 性水对机械设备的侵蚀。 返回 1、地下水化学成分的分析与表示 当为饮用水水源勘察时，应根据饮用水水质标准（ GB5749-85）的要求进行分析，分简分析和全分析两种。 简分析多采用简易水质分析箱在现场进行分析。全分析一 般是对简分析结果进行检验和补充，目的在于比较全面地 了解区域地下水化学特征。通常是在简分析取样的基础上 ，选取有代表性的水样，在专门化验室进行化验。 简分析项目：除物理性质（温度、颜色、透明度、嗅味 、味道等）外，还应定量分析以下各项：PH值、游离CO2 、Cl-、SO4-、HCO3- 、K+、Na+、Ca2+、Mg2+及TDS-总矿化度 等。 全分析项目：除简分析项目外，增加分析NH4+ 、Fe3+ 、 Fe2+ 、 CO32- 、NO2- 、NO3- 、侵蚀性 CO2 、耗氧量、H2S、 H2SiO3 ，并计算总硬度、永久硬度和暂时硬度。此外，有 时还需作专项分析，如增加分析细菌及有毒成分。 地下水的常用表示方法-库尔洛夫式： 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。即： 阴离子成分原子数毫克当量百分数 气体成分含量 特殊成分含量 M含量 t水温 阳离子成分毫克当量百分数 例如某水样的库尔洛夫式为： 返回 舒卡列夫的水化学类型分类 舒卡列夫的地下水化学类型分类是根据地下水中6种主要离 子（Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-，K+合并于Na+ ）及矿化度划分的。具体步骤如下： 第一步，根据水质分析结果，将6种主要离子中含量大于25毫 克当量的阴离子和阳离子进行组合，可组合出49型水，并将 每型用一个阿拉伯数字作为代号（见下表）。 阴离子 阳离子 HCO3-HCO3- +SO42- HCO3- +SO42- +Cl- HCO3- +Cl- SO42-SO42- +Cl- Cl- Ca2+181522293643 Ca2+Mg2+291623303744 Mg2+31017？24？3138？45 Na+Ca2+4111825323946 Na+Ca2+Mg2 + 5121926334047 Na+Mg2+6132027344148 Na+7142128354249 第二步，按矿化度（M）的大小划分为4组。 A组M1.5g/L； B组1.5M10g/L； C组10M40g/L； D组M40g/L。 第三步，将地下水化学类型用阿拉伯数字（149）与字母 （A、B、C或D）组合在一起的表达式表示。例如，1A型， 表示矿化度（M）不大于1.5g/L的HCO3-Ca型水，沉积岩地区典 型的溶滤水；49D型，表示矿化度大于40g/L的Cl-Na型水， 该型水可能是与海水及海相沉积有关的地下水，或是大陆盐 化潜水。 阴离子 阳离子 HCO3-HCO3- +SO42- HCO3- +SO42- +Cl- HCO3- +Cl- SO42-SO42- +Cl- Cl- Ca2+181522293643 Ca2+Mg2+291623303744 Mg2+31017？24？3138？45 Na+Ca2+4111825323946 Na+Ca2+Mg2 + 5121926334047 Na+Mg2+6132027344148 Na+7142128354249 返回 1.3 1.3 化学成分的形成和演变 一、原始成分的影响 地下水大都来源于大气降水、 地表水和凝结水补给，继 承了各种补给源的原始成分。 二、水文地球化学作用 1、溶滤作用：岩石中的可溶部分被溶解转入地下水； 2、蒸发浓缩作用：地下水中的含盐量相对增加； 3、离子的交换和吸附作用：地下水与岩石之间发生物质交换 ； 4、脱硫酸作用：在有机物和脱硫酸细菌作用下，硫酸盐被分 解成H2S和HCO3-； 5、脱碳酸作用：在温度升高、压力降低的情况下CO2自水中逸 出并形成碳酸盐沉淀。 三、人类活动 返回 三 人类活动对地下水化学成分影响 人类活动通过改变地下水形成条件而改变地下水的化学 成分，表现在： 滨海地区过量开采地下水引起海水入侵。 不合理的打井采水使咸水运移。 干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，会使浅层地下 水位上升，引起大面积次生盐渍化，并使浅层地下水变咸。 原来分布有地下咸水的地区，通过挖渠打井，降低地下水 位，减少蒸发量，可使地下水淡化。 在地下咸水分布区，引来区外淡的地表水，合理补给地下 水，也可使地下水变淡。 此外，工农业废水的排放也可直接污染地下水。 返回 一、地方病 当地下水在自然界的运动中过多地集 中了某些有害物质或缺乏某些对人体必需的物质时 ，都会形成为一种地区性的病害-地方病，常见的 地方病有： 1、大脖子病（甲状腺肿）。病因：缺碘 2、大骨节病（软骨组织病变）和克山病（心肌病 变）。病因：主要观点：（1）生存环境中缺Ca、S 、Se等元素；（2）饮用水中金属元素Cu、Pb、Zn 、Ni、Mo、Mn等含量过多；（3）饮用水中含过量 的腐殖酸。 3、龋齿病。病因：缺氟 4、斑釉齿、氟骨病。病因：氟中毒 1.4 1.4 地下水化学特征与人类健康地下水化学特征与人类健康 二、研究表明其他一些常见病也与饮用水有一定关系：如饮用 软水的城市心血管病死亡率高，饮用硬水的城市心血管病死 亡率低。高血压症、脑溢血症死亡率高的地区多为酸性硅质 水；当SiO2含量高于20mg/L时可促使癌症的高发，足够的钙 对“抵御”癌症有明显的作用，胃癌的分布与酸性软水区有关 ，苏格兰皮肤癌的发病率高与饮用水中As高有关，太行山中 南部的食管癌高发区与饮用“死水”（用旱井、涝池、坑塘等 贮存的雨水）有关。 而含适量某些成分的地下水有医疗价值。如饮用含锂的水可 减少动脉硬化及降低精神错乱的患病率。 三、饮用被重金属（汞、镉、铅、铬、钒、钴、钡等）和难分 解有机物（多氯联苯、有机农药、多环芳烃等）污染的地下 水轻则身体出现不适，重则致命。 返回 1.5 地下水水质评价 一、地下水水质的概念 二、评价依据 三、评价指标 四、地下水分类 五、评价方法 六、评价的一般步骤 七、供水水质评价 1、生活饮用水水质评价；2、饮用天然矿泉水水质评价； 3、工业用水水质评价；4、农田灌溉用水水质评价 返回 一、地下水水质的概念 地下水水质是地下水对人类生活及生产活 动用水要求的适宜程度。地下水水质的好坏不 仅取决于其本身的物理性质、化学组成及生物 特性，而且与其具体用途有关。 返回 二、评价依据 地下水水质评价依据为GBT 14848-1993地下水质 量标准。或根据用水目的选择相应的用水标准。 返回 三、评价指标 地下水质量标准涉及指标共39项，其中： 感官性状指标4项：色、嗅和味、浑浊度、肉眼可见物； 细菌学指标2项：总大肠菌群、细菌总数； 放射性指标2项：总a放射性、总B放射性； 有机组分指标4项：挥发性酚类、阴离子合成洗涤剂、滴滴涕、 六六六； 一般化学指标和无机组分指标28项：pH值、总硬度、溶解性总 固体、硫酸盐、氯化物、铁、锰、氟化物、硝酸盐、锌等。 其中规定为水质监测项目（20项）为：pH值、氨氮、硝酸盐、 亚硝酸盐、挥发性酚类、氰化物、砷、汞、铬(六价)、总硬 度、铅、氟、镉、铁、锰、总溶解固体、高锰酸盐指数、硫 酸盐、氯化物、大肠菌群，以及反映地区主要水质问题的其 他项目。同时还明确规定了参加地下水水质综合评价的项目 应不少于标准规定的监测项目，但不包括细菌学标准。 返回 类别用 途 类主要反映地下水化学组分的天然低背景含量，适用于各 种用途 类主要反映地下水化学组分的天然背景含量，适用于各种 用途 类以人体健康基准值为依据，主要适用于集中式生活饮用 水水源及工、农业用水 类以农业和工业用水要求为依据，除适用于农业和部分工 业用水外。适当处理后可作生活饮用水 类不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用 四、地下水水质分类 地下水质量标准还参照了生活饮用水、工业、农业用水水质 最高要求，根据地下水各指标的含量特征，将地下水水质分为五 类，不同的类别反映了不同的水质状况和该类别水体的主要用途 。 返回 1、单因子评价方法 2、综合评价方法 （1）综合指数法 （2）人工神经网络模型 （3）模糊综合评判法 （4）灰色聚类法 五、地下水水质评价方法 返回 1、确定评价范围 2、通过水质监测查明地下水的物理性质、化学成分、 卫生条件和变化规律。检验方法，按国家标准GB 5750生活饮用水标准检验方法执行。监测频率 不得少于每年二次(丰、枯水期)。 3、选择评价标准、评价指标及评价方法 4、总结评价结果 六、地下水水质评价的一般步骤 返回 地下水质量分类指标 项目序号 项目类类类类类 1色(度)55152525 2嗅和味无无无无有 3浑浊度(度)3331010 4肉眼可见物无无无无有 5pH 1506.58.5 5.56.5 8.59 9 6总硬度150300450550550 7TDS50500100020002000 8硫酸盐50150250350350 9氯化物0.1150250350350 10铁0.050.20.31.51.5 11锰0.010.050.11.01.0 12铜0.050.051.01.51.5 13锌1500.51.05.05.0 项目序号 项目 类类类类类 14钼0.0010.010.10.50.5 15钴0.0050.050.051.01.0 16挥发性酚类0.0010.0010.0020.010.01 17 阴离子合成洗涤剂 不得检出0.10.30.30.3 18高锰酸盐指数1.02.03.01010 19硝酸盐2.05.0203030 20亚硝酸盐0.0010.010.020.10.1 21氨氮0.020.020.20.50.5 22氟化物1.01.01.02.02.0 23碘化物0.10.10.21.01.0 24氰化物0.0010.010.050.10.1 25汞0.000050.00050.0010.0010.001 26砷0.0050.010.050.050.05 27硒0.010.010.010.10.1 28镉0.00010.0010.010.010.01 项目序号 项目类类类类类 29铬(六价0.0050.010.050.10.1 30铅0.0050.010.050.10.1 31铍0.0000 2 0.00010.00020.0010.001 32钡0.010.11.04.04.0 33镍0.0050.050.050.10.1 34滴滴涕不得检出0.0051.01.01.0 35六六六0.0050.055.05.05.0 36总大肠菌3.03.03.0100100 37细菌总数 (个/L) 10010010010001000 38总放射 性(Bq/L) 0.10.10.10.10.1 39总放射 性(Bq/L) 0.11.01.01.01.0 返回 1、单因子评价方法 项目 类类类类类 硒（mg/l）0.010.010.010.10.1 汞（ug/l）0.050.5111 总硬度（mg/l）150300450550550 硝酸盐（mg/l）2.05.0203030 锰（mg/l）0.010.050.11.01.0 亚硝酸盐（mg/l）0.0010.010.020.10.1 表2 三个地区水质状况 表1 地下水质量标准 地区号硒（mg/l ） 汞（ug/l ） 总硬度 （mg/l ） 硝酸盐（ mg/l） 锰（mg/l ） 亚硝酸盐 （mg/l） 100.02360.825.60.60 20.020.4420.732.50.20.02 30.030.5380.912.40.080.01 地区号硒（mg/l ） 汞（ug/l ） 总硬度 （mg/l ） 硝酸盐（ mg/l） 锰（mg/l ）