地下水概论第6部分 地下水的化学成分及其形成作用

1、LOGOHydrogeoloy 水文地质学水文地质学第六第六部分部分 地下水的化学成分地下水的化学成分 及其形成作用及其形成作用Company L 6.3 总矿化度与地下水化学成分分类总矿化度与地下水化学成分分类6.2 地下水化学成分的形成作用地下水化学成分的形成作用本章内容本章内容 6.1 地下水的化学成分地下水的化学成分Company Lv地下水不是纯的地下水不是纯的H2O，而是，而是天然溶液天然溶液，含有各种组分。，含有各种组分。 v水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界自然界水循环过程水循环过程中，地下水与大气

2、圈、水圈与生物圈同时发中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和生着水量和化学成分的交换化学成分的交换。 v物理性质物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。 v化学性质化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。 v水水是岩石中元素迁移、分散与富集的是岩石中元素迁移、分散与富集的载体载体。研究许多地质作用。研究许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。时都不能不涉及地下水的化学作用。 v不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要

3、求 （如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等）（如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等） v研究地下水的研究地下水的化学成分与作用化学成分与作用必须与地下水的必须与地下水的流动条件流动条件结合结合 Company L6.1 一、一、地下水中常见的气体成分地下水中常见的气体成分 v 氧（氧（O2）、氮（）、氮（N2）、二氧化碳（）、二氧化碳（CO2） 硫化氢（硫化氢（H2S）、甲烷（）、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常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关 二、二、地下水中主要离子成分地下水中主要离子成分 v 地下水中含量多的有七种离子地下

4、水中含量多的有七种离子 n阴离子：阴离子： HCO-3 ， SO2-4 ， Cl- n阳离子：阳离子： Ca2+, Mg2+, K+, Na+ Company L6.1.1地下水中常见的气体成分地下水中常见的气体成分 1、氧（、氧（oxygen, O2）、氮（）、氮（nitrogen, N2） v 起源起源：大气圈随降水入渗进入含水层中，如富含：大气圈随降水入渗进入含水层中，如富含O2与与N2 说明地下水是大气起源的，说明地下水是大气起源的，氮氮还有生物起源与变质起源还有生物起源与变质起源 v 环境环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起，指示水是大

5、气起源且处于封闭环境源且处于封闭环境 2、硫化氢（硫化氢（H2S）、甲烷（）、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生物化学过程物化学过程中形成。还原环境下：中形成。还原环境下： vSO2-4 H2S，成煤过程，煤田水，成煤过程，煤田水 成油过程，油气藏，油田水成油过程，油气藏，油田水Company L6.1.13、二氧化碳（二氧化碳（CO2） 大气降水中的大气降水中的CO2含量较低，地下水中含量较低，地下水中CO2主要主要源于源于 v土壤层（土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植

6、物入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生呼吸作用产生 v碳酸盐岩地层：碳酸盐岩地层：在深部高温下，也可变质生成在深部高温下，也可变质生成CO2 v人类活动：人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的的CO2增加，（增加，（增长增长20%） 地下水中地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶风化溶解能力愈强！解能力愈强！Company L地下水中气体成分的地下水中气体成分的意义意义： v 气体成分气体成分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 氧化环境氧化环境oxi

7、dation 还原环境还原环境deoxidation v 气体成分气体成分可以增加水对盐类的溶解能力可以增加水对盐类的溶解能力 促进水促进水岩的化学反应，相互作用岩的化学反应，相互作用 6.1.1Company L6.1.2地下水中的主要离子成分地下水中的主要离子成分 v水中离子成分主要取决于：水中离子成分主要取决于： 元素的丰度元素的丰度（克拉克值（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的重量：某元素在地壳化学成分中的重量百分比；百分比； 元素组成的化合物在水中的溶解度元素组成的化合物在水中的溶解度 v地壳中主要元素有哪些？地壳中主要元素有哪些？ 地壳中丰度较高的元素：地壳中丰度较高的元素：Si

8、、Al、Fe （地下水中低）（地下水中低） 地壳中丰度较低的元素：地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C （地下水中高）（地下水中高） v地下水中地下水中主要离子主要离子有：有： Anion 阴离子：阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl- Cation 阳离子：阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+ Company L6.1.2这与主要离子构成的盐类溶解度有关这与主要离子构成的盐类溶解度有关（参见（参见52页表页表6-1）： 碳酸盐类碳酸盐类 硫酸盐类硫酸盐类 氯化物氯化物 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）或或矿化度矿化度

9、有关：有关： v 矿化度矿化度(g/L) : 低低(Fe3+Al3+Cl-Mg2+K+Na+ Company L 六、混合作用六、混合作用结果不一定！结果不一定！ 成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与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，这便是混合作用。原来两者都不相同的地下水，这便是混合作用。 混合作用的结果，可能发生化学反应而形成化学混合作用的结果，可能发生化学反应而形成化学类型完全不同的地下水。类型完全不同的地下水。 两种水的混合也可能不产生明显的化学反应。两种水的混合也可能不产生明显的化学反应。例如当高矿化的氯化钠型海水混入低矿化的重碳例如当高矿化的

10、氯化钠型海水混入低矿化的重碳酸钙镁型地下水中，基本上不产生化学反应。这酸钙镁型地下水中，基本上不产生化学反应。这种情况下，混合水的矿化度与化学类型取决于参种情况下，混合水的矿化度与化学类型取决于参与混合的两种水的成分及其混合比例。与混合的两种水的成分及其混合比例。Company L 七、人为活动的作用（影响）七、人为活动的作用（影响） （1）工业生产的废气、废水与废渣以及农业上）工业生产的废气、废水与废渣以及农业上大量使用化肥农药，使天然地下水富集了原来含大量使用化肥农药，使天然地下水富集了原来含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、铬、亚量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、铬、亚硝酸等；硝酸等

11、； （2）滨海地区过量开采地下水引起海水入侵；）滨海地区过量开采地下水引起海水入侵； （3）不合理的打井采水使咸水运移；）不合理的打井采水使咸水运移； （4）干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，）干旱半干旱地区不合理地引入地表水灌溉，引起大面积次生盐渍化等；引起大面积次生盐渍化等；Company L一、地下水化学成分的分析内容一、地下水化学成分的分析内容是水质评价基础是水质评价基础 v分为分为简分析简分析和和全分析全分析，某些专门性工作进行，某些专门性工作进行专项分析专项分析。 简分析简分析：除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬浮物等）：除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬浮物等） v主要定量分

12、析：主要定量分析： HCO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、 总硬度、总硬度、pH, Mg2+、 K+Na+ 及及 矿化度矿化度 v有时含专项分析：有时含专项分析： NO-3，NO-2 ，NH4，Fe2+ Fe3+，H2S，耗氧量等耗氧量等 Company L一、地下水化学成分的分析内容一、地下水化学成分的分析内容 全分析全分析项目较多，要求精度高，通常在简分析得基础上选项目较多，要求精度高，通常在简分析得基础上选择代表性水样进行全分析择代表性水样进行全分析 v 一般定量分析一般定量分析：HCO-3,SO2-4,Cl-，Ca2+, Mg2+, K+, Na+， NO-3，NO-2 ，NH4，

13、Fe2+ Fe3+，H2S，CO2, 耗氧量，耗氧量，总总硬度，硬度，pH, 及干涸残余物；某些及干涸残余物；某些微量元素、有毒微量元素、有毒组分；组分；研究水的侵蚀性时需分水的研究水的侵蚀性时需分水的侵蚀性侵蚀性CO2。全国地下水污染防治规划全国地下水污染防治规划调查指标调查指标Company L全国地下水污染防治规划全国地下水污染防治规划调查指标调查指标（1） 感官指标感官指标：肉眼可见物、颜色、嗅、味、透明度、：肉眼可见物、颜色、嗅、味、透明度、浑浊度、色度、水温等。浑浊度、色度、水温等。 常规组分常规组分：pH值、游离二氧化碳、值、游离二氧化碳、Cl-、SO4-、HCO3-、CO32-

14、、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。、可溶性二氧化硅、总硬度、矿化度等。 重金属组分重金属组分：Hg、Cu、Pb、As、Cd、Mn、Zn、Ni、Co、Cr6+、总、总Cr、V、W、Sr、Ba、U、Ra、Se、Al3+等。等。Company L全国地下水污染防治规划全国地下水污染防治规划调查指标调查指标（2） 有机污染组分有机污染组分：三氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、二氯：三氯甲烷、四氯化碳、三溴甲烷、二氯甲烷、甲烷、1，2-二氯乙烷、环氧氯丙烷、氯乙烯、二氯乙烷、环氧氯丙烷

15、、氯乙烯、1，1-二二氯乙烯、氯乙烯、1，2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、氯丁二氯乙烯、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、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、三氯乙醛、苯、乙苯、二甲苯、异丙苯、氯苯、1，2-二氯苯、二氯苯、1，4-二氯苯、三氯苯、四氯苯、六氯苯、硝二氯苯、三氯苯、四氯苯、六氯苯、硝基苯、二硝基苯、基苯、二硝基苯、2，4-二硝基甲苯、二硝基甲苯、2，4，6-三硝基三硝基甲苯、硝基氯苯、甲苯、硝基氯苯、2，4-二硝基氯苯、二硝基氯苯、2，4-二氯苯酚、二氯苯酚、2，4，6-三氯苯酚、五氯酚、

16、苯胺、联苯胺。三氯苯酚、五氯酚、苯胺、联苯胺。DDT、六六六（总量）、林丹（六六六（总量）、林丹（-六六六）、六六六）、2，4-滴、七氯、滴、七氯、呋喃丹、敌敌畏（含敌百虫）。呋喃丹、敌敌畏（含敌百虫）。 生物学指标生物学指标：总大肠菌群、菌落总数。：总大肠菌群、菌落总数。Company L矿化度或总固体溶解物矿化度或总固体溶解物 (TDS）v地下水中各种离子、分子与化合物的总量称为地下水中各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度矿化度 v 求算方法求算方法： 105110温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位：位：g/L, mg/L (ppm) 计算中，用全

17、分析实验结果，阴阳离子总和减计算中，用全分析实验结果，阴阳离子总和减 1/2 HCO-3含量求算含量求算 v 据矿化度的水样据矿化度的水样分类分类： 50g/L50g/L, 50g/L 淡水淡水 微咸水微咸水 咸水咸水 盐水盐水 卤水卤水矿化度或总固体溶解物矿化度或总固体溶解物 (TDS）（total dissolved solids， total dissolved salt)Company L水化学成分的表示方法水化学成分的表示方法库尔洛夫式库尔洛夫式v 分式前：分式前：特殊成分、气体成分、矿化度特殊成分、气体成分、矿化度 M ，单位，单位 (g/L) v 分式上下分式上下：阴、阳离子（毫

18、克当量百分数阴、阳离子（毫克当量百分数10% 或称或称 视毫摩尔百分数）视毫摩尔百分数） v 分式后分式后：水温（水温（oC) v 特点特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类型（常用方法）型（常用方法） 05227.871.6414853.220.03130.072CaNaSOClMCOSiOHt库尔洛夫式库尔洛夫式:Company L水化学成分水化学成分含量含量(mg/L)水化学成分水化学成分含量含量(mg/L)Na+58.5Cl-3.2K+SO42-18.7Ca2+95.2HCO3-616.3Mg2+42.4游离游离CO25.0Fe2+

19、0.20H2SiO33.0Fe3+0.60pH7.4温度温度/15Company L水化学成分含量(mg/L)毫克当量(meq/L)毫克当量百分数水化学成分含量(mg/L)毫克当量(meq/L)毫克当量百分数Na+58.52.5423.54Cl-3.20.090.85K+SO42-18.70.393.68Ca2+95.24.7644.11HCO3-616.310.1095.49Mg2+42.43.4932.3410.7910.58Company L%5%94. 0%10058.1079.1058.1079.10%100CiAiCiAiE在简分析的误差范围内Company L154 . 75 .

20、233 .320 .4435 .95527. 02005. 03003. 02TpHNaMgCaHCOMCOSiOHNaMgCaHCO3LmgMgCaHCaCO/5 .412100*)2440(3所以该水为灰岩地区型水灰岩地区型水（4）总硬度为Company L舒夫卡列分类舒夫卡列分类前苏联学者前苏联学者C.A. 提出来的提出来的: v方式：方式：将地下水中主要七种离子合并为将地下水中主要七种离子合并为6种，取含量（毫克当种，取含量（毫克当量百分数，或视毫摩尔百分含量）量百分数，或视毫摩尔百分含量）25%的离子的离子，组合定名。，组合定名。 v阴、阳离子阴、阳离子25%的出现情况各有的出现情况各有7种（种（7种组合）