0417-第四章 地下水的物理性质和化学成分

第四章地下水的物理性质和化学成分4.1地下水的物理性质地下水的物理性质、化学成分特征是地下水与环境（自然地理、地质背景及人类活动）长期作用的结果。地下水的化学性质为认识和了解地下水形成的地质历史条件和过程提供依据地下水在岩石的孔隙、裂隙或溶洞中储存和运动时，溶滤和溶解着岩石的可溶成份，使地下水变成了含有各种矿物质的天然溶液，而且随着运动环境和运动过程的变化，地下水的化学成分也不断地更迭着4.1地下水的物理性质物理性质•温度主要受气温和地温的影响，尤其是地温地下水的温度一般和它所在地区的地温状况是相适应的变温带：有年变化，上部(地表以下1-3m)的地下水温度有昼夜变化，且落后于气温的变化时间常温带：气温影响趋于零的深度，地下水温度与地温相同，很接近当地多年平均气温增温带：随着深度而有规律地增加，计算方法：𝑇𝐻=𝑇𝐵+𝐻−ℎ𝐺式中，TB-所在地区年常温带的温度，℃H-地下水所处的深度，mh-年常温带深度，mG-所在地区的地热层温级，m/℃（通常为33m/℃）物理性质•颜色一般是无色的，当含有过量的某些离子成分或悬浮物和胶体物质时，会呈现各种颜色•透明度一般是透明的，当含有大量有机物、固体矿物质及胶体悬浮物时，呈浑浊现象•味淡而无味的，水味源自其中的盐分及气体•气味无气味，一般低温下不易辨别，40℃气味显著•导电性取决与水中所含电解质的数量与性质(各种离子的含量与离子价)•放射性决定于所含放射性元素的数量4.1地下水的化学成分地下水中常见的化学成分地下水中含有各种气体、离子、胶体物质以及有机物质。自然界中存在的元素，绝大多数已在地下水中发现，但是只有少数是含量较多的常见元素。这些常见元素，或者是地壳中含量较高，且在水中有一定溶解度的，如O2、Ca、Mg、Na、K等，或者是地壳中含量并不很大，但是溶解度相当大的，如Cl。某些元素如Si、Fe等，虽然在地壳中含量很大，但由于其溶于水的能力很弱，在地下水中的含量一般并不高地下水中常见的化学成分1.地下水中的气体成分(1)氧气(O2)和氮气(N2)地下水中的氧气和氮气主要来源于大气O2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进行。O2的化学性质远较N2为活泼，所以在较封闭的环境中，O2将耗尽而只留下N2。因此，N2的单独存在，通常可说明地下水起源于大气并处于还原环境空气中的惰性气体(Ar、Kr、Xe)与N2的比例恒定，即0.0118。若(Ar、Kr、Xe)/N2=0.0118，说明N2是大气起源的；若0.0118，则表明水中含有生物起源或变质起源的N2地下水中常见的化学成分(2)硫化氢(H2S)处于还原环境，一般存在于封闭地质构造的地下水中，特别是油田水中(SO42-将被微生物还原成H2S)(3)甲烷(CH4)一般存在于封闭地质构造的地下水中，特别是油田水中(4)二氧化碳(CO2)地下水中的二氧化碳主要有两个来源：一种由有机物的氧化(植物的呼吸作用及有机质残骸的发酵作用)形成。这种作用发生于大气、土壤及地表水中，生成后随同水一起入渗补给地下水，浅部地下水中的主要是这种成因的；另一种是深部变质造成的。含碳酸盐类的岩石，在深部高温影响下，分解生成CO2，即：地下水中常见的化学成分2.地下水中的离子及分子成分地下水中常见的化学成分2.地下水中的离子及分子成分(1)氯离子(Cl-)几乎存在于所有地下水中，且含量一般较大，是水中含盐量多寡的标志H+、Na+、K+、NH4+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+HO-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-及PO43-地下水中常见的化学成分2.地下水中的离子及分子成分(1)氯离子(Cl-)地下水中常见的化学成分(2)硫酸根离子(SO42-)总含量仅次于Cl-的阴离子地下水中常见的化学成分(3)重碳酸根离子(HCO3-)含量一般不超过1g/L。通常以HCO3-为主要成为的地下水含盐量较少，一般均为淡水地下水中常见的化学成分(4)钠离子(Na+)&钾离子(K+)一般在研究地下水化学成分时，将二者归并，不加区别K+的来源与Na+相近，主要来自于钾盐的溶解、以及岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解地下水中常见的化学成分(5)钙离子(Ca2+)分布很广，含量不高，是低盐量地下水的主要阳离子(6)镁离(Mg2+)泥石地下水化学成分的性质•总含盐量与总溶解固体(TDS)总含盐量：存在于地下水中的离子、分子和微粒(不包括气体)之总含量总溶解固体(TDS)：通常在105-110℃温度下将水样蒸干后所得干涸残余物的总量TDS≈总含盐量-1/2HCO3-TDS是反映地下水化学成分的主要指标：TDS含量低的淡水以HCO3-为主要成分；TDS含量中等的盐质水常以SO42-为主要成分；TDS含量高的盐水和卤水常以Cl-为主要成分地下水化学成分的性质•氢离子浓度地下水的酸性和碱性的程度，取决于水中氢离子的浓度大小大多数地下水的pH值在6.5-8.5之间，北方地区多为pH=7-8的弱碱水地下水化学成分的性质•硬度总硬度：地下水中所有Ca2+、Mg2+离子的总含量暂时硬度：将水加热至沸腾周，由于形成碳酸盐沉淀而失去的那一部分Ca2+、Mg2+的数量，其反应为：永久硬度：水沸腾后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量永久硬度=总硬度-暂时硬度地下水化学成分的性质•硬度表示方法最常用的是mmol/L、mg/L(以CaCO3计)、度1德国度(H°)=10mg(CaO)or7.2mg(MgO)/L=7.1mg(Ca2+)or4.3mg(Mg2+)/L硬度1mmol/L=100mg/L(以CaCO3计)硬度1度=17.9mg/L(以CaCO3计)地下水化学成分的性质•侵蚀性二氧化碳(C02)当碳酸盐遇到含有CO2的水时，则存在于地下水中维持这一平衡关系的CO2的含量称为平衡CO2。这部分游离的、将消耗溶解碳酸盐的CO2成为侵蚀性CO2，它能溶解混凝土中的CaCO3使混凝土的结构遭到破坏地下水的化学成分分析与按化学成分分类•地下水的化学成分分析与表示1.地下水的化学成分分析根据目的和要求不同，地下水化学成分分析内容亦不相同，当为饮用水源勘察时，应根据国家饮用水水质标准(GB5749-2006)简分析：包括定量分析Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、pH值、游离CO2、硬度、K+、Na+含量和总溶解固体全分析：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Fe2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、NO2-、NO3-、pH值、游离CO2、侵蚀性CO2、耗氧量、H2S、H2SiO3、干涸残余物，另外计算总硬度、永久硬度及暂时硬度地下水的化学成分分析与按化学成分分类2.化学成分分表示方法(1)单位体积组分质量数表示为1L水中含某化学组分的毫克(or克、微克)数，单位mg/L、g/L、μg/L(2)以毫克当量数表示1L水中某离子的毫克当量数=1L水中该离子的毫克数/该离子的当量该离子的当量，即该离子的化学结构式量毫克当量百分数表示：1L水中某离子毫克当量数占阴、阳离子毫克当量总数的百分数地下水的化学成分分析与按化学成分分类(3)以分式表示(库尔洛夫式)分式前：特殊成分、气体成分、矿化度M，g/L分式上下：阴阳离子(毫克当量百分数≥10%)分式后：水温，℃地下水的化学成分分析与按化学成分分类•地下水按化学成分分类大多利用主要阴、阳离子之间的对比关系进行划分。其中皮帕尔图解法对于地下水成分的分类和水质演变规律的分析十分有效，在水-岩作用研究方面仍在应用Piper三线图解由两个三角形和一个菱形组成，以六种阴、阳离子(HCO3-、SO42-、Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+)4.3地下水化学成分的形成与演变地下水在运动过程中的各种作用•溶滤作用指岩石中的某些可溶部分被溶解转入地下水中而成为溶液的作用地下水在运动过程中的各种作用•影响因素：(1)岩土性质矿物组成：如石灰岩HCO3-Ca水、花岗岩HCO3-Ca水矿物组成的可溶性(溶解度、溶解速度)：组分溶解度的差异导致易溶先进入水中，难溶后进水中空隙特征：缺乏裂隙的致密岩基，水难于与矿物盐类接触，因此溶滤作用难以发育(2)水性质水的溶解能力(TDS、O2、CO2气体组分，水流动性)水中已溶组分的多少——水中盐分含量增高，溶解能力降低水中某些气体组分——O2增加硫化物的的溶解能力，CO2增加碳酸盐及硅酸盐类的溶解水交替强度——越大，溶解能力越大，反之越小地下水在运动过程中的各种作用•浓缩作用由于水分的不断蒸发(当埋藏较浅时)，地下水中的含盐量便会相对地增加，这种作用即为浓缩作用地下水在运动过程中的各种作用•脱硫酸作用在还原环境中，有有机质存在时，脱硫酸细菌使SO42-还原成H2S，引起水质变化的过程地下水中SO42-减少甚至消失，2HCO3-增加；H2S增加；pH值升高，是寻找油田的辅助标志•脱碳酸作用由于水的温度增加或压力下降，溶于水的CO2逸出，从而引起水质的变化地下水在运动过程中的各种作用•离子交换与吸附作用指岩土颗粒表面因静电作用而吸附的阳离子在一定条件下部分转入水中，而书中的某些阳离子转入吸附到岩土颗粒表面的过程影响因素：(1)阳离子本身吸附能力的大小水中吸附能力大小的阳离子可以交替岩土颗粒表面吸附能力小的阳离子。阳离子吸附能力由大到小的顺序：地下水在运动过程中的各种作用(2)水中阳离子的浓度水中某种阳离子浓度越大，则其交替吸附能力就越强，甚至可以发生吸附能力小的交替岩土颗粒表面吸附能力大的阳离子例如，海水入侵大陆时可以发生如下反应(3)岩土本身吸附能力的大小主要取决于其比表面积，比表面积越大，则岩土本身吸附能力越大，交替吸附能力越强；反之，交替吸附能力越弱4.4不同环境地下水化学特征与人类生存的关系•第一类环境地质问题(原生环境地质问题)：在天然状态下，水中存在的有害物质或缺乏某些人类所必需的物质问题•第二类环境地质问题(次生环境地质问题)：由于人为污染造成的水中有害物质地下水化学成分天然分布不均匀对人体的影响•粗脖子病(甲状腺肿)饮用水中缺碘是甲状腺肿病的主要原因•大骨节病与克山病饮用水中含过量低分子的腐殖酸(-OH)很可能是大骨节病和可伤病的致病因子地下水化学成分天然分布不均匀对人体的影响•慢性氟中毒人体缺氟胡引起龋齿病，我国饮用水标准规定氟含量适宜浓度为0.5-1.0mg/L地下水污染及其与人类生存关系对我国近50个大中城市供水水源的统计表明，以地下水为主要供水水源的城市约占1/3，另有1/3的城市利用地下水和地表水联合供水我国地下水污染也是严重的，直接影响人体健康，严重地威胁人类生存本章完