第7讲--地下水的物理性质、化学成分及其形成作用

LOGO地下水的物理性质及化学成份地下水的化学成份地下水化学成份的形成地下水化学成分的分析与资整理地下水化学成分的分类本章内容LOGO§1地下水的化学成份一般情况下,随着总矿化度(总溶解固体）的变化,地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化，即：低矿化水中以HC03-、Ca2+、Mg2+为主;高矿化水以Cl-、Na+为主;中等矿化水中,阴离子常以S042-为主,主要阳离子为Na+、Ca2+。地下水的矿化度与离子成分间之所具有这种对应关系,主要原因是水中盐类的溶解度不同（表1）盐类溶解度盐类溶解度盐类溶解度NaClKClMgCl2CaCl2350290558.1（18℃）731.9（18℃）Na2SO4MgSO4CaSO4502701.9Na2CO3MgCO3193.9（18℃）0.1总的规律：氯盐的溶解度硫酸盐碳酸盐矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主的原因：钙的硫酸盐,特别是钙、镁的碳酸盐,溶解度最小;随着矿化度增大,钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出,继续增大时,钙的硫酸盐也饱和析出,因此,高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势（由于氯化钙的溶解度更大,故在矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主）。1、迁移性能Cl-具有很强的迁移性能，其原因有三个方面：（1）不形成难溶化合物（2）不被胶体所吸附（3）不被生物所吸附2、分布规律氯离子在地下水中广泛分布,但低矿化水中一般含量仅mg/L,高矿化水中可达g/L以上。地下水中的Cl-含量随地下水矿化度的增高而增高。在高矿化度水中，占阴离子首位，形成氯化物水。一、离子成份——氯离子（Cl-）3地下水中Cl-的主要来源:①沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解;②岩浆岩中含氯矿物方腊石[NaAlSiO4·NaCl]、氯磷灰石[Ca5(PO4)3C1]的风化溶解;③海水;④火山喷发物的溶滤;⑤人为污染:工业、生活污水及粪便中含有大量Cl-。一、离子成份-硫酸根（SO42-）1、迁移性能迁移性能较强，仅次于Cl-，其迁移性能受下列四个因素控制：（1）水中SO42-易与Ca2+、Ba2+、Sr2+等离子形成难溶盐。（2）热带潮湿地区土壤中的Fe(OH)2-、Al(OH)22+胶体可以吸附SO42-。（3）易被生物吸收，硫是蛋白质的组成部分。（4）脱硫酸作用：在缺氧、有脱硫酸菌存在的情况下，SO42-被还原成H2S等的过程。SHHCOOHCSO22243222脱硫酸细菌（有机质）一、离子成份-硫酸根（SO42-）2、分布规律（1）SO42-含量随地下水矿化度增高而增加，但增加速度明显落后于Cl-。在中等矿化度水中，常成为含量最多的阴离子。（2）在某些特殊情况下，地下水中含量可达到很高，例如硫化矿氧化带中的矿坑水，石膏层地下水。3、来源（1）石膏、硬石膏及含硫酸盐的沉积物（2）硫化物及天然硫的氧化（3）火山喷发物中硫的氧化（4）大气降水中的SO42-（5）有机物的分解（6）生活、工业、农业废水（7）燃烧给大气人为产生的SO42-与氮氧化合物，构成富含硫酸及硝酸的降水（酸雨）,使地下水中SO42-增加。244222242272SOHFeSOOHOFeS242224232SOHOHOS1、分布规律HCO3—在低矿化度水中主导地位，在阴离子中占首位。在某些含CO2的水中，HCO3—含量可达1000mg/L以上。例如横迳（赣南）温泉水中HCO3—含量高达2253mg/L，强碱、强酸水中，HCO3—极少见。天然水中CO32—含量一般很低，但在苏打水中可达到很高。一、离子成份——HCO3-和CO32-2来源①大气中CO2的溶解；②各种碳酸盐类及胶结物的溶解和溶滤；③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。例如：钠长石322233222322HCOMgOHCOMgCOHCOCaOHCOCaCO26222322161624222SiOOSiAlHHCONaOHCOOSiNaAl一、离子成份——HCO3-和CO32-钠是地下水中分布最广的阳离子，在高含盐量的地下水中钠是主要离子。含量：低矿化水中含量一般很低,仅mg/L;高矿化水中含量最高可达g/L。来源：沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；海水；岩浆岩和变质岩区含钠矿物的风化溶解。酸性岩浆岩中有大量含钠矿物，如钠长石，因此，在二氧化碳和水的参与下同，将形成低矿化的钠离子及重碳酸根离子为主的地下水。。一、离子成份——钠离子（Na+）:钾在壳中的含量及其地下水中的分布与钠相近，在地下水中含量少，在水化学分析中，与归到钠中。钾离子的来源：含钾盐类沉积岩的溶解；岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。一、离子成份——钾离子（K+）：含量：低矿化水中的主要阳离子,其含量一般为mg/L。高矿化水中,Ca2+的含量显著增大,但仍远低于Na+。矿化度格外高的水,钙也可成为主要离子。来源：碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。一、离子成份——钙离子（Ca2+）:来源：沉积岩：含镁的碳酸盐类沉积(白云岩、泥灰岩）；岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。含量：低矿化水中含量通常较Ca2+少,通常不成为地下水中的主要离子,部分原因是由于地壳组成中Mg比Ca少。并且容易被植物摄取和土颗粒吸附。一、离子成份——镁离子（Mg2+）：4332242)(22)(OHSiFeCOMgCOCOOHSiOFeMg322232HCOMgCOOHMgCO二、地下水中的其它成分胶体成分①硅酸弱酸，离解程度很小。在水中的含量一般每升十分之几毫克，少数达几毫克；但在碱性热水中，可达到100mg/L。南方多雨潮湿的结晶岩地区，在一些低矿化度水中富集了硅酸盐型水。粘土矿物即是硅铝酸化合物胶体，最简单的形式如Al2O3·2SiO2·2H2O，硅铝酸阴离子使粘土胶体离子带有负电荷，是吸附阳离子的主要原因。二、地下水中的其它成分胶体成分②氢氧化铁在还原环境中，地下水中的铁通常以低价Fe2+出现，亚铁离子在水中是不稳定的，极易氧化成氢氧化铁析出：3222)(4634OHFeOHOFe胶体氢氧化铁在地壳中分布很广，也是铁在天然水中存在的主要形式之一。③氢氧化铝氢氧化铝胶体主要由铝硅酸盐风化分解而来，但很不稳定，容易形成水矾土、叶腊石等次生矿物，氢氧化铝在地下水中含量不高。二、地下水中的其它成分有机质地下水中的有机质大部分由腐殖质组成，它是有机质经微生物分解后再合成的一种褐色或黑褐色的胶体物质。沼泽地区的地下水，有机质含量高，呈酸性，油田水中的有机质含量最高达n×10-3。大气降水和海洋水中有机质含量最少，其他地下水中含量只有n×10-5。地下水中有机质主要来源是土壤或岩石石油天然气的溶解，细菌或生物的作用，沿海盐水的入侵等。此外工业废水、石油、天然气、煤等矿产开发，农业灌溉以及城市污染等也能形成有机质。二、地下水中的其它成分细菌成分地下水中的细菌成分来自生活污水、生物制品、造纸等各种工业废水，污染地下水。水的细菌分析结果一般用细菌总数（每升水）、菌度（含有一条大肠杆菌的水的毫升数）和检定量（1L水中大肠杆菌的含量）表示。我国规定1mL饮用水中细菌总数不得超过100个，1L水中大肠杆菌不得超过3个。地下水卫生状况按菌度划分表水的名称菌度/mL卫生的水＞300比较卫生的水＞100不可靠的水＞10不卫生的水＞1极不卫生的水＞0.1二、地下水中的其它成分地下水中的次要离子：如H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、OH-、NO2-、NH4+……。地下水中的微量组分：Br、I、F、B、Sr等。有机质：常以胶体方式存在于地下水中。微生物：地下水中存在各种微生物。例如,氧化环境中存在硫细菌、铁细菌、硝化细菌等;还原环境存在脱硫酸细菌等;污染水中有各种致病细菌。三、天然水化学成分的综合指标水样分析中，除了测定单个组分的含量外，得还要测定一些综合指标，或者根据单项的水分析结果求得某些综合指示的计算值。一、第一组指标主要体现水的质量：包括总溶解固体、含盐量（度）、硬度等。3.4天然水化学成分的综合指标1、总溶解固体（TDS，Totaldissolvedsolid）（1）定义：指水中各溶解组分的总量，它包括溶于水中的离子、分子及络合物，但不包括悬浮物和溶解气体。（2)测定方法与单位：通常以105℃-110℃下，水蒸干后留下的干涸残余物的重量来表示，其单位为mg/L或g/L，记为“TDS”。（3)计算方法：溶解组分（溶解气体除外）总和减去1/2的HCO-3，因为水样蒸干过程中，约有一半（0.49）的HCO-3变成气体跑掉：2HCO-3=CO2-3+H2O+CO2↑（4）根据总溶解固体将地下水分为淡水、微咸水、咸水、盐水和卤水五类。3.4天然水化学成分的综合指标（4）TDS的实测值与计算值的差别：除HCO-3外，硝酸、硼酸、有机酸等也可能损失一部分，同时，可能结晶水（石膏CaSO4•H2O）和部分吸附水留在干涸残余物里。因此，TDS的实测值与计算值存在微小差别。（5）矿化度与TDS关系：矿化度的术语，其含义与TDS相同，这是从前苏联引入的，在国际文献中一般只用TDS，而没有使用矿化度术语，目前我国也开始使用“TDS“代替矿化度。3.4天然水化学成分的综合指标2、含盐量与含盐度（1)含盐量：指水中各溶解组分的总量，其单位以mg/L或g/L表示，这个指标是计算值，它与TDS的差别在于无需减去1/2HCO-3。（2)含盐度：在海洋研究中，常用含盐度代替含盐量。指海水中所有溶解组分的重量占水重量的千分数，以‰表示。天然水化学成分的综合指标3、硬度（1）定义：硬度是以水中Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+等碱土金属离子的总和来量度，但是除Ca2+、Mg2+外，其它金属离子在水中含量都很微少。因此，硬度一般以水中的Ca2+和Mg2+来量度。（2）计算方法：Ca2+和Mg2+的毫克当量总数乘以50，以CaCO3表示，其单位是mg/L。天然水化学成分的综合指标（4）硬度依据水中生成的盐类不同又分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。①总硬度：指水中所含Ca2+、Mg2+的总量。它是碳酸盐硬度和非碳酸盐度的总和。②暂时硬度（碳酸盐硬度）：指水中Ca2+、Mg2+与HC03-和C032-离子结合的硬度。水煮沸时，与CO32-和HCO-3结合的那部分Ca2+和Mg2+，由于产生MgCO3和CaCO3沉淀而被除去，所以也叫暂时硬度。以CO32-和HCO-3毫克当量数总和乘以50得到，如所得数值大于总硬度，其差值为负硬度。③永久硬度：（非碳酸盐硬度）：指水中Ca2+、Mg2+与Cl-和S042-离子结合的硬度。非碳酸盐是指与Cl-、SO2-4和NO-3结合的Ca2+和Mg2+，水煮沸后不能除去，所以也叫永久硬度。一般规定，生活用水的总硬度不得超过25度。一般饮用水的适宜硬度以10度-20度为宜。3.4天然水化学成分的综合指标二、第二组指标主要表征水体环境状态：包括化学需氧量、生化需氧量、总有机碳及氧化还原电位。1、化学需氧量（COD，ChemicalOxygenDemand）（1）定义：用化学氧化剂氧化水中能被氧化的有机污染物时所需的氧量。COD越高，表示有机污染物质越多，是反映水体中有机污染程度的综合指标之一。3.4天然水化学成分的综合指标1、化学需氧量（COD，ChemicalOxygenDemand）（2）测定方法与单位：目前常用KMnO4、KCr2O7和KIO3三种氧化剂测定水中COD的，以mg/L表示。由于这三种氧化剂能力不同，所以其测定结果不同。为了区分分析结果，使用COD值时，应注明分析方法。KMnO4法标注为：CODMn而KCr2O7法标注为：CODcr。显然CODMnCODcr。3.4天然水化学成分的综合指标2、生物化学需氧量（BOD，BiochemicalOxygenDemand）（1）定义：指用微生物降解水中需氧有机污染物所消耗的氧量。