第4章地下水的物理性质和化学成分资料
第4章 地下水的物理性质和化学成分
继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中→随水带走，贫SO42-盐类
持续,（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。 因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征：
① 要从地质历史发展的眼光（角度）来理解—它是地质历史长期作 用的结果
② 地下水是不断运动的—溶解的组分会被带去（岩土组分变化）前 期溶滤作用—溶滤什么组分，水中获得相应组分 后期溶滤作用—长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水 要用地质历史的观点去考察，去分析与研究问题！！
二、浓缩作用： 地下水因蒸发失去水分，造成盐类积累浓缩的作用
理想的蒸发浓缩模式：
18℃时 pH＝6.52+lg[HCO3-]- lg[CO2] 25℃时 pH＝6.37+lg[HCO3-]- lg[CO2] 式中：6.52、6.37分别是18℃、25℃时碳酸一级电离常 数的负对数。
二、氧化、还原电位Eh
——氧化剂与还原剂之间的电位差，单位V。
原子或离子失去电子（即电价升高）为氧化（还原剂），得到电 子（即电价降低）为还原（氧化剂）。
第二节 地下水的化学成分
地下水不是纯的H2O，而是成分复杂天然溶液。 水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。 在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着 水量和化学成分的交换。 化学成分：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。
地下水化学成分研究的意义
理论上：揭示地下水的形成和起源 地下水的化学成分是地下水与环境（自然地理、地质背景 以及人类活动）长期相互作用的产物。一个地区地下水的 化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。 研究地下水的化学成分，可以回溯一个地区的水文地质历 史，阐明地下水的起源与形成。
• 饱和度、温度（图4-9）、PH值、侵蚀性
工程建筑中地下水危害及防治
工程建筑中地下水危害及防治工程建筑中地下水危害及防治摘要：地下水是很重要的水资源，对人类的水源提供具有很重要的意义，然而在工程建设中，由于地下水的特殊性和其化学成分，对钢筋混泥土具有很大的侵蚀性，对工程建筑有极大的作用和影响。
本文有针对性地提出了勘测、设计，施工等各阶段防治地下水的相关措施，以便有效地防范由地下水引发的工程事故。
关键词：地下水；化学分析；侵蚀性；工程建筑；防治一，地下水性质及对工程建筑的危害1地下水的物理性质由于地下水在运动过程中与各种岩土体相互作用，而岩土中的可溶性物质(很多是矿物)随水迁移、聚集，使地下水成为一种复杂的溶液，这种复杂的地下水溶液通常具有温度、颜色、透明度、气味、味道和导电性等等的物理性质。
2地下水的化学成分第一，地下水中常见的气体有：O2、N2、H2S、CO2等，地下水中气体分子能够很好地反映地球化学环境。
第二，地下水中含有的离子有：地下水中含量最多、分布最广的离子有七种，即：Cl-、SO2-4、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。
第三，地下水中的化合物有：Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等。
3地下水的主要化学性质由于地下水具有如上的物理性质和化学成分，因此在地下水中通常具有如下的化学性质：第一，地下水的矿化度。
水中所含离子、分子及化合物的总量称为水的总矿化度，低矿化度的水中常以含有HCO3-为主，中等矿化度水常以含有SO2-4为主；高矿化度的水常以含有Cl-为主。
高矿化度的水能降低水泥混凝土的强度，腐蚀钢筋等等。
第二，地下水的酸碱度。
地下水的酸碱度用水的PH值来表示，常温常压下当PH值小于5时，水为强酸性水；PH值在5—7之间为弱酸性水，PH值为7时，为中性的水；PH值在7—9之间时为弱碱性水；PH值大于9时为强碱性水。
第三，地下水的硬度。
通常情况下水的硬度按水中的Ca2+、Mg2+离子的含量的多少可以分为以下三种情况：(1)总硬度，它是指水在未被煮沸时Ca2+、Mg2+离子的总含量。
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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
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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
第四章 地下水的物理性质 和化学成分
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4.1 地下水的物理性质
2
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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
(6) 镁离(Mg2+)
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泥石
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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-1/2HCO3TDS是反映地下水化学成分的主要指标：TDS含量低的 淡S要O水成42-为以分主HC要O3成-为分主；要T成DS分含；量T高DS的含盐量水中和等卤的水盐常质以水C常l-为以主
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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
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3.1.2 颜色
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 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 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。
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3.1.3 透明度
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变温带、年常 温带和增温带。
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变温带：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；
常温带：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 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5～10米，中纬度 地区为10～20米；
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3.2 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
态存在。
3.2.1 地下水中常见的化学成分
1.气体
地下水中溶解的气体主要有CO2、O2、N2、CH4、 H2S，还有少量的惰性气体和H2、CO 等。
（1）O2、N2（来源：大气） O2含量高，表明地下水所处的地球化学环境为氧 化环境 ；
地下水的物理性质 和化学成分
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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 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 下水的起源和形成。
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 分是水质评价的需要。
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。透明度分为透 明、微混浊、混浊和极混浊四级。水深60 厘 米时能看见容器底部3 毫米粗的线者为透明； 于30～60 厘米深度能看见者为微混浊；30 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。
《水文地质学》第4章 地下水的化学成分及其形成
•地下水的化学特征•地下水化学成分的形成作用•地下水化学成分的基本成因类型•地下水化学成分的分析内容与分类图示1、地下水中主要气体成分氧、氮、硫化氢、二氧化碳2、地下水中气体成分及其反映的地球化学环境（1）地下水中溶解氧含量越多，说明其所处的地球化学环境愈有利于氧化作用进行；（2）氮气的单独存在，常可说明地下水起源于大气并处于还原环境；（3）硫化氢的出现说明地下水处于缺氧的还原环境；（4）地下水中二氧化碳愈多，其溶解碳酸盐类的能力以及对结晶岩类进行风化作用的能力愈强。
1、地下水中主要离子成分氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离子、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子2、离子成分与矿化度的变化（1）矿化度发生变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。
低矿化度水中常以碳酸根离子、钙离子与镁离子为主；（2）高矿化水则以氯离子与钠离子为主；（3）中等矿化水中，阴离子常以硫酸根离子为主，主要阳离子可以是钠离子，也可以是钙离子。
1、微量成分Br、I、B、Sr、Ba等；2、胶体Fe(OH)3、Al(OH)3、SiO2及有机质胶体；3、微生物（如硫细菌、脱氧细菌等）；4、物理性质（如温度、透明度、颜色、放射性等）。
1、地下水的总矿化度（g/L）地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量成为总矿化度；2、库尔洛夫式1、溶滤作用：在水与岩土相互作用下，岩土中的一部分物质转入地下水中，即为溶滤作用；溶滤作用结晶作用2、影响溶滤作用强度的因素（1）组成岩土的矿物盐类的溶解度；（2）岩土的空隙特征；（3）水的溶解能力；（4）水中二氧化碳、氧气等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力。
水中二氧化碳含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强，氧气的含量愈高，水溶解硫化物的能力愈强；（5）水的流动状况。
3、溶滤作用在时间上的阶段性（1）溶滤作用是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。
（2）首先易溶物质如氯化物由岩层转入水中，成为地下水中主要化学成分，并被水流带走而逐渐贫化；然后相对易溶物质如硫酸盐溶入水中，成为地下水的主要成分；随着溶滤作用的长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐和硅酸盐，地下水的化学成分也就以碳酸盐和硅酸盐为主。
第四章地下水资源评价
②确定单井涌水量(Qp)和影响范围(f)
经常遇到的情况有两种：
a.抽水达到稳定状态
当主孔和观测孔的水位达到稳定状态时，表明抽 水流量等于抽水时的补给量。此时的实际抽水量 就是Qp，影响范围可根据观测孔的观测数据用图 解法或外推法求出R后，由下式算出。
一、补给量
包括天然补给量和开采条件下补给增量。
1.天然补给量
降水入渗量：Q降水＝αPF 河流补给量：W河＝(Q下－Q上)( 1－λ)L/L‘ 侧向径流补给：Q侧入＝KIF 灌溉回渗量：Q渠＝β渠Q渠灌
Q井＝β井Q井灌 β＝μΔH/h灌
2.开采条件下补给增量
主要来自以下几个方面： ①侧向径流补给量增量，由于开采时分水岭外移引起。 ②河流入渗补给增量，由于开采时地下水位下降，水位差增 大引起。 ③越流补给增量，由于开采层水位下降，与相邻含水层水位 差加大引起。 各项补给增量的计算，到目前为止还没有好的解决办法。解 析法多用粗略估算的方法，数值解更合理一些。计算的关健 是正确地分析开采时的条件。
一般用于区域性地下水资源计算，尤其是在研究程度较差的 地区。
(1)适用条件
含水层分布较为均匀的地区,如松散含水层分布区,较为均匀 的裂隙水分布区。岩溶水分布区一般不适用。
(2)计算步骤
抽水试验；确定单井涌水量(Qp)和影响范围(f)；计算 全区允许开采量。
①抽水试验
可在有代表性的地点施工或选择一眼完整井,并在与 地下水流向成45º的方向上布置3眼观测孔。观测孔 距主孔的距离为：第一个可取2～20m，一般多为10 ～15m；第三个观测孔可结合影响半径的经验值来 确定。
计算均衡要素
4 地表水与地下水治理--教案
4 地表水与地下水治理本章要点：1.地表水地质作用及与道路工程的关系2.地下水类型、运动物理性质、化学成分，运动规律等及地下水对公路建设的影响学习目标：会分析公路及桥墩水损坏原因针对不同水损坏病害提出相应防治方案在自然界里，水有气体、液体和固体三种不同状态，它们存在于大气中，覆盖在地球表面上和存在于地下土、石的孔隙、裂隙或空洞中，可分别称为大气水、地表水和地下水。
自然界中这三部分水之间有密切的联系。
在太阳辐射热的作用下，地表水经过蒸发和生物蒸腾变成水蒸气，上升到大气中，随气流移动。
在适当条件下，水蒸气凝结成雨、露、雪、雹降落到地面，称为大气降水。
降到地面的水，一部分沿地面流动，汇入江、河、湖、海，成为地表水；另一部分渗入地下，成为地下水。
地下水沿地下土、石的孔隙、裂隙流动，当条件适合时，以泉的形式流出地表或由地下直接流入海洋。
大气水、地表水和地下水之间这种不间断地运动和相互转化，称为自然界中水的循环。
按其循环范围的不同，可分为大循环和小循环如图4-1所示。
图4-1自然界中水循环大循环是指水在整个地球范围内，在海洋和陆地之间的循环。
水从海洋表面蒸发，被气流带到陆地上空，通过大气降水落到地面，其中一部分渗入地下，然后以地表水或地下水的形式流回海洋。
小循环是地球上局部范围内的水循环。
例如：水从海洋面蒸发，又以海洋上空降水的形式落到海洋，通常称为海上内循环；水从陆地江、河、湖面蒸发进入大气，又以大气降水的形式重新降落到陆地，通常称为内陆循环。
根据已有资料，地球上总水量约为145432.7万，它的质量占地球总质量的约占地壳质量的0.024%，约占地壳质量的6.91%。
如果地球表面完全没有起伏，则全球将被一层厚2745m 的海水覆盖。
实际上，地球表面起伏很大，使29.2%的地面露在水面上，其余70.8%的地面处于水下。
水是一切有机物的生长要素，海洋是生命起源地。
水既是一种人类生活和生产不可缺少的重要资源，又是一种重要的地质作用动力，它促使地表形态和地壳表层物质的物理性质和化学成分不断发生变化。
地下水的主要物理性质
地下水的主要物理性质一、密度：质量密度的大小，决定于水中所溶解的盐类含量，水中溶解的盐分越多，其密度就愈大，有时可达1.2—1.3。
地下淡水的密度通常与化学纯水的密度相同。
二、颜色：决定于它的化学成分及悬浮于其中的杂质，含亚铁和硫化氢的水通常呈翠绿色；含氧化亚铁的水呈浅蓝绿色；含氧化铁的水呈褐红色；含腐植物的水呈桔黄色，褐色；硬度大的水呈浅蓝色；含悬浮物的水，颜色取决于悬浮物的颜色，其深浅决定于悬浮物量的多少。
三、味：决定于水中的化学成分，含NaCl的水，具有咸味；含NaSO4的水具苦味，含FeO的水具墨水味，含Fe2(SO4)3的水具锈味，有机质存在使水具甜味，含有重碳酸钙、镁及硫酸时则味美适口，一般水温在于20—300C时水的味道最明显。
四、决定于水中所含气体成分与有机物质。
含H2S时具有臭鸡蛋味，含FeO时具铁腥味，含腐植物时具鱼腥气味，一般400C时气味最明显。
五、透明度：决定于水中固定物质，有机质和胶体悬浮物的含量。
1、透明的：60cm水深可见3mm的粗线。
2、半透明的：微浑浊的，水深30cm可见3mm的粗线。
3、微透明的：浑浊的，小于30cm可见3mm的粗线。
4、不透明的：极浑浊的，水深很小，也不能清楚看见3mm的粗线。
六、温度：1、非常冷水：＜00C2、极冷水：0—40C3、冷水：4—20 0C4、温水：20—370C5、热水：37—420C6、42—1000C7、沸腾的水：＞1000C七、地下水的化学成分：矿化度：存在于地下水中的离子，分子及化合物的总量，称为水的总矿化度。
地下水按总矿化度分类名称淡水微咸水咸水盐水卤水总矿化度＜1 1—3 3—10 10—50 ＞50 g／l地下水按酸碱度分类名称强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水PH值勤＜5。
0 5.0—6.4 6.5—8.0 8.1—10 ＞10。
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二、地下水中主要离子成分
水中离子成分主要取决于：
①元素的丰度（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的 重量百分比； ②元素组成的化合物在水中的溶解度 （表4-13）
地壳中主要元素有哪些？
地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低） 地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C （地下水中高）
地下水中主要离子有：
生物残骸
K+ Na+
Ca2+ Mg2+
岩浆岩 碎屑岩类
盐岩类 地表 其它
含氯类矿物
含氯类矿物 长石类分解成HCO3
硫化物 石膏 石灰岩
含氯类矿物
酸雨 人工污染
海水 采空区
SO42ClHCO31-
主要离子构成的盐类溶解度有关：
碳酸盐类 < 硫酸盐类 < 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 （TDS）——或矿化度有关：
– 微生物：细菌和病毒。
第三节 地下水主要化学性质
一、酸碱性
按pH分类（表4-9） 野外测试：pH试纸、酸度仪
pH值：溶液中H+浓度负对数来表示溶液的酸碱性。 pH值决定了水中HCO3-、CO32-、CO2的含量。 （图4-3）
（表4-7）
对于含有机质不多且矿化度不大的水来说，pH<8.4时，
pH值与游离CO2和HCO3-含量之间有如下关系：
2、氮（N2）
来源——大气圈，随降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2 ——说 明地下水是大气起源的，另还有生物起源与变质起源
环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且处 于封闭环境
➢来源的判别——N2和惰性气体间的比例关系
3、二氧化碳：具有溶蚀作用
➢来源
（1）表生带的生物化学作用使有机物分解而成 （2）由地壳深部变质作用和火山作用形成 （3）工业发展而人为产生
地下水化学成分研究的意义
F、揭示地下水的地质作用规律，实现水质找矿
岩溶 沉积
地下水
迁移 分散
富集
富有化学成分
卤岩、金属矿产、油田
一、地下水主要的气体成分
➢1、氧（O2）：具有氧化作用
主要来源——大气、地表水和植物光合作用。 含量——通常在0-14mg/l之间。 氧化作用——若>3.5mg/l，即处于氧化环境
第二节 地下水的化学成分
地下水不是纯的H2O，而是成分复杂天然溶液。 水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。 在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着 水量和化学成分的交换。 化学成分：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。
地下水化学成分研究的意义
理论上：揭示地下水的形成和起源 地下水的化学成分是地下水与环境（自然地理、地质背景 以及人类活动）长期相互作用的产物。一个地区地下水的 化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。 研究地下水的化学成分，可以回溯一个地区的水文地质历 史，阐明地下水的起源与形成。
• 地下水中的其它成分
– 微量成分：Br、I、F、Ba、Li、Sr、Se、Co、Mo、 Cu、Pb、Zn、B、P、As。
– 胶体体。化合物：Fe(OH)3、Al(OH)3、SiO2等及有机胶
– 有机物：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，存在形式为 胶体形式、悬浮状态、真溶液。
阴离子：HCO3-、SO42-、Cl阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+
➢次要离子：CO32-、NO3-、NO2-、H+、NH4+、Fe2+、Fe3+、Mn2+
岩浆岩 碎屑岩类
含钠类矿物 含钾类矿物 含钙类矿物 含镁类矿物
含钠类矿物（钠长石） 含钾类矿物（钾长石）
盐岩类 地表 其它
含钙类矿物 含镁类矿物
第一节 地下水的物理性质
一、地下水的温度 （表4-1）
TH
Байду номын сангаас
TB
H h G
H (TH TB )G h
二、地下水的颜色 （表4-2）——比色管
三、地下水的透明度 （表4-3）——量筒（高100cm，直径3cm）＋黑十字
线（粗3mm）
四、地下水的气味（表4-4） 五、地下水的味道（表4-5 ） 六、地下水的比重（表4-6 ） 七、导电性 八、水的放射性 物理性质的应用：大致判断化学性质。
第四章 地下水的物理性 质和化学成分
地下水有哪些物理性质和化学成分？ 地下水物理性质和化学成分形成的原因？ 研究地下水物理性质和化学成分的意义和方法。
本章内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
地下水的物理性质 地下水的化学成分 地下水主要化学性质 地下水化学成分的形成 地下水化学成分的基本成因类型 地下水化学成分研究方法 煤矿区地下水化学特征
18℃时
pH＝6.52+lg[HCO3-]- lg[CO2]
– 主要同位素有：氢（1H、2H、 3H）、氧（16O、 18O）、碳（12C、13C、 14C）、硫（32S、 34S、）富集程度：
18O
[
(18
O
/16 O)样 （- 18O/16O）SMOW （18O/16O）SMOW
]
D
[
(D
/
H)样
（- D/H
） SMOW
（D/H）SMOW
]
– 不同成因的地下水都有其特定 18O 和D 值变化 范围，故据此可以判断地下水成因和形成条件
矿化度(g/L) :低(<1) 中(1-10) 高(10-30)
阴 离 子: 阳 离 子:
HCO3- SO42Ca2+ Ca2+,Mg2+
ClNa+,K+
地下水水流过程的阴离子变化 Cl-
+ ++ ++
++ +++
SO42-
++
+
++ +++
HCO3-
+ +
++ +++
• 三、地下水中的同位素（表4-8）
地下水化学成分研究的意义
实际应用：水质评价 A、确定饮用水、工农业用水 B、提取化工原料 C、确定含水层之间及与地表水间的水力联系 D、查明地下水的侵蚀能力 E、查明地下水水质污染源 F、揭示地下水的地质作用规律，实现水质找矿 G、医疗用水、地方病 研究方法： 研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结 合
一、地下水主要的气体成分
4、硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）：
➢地下水中出现H2S和CH4，意义恰好和出现O2相反，说明处于
还原的地球化学环境。
➢来源
（1）生物化学作用 SO42-+2C+2H2O→2HCO3-+H2S （2）地壳深部的变质作用及火山作用
➢CH4 ，地下水是封闭构造的油田水； H2S，缺氧的还原环境