[理学]5地下水的物理化学性质

第五章地下水的物理化学性质5.1地下水的物理性质5.2地下水的化学成分5.3地下水的化学特征5.4地下水化学成分的形成作用5.5地下水化学成分的基本成因类型5.6地下水化学成分的内容与分类图示5.1地下水的物理性质一般指：温度、颜色、透明度、味、比重、导电性、放射性等温度温度受气温和地温的影响，主要受地温影响地壳从上到下分为变温带、常温带、增温带常温带的温度和年平均气温相同地热增温级：温度每增加1℃所需的深度，一般为33m/℃地下水的温度和地温相适应地下水分为：过冷水、冷水、温水、热水、过热水5.1地下水的物理性质颜色5.1地下水的物理性质透明度测量透明度的，用筒底装有放水嘴的量筒，量筒高100cm，直径3cm，将3mm粗的黑十字线放在量筒底部，注满水后，慢慢打开放水嘴，筒内水面缓缓下降，同时观测黑十字线，直到能看到黑十字线的清晰图象为止。记录量筒内水柱高度，按确定水的透明度。5.1地下水的物理性质味5.2地下水的化学成分地下水中含有各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等。4.2.1地下水中主要气体成分氧（O2）、氮（N2）：地下水中的氧气和氮气主要来源于大气。它们随同大气降水及地表水补给地下水，因此，以入渗补给为主、与大气圈关系密切的地下水中含O2及N2较多。5.2地下水的化学成分溶解氧含量愈多，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，在较封闭的环境中，O2将牦尽而只留下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。大气中的惰性气体(Ar、Kr、Xe)与N2的比例恒定，即：(Ar+Kr+Xe)／N2＝0.0118。比值等于此数，说明N2是大气起源的；小于此数，则表明水中含有生物起源或变质起源的N2。5.2地下水的化学成分硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）：地下水中出现H2S与CH4，其意义恰好与出现O2相反，说明处于还原的地球化学环境。这两种气体的生成，均在与大气比较隔绝的环境中，有有机物存在，微生物参与的生物化学过程有关。其中，H2S是SO42-的还原产物。5.2地下水的化学成分二氧化碳（CO2）：作为地下水补给源的降水和地表水虽然也含有CO2，但其含量通常较低。地下水中的CO2主要来源于土壤。有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用使土壤中源源不断产生CO2，并溶入流经土壤的地下水中。含碳酸盐类的岩石，在深部高温下，也可以变质生成CO2：CaCO3→CaO+CO2因此，在少数情况下，地下水中可能富含CO2甚至高达1g/L以上。地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩与对结晶岩进行风化作用的能力便愈强。5.2地下水的化学成分5.2.2地下水中离子及分子成分阳离子：H+、Na+、K+、NH4+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+阴离子：OH-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、PO13-主要的有6种离子：Cl-、SO42-、HCO3-、Na+（K+）、Ca2+、Mg2+5.2地下水的化学成分地下水中离子成分富集的原因:①地壳中含量高、较易溶于水的元素O,Ca,Mg,Na,K；②地壳中含量不大、极易溶于水的元素S（以SO42-的形式存在）、Cl；③地壳中含量很大、难溶于水的元素Al,Si,Fe。5.2地下水的化学成分一般情况下，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。低矿化水中常以HCO3－及Ca2+、Mg2+为主；高矿化水则以Cl－及Na+为主；中等矿化的地下水中，阴离子常以SO4２—为主，主要阳离子则可以是Na+，也可以是Ca2+。地下水的矿化度与离子成分间之所以往往具有这种对应关系，一个主要原因是水中盐类的溶解度不同。总的说来，氯盐的溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐较小。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了（由于氯化钙的溶解度更大，因此在矿化度异常高的地下水中以氯和钙为主）。5.2地下水的化学成分5.2地下水的化学成分地下水中的主要阴离子（1）地下水中的氯离子Cl-的来源含量一般为nmg/l~100g/l。①Cl-不为植物和细菌摄取，②不被土壤颗粒表面吸附，③溶解度大，在水中最为稳定，④随矿化度增大，其含量增大。其来源有：①沉积岩中盐岩、氯化物的溶解；②岩浆岩含氯矿物氯磷灰石Ca5(PO4)3Cl、方钠石NaAlSiO4·NaCL的风化溶解；③火山喷发物的溶滤；④海水；⑤人为污染：工业、生活污水和粪便。5.2地下水的化学成分（2）地下水中的硫酸根离子SO42-来源①石膏CaSO4·2H2O、沉积硫酸盐岩的溶解；硫化物的氧化，2FeS2+7O2+2H2O→FeSO4+4H++2SO42-。（黄铁矿）②煤系地层含有很多黄铁矿FeS2、金属硫化物矿床；③化石燃料的燃烧，人为产生SO2与氮氧化物（2.0~2.5亿t/a），进入空气中形成酸雨。中国目前1800万t/a的SO2。5.2地下水的化学成分（3）地下水中的重碳酸根离子HCO3-来源①碳酸盐岩的溶解：Ca/MgCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+/Mg2+；②岩浆岩、变质岩地区铝硅酸盐矿物风化溶解（钠、钙长石）：Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O→2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2。5.2地下水的化学成分地下水中的主要阳离子来源（1）地下水中的钾离子K+来源参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱石、绢云母等），为植物摄取，在地下水中的含量低。来源：①钾岩的溶解；②含钾矿物的风化溶解。（2）地下水中的钠离子Na+来源①盐岩、钠岩的溶解；②海水；③含钠矿物的风化溶解。5.2地下水的化学成分（3）地下水中的钙离子Ca2+来源①碳酸盐岩、石膏的溶解；②含钙矿物的风化溶解。（4）地下水中的镁离子Mg2+来源①含镁的白云岩、泥灰岩的溶解；②含镁矿物的风化溶解。5.2地下水的化学成分微量组分：Br、I、F、B、Sr等。胶体：Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3。有机质：可增加地下水的酸度，有利于还原。微生物：①氧化环境：硫细菌、铁细菌等；②还原环境：脱硫酸细菌等；③污染水：致病细菌。5.3地下水的化学特征（一）总矿化度总矿化度：地下水中的离子、分子和微粒（不包括气体）的总含量，以g/L表示一般用105～110℃蒸干后所得干涸残余物的重量，以g/L表示按总矿化度地下水分为：5.3地下水的化学特征（二）硬度（重点）用来表示地下水中Ca2+、Mg2+含量的指标，分为：1.总硬度：地下水中所有Ca2+、Mg2+的总含量2.暂时硬度：沸腾后，形成碳酸盐沉淀而失去的Ca2+、Mg2+的含量3.永久硬度：沸腾后，仍然留在水中Ca2+、Mg2+的含量表示的方法：mg/L（以CaO）、meq/L和德国度毫克当量数系一升水中含Ca2+、Mg2+的毫克当量总数，可直接由水分析结果得出。一个德国度相当于一升水中含10mgCaO或7.2mgMgO。故lmg当量硬度=2.8H。知道了Ca2+、Mg2+的毫克当量数，乘以2.8，即可换算为德国度。5.3地下水的化学特征（三）酸碱性按pH值，地下水分为：（四）侵蚀性5.4地下水化学成分的形成作用地下水主要来源于大气降水，其次是地表水（河、湖、海）。这些水在进入含水层之前，已经含有某些物质，与岩土接触后进一步发生变化。靠近海岸处的大气降水。Na+和C1-含量较高（这时可出现低矿化的以氯化物为主的水）。内陆的大气降水混入尘埃，一般以Ca2+与HCO３-为主。初降雨水或干旱区雨水中杂质较多，而雨季后期与湿润地区的雨水杂质较少。大气降水的矿化度一般为0.02—0.05g/L。边与干旱区较高，分别可达0.1g/L及n×0.1g5.4地下水化学成分的形成作用5.4.1溶滤作用溶滤作用是指地下水与岩土相互作用、岩土中一部分物质转入到地下水中的作用。地下水与岩石相互作用使岩石中一部分可溶成分转入水中，而不破坏矿物结晶格架的作用。水解作用是地下水与岩石相互作用成岩矿物的晶格中发生阳离子被水中氢离子取代的过程。当溶液达到饱和时溶液中某种盐类的含量称为溶解度。温度上升时，溶解度增大。一个地区经受的溶滤愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。溶滤作用具有时间上的阶段性和空间上的差异性。5.4地下水化学成分的形成作用溶滤作用的强度是岩土中的组分转入水中的速率。其大小取决于：①组成岩土的矿物盐类的溶解度，盐岩NaCl易溶，SiO2难溶解；②岩土的空隙特征：致密基岩，水与矿物难以接触，难溶滤。③水的溶解能力：低矿化水的强，高矿化水的弱；决定着溶滤作用的强度。④水中CO2、O2等气体成分的含量，决定着某些盐类的溶解能力，有易形成HCO3-、SO42-，有O2易溶解硫化物。⑤水的流动状况：是关键因素，地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃、最关键的因素。5.4地下水化学成分的形成作用不应将溶滤作用等同于纯化学的溶解作用。溶滤作用乃是一种与一定的自然地理与地质环境相联系的历史过程。经受构造变动与剥蚀作用的岩层，接受来自大气圈及地表水圈的入渗水补给而开始其溶滤过程。设想岩层中原来含有包括氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐等各种矿物盐类。开始阶段，氯化物最易于由岩层转入水中，而成为地下水中主要化学组分。随着溶滤作用延续，岩层含有的氯化物由于不断转入水中并被水流带走而贫化，相对易溶的硫酸盐成为迁入水中的主要组分。溶滤作用长期持续，岩层中保留下来的几乎只是难溶的碳酸盐及硅酸盐，地下水的化学成分当然也就以碳酸盐及硅酸盐为主了。因此，一个地区经受溶滤愈强烈，时间愈长久，地下水的矿化度愈低，愈是以难溶离子为其主要成分。除了时间上的阶段性，溶滤作用还显示空间上的差异性。气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水能力愈强，地形切割愈强烈，地下径流与水交替愈迅速，岩层经受的溶滤便愈充分，保留的易溶盐类便愈贫乏，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。5.4地下水化学成分的形成作用5.4.2蒸发浓缩作用蒸发浓缩作用（是地下水通过蒸发排泄而引起水中成分的浓缩，使水中盐分浓度增大、矿化度增高的现象。必备条件：①干旱半干旱的气候，②低平地势控制下的地下水位埋深小，③松散岩土颗粒细小，毛细作用强，④一般发生于地下水流动系统的排泄处，⑤具有时间和空间的尺度。5.4地下水化学成分的形成作用5.4.3脱碳酸作用脱碳酸作用是在温度升高、压力降低的情况下CO2自水中逸出而HCO3-含量则因形成碳酸盐沉淀减少的过程。典型的例子是来自深部地下水的泉口的钙华。Ca2+/Mg2++2HCO3-→CO2↑+H2O+Ca/MgCO3↓5.4地下水化学成分的形成作用5.4.4脱硫酸作用脱硫酸作用是在封闭缺氧的还原环境中在有机物和脱硫酸细菌作用下，硫酸盐被分解成H2S和HCO3-的生物化学过程。SO42-+2C+2H2O→H2S+2HCO3-封闭的地质构造为其有利环境，油水中有H2S，为找油标志。5.4地下水化学成分的形成作用5.4.5阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用是地下水与岩石相互作用，岩石颗粒表面吸附的阳离子被水中阳离子置换，并使水化学成分发生改变的过程。吸附能力：H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+阳离子交替吸附作用取决于岩土的吸附能力、岩土的比表面积、离子的相对浓度。5.4地下水化学成分的形成作用5.4.6混合作用混合作用是指两种或两种以上不同成分水之间的混合，使原有水的化学成分发生改变的作用。有时发生化学反应，例如：Ca(HCO3)2+Na2SO4→CaSO4↓+2NaHCO3两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与混合的两种水的成分及其混合比例。5.4地下水化学成分的形成作用5.4.7人类活动对地下水化学成分影响近年来，人类活动对地下水化学成分的影响越来越大，表现在生产生活产生的废弃物污染地下水，人类活动改变了地下水形成条件也改变了地下水的化学成分。（1）工业生产的废水、废气和废渣，以及农业上大量使用化肥、农药，使地下水富集了原来含量很低的有害元素，如酚、氰、汞、砷、铬、亚硝酸等。5.4地下水化学成分的形成作用（2）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：①滨海地区过量开采地下水引起海水入侵。②不合理的打井采水使咸水运移。③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。④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。⑤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。5.5地下水化学成分的基本成因类型地球上的水圈是原始地壳生成后，氢和氧随同其它易挥发组分从地球内部层圈逸出而形成的。地下水起源于深部层圈。从形成地下水化学成分的基本成分出发，可将地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。5.5.1溶滤水溶滤水是指由富含CO2和O2的水渗入补给并溶滤其所流经岩土而获得主要化学成分的地下水。其成分受岩性、气候、地貌等因素的影响。在大范围上，受气候控制而有分带性。5.5地下水化学成分的基本成因类型（1）岩性：①石灰岩、白云岩分布区，水中HCO3-、Ca2+、Mg2+为主；②含石膏的沉积岩区，水中SO42-、Ca2+均较多；③酸性岩浆岩地区，多为HCO3—Na型水；④基性岩浆岩地区，水中常富含Mg2+；⑤煤系地层、金属硫化物矿床分布区，多为硫酸盐水。5.5地下水化学成分的基本成因类型（2）气候：在潮湿气候区，尽管原来地层中所含的组分很不相同，有易溶的与难溶的，但其浅表部在丰沛降水的充分淋滤下，最终浅层地下水很可能都是低矿比重碳酸水，难溶的SiO2在水中占到相当比重。另一方面，干旱气候下平原盆地的排泄区，由于地下水将盐类不断携来，水分不断蒸发，浅部地下水中盐分不断积累，不论其岩性有何差异，最终都将形成高矿化的氯化物水。从大范围来说，溶滤作用主要受控于气候，显示受气候控制的分带性。（3）地形:往往会干扰气候控制的分带性。这是因为在切割强烈的山区，流动迅速、流程短的局部地下水系统发育。地下水径流条件好，水交替迅速，即使在干旱地区也不会发生浓缩作用，因此常形成低矿化的以难溶离子为主地下水。地势低平的平原与盆地，地下水径流微弱，水交替缓慢，地下水的矿化度与含易溶离子均较高。干旱地区的山间盆地，气候、岩性、地形表现为统一的分带性，地下水化学分带也最为典型。往往边缘洪积扇顶部为低矿化重碳酸盐水带，过渡带为中等矿化硫酸盐水，盆地中部为高矿化的氯化物水。自然界中的绝大部分地下水属于溶滤水，常常具有水平分带性和垂直分带性。水文地球化学分带是指地下水中化学成分及水文地球化学环境指标在空间呈带状变化的规律。水文地球化学水平分带是地下水中化学成分和矿化度在水平方向上呈带状变化的规律性。水文地球化学垂直分带是地下水中化学成分和矿化度在垂直剖面上随深度变化的规律性。5.5地下水化学成分的基本成因类型5.5.2沉积水沉积水(埋藏水)是在沉积过程中保存在成岩沉积物空隙中的水。即与沉积物大体同时形成的古地下水。海水平均成分：矿化度35g/l，Cl90/Na77M18,rNa/rCl=0.85，Cl/Br=29.3。海相淤泥通常含有大量有机质和各种微生物，处于缺氧环境，有利于生物化学作用。淤泥中水的化学特征：①矿化度很高，可达300g/l；②SO42-减少或消失；③钙Ca2+含量相对增加，Na+减少，rNa/rCl<0.85；④富集Br、I，Cl/Br变小；⑤出现H2S、CH4、铵、氮；⑥pH值增高。5.5地下水化学成分的基本成因类型5.5.3内生水又称原生水(初生水)（是源自地球深部层圈的地下水，亦即来自地球内部在岩浆冷却等地质作用下形成的地下水。内生水的研究迄今还很不成熟，但由于它涉及水文地质学乃至地质学的一系列重大理论问，因此，今后水文地质学的研究领域将向地球深部层圈扩展，更加重视内生水的研究。5.6地下水化学成分研究方法5．6．1地下水化学分析内容地下水化学成分的分析是研究的基础。工作目的与要求不同，分析项目与精度也不相同。在一般水文地质调查中，区分为简分析和全分析，为了配合专门任务，则进行专项分析。5.6地下水化学成分研究方法简分析用于了解区域地下水化学成分的概貌，这种分析可在野外利用专门的水质分析箱就地进行。简分析项目少，精度要求低，简便快速，成本不高，技术上容易掌握。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：Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、pH值、游离CO2、硬度、K++Na+和总溶解固体等。分析这些项目是为了初步了解水质是否适于饮用。5.6地下水化学成分研究方法全分析项目较多，要求精度高.通常在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析，以较全面地了解地下水化学成分，并对简分析结果进行检核。全分析并非分析水中的全部成分，一般定量分析以下各项：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Fe3+、Fe2+、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、pH值、游离CO2、侵蚀性CO2、耗氧量、H2S、H2SiO3、干涸残余物、硬度（三种）5.6地下水化学成分研究方法专项分析：根据工作任务需要，有时还需作专项分析。只分析一个或少数几个成分，如供水水文地质调查，要增加分析细菌及有毒成分；煤矿区要增加分析H2S、CH4等；水工建筑要专门分析侵蚀性CO2等；水化学找矿要专门分析金属和微量元素；油田钻进过程中为了知道是否遇到了新的含水层，只要测定Cl-离子即可；在对地下水作动态观测时，也可只选有代表性的离子作定期分析；为判明含水层之间是否有联系等，有时也只需要作个别离子的分析。5.6地下水化学成分研究方法水样的数量取决于分析的种类，通常简分析取样500～1000ml，全分析取样2000ml。采取水样要注意代表性，应能反映区域的平均条件，代表地下水的真实成分。严禁雨后及居民点附近取样，对钻孔、水井必须抽尽积水后才能取样；水样瓶必须洁净，并用取样水洗涮数次。取完样后必须立即用石蜡封口，并贴好标签。在进行地下水的化学分析的同时，必须对有关的地表水体取样分析。因为地表水体可能是地下水的补给来源，或者是排泄去路。前一种情况下，地表水的成分将影响地下水。后一种情况下，地表水反映了地下水化学变化的最终结果。对于作为地下水主要补给来源的大气降水的化学成分，至今一直很少注意，原因是它所含物质数量很少。但是，必须看到，在某些情况下，不考虑大气降水的成分，就不能正确地阐明地下水化学成分的形成。地下水化学分析的结果，将离子含量以毫克／升与毫克当量／升表示之。这样，水中离子含量可以用毫克当量／升及毫克当量百分数表示。后者分别以阴、阳离子的毫克当量为100％，求取各阴、阳离子所占的毫克当量百分比。5.6地下水化学成分研究方法5.６.２地下水化学分析资料的整理和表示方法1.地下水化学成分的分析结果通常是用毫克／升(mg／l)作单位来表示，在资料整理过程中的要求是：(1)用毫克当量／升(meq／1)和毫克当量百分数(meq％)来表示水分析结果；(2)计算分析误差，用百分数表示；(3)计算水的各种硬度；(4)写出库尔洛夫式，并按表示式确定水的类型。下面用具体例子来说明水化学分析资料的整理过程。某水样化学分析结果具有下列成分：Na++K+39.55mg／lCa2+557.49mg／1Mg2+115.22mg／lCl-29.26mg／lS042-1648.50mg／1HC03-176.90mg／l110℃时的千涸残余物2700.00mg／1游离C0217.80mg／1H2S1.48mg／l水温41.5℃流量　５L/S5.6地下水化学成分研究方法现在，对该水分析资料整理如下：(1)换算毫克／升为毫克当量／升及毫克当量百分数按照化学原理，毫克数与毫克当量数的关系如下式：离子的毫克当量数=5.6地下水化学成分研究方法因此，知道了水中离子的毫克数，即可由上式换算成毫克当量数。例如，所给资料中Ca2+为：557.49mg／l，换算为毫克当量／升，则为：　　　　=27.82meq／1式中，20.04为Ca2+的当量5.6地下水化学成分研究方法用毫克／升、毫克当量／升及毫克当量％表示水分析结果5.6地下水化学成分研究方法用同样方法可以把其它离子含量换算为毫克当量／升。换算结果见表。知道了离子在水中的毫克当量数以后，则可根据下式计算其毫克当量百分数(通常将阴阳离子毫克当量总数各作为100％来计)：5.6地下水化学成分研究方法某阴离子的毫克当量百分数　　　　　　　=×100％例如，水中Cl-为0.83meq／l，则其毫克当量百分数为：　　　　×100％＝2.18％式中，38.05为水阴离子毫克当量总量／升。用同样的方法换算其他粒子，换算结果见表5.6地下水化学成分研究方法(2)计算分析误差分析误差用下式计算：е＝　　　　　×100％式中∑k―――阳离子总含量，meq／l；式中∑a―――阳离子总含量，meq／l。将表的分析数据代入上式，则得：е＝　　　　　×100％＝1.26％按要求，全分析时容许分析误差不超过2％，简分析不超过5％。上述分析误差小于2%,分析结果所得资料是可用的。5.6地下水化学成分研究方法(3)计算水的各种硬度总硬度：水的总硬度为：H＝[Ca2+]+[Mg2+]=27.82+9.48=37.30meq／l式中，[Ca2+]和[Mg2+]―――Ca2+、+Mg2+的含量，meq／l。如以德国度表示，则总硬度为：H＝37.30×2.8＝104.44HО按水的硬度分类，这种水属极硬水。5.6地下水化学成分研究方法暂时硬度：计算水的暂时硬度时，需要考虑Ca2+和Mg2+的毫克当量总数与HC03-毫克当量之间的两种可能关系：①如Ca2+和Mg2+毫克当量之和等于或小于HC03-毫克当量，即当[Ca2++Mg2+]≤［HC03-］时，则暂时硬度即等于总硬度，因为它不可能大干总硬度；②如果Ca2+和Mg2+毫克当量之和大干HC03-毫克当量，即[Ca2++Mg2+]>[HC03-]时，则水的暂时硬度小于总硬度，并等于以毫克当量所表示的HC03-的含量。5.6地下水化学成分研究方法因为，本水样分析结果属第二种关系，即[27.82+9.48]>[2.90]，所以，水的暂时硬度小于总硬度，并等于2.90meq／l或8.12HО。永久硬度：水的永久硬度为37.30-2.90=34.40meq／l或96.32HО。5.6地下水化学成分研究方法(4)用库尔洛夫式表示水分析结果，并根据库尔洛夫表示式确定水的类型地下水化学成分的库尔洛夫表示式，乃是用数学假分数的形式表示水的化学成分，其表示方法如下：离子的含量以毫克当量百分数表示，主要的阴离子按渐减的顺序排列于表示式横线之上，主要的阳离子排列于横线之下，离子含量的毫克当量百分数小于10％的在式中不表示出来。表示式的前端，表示水的矿化度(M)及各种气体成分和特殊成分(Br-、I-等)，单位为g／l，表示式的后端则表示水的温度(t)，单位为摄氏度。表示式中各成分的含量一律标于该成分符号的右下角，如C120等。至于HC03-等成分，其右下角已有原子数时，则表示式中将原子数移至右上角，如HCO379.7等等。5.6地下水化学成分研究方法按照上述表示方法，本实例的库尔洛夫表示式为：CO20.0178H2S0.0015M2.7　　　　　　　　Ｑ５根据库尔洛夫表示式确定水的类型时，只考虑毫克当量百分数含量超过25％的离子，如果不只一种离子超过25％，则命名时将含量小的放在前面。按此规则本实例为硫酸钙型水。5.6地下水化学成分研究方法5.６.2.地下水化学分类与图示方法（1）舒卡列夫分类地下水化学类型的舒卡列夫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％(mmol/l)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。第二步，按矿化度（M）的大小划分为4组。A组——M≤1.5g/L；B组——1.5＜M≤10g/L；C组——10＜M≤40g/L；D组——M＞40g/L。第三步，将地下水化学类型用阿拉伯数字（1～49）与字母（A、B、C或D）组合在一起的表达式表示。例如，1—A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；49—D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。(2)派珀三线图解派珀〔A．M．Piper〕三线图解由两个三角形和一个菱形组成（图6—4）左下角三角形的三条边线分别代表阳离子中Na++K+、Ca2+及Mg2+的毫克当量百分数。右下角三角形表示阴离子C1-、SO42-及HCO3-的毫克当量百分数。任一水样的阴阳离子的相对含量分别在两个三角形中以标号的圆圈表示，引线在菱形中得出的交点上以圆圈综合表示此水样的阴阳离子相对含量，按一定比例尺画的圆圈的大小表示矿化度。落在菱形中不同区域的水样具有不同化学特征（图6—5）。1区碱土金属离子超过碱金属离子，2区碱大于碱土，3区弱酸根超过强酸根，4区强酸大于弱酸，5区碳酸盐硬度超过50％，6区非碳酸盐硬度超过50％，7区碱及强酸为主，8区碱土及弱酸为主，9区任一对阴阳离子含量均不超过50％毫克当量百分数。(3)阿廖金分类：6种离子，按阴离子最高含量分三类(C,S,Cl)，按阳离子最高含量分三个组，每组3型，共27种水4种不同类型。阿廖金分类法是由俄国学者O.A.Aleken提出的，按水体中阴阳离子的优势成分和阴阳离子间的比例关系确定水质化学类型的一种方法。该方法的具体操作步骤如下：第一步，列出各个计算分区中具有代表性水样的HCO3-、SO42-、Cl-等3个阴离子和Ca2+、Mg2+、Na+等3个阳离子的浓度含量（均以毫克当量表示）。第二步，根据各水样中含量最多的阴离子将这些水样分为三类：重碳酸类（以C表示）、硫酸类（以S表示）、氯化类（以Cl表示），它们的矿化度依次增加，水质变差。第三步，在每类中再根据水样中含量最多的阳离子进一步分为钙质（Ca）、镁质（Mg）、钠质（Na，钾和钠）三组。第四步，按各水样中阴阳离子含量的比例关系分为四个型。Ⅰ型：HCO-3＞Ca2++Mg2+，在S类与Cl类的Ca及Mg组中均无此型；Ⅱ型：HCO-3＜Ca2++Mg2+＜HCO3-+SO42-，多数浅层地下水属于此型；Ⅲ型：HCO3-+SO42-＜Ca2++Mg2+，或Cl-＞Na+，此型为高矿化水；Ⅳ型：HCO3-＝0。此型为酸性水，C类各组及S和Cl类的Na组中无此型。第Ⅰ型水：HCO3-＞Ca2++Mg2+。这一型水是含有大量Na+与K+的火成岩地区形成的。水中主要含HCO3-并且含较多Na+，这一型水多半是低矿化度的硬度小、水质好。第Ⅱ型水：HCO3-＜Ca2++Mg2+＜HCO3-+SO42-，硬度大于碱度。从成因上讲，本型水与各种沉积岩有关，主要是混合水。大多属低矿化度和中矿化度的河水。湖水和地下水属于这一类型（有SO42-硬度）。第Ⅲ型水：HCO3-+SO42-＜Ca2++Mg2+或者为Cl-＞Na+。从成因上讲，这型水也是混合水，由于离子交换使水的成分激烈地变化。成因是天然水中的Na+被土壤底泥或含水层中的Ca2+或Mg2+所交换。大洋水、海水、海湾水，残留水和许多高矿化度的地下水水属于此种类型（有氯化物硬度）。第Ⅳ型水：HCO3-=0，即本型水为酸性水。在重碳酸类水中不包括此型，只有硫酸盐与氯化物类水中的Ca2+组与Mg2+组中才有这一型水。天然水中一般无此类型（pH＜4.0）。水的上述类型的差异是水体所处自然地理环境造成的，一般来讲，它们有一定的地理分布规律。第五步，根据各水样的类、组和型，确定出各水样的阿廖金分类的表达式。表达式以“类”为基号，以组为上脚号，以型为下脚号，如C类Ca组II型可表示为CCaII。5.6地下水化学成分研究方法生活饮用水的水质评价当矿区地下水选为饮用水源时，就须对其物理性质，化学成分和细菌成分作出严格鉴定。从物理性质方面来看，供饮用的水应是无色透明，不得有异嗅，异味。不得含有肉眼可见的水生生物和令人嫌恶的物质。5.6地下水化学成分研究方法好的饮用水，pH应为7－8.5，总矿化度不应超过l克／升，总硬度不超过25德国度。硬度太高，不利于洗涤，太低对人体也不利。水中缺钙易得牙病并影响心血系统以及骨骼生长，特别在含过量锶或铍时，易得大骨节病，佝偻病和克山病。对人体较适宜的硬度为10－15度。饮用水中S042-、Cl-含量均不应超过250毫克／升。因为水中含S042-过高，能败坏水味，甚至引起肚泻，尤其水中含有过高硫酸镁盐时(大于100－150毫克／升)，会使水变涩发苦。水中Cl-含量过高，使水变成，影响人的感官，另外淡水中Cl-含量过高，也有水被污染的可能，因为氯为动物所排泄。当地区条件与生活水平受限制时，上述要求可适当降低。5.6地下水化学成分研究方法水中不应含有有毒物质。对于一些重金属和非金属物质在一升水中不应超过下述限量：铁0.3毫克、锰0.1毫克、铜1.0毫克、锌1.0毫克、挥发酚类0.002毫克、氟化物1.0毫克、氰化物0.05毫克、砷0.04毫克、硒0.01毫克、汞0.001毫克、镉0.01毫克、铬(六价)0.05毫克、铅0.1毫克。氟与人的牙齿健康有关。过低(小于0.3毫克／升)失去防止龋齿的作用，过高(大于1.6毫克／升)可使牙齿釉质腐蚀、出现斑点甚至造成矛齿崩坏。5.6地下水化学成分研究方法铁、锰对人体有益，但当它们在水中含量过高时(如铁含量大于l毫克／升、锰大于（0.1毫克／升），被氧化呈混浊状，使水有锈味，不可口，并影响人的感官。铜和锌对人体无害而为人体生理代谢需要。但当铜含量大于1.5毫克／升或锌大于4－5毫克／升时，水呈浑浊有金属味，影响人的感官，对胃肠也有刺激，所以我国饮用水中规定，它们都不应超过1毫克／升。铅、砷和硒在水中含量很低时，一般对人体无害。天然水中它们含量极微，一般不超过饮用水标准，但如受工业废水污染以致含量过高时，则可能使人中毒。硒含量过高有可能使人得大骨节病。5.6地下水化学成分研究方法在水中有一些成分，如NH4+、N02-、NO3-、Cl-及PO43-等，它们本身对人体无害，但是很多情况下，它们在水中的存在，往往是有机污染的标志。其中尤以NH4+及N02-的出现最为可疑、它们常是新近被污染的标志。NH4+多出现于污染与还原环境下，尿中尿素易变成NH4+，因此有些国家规定，NH4+最大允许浓度为0.01－0.05毫克／升。我国有些地区，NH4+限量为0.02毫克／升。N02-在水中的出现不仅说明水中有细菌繁殖活动，而且它本身对人体也有害，它被吸入血液后，能与血红蛋白结合，形成失去带氧功能的变性血红蛋白，使组织缺氧中毒，重者因组织缺氧导致呼吸循环衰弱。因此我国有些地区饮用水标准中规定不应大于0.0003毫克／升。有些国家规定为0.02－0.06毫克／升。NO3-可由矿物质溶解而来，但一般来自动物污染物的分解，此外还来源于农药氮肥。它对人体健康有影响，主要使婴儿血液的血红蛋白失去输氧能力，形成变性血红蛋白而中毒。因此我国有些地区规定，饮用水中不应超过30－40毫克／升。磷化物以H2PO4-、HPO42-、PO43-形式存在。HPO42-来源于磷矿物；H2PO4-来源于无机物以及经细菌氧化的蛋白质；PO43-来源于动物的排泄物。因此饮用水中一般不允许PO43-存在。我国有些地区规定磷不超过0.1毫克／升。5.6地下水化学成分研究方法从上述看出，当地下水中发现有NH4+、N02-或PO43-时，说明水被污染的可能，则应进一步进行水的细菌分析，以确定水的卫生状况。水的卫生状况可用水中细菌含量和大肠杆菌含量来确定。水中细菌总数越多，则表示水被污染越严重。供饮用的水中，l升水中细菌总数不得超过100个。另外水的污染卫生状况还用水中大肠杆菌含量来衡量。大肠杆菌本身与人无害，但由于它经常与传染病菌如霍乱、伤寒、痢疾等共存，且其含量随病菌含量之增加而增多。按卫生部对于饮用水质规定，l升水中不得超过3个大肠杆菌；或用发酵法300毫升水中不得检出一个大肠杆菌。最后，通常用水的耗氧量来检验水中有机物的多少。一般一毫克／升耗氧量相当于有机物含量21毫克／升。洁净水耗氧量一般1－4毫克／升。饮用水一般规定耗氧量不大干2.5毫克／升(或耗KMnO410毫克／升)。某水样化学分析结果具有下列成分：Na++K+48.6mg／l23Ca2+515.6mg／140Mg2+60.8mg／l24Cl-8.5mg／!35S042-1391.6mg／13216HC03-219.6mg／l11216110℃时的千涸残余物2200.0mg／1游离C0222.1mg／1H2S1.3mg／l水温20.5℃流量　3L/S