水文地质学基础

1. 水文地质学基础 General Hydrogeology --主讲：李明辉

2. 第六章 地下水的化学成分及其 形成作用 第1节 地下水的化学成分 第2节 地下水的主要物理、化学性质 第3节 地下水化学成分的形成作用 第4节 地下水化学成分的基本 成因类型 第5节 地下水化学成分的分类图示 第6节 地下水的水质评价

3. 第六章 地下水的化学成分及其 形成作用 • 地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。 • 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。 • 物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。 • 化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。

4. 第六章 地下水的化学成分及其 形成作用 • 水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用时都不能不涉及地下水的化学作用。 • 不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求 • （如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等） • 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 Company Logo www.themegallery.com

5. 第1节 地下水的化学成分 • 主要的气体成分 • 常见的有O2、 N2、CO2、CH4 及 H2S • 常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关 • 氧（O2）、氮（N2） • 来源： • 主要来源于大气 ： O2占20.95%， N2占78.09% • 生物化学作用：微生物分解有机物与矿物盐类 • 水生植物的光合作用放出O2 • 变质作用：岩石在高温高压下影响下可生成。

6. 第1节 地下水的化学成分 • 判别： • O2与N2共存---来源于大气并处于氧化环境 • 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，氮还有生物起源与变质起源 • N2单独存在---来源于大气并处于还原环境 • 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 • 大气中惰性气体（Ar, Kr, Xe）与N2的比值： • （Ar, Kr, Xe）/ N2 = 0.0118 ， 则N2是大气起源 • （Ar, Kr, Xe）/ N2 ＜ 0.0118，则N2是生物或变质起源

7. 第1节 地下水的化学成分 • 硫化氢（H2S）、甲烷（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生物化学过程中形成。 • H2S来源：硫酸盐还原： • 硫化矿物分解： • 火山喷发 • H2S和CH4的存在表明还原环境 • H2S一般出现在深层地下水中，油田水中含量很高，常以此作为寻找石油的间接标志。 • SO2-4 → H2S，成煤过程，煤田水 成油过程，油气藏，油田水

8. 第1节 地下水的化学成分 • 二氧化碳（CO2） • 来源： 大气降水中的CO2含量较低，地下水中CO2主要源于 • 土壤层（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 • 碳酸盐岩地层：在深部高温下，也可变质生成CO2 • CaCO3---CaO+CO2 SiO2+CaCO3---CaSiO3+CO2 • 人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的CO2增加，（增长20%） • 作用：地下水中CO2越多，其溶解碳酸盐岩和对结晶岩进行风化作用的能力越强。

9. 第1节 地下水的化学成分 • 地下水中气体成分的意义： • 气体成分——指示地下水所处的地球化学环境 • 氧化环境—oxidation • 还原环境—deoxidation • 气体成分—可以增加水对盐类的溶解能力 • 促进水→岩的化学反应，相互作用

10. 第1节 地下水的化学成分 地下水中的主要离子成分 • 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 • 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： • Anion 阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl- • Cation 阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+

11. 第1节 地下水的化学成分 • 氯离子（Cl-） • 来源： • 与其相关的各种原岩的风化溶解。如 • 沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解； • 岩浆岩中含氯矿物[氯磷灰石Ca5（PO4）3 Cl、方钠石NaAlSiO4 NaCl]的风化溶解。 • 来自海水：海水补给地下水，或者来自海面的风将细沫状的海水带到陆地，使地下水中Cl-增多； • 火山喷发物的溶滤 ； • 人为污染

12. 第1节 地下水的化学成分 • 特点： • 水迁移能力很强； • 含量变化幅度大：数mg/L~数百g/L • 一般岁TDS的增加而有所提高。

13. 第1节 地下水的化学成分 • 硫酸根离子（SO42-） • 来源 • 含石膏（CaSO4•2H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解 ； • 硫化物的氧化 • 2FeS2+7O2+2H2O→2FeS4+4H++2SO42- • 特点 • 水迁移能力很强，但次于Cl-； • 含量由数mg/L~数十g/L。

14. 第1节 地下水的化学成分 • 重碳酸根离子（HCO3-） • 来源 • 来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩） • CaCO3+ H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+ • MgCO3+ H2O+CO2→2HCO3-+Mg2+ • 岩浆岩与变质岩地区，主要来自铝硅酸盐矿物的风化溶解 • Na2Al2Si6O16+2CO2+3H2O → 2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2 • 特点 • 含量一般不超过1g/L，在低矿化水中为主要阴离子。

15. 第1节 地下水的化学成分 • 钠离子（Na+） • 含量：在低矿化水中的含量一般很低，仅数毫克/升到数十毫克/升，但在高矿化水中则是主要的阳离子，其含量最高可达数十克/升。 • 来源： • 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解； • 海水 • 岩浆岩和变质岩地区，来自含钠矿物风化溶解。 • 钾离子（K+） • 来源与Na+相近 • 地下水中含量远低于Na+含量。原因有： • K+大量参与形成不溶于水的次生矿物； • 易被植物吸收。

16. 第1节 地下水的化学成分 • 钙离子（Ca2+） • 来源： • 碳酸盐类沉积物的溶解 • 岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解 • 含量 • 低矿化水中为主要阳离子，一般不超过数百mg/L • 高矿化水中含量显著增大，但仍低于Na+的含量。 • 镁离子（Mg2+） • 含量与来源同Ca2+

17. Cl- SO42- + + ++ ++ ++ ++ ++ +++ +++ + HCO3- + ++ +++ Company Logo www.themegallery.com

18. 第1节 地下水的化学成分 地下水中主要离子成分来源 • 低矿化度水中的常见离子： HCO-3，Ca2+，Mg2+，常来源与沉积盐岩、岩浆岩、变质岩的风化溶解 • 高矿化度水中的常见离子：Cl-,Na+,K+，沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解、变质岩风化溶解，海水影响 • 中等矿化度的常见离子： SO42-：沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发 H2S气体氧化、人类活动—燃烧煤产生大量SO2，SO2 氧化后形成之，大气中SO2-4过高时，降“酸雨”

19. 第1节 地下水的化学成分 • 地下水中的其它成分 • 次要离子：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、NO3-、CO32-、SiO32-及 PO43-等 • 微量组分：Br、I、F、B、Sr等 • 胶体成分：未离解的化合物，颗粒直径10-7~10-5 主要的有：Fe（OH)3、Al（OH)3 及 HsiO3等 还有：CaCO3、MgCO3 各种硫化物：PbS，CuS，CdS等 有机质胶体 粘土质胶体

20. 第1节 地下水的化学成分 • 胶体的形成： • 物理风化使矿物机械破碎磨细形成； • 急剧化学反应使溶液过饱和并形成许多结晶中心，但未来得及结晶而形成。 • 细菌成分：如氧化环境中存在的硫细菌、铁细菌； 还原环境中存在的脱硫细菌； 污水中的各种致病细菌等 • 分病源菌和非病源菌 • 细菌分析结果的表示： • 细菌总数：每毫升水或每升水中的细菌总数 • 菌度：含有一条大肠杆菌的水的毫升数 • 检定量：1升水中大肠杆菌的总数

21. 第2节 地下水的主要物理化学性质 • 主要的物理性质有：温度、导电性、放射性、味、嗅、色、透明度、比重等 • 主要的化学性质有：总溶解固体、硬度、酸碱性 • 两者关系：物理性质往往是化学性质的外在表现。 • 温度 • 水交替缓慢时与地温一致，并取决于：太阳辐射热能、地球内部热流 • 分三个带：变温带、常温带和增温带 • 变温带：受太阳辐射热能影响，呈昼夜变化与季节变化。昼夜变化只影响地表以下1~2m深度。变温带的下限为15~30m。

22. 第2节 地下水的主要物理化学性质 • 常温带：是变温带以下一个极簿的地带。地温一般比当地年平均气温高出1~2℃，粗略计算时可视为当地的年平均气温。 增温带：受地球内部热流控制。随深度增加而温度升高。用地温梯度或地温增温率表示。 • 地温梯度：每增加100m深度时地温的增值。 • （℃/100m） • 地温增温率：温度每升高1 ℃所需增加的深度。 • (m/ ℃)

23. 第2节 地下水的主要物理化学性质 • 增温带内某深度（H）地温（T）的计算： • T = t + (H - h)/r • t为年平均气温；h为年常温带深度；r为地温梯度。

24. 第2节 地下水的主要物理化学性质 • 总溶解固体（TDS）（矿化度） • 地下水中所含种离子、分子与化合物的总量。(g/L） （Total Dissolved Solids—TDS） • 习惯上以1050—110℃时将水干所得的涸残余物总量。 因此 ⑴ 计算时挥发性成分不计入； ⑵ HCO3-只取重量的半数 • 地下水按TDS的分类 • 德国度（H0）：一个德国度相当于1升水中含有10mgCaO或7.2mgMgO。 • 1meq = 2.8 H0

25. 第2节 地下水的主要物理化学性质

26. 第2节 地下水的主要物理化学性质 • 硬度 • 水中Ca2+、Mg2+的总含量。（meq/L） • 德国度（H0）：一个德国度相当于1升水中含有10mgCaO或7.2mgMgO 1meq = 2.8 H0 • 分类 • 总硬度：水中Ca2+、Mg2+的总含量 • 暂时硬度：水煮沸时因形成碳酸盐沉淀而失去的一部分Ca2+、Mg2+含量 • 永久硬度：水煮沸后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量

27. 第2节 地下水的主要物理化学性质 • 计算 • r[Ca2++Mg2+] ＞ r[HCO3-]时， • 暂时硬度 = r[HCO3-] • 永久硬度 = r[Ca2++Mg2+]-r[HCO3-] • r[Ca2++Mg2+] ＜ r[HCO3-]时， • 总硬度 = 暂时硬度 = r[Ca2++Mg2+] • 永久硬度 = 0 • 地下水按硬度分类

28. 第2节 地下水的主要物理化学性质

29. 第3节 地下水化学成分的形成作用 • 溶滤作用 • 概念：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中的过程。 • 影响因素： • 组成岩土的矿物盐类的溶解度 • 岩土的空隙特征 • 水的溶解能力决定着溶滤作用的强度 • 水中CO2、O2等气体成分的含量决定着某些盐类的溶解能力 • 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

30. 第3节 地下水化学成分的形成作用 • 浓缩作用 • 概念：地下水受到蒸发失去水分或流动将溶解物质带到排泄区而使地下水中盐分浓缩的过程。 • 条件： • 干旱或半干旱的气候； • 低平地势控制下较浅的地下水位埋深，有利于毛细作用的颗粒细小的松散岩土 。 • 特点： • 不仅使地下水的矿化度提高，也使水的化学（成分）类型发生改变。

31. 第3节 地下水化学成分的形成作用 • 脱碳酸作用 • 概念：水中CO2的溶解度受环境的温度和压力控制。CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。 • 结果： • 地下水中HCO3-及Ca2+、Mg2+减少，矿化度降低 ； • 深部地下水上升成泉，泉口往往形成钙华。 • Ca2++ 2HCO3-→CO2↑+ H2O+ CaCO3↓ • Mg2++2HCO3-→CO2↑+ H2O+ MgCO3↓

32. 第3节 地下水化学成分的形成作用 • 脱硫酸作用 • 在还原环境中，当有机质存在时，脱硫酸细菌能使SO42-还原为H2S 。 • SO42-+2C+2 H2O→H2S+2HCO3- • 在岩石含有有机物质的情况下，碳氢化合物也可使硫酸盐还原。

33. 第3节 地下水化学成分的形成作用 • 阳离子交替吸附作用 • 概念：一定条件下，颗粒将吸附地下水中的某些阳离子，而将原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，即为阳离子交替吸附作用。 • 影响因素： • 岩土颗粒的比表面积 • 阳离子吸附于颗粒表面的能力： • H+＞Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+ • 地下水中某种离子的相对浓度。

34. 第3节 地下水化学成分的形成作用 • 混合作用 • 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，便是混合作用。 • 影响地下水化学成分形成的因素 三大类：自然地理因素（气候、水文、地形、植物） 地质因素（岩性、地质构造等） 人为因素 • 这些因素的错综组合决定着地下水化学成分形成的方向及其分布规律。

35. 第3节 地下水化学成分的形成作用 • 岩性：可溶成分溶于水，使水中富含这些可溶成分； 难溶成分通过风化溶解进入水中，对地下水成分产生影响。 • 地质构造： 隆起构造地区，溶滤作用为主，形成低矿化水； 封闭的向斜构造地区发生浓缩作用使矿化度增高；

36. 第3节 地下水化学成分的形成作用 • 气候：潮湿地区降雨量大，地下水矿化度常较低； 干旱的沙漠、半沙漠地区蒸发强，矿化度高。 • 水文因素： 反映在地表水与地下水的补排关系上。 • 地形：高山地区地形切割强烈，地下水循环交替快，矿化度低；平原地区地下水流动慢，矿化度高。

37. 第3节 地下水化学成分的形成作用 • 植物： • 人类活动的影响： • 人类生活与生产活动产生的废弃物污染地下水； • 人为作用大规模地改变了地下水形成条件，从而使地下水化学成分发生变化； • 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量很低的有害元素，如酚、汞、砷、铬、亚硝酸等。

38. 第4节 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的。地下水起源于地球深部层圈。但从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成因类型： • 溶滤水 • 概念：富含CO2与O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。

39. 第4节 地下水化学成分的基本 成因类型 • 影响化学成分的因素： • 岩性。石灰岩、白云岩分布地区地下水中HCO3-、Ca2+和Mg2+为主要成分；含石膏的沉积岩地区地下水中SO42-和Ca2+均较多。但注意不能一概而论。 • 气候。在潮湿气候地区，尽管原来地层中所含的组分完全不同，但其浅表部在丰沛降水的充分淋滤下，最终很可能形成低矿化的重碳酸水； 而干旱气候下平原盆地的排泄区，水分不断蒸发，浅部地下水盐分不断积累，不论岩性有何差异，最终都将形成高矿化的氯化物水。 在大范围上，溶滤作用受控于气候，显示分带性。

40. 第4节 地下水化学成分的基本 成因类型 • 地形。往往会干扰气候控制的分带性： • 切割强烈的山区，局部流动系统发育，水交替迅速，即使在干旱地区也不发生浓缩作用而形成以难溶离子为主的地下水。 • 地势低平的平原与盆地，水交替缓慢，地下水矿化度与含易溶离子均较高。 • 绝大多数地下水属于溶滤水，包括潜水和承压水。 • 位置较浅或构造开启性好的含水系统，溶滤作用发育，多形成低矿化的重碳酸盐水；构造封闭性好，位置较深的含水系统，则形成矿化度较高，易溶离子为主的地下水。

41. 第4节 地下水化学成分的基本 成因类型 • 沉积水 • 概念：指与沉积物大体同时生成的古地下水。 • 同生沉积水和后生沉积水： • 内生水 • 概念：参与地球深部地质作用的地下水。如： 火山喷发作用带出的来自地幔高温高压的岩浆 • 直接分异出来的“初生水”或“再生水”； • 源于深部层圈的高温热泉水； • 岩浆作用和变质作用产生的水；

42. 第5节 地下水化学成分的分类图示 • 地下水化学成分分析的内容 • 简分析：用于了解区域地下水化学成分及其变化规律。 • 分析项目： ⑴ 物理性质 • ⑵ 定量分析的有常见组分、PH值等 • 定性分析的有NO3-、NO2-、NH4+、 Fe2+、Fe3+、H2S、耗氧量等。 • 特点：分析项目少，精度要求不高。 • 全分析：全面了解地下水化学成分。在简分析的基础上选择有代表性的水样进行。

43. 第5节 地下水化学成分的分类图示 • 分析项目：定量分析的包括上述简分析中的所有成分。 • 特点：分析项目多，精度要求高。 • 专项分析: • 内容随具体任务的需要而定：生活用水水质评价，需进行有毒元素（As、Sb、Pb、Hg、Cr6+、F-、氰化物）、细菌分析等；工业锅炉用水要测定地下水的硬度等；工程建设中遇到地下水，需进行侵蚀性测定，等等。

44. 第5节 地下水化学成分的分类图示 • 地下水化学成分的表示方法 • 用mg/L表示； • 用meq/L表示； • 用meq/L（%）表示； • 用库尔洛夫表示式表示； • 用派珀（ Piper ）三线图表示：

45. 第5节 地下水化学成分的分类图示 • 地下水化学成分的分析资料整理： • 库尔洛夫式： 阴离子毫克当量%（含量＞10%由大到小顺序排列） 阳离子毫克当量%（含量＞10%由大到小顺序排列） 根据库尔洛夫式可对水进行命名，也便于将不同水进行比较。命名时，含量＞25%毫克当量的参加命名， 先读阴离子，后读阳离子；先读含量少的，后读含量多的。 例：根据水分析资料，某温泉水的总矿化度3.27g/L，各主要离子成分的毫克当量百分数如下：CL-占84.76%，SO42-占14.34%，HCO3-占0.78%；Na+占71.63%，Ca2+27.78%，Mg2+占0.59%。H2S为20.8mg/L，游离CO2为31mg/L，H2SO3为700mg/L，水温52℃。用库尔洛夫式表示。 CL84.76 SO414.34 Na71.63 Ca27.78 命名为：氯化钙钠水 • 地下水化学类型的分类： • 舒卡列夫分类：根据地下水中六种主要离子（K+合并于Na+中）及矿化度划分，含量＞25%毫克当量的阴、阳离子进行组合，分为49型水。矿化度分为4组：A组＜1.5g/L，B组1.5--10g/L ，C组10--40g/L ，D组＞40g/L。 微量元素、气体成分、矿化度（g/L) 水温 H 2SO 3 0.7H2S 0.021 CO 2 0. 031M 3.27 t。52

46. 第5节 地下水化学成分的分类图示 • 水化学分析资料整理 • 二、各种离子浓度单位的换算 • 1.离子的毫克当量浓度(meq/L): • 离子的毫克浓度(mg/L) • 离子毫克当量浓度(meq/L) = • 离子的毫克当量 • 2.离子的毫克当量百分数浓度(meq%): • 该离子毫克当量浓度(meq/L) • 某阴(阳)离子毫克当量百分数(meq%) = ×100% • 阴(阳)离子毫克当量浓度总和 • 3.离子的毫摩尔浓度(mmol/L): • 离子的毫克浓度(mg/L) • 离子的毫摩尔浓度(mmol/L) = • 离子的毫摩尔质量(mg/mmol)

47. 离子当量=离子量（原子量）/离子价 离子毫克当量数=离子的毫克数/ 离子的当量 毫当量与毫摩的换算法 mEq ＝mg×离子价÷分子量＝mmol×离子价 mmol＝mg÷分子量×离子价＝mEq÷离子价

48. 第5节 地下水化学成分的分类图示 • 4.离子的毫摩尔百分数浓度(mmol%) • 该离子毫摩尔浓度(mmol/L) • 某阴(阳)离子毫摩尔百分数浓度(mmol%) = ×100% • 阴(阳)离子毫摩尔浓度总和 • 5.离子的毫克当量百分数浓度与离子的毫摩尔百分数浓度的换算 • X-(+) meq × X-(+)meq/L • X-(+) mmol% = ×100% • X-(+) mmol × ∑Xi-(+)mmol/L • X-(+) mmol × X-(+)mmol/L • X-(+) meq% = ×100% • X-(+) meq × ∑ Xi-(+)meq/L • 式中：X-(+)为某种阴(阳)离子。ΣX-i(+) 为阴(阳)离子总和。

49. 第5节 地下水化学成分的分类图示 三、水化学分析结果误差检验 根据水中各成分化合当量相等原理, 水中阴、阳离子当量总数应当相等。因此, 由下面式子就可检验水分析结果的可靠程度： ∑k — ∑a e = ×100% ∑k + ∑a 式中：e 为分析误差值; ∑k 为阴离子总含量(meq%); ∑a 为阳离子总含量(meq%)。 一般全分析的允许误差<2%, 简分析<5%, 否则结果不能采用。

50. 第5节 地下水化学成分的分类图示 四、水的硬度 1、总硬度(H) 为水中钙、镁离子含量的总和。可由德国度(Hº)或mg/L表示： H = [ Ca2+ ] + [ Mg2+ ] 2、暂时硬度 根据钙、镁离子与重碳酸根离子的当量关系可知： (1)、当r(Ca2+ + Mg2+) ≤ rHCO3- 时, 暂时硬度等于总硬度。 (2)、当r(Ca2+ + Mg2+) > rHCO3- 时, 暂时硬度等于重碳酸根浓度, 即rHCO3-。 3、永久硬度 永久硬度 = 总硬度 —暂时硬度