地下水的物理性質與化學成分PPT課件

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地下水的物理性質和化學成分,地下水的物理性質和化學成分是地下水與周圍環(huán)境長期相互作用的結果，它是一種重要信息源，研究地下水的物理性質和化學成分可以幫助我們回溯一個地區(qū)的水文地質歷史，闡明地下水的起源和形成。 從實際應用來看，不同的用水目的，對水質要求不同，因此研究地下水的物理性質和化學成分是水質評價的需要。 研究地下水的物理性質、化學成分及其形成，不能從純化學角度，孤立、靜止地研究，必須從水與環(huán)境長期相互作用的角度出發(fā)，去揭示地下水化學演變的內在依據(jù)和規(guī)律。,3.1 地下水的物理性質,地下水的物理性質一般指： 溫度、顏色、透明度、嗅、味、相對密度、 導電性、放射性等。 3.1.1 溫度 地下水的溫度主要來自于地溫。 地殼按熱力狀態(tài)從上而下分為變溫帶、年常溫帶和增溫帶。,變溫帶：地溫受氣溫控制，有晝夜變化和年變化，變幅隨深度增加而減??； 常溫帶：氣溫的影響趨于零的深度。地溫一般略高于所在地區(qū)的年平均氣溫，概略計算時可用所在地區(qū)的年平均氣溫來代替地溫。 常溫帶深度在低緯度地區(qū)為5～10米，中緯度地區(qū)為10～20米； 增溫帶：地溫受地球內部熱力影響，隨深度的增加而有規(guī)律地升高。溫度每增加1℃所需要增加的深度稱為地熱增溫級，一般平均每33m升高1℃。,地下水的溫度與它所處地區(qū)的地溫狀況是相適應的。 增溫帶中地下水溫度計算方法： TH ＝ TB ＋（H－h(huán)）/ G TH－地表以下深度H處的地下水溫度（ ℃ ） TB －所在地區(qū)年常溫帶溫度（ ℃ ） H －地下水所處的嘗試（m） h －年常溫帶深度（m） G －所在地區(qū)的地熱增溫級（m/ ℃ ）,3.1.2 顏色 地下水一般是無色透明的，但有時因含某種離子、富集懸浮物或含膠體物質，也可顯出各種各樣的顏色。例如含亞鐵離子或硫化氫氣體的水為淺藍綠色，含腐殖質或有機物的帶淺黑色，含黑色礦物質或碳質懸浮物的為灰色，含粘土顆?；驕\色礦物質懸浮物的為土色，等等。,3.1.3 透明度 地下水的透明度決定于水中所含鹽類、懸浮物、有機質和膠體的數(shù)量。透明度分為透明、微混濁、混濁和極混濁四級。水深60 厘米時能看見容器底部3 毫米粗的線者為透明；于30～60 厘米深度能看見者為微混濁；30 厘米深度以內能看見者為混濁；水很淺也看不見者為極混濁。,3.1.4 味 地下水的水味來自于水中所溶解的鹽分及氣體成分。如，地下水中含有重碳酸鈣、重碳酸鎂及碳酸時，水味爽快、適口，為“甜水” ；含氯化物的水有咸味；硫酸鈉、硫酸鎂使水變苦，還可引起飲用者嘔吐、腹痛或腹瀉；大量的有機物能使水發(fā)甜味，但不宜飲用，等等。,3.1.5 氣味 地下水的氣味同樣來自于水中所溶解的鹽分及氣體成分。如，含有硫化氫時發(fā)臭雞蛋氣味；含有氧化亞鐵時有鐵腥氣味；含腐植質時有魚腥氣味等。 氣味在40 ℃時最明顯。 3.1.6 導電性 地下水導電性取決于其中所含電解質的數(shù)量與性質。離子含量愈多，離子價愈高，則水的導電性愈強。,3.2 地下水的化學成分 地下水中的化學元素一般以氣體、離子和分子狀態(tài)存在。 3.2.1 地下水中常見的化學成分 1.氣體 地下水中溶解的氣體主要有CO2、O2、N2、CH4、H2S，還有少量的惰性氣體和H2、CO 等。 （1）O2、N2（來源：大氣） O2含量高，表明地下水所處的地球化學環(huán)境為氧化環(huán)境 ； N2的單獨存在表明地下水起源于大氣并處于還原環(huán)境。,（2）H2S、CH4 與有機物、微生物的生物化學過程有關；表明地下水所處的地球化學環(huán)境為還原環(huán)境。 （3）CO2 來源：土壤（植物的呼吸作用、有機質的發(fā)酵作用 、碳酸巖鹽的高溫分解、化石燃料） 含量愈高，其溶解碳酸鹽巖與對結晶巖進行風化作用的能力愈強。,研究意義 指示地下水所處的地球化學環(huán)境； 影響地下水的溶解能力； O2、CO2↑，地下水對巖石礦物的溶解能力↑。 決定地下水的利用價值。,2. 地下水中的主要離子成分 地下水中占主要地位的離子有七種： （1）氯離子 幾乎存在于所有地下水中，含量一般較大，由每升數(shù)毫克到數(shù)百毫克，是高含鹽量水中的主要陰離子。 來源：地下水溶解鹽巖及含氯化物的其它礦物；海水入侵。 特點：不被細菌及植物所攝取，不被土顆粒表面吸附，不易沉淀析出，是地下水中最穩(wěn)定的離子。,（2）硫酸根離子 總含量僅次于氯離子，每升可達數(shù)克。 來源：地下水溶解石膏及其他硫酸鹽類沉積巖或含硫礦物。 （3）重碳根離子 是地下水中普遍存在的陰離子，但含量一般不超過 1 g/L。以重碳酸根為主要成分的地下水含鹽量較低，一般均為淡水。 來源：地下水溶解碳酸鹽類巖石和礦物。,（4）鈉離子 是地下水中分布廣，含量變化最大的陽離子，在高含鹽量地下水中的含量可達數(shù)克到數(shù)百克每升。含大量鈉離子的水用于灌溉，可引起土壤鹽漬化。 來源：地下水溶解鹽巖及含鈉的巖石和礦物。 （5）鉀離子 來源與鈉離子相似，但鉀離子容易為植物所吸收，也容易形成難溶于水的水云母等礦物，且常為土顆粒表面所吸附，所以在地下水中的含量不大。,（6）鈣離子 在地下水中分布很廣，但含量不高，很少超過1g/L，是低含鹽量地下水中的主要陽離子。 來源：地下水溶解碳酸鹽類巖石及礦物。 （7）鎂離子 主要來源于地下水對白云巖及泥灰?guī)r的溶解。鎂鹽的溶解度雖然比鈣鹽大，但鎂離子容易被植物吸收，所以在地下水中的含量一般比鈣離子少。,3.2.2 地下水化學成分的性質 1. 總含鹽量與總溶解固體（TDS） 定義：存在于地下水中的離子、分子和微粒（不包括氣體）之總含量稱為地下水的總食鹽量，通常以 g/L 表示。 通常在105～110 ℃溫度下將水樣蒸干的得干涸殘余物的總量稱為總溶解固體（TDS）。 總溶解固體也可用理論計算： TDS =∑陽離子＋∑陰離子－,地下水的總礦化度M,,定義：地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量稱為總礦化度（總含鹽量），單位g/L。 通常以在105℃—110℃溫度下，將水蒸干所得的干涸殘余物來表征總礦化度（總溶解固體）。 計算方法：M=∑陽離子+∑陰離子- 地下水按礦化度分類,,,2. 氫離子濃度 氫離子濃度常用pH 值表示。pH=7 呈中性反應，pH＜7 呈酸性反應，pH＞7 呈堿性反應。 3. 硬度 水中鈣、鎂離子的總量，稱為水的總硬度。當水煮沸時，一部分鈣鎂離子的重碳酸鹽因失去CO2 而成為碳酸鹽沉淀，沉淀的部分叫做暫時硬度。總硬度減去暫時硬度即為永久硬度。,表示水的硬度的方法有兩種： 德國度，以1 升水中含10 毫克CaO 或7.2毫克MgO為1 度； 目前根據(jù)國家化學分析標準計量要求，硬度按 mg/L（以CaCO3計）表示。 硬度1度＝17.9mg/L（以CaCO3計）,4. 侵蝕性二氧化碳 CaCO3＋H2O＋CO2 ＝ Ca2+＋2HCO3- 呈游離狀態(tài)的、將消耗于溶解碳酸鹽的CO2稱為侵蝕性CO2，它能溶解混凝土中的CaCO3使混凝土的結構遭到破壞。,3.2.3 地下水的化學成分分析與按化學成分的分類,（庫爾洛夫表示式與舒卡列夫分類法）,1. 地下水化學成分的分析與表示,簡分析 分析項目 定量分析：Ca2+、Mg2+、 Cl－、 SO42－、HCO3－、K+ + Na+、 pH值、游離CO2 、硬度和TDS 簡分析分析項目少，分析手段簡單方便，在野外即可進行。 分析目的在于概略了解區(qū)域性的水質成因和變化規(guī)律。,全分析 分析項目 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Fe3+、Fe2+ 、Cl－、SO42－、HCO3－、CO32－、NO3－、NO2－、pH值、游離CO2 、侵蝕性CO2 、耗氧量、H2S、H2SiO3、硬度和TDS。 分析目的 對水源地水質進行全面評價，分析研究水源地水質變化規(guī)律。,庫爾洛夫表示式是以類似數(shù)學分式的形式來表示地下水化學成分。其方法為： 1、將陰、陽離子分別標示在橫線上、下, 按毫克當量百分數(shù)自大而小的順序排列, 小于10%的離子不予標示。 2、橫線前依次標示氣體成分、特殊成分及礦化度(用M表示), 單位均為g/L。 3、橫線后以字母t為代號, 表示水溫, 單位為℃ 。 4、式中各成分含量一律標于該成分符號的右下角, 原子數(shù)則移至右上角。,舒卡列夫的水化學類型分類 1、根據(jù)水中各陰、陽離子含量, 將大于25%毫克當量百分數(shù)的離子參加分類命名。陰離子在前, 陽離子在后, 含量大的在前, 含量小的在后, 中間用短橫線相連來對地下水化學類型進行命名。 共分49種類型, 每型用一個阿拉伯數(shù)字表示。,2、根據(jù)礦化度大小, 將地下水分為四組：A組為礦化度40g/L。 3、各水型的代號在前, 礦化度劃分的組在后。,3.3 地下水化學成分的形成與演變,3.3.1 原始成分的影響 地下水繼承了各種補給源的原始化學成分。 3.3.2 地下水化學成分的形成作用 溶濾作用 濃縮作用 陽離子交替吸附作用 脫碳酸作用 脫硫酸作用 混合作用,,溶濾作用 在水與巖土相互作用下，巖土中一部分物質轉入地下水中，稱為溶濾作用。 作用結果 巖土失去一部分可溶物質，地下水獲得新的成分。 影響溶濾作用強度的因素 組成巖土的礦物鹽類的溶解度； 巖土的空隙特征； 水的溶解能力（低礦化水溶解能力強）； 水中O2、CO2等的含量； 地下水的徑流與交替強度。,,濃縮作用 地下水受到蒸發(fā)失去水分或流動將溶解物質帶到排泄區(qū)而使地下水中鹽分濃縮的作用。 產生條件： 干旱或半干旱的氣候； 低平地勢控制下較淺的地下水位埋深，有利于毛細作用的顆粒細小的松散巖土； 集中排泄的地帶。 特點： 不僅使地下水的礦化度提高，也使地下水的化學類型發(fā)生改變。,水化學分帶,,,,,SO42-,HCO3-,Cl-,SO42-,HCO3-,Cl-,,礦化度升高,SO42-,HCO3-,Cl-,陽離子交替和吸附作用 一定條件下，顆粒將吸附地下水中的某些陽離子，而將原來吸附的部分陽離子轉為地下水中的組分，即為陽離子交替和吸附作用。 影響因素： 巖土顆粒的比表面積； 陽離子吸附于顆粒表面的能力； 地下水中某些離子的相對濃度。 混合作用 成分不同的兩種水匯合在一起，形成化學成分與原來兩者都不相同的地下水，稱為混合作用。,,脫碳酸作用 水中CO2的溶解度受環(huán)境溫度和壓力控制， CO2的溶解度隨溫度升高或壓力降低而減小，一部分CO2便成為游離CO2從水中逸出，這便是脫碳酸作用。,,脫碳酸作用的結果 HCO3- 、 Ca2+ 、 Mg2+減少; 礦化度降低。 深部地下水上升成泉，泉口附近形成的鈣華就是脫碳酸作用的結果。,,,脫硫酸作用 在還原環(huán)境中，當有有機質存在時，脫硫酸細菌能使SO42-還原為H2S ，這種作用稱為脫硫酸作用。,,脫硫酸作用的結果 SO42-減少以至消失; HCO3-增加; pH值變大。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,氧化作用,還原作用,脫硫酸,交替吸附,脫碳酸,濃縮,混合,溶濾作用,不同位置發(fā)生的水化學作用不同,3.4 地下水化學特征與為類生存的關系,在天然狀態(tài)下，水中存在的有害物質或缺乏某些人體所必需的物質問題，稱之為第一類環(huán)境地質問題或原生的環(huán)境地質問題。 由于人為污染生成的水中有害物質稱之為第二類環(huán)境地質問題或次生環(huán)境地質問題。,3.4.1 地下水中化學成分天然分布不均勻 對人體的影響 粗脖子?。谞钕倌[） 病因：飲用水中缺碘 一般認為，只要飲用水中的含碘量大于5μg/L就基本不會發(fā)生甲狀腺腫；當水中含碘量在3μg/L以下時，則要普遍發(fā)生。 地下水中的含碘量與地形地貌有一定關系：山區(qū)地下水中的含碘量常常比平原區(qū)低；平原區(qū)地下水中的含碘量由山前向平原逐漸增高。,大骨節(jié)病與克山病 病因：缺鈣、硫、硒等元素；飲用水中含過量的 腐殖酸。 慢性氟中毒 3.4.2 地下水污染及其與人類生存的關系,