地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)成分PPT課件

地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分,地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分是地下水與周圍環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果，它是一種重要信息源，研究地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分可以幫助我們回溯一個(gè)地區(qū)的水文地質(zhì)歷史，闡明地下水的起源和形成。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，不同的用水目的，對(duì)水質(zhì)要求不同，因此研究地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分是水質(zhì)評(píng)價(jià)的需要。研究地下水的物理性質(zhì)、化學(xué)成分及其形成，不能從純化學(xué)角度，孤立、靜止地研究，必須從水與環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的角度出發(fā)，去揭示地下水化學(xué)演變的內(nèi)在依據(jù)和規(guī)律。,3.1 地下水的物理性質(zhì),地下水的物理性質(zhì)一般指： 溫度、顏色、透明度、嗅、味、相對(duì)密度、 導(dǎo)電性、放射性等。 3.1.1 溫度 地下水的溫度主要來(lái)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小；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(jì)算時(shí)可用所在地區(qū)的年平均氣溫來(lái)代替地溫。 常溫帶深度在低緯度地區(qū)為510米，中緯度地區(qū)為1020米；增溫帶：地溫受地球內(nèi)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?zé)嵩鰷丶?jí)，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(yīng)的。增溫帶中地下水溫度計(jì)算方法： TH TB （Hh）/ 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?zé)嵩鰷丶?jí)（m/ ）,3.1.2 顏色 地下水一般是無(wú)色透明的，但有時(shí)因含某種離子、富集懸浮物或含膠體物質(zhì)，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(lán)綠色，含腐殖質(zhì)或有機(jī)物的帶淺黑色，含黑色礦物質(zhì)或碳質(zhì)懸浮物的為灰色，含粘土顆粒或淺色礦物質(zhì)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(jī)質(zhì)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(jí)。水深60 厘米時(shí)能看見(jiàn)容器底部3 毫米粗的線者為透明；于3060 厘米深度能看見(jiàn)者為微混濁；30 厘米深度以內(nèi)能看見(jiàn)者為混濁；水很淺也看不見(jiàn)者為極混濁。,3.1.4 味 地下水的水味來(lái)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(shí)，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(jī)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(lái)自于水中所溶解的鹽分及氣體成分。如，含有硫化氫時(shí)發(fā)臭雞蛋氣味；含有氧化亞鐵時(shí)有鐵腥氣味；含腐植質(zhì)時(shí)有魚(yú)腥氣味等。 氣味在40 時(shí)最明顯。3.1.6 導(dǎo)電性 地下水導(dǎo)電性取決于其中所含電解質(zhì)的數(shù)量與性質(zhì)。離子含量愈多，離子價(jià)愈高，則水的導(dǎo)電性愈強(qiáng)。,3.2 地下水的化學(xué)成分 地下水中的化學(xué)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(jiàn)的化學(xué)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(lái)源：大氣） O2含量高，表明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境為氧化環(huán)境 ； N2的單獨(dú)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(jī)物、微生物的生物化學(xué)過(guò)程有關(guān)；表明地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境為還原環(huán)境。（3）CO2 來(lái)源：土壤（植物的呼吸作用、有機(jī)質(zhì)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(duì)結(jié)晶巖進(jìn)行風(fēng)化作用的能力愈強(qiáng)。,研究意義 指示地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境；影響地下水的溶解能力； O2、CO2，地下水對(duì)巖石礦物的溶解能力。決定地下水的利用價(jià)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(lái)源：地下水溶解鹽巖及含氯化物的其它礦物；海水入侵。 特點(diǎn)：不被細(xì)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?jī)H次于氯離子，每升可達(dá)數(shù)克。 來(lái)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(guò) 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(lái)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(yáng)離子，在高含鹽量地下水中的含量可達(dá)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(lái)源：地下水溶解鹽巖及含鈉的巖石和礦物。（5）鉀離子 來(lái)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(guò)1g/L，是低含鹽量地下水中的主要陽(yáng)離子。 來(lái)源：地下水溶解碳酸鹽類巖石及礦物。（7）鎂離子 主要來(lái)源于地下水對(duì)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(xué)成分的性質(zhì)1. 總含鹽量與總?cè)芙夤腆w（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105110 溫度下將水樣蒸干的得干涸殘余物的總量稱為總?cè)芙夤腆w（TDS）。 總?cè)芙夤腆w也可用理論計(jì)算： TDS =陽(yáng)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105110溫度下，將水蒸干所得的干涸殘余物來(lái)表征總礦化度（總?cè)芙夤腆w）。計(jì)算方法：M=陽(yáng)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(yīng)，pH7 呈酸性反應(yīng)，pH7 呈堿性反應(yīng)。3. 硬度 水中鈣、鎂離子的總量，稱為水的總硬度。當(dāng)水煮沸時(shí)，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(shí)硬度?？傆捕葴p去暫時(shí)硬度即為永久硬度。,表示水的硬度的方法有兩種：德國(guó)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(guó)家化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量要求，硬度按 mg/L（以CaCO3計(jì)）表示。 硬度1度17.9mg/L（以CaCO3計(jì)）,4. 侵蝕性二氧化碳 CaCO3H2OCO2 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(jié)構(gòu)遭到破壞。,3.2.3 地下水的化學(xué)成分分析與按化學(xué)成分的分類,（庫(kù)爾洛夫表示式與舒卡列夫分類法）,1. 地下水化學(xué)成分的分析與表示,簡(jiǎn)分析 分析項(xiàng)目 定量分析：Ca2+、Mg2+、 Cl、 SO42、HCO3、K+ + Na+、 pH值、游離CO2 、硬度和TDS簡(jiǎn)分析分析項(xiàng)目少，分析手段簡(jiǎn)單方便，在野外即可進(jìn)行。分析目的在于概略了解區(qū)域性的水質(zhì)成因和變化規(guī)律。,全分析 分析項(xiàng)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(duì)水源地水質(zhì)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，分析研究水源地水質(zhì)變化規(guī)律。,庫(kù)爾洛夫表示式是以類似數(shù)學(xué)分式的形式來(lái)表示地下水化學(xué)成分。其方法為：1、將陰、陽(yáng)離子分別標(biāo)示在橫線上、下, 按毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)自大而小的順序排列, 小于10%的離子不予標(biāo)示。2、橫線前依次標(biāo)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(hào), 表示水溫, 單位為 。4、式中各成分含量一律標(biāo)于該成分符號(hào)的右下角, 原子數(shù)則移至右上角。,舒卡列夫的水化學(xué)類型分類1、根據(jù)水中各陰、陽(yáng)離子含量, 將大于25%毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)的離子參加分類命名。陰離子在前, 陽(yáng)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(lái)對(duì)地下水化學(xué)類型進(jìn)行命名。共分49種類型, 每型用一個(gè)阿拉伯?dāng)?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(hào)在前, 礦化度劃分的組在后。,3.3 地下水化學(xué)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(bǔ)給源的原始化學(xué)成分。3.3.2 地下水化學(xué)成分的形成作用 溶濾作用 濃縮作用 陽(yáng)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(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中，稱為溶濾作用。 作用結(jié)果 巖土失去一部分可溶物質(zhì)，地下水獲得新的成分。 影響溶濾作用強(qiáng)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(qiáng)）； 水中O2、CO2等的含量； 地下水的徑流與交替強(qiáng)度。,濃縮作用 地下水受到蒸發(fā)失去水分或流動(dòng)將溶解物質(zhì)帶到排泄區(qū)而使地下水中鹽分濃縮的作用。產(chǎn)生條件： 干旱或半干旱的氣候； 低平地勢(shì)控制下較淺的地下水位埋深，有利于毛細(xì)作用的顆粒細(xì)小的松散巖土； 集中排泄的地帶。特點(diǎn)： 不僅使地下水的礦化度提高，也使地下水的化學(xué)類型發(fā)生改變。,水化學(xué)分帶,SO42-,HCO3-,Cl-,SO42-,HCO3-,Cl-,礦化度升高,SO42-,HCO3-,Cl-,陽(yáng)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(yáng)離子，而將原來(lái)吸附的部分陽(yáng)離子轉(zhuǎn)為地下水中的組分，即為陽(yáng)離子交替和吸附作用。影響因素： 巖土顆粒的比表面積； 陽(yáng)離子吸附于顆粒表面的能力； 地下水中某些離子的相對(duì)濃度?；旌献饔?成分不同的兩種水匯合在一起，形成化學(xué)成分與原來(lái)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(jié)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(jié)果。,脫硫酸作用 在還原環(huán)境中，當(dāng)有有機(jī)質(zhì)存在時(shí)，脫硫酸細(xì)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(jié)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(xué)作用不同,3.4 地下水化學(xué)特征與為類生存的關(guān)系,在天然狀態(tài)下，水中存在的有害物質(zhì)或缺乏某些人體所必需的物質(zhì)問(wèn)題，稱之為第一類環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題或原生的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。由于人為污染生成的水中有害物質(zhì)稱之為第二類環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題或次生環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。,3.4.1 地下水中化學(xué)成分天然分布不均勻 對(duì)人體的影響粗脖子病（甲狀腺腫） 病因：飲用水中缺碘 一般認(rèn)為，只要飲用水中的含碘量大于5g/L就基本不會(huì)發(fā)生甲狀腺腫；當(dāng)水中含碘量在3g/L以下時(shí)，則要普遍發(fā)生。 地下水中的含碘量與地形地貌有一定關(guān)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(guò)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(guān)系,