水文地质学基础(课件)-中国地质大学(武汉)06_地下水的物理性质与化学性质

6.2 地下水的物理性质
6.2.2 温度
埋藏在不同深度的地下水，其温度变化规律不同。根据受热 源影响的不同，地壳表层可分为变温带、常温带及增温带。
变温带——受太阳辐射影响的地表极薄的带。近地表的地下水温 度受气温的影响较大，具有周期性的昼夜变化和季节变化：
温度具有昼夜变化的地下水，其埋藏深度一般在3-5m (1-2m)以内，
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。
人类活动对地下水物理性质和化学性质的影响，在时间上虽然非 常短，然而，在许多情况下这种影响已经深刻地改变了地下水的 面貌！
在实际生产和科研工作中，对地下水的物理性质 和化学性质的研究，有着重要意义：
阐明地下水的起源与形成； 揭示许多地质过程； 水质评价。 研究地下水中化学元素的时空分布特征和迁移转化 规律的学科是——水文地球化学。
度最小；钙的硫酸盐，特别是钙、镁 的碳酸盐的溶解度最小。
盐类 NaCl
溶解度 (0℃，g/L)
350
随着矿化度的增加，钙镁的碳 酸盐首先达到饱和析出，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
KCl 290
MgCl2 CaCl2 Na2SO4 MgSO4 CaSO4
6.2.3 颜色
地下水的颜色主要由其成分和悬浮于其中的杂质所决定： 一般的地下水为无色； 含硫化氢气体的水，在氧化后由于有硫磺胶体产生，故常呈翠绿色； 硬度大的水为浅蓝色，含氧化亚铁的水呈浅蓝绿色，含氧化铁的水 呈褐红色；
含腐殖质的水多呈暗黄褐色。
含有悬浮杂质的水，其颜色决定于悬浮物的颜色，颜色深浅则取 决于悬浮物的多少。
分级
说
明
透明的 无悬浮物，60cm水深可见3mm的粗线
微浊的 有少量悬浮物，大于30cm水深可见3mm的粗线
浑浊的 有较多的悬浮物，小于30cm水深可见3mm的粗线
极浊的 有大量的悬浮物，水深很小也不能看见3mm的粗线
6.2 地下水的物理性质
6.2.5 嗅(气味) 地下水的气味取决于它所含有的气体成分与有机物质的气
水的酸碱度通常用pH值来表示。pH值是水中氢离子浓度值 的负对数值，即：
pH=-lg[H+]
当[H+]为10-7，pH=7，说明水为中性； 当[H+]大于10-7，pH<7，说明水呈酸性反应； 当[H+]小于10-7，pH>7，说明水呈碱性反应。
按照pH值，可将地下水分为强酸性、弱酸性、中性、弱碱性、 强碱性五类，见下表。
某些元素通过原子核衰变自发地放出α 或β射线(有时还放出γ射线)的性质。
6.3 地下水的化学特征
6.3.1 地下水的化学成分
地下水是一种复杂的天然水溶液，含有各种气体、离子、胶 体物质、有机质以及微生物等。
6.3.1.1 主要气体成分
地下水中常见的气体成分有O2、N2、CO2、CH4、H2S，尤其以前 三种为主。
地下水的酸碱度 水的类别 pH值 强酸性水 <5 弱酸性水 5-7 中性水 7 弱碱性水 7-9 强碱性水 >9
地下水pH值一般用离子酸度计进行，也可用试纸做简易测定。
6.3.3.2 地下水的硬度 地下水中含有大量Ca+、Mg2+时，对生活和工业用水都较大的
影响： 用硬水洗衣，肥皂气泡少，造成浪费； 用硬水煮饭做菜，不易煮熟；
纯水中的氢离子是由水分子离解产生的。水的离解度很小，在 水温22℃时，一千万(107)个水分子中仅有一个水分子离解成一个 氢离子(H+)和一个氢氧离子(OH-)，这时水的离子浓度积为10-14。
在纯水中，H+和OH-的浓度是相等的，均为10-7，水呈中性 反应；
当水中H+的浓度大于OH-的浓度，水呈酸性反应； 当水中H+的浓度小于OH-的浓度，水呈碱性反应。
6.3 地下水的化学特征
6.3.2 地下水化学成分表示式
为了明确地反映水的化学特点，可采用库尔洛夫表示。
将阴阳离子分别标注在横线上下，按毫克当量百分数自大而小 顺序排列，小于10%的离子不予表示。横线前依次表示气体成分、 特殊成分及矿化度(以字母M为代号)，三者单位均为g/L，横线后为 以字母t为代号表示摄氏计的温度。例如：
地壳中含量高、且比较容易溶于水中的元素(O2、Ca、Mg、 Na、K)；或者地壳中含量虽不大、但极易溶于水中的元素(Cl、 以SO42-形式出现的S)，以这些元素构成的离子在地下水中的含量 比较多。
在地壳中含量很大的一些元素(Si、Al、Fe)，但由于其难溶 于水，以这些元素构成的离子在地下水中含量通常不大。
矿化度变化与离子成分之间的对应关系
矿化度的变化
高
中
低
主要离子 阴离子
Cl-
SO42-
HCO3-
成分变化 阳离子
Na+
Na+或Ca2+
Ca2+、Mg2+
矿化度与离子成分具有对应关系的一个主要原因是水中盐类 的溶解度不同(表6-1)。
总的说来，氯盐的溶解度最大， 硫酸盐的溶解度次之，碳酸盐的溶解
表6-1 地下水中常见盐类的溶解度
6.3.1.3 其它成分
次要离子成分：H+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、NH4+、OH-、NO2-、NO3-、 CO32-、SiO32-、PO43-等； 微量组分：有Br、I、F、B、Sr等； 胶体：主要有Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等； 有机物：以胶体方式存在于地下水中； 微生物。
由于在蒸干时，有将近一半的HCO3-分解生成CO2和H2O而逸失，因此阴阳 离子相加时， HCO3-只取重量的一半。
按照矿化度可将地下水分为淡水、微咸水、咸水、盐水及 卤水五类，见下表。
地下水按矿化度的分类
地下水类别 矿化度(g/L)
淡水
<1
微咸水
1-3
咸水
3-10
盐水
10-50
卤水
>50
地下水的矿化度变化与其离子成分之间的对应关系。
通常情况下，地下水中的气体含量不高，每升水中的气体成 分只有几毫克到几十毫克。
研究地下水中气体成分的意义在于：
>>说明地下水所处的地球化学环境； >>增强水对岩石的溶解能力，促进某些化学反应。
6.3.1.2 主要离子成分
地下水分布最广，含量最多的有七种离子： Cl-、SO42-、HCO3-，Ca2+、Mg2+、K+、Na+。
矿化度的概念： 存在于地下水中各种离子、分子与化合物的总含量，称为地下水
的矿化度，g/L。其中包括所有呈溶解状态及胶体状态的成分，但不包 括游离状态的气体成分。矿化度表示地下水中含盐量的多少，即地下 水的矿化程度。
矿化度的表征方法： 习惯上以105～110℃时将水蒸干所得的干涸残余物总量来表征； 将分析所得的水中阴阳离子含量相加，求得理论上干涸残物值。
大气降水的矿化度一般为0.02-0.05g/L，海边和干旱地区较 高，分别可达0.1g/L，及n×0.1g/L。
558.1(18℃） 739.1(18℃) 50 270 1.9
化度异常高的地下水中以氯和钙为主。 Na2CO3 193.9(18℃)
MgCO3 0.1
6.4 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。这些水在进入 含水层之前已经含有某些物质：
靠近海岸处的大气降水中，Na+、Cl-含量较高； 内陆的大气降水中，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。
因此，地下水的温度变化范围非常大。
按照温度，通常把地下水分为六类，见下表。
地下水按温度分类
地下水类型 过冷水 冷水 温水 热水 过热水
水温(℃) <0 0-20 20-42 42-100 >100
地下水的温度测定利用温度计就地进行，测定泉水的温度， 应尽量靠近泉的出口，测井水温度时则应靠近井底。
6.2 地下水的物理性质
地下水气味的等级强度
强度 0
程度 无
没有任何气味
说明
Ⅰ 极微弱 有经验分析者能觉察
Ⅱ
弱 注意辨别时一般人能觉察
Ⅲ 显著 易觉察，不加处理不能饮用
Ⅳ
强 引人注意的气味，不适饮用
Ⅴ 极强 具有强烈扑鼻的气味，不能饮用
6.2.6 味(味道、口味)
地下水的味道(口味)取决于它的化学成分： 纯水是淡而无味的； 含氯化钠的水具有咸味，含硫酸钠的水具有涩味，含硫酸镁或 氯化镁的水具有苦味，含氧化亚铁的水具有“墨水味”，含氧 化铁的具有铁锈味； 地下水中含有CO2时清凉可口，含有重碳酸钙、镁及碳酸的水 则美味适口； 大量有机质的存在使地下水具有甜味。
测定地下水的颜色可在试管中进行：
取两个试管，将蒸馏水注入其中一管，地下水注入另一管中。在 管下衬以白纸，自上而下观之，即能比较出地下水的颜色。
6.2 地下水的物理性质
6.2.4 透明度
地下水的透明度取决于水中的固体矿物质、有机物和胶体悬浮 物的含量。
按透明度可将地下水分为四级。
地下水透明度野外分级
地下水各种味道的强弱，取决于其中各种成分的浓度、温度以 及人的味觉神经的敏感性、个人口味的不同。 测定地下水的味道时，应将水加温到20～30℃，这时水的味 道最明显。
6.2 地下水的物理性质
6.2.7 放射性
地下水的放射性取决于其中所含放射性元素的数量。
地下水在不同程度上或多或少地都具有放射性，但一般地下水 的放射性极微弱，埋藏和运动于放射性矿床以及酸性火成山岩分布 的地下水，其放射性显著增强。