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1、第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.1 概述,6.2 地下水的物理性质,6.3 地下水的化学特征,6.4 地下水化学成分的形成作用,6.5 地下水化学成分的基本成因类型,6.6 地下水化学成分的分析内容与分类图示,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.1 概述,【水质】指水的适用性，即水的物质成分、物理性状、和化学性质及其对于所有可能的用水目的的其质量适应性的综合特征。,作为水资源，其量和质的属性是不可分割的，没有量的质和没有质的量都是没有资源意义的。,地下水水质在人民生活及国民经济发展中的作用：,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,碘，摄入量过低，会引起甲状腺肿
2、大；氟，氟化物过高，会引起牙齿氟斑，严重的会引起牙齿松动、折断、脱落。过量的氟还会引起骨骼氟中毒，即氟骨病。氟摄入量过低，又会发生龋齿病。硬度，硬度过低，会使心血管疾病的死亡率升高。贡，水俣y病。放射性,1）水质与人体健康,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）水质与农业生产,标准分类本标准根据农作物的需求状况，将灌溉水质按灌溉作物分为三类：一类：水作，如水稻，灌水量800m3/亩年。二类：旱作，如小麦、玉米、棉花等。灌溉水量300m3/亩年。三类：蔬菜，如大白菜、韭菜、洋葱、卷心菜等。蔬菜品种不同，灌水量差异很大，一般为200500m3/亩。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其
3、演变,2）水质与农业生产,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）水质与农业生产,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2）水质与农业生产,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3）水质与工业生产,冷却用水：较低温度，盐类及硬度，浑浊度，硫化氢，酸碱类腐蚀性成分。蒸汽锅炉用水：水质硬度足够小。,生产技术用水：纺织工业要求硬度小；淀粉工业要求不能有毒性和着色成分；酿制啤酒用水不能有硫酸钙存在，以保障麦芽发酵；葡萄酒酿造不允许含有氯化钙和氯化镁，以免影响酵母菌的生长；制糖用水不得含有腐败物质且矿化度要小。工程建筑：具有侵蚀性的天然水对混凝土及金属结构体会产生溶滤、分解及结晶膨胀
4、等侵蚀破坏作用。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,4）水文地球化学找矿,围绕盐矿、油田以及金属矿床，往往形成特定化学元素的分散晕圈，可以作为找矿标志。,5）含有大量盐类的地下水是宝贵的工业原料Br/溴xi：用于水的纯化（游泳池），制二溴乙烯（汽油抗爆震音）、阻燃剂以及其它一些溴代有机化合物。B/硼png：和钛钨一起制轻质抗热合金，也用于抗热玻璃的制造，眼睛消毒液的配制。Sr/锶s：用于焰火，具有洋红色火焰。也用于核能电池。 6）某些具有特殊物理性质与化学成分的水具有医疗意义,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,“地下水的功能主要包括：资源、生态环境因子、灾害因子、地质营力与
5、信息载体。”,地下水的化学成分是地下水与环境自然地理、地质背景以及人类活动长期相互作用的产物。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。,研究地下水的化学成分，可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。,7）信息载体,污染物在地下水中散布，同样也会形成晕圈。这对于查明有关物质的迁移、分散规律，确定污染源的位置很有帮助。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.2 地下水的物理性质,地下水的物理性质反映了溶解和悬浮在水中的物质成分和其所处的地质环境，也是水质评价的直接指标。,地下水的物理性质通常是指温度、颜色、味、嗅、透明度、比重、导电性、放射性等。,
6、1）温度,地壳表层有两个热能来源：一个是太阳的辐射，另一是来自地球内部的热流。地壳表层可分为变温带、常温带及增温带。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,变温带,受太阳辐射影响的地表极薄的带。由于太阳辐射能的周期变化，呈现地温的昼夜变化和季节变化。地温的昼夜变化只影响地表以下12m深。变温带的下限深度一般为1530m。此深度地温年变化小于0.1。 常温带 地温一般比当地年平均气温高出1-2。在粗略计算时，可将当地的多年平均气温作为常温带地温。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,增温带,常温带以下，地温受地球内热影响，通常随深度加大而有规律地升高。增温带中的地温变化可用【地温梯
7、度】表示。地温梯度是每增加单位深度时地温的增值，一般以/100m为单位。,温度每升高1所需增加的深度（m）称为【地热增温级】（m/）,一般地区为：33m/,近代火山活动地区为：1m/；如西藏羊八井达到0.3m/,前寒武纪地区为：100m/,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,总结：地下水的温度受其赋存与循环所处的地温控制。处于变温带中的浅埋地下水显示微小的水温季节变化。常温带的地下水水温与当地年平均气温很接近。这两带的地下水，常给人以“冬暖夏凉”的感觉。增温带的地下水随其赋存与循环深度的加大而提高，成为热水甚至蒸汽。如西藏羊八井的钻孔，获得温度为160的热水与蒸汽。,第六章 地下水的物
8、理性质和化学成分及其演变,2）颜色,由于含有某种离子较多，或者富集悬浮物质和胶体物质,3）味,取决于水中溶解的盐类和有机质,二氧化碳清凉可口,重碳酸钙味美可口,氯化钠咸味,硫酸钠涩味,氯化镁或硫酸镁苦味,氯化亚铁墨水味,有机质或腐殖质甜味，但不宜饮用,氯化铁铁锈味,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,4）嗅,取决于所含的气体成分与有机物质,硫化氢臭鸡蛋,腐殖质霉味,亚铁离子铁腥味,5）透明度,含有泥沙、腐殖质等的原因,6）比重,因温度、矿化度不同，比重不同,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,7）导电性,因为含有各种离子成分,离子浓度越高，温度越高，导电性越强,根据地下水的导电
9、性，可以区分含水层和隔水层、矿水和淡水，也可以根据导电性圈定富水地带，寻找断裂破碎带,8）放射性,取决于其中放射性物质的含量,地下水按放射性元素的含量（g/L）分为强放射性水，中等放射性水和弱放射性水,以镭为例,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,8）放射性,取决于其中放射性物质的含量,福岛第一核电站运营商东京电力公司发言人松茂直之3月31日说，东电3月30日11时10分从1号反应堆地下15米处采集地下水样本。检测结果显示，每千克样本碘131放射性活度为430贝克勒尔，超过政府规定安全水平1万倍。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,6.3 地下水的化学特征,6.3.1 地下水
10、中主要气体成分,各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等,主要的气体组分：O2、N2、CO2、H2S、CH4、H2、碳氢化合物及少量的惰性气体。来源：空气（O2、N2、CO2）、生物化学（H2S、CH4、N2、CO2），化学及核反应（He、Rn）,气体成分存在的意义：气体成分能够说明地下水所处的地球化学环境；地下水中的有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,1）氧（O2）,溶解于水中的氧称为“溶解氧”，其溶解量随水的矿化度升高、埋藏深度增加、温度升高、大气压力 降低 而 降低。,氧的溶解度,含量分布特征,A）地下水中溶解的含量，一般在
11、015mg/LB）地下水中的O2随深度增加而减少（由于氧化作用耗氧所致）C）缺氧环境各地深度不一，主要取决于地下水与大气的隔离度,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,1）氧（O2）,氧的来源,A）主要来源于大气，O2占大气21%，所以地下水中O2浓度主要取决于地下水与大气的隔离程度；,B）水生植物光合作用释放氧，光合作用把CO2转变为O2,C）放射性作用使水或水中有机物质分解而释出氧。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,氧的水文地球化学作用,A）O2决定地下水的氧化还原状态，从而影响水中元素的迁移。如在含氧多的地下水中，Fe形成高价化合物而从中沉淀；反之，地下水中含O2少，形
12、成低价态化合物而易于在水中迁移B）对金属材料具有侵蚀作用。如自来水管的锈蚀。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2)氮（N2）,来源,A）主要来自大气，N2占大气的78%。B）在封闭缺氧的地质构造，由于去硝化作用将NO3-和NO2-转为N2。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,2)氮（N2）,A）由于N2的化学性质不及氧活泼，它的分布随深度的减少，不及O2明显B）大气中的惰性气体（Ar/氩、Kr/氪、Xe/氙xin）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N,分布特征,第
13、六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,3)硫化氢（H2S）,天然水中，H2S能以溶解气体及硫氢酸的离解形式存在：,地下水中H2S的存在形式,A）在酸性介质中（pH6.5），呈H2S溶解气体的形式存在 B）在碱性介质中（pH7.5），呈HS-形式存在； C）中性介质（pH6.57.5），H2S、HS-各占一部分。,水中H2S衍生物的比例与pH值的关系,由于H2S的二级电离常数极小，所以S2-在水中极少见,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,分布特征,A）一般地下水中含量很少，多在1mg/L以下。B）在油田地下水及现代火山活动区地下水中，H2S含量较高，可达几十g/L几百mg/L。H2
14、S的存在说明地下水处于还原环境。,来源,A）有机物来源：含硫蛋白质的分解，经常出现在生物残骸腐烂的地方。B）无机来源：缺氧条件下，脱硫酸作用使硫酸盐还原分解而产生H2S；火山喷发气体的析出。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,4)二氧化碳（CO2）,基本概念,A）游离CO2,溶解于水中的CO2统称为游离CO2,B）平衡CO2,与HCO3-相平衡的CO2，称为平衡CO2,C）侵蚀性CO2,当水中“游离CO2”，大于“平衡CO2”时，多余部分的CO2对碳酸和金属构件等具有侵蚀性，这部分CO2，即为“侵蚀性CO2”,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,来源,A）空气中的CO2,空气
15、中的CO2按体积只占0.3%，可造成水中0.5mg/L的CO2,B）土壤中生物化学作用的CO2（植物呼吸有有机物分解）,土壤上中各种各样的有机物，在微生物的作用下分解产生CO2如在地下6米深的空气中含7%的CO2，比地面空气中的含量增加很多倍，从而土壤上CO2成为浅部地下水中CO2的主要来源,C）深部地壳中发生的各种变质作用产生的CO2,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,D）幔源碳逸出,E）岩浆分异作用产生的CO2,地幔中含丰富的CO2和CH4等气体，它们可沿切穿地幔的大型断裂构造进入地壳浅部的地下水，其中CH4等碳氢化合物在上升过程中被氧化成CO2,岩浆分异的气体中，CO2仅次于水
16、蒸汽占第2位,分布特征,A）一般地下水中游离CO2为1540mg/L，很少超过150mg/LB）矿泉水中CO2含量很高，几百mg/L至几十 g/L。如：江西崇仁马鞍坪温泉CO2=750mg/L，江西寻乌温泉CO2=1193mg/L。前苏联高加索矿水区，地下1300m深处碳酸水，CO24000mg/LC）现代火山活动区，地下水中CO250010000mg/L。,第六章 地下水的物理性质和化学成分及其演变,碳酸水的利用,A）天然饮料矿泉水：水中CO2大于250mg/L B）碳酸泉：水中CO2大于750mg/L C）碳酸饮料具有良好的医疗作用，增进食欲，改善消化功能等 D）医疗：治疗高血压、冠心病及外伤溃疡。,5)甲烷（CH4）,CH4是最简单的有机物，它可由有机质的各种生物化学作用产生。一般地下水中含量不高，只有在封闭的还原环境的地下水中达到较高含量。,
