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1、第三章地下水的物理性质和化学成分水文地质优秀水文地质优秀自然地理地质背景人类活动水文地质优秀水文地质优秀地下水的物理性质，化学成分和生物化学地下水的物理性质，化学成分和生物化学地下水与环境长期相互作用的结果地下水与环境长期相互作用的结果揭示地下水形成的地质历史条件和过程揭示地下水形成的地质历史条件和过程反映土壤和岩石的影响，揭示矿床及其它地质体反映土壤和岩石的影响，揭示矿床及其它地质体影响岩石的强度，影响了人类对地下水的使用影响岩石的强度，影响了人类对地下水的使用水文地质优秀水文地质优秀水文地球化学主要研究地下水中化学元素迁移，聚集与分散规律，探讨地下水水质的形成理论和地下水化学成分的基本成因
2、类型及其水-岩相互作用规律水文地质优秀水文地质优秀第一节地下水的物理性温度气温变温带受气温的控制呈周期性的昼夜变化和年变化，年常温带是气温的影响趋于零的深度，该带的地温略高于所在地区的年平均气温1-2。增温带随着深度的增加而有规律地升高；地热增温级地热增温级：温度每增加1所需要的深度称为地热增温级，一般为33m/；但各地有很大差别。水文地质优秀水文地质优秀地热腾冲地热水文地质优秀水文地质优秀西藏羊八井地热温泉l l位于藏北羊井草原深处的羊八井地热电厂，是当位于藏北羊井草原深处的羊八井地热电厂，是当今世界唯一利用今世界唯一利用中温浅层热储资源中温浅层热储资源进行工业性发进行工业性发电的电厂。到去
3、年底，共为西藏发电电的电厂。到去年底，共为西藏发电1212亿千瓦小亿千瓦小时，时， 年发电量在拉萨电网中占年发电量在拉萨电网中占4545。水文地质优秀水文地质优秀水文地质优秀水文地质优秀地下水的物理性质颜色颜色：一般地下水是无色的：一般地下水是无色的透明度透明度：一般是透明的，按此分类：透明的，半：一般是透明的，按此分类：透明的，半透明的，微透明的，不透明的透明的，微透明的，不透明的味味：纯水是淡而无味的，水味来源于其中的盐分：纯水是淡而无味的，水味来源于其中的盐分及气体；如重碳酸钙，重碳酸镁及碳酸；氯化物；及气体；如重碳酸钙，重碳酸镁及碳酸；氯化物；硫酸钠和硫酸镁；氧化铁硫酸钠和硫酸镁；氧化
4、铁气味气味：一般地下水是无气味的。如硫化氢，腐殖：一般地下水是无气味的。如硫化氢，腐殖质，氧化亚铁；在质，氧化亚铁；在4040左右左右时气味最显著时气味最显著导电性导电性：取决于水中所含电解质的数量和性质：取决于水中所含电解质的数量和性质放射性放射性：取决于所含放射性元素的数量：取决于所含放射性元素的数量水文地质优秀水文地质优秀第二节地下水的化学成分一、地下水中常见的化学成分一、地下水中常见的化学成分地下水中含有各种地下水中含有各种气体，离子，胶体物质及有机气体，离子，胶体物质及有机物质物质等等各种元素在地下水中的各种元素在地下水中的含量含量主要取决于它们在主要取决于它们在地地壳中的含量壳中的
5、含量及其在及其在地下水中的溶解度地下水中的溶解度。如氧，钙，钾，钠，镁；分布广，溶解度高如氧，钙，钾，钠，镁；分布广，溶解度高如硅，铁；分布广，但溶解度低如硅，铁；分布广，但溶解度低如氯；分布少，但溶解度大如氯；分布少，但溶解度大水文地质优秀水文地质优秀（一）地下水中的气体成分地下水中溶解的气体有地下水中溶解的气体有N N2 2，OO2 2，H H2 2S S，CHCH4 4等等1.1.氧气和氮气：主要来源于大气，随同大气降水补氧气和氮气：主要来源于大气，随同大气降水补给地下水。给地下水。地下水中氧地下水中氧的含量一般约在的含量一般约在014mg/l014mg/l，并随深度的，并随深度的增加而
6、递减增加而递减地下水中的氮气地下水中的氮气可能来源于大气，也可能存在生物可能来源于大气，也可能存在生物起源和变质起源的氮起源和变质起源的氮Ar+Kr+XeN2=0.0118水文地质优秀水文地质优秀1、地下水中含有大量的甲烷时，表明这种水是封闭构造的油田水浅层地下水二氧化碳的来源：大气降水和地表水补给；深层地下水二氧化碳的来源：在地壳深处或火山活动区的碳酸盐类岩石，经高温分解生成二氧化碳而进入水中地下水中含有H2S，说明处于缺氧的还原状态。CaCO3CO2+CaO2、天然气：指与油气田有关的烃类气体；天然气的主要成分是烃类；通常甲烷占优势，并有数量不等的重烃气。水文地质优秀水文地质优秀海上油气田
7、水文地质优秀水文地质优秀（二）地下水中的离子及分子成分阳离子：H，Na，K，NH4 4，Ca，Mg，Fe阴离子：OH，Cl，SO4 4，NO3 3，NO2 2,HCO3 3,CO33主要离子：Na，Ca，Mg，Cl，SO4 4,HCO3 3水文地质优秀水文地质优秀1、氯离子地下水中含量较大，有mg/L到数100g/L。在含盐量较多的地下水中，CI-含量常占优势，因此CI-常是水中含盐量多寡的标志氯离子来源主要是地下水溶解盐岩及含氯化物的其他矿物的结果；海水入侵；工农业和生活污染水文地质优秀水文地质优秀2.硫酸根离子l l含量含量仅次于氯离子，仅次于氯离子，mg/Lg/Lmg/Lg/L；由于；由
8、于CaCa的限制的限制l l主要来源于主要来源于地下水溶解石膏及其他硫酸盐类沉积岩地下水溶解石膏及其他硫酸盐类沉积岩或含硫矿物；工业污染或含硫矿物；工业污染石膏：CaSO.2H,O硬石膏：CaSO水文地质优秀水文地质优秀3、重碳酸根离子l l其含量其含量一般不超过一般不超过1g/L1g/L。l l来源于来源于碳酸盐类矿物；碳酸盐类矿物；l l通常以通常以HCOHCO3 3为主要成分的地下水含盐量较少，为主要成分的地下水含盐量较少，一一般均为淡水般均为淡水水文地质优秀水文地质优秀4、钠离子（Na）含量变化最大的阳离子，mg/L数100g/L；钠离子是地下水溶解盐岩及含钠岩石的结果。含大量钠离子的
9、水用于灌溉，可引起土壤盐渍化。农业灌溉用水的水质评价水文地质优秀水文地质优秀5.钾离子（K）l l来源同钠离子来源同钠离子l l钾盐的溶解度很大，钾盐的溶解度很大，但由于容易被植物吸但由于容易被植物吸收，和容易形成难溶收，和容易形成难溶于水的水云母矿物，于水的水云母矿物，及易被粘土胶体吸收，及易被粘土胶体吸收，因此，地下水中的含因此，地下水中的含量不大量不大水云母：(K,H3O)(Fe,Mg)3AlSi3O10(OH)2水文地质优秀水文地质优秀l l钙离子（钙离子（CaCa）：含量不高，主要是地下水溶解碳酸）：含量不高，主要是地下水溶解碳酸盐类岩石（石灰岩，大理岩，白云岩）的结果，溶盐类岩石（
10、石灰岩，大理岩，白云岩）的结果，溶解度低；解度低；l l镁离子（镁离子（Mg)Mg)：主要是白云岩及泥灰岩溶解的结果；：主要是白云岩及泥灰岩溶解的结果；镁离子容易被植物吸收。镁离子容易被植物吸收。石灰岩：方解石灰岩：方解石石（CaCO3CaCO3）组成组成大理岩：主要矿物大理岩：主要矿物组成为方解石和白组成为方解石和白云石云石白云石，白云石， Ca,Mg(CO3)2Ca,Mg(CO3)2水文地质优秀水文地质优秀二、地下水化学成分的性质评价指标（一）总含盐量和总溶解固体（一）总含盐量和总溶解固体（TDSTDS）总含盐量：总含盐量：存在于地下水中的离子、分子和微粒之存在于地下水中的离子、分子和微粒
11、之总含量称为地下水中的总含盐量，总含量称为地下水中的总含盐量，g/Lg/L总溶解固体（总溶解固体（TDSTDS）：通常在：通常在105105110110温度下温度下将水样蒸干后所得干涸残余物的总量，将水样蒸干后所得干涸残余物的总量，g/Lg/LTDS=总含盐量1/2HCO32HCO3CO3+CO2+H2O水文地质优秀水文地质优秀l l地下水中随着总溶解固体的变化，主要离子的种类也相应地地下水中随着总溶解固体的变化，主要离子的种类也相应地改变；改变；l lTDSTDS低的淡水常以低的淡水常以HCOHCO3 3- -为主要成分；为主要成分；TDSTDS中等的盐质水常中等的盐质水常以以SOSO4 4
12、2-2-为主要成分为主要成分;TDS;TDS高的盐水和卤水常以高的盐水和卤水常以ClCl- -为主要成为主要成分分l l具有这种对应关系，具有这种对应关系， 一个主要原因是水中盐类的溶解度不同一个主要原因是水中盐类的溶解度不同水文地质优秀水文地质优秀（二）氢离子浓度l l地下水的酸性和碱性的程度，取决于水中氢离子地下水的酸性和碱性的程度，取决于水中氢离子浓度的大小。用浓度的大小。用pHpH来表示来表示l l大多数地下水的大多数地下水的pHpH值在值在6.58.56.58.5之间，北方地区多之间，北方地区多为为pH=78pH=78的弱碱性的弱碱性水文地质优秀水文地质优秀PH计水文地质优秀水文地质
13、优秀（三）硬度l l总硬度总硬度：地下水中所有钙离子，镁离子的总含量：地下水中所有钙离子，镁离子的总含量l l暂时硬度暂时硬度：指将水：指将水加热至沸腾加热至沸腾后，由于形成碳酸后，由于形成碳酸盐沉淀而失去的那一部分钙离子和镁离子的数量盐沉淀而失去的那一部分钙离子和镁离子的数量l l永久硬度永久硬度：指水沸腾后仍留在水中的钙离子和镁：指水沸腾后仍留在水中的钙离子和镁离子的含量离子的含量水文地质优秀水文地质优秀单位换算硬度的表示法：mmol/L，meq/L，德国度H；现阶段根据国家化学分析标准计量要求，硬度按mg/L（以CaCO3计）1mmol/L=100mg/L（以CaCO3计）1H=10mg
14、/L（以CaO计）=17.9mg/L（以CaCO3计）meq/L(毫克当量/L)=mmol/LX原子价氯化钙离子价为2,则meq/L=mmol/LX2水文地质优秀水文地质优秀硬度的分类水文地质优秀水文地质优秀（四）侵蚀性二氧化碳（CO2）l l平衡平衡COCO2 2：地下水中维持这一平衡关系的地下水中维持这一平衡关系的COCO2 2l l侵蚀性侵蚀性COCO2 2：游离的，将消耗于溶解碳酸盐的游离的，将消耗于溶解碳酸盐的COCO2 2称称为侵蚀性为侵蚀性COCO2 2水文地质优秀水文地质优秀侵蚀性侵蚀性COCO2 2与水泥或大理石中的碳酸钙反应，形成与水泥或大理石中的碳酸钙反应，形成易溶于水的
15、重碳酸盐，从而使混凝土遭到破坏易溶于水的重碳酸盐，从而使混凝土遭到破坏水文地质优秀水文地质优秀三、地下水的化学成分分析与按化学成分分类（一）地下水的化学成分的分析与表示（一）地下水的化学成分的分析与表示1.1.当进行饮用水源勘察时，应根据国家饮用水水质当进行饮用水源勘察时，应根据国家饮用水水质标准进行分析标准进行分析2.2.作为一般的供水勘察常进行简分析和全分析作为一般的供水勘察常进行简分析和全分析3.3.简分析简分析的项目包括定量分析的项目包括定量分析Ca,Mg,CI,SO4,HCO3,Ca,Mg,CI,SO4,HCO3,pHpH值，游离值，游离CO2,CO2,硬度，硬度，K+NaK+Na和
16、和TDSTDS（1010项）项）4.4.全分析全分析包括（包括（2323项）项）水文地质优秀水文地质优秀地下水化学成分分析结果的表示库尔洛夫表示式库尔洛夫表示式：将：将毫克当量百分数大于毫克当量百分数大于10%10%的的阴阴离子离子按由大到小的次序排列在分子位置，以同样方按由大到小的次序排列在分子位置，以同样方法把法把阳离子阳离子排列在分母为位置上，水中的排列在分母为位置上，水中的TDSTDS（M)M)和和特殊元素特殊元素则以则以g/Lg/L为单位为单位依次排列与公式之前，依次排列与公式之前，水温（水温（t t) )则附于分式之后。则附于分式之后。毫克当量百分数大于毫克当量百分数大于25%25
17、%参加命名。例参加命名。例HCOHCO3 3CaCa水水Br0.002H2S0.01M1.5HCO84SO10Ca73Mg10t1834水文地质优秀水文地质优秀19581961上海地区地下水潜水HCO330Cl21Mg40Ca37Na23M0.592T20第一承压第一承压含水层含水层第三承压第三承压含水层含水层 Cl67HCO333Na84M0.746T20CO342Cl36HCO313Na35Ca15M0.748T20水文地质优秀水文地质优秀（二）地下水按化学成分的分类（二）地下水按化学成分的分类舒卡列夫分类舒卡列夫分类 ：以地下水中最常见的：以地下水中最常见的6 6种离子种离子（HCO3H
18、CO3，SO4SO4，ClCl，CaCa，MgMg，NaNa）为基础，含）为基础，含量超过量超过25%25%毫克当量的离子进行组合，其结果可由毫克当量的离子进行组合，其结果可由4949种化学类型。种化学类型。水文地质优秀水文地质优秀第三节地下水化学成分的形成与演变一一. .原始成分的影响原始成分的影响地下水继承了各种补给源的原始成分地下水继承了各种补给源的原始成分1.1.大气降水补给水：大气降水补给水：TDSTDS低，并含低，并含OO2 2,N,N2 2,CO,CO2 2等气等气体。体。2.2.海水渗入补给水：海水渗入补给水： 高高TDSTDS的的CI-NaCI-Na型水型水3.3.河水渗入补
19、给水：河水渗入补给水： 低低TDSTDS的重碳酸盐型水的重碳酸盐型水4.4.沉积物中埋藏起源的地下水：高沉积物中埋藏起源的地下水：高TDSTDS的的CI-NaCI-Na型水，并含有型水，并含有Br,I,BBr,I,B等微量元素等微量元素水文地质优秀水文地质优秀二.地下水在运动过程中的各种作用（一）溶滤作用：指岩石中的某些可溶部分被溶解转入地下水中而成为溶液的作用1.溶解盐岩：CI,K,Na2.溶解石膏：SO4,Ca,Mg3.溶解石灰岩，白云岩：Ca,Mg,HCO3溶滤作用的强度取决于组成岩土的矿物盐类、岩土的空隙特征、水中的气体成分(例如O2,CO2)、水的流动状况水文地质优秀水文地质优秀（二
20、）浓缩作用指地下水在运动的过程中由于水分不断地蒸发（当埋藏较浅时），地下水中的含盐量便会相对地增加。浓缩的结果：TDS升高，改变地下水的化学类型土壤盐渍化的成因：由于气候干燥，蒸发量大，在地下水浅埋地段，地下水中的盐分随着蒸发而不断向地表迁移聚集水文地质优秀水文地质优秀（三）离子的交换和吸附作用岩石颗粒的表面有较大的表面吸附能（往往带有岩石颗粒的表面有较大的表面吸附能（往往带有负电荷）因此它可以吸附某些阳离子。当地下水负电荷）因此它可以吸附某些阳离子。当地下水与岩石表面接触时，地下水中某些阳离子就会被与岩石表面接触时，地下水中某些阳离子就会被岩石颗粒吸附以代替原来被吸附的阳离子；而原岩石颗粒吸
21、附以代替原来被吸附的阳离子；而原来被吸附在岩石表面的离子则进入地下水中，成来被吸附在岩石表面的离子则进入地下水中，成为地下水新的化学成分为地下水新的化学成分吸附能的强弱：离子价、离子浓度吸附能的强弱：离子价、离子浓度阳离子的交替吸附作用最容易在细颗粒的粘土，阳离子的交替吸附作用最容易在细颗粒的粘土，亚粘土，亚砂土之类的岩石中进行亚粘土，亚砂土之类的岩石中进行水文地质优秀水文地质优秀（四）脱硫酸作用在缺氧的还原环境中地下水含的SO42-在有机物存在的条件下，脱硫细菌作用SO4+2C+2H2OH2S+2HCO3使地下水带有臭鸡蛋味水文地质优秀水文地质优秀（五）脱碳酸作用当地下水在运动过程中由于环境
22、改变使地下水的当地下水在运动过程中由于环境改变使地下水的温度增高或压力减小时，水中的温度增高或压力减小时，水中的COCO2 2便会从水中便会从水中逸出：逸出：2HCO3+CaMgCaCO3MgCO3+CO2+H2O在石灰岩的溶洞中见到的石笋，钟乳石就是这种作用的结果水文地质优秀水文地质优秀鸡冠洞风景区位于河南洛阳栾川县鸡冠洞风景区位于河南洛阳栾川县水文地质优秀水文地质优秀水文地质优秀水文地质优秀第四节不同环境地下水化学特征与人类生存的关系组成人体的元素：组成人体的元素：O,C,H,N,Ca,P,K,S,Na,CI,Mg,FeO,C,H,N,Ca,P,K,S,Na,CI,Mg,Fe（1212种：
23、重量占种：重量占99%99%）；其他微量元素占）；其他微量元素占1%1%人体所需的营养主要来自食物和水分人体所需的营养主要来自食物和水分第一环境地质问题第一环境地质问题（原生环境地质问题）：指在（原生环境地质问题）：指在天然状态下，水中存在的有害物质或缺乏某种人天然状态下，水中存在的有害物质或缺乏某种人体所必需的物质问题体所必需的物质问题第二环境地质问题第二环境地质问题（次生环境地质问题）：由于（次生环境地质问题）：由于人为污染造成的水中有害物质人为污染造成的水中有害物质水文地质优秀水文地质优秀一、地下水中化学成分天然分布不均对人体的影响地方性甲状腺肿地方性甲状腺肿地方性甲状腺肿地方性甲状腺肿
24、该病是世界上最广泛的一种地方病，俗称该病是世界上最广泛的一种地方病，俗称该病是世界上最广泛的一种地方病，俗称该病是世界上最广泛的一种地方病，俗称“ “大粗脖大粗脖大粗脖大粗脖” ”以以以以甲甲甲甲状腺肿大为主要症状状腺肿大为主要症状状腺肿大为主要症状状腺肿大为主要症状，分为分为分为分为缺碘性甲状腺肿和高碘性甲状腺肿缺碘性甲状腺肿和高碘性甲状腺肿缺碘性甲状腺肿和高碘性甲状腺肿缺碘性甲状腺肿和高碘性甲状腺肿。前者前者前者前者主要出现在主要出现在主要出现在主要出现在山区、丘陵地带山区、丘陵地带山区、丘陵地带山区、丘陵地带，是由于自然环境中缺碘，是由于自然环境中缺碘，是由于自然环境中缺碘，是由于自然环
25、境中缺碘所引起，防治方法是补碘；所引起，防治方法是补碘；所引起，防治方法是补碘；所引起，防治方法是补碘；高碘性甲状腺肿高碘性甲状腺肿高碘性甲状腺肿高碘性甲状腺肿多见于多见于多见于多见于海滨地区海滨地区海滨地区海滨地区，因食用高碘食物或饮用，因食用高碘食物或饮用，因食用高碘食物或饮用，因食用高碘食物或饮用高碘水等引起，防治方法是停用高碘饮食，并服用甲状腺高碘水等引起，防治方法是停用高碘饮食，并服用甲状腺高碘水等引起，防治方法是停用高碘饮食，并服用甲状腺高碘水等引起，防治方法是停用高碘饮食，并服用甲状腺素治疗。素治疗。素治疗。素治疗。水文地质优秀水文地质优秀缺碘：缺碘：缺碘：缺碘：地方性甲状腺肿地
26、方性甲状腺肿( (俗称大脖子病俗称大脖子病) )、克汀病、克汀病( (俗称呆小病俗称呆小病) )、单纯性聋哑、流产、早产和先天、单纯性聋哑、流产、早产和先天性畸形等性畸形等 高碘：高碘：高碘：高碘：摄碘超量可引发甲状腺疾病摄碘超量可引发甲状腺疾病( (大脖子病大脖子病) )，还会影响智力发育及导致精子减少还会影响智力发育及导致精子减少 根据中国营养学会的建议，成人碘的每天供给量根据中国营养学会的建议，成人碘的每天供给量根据中国营养学会的建议，成人碘的每天供给量根据中国营养学会的建议，成人碘的每天供给量为为为为150150微克。现在市面上多数含碘食盐中每克盐含微克。现在市面上多数含碘食盐中每克盐
27、含微克。现在市面上多数含碘食盐中每克盐含微克。现在市面上多数含碘食盐中每克盐含碘碘碘碘20502050微克，以每天食微克，以每天食微克，以每天食微克，以每天食6 6克食盐为例，摄入碘已克食盐为例，摄入碘已克食盐为例，摄入碘已克食盐为例，摄入碘已达达达达120300120300微克微克微克微克 水文地质优秀水文地质优秀地方性甲状腺肿地方性甲状腺肿水文地质优秀水文地质优秀二、地下水污染及其与人类生存的关系l l1953195619531956年日本水年日本水年日本水年日本水俣病事件狂猫跳海与俣病事件狂猫跳海与俣病事件狂猫跳海与俣病事件狂猫跳海与水俣病水俣病水俣病水俣病l l19531953年，日本
28、熊本县年，日本熊本县年，日本熊本县年，日本熊本县水俣湾附近的小渔村水俣湾附近的小渔村水俣湾附近的小渔村水俣湾附近的小渔村有一个人起初有一个人起初有一个人起初有一个人起初口齿不口齿不口齿不口齿不清，面部痴呆，后来清，面部痴呆，后来清，面部痴呆，后来清，面部痴呆，后来耳朵也聋了，眼睛瞎耳朵也聋了，眼睛瞎耳朵也聋了，眼睛瞎耳朵也聋了，眼睛瞎了，全身麻木，最后了，全身麻木，最后了，全身麻木，最后了，全身麻木，最后神经失失常神经失失常神经失失常神经失失常，高声嚎，高声嚎，高声嚎，高声嚎叫而死。叫而死。叫而死。叫而死。水文地质优秀水文地质优秀l l原来，这是由于原来，这是由于原来，这是由于原来，这是由于摄
29、入富集在鱼类、贝类中的甲基汞摄入富集在鱼类、贝类中的甲基汞摄入富集在鱼类、贝类中的甲基汞摄入富集在鱼类、贝类中的甲基汞而引起的而引起的而引起的而引起的中枢神经性疾病中枢神经性疾病中枢神经性疾病中枢神经性疾病。l l原来，建在水俣镇附近的一家原来，建在水俣镇附近的一家原来，建在水俣镇附近的一家原来，建在水俣镇附近的一家氮肥厂氮肥厂氮肥厂氮肥厂，在三四十，在三四十，在三四十，在三四十年代相继采用汞催化剂生产醋酸乙烯和氯乙烯。年代相继采用汞催化剂生产醋酸乙烯和氯乙烯。年代相继采用汞催化剂生产醋酸乙烯和氯乙烯。年代相继采用汞催化剂生产醋酸乙烯和氯乙烯。l l大量含有甲基汞的废水、废渣排到水俣湾，甲基汞大量含有甲基汞的废水、废渣排到水俣湾，甲基汞大量含有甲基汞的废水、废渣排到水俣湾，甲基汞大量含有甲基汞的废水、废渣排到水俣湾，甲基汞在鱼类、贝类体内富集了甲基汞。人或猫吃了含有在鱼类、贝类体内富集了甲基汞。人或猫吃了含有在鱼类、贝类体内富集了甲基汞。人或猫吃了含有在鱼类、贝类体内富集了甲基汞。人或猫吃了含有甲基汞的鱼、贝类，就生病死亡。甲基汞的鱼、贝类，就生病死亡。甲基汞的鱼、贝类，就生病死亡。甲基汞的鱼、贝类，就生病死亡。水文地质优秀水文地质优秀水文地质优秀水文地质优秀
