地下水的化学性质

赋存在岩土空隙中的地下水，不是纯水，而是化学成分十分复杂的天然溶液， 自然界中的地下水是一种良好的溶剂，同时也是动态变化的。它在补给、径流、排泄过程中经常不断地和岩土发生作用，溶解岩土中的可溶物质，不断发生浓缩、混合、离子交换吸附、脱硫酸以及碳酸等作用，形成多种多样的化学成分，同时，地下水化学成分也是在不断变化的。 自然界中存在的元素，绝大多数已在地下水中发现，但只有少数在地下水中含量较高。有的元素如Si、 Fe等在地壳中分布很广，但在地下水中却不多；有的元素如Cl等在地壳中极少，但在地下水中却大量存在。这是因为各种元素的溶解度不同的缘故。所有这些元素是以离子、化合物分子和气体状态存在于地下水中，而以离子状态为主。

1.地下水常见的化学成分

（1）地下水中主要的离子成分。

氯离子（Cl-）在地下水中广泛分布，主要来源于沉积岩中所含岩盐或其他氯化物的溶解，在岩浆岩地区则来自于含氯矿物的风化溶解，在工业、生活污水及粪便中也含有大量Cl。 Cl-不会被植物和细菌所摄取，不会被土粒表面吸附，氯岩溶解度大，不易沉淀析出。

硫酸根离子（）主要来源于：

1）含水石膏（CaSO4·2H2O）或其他含硫酸盐的沉积岩的溶解；

2）硫化物（如黄铁矿）和硫的氧化，其化学反应式如下：

因此，在含黄铁矿较多的煤系地层地区和金属硫化物矿床附近，地下水常含有大量的含量大于250mg/L的地下水，对混凝土具有结晶类腐蚀作用。

阳离子中的K+、 Na+在地下水中广泛分布，主要来源于沉积岩中的钠盐、钾盐的溶解以及岩浆岩、变质岩中含钠、钾矿物的风化溶解。

Ca2 + 、 Mg2+主要来源于沉积岩中碳酸岩类的溶解以及岩浆岩、变质岩中含钙、镁矿物的风化溶解。地下水中Ca2+含量一般不超过数百毫克/升，通常低于Na+含量，Mg2+含量通常比Ca2+低。

（2）地下水主要气体成分。

地下水中含有多种气体成分，其中主要气体成分有O2 、 N2 、 CO2 、 H2 S。一般情况下，地下水中气体含量只有几毫克/升～几十毫克/升，但是，气体成分能够很好地反映地球化学环境；同时，地下水中存在某些气体能够影响盐类在水中的溶解度以及其他化学反应。

地下水中的O2 、 N2主要来自大气层，随同大气降水及地表水入渗补给地下水。浅层地下水中O2含量较多，越往深处含量越少甚至消失，而只残留N2，这是由于O2的化学性质远比N2活泼。因此，N2的单独存在，通常可说明地下水起源于大气，并处于还原环境。

地下水中出现H2S其意义恰与O2相反，是处于缺氧还原环境中。当地下水处在与大气隔绝环境中，当有机质存在时由于微生物作用，SO42-还原成H2S，因此，H2 S一般出现于封闭的地质构造地下水中。地下水中的CO2有两个来源：①植物根系呼吸作用及有机质残骸发酵作用形成，浅部地下水中主要含有这种成因的CO2 。②含碳酸盐类岩石在深部高温影响下，分解生成CO2 。

（3）地下水的胶体成分。

以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方式存在于地下水中。大量有机质的存在，有利于进行还原作用，从而使地下水化学成分发生变化。很难以离子状态溶于水的化合物也往往以胶体状态存在于地下水中，其中分布最广的是Fe（OH）2、 Al（OH）3及SO2。

2.地下水的化学性质

（1）酸碱度（pH值）。氢离子浓度是指水的酸碱度，用pH值表示。pH =lg ［OH-］。自然界中大多数地下水的pH值在6.5～8.5之间。根据pH值可将水分为五类（表6-1）。

表6-1　地下水按pH值的分类

地下水的氢离子浓度主要取决于水中HCO3-、和H2 CO3的含量。

（2）矿化度（M）。地下水中各种离子、分子与化合物的总量称矿化度，以g/L或mg/L为单位，它表示水的矿化程度。矿化度通常以105～110℃下将水蒸干后所得的干涸残余物之重量表示，也可利用阴阳离子和其他化合物含量之和概略表示矿化度，但其中重碳酸根离子含量只取一半计算。根据矿化度可把地下水分为5类（表6-2） 。

表6-2　地下水按矿化度的分类

（3）硬度。水中钙、镁离子的含量称为水的硬度。硬度可分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。

总硬度是指水中Ca2 + 、 Mg2+的总量，暂时硬度指水加热沸腾后所损失的Ca2+、Mg2 +含量，此时仍保持在水中的Ca2 + 、 Mg2+含量称永久硬度。因此，总硬度等于暂时硬度与永久硬度之和。

硬度表示的方法常见的有两种，即mmol/L和德国度，1 mmol/L等于2.8德国度，1德国度相当于10mg/L Ca2+或7.2mg/L Mg2+。生活饮用水质标准规定水的硬度以CaCO3的含量表示，要求小于450mg/L。根据总硬度可将地下水分为5类（表6-3）。

表6-3　地下水按总硬度的分类