地下水化學(xué)成分分析與資料整理

李海嶺　張勇　張麗莉

【摘要】：本文介紹了地下水中的主要化學(xué)成分，地下水化學(xué)成分分析的內(nèi)容和資料整理的要求。

【關(guān)鍵詞】：地下水；化學(xué)成分

1、地下水中常見的化學(xué)成分

地下水是一種復(fù)雜的水溶液，自然界中存在的各種元素，絕大多數(shù)已在地下水中發(fā)現(xiàn)。這些元素在地下水中一般以離子、分子或氣體狀態(tài)存在，但以離子狀態(tài)為主。

1.1 地下水中的氣體成分

地下水中溶解的氣體成分有O2、N2、CO2、H2S和CH4等，其中以前三種為主。這些氣體只有溫度較低，壓力較大或特殊的地質(zhì)條件下才能較多地溶于水中。當(dāng)圍壓變小時，溶解狀態(tài)的氣體，就會轉(zhuǎn)向游離狀態(tài)，甚至從地下水中逸出。

通常情況下，地下水中氣體含量不高，每公升水中只有幾毫克到幾十毫克。但是它們能很好地反映地下水所處的地球化學(xué)環(huán)境，同時某些氣體的含量還會影響鹽類在水中的溶解度以及其他化學(xué)反應(yīng)。

1.2 地下水中的離子成分

地下水中含有很多離子成分，陰離子主要有OH-、Cl-、SO42-、NO2-、HCO3-、PO43-等，陽離子主要有H+、Na+、K+、NH4+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+等。其中，地下水中分布最廣、含量較多的離子有七種：Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+，這七種離子通常是人們研究地下水化學(xué)成分的主要項目。

一般情況下，隨著地下水中含鹽量的變化，水中占主要地位的離子成分也隨之發(fā)生變化。低含鹽量的地下水通常以HCO3-、Ca2+、Mg2+為主，高含鹽量的地下水則以Cl-、Na+為主，中等含鹽量的地下水中陽離子常以SO42-為主，主要陽離子可以是Na+離子，也可以是Ca2+離子。

地下水的含鹽量與離子成分之間的這種對應(yīng)關(guān)系，主要原因是水中鹽類溶解度不同所致。總的說來，氯鹽的溶解度最大，硫酸鹽次之，碳酸鹽較小，而鈣的硫酸鹽，特別是鈣、鎂的碳酸鹽，溶解度最小。因此，在水中，隨著含鹽量的增加，鈣、鎂的碳酸鹽首先達到飽和并沉淀析出，含鹽量繼續(xù)增大時，鈣的硫酸鹽也飽和析出，因此高含鹽量的地下水中便以Cl-、Na+為主了（由于CaCl2的溶解度更大，因此在含鹽量異常高的地下水中以Cl-、Ca2+為主）。

1.3 地下水中的其他成分

1.3.1 微量組分

地下水中還含有某些微量組分，如Br、I、F、B、Sr等。這些組分有的來自地球深部，有的來自海洋。它們的存在可以說明地下水的形成環(huán)境，同時對人體健康有著明顯影響。

1.3.2 膠體化合物

地下水中分布最廣的膠體化合物有Fe（OH）3、Al（OH）3、SiO2等以及有機膠體。這些化合物的溶解度都很小，很難以離子形式溶解于水中，但以膠體形式出現(xiàn)時，在地下水中的含量可以大大提高。地下水中的膠體成分主要來源于有關(guān)礦床的風(fēng)化溶解。有機膠體分布較廣，在氣候炎熱的沼澤地帶的地下水中的含量較高。

1.3.3 有機質(zhì)

有機質(zhì)是以C、H、O為主的高分子化合物，它們在地下水中的含量一般不多，但富集于土壤及沼澤水中可形成特殊的氣味和味道。多數(shù)有機質(zhì)呈膠體狀態(tài)存在，部分呈真溶液，部分呈懸浮狀態(tài)。

有機質(zhì)的形成主要是由于生物化學(xué)作用，由生物的排泄物或生物遺骸分解形成。有機質(zhì)主要分布于含石油、瀝青、煤、泥炭、淤泥等巖石中。溶于水中的有機質(zhì)能與許多元素如Fe、Al、Si及微量元素等生成共價結(jié)合的化合物，促進元素以有機形式遷移。此外，有機質(zhì)還是強還原劑，因此有機質(zhì)對地下水化學(xué)成分的形成具有重要意義。

2、地下水化學(xué)成分分析的內(nèi)容

地下水化學(xué)成分分析是了解地下水化學(xué)成分和性質(zhì)的主要方法，是水化學(xué)研究的基礎(chǔ)。由于工作目的和要求不同，分析的內(nèi)容和精度也不一樣。一般可分為簡分析和全分析。

2.1 簡分析

簡分析分析項目少，水樣數(shù)量多，精度要求低，但操作簡便、快速，可在野外利用專門的水質(zhì)分析箱就地進行分析。分析項目除了必要的物理性質(zhì)測試外，還應(yīng)定量分析HCO3-、SO42-、Cl-、Ca2+、總硬度、PH值等。通過計算可求得水質(zhì)各主要離子含量及總礦化度。定性分析的項目則不固定，較經(jīng)常的由NO3-、NO2-、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、耗氧量等。

簡分析一般用于水文地質(zhì)普查階段，目的在于了解區(qū)域地下水化學(xué)成分的概貌。當(dāng)根據(jù)簡分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)某處水質(zhì)與附近地區(qū)不同時，即可及時調(diào)查研究其原因。

2.2 全分析

全分析分析項目較多，精度要求高，但并不是對地下水中全部化學(xué)成分都要進行分析。一般定量分析以下項目：HCO3-、SO42-、Cl-、CO32-、NO2-、NO3-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、NH4+、Fe3+、Fe2+、H2S、游離CO2含量及PH值、耗氧量和干涸殘余物。另外，還要計算總硬度、暫時硬度及永久硬度。

由于全分析的分析項目多，分析方法比較復(fù)雜，因此樣品的數(shù)量不宜過多。主要用于詳細研究水源地小范圍水質(zhì)變化規(guī)律或?qū)λ|(zhì)進行全面評價的詳細勘察階段。此外在普查或初步勘察時為了補充簡分析的不足，往往需要選擇有代表性的水點取樣進行全分析，以全面了解地下水化學(xué)成分，并對簡分析結(jié)果進行核查。

3、地下水化學(xué)分析的整理

地下水化學(xué)成分的分析結(jié)果通常是用離子毫克數(shù)（mg/l）來表示的，在資料整理過程中要求用離子毫克當(dāng)量數(shù)（meq/l）、離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)（meq%）來表示：

離子的當(dāng)量=離子量（原子量）/離子價

離子的毫克當(dāng)量數(shù)=離子的毫克數(shù)/離子的當(dāng)量

某陰（陽）離子的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)=某陰（陽）離子毫克當(dāng)量數(shù)/陰（陽）離子毫克當(dāng)量總數(shù)×100%

根據(jù)化合當(dāng)量相等的原理，水中陰陽離子的毫克當(dāng)量總數(shù)應(yīng)該相等。據(jù)此可以計算分析誤差。按要求，全分析時允許分析誤差不超過2%，簡分析不超過5%。

在取得水中Ca2+、Mg2+、和HCO3-的毫克當(dāng)量（meq/l）后，即可計算水的各種硬度。計算水的暫時硬度時，需考慮Ca2+和Mg2+的毫克當(dāng)量總數(shù)與HCO3-的毫克當(dāng)量數(shù)之間的可能關(guān)系：

當(dāng)[Ca2++Mg2+]≦[HCO3-]時，暫時硬度等于總硬度。

當(dāng)[Ca2++Mg2+]>[HCO3-]時，暫時硬度等于HCO3-的毫克當(dāng)量數(shù)。

為了簡明地反映水的化學(xué)特點，可采用庫爾洛夫式表示地下水化學(xué)分析的結(jié)果。其表示方法為：只有毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)大于10%的離子才予以表示，陰陽離子分別排列在橫線上下，并按含量由大到小的順序排列；橫線左端依次表示水的總礦化度（以M表示）、各種氣體成分和微量成分，且均以g/l為單位；橫線右側(cè)表示水溫（以to表示）；各成分的百分含量值均標(biāo)于該成分符號的右下角，如Cl84.76。如某水樣化學(xué)分析結(jié)果的庫爾洛夫表示式為：

H2SiO30.5·H2S0.001·CO20.018·M2.7 to41.5

根據(jù)庫爾洛夫表示式確定水的類型時，只有毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)大于25%的離子參與命名。通常陰離子在前，陽離子在后；含量大者在前，含量小者在后。按此規(guī)則上述水樣為SO4—Ca型水，讀作硫酸鈣型水。