地下水化学成分分析与资料整理

李海岭　张勇　张丽莉

【摘要】：本文介绍了地下水中的主要化学成分，地下水化学成分分析的内容和资料整理的要求。

【关键词】：地下水；化学成分

1、地下水中常见的化学成分

地下水是一种复杂的水溶液，自然界中存在的各种元素，绝大多数已在地下水中发现。这些元素在地下水中一般以离子、分子或气体状态存在，但以离子状态为主。

1.1 地下水中的气体成分

地下水中溶解的气体成分有O2、N2、CO2、H2S和CH4等，其中以前三种为主。这些气体只有温度较低，压力较大或特殊的地质条件下才能较多地溶于水中。当围压变小时，溶解状态的气体，就会转向游离状态，甚至从地下水中逸出。

通常情况下，地下水中气体含量不高，每公升水中只有几毫克到几十毫克。但是它们能很好地反映地下水所处的地球化学环境，同时某些气体的含量还会影响盐类在水中的溶解度以及其他化学反应。

1.2 地下水中的离子成分

地下水中含有很多离子成分，阴离子主要有OH-、Cl-、SO42-、NO2-、HCO3-、PO43-等，阳离子主要有H+、Na+、K+、NH4+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+等。其中，地下水中分布最广、含量较多的离子有七种：Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+，这七种离子通常是人们研究地下水化学成分的主要项目。

一般情况下，随着地下水中含盐量的变化，水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。低含盐量的地下水通常以HCO3-、Ca2+、Mg2+为主，高含盐量的地下水则以Cl-、Na+为主，中等含盐量的地下水中阳离子常以SO42-为主，主要阳离子可以是Na+离子，也可以是Ca2+离子。

地下水的含盐量与离子成分之间的这种对应关系，主要原因是水中盐类溶解度不同所致。总的说来，氯盐的溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐较小，而钙的硫酸盐，特别是钙、镁的碳酸盐，溶解度最小。因此，在水中，随着含盐量的增加，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出，含盐量继续增大时，钙的硫酸盐也饱和析出，因此高含盐量的地下水中便以Cl-、Na+为主了（由于CaCl2的溶解度更大，因此在含盐量异常高的地下水中以Cl-、Ca2+为主）。

1.3 地下水中的其他成分

1.3.1 微量组分

地下水中还含有某些微量组分，如Br、I、F、B、Sr等。这些组分有的来自地球深部，有的来自海洋。它们的存在可以说明地下水的形成环境，同时对人体健康有着明显影响。

1.3.2 胶体化合物

地下水中分布最广的胶体化合物有Fe（OH）3、Al（OH）3、SiO2等以及有机胶体。这些化合物的溶解度都很小，很难以离子形式溶解于水中，但以胶体形式出现时，在地下水中的含量可以大大提高。地下水中的胶体成分主要来源于有关矿床的风化溶解。有机胶体分布较广，在气候炎热的沼泽地带的地下水中的含量较高。

1.3.3 有机质

有机质是以C、H、O为主的高分子化合物，它们在地下水中的含量一般不多，但富集于土壤及沼泽水中可形成特殊的气味和味道。多数有机质呈胶体状态存在，部分呈真溶液，部分呈悬浮状态。

有机质的形成主要是由于生物化学作用，由生物的排泄物或生物遗骸分解形成。有机质主要分布于含石油、沥青、煤、泥炭、淤泥等岩石中。溶于水中的有机质能与许多元素如Fe、Al、Si及微量元素等生成共价结合的化合物，促进元素以有机形式迁移。此外，有机质还是强还原剂，因此有机质对地下水化学成分的形成具有重要意义。

2、地下水化学成分分析的内容

地下水化学成分分析是了解地下水化学成分和性质的主要方法，是水化学研究的基础。由于工作目的和要求不同，分析的内容和精度也不一样。一般可分为简分析和全分析。

2.1 简分析

简分析分析项目少，水样数量多，精度要求低，但操作简便、快速，可在野外利用专门的水质分析箱就地进行分析。分析项目除了必要的物理性质测试外，还应定量分析HCO3-、SO42-、Cl-、Ca2+、总硬度、PH值等。通过计算可求得水质各主要离子含量及总矿化度。定性分析的项目则不固定，较经常的由NO3-、NO2-、NH4+、Fe2+、Fe3+、H2S、耗氧量等。

簡分析一般用于水文地质普查阶段，目的在于了解区域地下水化学成分的概貌。当根据简分析的结果，发现某处水质与附近地区不同时，即可及时调查研究其原因。

2.2 全分析

全分析分析项目较多，精度要求高，但并不是对地下水中全部化学成分都要进行分析。一般定量分析以下项目：HCO3-、SO42-、Cl-、CO32-、NO2-、NO3-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、NH4+、Fe3+、Fe2+、H2S、游离CO2含量及PH值、耗氧量和干涸残余物。另外，还要计算总硬度、暂时硬度及永久硬度。

由于全分析的分析项目多，分析方法比较复杂，因此样品的数量不宜过多。主要用于详细研究水源地小范围水质变化规律或对水质进行全面评价的详细勘察阶段。此外在普查或初步勘察时为了补充简分析的不足，往往需要选择有代表性的水点取样进行全分析，以全面了解地下水化学成分，并对简分析结果进行核查。

3、地下水化学分析的整理

地下水化学成分的分析结果通常是用离子毫克数（mg/l）来表示的，在资料整理过程中要求用离子毫克当量数（meq/l）、离子毫克当量百分数（meq%）来表示：

离子的当量=离子量（原子量）/离子价

离子的毫克当量数=离子的毫克数/离子的当量

某阴（阳）离子的毫克当量百分数=某阴（阳）离子毫克当量数/阴（阳）离子毫克当量总数×100%

根据化合当量相等的原理，水中阴阳离子的毫克当量总数应该相等。据此可以计算分析误差。按要求，全分析时允许分析误差不超过2%，简分析不超过5%。

在取得水中Ca2+、Mg2+、和HCO3-的毫克当量（meq/l）后，即可计算水的各种硬度。计算水的暂时硬度时，需考虑Ca2+和Mg2+的毫克当量总数与HCO3-的毫克当量数之间的可能关系：

当[Ca2++Mg2+]≦[HCO3-]时，暂时硬度等于总硬度。

当[Ca2++Mg2+]>[HCO3-]时，暂时硬度等于HCO3-的毫克当量数。

为了简明地反映水的化学特点，可采用库尔洛夫式表示地下水化学分析的结果。其表示方法为：只有毫克当量百分数大于10%的离子才予以表示，阴阳离子分别排列在横线上下，并按含量由大到小的顺序排列；横线左端依次表示水的总矿化度（以M表示）、各种气体成分和微量成分，且均以g/l为单位；横线右侧表示水温（以to表示）；各成分的百分含量值均标于该成分符号的右下角，如Cl84.76。如某水样化学分析结果的库尔洛夫表示式为：

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

根据库尔洛夫表示式确定水的类型时，只有毫克当量百分数大于25%的离子参与命名。通常阴离子在前，阳离子在后；含量大者在前，含量小者在后。按此规则上述水样为SO4—Ca型水，读作硫酸钙型水。