浅述地下水水化学特征分析方法研究

浅述地下水水化学特征分析方法研究

丁时晨

丁时晨江苏地矿局第五地质大队221004

摘要：地下水是地质环境构成要素中最为活跃、动态变化最为剧烈的要素之一，最重要的方式就是对地下水物理特性及水化学特征进行分析，地下水化学特征分析常用描述方法有矿化度、化学组分、同位素分析、污染源分析、氨氮含量、重金属含量等，为资源保护和生态文明提供决策支持。

关键词：水文地质；地下水;水化学性质；水化学特征；特征分析

近年来，研究地下水水化学特征以及进行地下水水质评价已经成为水文地质界比较热得话题，国内外众多学者都采用不同的方法对不同地区进行水质评价和水化学特征研究，促进了地下水科学的极大发展。地下水化学特征受补给来源，地球化学，排水系统，表层厚度，大气和土壤以及人类活动的共同影响，表现出时间和空间异质性特征。地下水在岩石圈运移过程中不断的与岩石发生化学反应，并与大气圈和生物圈进行长期的水循环过程，同时也进行着化学成分转化，随着人类活动在地球表面系统圈进一步深度的发展，人为因素也对地下水产生重要的影响。地下水水化学特征一般从水文地质和化学特征两个方面进行说明，水文地质调查一般从现场勘查可以对地质状况有个比较清晰地认识，对于地下水水化学特征则需要现场检测和实验分析过程进行了解。

1地下水的化学性质

矿化度:存在于地下水中的离子、分子及化合物的总含量称为地下水的矿化度。矿化度是反映地下水化学成分的主要指标一般情况下,地下水随着矿化度的变化，所占主要离子的种类也相应改变。低矿化度的淡水常以HCO3-为主要成分，中矿化度的盐质水常以SO42-为主要成分，高矿化度的咸水和卤水则常常是以Cl-为主要成分。酸碱度水的酸碱度常以PH值表示，是水中氢离子浓度的负对数值，当PH=7时，说明水为中性;当PH<7时，说明水呈酸性，当PH>7时，说明水呈碱性。硬度水中Ca2+和Mg2+的含量多少用“硬度”概念表示。水中所含Ca2+和Mg2+的数量称为水的总硬度。

2地下水水化学分析指标

2.1地下水水化学特征现场观测

地下水物理性质与所含化学成分密切联系，在一定程度上反映地下水的化学成分与形成环境。因此，在进行地下水化学成分研究时，首先要研究地下水的物理性质。

2.1.1温度监测

自然界许多化学变化都是在一定温度下才能发生的，温度对水体中的化学元素的浓度和存在状态都有一定的影响，甚至表层地下水对气候的干湿冷暖都有响应。地下水温度对气温的响应一般都存在一个滞后期且变化幅度可能会是微弱的。

2.1.2电导率监测

电导率是地下水传送电流的能力，它和电阻值相对应，测量单位为，它不仅反映了水中例子强度，还可以指示总例子组成以及溶解态的无机物组成。

2.1.3水中溶解氧

地下水水体中元素在三相中转化，同水中的氧化还原反映强度有很大关系，水中溶解氧的浓度直接反映生态环境的状况。

2.1.4PH值监测

地下水的PH值（即酸碱度）主要取决于地下水中的H+浓度，是制约元素迁移和沉淀的主要条件。水中的PH值能够直接影响迁移强度大的元素。

2.2地下水水化学特征实验分析

2.2.1矿化度

水中化学组分含量的总和称为总矿化度。地下水在运移过程中通过淀滤，蒸发和沉积作用，使得地下水矿化度发生变化。天然水按矿化度的分类，矿化度在0.000—1.000g/L之间的为淡水；矿化度在1.000—3.000g/L之间的为微咸水；矿化度在3.000—10.000g/L之间的为咸水；矿化度在10.000—100.000g/L之间的为盐水；矿化度在＞100.000g/L之间的为卤水；按照各个划分标准可以对研究区地下水性质进行划分。

2.2.2化学成分分析

化学成分主要是研究地下水多汗阴阳离子浓度，主要的例子监测室以K+,Na+，Ca2+，Mg2+为主；阴离子主要以Cl-，SO42-，PO43-,NO3-,HCO3-为主。阴离子和阳离子一起不仅可以反映水体的化学组成，还可以进一步揭示不同端元对研究水体的影响。（Stallard，1983）利用Piper三线图的方法可以得出水化学类型。此种方法可以看出地下水与岩石耦合发生反应得岩石类型。主要影响地下水的矿物主要是方解石，白云石，石膏等，天然情况下阳离子Ca2+，Mg2+和阴离子HCO3-和SO42-空地下空间变化来源于水岩作用中对岩石溶解，据此可以推算出相关的溶解率等指标。其中还要有降水对其离子变化的贡献。人类生产生活对地下水Ca2+，Mg2+，HCO3-和SO42-扰动也比较大。

K+,Na+和NO3-，SO42-，Cl-离子主要来源于除降水之外还要受到花费，人畜粪便，生活废水等。

Cl-被认为是具有惰性的离子，它既不容易吸附在黏土上，也不容易产生氯化物沉淀，除非其浓度超过200g/L。单纯雨水中Cl-来自海洋，随距海洋距离越远其浓度呈指数级衰减，运移过程中受到大陆上空尘埃和气体（天然的和工农业生产）影响会改变雨水中Cl-浓度。Cl-在地下运移中不会在透水层停留就不会明显产生Cl-。

2.2.3同位素在水化学特征分析中应用

人气降水卞要来源于海水蒸发形成的蒸汽团，故人气降水的同位素组成特征取决于海水的同位素组成及海水蒸发冷凝中同位素的分馏作用，它决定了人气降水形成初期氢氧同位素组成特征，即人气降水的D和18O成线性关系。大气降水形成后，其氢氧同位素组成特征在其空间运移上还会随着温度和空间变化产生新的效应，即温度效应、纬度效应、高程效应和降水量效应。1991年原地矿部水文地质工程地质研究所得出西南地区降水线方D=7.8718O+11.09。

例如：根据一个地区地下水的同位素组成在d-18O关系图上是否落在当地降水线上，可判定地下水的起源是人气降水还是有其他来源。利用研究区温泉、冷泉水d，18O含量可知，区域内泉水的同位素组成均落在降水线附近，表明了本区地下水来源于大气降水，属人气降水入渗成因。研究某地区的地下水的d，18O同位素可知当地地下水补给来源，从而可以进行对比论证。

大气降水氢氧同位素组成随海拔高程变化而作规律性的变化，此即高程效应。所谓高程效应是指地形起伏比较大的地区大气降水，氢同位素(d)和氧同位素（18O）随着地而高度的增加而逐渐降低的现象。根据水的同位素具有高程效应这一特征，利用18O值推算泉水的补给高程。例如：根据于津生(1980年)对川西藏东、四川、贵州地区18O高程效应的研究及有关资料，其梯度值为-0.31‰100m,即高程每增加100rn，降水的18O值降低-0.31‰作为18O的梯度值;以本地18O值一8.6‰对应的高程1300m为基准，推算出各泉水的补给高程。

2.2.4F-和氨氮分析

研究区地下水的氟主要来源于含氟量较高的矿物。主要赋存于地表低洼的包气带土壤，通过降水的溶滤和入渗作用，使得F-在地下水中有一定含量的富集。但由于水F-易于Ca2+结合形成CaF2，Ca2+浓度平均和F-具有很好相关性。

氨氮是指水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4）形式存在的氮。动物性有机物的含氮量一般较植物性有机物为高。同时，人畜粪便中含氮有机物很不稳定，容易分解成氨。因此，水中氨氮含量增高时指以氨或铵离子形式存在的化合氨。氨氮主要来源于人和动物的排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可达2.5～4.5公斤。雨水径流以及农用化肥的流失也是氮的重要来源.氨氮分析是地下水水污染点源面污染的主要研究内容。

3结论

总之，对于地下水水化学特征的研究利用先进的研究手段（同位素，微生物，溶解氧等）接合水化学分析方法，可以对地区地下水理化性质特征以及影响因子进行有效分析。对地下水空间-时间动态变化特征及水化学水文环境进行研究。对地下水风险进行量化评估，对合理开发和有效保护地下水资源提供相应的理论依据。

参考文献：

[1]沈照理，朱宛华.钟优某.水文地球化学基础[M].北京地质出版社，1993:41-46.

[2]王大纯.水文地质学基础[M].北京:地质出版社，1991:42-55.

[3]桂和荣，胡友彪.矿业城市浅层地下水资源研究[M].煤炭工业出版社,2000.

[4]王恒纯.同位素水文地质概论[M].北京:地质出版社，1991:37-57.

[5]岳梅.模糊集理论在淮南市区浅层地下水质量评价中的应用[J].淮南矿业学院学报,1997,17(4).

[6]华人民共和国国家标准GB5749-2006生活饮用水标准[M].中国标准出版社,2007.

[7]吴旭东.蚌埠市区浅层、中层地下水硬度、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体增高机理探讨[J].水文地质工程地质,1998(5).