2.3 地下水的物理性质和化学成分
地下水参与自然界的水循环，并储存和运动于岩石的空隙中，不断与其周围介质发生复杂的物理和化学作用，从而形成了自己的物理性质和化学成分。同时，由于地下水不断循环运动，又使其物理性质和化学成分随时发生变化。因此，地下水的物理性质和化学成分反映了地下水的形成环境和形成过程。因而地下水的物理性质和化学成分的研究，可以帮助查明地下水的形成规律。在利用地下水资源或消除地下水的灾害威胁时，亦需要研究地下水的物理性质和化学成分。所以对地下水物理性质和化学成分的研究，具有理论和实践的双重意义。
2.3.1 地下水的物理性质
地下水的物理性质包括温度、颜色、透明度、嗅味、味道、相对密度、导电性及放射性等。
1.温度
埋藏深度不同的地下水，具有不同的温度变化规律。埋深3～5m，即日常温带以内的地下水，具有昼夜变化规律；具有年变化规律的地下水，一般埋深为5～50m，即年常温带以内。年常温带以下，地下水温度随深度增大而增高，其变化规律决定于地热增温率。地热增温率是指在年常温带以下，温度每升高1℃所需增加的深度，单位为m/℃。整个地壳的地热增温率的平均值为30～33m/℃。
通常根据温度将地下水划分为：过冷水（低于0℃）、冷水（0～20℃）、温水（21～42℃）、热水（43～100℃）、过热水（高于100℃）。地下水温度对水中盐类含量影响很大。水温增高，化学反应速度和盐的溶解度也增高。据实验，当水温增高10℃时，水分子的扩散速度约增加20%，而化学反应速度增加2～3倍，钠盐和钾盐的溶解度随温度的升高而增加，钙盐（硫酸盐）则随温度升高而降低。因此，冷水常是钙质的，热水、温水常是钠质的。气体则是温度越高，溶解度越小。
2.颜色
地下水一般是无色的，但有时由于某种离子含量较多，或者富集悬浮物和胶体物质，则可显示出各种各样的颜色（表2.1）。
表2.1 地下水颜色与其中所含物质的关系
3.透明度
地下水的透明度取决于其中的固体与胶体悬浮物的含量。根据透明度将地下水分为4级：透明的、微浊的、浑浊的、极浑的（表2.2）。
表2.2 地下水透明度的分级表
4.嗅味
地下水通常是无气味的，但当其中含有某些离子或某种气体时，则出现特殊的气味。如含亚铁盐很多的水有铁腥气味，含硫化氢气体时有臭鸡蛋气味，含腐殖质时有腐草气味，气味的强弱与温度有关，一般在低温时不易辨别，加热到40℃时气味最显著。
5.味道
味道取决于地下水的化学成分，纯水是无味的，但由于地下水中多少溶解了一些盐类或气体，因此，地下水具有一定的味感。如含较多的二氧化碳（CO2）时清凉爽口；含有重碳酸钙［Ca（HCO3）2］的水很可口，一般称甜水；当含有大量有机物时，水有较强的甜味，但这种水对人体有害不宜饮用；含硫酸钠（Na2 SO4）和硫酸镁（MgSO4）时，水有苦涩味；含氯化钠（NaCl）时水有咸味，当水中溶解的盐类多于10g/L时，则有很咸的味感。浓度越大味感越强，水温低时味感不明显，一般在20～30℃时味感显著。所以地下水味的强弱，决定于其中某种成分的浓度、地下水的温度和人的味感神经的敏感性。
6.相对密度
地下水的相对密度决定于其中所溶解的盐分含量。地下淡水的相对密度通常认为与4℃时的化学纯水的相对密度相同，其数值为1。水中溶解的盐分越多，相对密度越大，有的可达1.2～1.3g/cm3。
7.导电性
地下水的导电性取决于其中所含电解质的数量和质量，即各种离子的含量与其离子价。离子含量愈多，离子价愈高，则水的导电性愈强。此外水温对导电性也有影响。
8.放射性
地下水的放射性决定于其中所含放射性元素的数量，地下水都具有或强或弱的放射性，但一般极为微弱。储存和运动于放射性矿床及酸性火成岩分布区的地下水，其放射性相应增强。
2.3.2 地下水的化学性质
2.3.2.1 地下水的化学成分
地下水中含有各种气体、离子、胶体物质以及有机物质。自然界中存在的元素，绝大多数已在地下水中发现，但是，只有少数是含量较多的常见元素。这些常见元素，或者是地壳中含量较高，且在水中具有一定溶解度的，如O2、Ca、Mg、Na、K等；或者是地壳中含量并不很大，但是溶解度相当大的，如Cl等；某些元素如Si、Fe等，虽然在地壳中含量很大，但由于其溶于水的能力很弱，所以，在地下水中的含量一般并不高。
1.地下水中的主要气体成分
地下水中常见的气体成分有氧气（O2）、氮气（N2）、二氧化碳（CO2）及硫化氢（H2 S）等。一般情况下，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，气体成分能够很好地反映地球化学环境；同时，某些气体的含量会影响盐类在水中的溶解度以及其他的化学反应。
（1）氧（O2）、氮（N2）。地下水中的氧气和氮气主要来源于大气。它们随同大气降水及地表水补给地下水，以入渗补给为主、与大气圈关系密切的地下水中含O2及N2较多。
溶解氧含量愈多，说明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用进行。O2的化学性质远较N2活泼，所以在较封闭的环境中，O2将耗尽而只留下N2。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。
（2）硫化氢（H2 S）。地下水中出现硫化氢，其意义恰好与O2相反，说明处于缺氧的还原环境。在与大气较为隔绝的环境中，当有有机质存在时，由于微生物的作用，
将还原生成H2 S。因此，H2 S一般出现于封闭地质构造的地下水中，如油田水中。
（3）二氧化碳（CO2）。地下水中的二氧化碳主要有两个来源。一种由有机物的氧化（植物的呼吸作用及有机质残骸的发酵作用）形成。这种作用发生于大气、土壤及地表水中生成的CO2，随同水一起入渗补给地下水；浅部地下水中主要含有这种成因的CO2。另一种是深部变质作用形成的，即碳酸盐类的岩石，在深部高温影响下，分解生成CO2。地下水中含CO2愈多，则其溶解碳酸盐类的能力以及对结晶岩类进行风化作用的能力便愈强。
由于近代工业的发展，大气中人为产生的CO2显著增加，特别在工业集中区，补给地下水的降水中的CO2含量往往格外高。
2.地下水中主要离子成分
地下水中分布最广、含量较多的离子共有7种，即：氯离子（Cl－）、硫酸根离子（
）、重碳酸根离子（
）、钠离子（Na＋）、钾离子（K＋）、钙离子（Ca2＋）及镁离子（Mg2＋）。
一般情况下，随着总矿化度（含盐量）的变化，地下水中占主要地位的离子成分也随之发生变化。低矿化水中常以
及Ca2＋、Mg2＋为主；高矿化水则以Cl－及Na＋为主；中等矿化的地下水中，阴离子常以
为主，主要阳离子则可以是Na＋，也可以是Ca2＋。
地下水的矿化度与离子成分间之所以往往具有这种对应关系，主要由于水中盐类的溶解度不同。总的说来，氯盐的溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐的较小，钙的硫酸盐，特别是钙、镁的碳酸盐溶解度最小。随着矿化度增大，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出。继续增大时，钙的硫酸盐也饱和析出。因此，高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势了。
3.地下水中的胶体成分
地下水中的胶体成分分为有机和无机两类。有机胶体在地球表面分布广泛，尤其在热带、沼泽地带的地下水中含量很高。无机胶体有的不稳定，易生成次生矿物而沉淀，如氢氧化铝胶体易形成水矾土、叶蜡石沉淀。有的溶解度很小，如二氧化硅（SiO2），在水中含量较低。
4.地下水中的有机成分和细菌成分
有机成分主要是生物遗体的分解，多富集于沼泽水中，有特殊臭味。细菌成分可分为病源菌和非病源菌两种。一般采用细菌总数（菌数/L）、菌度（含有一条大肠杆菌的水的毫升数）和检定量（1L水中大肠杆菌的含量）来衡量水的卫生程度。1L水中细菌总数越少，菌度越大，或检定量越小，则水越卫生。根据地下水中菌度的多少，将水的卫生状况分类，见表2.3。
表2.3 地下水按菌度分类表 单位：mL
2.3.2.2 地下水的主要化学性质
1.地下水的酸碱性
地下水的酸碱性主要取决于水中氢离子浓度，常用pH值表示，pH＝－lg［c（H＋）］。根据地下水pH值的大小，将水分成以下几级：强酸性（pH＜5）、弱酸性（pH＝5～7）、中性（pH＝7）、弱碱性（pH＝7～9）、强碱性（pH＞9）。多数地下水pH值为6.5～8.5。
2.地下水的总矿化度
地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度，以每升水中所含克数（g/L）表示。为了便于比较，习惯上以105～110℃时把水灼干所得的干涸残余物总量表示总矿化度。也可将分析所得阴、阳离子含量相加，求得理论干涸残余物值。但应注意，因为在灼干时有将近一半的重碳酸根分解成CO2及H2O逸出，所以相加时HCO－3应取其重量的一半。按地下水总矿化度的大小，将其分类，见表2.4。
表2.4 地下水按矿化度的分类表
3.地下水的硬度
水的硬度取决于水中Ca2＋、Mg2＋的含量。硬度分为：总硬度、暂时硬度、永久硬度等。
总硬度：总硬度相当于水中所含Ca2＋、Mg2＋的总量。
暂时硬度：水煮沸后，水中一部分Ca2＋、Mg2＋与HCO－3作用生成碳酸钙（CaCO3）和碳酸镁（MgCO3）沉淀。呈碳酸盐沉淀的这部分Ca2＋、Mg2＋的总量即暂时硬度。
永久硬度：由钙、镁的氯化物、硫酸盐、硝酸盐等所引起的硬度叫做非碳酸盐硬度。由于这些盐煮沸后不会生成沉淀而被除去，习惯上把这种硬度叫做永久硬度。
总硬度＝暂时硬度＋永久硬度
碳酸盐硬度：地下水中与
含量相当的Ca2＋、Mg2＋的总量为碳酸盐硬度。
硬度的表示方法有多种，随各国的习惯而有所不同，如德国度、法国度等，有将水中的盐类折算成碳酸钙而以碳酸钙的量作为硬度标准的，也有将盐类合算成氧化钙而以氧化钙的量来表示的。（注意：1德国度＝10mg/L的CaO，10mg/L的CaCO3称为1法国度。）我国目前常用的表示方法有两种：①以度（°）计，以每升水中含10mg CaO为1°；②用CaCO3含量表示。
我国在《地下水质量标准》（GB/T 14848—1993）中规定，Ⅰ类水总硬度（以CaCO3计）不大于150，Ⅱ类水总硬度不大于300，Ⅲ类水总硬度不大于450，Ⅳ类水总硬度不大于550，Ⅴ类水总硬度大于550。