地下水质的综合指标

在水质分析中，除了测定单个组分的含量外，往往还要测定地下水的一些综合性指标，或者根据单项指标的分析结果对地下水质的某些综合指标进行计算。这些综合指标不仅可以反映水的某些方面的性质，更多的则是反映了地下水质的综合性质，现分别对其阐述如下：

（1）pH值：pH值取决于水中所含H+的多少，H+含量愈高，pH值愈低。pH值是衡量水溶液酸碱性质的一个综合性物理化学指标，它对化学元素在水溶液中的存在形式及地下水与围岩的相互作用有着重要的影响。水溶液的pH值受多种因素的制约，主要包括溶液的化学成分、温度、压力（特别是CO2和H2S等气体的分压）等。在水文地球化学研究中，为了对水-岩相互作用的性质作出准确的评价，同时也为了加深对一些水文地球化学作用的理解，常需要对水溶液pH值的影响因素及其变化进行深入研究。

天然水的pH值一般在7.2～8.5之间，当pH值过高或过低时，则表示水有可能受到了污染。地表水被有机物污染时，由于有机物被氧化可产生大量的二氧化碳，可使水的pH值大大地降低。被工业废水污染的地表水和地下水，其pH值也可发生明显而较大的变化。

我国生活饮用水卫生标准规定饮用水的pH值应在6.5～8.5之间，pH值在此范围之内不会对人体健康产生影响。如水的pH值过高，将会导致水中溶解盐类的析出，使水的感官形状恶化，而且还会降低氯化消毒的效果。当水的pH值过低时，则使水有较强的腐蚀作用，增强了水对金属（铁、铅、铝等）的溶解。

（2）氧化还原电位（Eh）：氧化还原电位是表征水体氧化还原状态的一个综合性物理化学指标，其单位为V或mV。天然水体中的气体、无机物、有机物和微生物共同组成了一个复杂的氧化还原动平衡体系，氧化还原电位即是这种作用的表现和结果。水体的氧化还原条件对元素在其中的存在形态以及元素的迁移、富集和分散有巨大的影响，有一些元素在氧化环境中有较强的迁移能力，而另外一些元素则在还原条件下的水体中更容易迁移。水体的氧化还原电位对环境因素的变化很敏感，温度、pH值以及溶解气体含量的变化都会对其造成很大影响。因此，Eh值一般都是在现场使用铂电极进行测定的。

（钾3）总溶解固体（TDS）：总溶解固体是指水中溶解组分的总量，它包括了水中的离子、分子及络合物，但不包括悬浮物和气体。总溶解固体可通过在105～110℃下把水蒸干，对所得到的干涸残余物的总量进行称重而得到，其单位为mg/L或g/L。总溶解固体常被记为TDS，表示Total Dissolved Solids。TDS除了可直接测定外，也可根据水质分析结果进行计算，方法是把所有溶解组分（溶解气体除外）的浓度加起来再减去浓度二分之一。这里之所以要减去浓度的二分之一是因为在水样蒸干的过程中，约有一半的转化成了CO2气体而散失掉了，其反应如下（以CaCO3的沉淀为例）：

水文地球化学

除了外，硝酸、硼酸、有机物等也可能损失一部分，当pH值较低时，其损失量更大一些。与此相反，可能有部分结晶水（如石膏，CaSO4&midDOt;H2O）和吸着水保留在干涸残余物里。因此TDS的实测值与计算值常常有一些微小的差别。此外，国内外测定TDS时的蒸干温度有时也不一致，这样也会引起测定结果的偏差。

矿化度是我国学者过去常用的术语，其含义与总溶解固体相同。矿化度的概念来源于前苏联，其他国家的文献中几乎没有出现过，近些年来我国供水、环境等一些部门也已改用总溶解固体一词，如在我国新颁布的地下水水质标准中就是如此。

（4）含盐量：含盐量是指水中各组分的总量，其常用的单位是mg/L或g/L。该指标是计算值，它与总溶解固体的区别在于无需减去浓度的二分之一。含盐量在灌溉水质的评价以及河流向海洋输送风化产物的计算中经常用到。在海洋水化学研究中，常用含盐度代替含盐量，含盐度的含义是海水中所有组分的含量占水的重量的千分数，以‰表示。

（5）硬度：水的硬度反映了水中多价金属离子含量的总和，这些离子包括了Ca2+、Mg2+、Sr2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Mn2+、Ba2+等。与Ca2+和Mg2+相比，其他多价金属离子在天然水中的含量一般很少，因此天然水的硬度主要是由Ca2+、Mg2+引起的。硬度通常以CaCO3的mg/L数来表示，其数值等于水中所有多价离子毫克当量浓度的总和乘以50（CaCO3的当量），除此之外，硬度常用的表示方法还有德国度、法国度和英国度等，1德国度=17.8 mg/L（CaCO3），1法国度=10 mg/L（CaCO3），1英国度=14.3 mg/L（CaCO3）。过去，我国一直用德国度来表示水的硬度，由于德国度是非法定计量单位，近年来许多部门已改用CaCO3的mg/L来表示硬度。

根据水的硬度可将其划分为极软水、软水、微硬水、硬水和极硬水。具体见表1-3-1。

表1-3-1 水按硬度的分类

水的硬度随着地区的不同通常有很大的变化，一般情况下地表水的硬度要小于地下水的硬度。地下水的硬度往往反映了它所接触的地层岩性的性质，当表土层较厚且有石灰岩存在时，水的硬度一般较大，而软水则一般出现在表土层较薄且石灰岩稀少或不存在的地方。

硬度可分为总硬度、碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。总硬度即是以CaCO3的mg/L数表示的水中多价金属离子的总和，也就是前面我们所说的硬度。碳酸盐硬度是指可与水中的结合的硬度，当水中有足够的可供结合时，碳酸盐硬度就等于总硬度；当水中的和不足时，碳酸盐硬度就等于与的毫克当量数之和乘以50，也就是以CaCO3的mg/L数表示的水中的总量。碳酸盐硬度通常被称为暂时硬度，因为这部分硬度可与水中的结合，当水被煮沸时即可形成CaCO3沉淀而被除去。总硬度与碳酸盐硬度之差被称为非碳酸盐硬度或永久硬度，它指的是与水中Cl-、等结合的多价金属阳离子的总量，水煮沸后不能被除去。

水的硬度对日常生活和工业用水都有一定的影响。如硬水可以与肥皂发生反应，减少泡沫的形成，降低洗涤效果。高硬度水在锅炉、热水管道容易形成水垢，增加燃料消耗，降低热效率，堵塞管道。近年来，人们还发现心血管疾病的发病率与水的硬度之间有负相关关系，即饮水的硬度愈低，心血管病的发病率愈高。

（6）溶解氧（DO）：天然水中的溶解氧主要来源于空气中的氧气，故溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度有密切的关系。一般情况下，空气中氧的含量变化不大，故水温是影响溶解氧含量的主要因素，水温愈低，水中溶解氧的含量愈高。在一个大气压下，0℃时大气氧在淡水中的溶解度是14.6 mg/L，35℃时的溶解度则大约为7 mg/L。

清洁的地表水在正常情况下的溶解氧含量接近饱和状态。水中有大量的藻类植物时，由于光合作用释放出氧气，可使水中含有过饱和的溶解氧。溶解氧是水中有机物进行氧化分解的重要条件，当大量有机物污染水体时，水体的溶解氧可被急剧地消耗，如其消耗速度超过氧气从空气中进入水体内的速度，则水中的溶解氧就会不断地降低，甚至接近于零而呈缺氧状态。此时水中的厌氧生物就会大量繁殖，有机物发生腐败，使水产生臭味。因此溶解氧的含量可作为判断水体是否受到有机物污染的间接指标。由于溶解氧参与了水中有机物的氧化分解活动，因此在同一地表水体不同断面上测定水中溶解氧的含量，对于说明水体的自然净化状况具有重要意义。

溶解氧含量与水中鱼类的生存有密切的关系，溶解氧含量小于3～4 mg/L时，鱼类的生存就会受到严重的影响。

雨水经过包气带进入地下水面的过程中，溶解氧可被包气带中的有机物和还原性无机物所消耗，所以地下水中的溶解氧含量一般较低。

（7）生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）：生化需氧量是指水体中的微生物在降解水中有机物的过程中所消耗的氧的量，以mg/L表示。BOD的测定实质上是一个氧化过程，在该过程中，把一定量的有机物氧化为二氧化碳、水和氨气所需氧的量是确定的，这种关系可表示为：

水文地球化学

微生物在这里只起到了一种中间介质的作用。

BOD测试中的氧化反应是生物活动的结果，其完成的程度是由温度和时间所决定的。为了使测定的BOD值具有可比性，通常采用20℃下培养5天的测定结果来标定BOD，并将其记为BOD5。对于大多数的天然水体来说，20℃一般是一个平均温度。但应明确5天还远未达到有机物完全氧化的时间。从理论上讲，有机物通过生物完全氧化所需的时间是无限的，但从实用角度来看，可认为20天后反应就进行完毕了。即便如此，20天对于大多数情况都是一个太长的等待时间。人们之所以选择5天的培养时间是因为BOD5在总BOD中已经占到了相当大的比例，对于生活和工业废水来说，可占到总BOD的70%～80%，而且选择5天的培养时间也可使氨氧化的影响达到最小。

BOD是一个确定生活和工业废水污染程度时广泛使用的指标，在河流污染控制的研究中，BOD的测试非常重要。在制定和规划水体对废水的净化容量时，也需要对BOD进行测定。

（8）化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）：化学需氧量是指采用化学氧化剂氧化水中有机物和还原性无机物所需消耗的氧的量，单位为mg/L。在COD的测定过程中，无论有机物能否被生物所降解，它都被氧化剂氧化成了二氧化碳和水。因此COD一般要大于BOD。COD测定的最大缺点就是它不能对生物可降解与生物不可降解的有机质进行区分，而且它不能提供可降解有机物在天然条件下达到稳定状态的任何速度信息。其优点是测定所需的时间短，只需要三个小时，因此在很多情况下都用COD来代替BOD。在同时积累了很多COD和BOD资料，并且建立了它们之间相关关系的情况下，可用BOD值对COD资料进行解释。

高锰酸钾（KMnO4）、重铬酸钾（KCr2O7）和碘酸钾（KIO3）是测定水中COD的三种常用的氧化剂。对于不同的化合物，高锰酸钾的氧化变化较大，氧化的程度受到了试剂强度的很大影响。所测定的COD值经常比BOD5小很多。这种情况表明高锰酸钾氧化的终点很不确定。重铬酸钾是这三种氧化剂中测定效果最好的一种，它可以把大多数种类的有机物完全氧化为二氧化碳和水。由于氧化过程中所有的氧化剂都必须过量使用，所以氧化反应结束后必须测定多加入的氧化剂的量，在这一方面重铬酸钾也比其他氧化剂相对容易测定一些，这也是重铬酸钾广泛使用的另一个原因。为了便于对COD测定结果的比较，使用此COD时应注明其分析方法。

一些有机物，如低分子量脂肪酸必须加催化剂才能被重铬酸钾所氧化，银离子是一种很有效的催化剂。芳氢和吡啶在任何情况下都不能被氧化。

（9）总有机碳（Total Organic Carbon，TOC）：总有机碳是水中各种形式有机碳的总量，以mg/L表示。TOC可通过测定高温燃烧所产生的二氧化碳来确定，也可使用有关测试仪器进行测定。由于燃烧法的测定程序较为繁琐，而且难以排除无机碳的干扰，而仪器测试法又比较昂贵，所以在以往的水质分析结果中，TOC的资料很少。

（10）碱度（Alklinity）：碱度是表征水中和酸的能力的一个综合性指标。天然水的碱度主要由水中的弱酸盐类所引起，当然弱碱和强碱对其也有一定的贡献。一般情况下，碳酸盐和重碳酸盐是碱度的主要组成部分。其他的弱酸盐，如硼酸盐、硅酸盐和磷酸盐的含量通常很少。极少数的有机酸，如腐殖酸所形成的盐类也对天然水的碱度产生影响。在受污染或缺氧的水体中，可形成醋酸、丙酸及氢硫酸，它们对碱度也产生一定的贡献。虽然很多物质都对天然水的碱度有影响，但水的碱度主要由三类物质所引起，这些物质是氢氧化物、碳酸盐和重碳酸盐。

碱度一般使用N/总硬度50的硫酸H2SO4通过滴定法来测定，并且用CaCO3的mg/L数来表示。当样品的初始pH值大于8.3时，滴定分为两步。第一步滴定到pH值等于8.3，该点可由酚酞由粉红变为无色来确定。第二步滴定到pH值大约等于4.5，与甲基橙终点相对应。当样品的pH值低于8.3时，只需要后一步就够了。在第一步中选择pH=8.3作为终点，是因为该pH值对应于转化为的当量点。而第二步中的pH=4.5则大致对应于转化为H2CO3的当量点。

由碳酸盐和重碳酸盐所引起的碱度通常被称为碳酸盐碱度。碳酸盐碱度可根据水质分析结果来进行计算，其方法是用50乘以和的毫克当量浓度之和。

（11）酸度（Acidity）：酸度是水中和碱的能力的一个综合性指标。组成水中酸度的物质可归纳为三类：①强酸，如 HCl、HNO3、H2SO4等；②弱酸，如 CO2、H2CO3、及各种有机酸等；③强酸弱碱盐，如FECl3、Al（SO4）3等。水中这些物质对强碱的总中和能力称为总酸度。总酸度与水中的氢离子浓度并不是一回事，氢离子浓度表示水中呈自由离子状态的H+数量，而总酸度则表示了中和过程中可与强碱反应的全部H+数量，其中包括了已电离的和将要电离的两部分。已电离的H+数量称为离子酸度，其负对数值即等于水溶液的pH值。与碱度一样，酸度也是常用CaCO3的mg/L数来表示的。