地下水化学成分形成的主要影响因素

地下水化学成分形成的主要影响因素

地下水化学成分形成的主要影响因素有四大类：分别是自然地

理因素、地质因素和水文因素、生物因素和人为因素，下面将详细分

析并举例说明其主要的影响因素。

一.自然地理因素

包含地形；水文；气候（气象/降水/气温/蒸发）。

（1）地形：影响水交替条件，而水交替条件又影响水的化学成分

和矿化度。地形切割强烈，水的交替条件就好，有利于淡水的形成。

反之，则形成高矿化度的咸水或盐水。如山区形成碳酸型水，而平原

易形成硫酸水或氯化物型水

（2）水文：密集的水文网有利含水层的水交替条件。盐分的带出

及淡潜水的形成。在水文网稀疏的条件下，地下水径流受阻，从而使

潜水矿化度增高。

（3）气候

①气象

②降水

大气降水能使地下水的储存量、矿化度和化学成分发生明显变

化。

降雨对地下水化学成分的影响,可以分为直接与间接两种作用方

式,所谓直接方式,是指雨水中的化学组分,通过包气带直接入渗补给

地下水;间接方式,是指雨水在经过包气带并与岩土发生复杂的物理化

学作用过程中进入地下水。实际上,地下水化学成分的变化,是在上述

两种过程中共同完成的只不过在降雨为pH值过低的酸雨时与岩土的

作用更强烈,地下水化学成分的变化更深刻罢了。

i.据苏州市某厂周围1984年检测的浅层地下水中SO42-含量和水的

化学类型,由资料看出,硫酸型水广泛分布,面积约为五平方公里，其

中C8井点矿化度为2.21克/升，总硬度高达50.7德国度，为全市之

冠；尤其是距该厂北侧 30米左右的C5、C3。井孔点(为浅钻孔,水位

埋深1米),地下水中SO42-含量居然高达 2.63 一2.494克 / 升,矿化度

达到 4.93 一 5.21 克/ 升,总 硬 度 为 2 5.2一4 1.6德国度,明显的

与该厂经常排放高浓度的SO42-所形成的酸雨有密切关系,地下水中的

SO42-含量如此之高,与酸雨中的高含量的SO42-的直接入渗有关,也是

酸雨中高浓度 的 H+与本区浅部土层 中丰富的铝硅酸盐( 100克土

中含有 SiO2 +A l2O3达到80克左右 ) 强烈作用的结果。

ii.因子F3[2]的得分表现为地下水小于地表水，在马鞍山收费站和

胡家湾最高，这两个点属于地表河流系统，说明岩溶地下水中的Na+、

Cl-受到地表水体中溶质的影响.然而，由表3.1的分析可知，金佛山地

区的大部分岩溶地下水样品中Na+、Cl-并不高，基本与大气降水接近,

可以认为其主要来自大气降水。

③气温

关中盆地气温对地下水富集氟离子的影响。地下水中的氟主要来

源于基岩"土壤中的含氟矿物"呈吸附态的氟和氟络合物!但是氟由固

相转入液相，由吸附态变为解析态，其迁移转化过程和量受到多种因

素的影响，其中温度的影响阐述如下：图2表示了10~12月份地下水

水温与F离子含量关系图。在枯水期，温度较低的情况下，地下水温

在7~18℃波动，而高氟地下水温主要集中在13~16℃，最大值出现在

13.5~14.5℃。一般情况下，水温高时有利于含氟矿物的溶解和呈吸附

态氟的解析，有利于氟在水中富集。这是因为水温高，氟离子的活性

增强，岩石"土壤表面的呈吸附态的氟易于解离，并在水中富集; 同

时岩石"土壤等的含氟的化合物溶解度增大，导致水中的氟含量升高!

但从图中可以看出，在16~18℃范围内，虽然地下水温度较高，但氟

离子的含量却相对较小，这是因为在温度较高时，离子的活性增强，

其他离子的溶解对氟离子起到了抑制作用。这也说明水温主要是起到

促进含氟矿物及呈吸附态氟的解析和溶解，并不是水中氟含量高的主

要因素，只是引起地下水中氟离

子含量高的一个有利因素。

④蒸发

关中盆地蒸发对地下水富集氟的影响。高氟地下水形成的首要条

件是具有供氟能力强的氟源，包括基岩和土壤中的含氟矿物，以及呈

吸附态的氟和氟络合物。由关中盆地氟病区分布图可以看出，轻病区

处大部分位于渭北黄土台塬处及河流高级阶地区，包气带主要为黄土

或黄土状亚粘土，垂直节理发育，大气降水垂向入渗，土质上疏下实，

溶滤作用强烈，包气带中可溶性氟含量较高，该区域水力坡度较大，

侧向径流条件较好，潜水位埋深较深，地下水中的氟主要来自水—岩

界面间的含氟矿物的溶解与溶滤; 中病区位于二三级阶地处，水力坡

度变缓，侧向溶滤作用更加明显，地下水中的氟含量变高; 重病区主

要位于构造洼地处，该区域水位埋深浅，蒸发浓缩作用强烈，地下水

中的氟随着毛细带上升，受到某些矿物的吸附而滞留在包气带中，随

着降雨的入渗，水—岩界面间的含氟矿物通过溶滤作用进入地下水

中。图6反映了土壤样本的不同深度处的可溶性氟含量的大小。图7

表示氟含量与不同的水文地球化学地段间的关系。从图6中可以看

出，0~0.2m包气带土壤中的可溶氟含量随着深度的增加而增加，基

本上在0.2m左右可溶氟的含量最高，说明0.2m以下的包气带可溶性

氟主要来自表层，溶滤作用使得可溶性氟在包气带中向下迁移; 而

XAT001土壤表层的可溶性氟含量最大，说明表层土已受到了污染。

可溶性氟的含量总体上呈减少趋势，0.2~0.5m处的包气带土壤可溶性

氟的含量基本上变化很小，说明 0.2~0.5m为可溶性氟的吸附带，由

于吸附作用的存在使得可溶性氟向水中迁移的量减小，但溶滤作用促

进土壤中可溶性氟向地下水中氟转化的总方向并未改变。

图7则说明，PTW004、FCW001和PTW001位于冲洪积扇处，该处

水力坡度大"水循环交替积极，以溶滤作用为主，地下水中的氟含量

普遍较低; 而淋溶—蒸发地段位于黄土塬和高级阶地处，氟含量的升

高主要是因为侧向溶滤作用的加强。由于受到洛河的稀释作用，

D004、D001 两点的氟含量相对较小; 强烈蒸发地段位于卤泊滩的塬

面洼地处，该地段水位埋藏较浅，水流滞缓，以蒸发浓缩作用为主。

图6和图7则说明了氟向地下水中的迁移主要取决于溶滤作用，而 地

下水中氟的聚集主要取决于蒸发浓缩作用。

二.地质因素和水文地质因素：包含地质构造；土壤、岩石的矿物成

分和水—岩作用时间（地下水流速）

地质及水文地质条件对地下水化学成分的形成在一定程度上起

着决定性的作用,这主要表现在地形地貌、岩层性质、地下水循环条

件及埋藏的不同，其化学成分往往有很大的差别。

在新生界含水岩组的地下水中，水化学成分在空间上的变化较

大，在盐池南北分水岭以东地区，地下水水力坡度大，径流较好，水

交替作用强烈，地下水类型以HCO3·SO4水为主，分水岭以西地区，地

下水水力坡度小，水化学类型通常为SO4·Cl型水。

罗汉洞含水岩组的地下水化学类型以SO4·Cl水为主。该含水岩

组在盐池南北分水岭以东多被薄层第四系覆盖，在盐池县周围的新生

界和罗汉洞组的TDS含量均较高，在盐池南北分水岭以西大部分地区

被薄层第四系和第三系双重覆盖，在研究区的西南部两个含水岩组的

含量都有明显的减小。另外两个含水岩组SO42-和Cl-的含量分布特征在

盐池县城周围以及研究区的西南部都有相似的分布特征。由此可以看

出，该含水岩组地下水的主要来源为新生界含水岩组里补给。

环河含水岩组的地下水总体由南向北径流，且净流滞缓，水力坡

度约为1.7%，水质较差，由于地下水流缓慢，水化学类型变化不明显

，以SO4·Cl型和SO4·HCO3为主。

（1）地质构造：断裂使岩石发生破坏并形成裂隙，由于断裂构造发

育很深，这样沿着这些深大断裂从深部涌出热的，有时带气体的矿水，

甚至卤水，从而使浅部地下水化学成分发生急剧变化。

（2）土壤等自然因子对岩溶水的影响

F2[2]因子的得分值表明: 值较高的水样点( 如蓬莱林$知音山庄和碧潭泉) 基本都位于金佛山下土壤层较厚的地方3 说明土壤等自然因素对金佛山岩溶水中的HCO3-和Mg2+具有决定性影响.土壤是一个巨大的碳库，全球土壤碳容量是森林的2~3倍，土壤中CO2含量超过大气的10倍，其溶于水，形成HCO3-，成为地下水中HCO3-的主要来源。

（3）水—岩作用时间（地下水流速）

从因子F1[2]的得分值来看，从地表水到地下水，得分值逐渐增大，特别是深部来源( 如金佛山温泉) 的水中各种离子质量浓度都较高，反映了大气降水来源补给的地下水经过充分的水(岩作用后沿裂隙、断裂运移，并在地表出露，意味着在因子F1[2]上具有高载荷的离子受到水—岩作用时间长短等的控制。

三．生物因素

（1）植物：使水富集微量元素；选择性地吸收离子

①植物的蒸发：干旱条件下，植物蒸发量大，引起潜水矿化度提高。 ②植物选择吸收离子，改变水的PH值和化学类型。例如盐生植物吸收Cl-

③植物的有机残骸影响土壤的酸碱度，从而影响潜水的PH值和水化学类型。例如针叶林产生酸性水，PH值可达到4，阔叶林产生碱性。 ④植物根放出的CO2降低土壤的pH值，并促使很多矿物质转入溶液。

在土壤溶液和潜水中，HCO3-含量取决于土壤中的CO2

（2）微生物：脱硫细菌；硝化细菌

主要是起催化作用，不影响反应方向，但影响反应速率。例如：在含石膏的灰岩地层里，约470m深处，发现了硫酸盐还原菌；在含油地层1000m深处、在海相地层2700m深处（压力为3*107pa）、在无烟每层500m深处，发现了硫酸盐还原菌。

四．人为因素：灌溉，排污，农药、肥料使用：地下水硬度增高，污染物含量增大,改变地下水化学类型。

1．人工开采地下水对潜水化学成分的影响及原因

①．开采区含水层的矿化度提高。原因是潜水位下降，包气带加厚，充氧作用加强，氧化作用加强，使不溶解的硫化物转化为可溶硫酸盐，并被水所溶滤，矿化度提高。

②．在海或盐湖附近开采淡水，有可能使盐水由海或盐湖进入含水层，使淡水被盐化。

③．开采时，由于同一含水层或含水层的盐水侵入，使地下淡水矿化度提高。

2．人工开采地下水时对承压水化成分的影响

①开采承压地下水时，形成降落漏斗，在漏斗范围内压力降低，使水流从高压流向低压时，由于减压，从水中逸出CO2，析出铁和碱金属的碳酸盐沉淀，导致水化学成分变化(减压脱气) .

②开采承压地下水时，由于承压水位下降低时，使隔水层和上覆岩层的静水压力降低 ，造成粘土层有效压力增加而产生压实作用，使粘

土中的水进入含水层，引起水化学成分变化。

③开采承压地下水时，区域性大降落漏斗的形成，(直径可达几十公里)，可以把它看作一个特殊的排泄窗口，使下部含水层的水的导入，而引起地下水矿化度的增高(越流渗透)。

3.实例1: 一供水井，井深91.5米，含水层为含黄铁矿的绢云母片岩。连续抽水13个月，水位下降36.5米，在这个期间内，水中SO42-浓度在13mg/l左右。停抽4个月后，再次抽水时，第一天的水样中，SO42-=1330mg/l, Fe2+不断降低，pH值升高。这种现象出现的原因是

（1）由于水位下降很大，所以形成了一个漏斗区；在漏斗区内，原来的含水层变为包气带，因绢云母片岩中的黄铁矿被氧化，其反应如下：7O2 + 2FeS2 + 2H2O = FeSO4 + 2H2SO4

（2）停抽期间，水位逐渐恢复，使第一次抽水所形成降落漏斗区又主充满了水，黄铁矿氧化所产生的SO42-和H+进入水中，溶解FeSO4结果，在漏斗区内形成一个SO42-，Fe2+，H+浓度的局部污染晕。

（3）再次抽水时，这部分水首先被抽出，从而出现第一天水样中SO42-，Fe2+浓度高，pH值降低的现象。

（4）随着抽水继续，原漏斗区外的水流入与漏斗区的水混合。因此，产生SO42-，Fe2+，H+逐渐降低的现象。这种现象是典型的氧化还原过程。

4.实例2：因子 F4得分离人类活动中心越近，值越高，得分最高的大弯道和头度酒厂，受到人类农业活动和工业生产活动的影响，具有较高的NO3-质量浓度。而位于保护区深处的许多泉点在因子F4上的

得分都较低，说明金佛山保护区内表层岩溶地下水受人类活动的影响不明显。人类生产活动对岩溶水中的NO3质量浓度具有重要贡献。

5.实例3：下面的表5是苏州市 19 84年 16 1个浅 层地下水检测井点SO42-、NO3-含量按功能区统计值,工业区和交通车辆稠密区地下水中SO42-、NO3-含量最高,这与表表 2,表3中各功能区大气SO2、NOx浓度完全吻合。

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