第四节 各类天然水体的化学特征

天然水的成分是水与周围介质（大气圈、生物圈、岩石圈）在长期历史进程中相互作用的结果。天然水由于其所处环境不同，它们的化学成分各异，所以在研究其成分和形成条件时，不能脱离介质环境。

一、大气降水的成分特征

大气降水是由海洋和陆地所蒸发的水蒸气凝结而成的，它的成分很大程度上取决于地区条件，因而变化幅度很大。靠近海洋处的降水可混入由风卷进的海水飞沫、火山粉尘；在内陆的降水可混入大气中的灰尘、细菌；在城市上空的降水则可混入煤烟、工业粉尘等。但总的来说，大气降水是杂质较少而且矿化度很低的软水。

大气降水的矿化度一般为20～50mg/L，在海滨有时可超过100mg/L。降水成分随水循环大小而定，在靠海洋处与海水相似，以Na⁺、Cl^-为主；在内陆则与河水相似，以Ca²⁺、为主，含量也常常稍高。降水中溶解的气体如O₂、CO₂等常是饱和的，且含有由雷电所产生的含氮化合物。一般初期降水或干旱地区的降水中杂质较多，而长期降水后或湿润地区的降水中杂质较少。沿海地区和内陆地区降水中离子成分有很大差别。表2-5列举了沿海及内陆地区降水中的离子成分及含量。

降水一般呈弱酸性。在未受污染的大气中CO₂约占0.0316%，降水溶解CO₂后形成碳酸，当雨雪中饱和的CO₂达到电离平衡时，其pH值通常为5.0～7.0左右，故呈酸性，多数为5.6左右。近年来，人类活动向大气排放大量的SO₂及氮氧化合物，使大气中SO_x、NO_x、CO、NH₃等浓度增大，而这些气体溶于降水中可形成硫酸和硝酸，从而使降水的pH值降低，形成酸雨（是指pH值小于5.6的降水）。目前，酸雨已成为全球性的重大环境问题之一，我国也有不少地区有酸雨。据《中国环境状况公报》，2012年全国酸雨分布区域主要集中在长江沿线及以南——青藏高原以东地区，主要包括浙江、江西、福建、湖南、重庆的大部分地区，以及长三角、珠三角、四川东南部、广西北部地区。酸雨区面积约占国土面积的12.2%。

除了呈弱酸性外，降水中还包含有多种离子，如、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、、、、Cl^-，还有微生物和灰尘。但总体来看，降水的矿化度在各种天然水体中最低，对于各种可溶盐类远未达到饱和，故降落到地面后对各种元素仍具有较强的溶解能力。

二、海水的成分特征

海洋是最大的地表水体。海水总体积达13亿多立方千米，占地球总水量的97.2%，它覆盖了地球表面70%以上的面积。各大洋之间水流相通，所以世界各地海水的化学成分基本相似，但在海洋的水平和垂直方向上，水质仍呈现出一定的变化规律，在靠近海岸处水质变化更大。

各种天然存在的元素，在海水中几乎都能发现，它们以单离子、配合离子、分子等各种形式存在。但总体来看，一些宏量组分，如Cl-、Na+、、Mg²⁺、Ca²⁺、K+、、（按含量顺序排列）等主要离子，占溶解物质总量的99.90%左右；另外一些微量组分尽管含量很低（均低于10^-6mol/L），但这些微量离子对水生生物的生长有很大影响。

海水含盐量在不同地区和不同深度可能有所变化，但大致在34‰～36‰范围内，各主要离子之间的比例关系相对稳定。海水的pH值在表层为8.1～8.3，在深水层可下降到7.8。海水中主要阴、阳离子含量的顺序为Na⁺+K⁺＞Mg²⁺＞Ca²⁺；。表2-6为海水中主要离子成分及其含量。此外，海水中还含有溶解的和悬浮的有机物。一般情况下，有机碳含量为0.2～2.7mg/L。

海水的化学成分基本特点是：①具有很高的矿化度，约35g/L；②成分比较均一且恒定；③离子成分无时空变化，很稳定。

三、河水的成分特征

降水在降落到地面后，汇集形成江河等地表径流。在发源地有高山冰雪及冰川水补给，沿途还可能与地下水交汇互补，由于流域面积广阔，又是敞开流动的水体，因此河水中的化学成分与地形、地质条件密切相关，而且受生物活动和人类活动的影响很大。江河是主要的供水水源，也是受水污染影响最大的水体。河水流动迅速，交替周期平均只有16d。河水与河床的土石接触时间不长，其矿化作用是很有限的。河水的化学属性几乎完全取决于补给来源的性质和比例。

河水成分具有以下特征。

（1）河水的矿化度普遍较小。地球上大多数河水属低矿化水（矿化度M&lt；0.2g/L）和中矿化水（M=0.2～0.5g/L）。河水中总含盐量在100～200mg/L间，一般不超过500mg/L，有些内陆河流会有较高的含盐量。

（2）河水中的无机物成分与流经的地层岩性有关。河水广泛接触岩石、土壤，不同地区的岩石、土壤组成决定着该地区河水的基本化学成分。在结晶岩地区，由于这类岩石难溶，河流中溶解离子含量较少；在石灰岩地区，河水中富含Ca²⁺及；若河流流经白云岩及燧石层时，水中Mg²⁺、Si²⁺含量增高；河流流经石膏层时，水中富含，且总含盐量有所增加；当河流流经富含吸附阳离子的页岩及泥岩地区，则向河水提供大量溶解物质，如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等。我国主要河流的化学成分如表2-7所示。

从表2-7可以看出，我国河流含盐量变幅大，但其离子组成仍有大致的规律性。我国河流平均含盐量推算为166mg/L。

河水中主要离子关系与海水相反，主要离子含量一般规律是：Ca²⁺&gt；Na⁺&gt；Mg²⁺，^-。一般情况下，河水化学成分有一定的稳定性，除常见的主要离子成分外，其他成分含量较少。若出现异常情况时，则大多是由于工业废水的污染或其他因素的影响。

（3）河水中有机物成分复杂。地球陆地表面为植物所覆盖，当植物死亡或腐烂时，其中的部分有机物就会进入水中，因此河水中既有溶解的有机物，也含有微粒有机物，通常天然水体的有机物含量在10～30mg/L，而在热带河流中，由于河水流经丛林沼泽可以使有机质百分含量增高，并引起水体色度增加。

（4）河水的化学组成在空间分布上不均一。对于大江大河，其流域范围广，流程长，流经的区域条件复杂，同时有支流汇入，因此各河段水化学特征的不均一性就很明显。离河源越远，河水矿化度越大，同时Na⁺和Cl^-所占的比例增大，Ca²⁺和所占的比例减小。

（5）河水的化学组成随季节变化较其他水体更为明显。丰水期里冰雪融水和雨水是河流的主要来源。尤其是在汛期，随着流量增大，河水矿化度显著降低，同时含沙量增大。夏季水生植物繁茂，使、、含量减少。枯水季节以地下水补给为主，河水矿化度增大。随着水温的降低，溶解氧增多。由于水生植物减少，、、的含量可达全年最大值。河水一般均携带泥沙悬浮物而有浑浊度，浑浊度从数十度到数百度不等，夏季或汛期可达上千度，并随季节而变化。一般情况下，河水在基岩山区浑浊度低，在土质平原区高，如流经黄土高原的黄河浑浊度就非常高。

四、湖泊及水库水的成分特征

湖泊是由河流及地下水补给而形成的地表水体，因此其水质与补给水的来源有密切关系。但是由于气候、地质、生物活动等条件的影响，它们的化学成分却又有明显的差别。另外，湖泊与河流的水文条件不同，湖泊水流缓慢，受日照和蒸发影响显著，如果一个湖泊的流入和排出水量较大，蒸发量相对较小，则该湖泊能保持较低的含盐量而成为淡水湖；如果湖泊的水交换能力较低、且蒸发强烈，则大部分淡水被蒸发，而输入的溶解盐在湖中累积就形成咸水湖以至盐湖。通常，将矿化度低于1g/L的湖泊称为淡水湖；将矿化度在1～35g/L（相当于海水范围）的湖泊称为咸水湖；而将矿化度超过35g/L的湖泊称为盐湖。我国的淡水湖多在东部和南部湿润地区形成，比较著名的有鄱阳湖、洞庭湖、太湖、洪泽湖、微山湖、巢湖、洪湖等；而咸水湖则多在西北干旱地区形成，比较著名的有青海湖、纳木错、艾比湖等。通常，形成咸水湖或盐湖必须具备两个条件：一是当地气候为干旱或半干旱的气候，使得湖泊的蒸发量超过补给量，湖水不断浓缩，含盐量日渐增加；二是具有封闭的地形和一定的盐分与水量补给，封闭的地形使得盐分通过径流源源不断地从流域内向湖泊输送，在强烈的蒸发作用下，湖水盐分越积越多，逐渐形成了咸水湖。

水库可以认为是人工湖泊，多由河道修坝筑成。一般为淡水湖，其水质状况与湖泊近似，但在新建时期，由于大片土地被淹没，大量有机物及可溶盐进入库内，同时库内水温升高，有利于浮游生物及高级水生生物繁殖生长。水质随环境条件而发生不同程度的变化，因而需要有一个过渡阶段，从河水及原有地区的特点逐渐调整为稳定的湖泊状态。

湖泊及水库水的特点是由于水体较深，热交换过程缓慢，因此在不同深度和不同季节，水质的变化有一定的规律。如表层水受日光直接照射，水温随气温变化较大；深层水受外界因素影响较小，水温比较稳定。这就造成夏季水温从表层到深层逐渐降低，冬季则相反，表层水温较低而深层水温较高。水温的分层现象进一步引起了湖水中溶解氧的分层变化。在春季和夏季表层水温较高，水生植物生长旺盛，它们在进行光合作用的过程中释放出O₂，其中一部分O₂逸出水面扩散到大气中，一部分为水生动物呼吸所消耗，但仍然使湖水上部水层中溶解氧趋于饱和。在深水层中水温较低，有机物分解时要消耗大量溶解氧，溶解氧含量急剧降低，有时可能完全耗尽。

总体来看，淡水湖或低度咸水湖的主要化学成分与内陆淡水相似，大多是Ca²⁺＞Na⁺、^-的类型，少数是Na⁺＞Ca²⁺，个别有的情况，则是高度咸水湖的特点。

五、地下水的成分特征

地下水是赋存于包气带以下岩石空隙中的水，它是由降水、地表水经过土壤、地层的渗流而形成的。地下水的水质与所接触的土壤、岩石及环境条件密切相关。由于地下水与各种岩石接触的时间较长，使得各种元素及化合物溶于地下水中。同时地下水的各含水层被弱透水层或不透水层分开，成为相对封闭的分隔体，彼此间交换微弱，使地下水的化学成分具有多样性。地下水成分具有以下特征。

（1）地下水的化学成分极其复杂，不同程度地含有地壳中可以见到的几乎所有的元素。赋存于岩石圈中的地下水，不断与岩土发生化学反应，并在与大气圈、水圈和生物圈进行水量交换的同时，交换化学成分，人类活动对地下水化学成分有很大影响。因此，地下水化学成分特征要比上述天然水化学成分更复杂些，例如在一些特定条件下，地下水中富集某些稀散元素（Br、I、B、Sr等），并可作为宝贵的工业原料。

（2）地下水中气体含量不高，但这些气体成分的存在都很有意义。地下水中常见的气体成分有O₂、N₂、CO₂、CH₄及H₂S，尤以前三种为主。一方面，气体成分能说明地下水所处的地球化学环境，例如地下水中溶解氧含量愈多，说明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用进行，相反，地下水中若出现H₂S和CH₄，说明地下水处于还原的地球化学环境。另一方面，地下水中的有些气体（如CO₂等），能增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应。

（3）地下水水质成分呈现出分层的特点。通常，地下水按深度可分为表层水、层间水和深层水。表层地下水是不透水层以上的地下水，它们渗流经过的地层较薄且与大气相通，所以受外界影响较大，有时还可能含有较多的腐殖质有机物和受到地面排水及工业废水的污染。层间水是指不透水层以下的中层地下水，它们不直接与外界相通，距补给水源较远且经过长途渗流，一般是自流的，可形成自流井或泉水。这种水层受外界影响小，水质成分比较稳定。深层水是指几乎和外界完全隔绝的地下水，一般有很高的矿化度或含有特种盐类。

（4）大多数地区的地下水含盐量随含水层深度增加而增大，其主要离子成分随含水层深度从低矿化度的淡水型转化为高矿化度的咸水型。即从Ca²⁺＞Na⁺、Cl^-转化为Na⁺＞Ca²⁺、Cl^-或。温度、压力等物理条件随地下水的深度而剧烈变化。在很深的地方，水和岩石在很大的压力（100～1000个标准大气压）和很高的温度（＞100℃）下发生作用，这对地下水化学成分的形成影响很大。在深井水或一些干旱地区的苦咸井水，含盐量可以达到10³～10⁴mg/L，有的地方甚至达到海水含盐量的程度。

水是最为常见的良好溶剂，它溶解岩土组分，搬运这些组分，并在某些情况下将这些组分从水中析出。水是地球中元素迁移、分散与富集的载体。天然水的化学成分是水与自然环境（自然地理、地貌、地质等背景）长期相互作用的结果，地域不同，各种水体中天然水含有的物质种类不同，浓度各异。一个地区水的化学面貌，在一定程度上反映了天然水的历史演变，研究水的化学成分可以帮助追溯水的起源与形成。