1樓:中地數媒
在水質分析中,除了測定單個組分的含量外,往往還需要測定地下水的一些綜合性指標,或者根據單項指標的分析結果對地下水質的某些綜合指標進行計算。這些綜合指標不僅可以反映水的某些方面的性質,更多的則是反映了地下水的綜合性質。
(一)第一組指標
這組指標主要體現水的質量,包括:總溶解固體、含鹽量與含鹽度、硬度及鈉吸附比。
1.總溶解固體
總溶解固體(total dissolved solids,tds)指水中溶解組分的總量,包括溶於水中的離子、分子及配合物,但不包括懸浮物和溶解氣體。
它通常以105~110℃下,水蒸乾後殘留的乾涸物的質量來表示,其單位為mg/l或g/l,以「tds」表示。分析結果中的「tds」可以是計算值,計算方法是:溶解組分(溶解氣體除外)的總和減去1/2的
,因為水樣在蒸乾過程中,約有二分之一(0.49)的
變成co2氣體揮發。其反應式如下(以caco3的沉澱為例):
水文地球化學基礎
除 外,硝酸、硼酸、有機酸等也可能損失一部分,當ph值較低時,其損失量更大。與此相反,可能的結晶水(如石膏caso4·2 h2o)和部分吸附水留在乾涸殘餘物中。因此,tds的實測值與計算值存在微小差別。
此外,國內外測定tds時的蒸乾溫度有時也不一致,這樣也會引起測定結果的偏差。目前,在野外可用tds儀測定。
礦化度是我國學者過去經常使用的術語,其含義與總溶解固體相同。礦化度的概念**於蘇聯,其他國家的文獻中幾乎沒有出現過,近些年來我國供水、環境等一些部門也已改用總溶解固體。
2.含鹽量與含鹽度
含鹽量指水中各溶解組分的總量,其常用單位為mg/l或g/l,這個指標是計算值,它與總溶解固體的差別在於無須減去1/2的
。含鹽量在農田灌溉水質的評價計算中經常用到。
在海洋研究中,常用含鹽度代替含鹽量。含鹽度指在海水中所有組分質量佔水質量的千分數,以‰表示。
3.硬度
水的硬度反映了水中多價金屬離子含量的總和,這些離子包括ca2+、mg2+、sr2+、fe2+、fe3+、al3+、mn2+、ba2+等。與ca2+和mg2+相比,其他多價金屬離子在天然水中的含量一般很低,因此天然水的硬度往往主要由ca2+、mg2+引起。其計算方法是ca2+和mg2+的毫克當量總數乘以50,以caco3表示,其單位是mg/l。
(1)表示方法
在世界各國,水中硬度有不同的表示方法:①1德國度=17.8mg/l(caco3);②1法國度=10mg/l(caco3);③1英國度=14.3mg/l(caco3)。
過去我國一直沿用德國度表示水的硬度,由於德國度是非法定計量單位,近年來許多部門已改用caco3的mg/l作為硬度。根據水的硬度可將其劃分為軟水、微硬水、硬水和極硬水(benefield et al.,1982),具體見表1—3。
表1—3 水按硬度的分類
(2)分類
硬度可分為總硬度、碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度。
總硬度 指水中ca2+、mg2+的總量,以caco3的mg/l數表示。
碳酸鹽硬度 是指可與水中的
和 結合的硬度,當水中有足夠的
和 可供結合時,碳酸鹽硬度就等於總硬度;當水中的
和 不足時,碳酸鹽硬度就等於
與 的毫克當量數之和乘以50,也就是以caco3的mg/l數表示的水中
與 的總量。碳酸鹽硬度通常被稱為暫時硬度,因為這部分硬度可與水中的
和 結合,當水被煮沸時即可形成caco3沉澱而被去除。
非碳酸鹽硬度 總硬度與碳酸鹽硬度之差被稱為非碳酸鹽硬度或永久硬度,它指的是與水中cl—、
、 等結合的多價金屬陽離子的總量,水煮沸後不能被去除。
(3)影響
水的硬度對日常生活和工業用水都有一定影響。例如,硬水可以與肥皂發生反應,減少泡沫的形成,降低洗滌效果;高硬度水在鍋爐、熱水管道中容易形成水垢,增加燃料消耗,降低熱效率,堵塞管道。近年來,人們還發現心血管疾病的發病率與水的硬度之間有負相關關係,即飲用水的硬度愈低,心血管病的發病率愈高。
4.鈉吸附比
鈉吸附比(sodium adsorption ratio)用「sar」表示,其數值按下式計算:
水文地球化學基礎
式中:sar量綱為一;na+、ca2+和mg2+分別為每公升水中相應離子的毫克當量數,即毫克當量濃度。
sar是評價灌溉水水質的指標,用sar值高的水灌溉會引起土壤板結,在研究水和土壤間的k+和na+與ca2+和mg2+進行陽離子交換時,sar也是乙個有用的引數。
(二)第二組指標
這組指標主要表徵水體的環境狀態,包括:溶解氧、生化需氧量、化學需氧量、總有機碳以及氧化還原電位。
(1)溶解氧
天然水中的溶解氧(dissolved oxygen,do)主要**於空氣中的氧氣,故溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度有密切關係。一般情況下,空氣中氧的含量變化不大,故水溫是影響溶解氧含量的主要因素,水溫愈低,水中溶解氧的含量愈高。在101325 pa、0℃時,大氣氧在淡水中的溶解度是14.
6mg/l,25℃時溶解度為8.25mg/l,35℃時的溶解度約為7mg/l。
溶解氧是水中有機物進行氧化分解的重要條件,當大量有機物汙染水體時,水體的溶解氧急劇消耗,如其消耗速度超過氧氣從空氣中進入水體內的速度,則水中的溶解氧就會不斷地降低,甚至接近於零而呈缺氧狀態。此時水中的厭氧生物就會大量繁殖,有機物發生腐敗,使水產生臭味。因此溶解氧的含量可作為判斷水體是否受到有機汙染的間接指標。
溶解氧含量與水中魚類的生存有密切的關係,溶解氧含量小於3~4mg/l時,魚類的生存就會受到嚴重的影響。雨水經過包氣帶進入飽水帶的過程中,溶解氧可被包氣帶中的有機物和還原性無機物消耗,所以地下水中的溶解氧含量一般較低。
(2)生化需氧量
生化需氧量(biochemical oxygen demand,bod)是指水體中的微生物在降解水中有機物的過程中所消耗的氧量,單位為mg/l。微生物在這裡只起到中間介質的作用。bod的測定實質上是乙個氧化過程,在該過程中,把一定量的有機物氧化為二氧化碳、水和氨氣。
bod測試中的氧化反應是生物活動的結果,其完成的程度由溫度和時間所決定。為了使測定的bod值具有可比性,通常採用20℃下培養5 d的測定結果來標定bod,並將其記為bod5。對於大多數的天然水體來說,20℃是平均溫度。
bod5在總bod中已經佔相當大的比例,對於生活和工業廢水來說,可佔總bod的70%~80%。
bod是乙個確定生活和工業廢水汙染程度時廣泛使用的指標,在汙染控制的研究中,bod的測試非常重要。在制定和規劃水體對廢水的淨化容量時,也需要對bod進行測定。
(3)化學需氧量
化學需氧量(chemical oxygen demand,cod)是指採用化學氧化劑氧化水中有機物和還原性無機物所需消耗的氧量,單位為mg/l。在cod的測定過程中,無論有機物能否被生物降解,它都被氧化劑氧化成二氧化碳和水。因此,cod一般要大於bod。
cod測定的最大缺點就是它不能對生物可降解與生物不可降解的有機質進行區分,而且它不能提供可降解有機物在天然條件下達到穩定狀態的任何速度資訊。其優點是測定所需的時間短,因此在很多情況下都用cod來代替bod。
高錳酸鉀(kmno4)、重鉻酸鉀(k2cr2o7)和碘酸鉀(kio3)是測定水中cod常用的三種氧化劑。對於不同的化合物,高錳酸鉀的氧化差別較大,氧化的程度受試劑強度的影響較大,高錳酸鉀氧化的終點不容易確定。重鉻酸鉀是這三種氧化劑中測定效果最好的一種,它可以把大多數種類的有機物完全氧化為二氧化碳和水。
由於氧化過程中所有的氧化劑都必須過量使用,所以氧化反應結束後必須測定多加入的氧化劑的量,在這一方面重鉻酸鉀比其他氧化劑相對容易測定一些,這也是重鉻酸鉀廣泛使用的另乙個原因。為了便於對cod測定結果進行比較,使用cod時應註明其分析方法。一些有機物,如低分子量脂肪酸必須加催化劑才能被重鉻酸鉀氧化,銀離子是很有效的催化劑;芳烴和吡啶在任何情況下都不能被氧化。
(4)總有機碳
總有機碳(total organic carbon,toc)是水中各種形式有機碳的總量,單位為mg/l。toc可通過測定有機物高溫燃燒所產生的二氧化碳來確定,也可使用儀器進行測定。由於燃燒法的測定程式較煩瑣,而且難以排除無機碳的干擾,而儀器測試又比較昂貴,所以在一般的水質分析結果中,toc的資料很少。
(5)氧化還原電位
氧化還原電位(eh)是表徵水體氧化還原狀態的乙個綜合性物理化學指標,一般以符號「eh」表示,其單位為v或mv。天然水體中的氣體、無機物、有機物和微生物共同組成乙個複雜的氧化還原平衡體系,氧化還原電位即是這種作用的表現和結果。水體的氧化還原條件對元素在其中的存在形態以及元素的遷移、富集和分散有巨大影響,有一些元素在氧化環境中有較強的遷移能力,而另外一些元素則在還原條件下更容易遷移。
eh為正值,說明水環境處於氧化狀態;eh為負值,說明水環境處於還原狀態。水體的氧化還原電位對環境因素的變化很敏感,取決於系統內部氧化還原對的性質、氧化態和還原態組分的濃度、參加反應的電子數、溫度及酸鹼度。因此,eh一般都在現場使用鉑電極進行測定。
(三)第三組指標
這組指標主要表徵水環境的酸鹼平衡特徵,包括酸度、鹼度和ph值。
(1)鹼度
鹼度(alkalinity)是表徵水中和酸的能力的綜合性指標。組成水中鹼度的物質可歸納為三類:①弱酸鹽類。
碳酸鹽和重碳酸鹽是鹼度的主要組成部分。②鹼類。主要為氫氧化物。
③有機酸。如醋酸、腐殖酸所形成的鹽類對天然水的鹼度也會產生影響。
由碳酸鹽和重碳酸鹽所引起的鹼度通常被稱為碳酸鹽鹼度,碳酸鹽鹼度可根據水質分析結果來進行計算,其方法是
和 的毫克當量濃度之和乘以50。最終用ca-co3的mg/l數來表示。
(2)酸度(acidity)
酸度是水中和鹼的能力的綜合性指標。組成水中酸度的物質可歸納為三類:①強酸。如hcl、hno3、h2so4等。②弱酸。如co2、h2co3、
及各種有機酸等。③強酸弱鹼鹽。如fecl3、al2(so4)3 等。
水中這些物質對強鹼的總中和能力稱為總酸度。總酸度與水中的氫離子濃度並不相同,氫離子濃度表示水中呈自由離子狀態的h+數量,而總酸度則表示中和過程中可與強鹼反應的全部h+數量,其中包括了已電離的和將要電離的h+。已電離的h+數量稱為離子酸度,其負對數值即等於水溶液的ph值。
與鹼度一樣,酸度也常用caco3的mg/l數來表示。
(3)ph值
ph值取決於水中所含h+的濃度,h+濃度愈高,ph值愈低。ph值是衡量水溶液酸鹼性質的綜合性物理化學指標,它對化學元素在水溶液中的存在形式及地下水與圍岩的相互作用有著重要影響。水溶液的ph值受多種因素制約,主要包括溶液的化學成分、溫度、壓力(特別是co2和h2s等氣體的分壓)等。
天然水的ph值一般在7.2~8.5之間,當ph值過高或過低時,則表示水有可能受到汙染。
地表水被有機物汙染時,由於有機物被氧化可產生大量的二氧化碳,可使水的ph值降低。被工業廢水汙染的地表水和地下水,其ph值也可發生明顯的變化。
我國《生活飲用水衛生標準》(gb 5749—2006)規定飲用水的ph值應在6.5~8.5之間,ph值在此範圍之內不會對人體健康產生影響。
如水的ph值過高,將會導致水中溶解鹽類的析出,使水的感官惡化,而且還會降低氯化消毒效果。當水的ph值過低時,則使水有較強的腐蝕作用,增強水對金屬(鐵、鉛、鋁等)的溶解。
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