1、第三節 天然水化學成分的綜合指標 在水樣分析中，除了測定單個組分的含量外，往往還要測定一些綜合指標，或者根據單項的水分析結果求得某些綜合指標的計算值。這些綜合指標主要是總溶解固體(礦化度)、含鹽量、酸度、堿度，硬度、化學需氧量、生化需氧量、鈉吸附比等。這些指標不僅可反映水某些方面的性質，而且在研究水化學問題時，它們也是有用的指標。 一、第一組指標 這組指標有：總溶解固體、含鹽量、硬度及鈉吸附比。這組指標主要是體現水的質量的指標。(一)總溶解固體 總溶解固體是指水中溶解組分的總量，它包括溶于水中的離子、分子及絡合物，但不包括懸浮物和溶解氣體。它通常以105110下，水蒸干后留下的干涸殘余物的重量

2、來表示，其單位為mg/L或g/L，常記為“TDS”，這是英文縮寫。由于這種測定方法比較麻煩，所以分析結果中的“TDS”常常是計算值。其計算方法是：溶解組分(溶解氣體除外)總和減去1/2的HCO3-，因為水樣蒸干過程中，約有一半(0.49)的HCO3- 變成CO2氣體跑掉，其反應如下：除HCO3- 外，硝酸、硼酸、有機物等也可能損失一部分，當pH低時，其損失量更大一些與此相反，可能有結晶水(如石膏，CaSO42H2O)和部分的吸著水留在干涸殘余物里。因此，常常出現TDS的實測值和計算值的微小差別。此外，國內外的水樣蒸干溫度有時也不一致，這樣也會引起結果的偏差。 (二)含鹽量 含鹽量是指水樣各組分

3、的總量，其單位以mg/L或g/L表示。這個指標是計算值，它與總溶解固體的差別在于無需減去1/2HCO3。它常用于灌溉水質的評價，以及計算河流向海洋傳輸風化產物的參數。在海洋的研究中，常用含鹽度代替含鹽量。含鹽度的含義是海水中所有組分重量占水重量的千分數，以表示。 (三)硬度 硬度以水中Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+等非堿土金屬以外的金屬離子的總和來量度。但是，除Ca2+、Mg2+ 外，其它金屬離子在水中的含量一般都很微，因此，硬度一般以水中的鈣和鎂來量度，其計算方法是鈣和鎂的毫克當量總數乘50，以CaCO3表示，其單位是mg/L。 在世界各國，水中硬度有不同的表示方法，1德國度=17.

4、8mg/L(CaCO3)，1法國度=10mg/L(CaCO3)，1英國度=14.3mg/L(CaCO3)。 高硬度水與肥皂反應產生沉淀而影響洗滌效果，在鍋爐和輸水管道中產生水垢而影響其使用壽命。近20年來，人們還發現飲水硬度與心血管發病率有負相關的關系，因此，硬度是一個很有用的水質指標。 硬度也稱總硬度，它是碳酸鹽硬度、非碳酸鹽硬度的總和。碳酸鹽硬度是指Ca2+和Mg2+與CO32-和HCO3-結合的硬度，以CO32+ 和HCO3- 毫克當量乘50算得，如所算得的數值大于總硬度，其差值稱為負硬度。總硬度與非碳酸鹽硬度的差值為非碳酸鹽硬度。碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度也稱暫時硬度和永久硬度，因為碳酸

5、鹽硬度是指與HCO3-和CO32-結合的那部分Ca2+和Mg2+ ，水煮沸時成CaCO3沉淀而被除去，而非碳酸鹽硬度是指與Cl-、SO42-和NO3-結合的Ca2+和Mg2+ ，水煮沸后不能除去。(四)鈉吸附比 鈉吸附比以符號“SAR”表示，其數值按下式計算：式中；SAR為無量綱，Na+、Ca2+和Mg2+分別為每升水中這些離子的毫克當量數。 SAR是評價灌溉水水質的一個有用指標。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Ca和Mg進行陽離子交換時，SAR也是一個有用的參數(在后面章節中有論述)。二、第二組指標 這組指標有：化學需氧量、生化需氧量、總有機碳及氧化還原電位。

6、它們是表征水體環境狀態的指標。 (一)化學需氧量 化學需氧量是指化學氧化劑氧化水中有機物和還原無機物所消耗的氧量，以mg/L表示，以符號“COD”代表。 KMnO4、K2Cr2O7和KIO3是測定水中COD的三種氧化劑。由于這三種氧化劑的氧化能力不同，所以其測定結果不同。KMnO4的氧化能力低于K2Cr2O7 ，用KMnO4測定COD時，一些有機物不能被完全氧化，因此用KMnO4測得的COD值低于用K2Cr2O7 測得的COD值。目前常用的氧化劑為K2Cr2O7 。為了使分析結果有可比性，使用COD值時應了解其注明的分析方法。(二)生化需氧量 生化需氧量是指微生物降解水中有機物過程中所消耗的氧

7、量，以mg/L表示，以符號 “ BOD”代表。因為微生物降解有機物的速度和程度與溫度和時間有關，要使水中有機物完全生物降解需要很長時間，為了使測定的BOD值有可比性，通常采用在20條件下，培養5天所測得BOD值，記為BOD5。 由于BOD5值不是降解水中全部有機物的耗氧量，特別是不易降解的木質素的耗氧量，所以BOD值通常小于COD值，有關實踐經驗表明，通常是COD=1.62.7 BOD5 。 (三)總有機碳 總有機碳是指水中各種形式有機碳的總量，以mg/L表示，以符號“TOC”代表。可通過測定高溫燃燒所產生的CO2測TOC，也可通過儀器迅速測定TOC，但由于前種方法測定手續麻煩，又難以排除無機

8、碳的干擾，后種方法所使用的儀器比較昂貴，所以水分析結果中的TOC數據甚少。 COD、BOD及TOC都是表征水體環境有機污染的水質指標，地表水的研究中常用，而地下水的研究中很少用，因為它們并不是地下水有機污染的敏感指標。(四)氧化還原電位 氧化還原電位是表征水系統氧化還原狀態的指標，一般以符號”Eh”代表，其單位為V或mV。如Eh值為正值，說明水系統處于比較氧化狀態，如Eh為負值，說明水系統處于比較還原的狀態。水系統體系的Eh值，取決于系統內氧化還原對的性質、氧化態和還原態組分的濃度、參加反應的電子數，溫度及酸堿度等。一般用電極測定Eh值，但是，由于水系統的Eh必須在現場測定，這種測定是很困難的

9、，所以在水分析資料中很少Eh值。 三、第三組指標 這組指標包括酸度和堿度。它們是表征水系統酸堿平衡特征的指標。 (一)堿度 堿度是表征水中和酸能力的指標。堿度主要決定于水中HCO3-、CO32-的含量。當然，水中的硼酸、磷酸，硅酸及OH-也具有中和酸的能力，它們也決定堿度的大小，但是，在一般水中，上述含量甚微。因此，一般水的堿度決定于水中HCO3-和CO32- 的含量，它可直接測定，也可通過計算求得。計算方法是HCO3-和CO32- 毫克當量/升的總和乘50，以CaCO3表示，其單位是mg/L，稱碳酸鹽堿度。(二)酸度 酸度是表征水中和強堿能力的指標。組成水中酸度的物質可歸納為三類。(1)強酸

10、，如HCl、HNO3、H2SO4等，(2)弱酸，如CO2、H2CO3、HCO3-及各種有機酸等，(3)強酸弱堿鹽，如FeCI3、Al2(SO4)3等。水中這些物質對強堿的總中和能力稱為總酸度。總酸度與水中的氫離子濃度并不是一回事，pH值僅表示呈離子狀態的H+數量，而總酸度則表示中和過程中可以與強堿進行反應的全部H+數量，其中包括原已電離的和將會電離的兩分，已電離的H+數量稱為離子酸度，它與pH值是一致的。酸度以CaCO3表示，單位是mg/L。第四節 水化學成分的數據處理 我們在使用水分析結果時，首先應對分析數據的可靠性加以檢查，然后對已有的數據進行分析整理，在此基礎上，對一些水化學問題作出合理

11、的解釋。這是水化學問題研究中的一種有效方法，但這種方法往往被忽視。本節的目的在于提供一些這方面的技術方法和分析思路，使水分析資料在科學研究中起到真正的作用。應該說明的是，所提供的方法只不過是前人研究的一些經驗，并不是一成不變的，應該注重本節所提供的方法和思路，在具體的研究中有所創造。一、水分析數據可靠性審查 (一)陰陽離子平衡的檢查式中，E為相對誤差()，mc及ma分別為陽離子及陰離子的毫克當量總數升。如Na+和K+為實測值，E應小于5，如果Na+K+為計算值，E應為零值或接近零值。這種檢查方法與第一章所述的電中性檢查的原理是一樣的。 (二)分析結果中一些計算值的檢查 1.總溶解固體 如果總溶

12、解固體是計算值，應檢查其數值是否減去HCO3-的一半。這是最常見的錯誤，因為許多分析單位的有關人員往往不知道應這樣做。 2、Na+K+值 在簡分析中， Na+K+ 值是計算值。其計算方法是： (Na+K+ )(毫克當量數總和) =陰離子(毫克當量數總和)-(Ca2+Mg2+)(毫克當量數總和) (Na+K+)(mg/L) =(Na+K+ )(毫克當量數總和)25。這里要說一點的是，Na的原子量為23，K的原子量為39，一般的水中，K+約為(Na+K+ ）的1/10，所以乘以25，國內外的一些水分析資料中，常常是乘以23(Na的原子量)，嚴格來講，這是不夠嚴格的。檢查Na+K+ 值時，應遵循上述

13、方法。 3硬度 總硬度也是計算值。其數值應按下列方法檢查。(Ca2+Mg2+)(毫克當量數總和)50=總硬度(CaCO3)，mg/L。 4TDS實測值與TDS計算值之差 如果分析結果中有實測的TDS值，應求得TDS的計算值，以檢查TDS實測值的可靠性。根據經驗，兩者的差值應符合下述要求： TDS100mg/L時，相對誤差應10； TDS=1001000mg/L時，相對誤差應1000mg/L時，相對誤差應5。(三)碳酸平衡關系的檢查 根據第一章所述的碳酸平衡理論，當pH8.4時，水分析結果不應出現H2CO3。如果水分析結果不符合上述情況，說明pH或，CO32-和H2CO3的測定有問題。 (四)其

14、它檢查方法 1在一般的水中，Na+總是大于K+，如果出現反常的情況，分析結果值得懷疑。 2地下水中Na+或Na+K+一般都不會出現零值，如出現此情況，可認為是分析的錯誤。 3大量的統計資料表明，電導與總溶解固體有較好的相關性。據報道，對于一般的水來說，TDS和電導有如下關系： (1)TDS(mg/L)=K電導(mS)，K=0.550.75。當水中陰離子以HCO3-和Cl占優勢時，K接近于0.55，當SO42-濃度較高時，K接近于0.75。 (2)電導(mS)=100(陰離子或陽離子毫克當量總數/升)。 上述兩種關系式只能粗略地檢查分析結果的準確性，但后一種關系式較前一種更穩定些。對于TDS50

15、000mg/L和TDS很低的水來說，TDS和電導的相關性差。對于源于同一水系統的一系列水樣來說，TDS和電導的關系可以很好地建立起來，利用這種關系能比較有效地對分析結果的準確性進行檢查。三、水化學成分的圖示法 多年來，人們提出了許多水化學分析結果的圖示方法。這種方法有助于對分析結果進行比較，并發現其異同點，更好地顯示各種水的化學特性，同時能更直觀地在文字或口頭報告中說明問題。 (一)離子濃度圖示法 1圓形圖示法 把圓形分為兩半，一半表示陽離子，一半表示陰離子，其濃度單位為meq/L，某離子所占的扇形的大小，按該離子毫克當量占陰或陽離子毫克當量總數的比例而定。圓形的大小按陰陽離子總毫克當量數大小

16、而定。 這種圖示法可以用于表示一個水點的水化學資料，也可以在水化學平面圖或剖面圖上表示。 2柱形圖示法 柱形圖示法見圖2.8。柱型分兩半，一半為陰離子，一半為陽離子，以毫克當量，升或毫克當量百分數表示。柱子的高度與陽離子或陰離子的毫克當量總數/升成比例，各離子的水。排列順序如圖2.8所示。通常是表示6種離子，如超過6種，可把性質相近的放在一起，如Na+K、Cl+NO3等。這種圖示可表示一組數據，其優點是簡明清晰。3多邊形圖示法 多邊形圖示法見圖2.9。圖中有一垂直軸，此軸的左右兩側分別表示陽離子和陰離子，其濃度為meq/L。與垂直軸垂直的有四條平行軸，頂軸有毫克當量/升的比例刻度。圖中一般表示

17、6種組分，如要表示更多的組分，可增加平行軸。在這種圖示中，從上到下可以表示一組水樣的資料。這種圖示法經常用于油田水化學成分的研究，并取得較好的效果。(二)三線圖示法目前應用最廣的是1944年派帕(Piper，1944)提出的三線圖示法，見圖2.10。 由一個等邊的平行四邊形及兩個等邊三角形組成。濃度單位為每升水的毫克當量百分數。 首先依據陰陽離子各自的毫克當量百分數確定水點在兩個三角形上的位置，然后通過該點作平行于刻度線的延伸線，兩條延伸線在平行四邊形的交點即為該水點在平行四邊形的位置。 三線圖最大的優點是，能把大量的水分析資料點繪在圖上，依據其分布情況，可以解釋許多水化學問題。 三線圖示法是

18、最有實用價值的一種圖示法，許多研究論文都使用它。例如，應用三線圖示法能判斷某種水是否是另外兩種水簡單混合的結果，如果水樣C是水樣A和B簡單混合的結果(混臺時未發生任何反應)，那么混合水C將落在三線圖上A和B的連線上，懷特(while，1980)曾借助三線圖研究內華達州某地區地下水化學成分與巖石組成的關系，布雷福德等(Bradford,et.a1.,1978)曾使用三線圖來說明加利福尼亞州Redwood國家公園地區森林砍伐及其它因素對河水化學成分的影響。四、水質資料的數學處理 隨著科學技術的不斷發展，水質資料的數學處理已日益廣泛使用。其處理方法基本上可分為數理統計及水質模型兩大類。水質資料的數學處理是很有用的，通過水質資料的數學處理，往往能夠更清楚地認識水化學成分的特性及其演化規律等同題。(一)數理統計法 水質資料數理統計方面的分析方法主要有均值法，概率分布，相關分析，趨勢分析等。均值法主要反應某一地質區域或某一時間段內地下水化學成分的概略面貌，均值在一定條件下是有用的。但是，當水化學成分的濃度隨時間和