第二节 地下水的物理、化学、水理性质
地下水在由地表渗入地下的过程中，聚集了一些盐类和气体，形成地下水以后，又不断地在岩石空隙中运动，经常与各种岩石相互作用，溶解和溶滤了岩石中的某些成分，如各种可溶盐类和细小颗粒，从而形成了一种成分复杂的动力溶液，并随着时间和空间的变化而变化。
一、地下水的物理性质
地下水的物理性质包括颜色、透明度、气味、味道、温度、密度、导电性和放射性等。
（1）颜色。地下水一般是无色的，但由于化学成分和含量不同，以及悬浮杂质的存在，而常常呈现出各种颜色。
（2）透明度。常见的地下水多是透明的，但其中如含有一些固体和胶体悬浮物，则地下水的透明度会有所改变。为了测定透明度，可将水样倒入一个高60cm、带有放水嘴和刻度的玻璃管中，把管底放在1号铅字 （专用铅字）的上面。打开放水嘴，一直到能清楚地看到管底的铅字为止，读出管底到水面的高度。
（3）气味。一般地下水是无味的，当其中含有某种气体成分或有机物质时，会产生一定的气味，如地下水含有硫化氢时，则有臭鸡蛋气味，有机质使地下水有鱼腥味。
（4）味道。地下水的味道取决于它的化学成分及溶解的气体。
（5）温度。地下水温度变化范围很大。地下水温度的差异，主要受各地区的地温条件所控制。通常地温随埋藏深度不同而异，埋藏越深，水温越高，而且具有不同的温度变化规律。
（6）密度。一般情况下，纯水的密度为0.981g/cm3。地下水的密度决定于水中所溶盐分的含量。水中溶解的盐分越多，密度越大，有的地下水密度可达1.2～1.3g/cm3。
（7）导电性。地下水的导电性取决于其中所含电解质的数量和质量，即各种离子的含量。离子含量越多，离子价越高，则水的导电性越强。此外，水温对导电性也有影响。
（8）放射性。地下水在特殊储藏条件下，受到放射性矿物的影响，具有一定的放射性。例如堆放废弃的核燃料，会使周围岩土体及其中的水体也带有放射性。
二、地下水的化学性质
（一） 化学成分
地下水不是纯水，是化学成分十分复杂的天然溶液。组成地壳的87种稳定元素中，在地下水中已发现70余种。地下水中溶解的化学成分，常以离子、化合物、分子以及游离气体状态存在。地下水中常见的化学成分有以下几种。
1.主要的气体成分
地下水中常见的气体成分有O2、N2、CO2、CH4及H2S等。通常情况下，地下水中气体含量不高，每公升水中只有几毫克到几十毫克。但是，地下水中的气体成分却很有意义：一方面，气体成分能够说明地下水所处的地球化学环境；另一方面，地下水中的有些气体会增加水溶解盐类的能力，促进某些化学反应。
（1）氧气 （O2）。地下水中的氧主要来源于大气中的氧和水生植物光合作用析出的氧，它们随大气降水和地表水渗入补给地下水。浅层地下水中氧的含量较多，越往深处含量越少以至消失。溶解氧含量多的地下水，其氧化作用强，能腐蚀、氧化金属建筑材料。
（2）硫化氢 （H2S）。硫化氢一般存在于深部地下水中，是在微生物作用下由硫酸盐还原而成的。在地面局部地区如沼泽地区，可能存在缺氧封闭的还原环境，有机质分解生成H2S，因而也使局部浅层地下水含有较多的H2S，并呈酸性。这样的地下水对混凝土有侵蚀性。
（3）二氧化碳 （CO2）。地下水普遍含有游离CO2。浅层地下水游离CO2含量为15～40mg/L，很少超过150mg/L，主要来源于土壤中有机质氧化产生的CO2。另一部分来源于大气中的CO2。
2.主要的离子成分
地下水中分布最广、含量较多的离子共7种：氯离子 （Cl-）、硫酸根离子
）、重碳酸根离子
、钠离子 （Na+）、钾离子 （K+）、钙离子 （Ca2+）及镁离子（Mg2+）。
（1）氯离子 （Cl-）。氯离子在地下水中广泛分布，低矿化水中氯离子的含量可从每升数毫克到数百毫克；高矿化水中氯离子的含量可从每升数克到数十克。
（2）硫酸根离子
。低矿化水中硫酸根离子含量一般从每升数毫克到数百毫克；中等矿化水中硫酸根离子是含量最多的阴离子。因此，在含黄铁矿较多的煤系地层地区和金属硫化物矿床附近，地下水常含有大量的硫酸根离子。硫酸根离子含量大于250mg/L的地下水，对混凝土具有结晶类腐蚀性作用。
（3）重碳酸根离子
。重碳酸根离子广泛存在于地下水中，但含量不高，一般在1g/L以内，是低矿化水中含量最多的阴离子。在沉积岩地区主要来源于碳酸类岩石如石灰岩、白云岩、泥灰岩的溶解，在火成岩和变质岩地区铝硅酸盐风化溶解也生成重碳酸根离子。
（4）钠离子 （Na+）。钠离子在地下水中广泛分布。低矿化水中含量为每升数毫克至数十毫克；高矿化水中每升可达数十克，是其中最主要的阳离子成分。在沉积岩地区钠离子主要来源于岩盐及其他钠盐的溶解，在火成岩和变质岩地区则来自含钠矿物的风化溶解。
（5）钾离子 （K+）。钾离子的来源与钠离子相似，但在地下水中的含量比钠离子少得多，仅为它的4%～10%。这是因为钾离子易被植物吸收，易被土吸附或生成不溶于水的次生矿物。
（6）钙离子 （Ca2+）。钙离子是低矿化水中最主要的阳离子，其含量每升一般不超过数百毫克。地下水钙离子来源于碳酸盐类岩石及含石膏沉积物的溶解，以及岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。
（7）镁离子 （Mg2+）。地下水中镁离子的来源与钙离子相近。镁离子在低矿化水中的含量比钙离子少，部分原因是地壳组成中镁元素比钙元素少。
3.其他成分
地下水中以未离解的化合物构成的胶体，主要有Fe（OH）3、Al（OH）3及H2SiO3等，有时可占到相当高的比例。
有机质也经常以胶体方式存在于地下水中。有机质的存在，常使地下水酸度增加，并有利于还原作用。地下水中还存在各种微生物，例如在氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等，在还原环境中存在脱硫酸细菌等。此外，在污染水中，还有各种致病细菌。
（二） 化学性质
1.矿化度
地下水中各种离子、分子与化合物的总量称矿化度，以g/L或mg/L为单位，它表示水的矿化程度。矿化度通常以在105～110℃下将水蒸干后所得的干涸残余物之重量表示，也可利用阴阳离子和其他化合物含量之总和概略表示矿化度，但其中重碳酸根离子含量只取一半计算。据 《生活饮用水卫生标准》 （GB5749—2006）的要求，矿化度小于1g/L。
2.pH值
地下水的酸碱度指的是氢离子浓度，常以pH值表示。pH值是水的氢离子浓度以10为底的负对数值，即pH值=-lg（H+）。地下水多呈弱酸性、中性和弱碱性，pH值一般为6.5～8.5。在煤系地层和硫化物矿床附近地下水的pH值很低 （pH值＜4.5），沼泽附近地下水的pH值为4～6。
3.硬度
地下水的硬度可分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。总硬度是指水中所含钙和镁的盐类的总含量。暂时硬度是指当水煮沸时，重碳酸盐分解破坏而析出的CaCO3和MgCO3的含量。而当水煮沸时，仍旧存在于水中的钙盐和镁盐 （主要是硫酸镁和氯化物）的含量，称永久硬度。
总硬度为暂时硬度和永久硬度之和，一般是用 “德国度”或每升毫克当量来表示。一个德国度相当于在1L水中含有10mg的CaO或者7.2mg的 MgO。1mg当量硬度等于2.8德国度，或是等于20.04mg/L的Ca2-或12.16mg/L的Mg2-。
4.侵蚀性
硅酸盐水泥遇水后硬化，生成Ca（OH）2、水化硅酸钙2CaO·SiO2·12H2O和水化铝酸钙2CaO·Al2O3·6H2O等。有的地下水能化学腐蚀这些物质，使混凝土受到破坏。地下水的侵蚀类型有以下几种：
（1）溶出侵蚀。地下水在流动过程中，特别是有压流动时，把混凝土中的Ca（OH）2和C2S、C3A中的CaO成分不断溶解带走，结果使混凝土强度下降。
（2）碳酸侵蚀。几乎所有的水中都含有以分子形式存在的CO2，称为游离CO2，若游离CO2超过平衡浓度所需的CO2含量时，超出的部分称侵蚀性CO2。地下水中侵蚀性CO2越多，对混凝土的侵蚀越强烈。
（3）硫酸盐侵蚀。地下水中
能与混凝土中的Ca（OH）2及C3A作用生成含水硫酸盐 （如石膏），体积膨胀，使混凝土破坏，一般把这种现象称为水泥细菌。当水中
含量高于3000mg/L时，具有硫酸盐侵蚀性。
三、地下水的水理性质
饱水带以下的岩层并不都是含水层。有些岩层中虽已包含了水分，但水在岩层中却不能自由移动，这种岩层往往被当做隔水层，这是由于岩石具有储存、容纳水分并控制水运动的性质；而另一些岩层却可在重力作用下释放较多的水量或允许水通过的能力比较强，这种岩石对水的物理性质通常叫做岩石的水理性质。岩石的水理性质包括容水性、持水性、给水性、透水性等。
1.容水性
岩石的容水性是指岩石能容纳一定水量的性能，用容水度来表示。容水度等于岩石中所容纳水的体积与岩石体积之比：
式中 WW——岩石的容水度，以百分数表示，%；
VW——岩石中所容纳水的体积，cm3；
V——岩石的总体积，cm3。
可见岩石中的空隙完全被水饱和时，水的体积就等于岩石空隙的体积，因此，容水度在数值上就等于岩石的空隙度。
但实践中常会碰到岩石的容水度小于或大于空隙度的情况。例如，当岩石的某些空隙不连通，或因空隙太小，在充满液态水时无法排气而使这些空隙不能容纳水，此时，岩石的容水度值就小于空隙度值；对于具有膨胀性的黏土来说，由于充水后会发生膨胀，容水度便会大于原来的空隙度。
2.持水性
饱水岩石在重力作用下释水时，由于分子和表面张力的作用，能在其空隙中保持一定水量的性能，称为持水性。持水性以持水度表示，即在重力作用下岩石空隙中所能保持的水量与岩石总体积之比值：
式中 Wm——岩石的持水度，用百分数来表示，%；
Vm——在重力作用下保持在岩石空隙中的水的体积，cm3；
V——岩石的总体积，cm3。
岩石空隙表面面积越大，结合水含量越大，持水度也越大。颗粒细小的黏性土的总表面积最大，持水度很大，有的情况下可等于容水度；砂的持水度较小；具有宽大裂隙与溶穴的岩石，持水度是微不足道的。
3.给水性
各种岩石饱水后在重力作用下能排除一定水量的性能称为岩石的给水性。给水性以给水度来表示，即饱水岩石在重力作用下排除水的体积与岩石总体积之比值：
式中 Wy——岩石的给水度，以百分数来表示，%；
Vy——在重力作用下，饱水岩石排除的水体积，cm3；
V——岩石总体积，cm3。
给水度等于容水度减去持水度。
4.透水性
岩石允许水透过的能力称为岩石的透水性。岩石的透水性主要取决于岩石空隙的大小和连通程度。空隙越小，透水性便越差；若空隙直径小于两倍结合水的厚度，便不透水；在空隙透水，空隙大小相等的前提下，空隙度越大，能够透过的水量越多，岩石的透水性也越好。
衡量岩石透水性的数量指标为渗透系数，一般以m/d或cm/s为单位。渗透系数越大，岩石的透水性越强。