第三节 天然水组成的影响因素
天然水中溶质组分含量的变化既受到溶质自身物理、化学性质的影响，同时还受到区域外部条件的影响。影响天然水溶质成分的外部因素可分为直接和间接两类。能直接使天然水中溶质成分增加或减少的因素称为直接因素，例如岩石、土壤及生物有机体对天然水成分的影响属于直接影响因素；而通过改变天然水中溶质成分的赋存条件，间接起到改变溶质含量的因素则称为间接因素，例如气温、蒸发等气象因素虽然不直接向水体输入任何成分，但对天然水溶质成分的变化仍起到十分重要的作用。
一、气象因素
大气降水、气温、蒸发等气象因素对天然水中某些主要离子成分的影响是非常显著的。干燥气候不利于天然水体的快速侵蚀，蒸发作用则会引起土壤中已经溶解的风化产物浓缩，并有可能导致水中溶解固体含量增高。此外，随着气象因素年际和年内的波动，天然水体的化学成分也呈现出一定的变化规律。例如，具有潮湿和干燥季节性变化特征的气候有利于风化反应，因此在一年的某些季节内产生的可溶性无机物的量可以比其他季节大，具有这种气候特征的地区，其河流流量波动较大，水的化学组分的变化范围也较广。
（一）温度
温度对水体溶质成分的影响至少表现在以下两个方面：一是温度变化改变了各种生物化学反应速率，包括那些以生物群为媒介物的反应过程也受到了影响；二是水温的变化会引起天然水中溶质溶解性能的变化，从而改变了溶解度大小。例如，一些盐湖水的化学成分具有明显的季节性变化规律。这些盐湖通常矿化度极高，含有NaCl、Na2SO4、Na2CO3、MgCl2等易溶类盐，其溶解度可达到每升几十克或几百克。在水温由40℃降低到7℃时，Na2SO4的溶解度会下降至原来的1/6；Na2CO3的溶解度会下降至原来的1/8。因此，从秋天开始，从硫酸湖中会结晶出芒硝（Na2SO4·10H2O），从苏打湖中会结晶出苏打，同时伴随着这个过程，盐湖水的主要化学成分发生了变化。地表淡水的化学成分也会受到温度的影响。当温度升高时，Ca（HCO3）2会分解析出碳酸钙，因此夏天被晒得透热的湖水中易发生方解石的沉淀，同时水体矿化度有所减小。
在多年冻土地区，气温变化对水体的矿化度变化具有特殊的意义。在水冻结过程中，在冰和水之间进行着盐分的再分配。盐析入到冰中是有选择的，冰结晶的同时析出难溶化合物，而在水中则保存了在低温条件下最易溶解的化合物，如CaCl2、MgCl2和NaCl。在冰融化时，钙和镁的碳酸盐及钙和钠的硫酸盐不完全转入水中。在重碳酸钙型淡水的冻结和融化过程中，由于盐分的析出，经过重碳酸镁型水阶段，最后将形成重碳酸钠型水。
（二）蒸发
蒸发是影响天然水化学成分的重要因素之一，特别是在蒸发强烈的干旱、半干旱地区，这一因素所起到的作用最大。在蒸发作用下，地表水体逐步析出无机盐分，开始是溶解度小的盐析出，然后是溶解度大的盐析出。由此，地表水的化学性质也发生了变化，例如西北地区有些原本以重碳酸盐型水为主的湖泊，由于蒸发强烈逐步演变为硫酸盐型水，进而变为硫酸盐-氯化物型水，最后成为氯化物型水。
蒸发对地下水的化学成分也有一定的影响，特别是与地表水交换比较密切的潜水。潜水的蒸发过程比较复杂，通常有两种形式：毛细蒸发和岩土内部蒸发。毛细蒸发是在潜水的埋藏深度不大于毛细上升高度时，地下水可沿着毛细管上升，并通过蒸发返回大气的过程。由于毛细蒸发使地下水由下向上运移，在这一过程中携带一定的盐分到表层土壤，故而过度蒸发时会使土壤盐分增加而形成盐渍土，但潜水自身的矿化度并不增加。岩土内部蒸发是指水分子脱离潜水面扩散到空气中，而盐分仍滞留在潜水中。在干旱地区，这种蒸发过程会引起潜水中盐分的逐渐累积，最后形成高矿化度的咸水或卤水。
二、水文地质因素
天然水中大部分离子来自于地表周围岩石中的矿物溶解。除了不同地区岩石的化学成分有差异外，矿物的纯度和晶体大小、岩石结构、孔隙、暴露时间的长短，以及许多其他因素都会影响流经岩石的水体化学成分。
（一）岩石类型的影响
各种不同的岩石对天然水溶质成分的影响差异很大。有些岩石中的矿物易溶于水，从而向水体输送了大量离子，这些物质主要是作为沉积物重要组分或胶结剂的方解石、白云石、石膏、岩盐和其他各种蒸发岩矿物及硫化物等。当陆地水流经含这些矿物的岩石时，能从中获得大量的Ca2+、
、Na+、Mg2+、Cl-、
等离子。相反，由硅酸盐矿物（如石英、长石、角闪石、辉石、云母和黏土矿物）和氧化物（如磁铁矿、赤铁矿等）组成的岩石相对难溶。这类岩石主要是岩浆岩、变质岩以及碎屑沉积物（砂岩、页岩等）。砂岩和页岩中既含有某些相对易溶的物质（如CaCO3胶结物），也含有难溶的矿物（石英和黏土矿物等），当水体流经这类岩石时，从中获得的离子成分较少。
在各类岩石中，岩浆岩的风化作用对供给天然水溶质成分具有极为重要的意义，它为天然水中各种离子成分提供了最初的来源。由于岩浆岩的风化作用，在漫长的地质历史中形成了厚层的沉积岩，目前沉积岩覆盖了大陆的大部分地区，其中可溶盐的含量占5.8%（按质量计），是正在循环的陆地水中各种离子的主要来源。米勒（Miller）通过研究后发现，花岗岩地区的水为软的重碳酸盐钙型水或重碳酸盐钠-钙型水，并且查明在花岗岩地区水中的重碳酸根来自大气和成土过程；砂岩地区中等硬度重碳酸盐水的生成与砂岩中的碳酸钙胶结物的溶解有关；花岗岩与石英岩地区软水的生成与这两类岩石风化产物的难溶性有关。
岩石类型对地下水溶质成分的影响尤为显著，特别是对阳离子成分有明显影响。潜水特点是以Mg2+占优势；在正常花岗岩风化的初期阶段可以形成以Ca2+为主要阳离子的水，而有钠长石的花岗岩存在时，可导致水中Na+浓度提高。岩石的化学成分对阴离子组成的影响不明显，但当岩浆岩中有一定的硫化物时，由于黄铁矿组矿物的氧化和淋溶，可导致地下水中
的增加。
（二）土壤特征的影响
天然水的化学成分是土壤形成过程或土壤化学反应的直接作用结果。大气降水在进入土壤后大部分滞留了相当长的时间，在此期间溶解或淋滤了土壤中的各种矿物，再以地下径流的形式带走了土壤中的可迁移物质，并改变了自身的化学组成。
当水与土壤接触时，水从土壤中获得什么样的成分和获得量的多少取决于土壤的性质。水渗透过已经强烈淋溶的土壤，如红壤、砖红壤和灰化土时，获得的离子数量很少，水呈酸性反应。水透过含有大量盐基的土壤（如棕钙土、栗钙土、荒漠土或盐渍土）时获得大量盐基离子，水呈碱性反应。水透过土壤后CO2含量增加，O2含量减少，这是由于土壤中的有机质在微生物作用下分解耗氧而释放二氧化碳的缘故。水透过土壤时还与土壤发生离子交换反应，这也改变着水的成分。
影响土壤水化学组成的因素包括：硅酸盐或其他矿物的溶解或蚀变；较难溶解的盐类的沉淀；植物对营养元素的选择性去除和循环；产生二氧化碳的生化反应；矿物和有机表面对离子的吸附与解吸；蒸腾引起的溶质浓缩；气态氮转化为能被植物吸收的形式。土壤空隙中的空气所含有的二氧化碳通常比普通空气高10～100倍，在土壤中移动的水能溶解其中的一些二氧化碳、氢离子、碳酸氢根和碳酸根离子，是控制水的pH值以及侵蚀岩石矿物的潜在力量。
三、生物化学因素
由于以生命体为主的生态系统在维持自身运转的同时，其发生的一系列生物化学反应均与水体中的溶质紧密相关，因此在一定程度上也会改变天然水的化学组成。在暴露于空气和阳光下的水体中，维持生命的过程尤其强烈。在空气和阳光都不存在的环境中，如地下含水层中，生物活动通常并不重要。然而，在水文循环运动的某些阶段，所有的水都受生化过程的影响，这些过程的残余效应处处可见，甚至在地下水中都能发现。
（一）微生物的影响
在天然水化学成分的演变过程中，微生物起到了非常重要的作用。研究表明，在多数水体中都存在一定数量的微生物，例如湖泊、河流、海洋，甚至在埋藏较浅的地下水中也发现有微生物的生长和繁殖。微生物适应能力很强，可在远大于其他生物的温度范围内（由零下几摄氏度到85～90℃）生存，适合微生物生存的水体矿化度范围也比较宽泛，有些盐生细菌甚至能在盐水中生存。但总体来看，过高的矿化度和温度会抑制微生物的活性。
水体中的微生物会以各种有机物作为营养物，并将其分解为简单的无机物，从中获取构成细胞本身的材料和活动需要的能量，借以进行生长和繁殖等生命活动。在这一过程中改变了水体的化学成分。凡是利用有机化合物作为主要养料的细菌称为异养细菌；凡是利用无机化合物作为营养物质的细菌称为自养细菌。水体中绝大部分细菌都是异养细菌，它们能使水中有机物降解为小分子物质。
微生物能够进行各种复杂的代谢活动，是由于体内具有各种复杂的酶体系。不同的细菌细胞拥有不同种类的酶，因而有不同的新陈代谢功能。例如，好氧细菌具有一套氧化酶体系，使它能吸收利用氧气；厌氧细菌具有脱氢酶体系，可在无氧环境中生长；兼氧细菌具有脱氢酶、氧化酶两套酶体系，在有氧、无氧环境中都能进行呼吸；固氮菌具有固氮酶，能将空气中的氮还原为氨。
不同微生物的存在对水化学成分的影响也是不同的。脱硫菌可以将水体中的硫酸盐还原为硫化氢（脱硫作用），从而使
含量下降，并形成H2S和
，使得水的化学类型发生变化；造氨菌可将水体中蛋白质等有机物质进行分解，并生产氨气；硝化细菌可将水体中的氨氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。
（二）水生生物和植物的影响
在水体中或与水体联系密切的环境中存在的生物形成了一个生态系统。正是由于这些生物的存在，从而促使在水环境中发生了一系列的生物化学过程，并影响到水体化学成分的变化。例如，池塘或河流底部的植物根部以及漂浮植物通过光合作用产生O2、消耗CO2，同时又通过呼吸和降解作用消耗O2、产生CO2。水体中藻类和水生植物的生长需要氮、磷等营养元素，在其生长过程中会从底部沉淀物中通过根部吸收或直接从水中吸收，从而使水体中的营养元素含量降低，同时水生生物数量增加。在其生长和衰亡循环过程中产生的有机残渣，一部分在水体中被微生物分解，另一部分沉淀到水体的底部，在那里作为其他类型生物体的食物。水体中的其他溶质（包括某些微量组分），有可能是某些种类生物群的基本营养，如硅酸盐是硅藻生长的必要元素，由此，水体中某些微量元素的浓度也可能是由某些生物过程控制的。
在干旱地区，植物是形成潜水化学成分的重要因素。植物在生长过程中蒸腾大量的水分，引起潜水水位降低、潜水矿化度增加和化学成分变化。植物对水溶液中离子的吸收具有一定的选择性，这能够改变水的pH值和化学类型。植物的这种选择能力，是指有些植物品种能从溶液中吸收并在体内大量积累某些固定的化学元素。例如，碱蓬、海蓬子等盐生植物对氯离子有着较好的选择性能。另外，植物对土壤的酸碱度也有一定的影响，例如，针叶林由于其有机残骸的酸性，能增加土壤的酸性；阔叶林和草本植物正好相反，有利于土壤溶液中碱的聚存。阔叶林与针叶林的交替，伴随着潜水pH值的改变。一些水生植物还能够在其组织中积累某些重金属，并使得其重金属含量比周围水体的浓度高10倍以上，许多植物还含有能与重金属结合的物质成分，从而参与重金属的解毒过程。如芦苇、水湖莲和香蒲等对Al、Fe、Be、Cd、Co、Pb、Zn等重金属均有显著的富集作用，其中芦苇对Al净化能力高达96%，对Fe的净化能力达到93%，对Mn的净化能力达到95%，对Pb的净化能力为80%，而对Be和Cd的净化更是高达100%。