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开 本: 128开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030528711
编辑推荐
水利水电、地质、环境等学科的科技人员以及工程师
内容简介
《水电站坝址渗流水化学及其监测导论》以基础研究—分析方法—实际应用作为主线，分析了运行工况下水电站坝址渗流水化学以及渗水析出物的基本特征、形成机制及其影响因素，提出了开展坝址渗流水化学及渗水析出物的基本分析方法，揭示了渗流水化学以及渗水析出物在大坝安全定期检查工作中所具有的特定意义，阐述了水化学监测/检测的基本流程以及质量保证和质量控制的内涵。另外，基于工程实例，对坝址渗流物理化学作用下混凝土腐蚀综合测试与评价等问题进行了探讨。
目 录
目录
前言
第1章 渗流水化学基本组成、综合指标及其分类 1
1.1 水化学基本组成 1
1.2 水化学综合指标 8
1.3 水化学分类 12
第2章 渗流水化学的形成作用及其影响因素 14
2.1 水化学的形成作用 14
2.1.1 溶解作用 14
2.1.2 混合作用 17
2.1.3 氧化还原作用 19
2.1.4 其他作用 23
2.2 水化学的影响因素 23
2.2.1 水动力因素 24
2.2.2 微生物因素 24
2.2.3 人类活动因素 25
第3章 渗流水化学分析 28
3.1 水化学分析数据的列表方法 28
3.2 水化学分析数据的图示方法 29
3.2.1 单测点图示 29
3.2.2 多测点图示 32
3.2.3 变化趋势图示 37
3.2.4 特征值图示 40
3.3 水化学变量系列的分布特征及变换 43
3.3.1 系列的分布特征 43
3.3.2 变量的变换 47
3.4 水化学资料的多元统计分析 48
3.4.1 聚类分析 48
3.4.2 因子分析 50
3.4.3 对应分析 51
3.5 基于化学热力学原理的饱和指数模型及求解 53
3.5.1 若干基本概念 53
3.5.2 饱和指数模型 54
3.5.3 饱和指数模型的求解 57
3.6 水化学侵蚀作用分析与评价 63
3.6.1 侵蚀作用类型 63
3.6.2 幕后地下水析钙量估算 67
3.6.3 混凝土腐蚀综合测试与评价 68
3.6.4 混凝土腐蚀的影响因素分析 78
第4章 渗水析出物分析 81
4.1 析出物的基本特征 81
4.1.1 析出物的分布特征 81
4.1.2 析出物的物质组成 82
4.2 析出物的形成机理 85
4.3 析出物的检测方法 88
4.3.1 化学成分分析法 88
4.3.2 颗粒分析法 89
4.3.3 X射线衍射分析法 90
4.3.4 红外光谱分析法 91
4.3.5 扫描电镜分析法 92
4.3.6 其他分析法 92
4.4 析出物的潜在影响评价 93
4.4.1 坝基析出物对岩体渗透稳定性的影响 93
4.4.2 坝基析出物对基础帷幕体防渗效果的影响 98
4.4.3 坝体析出物对坝体结构耐久性的影响 99
4.4.4 析出物潜在影响综合评价流程 100
第5章 坝址渗流水化学监测 104
5.1 水化学监测网设计 104
5.1.1 关于水质取样点位 104
5.1.2 关于水质取样频度 106
5.1.3 关于水质化验指标 107
5.2 水化学部分水质指标的现场测量及要求 107
5.2.1 部分水质指标现场测量的必要性 107
5.2.2 部分水质指标的现场测量及相关要求 108
5.2.3 现场测量数据的初步分析 112
5.3 需要注意的几个问题 117
5.3.1 关于库水取样 117
5.3.2 关于水-岩作用效应 117
5.3.3 关于水质评价 118
第6章 渗流水化学监测的质量保证及质量控制 119
6.1 水样采集与保存的质量保证与质量控制 119
6.1.1 水样采集及要求 119
6.1.2 水样保存及要求 120
6.2 水质监测的实验室质量保证及质量控制 123
6.2.1 水质分析方法概述 123
6.2.2 分析误差及控制 126
6.3 水质监测数据的可靠性检查 128
6.3.1 阴、阳离子平衡检查 128
6.3.2 部分水质指标检查 129
6.3.3 碳酸平衡关系检查 130
参考文献 132
附录 134
前言
第1章 渗流水化学基本组成、综合指标及其分类 1
1.1 水化学基本组成 1
1.2 水化学综合指标 8
1.3 水化学分类 12
第2章 渗流水化学的形成作用及其影响因素 14
2.1 水化学的形成作用 14
2.1.1 溶解作用 14
2.1.2 混合作用 17
2.1.3 氧化还原作用 19
2.1.4 其他作用 23
2.2 水化学的影响因素 23
2.2.1 水动力因素 24
2.2.2 微生物因素 24
2.2.3 人类活动因素 25
第3章 渗流水化学分析 28
3.1 水化学分析数据的列表方法 28
3.2 水化学分析数据的图示方法 29
3.2.1 单测点图示 29
3.2.2 多测点图示 32
3.2.3 变化趋势图示 37
3.2.4 特征值图示 40
3.3 水化学变量系列的分布特征及变换 43
3.3.1 系列的分布特征 43
3.3.2 变量的变换 47
3.4 水化学资料的多元统计分析 48
3.4.1 聚类分析 48
3.4.2 因子分析 50
3.4.3 对应分析 51
3.5 基于化学热力学原理的饱和指数模型及求解 53
3.5.1 若干基本概念 53
3.5.2 饱和指数模型 54
3.5.3 饱和指数模型的求解 57
3.6 水化学侵蚀作用分析与评价 63
3.6.1 侵蚀作用类型 63
3.6.2 幕后地下水析钙量估算 67
3.6.3 混凝土腐蚀综合测试与评价 68
3.6.4 混凝土腐蚀的影响因素分析 78
第4章 渗水析出物分析 81
4.1 析出物的基本特征 81
4.1.1 析出物的分布特征 81
4.1.2 析出物的物质组成 82
4.2 析出物的形成机理 85
4.3 析出物的检测方法 88
4.3.1 化学成分分析法 88
4.3.2 颗粒分析法 89
4.3.3 X射线衍射分析法 90
4.3.4 红外光谱分析法 91
4.3.5 扫描电镜分析法 92
4.3.6 其他分析法 92
4.4 析出物的潜在影响评价 93
4.4.1 坝基析出物对岩体渗透稳定性的影响 93
4.4.2 坝基析出物对基础帷幕体防渗效果的影响 98
4.4.3 坝体析出物对坝体结构耐久性的影响 99
4.4.4 析出物潜在影响综合评价流程 100
第5章 坝址渗流水化学监测 104
5.1 水化学监测网设计 104
5.1.1 关于水质取样点位 104
5.1.2 关于水质取样频度 106
5.1.3 关于水质化验指标 107
5.2 水化学部分水质指标的现场测量及要求 107
5.2.1 部分水质指标现场测量的必要性 107
5.2.2 部分水质指标的现场测量及相关要求 108
5.2.3 现场测量数据的初步分析 112
5.3 需要注意的几个问题 117
5.3.1 关于库水取样 117
5.3.2 关于水-岩作用效应 117
5.3.3 关于水质评价 118
第6章 渗流水化学监测的质量保证及质量控制 119
6.1 水样采集与保存的质量保证与质量控制 119
6.1.1 水样采集及要求 119
6.1.2 水样保存及要求 120
6.2 水质监测的实验室质量保证及质量控制 123
6.2.1 水质分析方法概述 123
6.2.2 分析误差及控制 126
6.3 水质监测数据的可靠性检查 128
6.3.1 阴、阳离子平衡检查 128
6.3.2 部分水质指标检查 129
6.3.3 碳酸平衡关系检查 130
参考文献 132
附录 134
前 言
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第1章 渗流水化学基本组成、综合指标及其分类
坝址渗流水不是化学意义上的纯水，而是一种复杂的溶液，含有大量的作用剂和各种电解质盐类。因此，坝址渗流水自补给区向排泄区或排泄点(如幕后排水孔)的运移过程中，一方面不断地同与之相接触的固相介质(包括岩体及帷幕体等)发生物理化学反应；另一方面也不断地与环境之间发生物质与能量的交换，结果形成了坝址渗流特有的水化学特征，并具有显著的时效性。
本章主要介绍运行工况下坝址渗流水化学基本组成、若干反映水化学重要特性的综合指标以及数种在实际工作中常用的水化学分类方法。
1.1 水化学基本组成
水化学基本组成包括多个方面，即由水溶液中以离子态或以分子态形式存在的各种元素、溶解状气体成分、无机及有机络合物、微生物、胶体、稳定性及放射性同位素等组成。
水溶液中以离子态或以分子态形式存在的各种元素及其含量的变化，集中反映了水的矿化程度及导电性；溶解状气体的出现及其含量变化，综合揭示了水体所处的地球化学环境特征；稳定性及放射性同位素的出现及其衰减，示踪了水体的补给源以及水体的年龄；络合物是溶解状组分的一种存在形式，由一中心离子(一般是金属阳离子)和其周围的配位体(一般是阴离子或中性成分)以配位键的方式结合在一起的复杂缔合物(也称离子对)，其存在形式及含量既与水溶液的浓度有关，也随水的pH而变化；微生物的存在形式及含量也从一个侧面反映了水体的地球化学环境以及受到污染的程度；而胶体是一种即使在显微镜下也观察不到的微小颗粒，但含有此类物质的水体具有Tyndall效应，当某元素以此类形式出现于水体中时，可使其含量显著增大。
水溶液中以上述不同形式存在的多元素及其组合，可伴随水流或不同部位间的浓度差发生空间位移。这样的过程称为元素的水文地球化学迁移，包含了水|岩(包括工程材料等)作用体系的物理化学条件和水介质的动态变化过程。水流系统中元素迁移的实际过程是难以直接观察的，但只要从研究区具体的地质及水文地质条件出发，综合分析各类实际资料，如岩性资料、水化学资料以及水的宏观动态(包括水位、流量等)资料等，就可以推断区内水溶液中不同元素的组合、成因及其迁移规律。
可见，渗流水的化学组成是复杂的，其形成及演变隐含着极为丰富的环境(如水环境、地质环境以及工程环境)信息。
1. 基本元素
应该说，某元素在水溶液中的含量，一方面与该元素在地壳中的平均含量(即丰度)有关；另一方面也与该元素所具有的化学性质有关，如易溶性、难溶性(可用水|岩分配系数表示)等。按照相对含量，可以把出现在渗流水溶液中的不同元素分为如下三类。
1) 宏量元素
宏量元素也称为常量元素，在地下水中分布*广、含量较高，一般在10mg/L以上。有关离子分别为Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO2-4、HCO-3以及CO2-3。它们的摩尔质量和相应的电导率见表1.1。可以把构成这些离子的元素分为两类：一类在地壳中含量较高且较易溶于水，如Ca、Mg、Na、K；另一类在地壳中含量不高、但极易溶于水，如Cl、S。
表1.1 水溶液中宏量元素的摩尔质量和电导率
另外需要指出，由于运行工况下坝址渗流场中地下水pH的变化显著区别于纯天然条件下的地下水，故前者中通常还含有一定量的可溶性SiO2[也可写作H4SiO4或Si(OH)4]。尽管Si元素在地壳中的含量很高，但在普遍呈弱酸性、中性至弱碱性的天然地下水中因其难溶于水而含量较低；然而在呈显著碱性化的坝基幕后地下水中因其溶解度的增大而使含量有所增大。
2) 微量元素
微量元素在地下水中分布较广，但含量不高，一般在1～10mg/L。有关离子有铁离子（Fe2++Fe3+）、锰离子(Mn2++Mn4+)、NOs及NH4+等。
3) 痕量元素
痕量元素在渗流水中分布不普遍且含量很低，一般低于1mg/L。有关离子有F、Sr2+、Br等。
在日常的渗流水化学监测工作中，对于上述宏量元素、微量元素应进行检测，而对于痕量元素，除特殊要求之外，可不必进行化验。
2．溶解状气体
天然条件下地下水中常见的气体成分包括02、N2、CO2、CH4以及H。S气体等。坝址地下水中一般含有少量的O2。（包括N2）、CO2和H：S这三种溶解状气体。此类溶解状气体的存在，一方面可反映水体所处的地球化学环境；另一方面，对于某些化学反应具有促进作用，如含有一定量溶解状CO2的水体对于碳酸盐类矿物的溶解能力以及表生环境下对于各类岩体的风化能力就会显著提高。
地下水中的溶解氧( dissolved oxygen，DO)多源于大气降水。DO含量高，说明水体所处的环境有利于氧化作用的进行。
地下水中CO。的来源：一是坝前库水，尤其是库底水，对于大中型水库，库底水多处于低温、高压状态，以致CO2含量高于表层及浅层水，而库底水往往是坝基地下水*直接的补给源；二是大坝两岸非饱和带中有机质贱骸的发酵作用以及植物的呼吸作用，不断产生CO2并溶人流经此带的地下水中。另外，一定条件下区内地质体中有机质（如碳质页岩）的氧化也会产生此类溶解状气体。
地下水中若出现一定量的H2S气体（伴随有臭鸡蛋味），其意义与DO相反，说明水体所处的环境有利于还原作用的进行。事实上，H2S正是一定条件下（如脱硫细菌的参与）多由SO42-还原的产物，即由脱硫酸作用所致。
3．络合物
已有的研究表明，地下水中的溶解状组分由游离离子（包括单一离子及络阴离子两部分）和络合物组成；通常的水化学分析结果只能得到某元素的分析浓度，而相关的游离离子及络合物的浓度是未知的。根据水化学分析结果，一般可采用基于化学热力学原理建立的平衡常数法进行求解。定量反映地下水中络合物的存在形式及相对含量，有助于解析水溶液与某些特定矿物（如碳酸盐类矿物）间的反应状态，如溶解-沉淀作用状态。
天然地下水中可存在数十种络合物[1]，见表1.2。事实上，其中有一些并非常见，而与上述宏量元素有关的络合物仅为10种左右，如CaSO40、MgSC40、NaSO4-、KSO4-、CaHCO+、MgHCO3+、NaHCO30、CaCO30、MgCO30、NaCO3-等。此类溶解状组分在水溶液中发生的化学反应可用质量作用定律描述。
地下水中络合物的存在形式及含量，既与水的化学组成及浓度有关，又与水的pH有关。如水的pH<8.3，表1.2中系列3所示的一类络合物可忽略不计；如pH>10.3，表1.2中系列2所示的一类络合物可忽略不计；而如果pH<7.0，则表1.2中系列4所示的一类络合物可忽略不计。
表1.2 地下水中的络合物存在形式统计
4．微生物
研究表明，一定环境下地下水系统中发生的氧化还原反应，有微生物的参与并起着催化的作用。尽管此类作用并不影响反应方向，但会显著地影响反应速率。例如，自然界中硫化物类矿物的氧化过程可以在没有任何微生物的参与下发生，但其氧化反应速率相当缓慢，此类反应属于纯化学氧化过程；但在微生物的参与下发生反应的速率则显著加快，此类反应属于生物氧化过程。
在上述反应中起着催化作用的微生物主要是细菌。按照需氧量，可把细菌分为：好氧菌，也称好气菌，在氧化环境下生存并繁殖；厌氧菌，也称厌气菌，在还原环境下生存并繁殖；兼性菌，对于环境的变化不敏感，即在氧化及还原的环境下均能生存并繁殖。按照所需的能源（营养物）种类，可把细菌分为：自养型菌，以无机碳（CO2及HCO3）作为繁殖所需的碳源；异养型菌，以有机质中的有机碳作为繁殖所需的碳源。地下水系统中存在的大多数细菌属于异养型菌，如反硝化菌、硫还原菌等。
细菌对于地下水流系统中变价元素的地球化学行为也有着重要影响。铁细菌具有好气性，可利用水中亚铁而繁殖，在近中性水中发育；结果可把低价的铁、锰元素氧化成高价的铁、锰化合物。地下水中溶解的铁主要以Fe(HCOS)2的形式存在，此类化合物一般并不能直接被氧化，而是先经水解成Fe(OH)：，再被氧化成Fe(OH)。。在此反应过程中，铁细菌起到催化的作用。
5．胶体
凡颗粒半径在10-9～10-7m者称为胶体。它比离子和分子大，但比悬浮体小，总体上呈球形。水体中若含有此类物质则具有Tyndall效应，即存在光的散射现象。
归纳起来，胶体具有如下特性[2]：①是物质以一定分散程度而存在的某一种状态，而不是一种特殊的物质。②存在两种特殊的形态，一种为憎水溶胶，另一种则为大分子溶液；在热力学上，前者通常不稳定，后者则相对稳定。③其结构由胶粒和胶团构成，而胶粒则由胶核和吸附层组成；由此决定了此类物质特有的分散度、不均匀性（多相）和聚集不稳定性。
地下水溶液中的胶体大多数带电。其中，带正电的胶体称为正胶体，如氢氧化物胶体等；而带负电的胶体则称为负胶体，如氧化物、硫化物、腐殖质胶体等（表1.3）。
表1.3 地下水溶液中常见的正负胶体
地下水溶液中胶体稳定与否的状态，既与聚集的稳定性程度有关，又与动力学有关。当胶体颗粒之间的间距比较大，以致双电层之间尚未重叠时，胶粒之间的排斥力几乎不发生作用，彼此之间以吸引为主；而当两个带电荷的胶粒相互靠近以致双电层部分重叠时，则在重叠部位溶质（离子）的浓度显著地增加，过剩的溶质具有的渗透压与胶粒间的静电斥力将阻止胶粒间的靠近，因此产生排斥作用。而当胶粒间相互凝聚时，必须克服一定的势垒，这是胶体能保持相对稳定的重要原因。但如果胶粒间的吸引效应足够抵消排斥而产生碰撞，将导致胶粒间发生聚合，并*终发生沉淀而析出。
影响胶体发生聚沉的因素包括：电解质的作用、胶体之间的作用、溶胶的浓度、溶液的pH和Eh以及环境因素（如温度和压力的变化）等。
6．同位素
由定义可知，同位素指同一元素中质量数不同的各种原子，即原子序数相同、而质量数不同的各种原子。它们的化学性质几乎相同，在周期表中占据同一位置。白然界中的大多数元素都有同位素。同位素可分为两类：一类是稳定同位素，如H、C、N、O、S及Si等；另一类是放射性同位素，其核素的衰变主要包括三个系列：U-系、U-Th系与Ac-系，它们的原始母核分别是U-238、Th-232和U-235。
这里，仅讨论稳定同位素，且仅探讨O、H这两种同位素。因为这两种同位素是坝址渗流水化学相对重要的组成部分，尽管有关的分析数据还少有报道。
氧在自然界有三个同位素，即16O、17O及18O，其中16O与18O占整个氧相对丰度的99. 9%以上（表1.4）。与坝址渗流水化学相关的自然界中氧同位素的分布特点见表1.5。
表1.4 自然界中氧同位素的相对丰度
表1.5 自然界中氧同位素的分布特征
关于水体中18O和2H这两种稳定同位素的含量，可以将平均海洋水标准(standard mean ocean water，SMOW)作为参照的标准。该标准提供了大气降水的合适标准，因为海洋是自然界中水文循环的归宿。Craig[3]将其定义为
(1.1)
随后，国际原子能机构(International Atomic Energy Agency，IAEA)准备了一个用做同位素标准的水样，称之为维也纳标准平均海水(Vienna standard mean ocean water，VSMOW)，具有如下定义04]：
(1.2)
某水样中，180和2H一类稳定向位素的组成可用表示，即
坝址渗流水不是化学意义上的纯水，而是一种复杂的溶液，含有大量的作用剂和各种电解质盐类。因此，坝址渗流水自补给区向排泄区或排泄点(如幕后排水孔)的运移过程中，一方面不断地同与之相接触的固相介质(包括岩体及帷幕体等)发生物理化学反应；另一方面也不断地与环境之间发生物质与能量的交换，结果形成了坝址渗流特有的水化学特征，并具有显著的时效性。
本章主要介绍运行工况下坝址渗流水化学基本组成、若干反映水化学重要特性的综合指标以及数种在实际工作中常用的水化学分类方法。
1.1 水化学基本组成
水化学基本组成包括多个方面，即由水溶液中以离子态或以分子态形式存在的各种元素、溶解状气体成分、无机及有机络合物、微生物、胶体、稳定性及放射性同位素等组成。
水溶液中以离子态或以分子态形式存在的各种元素及其含量的变化，集中反映了水的矿化程度及导电性；溶解状气体的出现及其含量变化，综合揭示了水体所处的地球化学环境特征；稳定性及放射性同位素的出现及其衰减，示踪了水体的补给源以及水体的年龄；络合物是溶解状组分的一种存在形式，由一中心离子(一般是金属阳离子)和其周围的配位体(一般是阴离子或中性成分)以配位键的方式结合在一起的复杂缔合物(也称离子对)，其存在形式及含量既与水溶液的浓度有关，也随水的pH而变化；微生物的存在形式及含量也从一个侧面反映了水体的地球化学环境以及受到污染的程度；而胶体是一种即使在显微镜下也观察不到的微小颗粒，但含有此类物质的水体具有Tyndall效应，当某元素以此类形式出现于水体中时，可使其含量显著增大。
水溶液中以上述不同形式存在的多元素及其组合，可伴随水流或不同部位间的浓度差发生空间位移。这样的过程称为元素的水文地球化学迁移，包含了水|岩(包括工程材料等)作用体系的物理化学条件和水介质的动态变化过程。水流系统中元素迁移的实际过程是难以直接观察的，但只要从研究区具体的地质及水文地质条件出发，综合分析各类实际资料，如岩性资料、水化学资料以及水的宏观动态(包括水位、流量等)资料等，就可以推断区内水溶液中不同元素的组合、成因及其迁移规律。
可见，渗流水的化学组成是复杂的，其形成及演变隐含着极为丰富的环境(如水环境、地质环境以及工程环境)信息。
1. 基本元素
应该说，某元素在水溶液中的含量，一方面与该元素在地壳中的平均含量(即丰度)有关；另一方面也与该元素所具有的化学性质有关，如易溶性、难溶性(可用水|岩分配系数表示)等。按照相对含量，可以把出现在渗流水溶液中的不同元素分为如下三类。
1) 宏量元素
宏量元素也称为常量元素，在地下水中分布*广、含量较高，一般在10mg/L以上。有关离子分别为Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO2-4、HCO-3以及CO2-3。它们的摩尔质量和相应的电导率见表1.1。可以把构成这些离子的元素分为两类：一类在地壳中含量较高且较易溶于水，如Ca、Mg、Na、K；另一类在地壳中含量不高、但极易溶于水，如Cl、S。
表1.1 水溶液中宏量元素的摩尔质量和电导率
另外需要指出，由于运行工况下坝址渗流场中地下水pH的变化显著区别于纯天然条件下的地下水，故前者中通常还含有一定量的可溶性SiO2[也可写作H4SiO4或Si(OH)4]。尽管Si元素在地壳中的含量很高，但在普遍呈弱酸性、中性至弱碱性的天然地下水中因其难溶于水而含量较低；然而在呈显著碱性化的坝基幕后地下水中因其溶解度的增大而使含量有所增大。
2) 微量元素
微量元素在地下水中分布较广，但含量不高，一般在1～10mg/L。有关离子有铁离子（Fe2++Fe3+）、锰离子(Mn2++Mn4+)、NOs及NH4+等。
3) 痕量元素
痕量元素在渗流水中分布不普遍且含量很低，一般低于1mg/L。有关离子有F、Sr2+、Br等。
在日常的渗流水化学监测工作中，对于上述宏量元素、微量元素应进行检测，而对于痕量元素，除特殊要求之外，可不必进行化验。
2．溶解状气体
天然条件下地下水中常见的气体成分包括02、N2、CO2、CH4以及H。S气体等。坝址地下水中一般含有少量的O2。（包括N2）、CO2和H：S这三种溶解状气体。此类溶解状气体的存在，一方面可反映水体所处的地球化学环境；另一方面，对于某些化学反应具有促进作用，如含有一定量溶解状CO2的水体对于碳酸盐类矿物的溶解能力以及表生环境下对于各类岩体的风化能力就会显著提高。
地下水中的溶解氧( dissolved oxygen，DO)多源于大气降水。DO含量高，说明水体所处的环境有利于氧化作用的进行。
地下水中CO。的来源：一是坝前库水，尤其是库底水，对于大中型水库，库底水多处于低温、高压状态，以致CO2含量高于表层及浅层水，而库底水往往是坝基地下水*直接的补给源；二是大坝两岸非饱和带中有机质贱骸的发酵作用以及植物的呼吸作用，不断产生CO2并溶人流经此带的地下水中。另外，一定条件下区内地质体中有机质（如碳质页岩）的氧化也会产生此类溶解状气体。
地下水中若出现一定量的H2S气体（伴随有臭鸡蛋味），其意义与DO相反，说明水体所处的环境有利于还原作用的进行。事实上，H2S正是一定条件下（如脱硫细菌的参与）多由SO42-还原的产物，即由脱硫酸作用所致。
3．络合物
已有的研究表明，地下水中的溶解状组分由游离离子（包括单一离子及络阴离子两部分）和络合物组成；通常的水化学分析结果只能得到某元素的分析浓度，而相关的游离离子及络合物的浓度是未知的。根据水化学分析结果，一般可采用基于化学热力学原理建立的平衡常数法进行求解。定量反映地下水中络合物的存在形式及相对含量，有助于解析水溶液与某些特定矿物（如碳酸盐类矿物）间的反应状态，如溶解-沉淀作用状态。
天然地下水中可存在数十种络合物[1]，见表1.2。事实上，其中有一些并非常见，而与上述宏量元素有关的络合物仅为10种左右，如CaSO40、MgSC40、NaSO4-、KSO4-、CaHCO+、MgHCO3+、NaHCO30、CaCO30、MgCO30、NaCO3-等。此类溶解状组分在水溶液中发生的化学反应可用质量作用定律描述。
地下水中络合物的存在形式及含量，既与水的化学组成及浓度有关，又与水的pH有关。如水的pH<8.3，表1.2中系列3所示的一类络合物可忽略不计；如pH>10.3，表1.2中系列2所示的一类络合物可忽略不计；而如果pH<7.0，则表1.2中系列4所示的一类络合物可忽略不计。
表1.2 地下水中的络合物存在形式统计
4．微生物
研究表明，一定环境下地下水系统中发生的氧化还原反应，有微生物的参与并起着催化的作用。尽管此类作用并不影响反应方向，但会显著地影响反应速率。例如，自然界中硫化物类矿物的氧化过程可以在没有任何微生物的参与下发生，但其氧化反应速率相当缓慢，此类反应属于纯化学氧化过程；但在微生物的参与下发生反应的速率则显著加快，此类反应属于生物氧化过程。
在上述反应中起着催化作用的微生物主要是细菌。按照需氧量，可把细菌分为：好氧菌，也称好气菌，在氧化环境下生存并繁殖；厌氧菌，也称厌气菌，在还原环境下生存并繁殖；兼性菌，对于环境的变化不敏感，即在氧化及还原的环境下均能生存并繁殖。按照所需的能源（营养物）种类，可把细菌分为：自养型菌，以无机碳（CO2及HCO3）作为繁殖所需的碳源；异养型菌，以有机质中的有机碳作为繁殖所需的碳源。地下水系统中存在的大多数细菌属于异养型菌，如反硝化菌、硫还原菌等。
细菌对于地下水流系统中变价元素的地球化学行为也有着重要影响。铁细菌具有好气性，可利用水中亚铁而繁殖，在近中性水中发育；结果可把低价的铁、锰元素氧化成高价的铁、锰化合物。地下水中溶解的铁主要以Fe(HCOS)2的形式存在，此类化合物一般并不能直接被氧化，而是先经水解成Fe(OH)：，再被氧化成Fe(OH)。。在此反应过程中，铁细菌起到催化的作用。
5．胶体
凡颗粒半径在10-9～10-7m者称为胶体。它比离子和分子大，但比悬浮体小，总体上呈球形。水体中若含有此类物质则具有Tyndall效应，即存在光的散射现象。
归纳起来，胶体具有如下特性[2]：①是物质以一定分散程度而存在的某一种状态，而不是一种特殊的物质。②存在两种特殊的形态，一种为憎水溶胶，另一种则为大分子溶液；在热力学上，前者通常不稳定，后者则相对稳定。③其结构由胶粒和胶团构成，而胶粒则由胶核和吸附层组成；由此决定了此类物质特有的分散度、不均匀性（多相）和聚集不稳定性。
地下水溶液中的胶体大多数带电。其中，带正电的胶体称为正胶体，如氢氧化物胶体等；而带负电的胶体则称为负胶体，如氧化物、硫化物、腐殖质胶体等（表1.3）。
表1.3 地下水溶液中常见的正负胶体
地下水溶液中胶体稳定与否的状态，既与聚集的稳定性程度有关，又与动力学有关。当胶体颗粒之间的间距比较大，以致双电层之间尚未重叠时，胶粒之间的排斥力几乎不发生作用，彼此之间以吸引为主；而当两个带电荷的胶粒相互靠近以致双电层部分重叠时，则在重叠部位溶质（离子）的浓度显著地增加，过剩的溶质具有的渗透压与胶粒间的静电斥力将阻止胶粒间的靠近，因此产生排斥作用。而当胶粒间相互凝聚时，必须克服一定的势垒，这是胶体能保持相对稳定的重要原因。但如果胶粒间的吸引效应足够抵消排斥而产生碰撞，将导致胶粒间发生聚合，并*终发生沉淀而析出。
影响胶体发生聚沉的因素包括：电解质的作用、胶体之间的作用、溶胶的浓度、溶液的pH和Eh以及环境因素（如温度和压力的变化）等。
6．同位素
由定义可知，同位素指同一元素中质量数不同的各种原子，即原子序数相同、而质量数不同的各种原子。它们的化学性质几乎相同，在周期表中占据同一位置。白然界中的大多数元素都有同位素。同位素可分为两类：一类是稳定同位素，如H、C、N、O、S及Si等；另一类是放射性同位素，其核素的衰变主要包括三个系列：U-系、U-Th系与Ac-系，它们的原始母核分别是U-238、Th-232和U-235。
这里，仅讨论稳定同位素，且仅探讨O、H这两种同位素。因为这两种同位素是坝址渗流水化学相对重要的组成部分，尽管有关的分析数据还少有报道。
氧在自然界有三个同位素，即16O、17O及18O，其中16O与18O占整个氧相对丰度的99. 9%以上（表1.4）。与坝址渗流水化学相关的自然界中氧同位素的分布特点见表1.5。
表1.4 自然界中氧同位素的相对丰度
表1.5 自然界中氧同位素的分布特征
关于水体中18O和2H这两种稳定同位素的含量，可以将平均海洋水标准(standard mean ocean water，SMOW)作为参照的标准。该标准提供了大气降水的合适标准，因为海洋是自然界中水文循环的归宿。Craig[3]将其定义为
(1.1)
随后，国际原子能机构(International Atomic Energy Agency，IAEA)准备了一个用做同位素标准的水样，称之为维也纳标准平均海水(Vienna standard mean ocean water，VSMOW)，具有如下定义04]：
(1.2)
某水样中，180和2H一类稳定向位素的组成可用表示，即
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