基于综合水化学分析法的工程地质调查水质分析研究

张树新

四川省冶金地质勘查局六 0六大队 四川成都 611730

摘要：利用化学分析方法分析环境水水质，以分析评价环境水对建筑物的侵蚀性类型和危害程度，是工程地质勘察的重要内容之一。基于水化学分析“单项数据单项分析”的基础上，采用“多项数据综合分析”对环境水中阴阳离子含量的测定、pH值的测定、水中游离性二氧化碳和侵蚀性二氧化碳浓度的测定等水化学成分进行分析、比对、验证，检验成果的合理性、正确性，为工程地质勘察研究提供更为科学的数据分析保障。

关键词 工程地质调查；水质分析；综合水化学分析法

0 引言

环境水对工程建筑物的影响普遍存在，其中主要是由于环境水对建筑物钢筋混凝土的侵蚀作用，影响混凝土的耐久性、可靠性，严重的危及工程建筑物的安全运行，因此必须在工程地质勘察中加强工程建筑物影响区环境水的水质侵蚀性分析评价，为工程设计、施工提供相应预防、处置方案提供依据。

1 工程勘察水质分析内容

水质分析又称水化学分析，即用化学和物理方法测定水中各种化学成分的含量，因目的不同可分为简分析、全分析、特殊分析和专门分析四种。工程地质勘察中的专门分析，目前主要是环境水对建筑材料的腐蚀性评价分析^[1-2]，通过合理规范的水质分析测定水中的Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^－等主要离子含量、pH值、游离二氧化碳、侵蚀性二氧化碳等为工程地质中研究环境水的矿化度、酸碱度以及水中物质对建筑材料的侵蚀性提供更为科学的数据支持。

2 综合水化学分析法在工程地质勘察水质分析中的应用

由于工程地质中所涉及的水质分析项目较为多样，对于特定工程水质分析也没有确切的标准数据可以参照，但各个分析项目之间却又存在一定的相互影响，如水体的pH值过低或过高都会造成水中HCO^-3含量偏低，因此，对于工程地质中的水质分析可以采用综合水化学分析法，利用“单项数据单项分析”“多项数据综合分析”的方式保证特定工程水质分析数据的科学性，如图1所示。

图1 综合水化学分析法在水质分析应用

2.1 单项数据单项分析

2.1.1 用离子色谱仪测定水中Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₂^-4等离子含量

利用阳离子色谱柱交换分离测定水中的Li⁺、Na⁺、NH⁺⁴、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等6种阳离子，水样经阳离子色谱柱交换分离，抑制型或非抑制型电导检测器检测，根据保留时间定性，峰高或峰面积定量，但在特定水样分析的时候因个别离子不存在或含量极低而不会在结果图中呈现，如图2～3。

1—Li⁺；2—Na⁺；3—NH⁺⁴； 1—Li⁺；2—Na⁺；3—NH⁺⁴；

4—K⁺；5—Mg²⁺；6—Ca²⁺ 4—K⁺；5—Mg²⁺；6—Ca²⁺

图2 6种阳离子标准溶液色谱图(抑制型) 图3 6种阳离子标准溶液色谱图(非抑制型)

利用阴离子色谱柱交换分离测定水中的F^-、Cl^-、NO^-2、Br^-、NO^-3、PO₃^-4、SO₂^-3、SO₂^-4等8中阴离子。水样经阴离子色谱柱交换分离，抑制型电导检测器检测，根据保留时间定性，峰高或峰面积定量，但在特定水样分析的时候因个别离子不存在或含量极低而不会在结果图中呈现。

2.1.2 用pH计测定水中的pH值

利用玻璃电极法测定pH值，用pH计对水样的pH值进行测定并记录读数^[3]。在该实验中所测定的数据误差主要与以下两个操作有关：

（1）pH值定位：在水样pH值测定前一定要用pH标准缓冲溶液对仪器进行校正复核，使pH值偏差控制在±0.1以内。

（2）水样测定：在水样测定前不要长时间将水样暴露在空气中以减少空气和水样中二氧化碳的渗入或挥发，在水样测定时一定要用待测水样对电极进行多次冲洗后再将电极浸没在水样中以减小测量误差。

2.1.3 用滴定仪测定水中HCO^-3、CO₂^-3

按照《水电工程地质勘察水质分析规程》^[3]中所提到的“电位滴定法测定水样中的HCO^-3、CO₂^-3含量”，滴定液为0.05 mol/L的盐酸标准溶液。该实验操作中涉及两次滴定记录：终点pH值调节在8.3，按仪器使用说明书进行滴定操作，记录所消耗的盐酸标准溶液用量V₁(若水样pH＜8.3时，可省略此步骤)；将终点pH值调节在4.1，继续用盐酸标准溶液滴定至终点，记录所消耗的盐酸标准溶液用量V₂。根据测定数据和相应公式计算HCO^-3、CO₂^-3含量。

3 多项数据综合分析

基于以上“单项数据单项分析”以后，通过综合法来最终评析水质分析结果的准确性，以某工程地质调查水质分析成果为例，如表1所示。

表1 综合水化学分析法水质分析成果表

（1）从此水样分析成果表来看，该水样的pH值为7.8，属于弱碱性水，水样中存在HCO₃^-，不存在OH^-、CO₃^2-离子”，实际结果与理论分析相符合。

（2）由于该水样中重碳酸盐碱度与总硬度之比为0.9081，在0.75～1.25之间，可用测得的游离二氧化碳和HCO₃^-含量通过计算法检验侵蚀性二氧化碳检测数据的准确性：

ρ(cCO2)=ρ(HCO₃^-)×0.36=45.3168 mg/L

ρ(cCO₂为化合二氧化碳的质量浓度。

A=ρ(cCO2)+ρ(fCO2)=50.2568

在《水电工程地质勘察水质分析》规程中查找与A值对应的B值约为2.7

ρ(eCO2)=ρ(fCO2)－B=2.24。

此计算法所得的侵蚀性二氧化碳含量与实验测定的含量极为接近，数据准确。

（3）通过实验数据也可以看出该水样中的阳离子主要为钙离子和镁离子，故所对应的水中溶解性总固体和总硬度也相对偏高，实际结果与理论相符合。

（4）利用矿化度计算公式

M_计=Na⁺+K⁺+Ca²⁺+Mg²⁺+Cl^-+SO₄^2-+HCO₃^-+CO^2-₃

式中离子含量以mg/L计，可算得该水样的矿化度为170.083 mg/L，小于1000 mg/L，属于淡水，与所取水样实际情况符合。

4 结语

对环境水中阴阳离子含量的测定、pH值的测定、水中游离性二氧化碳和侵蚀性二氧化碳浓度的测定等水化学成分的分析，对于研究水的矿化度、酸碱度以及水中物质对土木工程建筑物、自然岩土的侵蚀性分析方面都具有不可或缺的作用。除用更为先进的离子色谱仪、滴定仪、pH计等分析仪器保证水质分析的精确性、高效性外，通过综合分析法来确保所得数据的准确具有实际应用价值。

参 考 文 献（References）：

[1] 宋高嵩,杨正.工程地质[M].北京:清华大学出版社,2016.

[2] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].5版.北京:中国建筑工业出版社,2018.

[3] 水利部水电水利规划设计总院.水电工程地质勘察水质分析规程[M].北京:中国电力出版社,2015.

[4] 中华人民共和国环境保护部.HJ812-016水质可溶性阳离子(Li⁺､Na⁺､NH₄⁺､K⁺､Ca²⁺､Mg²⁺)的测定离子色谱法[S].北京:中国环境科学出版社出版,2016.

[5] 中华人民共和国环境保护部.HJ84-2016水质无机阴离子(F^-､Cl^-､NO^-₂､Br^-､NO₃^-､PO₄^3-､SO₃^2-､SO₄^2-)的测定离子色谱法[S].北京:中国环境科学出版社出版,2016.