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库尔洛夫式在线计算与水化学分析工具

免费在线完成库尔洛夫式计算与地下水水化学分析:输入离子浓度后自动换算 meq/L 和毫克当量百分比,判定水化学类型与电荷平衡误差,并输出 Piper 三线图、主要离子等当量关系图和 Na-K-Mg 三角图;稳定同位素模块可绘制 δ¹⁸O–δD 关系图并估算补给高程。剖面校正和地层厚度模块按原 Excel 表的字段与计算关系实现,Excel 上传仅用于快速导入。

适用内容:库尔洛夫式计算、meq/L 换算、离子当量百分比、水化学类型判定、Piper 三线图在线绘制、Na-K-Mg 地热温标判读,以及 δ¹⁸O–δD 稳定同位素补给高程计算。全部计算在浏览器本地完成。
01

库尔洛夫式计算

主分析离子排列在前:Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻、SO₄²⁻、HCO₃⁻;其他离子统一放在后面。所有浓度均以 mg/L 输入。

Piper 数据:仅取 Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺+K⁺、Cl⁻、SO₄²⁻、HCO₃⁻+CO₃²⁻,分别换算为 meq% 后绘图;其他离子仅参与库尔洛夫式、电荷平衡和矿化度计算。
样品主要离子(mg/L)其他离子(mg/L)操作
Na⁺K⁺Ca²⁺Mg²⁺Cl⁻SO₄²⁻HCO₃⁻ CO₃²⁻Fe²⁺Fe³⁺Al³⁺NH₄⁺F⁻NO₃⁻
从 Excel / 表格批量粘贴多组水样

推荐列顺序:样品、Na、K、Ca、Mg、Cl、SO4、HCO3、CO3、Fe2、Fe3、Al、NH4、F、NO3(mg/L)。后面的其他离子可以省略。

RESULT

库尔洛夫式计算结果

水化学类型按全部已输入离子的当量百分比判定:阳、阴离子分别以各自总 meq/L 为 100%,所有大于等于 25% 的离子均列入类型;不会因某一离子超过 50% 而省略其他达到或超过 25% 的离子。

样品矿化度 M (g/L)Σ阳离子 (meq/L)Σ阴离子 (meq/L)平衡误差水化学类型库尔洛夫式(简式)
ION %

各离子当量浓度及占比

每个离子的百分比均按其电荷类别分别计算:阳离子 meq/L ÷ Σ阳离子,阴离子 meq/L ÷ Σ阴离子。达到或超过 25% 的百分比会高亮,并参与“水化学类型”命名。

样品Na⁺
meq/L
Na⁺
%Σ阳离子
K⁺
meq/L
K⁺
%Σ阳离子
Ca²⁺
meq/L
Ca²⁺
%Σ阳离子
Mg²⁺
meq/L
Mg²⁺
%Σ阳离子
Cl⁻
meq/L
Cl⁻
%Σ阴离子
SO₄²⁻
meq/L
SO₄²⁻
%Σ阴离子
HCO₃⁻
meq/L
HCO₃⁻
%Σ阴离子
CO₃²⁻
meq/L
CO₃²⁻
%Σ阴离子
Fe²⁺
meq/L
Fe²⁺
%Σ阳离子
Fe³⁺
meq/L
Fe³⁺
%Σ阳离子
Al³⁺
meq/L
Al³⁺
%Σ阳离子
NH₄⁺
meq/L
NH₄⁺
%Σ阳离子
F⁻
meq/L
F⁻
%Σ阴离子
NO₃⁻
meq/L
NO₃⁻
%Σ阴离子
PIPER

Piper 三线图

采用三角形—菱形标准布局、20% 网格、百分比刻度和多组样品图例;同一水样在三个投影区使用同一颜色与符号。

ION EQUILINE

主要离子等当量关系图与水–岩作用判读

依据库尔洛夫式输入数据自动换算为 meq/L,绘制 Na⁺+K⁺—Cl⁻ 与 Ca²⁺+Mg²⁺—HCO₃⁻+SO₄²⁻ 两组 1:1 等当量关系图,并按样品相对等当量线的位置给出机制提示。

判读原则:两幅图均采用当量浓度(meq/L),因此 1:1 线表示正、负离子电荷当量的化学计量对应关系,而不是 mg/L 的质量比。
① Na⁺+K⁺ 对 Cl⁻:接近 1:1 时,若 K⁺贡献较小,可视为岩盐(NaCl)等氯化物盐溶解的重要指示;位于线上方表示 Na⁺+K⁺ 相对过量,常与 Na/K 硅酸盐风化及/或阳离子交换释放 Na 有关;位于线下方则表示 Cl⁻ 相对过量,应考虑额外 Cl⁻ 来源及/或反向阳离子交换。由于经典判别多采用 Na⁺—Cl⁻,当 K⁺占比明显时需谨慎解释。
② Ca²⁺+Mg²⁺ 对 HCO₃⁻+SO₄²⁻:接近 1:1 时,符合方解石、白云石与石膏/硬石膏等矿物溶解的总体化学计量特征;位于线下方(HCO₃⁻+SO₄²⁻ 过量)常见于阳离子交换消耗 Ca/Mg,以及 Na/K 硅酸盐风化使 HCO₃⁻ 由 Na/K 配平;位于线上方(Ca²⁺+Mg²⁺ 过量)更常见于反向阳离子交换或 Ca/Mg 由 Cl⁻、NO₃⁻ 等其他阴离子配平。因此,“线上方=碳酸盐溶解、线下方=硅酸盐溶解”并不是普遍成立的唯一解释
自动位置分类:网页为便于批量判读,将纵/横当量比 0.90–1.10 归为“1:1 线附近”;该 ±10% 阈值只是显示规则,不是文献规定的统一地球化学界线。实际结论应结合地层岩性、饱和指数、Cl⁻/Br⁻、SiO₂、离子交换指数及同位素等证据综合判断。
主要文献: Zhou, P., Li, M. & Lu, Y. (2017), Hydrochemistry and Isotope Hydrology for Groundwater Sustainability of the Coastal Multilayered Aquifer System (Zhanjiang, China), Geofluids, 2017:7080346, DOI: 10.1155/2017/7080346; Datta, P.S. & Tyagi, S.K. (1996), Major Ion Chemistry of Groundwater in Delhi Area: Chemical Weathering Processes and Groundwater Flow Regime, Journal of the Geological Society of India 47:179–188, DOI: 10.17491/jgsi/1996/470205; Cerling, T.E., Pederson, B.L. & von Damm, K.L. (1989), Sodium-calcium ion exchange in the weathering of shales: Implications for global weathering budgets, Geology 17:552–554, DOI: 10.1130/0091-7613(1989)017<0552:SCIEIT>2.3.CO;2; Fisher, R.S. & Mullican, W.F. (1997), Hydrochemical evolution of sodium-sulfate and sodium-chloride groundwater beneath the Northern Chihuahuan Desert, Trans-Pecos, Texas, USA, Hydrogeology Journal 5(2):4–16, DOI: 10.1007/s100400050102
INTERPRETATION

样品位置自动解释

表中“位置”仅描述相对 1:1 线的几何关系;“解释”给出与文献一致的优先机制及必要的非唯一性说明。

样品Cl⁻ (meq/L)Na⁺+K⁺ (meq/L)(Na+K)/Cl图①位置图①解释HCO₃⁻+SO₄²⁻ (meq/L)Ca²⁺+Mg²⁺ (meq/L)(Ca+Mg)/(HCO₃+SO₄)图②位置图②解释
Na-K-Mg

Na-K-Mg 三角图与理论热储温度

以 Na/1000、K/100、√Mg 的归一化值绘制 Giggenbach Na-K-Mg 三角图。根据样品所处平衡区间自动选择推荐温标:完全平衡区优先采用 Na-K 温标,局部平衡区优先采用 K-Mg 温标;非平衡区仅作定性识别,不直接给出推荐热储温度。

平衡曲线与温标:完全平衡线按 Na=457·K^0.37·Mg^0.315,平衡下限按 Na=100·K^0.37·Mg^0.315 自动生成;平衡曲线从 0 ℃开始绘制至 360 ℃,每 20 ℃保留一条等温虚线;温度文字从 0 ℃起每 40 ℃标注一次,最高显示至 320 ℃(不显示 360 ℃)。温度标注统一采用 Times New Roman。完全平衡区采用 Giggenbach Na-K 温标 T(℃)=1390/(log10(Na/K)+1.75)-273.15;局部平衡区采用 K-Mg 温标 T(℃)=4410/(14-log10(K²/Mg))-273.15。Na、K、Mg 均使用同一质量浓度单位(网页输入为 mg/L)。
样品Na/1000K/100√Mg平衡区间推荐计算公式Na-K 温标 (℃)K-Mg 温标 (℃)理论热储温度 (℃)说明
非平衡区(immature water)的处理方法: Na-K-Mg 图的“非平衡区”表示水—岩反应尚未达到适合阳离子温标的平衡状态,因此 不建议直接把 Na-K 或 K-Mg 的结果作为热储温度。 若有 SiO₂ 数据,可改用硅温标并与地质条件、混合过程及其他温标交叉验证: 石英(无蒸汽损失) Tq(℃)=1309/(5.19-log10(SiO₂))-273.15; 玉髓 Tch(℃)=1032/(4.69-log10(SiO₂))-273.15,其中 SiO₂ 以 mg/L(或近似 ppm)计。 对明显混合水,还应结合硅-焓混合模型等方法,而不是强行从 Na-K-Mg 非平衡区读取热储温度。
出处: Giggenbach, W.F. (1988), Geothermal solute equilibria. Derivation of Na-K-Mg-Ca geoindicators, Geochimica et Cosmochimica Acta 52:2749–2765, DOI: 10.1016/0016-7037(88)90143-3; Fournier, R.O. (1977), Chemical geothermometers and mixing models for geothermal systems, Geothermics 5:41–50, DOI: 10.1016/0375-6505(77)90007-4
混合水的计算方法: 对由深部热水与浅层冷水形成的二端元混合水,可优先采用 硅—焓(SiO₂–enthalpy)混合模型。设冷水混合比例为 X,则深部热水比例为 1−X,同时满足热量守恒和 SiO₂ 质量守恒:
Hc·X + Hh·(1−X) = Hs
Sic·X + Sih·(1−X) = Sis
整理后可分别得到:
XH = (Hh−Hs)/(Hh−Hc)
XSi = (Sih−Sis)/(Sih−Sic)
其中 HcHhHs 分别为浅层冷水、深部热水和地表混合泉水的比焓;SicSihSis 分别为三者的 SiO₂ 浓度;X 为浅层冷水混合比例。实际求解时,通过改变假定的深部热水温度 Th,由水/蒸汽表取得 Hh(Th),并由石英(或适用时玉髓)溶解度关系取得 Sih(Th);当 XH ≈ XSi 时,对应的 Th 即为混合校正后的理论热储温度,深部热水比例为 1−X

简化的保守组分二端元混合:若某组分在混合过程中近似保守(常用 Cl⁻ 作为示踪量),则有
Cs = Cc·X + Ch·(1−X)
X = (Ch−Cs)/(Ch−Cc)
其中 CcChCs 分别为冷水、深部热水和混合水中该保守组分的浓度。该式可用于估算冷水混入比例,但只有在端元组成合理、且该组分未发生明显沉淀、吸附或挥发损失时才可靠。

沸腾或伴随蒸汽损失的混合水:单纯硅—焓模型可能不再适用,可采用 氯—焓(Cl–enthalpy)模型,基本二端元平衡关系为
Hs = fh·Hh + (1−fh)·Hc
Cls = fh·Clh + (1−fh)·Clc
其中 fh 为热水端元比例。对发生沸腾和蒸汽分离的样品,还需结合蒸汽损失线和水/蒸汽焓值进行校正,不能仅用上式直接替代完整的氯—焓图解。

适用条件:硅—焓模型主要适用于非沸腾的混合热泉,并要求深部热水的 SiO₂ 原始含量受石英(或适用矿物)溶解度控制、混合前后没有显著 SiO₂ 沉淀/再溶解,且混合后的导热冷却不显著;若存在明显沸腾、蒸汽逸失或多端元混合,应优先采用氯—焓图解及其他地球化学约束综合分析。
出处: Truesdell, A.H. & Fournier, R.O. (1977), Procedure for estimating the temperature of a hot-water component in a mixed water by using a plot of dissolved silica versus enthalpy, Journal of Research of the U.S. Geological Survey 5(1):49–52, USGS 原文; Fournier, R.O. (1977), Chemical geothermometers and mixing models for geothermal systems, Geothermics 5:41–50, DOI: 10.1016/0375-6505(77)90007-4; Fournier, R.O. (1979), Geochemical and hydrologic considerations and the use of enthalpy-chloride diagrams in the prediction of underground conditions in hot-spring systems, Journal of Volcanology and Geothermal Research 5:1–16, USGS 原文
02

氢氧稳定同位素与补给高程计算

输入水样 δ¹⁸O 和 δD(δ²H)值,绘制 δD–δ¹⁸O 关系图,计算 d-excess、相对选定大气降水线的偏移,并依据所选高程效应模型估算补给高程。δ 值单位均为 ‰,默认按 VSMOW 标度理解。

重要说明:δD–δ¹⁸O 大气降水线用于判断水样是否保持大气降水同位素关系;同位素—高程效应用于估算补给高程,两者不是同一个公式,因此本工具分开设置。补给高程优先使用研究区实测的局地降水同位素—高程关系;全国或全球经验关系只能作为区域尺度初步估算。

① δD–δ¹⁸O 关系图参考线

当前:δD = 7.48 × δ¹⁸O + 1.01

② 补给高程模型

δ¹⁸O = 8.892 − 0.041·Lon − 0.312·Lat − 0.002·H;反算 H (m)。适用范围来自 CHNIP 全国站点统计关系。

样品δ¹⁸O (‰)δD / δ²H (‰)采样点高程 (m,可选)操作
从 Excel / 表格批量粘贴同位素数据

推荐列顺序:样品、δ¹⁸O、δD、采样点高程(高程可省略)。

δD–δ¹⁸O

氢氧稳定同位素关系图

样品采用空心圆标注并显示编号;参考线可在中国 CHNIP、中国常用全国线、GMWL 与当地自定义线之间切换;手机端图件会自动缩放适配屏幕。

RESULT

补给高程与补给特征判读

“补给源判读”提供学术版与简洁版两种表述。判读基于样品相对大气降水线的位置、d-excess 与估算补给高程,仅作为水文地球化学约束,不把单个点位偏移等同于唯一水源;最终结论应结合当地降水、河流/湖泊、雪融水端元及水文地质条件。

样品δ¹⁸O (‰)δD (‰)d-excess (‰)相对降水线偏移 Δ (‰)图上位置补给源判读估算补给高程 (m)相对采样点高差 (m)高程模型说明
判读依据与文献:
1. Craig (1961) 给出的全球大气降水线为 δD = 8δ¹⁸O + 10。水样接近大气降水线通常支持大气降水起源;明显沿较低斜率方向偏离并位于降水线下方,常见于入渗前/过程中蒸发或蒸发地表水混入。DOI: 10.1126/science.133.3465.1702
2. Liu et al. (2014) 基于 2005–2010 年 CHNIP 928 组降水样品建立现代中国大气降水线 δD = 7.48δ¹⁸O + 1.01,并给出全国空间回归 δ¹⁸O = 8.892 − 0.041Lon − 0.312Lat − 0.002Alt;全国平均 δ¹⁸O 高程梯度约 −0.13‰/100 m,青藏高原站点约 −0.30‰/100 m。DOI: 10.3402/tellusb.v66.22567
3. 中国同位素水文学文献中还广泛使用 δD = 7.9δ¹⁸O + 8.2 作为全国尺度参考关系;Zhang & Wang (2016) 对中国降水稳定同位素研究及区域大气降水线进行了综述。DOI: 10.1007/s11442-016-1307-y
4. Poage & Chamberlain (2001) 汇编全球山地研究,除部分特殊区外,δ¹⁸O 随高程升高的平均经验梯度约为 −0.28‰/100 m;它是梯度而不是绝对高程截距,因此计算绝对补给高程必须有当地参考点。DOI: 10.2475/ajs.301.1.1
5. Jasechko (2019) 的同位素水文地质综述指出,补给高程估算应优先建立当地降水同位素—高程关系;常用形式为 H = h + (δG − δP)/m。蒸发会使地下水偏离降水线并降低 d-excess,因此受明显蒸发影响的样品不宜直接用未校正的 δ¹⁸O 反算高程。DOI: 10.1029/2018RG000627
局地高程公式:自定义模型直接采用 δ = a·ALT + b,其中可选择 δD 或 δ¹⁸O,ALT 为海拔高度(Altitude,m),反算 ALT = (δ − b)/a。局地回归是补给高程估算的优先方案,使用时应同时报告回归样本范围、R²、季节/降水量加权方式及适用高程区间。
自动判读阈值:网页默认把样品相对所选降水线的垂向残差 |Δ| ≤ 5‰ 归为“降水线附近”。该数值只是批量显示阈值,可在上方自行修改,并非文献规定的统一水文地球化学边界。
03

地质—水文地质实测剖面校正表

字段和计算关系按原“剖面校正表打印”实现。输入导线号、X、Y 和地形图高程,其余列自动按原表公式计算。

原表公式:ΔX=Xᵢ−Xᵢ₋₁;ΔY=Yᵢ−Yᵢ₋₁;平距=√(ΔX²+ΔY²);α=ROUND[DEGREES(ATAN(ΔX/ΔY)),0];理论坡角=DEGREES[ATAN(高差/平距)];β=ROUND(理论坡角,0);校正斜距=ROUND[平距/cosβ,0];校正高差=校正斜距·sinβ。剖面总方向 γ 按首末点坐标同法计算。
剖面总方向 γ:—累计平距:—累计校正高差:—
导线号XY方位角 α斜距ΔXΔY平距累计平距高程高差校正高差累计高差校正累计高差理论坡角坡度角 βcosβ理论斜距剖面总方向 γ操作

04

剖面地层厚度计算表

表头、输入项和中间计算列按原 Excel 表 A–V 列展开。导线方向、斜距、坡角、岩层产状、分层位置和分层代号均可直接在网页录入。

按原工作簿现有公式复现:γ=导线方向−岩层倾向;sinα、cosβ、cosγ、cosα、sinβ 自动计算;Y=sinα·cosβ·cosγ ± cosα·sinβ。原工作簿 T 列现有单元格计算实际采用 D=L·sinβ,网页按该现有公式保持一致;分层累计厚度按同一连续分层内 |D| 累加。
导线号导线方向导线斜距累计斜距分层位置斜距(L)坡角(β)岩层产状倾向与剖面线夹角 γY=sinα·cosβ·cosγ ± cosα·sinβ真厚度 (m)
D=L·Y
分层代号分层累计厚度操作
倾向倾角 αsinαcosβcosγ±cosαsinβY

📂 原始计算表下载

点击即可下载对应 Excel 原始计算表。