天然水中一般含有可溶性物质和悬浮物质（包括悬浮物、颗粒物、水生生物等）。可溶性物质成分十分复杂，主要是在岩石风化过程中，经水溶解迁移的地壳矿物质。

(1）天然水中的主要离子组成

天然水是海洋、江河、湖泊、沼泽、冰雪等地表水与地下水的总称。天然水在循环过程中不断与环境中的各种物质接触，并能或多或少溶解它们，因此天然水是一种成分复杂的溶液。

K+ 、Na+ 、Ca2+ 、Mg2+ 、HCO₃- 、NO₃-、Cl-和SO₄2-为天然水中常见的8大离子，占天然水中离子总量的95%-99%。水中这些主要离子的分类，常用来作为表征水体主要化学特征性指标。

天然水中常见主要离子总量可以粗略地作为水的总含盐量（TDS)：

(2）天然水中的金属离子

水中的金属离子例如Ca2+不可能在水中以分离的实体孤立存在在水溶液中金属离子的表示式常写成Men+，表示简单的水合金属阳离子Me(H2O)n+x，它可与电子供给体配合成键而获得稳定的最外电子层，可通过化学反应达到最稳定状态，酸碱中和、沉淀溶解、配合解离及氧化还原等反应是它们在水中达到最稳定状态的过程。

水中可溶性金属离子可以多种形式存在。例如，Fe3+可以Fe(OH)²⁺ 、Fe(OH)₂+、Fe2(OH)₂⁴⁺和Fe3+等形式存在。在中性水体中各种形态的浓度可通过平衡常数计算：

假如存在固体Fe(OH)3(s)，则有：

在pH=7时，水合铁离子Fe(H2O)3＋的浓度可以忽略不计，[Fe3+]=9.1×10-18mol/L,代入上式，即可得出其他各种形态离子的浓度：

(3）水生生物

水生生物可直接影响许多物质的浓度，其作用有代谢、摄取、转化、存储和释放等。在水生生态系统中生存的生物体，可以分为自养生物和异养生物。自养生物利用太阳能或化学能，把简单、无生命的无机物元素引进至复杂的生命分子中即组成生命体。藻类是典型的自养水生生物，通常CO2,、NO3-和PO4-多为自养生物的C、N、P源利用太阳能从无机矿物合成有机物的生物体称为生产者。异养生物利用自养生物产生的有机物作为能源及合成它自生生命的原始物质。

水体产生生物体的能力称为生产率。生产率是由化学的及物理的因素相结合而决定的。通常饮用水及游泳池需要低的生产率，而对于鱼类则需要较高的生产率。在高生产率的水中藻类生产旺盛，死藻的分解引起水中溶解氧水平降低．这种情况常被称为富营养化。水中营养物通常决定水的生产率，水生植物需供给适量C（二氧化碳）、N（硝酸盐）、P（磷酸盐）及痕量元素，在许多情况下，P是限制的营养物。

决定水体中生物的范围及种类的关键物质是氧，氧的缺乏可使许多水生生物死亡，氧的存在能够杀死许多厌氧细菌。在测定河流及湖泊的生物特征时，首先要测定水中溶解氧的浓度。

生物（或生化）需氧量BOD是另一个水质的重要参数，它是指在一定体积的水中有机物降解所要耗用的氧的量。一个BOD高的水体，不可能很快地补充氧气．显然对水生生物是不利的。

CO2是由水及沉积物中的呼吸过程产生的，也能从大气进入水体。藻类生命体的光合作用需要CO2，由水中有机物降解产生的高水平CO2，可能引起过量藻类的生长以及水体
的超生长率，在有些情况下CO2是一个限制因素。

(4)有机物质

天然水体中的有机物种类繁多，它们是水生植物光合作用的产物和水生动物在不同阶段分解产物的混合物。通常将水体中有机物分为两大类，即非腐殖物质和腐殖物质。

非腐殖物质包括糖类化合物、脂肪、蛋白质、维生素及其他低相对分子质量有机物等。

水体中的大部分有机物是呈褐色或黑色无定形的腐殖质(humicsubstances)。它的相对分子质量范围为几百至几万。大多数腐殖质的元素组成在下述范围之内：C 45％～55％，O 30％～45％，H 3％～6％，S 0～1％。腐殖质的组成和结构目前尚未完全搞清楚，分类和命名也不统一。通常根据腐殖质在酸、碱中溶解的情况，将它们分成三个主要部分。

①富里酸  也称黄腐酸，用FA表示，相对分子质量为几百至几千，可溶于酸和碱；

②腐植酸  也称棕腐酸，用HA表示，相对分子质量为几千至几万，可溶于碱，但不溶于酸；

③胡敏酸  也称腐黑物，不溶于酸和碱。

资料表明，三种腐殖质在结构上是相似的，它们共同的特点是除含有大量苯环外，还含有大量羧基、羟基、氨基、羰基等活性基团。其中脂肪结构约占37％，芳香结构约占21％。

一般水中腐殖质里富里酸约占83％～90％，腐植酸约占3％～4％，胡敏酸占7％～13％。

由于富里酸的相对分子质量较小，故其单位质量的含氧官能团较高。正是这些活性基团决定了腐殖质具有弱酸性、离子交换性、配位化合和氧化还原等化学活性，因而具有使水体中的金属离子形成稳定的水溶性或水不活性化合物的能力以及具有与水体中有机物(包括有毒物)相互作用的能力等。

(5)溶解气体

天然水体中一般存在的气体有氧气、二氧化碳、硫化氢、氮气和甲烷等，这些气体来自大气中各种气体的溶解、水生动植物的活动、化学反应等。海水中的气体还来自海底爆发的火山。