Chất lượng nước tự nhiên được hình thành trên cơ sở nước trao đổi vật chất với môi trường xung quanh do các quá trình hóa học, sinh học, vật lý,... diễn ra trong nước. Thành phần hóa học của nước tự nhiên phụ thuộc vào đặc điểm hình thành, thành phần vật chất mà nó tiếp xúc và tương tác. Các yếu tố hình thành chất lượng nước tự nhiên được chia thành hai nhóm: nhóm các yếu tố tác động trực tiếp và nhóm các yếu tố tác động gián tiếp. Các yếu tố tác động trực tiếp đưa thêm vào hoặc loại khỏi nước các chất, làm thay đổi thành phần hoặc nồng độ vật chất trong nước. Các yếu tố tác động gián tiếp tạo điều kiện để vật chất tác động với nước.

a. Khoáng vật

Quá trình tương tác giữa khoáng vật với nước là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào bản chất từng loại khoáng vật và khả năng hòa tan của nó. Các loại muối hòa tan có trong vỏ Trái Đất chủ yếu là các hợp chất clorua, sunfat và cacbonat của natri, kali, canxi và magie. Các muối này có nguồn gốc từ biển sau đó tích tụ trong đất dưới dạng NaCl, CaSO4.H2O, CaCO3... Các loại muối này có độ hòa tan khác nhau ở các vùng địa chất khác nhau và vì thế tạo nên sự thay đổi chất lượng nước từng vùng. Các muối clorua và sunfat thường nằm ở vùng đất ướt phía trên. Các loại muối clorua và sunfat của natri, kali, canxi, magie thường xuất hiện nhiều trong các hồ nước mặn, đầm lầy... Hàm lượng muối tạo nên độ mặn và độ khoáng hóa của nước.

Các loại khoáng vật phong hóa chủ yếu là alumosilicat và sản phẩm quá trình phân hủy chúng. Sự phong hóa alumosilicat diễn ra theo hai giai đoạn: phong hóa cao lanh, trong đó vẫn tồn tại liên kết nhôm với silic để hình thành nhiều dạng khoáng sét và phong hóa alit để tạo thành các oxit và hydroxit (boxit, thạch anh...). Tốc độ quá trình kiểm hóa alumosilicat phụ thuộc vào các điều kiện địa vật lý, đặc biệt là khí hậu. Quá trình này còn phụ thuộc vào độ pH, sự xuất hiện của oxy, các loại axit sunfuric, axit cacbonic và axit hữu cơ.

Sự hòa tan của muối và khoáng vật trong nước làm cho nước tự nhiên có khả năng dẫn điện. Sự hòa tan này còn thiết lập nên thành phần ion của nước. Trong nước tự nhiên, tổng đương lượng cation bằng tổng đương lượng anion.

b. Đất

Sự khác nhau giữa khoáng vật và đất là trong đất ngoài các chất vô cơ (chiếm 90-95% trọng lượng) còn có thành phần hữu cơ. Đất cấu tạo từ các loại kích thước không đồng nhất. Thành phần khoáng của đất phụ thuộc vào loại khoáng vật hình thành nên đất. Thành phần hữu cơ chủ yếu của đất là sản phẩm quá trình phân hủy xác chết sinh vật. Thành phần hóa học và thành phần cơ học của đất phụ thuộc vào các điều kiện khí hậu, điều kiện tích tụ và một số yếu tố khác. Tất cả các yếu tố này sẽ tác động lên chất lượng nước khi nó tiếp xúc với đất. Quá trình vận chuyển vật chất dễ thấy nhất là sự thấm lọc hoặc chảy trôi nước mưa có độ khoáng thấp qua đất. Dòng chảy sẽ làm xói mòn mặt đất, hòa tan các tinh thể muối... và đưa các thành phần này vào trong nguồn nước tự nhiên.

Các hợp chất hữu cơ nguồn gốc thực vật tích tụ và chuyển hóa trong đất tạo nên chất mùn. Trong chất mùn có nhiều thành phần axit humic và các axit hữu cơ khác. Nước mưa thấm qua đất, chứa CO₂ và axit humic sẽ thúc đẩy quá trình phong hóa alumosilicat và khoáng vật cacbonat. Trong quá trình này, vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình đồng hóa và giải phóng CO₂ cũng như oxy hóa các chất hữu cơ phức tạp để chuyển thành các chất đơn giản.

c. Sinh vật

Vai trò của sinh vật trong sự hình thành chất lượng nước tự nhiên rất rộng và đa dạng. Thực vật trong quá trình quang hợp tạo nên các sản phẩm hữu cơ sơ cấp, đồng...

d. Hoạt động của con người

Hoạt động sống của con người rất đa dạng và mạnh liệt. Đây là yếu tố tác động trực tiếp đến chất lượng nước tự nhiên, theo hướng gây ô nhiễm đối với nguồn nước. Nội dung các tác động này sẽ được xem xét chi tiết trong các phần tiếp theo của cuốn sách này.

e. Khí hậu

Khí hậu có vai trò quan trọng đối với thành phần hóa học của nước. Sự cân bằng nhiệt ẩm, kết quả là lượng mưa, độ ẩm, lượng chất... của khu vực. Yếu tố này có thể làm hòa tan, kết tủa, lắng đọng, pha loãng các chất trong nước tự nhiên.

Điều kiện khí hậu cũng ảnh hưởng rõ rệt đến hướng chuyển động của nước ngầm gần mặt đất. Các quá trình phong hóa khoáng vật để hình thành thành phần khoáng trong nước... tăng lên 2 lần khi nhiệt độ môi trường tăng 10°C. Đặc điểm và cường độ mưa, nhân tố tác động trực tiếp đến thành phần và nồng độ các chất trong nước tự nhiên, bị chi phối bởi yếu tố khí hậu. Như vậy, khí hậu tạo nên nền chung để trên đó diễn ra phần lớn quá trình hình thành chất lượng nước tự nhiên.

f. Địa hình

Điều kiện địa hình làm thay đổi vận tốc dòng chảy. Quá trình trượt, xói mòn và hòa tan vật chất từ đất, khoáng vật... vào nước chủ yếu do tác động cơ học của dòng chảy. Khi tiếp xúc, chảy trên mặt đất hay thấm qua đất đá, nước hòa tan các ion cuốn theo các muối vô cơ như sunfat, nitrat, cacbonat, bicacbonat, clorua, các ion canxi, magie, các chất huyền phù, như tróng, các chất hữu cơ hòa tan và nhiều chủng loại vi sinh vật cùng một loạt các tạp chất phân hủy từ nguồn tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình khuếch tán, lan truyền vật chất cũng phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy. Điều kiện địa hình còn ảnh hưởng đến thời gian tiếp xúc giữa nước với đất, tốc độ thẩm, khả năng đâm lầy hóa mặt đất... Chẳng hạn biên nhiễm mặn của sông phụ thuộc vào địa hình và độ dốc lòng sông.

g. Chế độ thủy văn

Thành phần hóa học của nước sông hồ phụ thuộc vào thời gian và thời điểm lũ, đặc tính bổ cấp nước. Nước chảy vào sông luôn ở trạng thái động. Tính động của nó phụ thuộc vào lưu lượng và các chỉ số thủy văn khác. Sự thay đổi thành phần hóa học của nước còn phụ thuộc vào chiều dài đoạn sông, đặc thù lưu vực...