天然水中的硬度主要是指Ca2+、Mg2+等金屬離子，水中的堿度主要是指碳酸氫鹽堿度HCO3-。而水中主要存在的離子有Ca2+、Mg2+、Na+、K+和HCO3-、SO42-、Cl-等。水中的硬度與硬度之間的關系分為三種情況。
    （1）堿度>硬度（以mol/L計）
HCO3->   （Ca2++Mg2+）
水中的硬度（Ca2+、Mg2+）都變成為碳酸氫鹽，并同時還有Na+、K+的碳酸氫鹽，但沒有非碳酸鹽硬度在。此時，堿度減去硬度所得的差值等于Na+、K+的碳酸氫鹽。這部分多出的Na+、K+的碳酸氫鹽堿度即所謂過剩堿度亦稱為負硬度。
    （2）堿度=硬度（以mol/L計）
即HCO3-=   （Ca2++Mg2+）
    此時只有Ca2+、Mg2+的硬度及其碳酸氫鹽堿度，既無非碳酸鹽硬度，亦無Na+、K+的碳酸氫鹽。
    （3）堿度<硬度（以mol/L計）
即HCO3-<   （Ca2++Mg2+）。此時又有兩種情況，一是    Ca2+> HCO3-的鈣硬水，此時水中有非碳酸鹽硬度CaSO4、MgSO4的存在，但沒有鎂的碳酸鹽硬度Mg（HCO3）2。
    另一種情況是   Ca2+> HCO3-的鎂硬水，水中有鎂的碳酸鹽硬度Mg（HCO3）2的存在，但沒有鈣的非碳酸鹽硬度存在，而有鎂的非碳酸鹽硬度MgSO4的存在。
    但上述兩種情況，無論是哪種，水中都有非碳酸鹽的硬度存在，而沒有Na+、K+的碳酸氫鹽存在。