天然水中的硬度主要是指Ca^2＋、Mg^2＋等金属离子，水中的碱度主要是指碳酸氢盐碱度HCO^－₃。而水中主要存在的离子有Ca^2＋、Mg^2＋、Na^＋、K^＋和HCO^－₃、SO^2－₄、Cl^－等。水中的硬度与碱度之间的关系分为三种情况。

碱度>硬度（以mol/L计）

由表可见，水中的硬度（Ca^2＋、Mg^2＋）都变成为碳酸氢盐，并同时还有Na^＋、K^＋的碳酸氢盐，但没有非碳酸盐硬度存在。此时，碱度减去硬度所得的差值等于Na^＋、K^＋的碳酸氢盐。这部分多出的Na^＋、K^＋的碳酸氢盐碱度即所谓过剩碱度亦称为负硬度。

碱度＝硬度（以mol/L计）

由上可见，此时只有Ca^2＋、Mg^2＋的硬度及其碳酸氢盐碱度，既无非碳酸盐硬度，亦无Na^＋、K^＋的碳酸氢盐。

碱度<硬度（以mol/L计）

如下表：

由此可见，此时水中有非碳酸盐硬度CaSO₄、MgSO₄的存在，但没有镁的碳酸盐硬度Mg（HCO₃）₂。

另一种情况是的镁硬水，如下表：

由此可见，水中有镁的碳酸盐硬度Mg（HCO₃）₂的存在，但没有钙的非碳酸盐硬度存在，而有镁的非碳酸盐硬度MgSO₄的存在。

但上述两种情况，无论是哪种，水中都有非碳酸盐的硬度存在，而没有Na^＋、K^＋的碳酸氢盐存在。