Какими свойствами подземные воды
Физические свойства
К физическим свойствам подземных вод относятся температура, цвет, прозрачность, вкус, запах и электрическая проводимость.
Температура подземных вод изменяется в широких пределах. Как правило, в платформенных областях она увеличивается с глубиной. В высокогорных районах и в области распространения многолетней мерзлоты температура подземных вод низкая; в последнем случае высокоминерализованные воды местами имеют даже отрицательную температуру (-5°С и ниже). В районах молодой вулканической деятельности, а также в местах выходов гейзеров (Камчатка, Исландия, Северная Америка и др.) температура воды иногда превышает 120°С. Температура неглубоко залегающих подземных вод в средних широтах обычно изменяется в пределах 5–12°С и обусловливается местными климатическими (в основном) и гидрогеологическими условиями.
Цвет подземных вод зависит от имеющихся в них механических и коллоидных примесей. Органические примеси придают воде желтоватый и буроватый цвет, а соединения оксида железа и сероводород — зеленовато-голубой. Обычно подземные воды бесцветны.
Прозрачность подземных вод также зависит от содержания в них механических примесей и органических веществ. Прозрачность определяют при помощи цилиндра, который ставят на специальный шрифт, после чего через кран выпускают воду из цилиндра до тех пор, пока через оставшийся слой воды не станет ясно читаться шрифт. Высота оставшегося столба воды в сантиметрах и определяет степень прозрачности. Подземные воды обычно не содержат взвешенных частиц и имеют прозрачность выше 30 см.
Вкус подземной воде придают растворенные минеральные вещества, газы и примеси. Хлористый натрий придает воде соленый вкус, сульфаты магния — горький, соли железа — терпкий, органические вещества — сладковатый, гидрокарбонаты кальция и магния, а также свободная углекислота — приятный, освежающий. Вкус определяется в воде, подогретой до 20–30°С. Следует иметь в виду, что вкусовые ощущения субъективны.
Запаха подземные воды обычно не имеют, однако иногда встречаются воды с запахом тухлых яиц (сероводород), «болотным», гнилостным, плесени и др. Питьевая вода не должна иметь запаха. Для точного определения запаха воду подогревают до 50–60°С.
Благодаря содержанию в воде растворенных веществ — катионов и анионов, называемых электролитами, — подземным водам присуща электрическая проводимость. Величина ее находится в сложной зависимости от концентрации растворенных веществ, их валентности и температуры. Величина электрической проводимости дает возможность судить об общей минерализации подземных вод.
Химический состав подземных вод
В природных водах обнаружено в растворенном виде свыше 80 элементов периодической системы Менделеева. Следовательно, подземные воды являются природными растворами. Наиболее широко распространены в природных водах Cl, S, С, Si, N, О, Н, К, Na, Mg, Са, Fe, Al, другие элементы встречаются реже и обычно в небольших количествах.
Водные растворы земных недр — это динамическая система, которая содержит Н2О и некоторое количество газов в различных фазах и состояниях; состав системы постоянно изменяется. Так, при выщелачивании пресные атмосферные осадки или речные воды растворяют какой-либо элемент из минерала, при этом их минерализация повышается и меняется состав, причем в воду переходят наиболее растворимые соли — NaCl, Na2SO4 и др.
При внедрении пресных инфильтрирующихся вод в осадочные породы морского генезиса происходят вытеснение раствора и смешение с водами морского происхождения.
Определение химического состава подземных вод имеет большое значение. Требования к качеству подземных вод изменяются в зависимости от целей их использования (для водоснабжения, при строительстве, в горном деле, для орошения и др.).
Свойства подземных вод зависят от количества и соотношения содержащихся в них в растворенном виде солей, присутствующих в воде в виде ионов — катионов и анионов. Наибольшее практическое значение имеют катионы Н, К, Мg, Са, Fe, Мn и анионы ОН, Cl, SO4, HCO3. В молекулярном и коллоидном состоянии почти во всех водах содержатся органические вещества и коллоиды: SiO2*nH2O, Fe2O3*nH2O, Аl2О3*nН2O и др. В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы СO2, СН4, O2, N2, H2S и др.
В состав природных вод входят почти все известные радиоактивные элементы. Практическое значение приобрели воды, содержащие уран, радий и радон, широко используемые в бальнеологии и для получения различных полезных ископаемых.
Реакция воды
Для правильного определения химического состава подземных вод нужно знать концентрацию водородных ионов, или так называемую активную реакцию воды, количественно выражаемую величиной pH, которая представляет собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода (точнее, их активность), взятый с положительным знаком: pH = lgH. Знать эту величину необходимо для решения ряда теоретических и практических задач (оценка агрессивности подземных вод, их коррозирующей способности и др.). При температуре 22°С в чистой воде содержание водородных и гидроксильных ионов равно (порознь) 10^(-7), следовательно, для нейтральных вод pH = 7, при pH > 7 вода имеет щелочную реакцию, а при pH < 7 — кислую. По величине pH воды делятся на:
- весьма кислые (pH < 5),
- кислые 5 < pH < 7,
- нейтральные (pH = 7),
- щелочные (7 < рН < 9),
- высокощелочные (pH > 9).
Подземные воды обычно имеют слабощелочную реакцию. Воды сульфидных и особенно колчеданных и каменноугольных месторождений обычно кислые и весьма кислые.
Устанавливать концентрацию водородных ионов необходимо на месте отбора проб воды. Наиболее распространен колориметрический способ определения, основанный на свойстве индикаторов менять свою окраску в зависимости от концентрации водородных ионов.
В полевых условиях часто пользуются лакмусовой бумагой, которая при смачивании водой с нейтральной реакцией не меняет свой фиолетовый оттенок, в кислой воде приобретает красный цвет, в щелочной — синий. Можно пользоваться также метилоранжем. Одна-две капли его, добавленные к 50 см³ воды, придают воде при нейтральной реакции оранжево-красную окраску, при кислой — розовато-красную и при щелочной — желтую.
Бактериальный состав подземных вод
Не только в поверхностных, но и в подземных водах, особенно в неглубоко залегающих грунтовых, имеющих сообщение с поверхностными, встречаются различные бактерии. Среди бактерий есть не опасные для здоровья человека и болезнетворные, являющиеся возбудителями дизентерии, брюшного тифа, холеры и других желудочных заболеваний. Показателем бактериальной загрязненности воды служит кишечная палочка коли. Сама по себе она безвредна, но ее присутствие указывает на наличие болезнетворных бактерий. Наличие в питьевой воде аммиака и азотной кислоты указывает на фекальную загрязненность, что совершенно недопустимо.
Минерализация подземных вод
Для оценки качества воды проводят некоторое число полных химических анализов, состав которых зависит от назначения воды. В массовом количестве проводят сокращенные химические анализы с определением содержания трех анионов Cl, SO4, НСO3 и трех катионов Са, Mg и Na + К. При этом устанавливают физические свойства, количество свободной и агрессивной углекислоты, жесткость и общую минерализацию.
Химический состав воды выражается в ионной форме количеством того или иного иона в миллиграммах на литр воды, а также в миллиграмм-эквивалентной. Для перевода в миллиграмм-эквивалентную форму надо количество ионов каждого элемента (в мг/л) разделить на его эквивалентную массу (атомная масса элемента, деленная на его валентность). Так, 460 мг/л Na соответствует 460:23 = 20 молям Na, а 240 мг/л SO4 составляет 240:8 = 5 молей SO4.
По преобладающему аниону воды делятся на следующие основные классы: гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и сложного состава. Каждый класс подразделяется по преобладающему катиону на подклассы: натриевые, кальциевые, магниевые или смешанные (натриево-кальциевыеи т. п.).
Общая минерализация воды выражается суммой содержащихся в ней химических элементов, их соединений и газов. Она оценивается по сухому, или плотному, остатку, который получается после выпаривания воды при температуре 105–110°С и выражается в миллиграммах или граммах на литр.
По степени минерализации (в г/л) воды разделяются на:
- пресные < 1;
- слабосолоноватые 1–3;
- сильносолоноватые 3–10;
- соленые 10–35;
- рассолы >35.
Жесткость воды — особое ее качество, обусловленное присутствием ионов Са и Mg. Жесткость подземных вод во многом определяет возможность их практического использования.
Жесткая вода плохо взмыливается, дает накипь на стенках паровых котлов (что уменьшает их теплопроводность, приводит к перерасходу топлива и может вызвать аварию) и посуды, вспенивается, в жесткой воде медленнее развариваются овощи, мясо, крупа и другие продукты.
Различают общую жесткость, обусловленную содержанием в воде всех солей кальция и магния: Са(НСO3)2, Mg(HCO3)2, CaSO4, MgSO4, СаСl2, MgCl2; карбонатную, или временную, обусловленную наличием в воде бикарбонатов (солей НСO3) кальция и магния, удаляемых при кипячении вследствие их разрушения и перехода в слаборастворимые карбонаты, выпадающие в осадок; некарбонатную, или постоянную, остающуюся в воде после удаления бикарбонатов и равную разности общей и карбонатной жесткости.
Согласно ГОСТ 2874–82 жесткость воды выражают в миллиграмм-эквивалентах Са и Mg на 1 л воды; 1 мг-экв/л соответствует содержанию 20,04 мг/л Са или 12,16 мг/л Mg.
Жесткость природных вод колеблется от нескольких до десятков миллиграмм-эквивалентов; в одном и том же источнике жесткость в разные времена года различная. При жесткости менее 3 мг-экв/л воду называют мягкой, при 3–6 мг-экв/л — умеренно жесткой, при 6–9 мг-экв/л — жесткой, а при более 9 мг-экв/л — очень жесткой.
Загрязненность воды органическими веществами
Наибольшая загрязненность органическими веществами наблюдается в грунтовых водах на участках, где с поверхности фильтруются воды, содержащие органические вещества растительного или животного происхождения: в заболоченных районах, на речных поймах, особенно в местах расположения животноводческих ферм, выгребных ям и т. п.
Предельно допустимые концентрации веществ в воде (ПДК)
ГОСТ 2874–82 определяет допустимые нормы для веществ, встречаемых в природной (поверхностной и подземной) воде, подаваемой потребителям в качестве питьевой. Содержание веществ, наиболее часто встречающихся в природных водах, добавляемых в процессе обработки, а также появляющихся в результате бытового, промышленного и сельскохозяйственного загрязнения, не должно превышать значений, установленных ГОСТ 2874–82,т. е. предельно допустимых концентраций (ПДК). Если в воде обнаружено несколько указанных в ГОСТе веществ, то сумма их концентраций, выраженная в долях от максимальных допустимых концентраций каждого вещества в отдельности, не должна превышать 1.
Биологическое потребление водой кислорода (БПК5)
Наряду с предельно допустимыми значениями концентрации химических веществ и содержания бактерий коли необходимо учитывать наличие в воде кислорода. При определенном содержании О2 может происходить бактериальное самоочищение сточных вод, т. е. процесс распада органических веществ в сбрасываемых сточных водах. Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами предусматривают, что в воде водотоков и водоемов растворенного кислорода должно быть не менее 4 мг/л. Полная биологическая потребность воды водоемов и водотоков в кислороде при температуре 20°С не должна превышать 3 мг/л (БПК5≤3) в местах забора из них воды для водоснабжения и 6 мг/л в местах купания.
Источник
При оценке свойств подземных вод исследуют вкус, запах, цвет, прозрачность, температуру и другие физические свойства подземной воды, которые характеризуют так называемые органолептические свойства воды (определяемые при помощи органов чувств). Органолептические свойства могут резко ухудшаться при попадании в воду естественным или искусственным путем различных примесей (минеральных взвешенных частиц, органических веществ, некоторых химических элементов).
Температура подземных вод колеблется в широких пределах в зависимости от глубины залегания водоносных слоев, особенностей геологического строения, климатических условий и т. д. Различают воды холодные (температура от 0 до 20 °С), теплые, или субтермальные, воды (20—37 °С), термальные (37—Ю0°С), перегретые (свыше 100 °С). Очень холодные подземные воды циркулируют в зоне многолетней мерзлоты, в высокогорных районах; перегретые воды характерны для районов молодой вулканической деятельности. На участках водозаборов чаще всего температура воды 7—11 °С.
Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси (желтоватая, изумрудная и т. д.). Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый — от хлористого натрия, горький — от сульфата магния и т. д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ.
Плотность воды — масса воды, находящаяся в единице ее объема. Максимальная она при температуре 4 °С. При повышении температуры до 250 °С плотность воды уменьшается до 0,799 г/см3, а при увеличении количества растворенных в ней солей повышается до 1,4 г/см3. Сжимаемость подземных вод характеризуется коэффициентом сжимаемости, показывающим, на какую долю первоначального объема жидкости уменьшается объем при увеличении давления на 105 Па. Коэффициент сжимаемости подземных вод составляет 2,5 • 10-5…5 • 10~5 Па, т. е. вода в некоторой степени обладает упругими свойствами, что важно при изучении напорных подземных вод.
Вязкость воды характеризует внутреннее сопротивление частиц ее движению. С повышением температуры вязкость подземных вод уменьшается.
Электропроводность подземных вод зависит от количества растворенных в них солей и выражается величинами удельных сопротивлений от 0,02 до 1,00 Омм.
Радиоактивность подземных вод вызвана присутствием в ней радиоактивных элементов (урана, стронция, цезия, радия, газообразной эманации радия-радона и др.). Даже ничтожно малые концентрации — сотые и тысячные доли (мг/л) некоторых радиоактивных элементов — могут быть вредными для здоровья человека.
Химический состав подземных вод. Все подземные воды всегда содержат в растворенном состоянии большее или меньшее количество солей, газов, а также органических соединений.
Растворенные в воде газы (02, С02, СН4, H2S и др.) придают ей определенный вкус и свойства. Количество и тип газов обусловливает степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Подземные воды у поверхности земли нередко бывают загрязнены органическими примесями (различные болезнетворные бактерии, органические соединения, поступающие из канализационных систем, и т. д.). Такая вода имеет неприятный вкус и опасна для здоровья людей.
Соли. В подземных водах наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. По общему содержанию растворенных солей подземные воды разделяют на пресные (до 1 г/л растворенных солей), солоноватые (от 1 до 10 г/л), соленые
(10—50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). Количество и состав солей устанавливается химическим анализом. Полученные результаты выражают в виде состава катионов и анионов (в мг/л или мг-экв/л).
Суммарное содержание растворенных в воде минеральных веществ называют общей минерализацией, о величине которой судят по сухому или плотному остатку (в мг/л или г/л), который получается после выпаривания определенного объема воды при температуре 105—110 °С. Между общей минерализацией подземных вод и их химическим составом существует определенная зависимость.
В природных условиях общая минерализация подземных вод исключительно разнообразна. Встречаются подземные воды с минерализацией от 0,1 г/л (высокогорные источники) до 500—600 г/л (глубокозалегающие воды Ангаро-Ленского артезианского бассейна). Общая минерализация — один из главных показателей качества подземных вод.
В подземных водах присутствует несколько десятков химических элементов периодической системы Менделеева. До 90 % всех растворенных в водах солей ионы С1~, 80^, НСО3, Иа+,
М§2+, Са2+, К+. Железо, нитриты, нитраты, водород, бром, йод, фтор, бор, радиоактивные и другие элементы содержатся в воде в меньших количествах. Однако даже в небольших количествах они могут оказывать существенное влияние на оценку пригодности подземных вод для различных целей. Наилучшими питьевыми качествами обладают воды при pH = 6,5…8,5.
Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием, озонированием и кипячением. Органические примеси устанавливаются бактериологическим анализом. Вода для питьевых целей должна быть бесцветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус.
Жесткость и агрессивность подземных вод связаны с присутствием солей. Жесткость воды — это свойство, обусловленное содержанием ионов кальция и магния, т. е. связанная с карбонатами, и вычисляется расчетным путем по общему содержанию в воде гидрокарбонатных и карбонатных ионов. Жесткая вода дает большую накипь в паровых котлах, плохо мылится и т. д. В настоящее время жесткость принято выражать количеством миллиграмм-эквивалентов кальция и магния, 1 мг-экв жесткости соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг иона кальция или 12,6 мг иона магния. В других странах жесткость измеряют в градусах (1 мг-экв = 28°). По жесткости воду разделяют на мягкую (менее 3 мг-экв или 8,4°),
средней жесткости (3—6 мг-экв или 8,4°), жесткую (6—9 мг-экв или 16,8—25,2°) и очень жесткую (более 9 мг-экв или 25,2°). Наилучшим качеством обладает вода с жесткостью не более 7 мг-экв. Жесткость бывает постоянной и временной. Временная жесткость связана с присутствием бикарбонатов и может быть устранена кипячением. Постоянная жесткость, обусловленная серно-кислыми и хлористыми солями, кипячением не устраняется. Сумму временной и постоянной жесткости называют общей жесткостью.
Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды — чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.
По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:
- • общекислотная — оценивается величиной pH, в песках вода считается агрессивной, если pH
- • сульфатная — определяется по содержанию иона ; при содержании БО2- в количестве более 200 мг/л вода становится агрессивной;
- • магнезиальная — устанавливается по содержанию иона 1У^2+;
- • карбонатная — связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты, этот вид агрессивности возможен только в песчаных породах.
Агрессивность подземных вод устанавливают сопоставлением данных химических анализов воды с требованиями нормативов. После этого определяют меры борьбы с ней. Для этого используют специальные цементы, производят гидроизоляцию подземных частей зданий и сооружений, понижают уровень грунтовых вод устройством дренажей и т. д.
Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия металлов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Примером может служить окисление (разъедание) металлических поверхностей с образованием ржавчины под действием кислорода, растворенного в воде:
2?е + 02 = 2ГеО 4ГеО + 02 = 2Ре203 Ре203 + ЗН20 = 2Ре(ОН)3
Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода (с общей жесткостью менее 3,0 мг-экв) действует значительно агрессивнее, чем жесткая. Наибольшему разъеданию могут подвергаться металлические конструкции под влиянием сильнокислых (pH 9,0). Коррозии способствует повышение температуры подземной воды, увеличение скорости ее движениями, электрические поля в грунтовых толщах.
Оценка коррозионной активности вод по отношению к некоторым металлам производится по действующему ГОСТу. После этого, согласно СНиПа, выбирают мероприятия по предотвращению возможной коррозии.
Классификация подземных вод. Существует целый ряд классификаций, но главных из них две. Подземные воды подразделяют: по характеру их использования и по условиям залегания в земной коре (рис. 63). В число первых входят хозяйственно-питьевые воды, технические, промышленные, минеральные, термальные. Ко вторым относят: верховодки, грунтовые и межпластовые воды, а также воды трещин, карста, вечной мерзлоты. В инженерно-геологических целях подземные воды целесообразно классифицировать по гидравлическому признаку — безнапорные и напорные.
Хозяйственно-питьевые воды. Подземные воды широко используют для хозяйственно-питьевых целей. Пресные подземные воды —лучший источник питьевого водоснабжения, поэтому использование их для других целей, как правило, не допускается.
Источником хозяйственно-питьевого водоснабжения являются подземные воды зоны интенсивного водообмена. Глубина залегания пресных подземных вод от поверхности земли обычно не превышает нескольких десятков метров. Однако имеются районы, где они залегают на больших глубинах (300—500 м и более).
В последние годы для хозяйственно-питьевого водоснабжения начинают использовать также солоноватые и соленые подземные воды после их искусственного опреснения.
Технические воды — это воды, которые используют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Требова-
Атмосферные
осадки
ния к подземным техническим водам отражают специфику того или иного вида производства.
Промышленные воды содержат в растворе полезные элементы (бром, йод и др.) в количестве, имеющем промышленное сырьевое значение. Обычно они залегают в зоне весьма замедленного водообмена, минерализация их высокая (от 20 до 600 г/л), состав хлоридно-натриевый, температура нередко достигает 60—80 °С.
Эксплуатация промышленных вод с целью добычи йода и брома рентабельна лишь при глубине залегания вод не более 3 км, уровне воды в скважине не ниже 200 м, количестве извлекаемой воды в сутки не менее 200 м3.
Минеральными называют подземные воды, которые имеют повышенное содержание биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных элементов и т. д. Они выходят на поверхность земли источниками или вскрываются буровыми скважинами.
Термальные подземные воды имеют температуру более 37 °С. Они залегают повсеместно на глубинах от нескольких десятков и сотен метров (в горно-складчатых районах) до нескольких километров (на платформах).
По трещинам термальные воды часто выходят на поверхность земли, образуя горячие источники с температурой до 100 °С (Камчатка, Кавказ). Запасы этих вод в земной коре очень большие и их активно используют для теплофикации городов и энергетических целей, например, на Камчатке (Паужетская геотермальная станция). На Земле действует несколько районов активной гейзерной деятельности: Камчатка, Исландия, Северо-Восток США, Новая Зеландия.
Источник