- О химическом составе подземных вод
Лекция №24
О химическом составе подземных вод.
План
1. Методы выражения химизма.
2. Процессы определяющие хим. состав.
3. Оценка пригодности подземных вод.
4. Оценка агрессивных свойств подземных вод.
Ключевые слова: Закон фильтрации, градиент напора, пьезометрическая поверхность, поток воды, коэффициент фильтрации, скорость фильтрации, водопроницаемость, депрессионная кривая, скважина, дренажное сооружение.
Рекомендуемые материалы
Химический состав подземных вод в значительной степени зависит от их температуры, изменяющий растворимость в воде различных солей и газов. Температура воды колеблется от нескольких градусов в полярных областях и высокогорных районах до 100 оС и более в районах молодой вулканической деятельности. С глубиной температура воды, как и горных пород, повышается. Для питьевых целей наиболее приятна вода с температурой 7-11 оС, для поливов применяют воду температурой не ниже 14-17 оС. Температура воды в скважинах измеряют электрическими термометрами. Воду считают универсальным растворителем. По видимому, в природных водах содержатся все элементы периодической системы Менделеева. В настоящее время в воде обнаружено более 60 элементов.
В подземных водах находятся растворимые вещества, диссоцированные на ионы, коллоидные частицы, газы, макроорганизмы. Эти компоненты поступают в подземные воды из горных пород, атмосферы и с поверхностными водами.
Химический состав воды устанавливают путём анализа проб, отобранных из скважин родников. Тип химического состава подземных вод зависит от содержания ионов кальция, магния, натрия, хлора, сульфатного, гидрокарбонатного и др. Кроме содержания этих ионов и массовой концентрации сухого остатка в природе, при анализе определяют водородный показатель воды, её жёсткость, агрессивность, а в некоторых случаях – содержания железов, коллоидов, газов, микрокомпонентов, органических веществ, бактериологический состав и т.д. Кальция в подземных водах мало вследствие слабой растворимости карбоната кальция. Кальций способен к катионному обмену. Невелико также и содержание магния.
Соединения натрия легко растворимы. Натрий участвует в катионовом обмене, преобладает в водах повышенной минерализации. Калий в подземных водах составляет 4-10% количества натрия. Соединения хлора легко растворимы, в большинстве минерализованных вод он является основным анионом. Содержание его измеряется пропорционально изменению общей минерализации воды. Довольно широко распространен в подземных водах сульфатный ион. Его соединения в почве (NA2SO4, MgSO4 и др.), как и соединения хлора (NaCl, MgCl2), токсичны для сельскохозяйственных растений. Гидрокарбонатный и карбонатный ионы чаще всего связаны кальцием и магнием, слаборастворимы, поэтому встречаются только в пресных водах. Из коллоидов следует назвать соединения железа. При наличии железа в воде развивается деятельность железистых бактерий, приводящих при 6-10 мг/л и более в закупорке фильтров скважин и закрытых дрем.
О химическом свойстве воды судят по следующим показателям: минерализация = сумме минеральных веществ, полученных при химическом анализе, выражаемой в миллиграммах на литр или граммах на килограмм ( мг/л или г/кг); массой концентрации сухого остатка в природе = общей массе веществ, полученной после выпаривания профильтрованной воды и последующего высушивания осадка, выражаемой в миллиграммах на литр или граммах на килограмм (мг/л или г/кг). Массивная концентрация сухого остатка в природных водах изменяется от нескольких десятков миллиграммов до нескольких сотен граммов на литр (предел 650 г/л). По массовой концентрации сухого остатка (мг/л) воды подразделяют на следующие группы:
1) сверхпресные – до 200
2) пресные – 200-100
3) слабосолоноватые – 1000-3000
4) сильносолоноватые – 3000-10000
5) солёные – 10000 – 35000
6) рассола – более 35000.
Пресные воды преимущественно гидрокарбонатного или сульфатного – гидрокарбонатного состава, слабосолоноватые – гидрокарбонатно – сульфатного, солёные – сульфатно – хлоридные или хлоридного, сильносолоноватые – сульфатного или хлоридно – сульфатного, сильно солёные и рассолы – преимущественно хлоридного , но иногда могут быть и сульфатно – хлоридного, а иногда сульфатного состава. Минерализация – один из основных показателей при оценке качества подземных вод.
Водородный показатель (pH) – характеризует активность или концентрацию ионов водорода в растворах; численно он равен отрицательному десятичному логарифму активности или концентрации ионов водорода.
От содержания ионов водорода и гидроксила зависят соответственно кислотные и основные свойства воды. В химически чистой воде они содержатся в равных количествах, поэтому такая вода нейтральна, ей соответствует концентрация ионов водорода 10 -7 г/л. Для нейтральной воды рН = 7; при рН воды кислые; если рН больше 7, воды щелочные, при рН больше 10,3 воды называют высокощелочными. Щелочные грунтовые воды, связаны с натрием, при неглубоком залегании уровня могут вызывать в аридных областях содовое засоление почв, наиболее вредное для растений.
Концентрацию водородных ионов определяют на месте отбора пробы обычно колометрическим способом. Он основан на использовании индикаторов, которые изменяют окраску в зависимости от рН.
Жёсткость воды обусловлена наличием ионов кальция и магния. Жёсткость бывает следующих видов: общая сумма как карбонатной [соли Са(НСО3)2 и Mg(НСО3)2] и некарбонатной [соли СаSО4, MgSО4, СаСl2 и MgCL2], временная или устранённая, [бикарбонаты кальция и магния, переходящие при кипячении в слаборастворимые карбонаты и выпадающие в осадок]. Разность между общей и устранимой жёсткостью соответствует постоянная жёсткость. По ГОСТУ жёсткость воды выражают в миллиграммах эквивалентах Са2+ и Mg2+ на 1л воды. Один мг/эквивалент жёсткости соответствует содержанию 20,04 мг/л Са2+ и 12,6 мг/л Mg2+ .
По жёсткости воды делятся на следующие группы:
1) очень мягкая – до 1,5 мг*экв/л
2) мягкая – 1,51 – 3,0 мг*экв/л
3) умерено жёсткая – 3,01-6,0 мг*экв/л
4) жёсткая – 6,01 – 9,0 мг*экв/л
5) очень жёсткая – более 9,0 мг*экв/л
При необходимости жёсткую воду соответствующей обработкой смягчают до нужных пределов.
Существует несколько форм выражения анализа воды: ионная, эквивалентная, процентно-эквивалентная.
При ионной форме содержание ионов приводят в граммах или миллиграммах на литр (г/л, мг/л).
Эквивалентная форма позволяет судить о возможных сочетаниях катионов и анионов, чтобы выдержать содержание иона в данной форме, необходимо массовое содержание (мг/л) этого иона разделить на его эквивалентную массу или умножить на пересчётный коэффициент – величину, обратную эквивалентной массе. Окончательный результат выражают в миллиграмм* эквивалентах на литр (мг*экв/л).
Сумма эквивалентных единиц катионов и анионов равна. При процентно – эквивалентной форме содержания, ионов, взятое в эквивалентах, выражают в процентах от суммы катионов и анионов, принимая каждую за 100%. Эта формула удобна для сопоставления вод различной минерализации и выявления соотношений ионов.
Наглядной формой записи результатов анализа является формула Куркова. Слева от черты указывают общую минерализацию воды (г/л) с индексом М, в числители – ионы, содержание которых превышает 10% эквивалентов. (в процент – эквивалентах в убывающем порядке), в знаменатели – главные катионы в том же порядке, например:
М50,72 СL6SO433
(Na + K)80Mg17
Химический состав подземных вод, особенно грунтовых, изменчив во времени. Результаты определения его графически изображают в виде гидрохимических карт, профилей, графиков, характеризующих минерализацию воды, содержание отдельных ионов, типы воды и т.д.
Химический состав подземных вод формируется под влиянием следующих факторов: выщелачивание почв и горных пород и полного растворения минералов и пород; концентрирование солей из природных растворов при изменении термодинамических условий; коллоидно – химических процессов (обмен катионов в поглощающем комплексе почв и глинистых пород: Са2+ на Na+ и Na+ на Са2+ ), а также диффузии и микробиологических процессов, смещения вод различного происхождения.
Эти процессы зависят от климатических, геологических гидродинамических и других условий. Большую роль в формировании химического состава подземных вод и играет состав осадков и поверхностных вод, питающих п
Изменение химического состава источников питания подземных вод при поступлении их в горные породы начинается с процессов растворения. Растворение минералов и горных пород подземной водой происходит в соответствии с их растворимостью и концентрацией насыщения. Растворимость, изменяющаяся в широких пределах, зависит от температуры и содержания других солей.
Растворимость, например, Na2CO3 при увеличении температуры 0 до 60 оС возрастает более чем в 6 раз, Na2SO4 - в 9 раз. Напротив растворимость СаСО3 и MgCO3 с повышением температуры значительно уменьшается. Растворимость СаSO4 в присутствии NaCl возрастает в 4 раза. При наличии в воде углекислого газа значительно возрастает растворимость карбонатов.
В результате испарения в аридных областях не только увеличивает минерализацию грунтовых вод, но и изменяет тип химического состава. Вследствие выпадения из раствора менее растворимых карбонатных солей и за ними сульфатных в составе воды превалируют легкорастворимые хлориды. Этим объясняется в пустынях и полупустынях сульфатно-хлоридных и хлоридных грунтовых вод высокой минерализации. В степной зоне, где испаряемость меньше превышает осадки, чем в пустыне, грунтовые воды преимущественно слабоминерализованные, сульфатные и хлоридно-сульфатные.
С влиянием гидродинамических условий связано и повышение минерализации подземных вод от области питания к области разгрузки вследствие выщелачивания и растворения или на своём пути заключённых в породах солей, а также испарения грунтовых вод (в аридных районах). Водоносные породы, через которые движется вода, не только «отдают» воде соли, растворяясь и выщелачиваясь, но и изменяют состав солей в воде под влиянием адсорбции и катионного обмена между солями, содержащимися в воде, и солями, входящими в поглощающий комплекс пород. Этот обмен протекает между Са2+ и Nа+ . Наибольшее значение рассматриваемые процессы имеют в глинистых породах и в условиях неустойчивого водного режима, при резких изменениях минерализации подземных вод.
По требованиям действующего норматива (ГОСТ) к качеству питьевой воды централизованного хозяйственного -питьевого водоснабжения массовая концентрация сухого остатка должна составлять 1000 мг/л предельное содержание хлоридов (Сl-)-350мг/л, сульфатов (SO2-4)-500 мг/л, железо (Fe2+, Fe3+) – 0,3мг/л, марганца (Mn2+)-0,1 мг/л, меди (Сu2+)-1,0, цинка (Zn2+)-5,0, остаточного алюминия (Al3+)-0,5, иксаметофосфата (РО3-4)-3,5, триполифосфата (РО3-4)-3,5 мг/л.
По согласованию с органми государственной санитарно -эпидемиологической службы массовая концентрация сухого остатка допускается до 1500 мг/л, железо – до 1 мг/л. Общая жёсткость воды не должна превышать 7 мг*экв/л. Водородный показатель рН 6,5-8,5.
При определённом химическом и газовом составе подземная вода может разрушительно действовать на бетон и металлы – это свойство называется анрессивностью.
Агрессивность выщелачивания проявляется в растворении карбоната кальция, входящего в состав бетона. Эта агрессивность возможна при малом содержании в воде НСО-3 (0,4-1,5 мг*экв/л). В такой воде равновесной свободной углекислоты СО2 значительно меньше, чем НСО-3 , и избыток СО2 растворяет СаСО3.
Углекислотная активность обусловлена действием на бетон агрессивной СО2 . Опасное содержание её в воде устанавливают в зависимости от кол-ва НСО3 , минерализации воды и от условий, в которых возможно проявление агрессивности (коэффициент фильтрации, напор, сорт цемента и т.д.).
При наиболее опасных условий максимально допустимое содержание агрессивной СО2 составляет 3 мг/л, при наименее опасных 8,3 мг/л.
Общекислотная агрессивность, характерна для кислых вод, зависит от содержания свободных водородных ионов. Этот вид агрессии возможен при рН 5,0-6,8.
Сульфатная агрессивность обусловлена взаимодействием сульфатов, растворённых в воде, с карбонатом кальция бетона. В результате образуется СаSO4, 2Н2О и 3СаО*Al2O3* 3CaSO4 и Н2О. Образование этих солей в порах бетона сопровождается резким увеличением их объёма, что приводит к разрушению бетона. При сульфатостойких цементах агрессивность возможна, если в воде SO2-4 содержится более 400 мг/л, при обычных цементах – более 250мг/л.
Контрольные вопросы:
1. Как изменяется химизм подземных вод при флотации?
2. Почему подземные воды (неглубокого залегания) часто не пригодны для питья?
3. Как определяются типы подземных вод по минерализации?
4. Почему появляются белые пятна на стенах домов где утечка воды из водопроводных труб?
5. Почему в чайниках часто скапливается бело-жёлтый осадок?
6. Почему грунтовые воды часто не пригодны чем артезианские?
7. Подземные воды. Как влияют на карбонатные породы ?
8. Какие требования предъявляются к питьевым водам?
9. Каковы агрессивные свойства воды?
Бесплатная лекция: "13. Ультразвуковые датчики" также доступна.
Литературы:
1. Якушева А. Ф. «Общая геология». М. Недра 1988.
2. Мильнучук В. И. «Общая геология». М. Недра 1989.
3. Ершов В. В. «Основы геологии». М. Недра 1986.
4. Иванова М. Ф. «Общая геология». М. Недра 1974.
5. Панюков П. Н. «Основы геологии». М. М. Недра 1978.
