Физические свойства и химический состав подземных вод

План лекции

10.1. Физические свойства подземных вод.

10.2. Общая минерализация и солевой состав вод.

10.3. Жесткость воды.

10.4.Основные требования к качеству питьевых вод.

10.5. Агрессивность подземных вод по отношению к бетону и
металлам.

10.6. Гидрохимическая зональность подземных вод

10.1. Физические свойства подземных вод

К физическим свойствам подземных вод относится прозрачность, цвет, запах, вкус, температура, плотность, электропроводность, радиоактивность.

Прозрачность воды зависит от наличия взвешенных частиц и примеси органических веществ. Оно оценивается высотой столба воды в см, через который читается специальный стандартный шрифт. Для питьевой воды прозрачность должна быть не менее 30 см.

Цвет воды также зависит от наличия примесей. Ржавый оттенок предают окислы железа, желтый - органические вещества. Закисные соединения железа и сероводород являются причиной зеленовато-голубоватого оттенка. Питьевая вода должна быть бесцветной.

Запах может быть обусловлен присутствием сероводорода, гуминовых кислот (болотный) или разлагающейся органикой (гниение сруба). Питьевая вода не должна иметь запаха. Вкус воде придают растворимые вещества:

органические соединения - сладковатый,

сульфаты магния - горький,

хлористый натрий - соленый (в малых концентрациях - сладковатый),

гидрокарбонаты кальция и магния - освежающий.

Слабо минерализованные воды неприятны на вкус.

Температура воды зависит от климатических условий, глубины залегания и влияния вулканических процессов. Подземные воды подразделяются следующим образом:

меньше +5°С - весьма холодная,

5-10° - холодная,

10-18° - тепловатая,

18-25° - умеренно теплая,

25-37° - теплая,

больше 37° - горячая.

Термальными называют воды, с температурой более 80°С.

Плотность зависит от минерализации и температуры. Электропроводность связана с наличием растворенных солей. Воды, содержащие радон, обладают радиоактивностью.

10.2. Общая минерализация и солевой состав вод

Все подземные воды содержат растворенные вещества, состав

и концентрация, которые различны. Суммарное содержание в воде солей называется общей минерализацией, которая оценивается по величине плотного (сухого) остатка, образующегося при выпаривании 1 литра воды. По общей минерализации выделяются следующие типы подземных вод:

пресные - менее 1 г/л,

слабо солоноватые — 1—3 г/л,

солоноватые - З-10г/л,

соленые - 10-35 г/л,

рассолы - более 35 г/л.

При характеристике химического состава указывается реакции воды (величина рН). Обычно подземные воды слабо щелочные (рН больше 7).

Главными химическими компонентами подземных вод являются анионы: Cl^-, SO₄^2-_, НСО₃^-, СО₃^2-, катионы:Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, а также Fe²⁺, Fe³⁺ коллоиды кремнезема, глинозема, другие компоненты, в том числе газы: CO₂, CH₄, O₂, N₂, H₂S и др. Существует несколько форм количественного выражения химического состава подземных вод. Ионная форма состоит в указании весового содержания химического компонента в 1 л воды (мг/л). Миллиграмм - эквивалентная запись получается делением весового содержания на эквивалентный вес химического компонента (мг-эвк). Наконец, существует еще процент - эквивалентная форма, при которой отдельно сумма миллиграмм - эквивалентов и катионов и анионов принимается за 100% и определяется доля каждого. Эта форма удобна для построения треугольных диаграмм. Часто используют запись в виде формулы М.Г. Курлова. Например:

В зависимости от соотношения анионов подземные воды делятся на три класса:

сульфатные, гидрокарбонатные, хлоридные,

и по соотношению катионов - на группы:

кальциевые, магниевые, натриевые.

Общее название определяется по совокупности аниона и катиона. Группы делятся на типы с учетом более детального анализа отношений основных компонентов.

10.3. Жесткость воды

Жесткость воды - особое свойство, обусловленное присутствием солей кальция и магния (жесткие воды плохо взмыливаются).

Различают жесткость общую, постоянную и устранимую (временную). Устранимая жесткость связана с присутствием бикарбонатов (солей HCO₃^-) кальция и магния. При кипячении они переходят в карбонаты и выпадают в осадок:

Постоянная жесткость составляет разность между общей и устранимой.

Жесткость выражают в мг-экв/л ионов кальция и магния в сумме.

По жесткости подземные воды делят на типы:

очень мягкие - меньше 1,5 мг-экв/л,

Мягкие - 1,5-3 мг-экв/л,

умеренно жесткие - 3-6 мг-экв/л,

жеские - 6-9 мг-экв/л,

очень жесткие - больше 9 мг-экв/л.

10.4. Основные требования к качеству питьевых вод

Согласно требованиям ГОСТ для питьевых целей можно использоваться воды при условиях, если общая минерализация не выше 1 г/л, жесткость не выше 7 мг-экв/л (предусмотрены отступления для засушливых районов).

Кроме того, не допускается одновременное присутствие NH₄⁺

и NO₂ (фекальное загрязнение), устанавливаются ограничения по бактериальному загрязнению и содержанию целого ряда металлов.

Качество подземных вод может быть улучшено (умягчение,обезжелезивание, обеззараживание).

Особые требования предъявляются и к технической воде

(особенно для паровых котлов).

10.5. Агрессивность подземных вод по отношению к бетону и металлам.

Для определения условий строительства и эксплуатации подземных и гидротехнических сооружений важна оценка агрессивности воды по отношению к бетону и железу.

По отношению к бетону агрессивность бывает сульфатная (при содержании сульфат-йона более 250 мг/л), углекислотная (определяется анализом по наличию агрессивной углекислоты – сверх равновесного количества), общекислотная (рН ниже 5), магнезиальная и др. При сульфатной агрессии кальцит цемента замещается или сульфалюминатом кальция с увеличением объёма в 2-2,5 раза, в результате разрушается бетон. При углекислотной и других видах агрессии кальций переходит в растворимые соединения и выносится.

Кислородная агрессия проявляется по отношению к металлам. Но, а протекает активнее при низком рН, небольшой жесткости воды, высоком содержании кислорода и углекислоты; при наличии органических кислот, сульфатов железа; при высокой температуре.

10.6. Гидрохимическая зональность подземных вод

Подземные воды обладают определенной гидрохимической зональностью. Во-первых, существует зависимость химического состава грунтовых вод от климата и рельефа местности (тинизация с учетом климатической зональности и крупных форм рельефа). Ещё более существенно изменяется солевой состав и общая минерализация с глубиной, что отражает характер водообмена. Обычно с глубиной общая минерализация последовательно возрастает. Так в центральной части русской платформы подземные воды на глубине до 50-100 м гидрокарбонатно-кальциевые пресные, на глубине 200-300 м сульфатно-кальциевые слабо солоноватые, на глубинах 700-900 м хлоридно-натриевые рассолы.

Минеральными или бальнеологическими называют подземные воды, содержащие вещества, которые оказывают благотворное влияние на организм человека и способствуют выздоровлению. Одни воды используются для питьевого лечения, другие - для принятия ванн. Известны углекислые (слабо минерализованные), сероводородные, йодистые, бромистые, радоновые минеральные воды.

Промышленными называют подземные воды, из которых возможно рентабельное извлечение растворенных компонентов (пищевая соль, бром, йод, сода и т.д.).