Свойства подземных вод

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-кальциевые и 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.