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 подогрева ют 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 С1, S, С, Si, N, О, Н, К, Nа, Мg, Са, Fе, А1, 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 —NaС1, 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⁺, Мg²⁺, Са²⁺, Fе²⁺, Мп²⁺ и анионы ОН^-, С1^-, SО₄^2-, НСО₃^-. В молекулярном и коллоидном состоянии почти во всех водах содержатся органические вещества и коллоиды: SiO₂*пН₂О, Fе₂О₃*nН₂О, А1₂О₃* nН₂0 и др. В молекулярном виде в подземных водах содер­жатся газы СО₂, СН₄, О₂, N₂, Н₂S 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 рН, которая представляет собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода (точ­нее, их активность), взятый с положительным знаком: рН = = lg Н⁺. 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 рН = 7, при рН > 7 вода имеет щелочную реакцию, а при рН < 7 — кислую. По величине рН воды делятся на весьма кислые (рН<5), кислые 5<рН<7, нейтральные (рН = 7), щелочные (7<рН<9) и высокощелочные (рН>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 количеств₍проводят сокращенные химические анализы с определением содержания трех анионов С1^-, SО₄^2-, НСОз^- и трех катионов Са²⁺, Мд²⁺ и Nа⁺+К⁺. При этом устанавливают физическиt 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 Nа⁺ соотвествует 460:23 = 20 молям Nа, а 240 мг/л SО ₄ ^2- со­ставляет 240: 8 = 5 молей SО₄.

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 и рассолы >35.

Жесткость воды — особое ее качество, обусловленное присутствием ионов Са²⁺ и Мд²⁺. 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: карбонатную, или вре­менную, обусловленную наличием в воде бикарбонатов (со­лей НСОз) 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.

В настоящее время в жест­кость воды выражают в миллиграмм-эквивалентах Са²⁺ и Mg²⁺ на 1 л воды; 1 мг-экв/л соответствует содержанию 20,04 мг/л Ca²⁺ или 12,16 мг/л Мg²⁺

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) 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, 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 £З) в местах забора из них воды для водоснабжения и 6 мг/л в местах купания.