Физические свойства и химический состав подземных вод

Физические свойства. Основными физическими свойствами подземных вод являются: температура, цвет, прозрачность, вкус, запах и электропроводность.

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, Исландии, 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. Желтоватый и буроватый цвет воде придают органические примеси; закисные соединения железа и сероводород дают зеленовато-голубую окраску. Обычно подземные воды бесцветны.

Прозрачность подземных вод 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 воды. Подземные воды обычно 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 — ржавчины или чернил, 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, с запахом 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 электропроводность. Величина ее находится в сложной зависимости от концентрации растворенных веществ, их валентно­сти и температуры. Величина электропроводности дает возмож­ность судить об общей минерализации подземных вод. Электропроводность пресных вод колеблется в пределах 33 10  - 1,3 10 ом.

Химический состав подземных вод. В природных подах 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, Na, Мg, Са, Fе, А1; другие элементы встречаются реже и обычно в небольших ко­личествах.

Определение химического состава подземных вод имеет боль­шое значение. Руководствуясь существующими нормативами, практическая оценка подземных вод (для водоснабжения, при строительстве, в горном деле, для орошения и других целей) может быть самой различной.

Свойства подземных вод определяются количеством и соотно­шением содержащихся в них в растворенном виде солей, присутствующих в воде в виде ионов — катионов и анионов. Наибольшее практическое значение имеют следующие: катионы, К , Мg , Са , Fе , Мn ; анионы — ОН , С1 , SО , НСО . В молеку­лярном и коллоидном состоянии почти во всех водах содержатся органические вещества и коллоиды: SiO  nН2О, Fе О nН2О Аl Оз nН2О и др. В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы СОз, СН4, О2, N2, Н2S и др.

В состав природных вод входят почти все известные радиоак­тивные элементы, но практическое значение приобрели воды, содержащие уран, радий и радон. Радиоактивные подземные воды широко используются в бальнеологии и при поисках 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 вопросов (оценка агрессивности подземных вод, их корро­зирующем способности и др.). При температуре 22° С в чистой во­де содержание водородных и гидроксильных ионов равно (порознь) 10 , 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 (рН = 5 — < 7), нейтральные (рН = 7), щелочные (рН > 7 — 9) и высокощелочные (рН > 9). Подземные воды обычно имеют слабо­щелочную реакцию. Воды сульфидных и особенно колчедан­ных и каменноугольных месторождений обычно кислые и весьма кислые.

Определять концентрацию водородных ионов необходимо на месте взятия проб воды. Наиболее распространенный способ опре­деления— колориметрический, основанный на свойстве индикаторов менять свою окраску в зависимости от концентрации водород­ных ионов.

Жесткость воды— особое ее качество, обусловленное присут­ствием ионов Са2+ и Мg2+. Жесткость подземных вод имеет боль­шое значение при их оценке для практического использования. Жесткая вода плохо взмыливается, дает накипь в паровых котлах (что уменьшает их теплопроводность, приводит к перерасходу топ­лива и может вызвать аварию) и в посуде, 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(НСО3)2, Мg(НСO3)2, СаSO4, МgSО4, СаСl2, МgСl2; 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, равную общей минус карбонатная.

Раньше жесткость выражали и немецких градусах. За один градус жесткости условно принимали жесткость воды, отвечающую содержанию в 1 л 10 мг СаО. В настоящее время в СССР соглас­но ГОСТ 2874—54 жесткость воды выражают в миллиграмм-экви­валентах Са и Мg  на 1 л коды; 1 мг • экв соответствует содержанию 20,04 мг/л Са  или 12,16 мг/л Мg  и равен 2,8° немецких.

Жесткость природных вод колеблется от нескольких милли­грамм-эквивалентов до десятков и сотен; в одном и том же водо­источнике жесткость неодинаковая в разные времена года.

Щелочность обусловливается наличием в воде щелочей натрия (NаОН), карбонатов и бикарбонатов натрия (Na2CO3 и NaНСО3). В зависимости от анионов различают щелочность гидратную, кар­бонатную и бикарбонатную. Выражают щелочность в миллиграмм-эквивалентах на литр; 1 мг • экв/л щелочности соответствует со­держанию 40,0 мг/л NаОН, 53,0 мг/л NаСО3 и 84,22 мг/л NаНСОз. Общая щелочность (сумма всех видов) является важной харак­теристикой подземных вод, идущих на питание паросиловых уста­новок и охлаждающих устройств.

Нормы оценки качества воды для питья и тех­нических целей. Оценка качества питьевой воды. Питьевая вода должна быть бесцветной, прозрачной, иметь температуру от 4 до 15° С, не иметь неприятного вкуса и запаха, не содержать бо­лезнетворных бактерий, солей тяжелых, металлов.

При выборе и оценке воды источника централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения пользуются государственными стандартами (ГОСТ 2761—57, ГОСТ 2874—54 и др.). Сухой оста­ток в воде не должен превышать 1000 мг/л. Возможность повыше­ния сухого остатка и предельное содержание сульфатов и хлори­дов устанавливается органами государственной санитарной ин­спекции в зависимости от местных условий. Общая жесткость во­ды должна быть не свыше 7 мг • экв и в исключительных случаях не более 14 мг • экв. При большей жесткости воду следует умяг­чать. В отдельных районах, например в сухих степях Северного Кавказа и Украины, из-за отсутствия лучшей воды используют во­ду с сухим остатком до 1500—2500 мг/л, хлора до 450—600 мг/л, сульфатов до 300—500 мг/л и с жесткостью 10—14 мг- экв.

Совершенно не допускается в питьевой воде присутствие ам­миака и азотной кислоты, указывающих на фекальную загрязнен­ность.

Питьевая вода, подаваемая без очистки, может содержать свинца не более 0,1 мг/л, мышьяка—0,05 мг/л, фтора—1,5 мг/л, меди — 3 мг/л, цинка — 5 мг/л, железа — 0,3 мг/л и не содержать следов других ядовитых веществ.

В воде должны отсутствовать бактерии брюшного тифа, холеры и дизентерий. Показателем загрязненности воды патогенными бак­териями служит кишечная палочка коли. Палочка коли сама по себе безвредна, но указывает на то, что в воду попали канализа­ционные стоки, в составе которых могут быть и болезнетворные бактерии. Загрязненность воды оценивается величиной коли-титра, представляющего собой объем воды в кубических сантиметрах, в котором содержится одна кишечная палочка. Для водопроводов, подающих воду без очистки, допускается коли-титр 300 см3 и бо­лее. В последнее время в СССР бактериальную чистоту воды при­нято оценивать коли-тестом, представляющим собой количество ки­шечных палочек в 1 л воды; по ГОСТ коли-тест не должен превы­шать 3.

Оценка качества технической воды. Каждое производство предъявляет свои требования к воде, с учетом которых и дается опенка пригодности воды. Обычно вода для промышленных целей должна быть прозрачной, бесцветной, без запаха и по возможности мягкой.

Вода, идущая на питание паровых котлов, оценивается накипеобразованием, вспениванием и коррозией стенок котла, вычис­ляемыми по формулам, приведенным в справочниках и специальной литературе. Для питания котлов вода должна иметь сухой остаток не более 300 мг/л, содержать хлора менее 200 мг/л, агрессивная кислота должна отсутствовать, жесткость должна быть менее 1,8 мг экв дли трудноочищаемых котлов и 3 мг • экв для легко-очищаемых котлов и удовлетворять некоторым другим требованиям. Особо высокие требования предъявляют к воде, идущей на Питание паровых котлов современных ТЭЦ, вырабатывающих пар высоких параметров.

Агрессивность воды по отношению к бетону и железу. Обычно агрессивна по отношению к бетону вода, содержащая сульфаты сверх допустимого количества и агрессивную углекислоту. Соот­ветственно различают сульфатную и углекислую агрессивность во­ды. Кроме того, агрессивность может быть выщелачивающая, об­щекислотная, магнезиальная и кислородная.

Сульфатная агрессивность. При наличии в воде повышенного количества сульфатов (SO ) происходит кристаллизация в бе­тоне новых соединений; образуются гипс СаSО 2Н2О с увеличе­нием объема на 100% и сульфоалюминат кальция (бетонная бацилла) с увеличением объема в 2,5 раза, что и приводит к разрушению бетона.

При углекислой агрессии происходит растворение и выщелачи­вание из бетона составных частей, в тот или иной мере раство­римых в воде (главным образом извести СаСОз, составляющей основную часть цемента).

Агрессивность выщелачивания происходят за счет растворения и вымывания из бетона извести при малом содержании в воде НСОз. При небольшой временной жесткости в воде содержится настолько мало НСО3, что уже при содержании свободного СО2, равновесного с атмосферой (0,6 мг/л), часть его будет агрессивной, разрушающе действующей на бетон.

Общекислотная агрессивность обусловлена низким значением водородного показателя рН (менее 7 при временной жесткости менее 24° и менее 6 -7 при временной жесткости более 24°), вследствие чего усиливается растворение извести.

Магнезиальная агрессивность, как и сульфатная, ведет к разрушению бетона при проникновении в тело бетона воды с повышенным содержанием Мg .

Кислородная агрессивность обусловливается наличием в воде кислорода и проявляется преимущественно по отношению к металлическим предметам (трубам, насосам, рельсам и т. п.), вызывая их коррозию.

Агрессивность подземных вод детально учитывается в соответ­ствии с требованиями «Инструкции по проектированию. Призна­ки и нормы агрессивности среды для железобетонных и бетонных конструкций» СН 249—63.

 

 

ГЛАВА 3