Задание 2 обработка и систематизация результатов химических анализов подземных вод

Используя данные химического анализа подземных вод, полученные из лаборатории (см. задание 1) или приведенные в таблице 2.1, пересчитать анализ из весовой в эквивалентную и процент-эквивалентную формы; определить погрешность анализа; рассчитать общую минерализацию, классифицировать воду по минерализации, температуре, жесткости, величине рН; написать формулу Курлова, классифицировать воду по Щукареву-Славянову и Алекину, отобразить анализ в виде гидрохимической фации, прямоугольника солевого состава и на графике Дурова.

Понятие «химический состав подземных вод» означает совокупность содержащихся растворенных минеральных и органических соединений за исключением тех, из которых состоит живое вещество. Все ионы (анионы и катионы) содержащиеся в воде можно разделить на три группы:

Макрокомпоненты, - это элементы, которые составляют основную часть минерального состава природных вод — их содержание в пресных водах свыше 90—95%, а в высокоминерализованных водах более 99%. К макрокомпонентам относят: анионы: Сl^–, SO₄^2–, HCO₃^–, СОз^2–, и катионы: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺, а также кремнекислота H₄Si0₄, которая присутствует в подземных водах преимущественно в молекулярной форме. Эти ионы и определяют химический тип воды и главнейшие их свойства. Их определение наряду с некоторыми показателями качества и физико-химического состояния является обязательным при любых гидрогеологических исследованиях.

Таблица 2.1	Исходные данные для обработки результатов химических анализов подземных вод		СО2	свобод	15	14,8	14,8	14,8	16	24	30	25	22	20	40	26	30	22	28
			Т,°С		12	14	15	13	12	10	12	14	22	24	9	48	6	10	14
			рН		7,6	7,5	7,5	7,4	7,2	6,8	6;5	6,4	6,3	6,2	7,6	7,9	3,1	7,4	7,1
			Содержание ионов, мг/л	Na+K	7	11	14	8	21	43	48	230	426,9	4056	46	484	137	450	6933,5
				Mg	4	4	6,03	7	5	47	63	214	343	1235	5	112	852	260	36
				Са	44	45	50	51	44	145	163	360	770	3335	37	21	1112	12	146
				С1	4	4	5	13	6	18	45	195	1039	12128,9	9	822	14	979	10709
				SO4	18	18	25	14	21	283	398	725	2611	4867	11	319	6310	245	118
				НСО3	146	158	179	168	173	405	353	1522,23	92	67	233	72	0	604	451
			Вариант		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15

Мезокомпоненты, - это (промежуточные) химические элементы, присутствующие в меньших количествах в химическом составе воды (обычно первые мг/дм³), и редко являющиеся преобладающими. К таким ионам относят как NH₄⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, NO₂^–, NO₃^–-, H₃PO₄^–.

Микрокомпоненты - это ионы, присутствующие в водах в микроколичествах — т.е. от единиц до сотен мкг/дм³. К микрокомпонентам относятся такие элементы, как Li, В, F, Ti, V, Gr, Mn, Cs, Be, Se, Rb, Ni, Co, Cu, Zn, As, Br, Sr, Mo, I, Ba, Pb и др., а также Rb, Au, Hg, радиоактивные (Ra, U, Rn, Th).

Химические анализы подземных вод подразделяются на следующие выды:

Полный анализ включает определение физических и органолептических свойств воды, величин Eh и Ph, содержания ионов С1^-, SO₄^2-, NO₃^-, НСО₃^-, СО₃^2-, Na⁺ K⁺ Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, F³⁺, NH₄⁺, NO₂^- A1³⁺ молекул H₄SiO₄, H₃BO₃, газов H₂S, O₂, СО₂своб, величины окисляемости, сухого остатака. По данным анализа вычисляются жесткость общая, карбонатная, количество СО₂ агрессивной. Полный анализ проводится в стационарной лаборатории, применяются наиболее точные аналитические методики.

Сокращенный анализ включает те же позиции, за исключением Mg²+, Na+ и К⁺, которые определяются расчетом, а также окисляемости, Eh, Al³⁺, H₂S, H₃BO₃. Применяется при массовом обследовании химического состава подземных вод региона.

Полевой анализ проводится для ориентировочного определения содержания основных шести макрокомпонентов, СО₃²⁺, NO₃^-, NO₂^-, Fe²⁺, С0₂ своб, H2S, O₂, а также рН и физических свойств непосредственно на источнике. Недостаточная точность полевого анализа несколько компенсируется возможностью определения неустойчивых компонентов: НСО₃^-, СО₃^2-, О₂, Fe²⁺.

Для выражения полученных результатов химических анализов подземных вод используются следующие три формы:

1. весовая: г/л, мг/л, г/кг, мг/кг (мг/кг примерно соответствует принятой в зарубежной литературе единице ppm - «частей на миллион»);

2. эквивалентная (мг-экв/л, г~экв/я, мг-экв/кг);

3. процент-эквивалентная (% экв) - доля каждого иона в общей сумме мг-экв/л анионов или катионов.

В связи с переходом на международную систему единиц (СИ) традиционные в гидрогеологии обозначения в ряде изданий изменены (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Формы выражения результатов химических анализов воды

Система
Традиционная		Международная (СИ)
Название	Выражение	Название	Выражение
Весовая концентрация	г/л; мг/л; мкг/л	Массовая концентрация	г / дм3 мг /дм3, мкг / дм3
Грамм (мг)-эквивалентная	г-экв/л, мг-экв/л	Мольная концентрация	моль/дм 3 ммоль/дм3 мкмоль/дм3
Процент-эквивалентная	% экв	Процент-моль	%моль

Данные химической лаборатории, подлежат дальнейшей обработке и систематизации. Обработка химических анализов включает: пересчет анализа из ионной, формы в эквивалентную и процент-эквивалентную; вычисление погрешности анализа, общей минерализации и сухого остатка; определение жесткости воды; классифицирование воды по основным показателям. Пересчет анализа из ионной в эквивалентную форму производится следующими способами:

1. умножением содержания каждого иона (мг/л) на соответствующий коэффициент (валентность, деленная на атомный вес);

2. делением содержания иона (мг/л) на его эквивалентную массу;

3. с использованием специальных таблиц или номограмм. (Пересчетные коэффициенты и значения эквивалентных масс приведены в табл. 2.3).

Таблица 2.3

Перерасчет химических анализов воды из весовой формы в эквивалентную.

Анионы	Пересчетный коэффициент	Эквивалент -ная масса	Катионы	Пересчетный коэффициент	Эквивалент -ная масса
СО2 2-	0,0333	30,00	Са 2+	0,0499	20,04
НСОз -	0,0164	61,02	Mg 2+	0,0822	12,16
SO4 2-	0,0208	48,03	Na+	0.0435	22,99
Cl -	0,0282	35,46	Fe3+	0,0537	18,62
NO3 -	0,0161	62,01	Fe2+	0,0358	27,92
NO2 -	0,0217	46,00

Процентная форма (%-экв) выражения анализов используется для их графического представления на гидрогеологических и гидрогеохимических картах, разрезах, графиках, кроме того, она широко используется для представления их результатов в специфической, применяемой только для анализа природных вод, краткой форме — так называемых формул химического состава. Сумма катионов и анионов в эквивалентной форме должна совпадать, в %-экв. форме сумма катионов и анионов соответственно равны по 100%.

Пересчет анализа из эквивалентной формы в %-эквивалентную производится по следующим формулам:

A_i = Ai * 100 / A (2.1)

Ki = Ki * 100 / K (2.2)

где Аi и Кi - содержание конкретного аниона или катиона, мг-экв/л. Анализ оформляется в виде таблицы (табл. 2.4).

Таблица 2.4

Пример пересчета анализа воды из весовой в эквивалентную и процент-эквивалентную формы

Содержание				Содержание
Анион	мг/л	мг-	%-экв	катион	мг/л	мг-	%-экв
		-экв/л				-экв/л		М = 928мг/л

НСОз -	353	5.79	44	Са 2+	8	0,40	3	t = 10.4°С
SO4 2-	126	2,62	20	Mg 2+	26	2,14	16	СО2=15
Cl -	168	4,74	36	Na+	247	10,74	81	D=120
Итого	647	13,1 5	100	Итого	281	13,28	100	рН = 7,2

Погрешность химического анализа вычисляется по формуле (2.3), где А и К - сумма анионов и катионов, мг-экв / л:

М = (A - К) / (А + К) * 100% (2.3)

Анализ считается пригодным для дальнейшей обработки, если погрешность не превышает 5% для результата, полученного в полевой и 2% - в стационарной лаборатории. Для анализа в табл. 2.3 погрешность составляет 0,5%.

Минерализация. Согласно ГОСТ 17403—72 под минерализацией воды понимается сумма всех, найденных при химическом анализе воды растворенных твердых минеральных веществ, приведенная к единице объема или массы воды. Минерализация измеряется в г/дм³, мг/дм³, г/кг, мг/кг. О величине минерализации судят по сухому остатку (СО).

Сухой остаток — масса всех нелетучих (при 110 или 180° С) минеральных и органических соединений, отнесенная к единице объема или (для рассолов) массы воды — определяется взвешиванием осадка, полученного при выпаривании и последующем высушивании (экспериментальный СО) определенного объема воды. Величина сухого остатка используется для контроля химических анализов, и характеризует общее содержание растворенных в воде нелетучих минеральных и частично органических соединений. Выражается сухой остаток СО в миллиграммах на литр или граммах на литр или же для соленых вод и рассолов в миллиграммах на килограмм, граммах на килограмм. Bce нормативы ГОСТа на общее содержание растворенных в воде веществ ориентированы именно на величину сухого остатка. Поэтому при отсутствии экспериментальных данных (для сокращенных анализов этот способ является единственным.) определяют так называемый вычисленный сухой остаток, который получают вычитая из величины минерализации половину содержания НСО₃-иона, поскольку в соответствии со стехиометрией реакции разложения НСО₃^- при прокаливании происходит в следующем виде:

2НСО₃ 110^оС  СОз^2- + СО₂+ Н₂О (2.4)

Отношение СОз^2- к 2НСО₃^- соотносится как 60: 122 = 0,49. Так как вода и углекислый газ, образовавшиеся при разложении бикарбонатов, улетучиваются и в сухом остатке вместо двух ионов НСОз остается один ион СОз^2-, то вычисляя общую минерализацию по результатам химанализа следует брать только половину (точнее 0,49) количества ионов НСО₃^-. Для анализа в табл. 2:3 общая минерализация составляет 647 + 281 = 928, а рассчитанный сухой остаток 647 - 177 + 281 = 751 мг/л. Необходимо отметить, что кроме неорганических веществ любые природные воды, как отмечалось выше, содержат растворенные органические вещества, которые переходят в сухой остаток. Поэтому экспериментально определенный сухой остаток всегда больше вычисленной общей минерализации.

Для питья в соответствии с ГОСТом 2874—82 используются воды с сухим остатком до 1 г/дм³, однако в районах с недостатком пресной воды приходится использовать и минерализованные воды. Скот может пить воду с сухим остатком до 5 г/дм³ (лошади), 8 г/дм³ (верблюды), 12 г/дм³ (овцы).

Определение жесткости воды. Под жесткостью понимается особое свойство воды, связанное с присутствием в ней солей кальция и магния. Жесткость выражается в миллиграмм-эквивалентах. Жесткая вода плохо мылится, образует накипь, непригодна для многих производств (сахарного, кожевенного), в жесткой воде медленнее развариваются овощи и мясо, она дает накипь в паровых котлах и т. д.. Различают пять видов жесткости: общую, устранимую (временную); неустранимую (или постоянную); карбонатную и некарбонатную. Общая жесткость обусловлена наличием всех солей кальция и магния (Са²⁺ + Mg²⁺). Вычисляется путем суммирования содержания этих ионов. Устранимая и карбонатная жесткость обусловлены гидрокарбонатными и карбонатными солями кальция и магния, но имеют разное значение: устранимая жесткость - экспериментальная величина, показывающая, насколько уменьшается общая жесткость после кипячения, устранимую жесткость определяют ионы Са²⁺ и Mg²⁺, осаждающиеся при кипячении воды в виде карбонатов вследствие разрушения гидрокарбонат - иона. Карбонатная жесткость - расчетная величина, равная сумме карбонатных и гидрокарбонатных ионов НСО₃^- и СО₃^2-. Если это количество больше, чем общая жесткость, карбонатную жесткость считают равной общей жесткости. Неустранимая и некарбонатная жесткости обусловлены некарбонатными солями кальция и магния. Неустранимая жесткость равна разности общей и устранимой иначе говоря это ионы Са²⁺ и Mg²⁺, остающиеся в воде после кипячения., некарбонатная - общей и карбонатной жесткостей.

Классификация воды можно производить по следующим количественным показателям: общей минерализации, температуре, жесткости и величине рН, ЕH, и т.д. путем их сопоставления с их значениями, приведенными в таблице 2.5. В примере (табл. 2.4) вода пресная, умеренно холодная, мягкая, щелочная; общая и карбонатная жесткости равны 2,54 мг-экв/л, неустранимая и карбонатная - отсутствуют.

Систематизация химических анализов проводится с использованием различных формул, гидрохимических фаций, классификаций и графиков.

Таблица 2.5

Классификация подземных вод по разным показателям:

По общей минерализации, г/л: сверхпресные < 0,2; пресные 0,2..Л;" слабосолоноватые 1...3; сильносолоноватые 3...10; соленые 10...30; рассольные > 35

По температуре, °С: переохлажденные < 0; весьма холодные 1...4; умеренно холодные 4...20; теплые 20...37; горячие 37...50; весьма горячие 50...100; умеренно перегретые 100..200; весьма перегретые 200... 375

По общей жесткости, мг-экв/л: очень мягкие < 1,5; мягкие 1,5...3,0; умеренно-жесткие 3,0...6,0, жесткие 6,0...9,0, очень жесткие >9

По величине рН: очень кислые< 5; кислые 5 < рН < 7; нейтральные = 7; щелочные 7 < рН < 9; высокощелочные > 9

Формулы. Для изображения химического состава воды используются формулы Курлова и ионного состава. Формула Курлова представляет собой псевдодробь, в числителе которой представлены анионы в порядке их убывания их содержании, а в знаменателе - в таком же порядке катионы. Ионы, присутствующие в количестве менее 10 %. в формулу не включаются. Формула сопровождается дополнительными данными: слева от дроби указываются в г/л: количество газов и активных элементов при содержании их не меньше нижних норм, отличающих обычные воды от минеральных, и М - сумма минеральных веществ до первого десятичного знака. Справа от дроби указываются температура воды в °С и дебит Q в л/с. В наименование воды включаются ионы с содержанием более 25 % экв. (от меньшего содержания к большему). Анализ в табл. 2.4 записывается в виде:

HCO₃44 C136 SO₄20

СО₂ 15 М 0,9 Na 81 Mg 16 t 10,4 Q 120 (2.4)

Формула ионного состава воды отличается от формулы Курлова тем, что в ней указываются все основные анионы и катионы, независимо от их содержания, и не указываются температура и дебит воды:

НСО₃ 44 С1 36 SO₄ 20 СО₂15 М0,9 Na81 Mgl6 Ca3 (2.5)

В наименование воды обычно включаются ионы с содержанием более 25% экв. (от меньшего содержания к большему). Так, вода, приведенная в примере, будет называться: вода углекислая, хлоридно-гидрокарбонатная натриевая. В русской транскрипции по первым буквам названий ионов ее можно записать как ХГН.

Гидрохимическая фация согласно Г. А. Максимовичу (1955) это часть гидросферы, характеризующаяся определенным химическим составом воды. Она определяется по преобладающим (> 10%) по весу первым двум, трем или большему числу компонентов. Название ей дается в порядке убывания содержания ионов, мг/л. Анализ в таблице 2.4 относится к гидрокарбонатно-натриево-хлоридной гидрохимической фации.

Классификации. Для систематизации химических анализов предложено много классификаций. Чаще других используются классификации Щукарева-Славянова и Алекина. По Щукареву-Славянову (табл. 2.5) ионы делятся на преобладающие (более 25 % экв) и второстепенные. По шести преобладающим ионам образуются 49 классов вод и дается их наименование (от меньшего содержания к большему). Про общей минерализации каждый класс делится на группы: А - менее 1,5; В - 1,5...10; С - 10...40, D - более 40 г/л. Анализ в таблице 2.4 относится к 28 классу, группе А (хлоридно-гидрокарбонатные натриевые воды). Недостатками классификации являются грубое выделение классов и наличие в них смешанных вод.

Таблица 2.6

Классификация природных вод Щукарева-Славянова

Анионы	Катионы
	Ca	Ca + Mg	Mg	Na + Ca	Na + Ca + Mg	Na + Mg	Na
HCO3	1	2	3	4	5	6	7
HCO3 + SO4	8	9	10	11	12	13	14
HCO3 + SO4 + Cl	15	16	17	18	19	20	21
НСОз+ Cl	22	23	24	25	26	27	28
SO4	29	30	31	32	33	34	35
SO4 + Cl	36	37	38	39	40	41	42
Cl	43	44	45	46	47	48	49

Классификация Алекина (рис 2.1) основана на выделении классов - по преобладающему аниону (мг-экв/л), групп - по преобладающему катиону (мг-экв/л), и типов по соотношению между ионами. Выделяются четыре типа воды: 1 - НСО₃ > Ca + Mg, воды маломинерализованные; П - НСО₃ < Ca + Mg < НСОз + SO₄, воды умеренной минерализации; Ш - НСО₃ + SO₄ < Ca + Mg, воды обычно высокоминерализованные; 1У - НСО₃ = 0, воды кислые, имеются только в сульфатном и хлорид-ном классах. Для краткого обозначения применяются индексы: для классов С, S, C1; для групп - Ca, Mg, Na, для типов – I, II, III, IV. Анализ, приведенный в табл. 2.3, имеет индекс C₁^Na. Классификация Алекина широко используется в гидрологии, при обработке анализов речных вод.

Графики. В гидрогеологической практике чаще используются прямоугольник солевого состава и график-квадрат Дурова (рис. 2.2). Прямоугольник солевого состава (график Роджерса) стоится для выяснения солевого состава воды единичных проб. Катионы и анионы располагаются снизу вверх, в

Рис. 2.1. Классификация природных вод по О.А. Алекину

последовательности, определяемой их относительной реактивной силой. Графически изображать единичные анализы можно также помощью кругов-диаграмм Н. И. Толстихина (рис 2.2-2.3). Диаметр круга в масштабе отвечает величине минерализации воды, выраженной в виде сухого остатка или суммы растворенных веществ. Горизонтальной линией круг делится на две части. В верхней части по секторам откладываются в масштабе катионы слева направо в следующем порядке: Са^{2 +} , Mg²⁺, Na⁺+K⁺, а в нижней—в том же порядке анионы. В последнее время её чаще изображают в виде двух концентрических кругов (рис. 2.3). Во внутреннем кругу откладываются анионы слева направо от горизонтальной линии, последовательно: НСО₃, SC₄, Cl, а во внешнем круге — также слева направо катионы — Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺.Диаметр круга в масштабе отвечает величине минерализации воды. Анионы и катионы на обеих циклограммах заштриховывают определенным условным знаком или раскрашивают в различные цветаКвадрат Дурова (рис. 2.5), совмещенный с двумя треугольниками, применяется для систематизации и генетической обработки больших массивов информации. Вершины треугольников соответствуют 100 % экв содержания отдельных ионов, а противолежащие основания - 0 % экв. Каждый анализ отображается в виде точки на анионном и катионном треугольниках, которая затем проектируется в квадрат. Преимущество графика - фиксированное положение каждой точки, большая емкость, удобство обработки данных (на графике четко выделяются гидрохимические поля).

Рис. 2.2 –2.3 Круги-диаграммы Н.И. Толстихина

Рис. 2.4 Прямоугольник соле- вого состава Роджерса