Тема 10. Хiмiчний склад і властивості пiдземних вод

В підземних водах в розчиненому стані найбiльш поширеними в водi є Сl, S, C, Si, N, O, H, K, Na, Mg, Ca, Fe, Al. В них також завжди присутнiй водневий йон [H]⁺ i гiдроксидний йон [OH]^-. Добуток концентрацiй йонiв водню i гiдро­ксиду є величиною постiйною i складає [H]⁺ Ч [OH]^- =10^-14. Це значить, що в 1 л чистої води при температурi 18°С мiстяться 10^-7 грам-йонiв гідрогену i 10^-7 грам-йонiв гiдроксиду. Концентрацiєю у воді йона гідрогену визначається кислотнiсть або лужнiсть розчинiв, котрі характеризуються показником рН.

[H]⁺=10^-7, тобто lg[H]⁺=-7 i -lg[H]⁺=7.

Вираз -lg[H]⁺ позначають через рН (показник гідрогену). В водах з нейт­ральною реакцiєю рН дорiвнює 7, якщо рН менше 7 - реакцiя води вва­жається кислою, а якщо бiльше 7 - лужною.

Інші йони впливають на властивостi пiдземних вод так.:

Натрій (Na⁺) поширений в сполуках переважно з хлором, рiдше з SO₄^2- i ще рiдше з HCO₃^-. В посушливих районах капiлярне пiдняття ґрунтових вод, вмiщуючих солi натрiю, зумовлює утворення солончакiв.

Калій (К⁺) приймає участь в утвореннi вторинних нерозчинних у водi мiнералiв i добре поглина­ється рослиннiстю.

Кальцій (Са²⁺) в пiдземних водах зустрiчається дуже часто, але кiлькiсть його менша від вмiсту натрiю. Солi кальцiю зумовлюють твердiсть води.

Магній (Мg²⁺) поширений в підземних водах менше, нiж кальцiй. Солi магнiю також зумовлюють твердiсть води.

Залізо (Fe²⁺) присутнє у водi переважно у закиснiй формi, окиснiй, а також у виглядi колоїдiв. Закиснi форми нестiйкi i при доступi кисню легко окислюються. Сполуки залiза надають водi непри­ємного смаку i часто роблять її непридатною до вживання. Випадаючi в осад, пластiвцi сполук залiза можуть виводити з ладу дренажнi меліоративні систе­ми.

Хлор (Cl^-) в пiдземних водах дуже поширений i знаходиться в них як продукт розчинення хлоридів натрю, кальцiю i магнiю. Він потрапляє в підземні води з покладів камiнної cолi i з населених пунктів. Води, надмірно збагачені хлором, можуть бути непридатнi для пиття.

Сульфат-йон (SO₄^2-) утворюється в пiдземних водах при окисненнi сульфiдiв, наприклад, пi­риту. Ciрчана кислота, що утворюється при цьому, зразу ж вступає в реакцiю з оточуючими породами i ,перш за все, з кальцитом, утворюючи гiпс. Сульфатні води згубно діють на рослини.

Сполуки карбону присутні у водi як продукти розчинення карбонатної кислоти: (CO₂), (HCO₃^-), (CO₃^2-). Концентрацiя вiльної кислоти визначає агре­сивнiсть пiдземних вод i тому на її вмiст завжди потрiбно звертати особливу увагу.

При проведеннi хiмiчного аналiзу пiдземних вод окрiм визначення рН визначають масу сухого залишку (пiсля випарювання) i кiлькостi речовин, що мiстяться у водi. При концентрацiї всiх солей до 1 г/л воду називають прiсною, при 1-10 г/л - солонуватою, вiд 10 до 50 г/л - солоною i при концентрацiї понад 50 г/л - розсолом (ропою).

Кiлькостi речовин, розчинених в підземних водах, визначають в мiлiграмах на 1 л води та перераховують в еквiвалентну форму. Якщо атомну (iонну) масу будь-якого iона роздiлити на його вален­тнiсть, отримаємо еквiвалентну масу. Частка вiд дiлення одиницi на еквiвалентну масу дає величину перерахункового коефiцiєнта. Так, на­приклад, атомна маса кальцiю 40,07, валентнiсть - 2, значить, еквi­валентна маса дорiвнює 40,07:2=20,035 i перерхунковий коефiцiєнт складе 1:20,035=0,0499. Для сульфат-iону (_SO2^-) iонна маса дорiв­нює 32,07+16*4=96,07, валентнiсть - 2, еквiвлентна маса - 96,07:2=48,035 i перерахунковий коефіцієнт -1:48,035=0,0208. Величини пере­рахункових коефiцiєнтiв для всiх iонiв наводяться в готовому видi в спецiальнiй лiтературi.

Перерахунок аналiзiв iз iонної форми в мiлiграм-еквiвалентну і далi в процент-мiлiграм-еквiвалентну форми ведуть у виглядi табл. 9. Для вираження вмiсту iонiв в мiлiграм-еквiвалентнiй формi, потрiбно вмiст кожного iона в мг/л помножити на його перерахунковий коефiцi­єнт, наприклад для iона НСО₃^2-:353*0,0164=5,79.

Кiлькостi речовин виражають в iоннiй формi, при якiй вмiст окре­мих iонiв визначають в мiлiграмах на 1 л води. Однак, результати хi­мiчного аналiзу, вираженi в iоннiй формi, незручнi для порiвняння. Тому, для того, щоб мати можливiсть спiвставляти аналiзи води, останнi перераховують в еквiвалентну форму. Якщо результати аналiзу вираженi в мiлiграм-еквiвалентнiй формi, то перед символом iона ставлять букву r, наприклад rCl=4.74.

При визначеннi процент-мiлiграм-еквiвалентного вмiсту кожного iона поступають таким чином. Суму анiонiв в мiлiграм-еквiвалентах (13,15) приймають за 100%, а вмiст кожного iона приймають за x.

Таблиця. 9.

Перерахунок аналiзу води з iонної в процент-мiлiграм-еквiвалентну форму

Iон	Вмiст в мг/л	Перерахунковий коефiцiєнт	Мiлiграм-еквiвалент	Процент-мiлiграм-еквiвалент
Анiони: НСО3- SO42- Cl- Разом: Катiони: Na+ Ca2+ Mg2+ Разом: Усього:	353 126 168 647 247 8 26 281 928	0,0164 0,0208 0,0282 - 0,0435 0,0499 0,0822 - -	5,79 2,62 4,74 13,15 10,74 0,40 2,14 13,28 26,43	44,04 19,92 36,04 100,00 80,87 3,01 16,12 100,00 200,00

Кiлькiсть розчинених у водi вуглекислих i сiрчанокислих солей кальцiю та магнiю зумовлює т в е р д і с т ь води. За одини­цю твердостi приймають 1 мг-екв кальцiю, тобто 20,04 мг кальцiю на 1 л води або 1 мг-екв магнiю (12,16 мг/л). За твердiстю води подiляються на: дуже м'якi (до 1.5 мг-екв/л), м'якi (1.5-3.0 мг-екв/л), середньої твердостi (3.0-6.0), досить твердi (6.0-9.0) i дуже твердi - понад 9.0 мг-екв/л. Тверда вода погано змилюється, утворює накип в посудi, в нiй довше варяться продукти.

Класифiкацiя пiдземних вод за хімічним складом (мал.25) грунтується на видiленнi класiв за переважаючим анiоном, груп - за переважаючим катi­оном i типiв вод - за спiввiдношенням мiж йонами. Видiляють чотири типи природних вод: перший тип - НСО₃^- > Са²⁺ + Mg²⁺ - води лужнi, мякi; другий тип – HCO₃^- < Ca²⁺ + Mg²⁺ < HCO₃^- + SO₄^2- - води малої та помiрної мiнералiзацiї; третiй тип - HCO₃^- + SO₄^2- < Ca²⁺ + Mg^2- - води як правило високомiнералiзованi; четвертий тип – HCO₃^- = 0 - води кислi.

Мал. 25. Графічне зображення класифікації підземних вод за хімічним складом.

Серед рiзних способiв зображення складу пiдземних вод часто застосовуються формула М. Г. Курлова, квадрат Н. I. Толстихiна i графiки-­трикутники. Курлов запропонував зображати аналiз у виглядi п с е в д о д р о б у. Перед дробом пишуть лiтеру М з iндексом, що дорiвнює кiлькостi сухо­го залишку в г/л. В чисельнику дробу виписують в спадному порядку анiони з iндексами, якi дорiвнюють вмiстам даних iонiв в водi в %-мг-екв, а в знаменнику - в тому ж порядку катiони. При цьому, iони, що мiстяться в кiлькостi до 10 %-мг-екв, не враховуються. Пiсля дробу вказують темпе-ратуру води (Т,°С) i витрату свердловини (джерела) (Q, м³/добу). Iнколи перед лiтерою М вказують газовий склад i наявнiсть специфiчних елементiв, звичайно не характерних для даної води (Fe, Al, Cu, Co, Ni, Mn, Mo, Br, тощо).

Попробуємо виразити розглянутий нами аналiз у виглядi формули Курлова. Через неповноту даних умовно приймемо температуру води рiвною 10°С, дебiт джерела - 200 м³/добу. Величину сухого залишку можна визначити з рiвняння:

M»1,1(0,5*HCO₃^-+SO₄^2-+Cl^-+Na⁺+K⁺+Ca²⁺+Mg²⁺) »

1,1(0,5*353+126+168+247+0+8+26)»827мг/л. (20)

В цiй формулi пiдсумовують вмiсти всiх iонiв в мг/л i половину вмiсту НСО₃^-. Сума вмiсту iонiв перемножується на 1,1. Запишемо тепер розглянутий нами приклад аналiзу у виглядi псевдодробу:

HCO₃⁴⁴ Cl³⁶ SO₄₂₀

Приклад формули М.Г.Курлова: M_{0,8 ------------------------} T°10 Q 200. (21) Na⁸¹ Mg¹⁶

Толстихiн запропонував зображувати аналiзи води точками на к в а д р а т і . Для цього беруть великий квадрат (мал. 26) i розбивають його на 100 маленьких, кожен з яких має свiй порядковий номер.

Мал. 26. Квадрат Толстихіна для графічного зображення хімічного складу підзетних вод.

По горизонтальних сторонах квадрата вiдкладають (в напрямках стрiлок) вмiст катiонiв, а по вертикалi - анiонiв. В на-шому прикладi Ca²⁺+ Mg²⁺ = 19,13; HCO₃^-+CO₃^2- = 44,04. На перетинi вертикаль­ної i горизонтальної лiнiй знаходимо, що вода вiдповiдає номеру 59.

Г р а ф і к и - т р и к у т н и к и (мал. 27) будують окремо для анi-онiв i катiонiв. На сторонах трикутникiв вiдкладають вмiсти певних iонiв (в %-мг-екв) i проводять лiнiї, паралельнi до сторiн малих трикутни­кiв, що вiдсiкають води даного типу вiд змiшаних. В кожному трикут­нику наперетинi трьох лiнiй (за трьома iонами) утворюється точка, положення якої вказує на тип води. Розглянутий нами аналiз за анiо­нами попав у змiшанi води, а за катiонами - в натрiєвi.

Мал. 27. Графіки-трикутники для графічного зображеня хімічного складу підземних вод.

Кiлькiсть розчинених у водi вуглекислих i сiрчано-кислих солей кальцiю та магнiю зумовлює т в е р д і с т ь води. Iснують три системи твердостi: нiмецька, французька i англiйська. Для переводу iз однiєi системи градусiв в iншу iснують залежностi: 1° нім. = 1,79° фр.= 1,25° англ. В Українi замiсть твердостi в градусах введено поняття твердостi в мг-екв/л (1 мг-екв/л = 2,8° нім.). За одини­цю твердостi приймають 1 мг-екв кальцiю, тобто 20,04 мг кальцiю на 1 л води або 1 мг-екв магнiю (12,16 мг/л).

Тверда вода погано змилюється, утворює накип в посудi, в нiй довше варяться продукти.

Розрiзняють загальну, тимчасову i постiйну твердiсть води. За­гальною називається твердiсть, що вiдповiдає пробi свiжої (сирої) води. При кип'ятiннi з води випадають у виглядi осаду (накипу) роз­чиненi в нiй солi кальцiю i магнiю. Твердiсть, визначена пiсля ки­п'ятiння, називається постiйною. Рiзниця мiж загальною i постiйною називається тимчасовою твердiстю.

О. А. Альокiн пропонує за твердiстю води подiляти на: дуже м'якi (до 1.5 мг-екв/л), м'якi (1.5-3.0 мг-екв/л), середньої твердостi (3.0-6.0), досить твердi (6.0-9.0) i дуже твердi - понад 9.0 мг-екв/л.

При оцiнцi пiдземних вод для водопостачання необхiдно враховувати, окрiм хiмiзму, також б а к т е р і о л о г і ч н и й с к л а д i їхня р а д і о а к т и в ­ н і с т ь.

Серед бактерiй розрiзняють нешкiдливi i патогеннi (хвороботвор­нi). Встановлено, що кiлькiсть бактерiй зменшується з заглибленням водоносних горизонтiв i на глибинi 5-10 м їх вже практично не буває.

Бактерiологiчне дослiдження вод полягає в визначеннi числа колонiй (кiлькiсний аналiз), здатних виростати на прийнятих поживних се­редовищах при температурi 22°С за 48 годин, i в якiсному аналiзi, тобто в виявленнi мiкроорганiзмiв, якi вказують на небезпечнi за­бруднення (кишковi палички тощо). Для встановлення санiтарної оцiнки води в кiлькiсному вiдношеннi прийнята наступна схема: якщо в 1 мл води мiститься до 10 колонiй мiк­роорганiзмiв - вода надзвичайно чиста, вiд 10 до 100 - дуже чиста, вiд 100 до 1000 - чиста, вiд 1000 до 10 000 - посередня, вiд 10 000 до 100 000 - нечиста i якщо мiститься понад 100 000 колонiй - вода дуже нечиста.

За вмiстом кишкової палички запропонований такий подiл за кiлькiстю вмiсту її в

1 л води: бездоганно здорова (менше 2), пiдозрiла (3-5), нездорова (6-20) i цiлком непридатна (понад 20).

Пiдземнi води, котрі вміщують природнi iзотопи урану, радону i радiю, називаються р а д іо а к т и в н и м и. Одиницею вимiрювання урану i радiю в во­дах служить грам на лiтр. Кiлькiсть радону виражається одиницею кю­рi, тобто кiлькiстю радону, що знаходиться в радiоактивнiй рiвновазi з 1 г радiю. Меншими одиницями є мiлiкюрi (1*10^-3 кюрi) i еман (1*10^-6 кюрi). В бальнеологiї застосовується одиниця Махе (Ме), в гiдрогеологiї - еман на 1 л води. Спiввiдношення мiж цими одиницями такi: 1 еман/л = 1*10^-10 кюрi/л = 0,275 Ме; 1 Ме = 3,64*10^-10 кюрi/л = 3,64 еман/л. Критерiї радiоактивностi мiнеральних вод дуже рiзнi (вiд 3 до 275 Ме), для питтєвого лiкування допускається вмiст до 800 Ме.

Вода вважається придатною для водопостачання, якщо вона задовiльняє такi вимоги:

1) сухий залишок до 1000 мг/л;

2) загальна твердiсть до 7 мг/екв;

3) постiйна твердiсть до 5 мг/екв;

4) вмiст окремих розчинених речовин в мг/л: залiза - до 1,0, свинцю - до 0,1, миш'яку - до 0,05, фтору - до 1,5.

Питна вода повинна бути прозорою, безколiрною, приємною на смак i не мати запаху.

Руйнiвний вплив пiдземних вод на бетони i металевi конструкцiї називають а г р е с и в н і с т ю. На практицi розрiзняють декiлька видiв агре­сивностi.

Вилуговуюча агресивнiсть виникає при малому вмiстi в водi гiдро­карбонатної вуглекислоти (до 1,4 мг/екв/л). В цих умовах вiдбуваєть­ся вимивання з бетону вапна, що в ньому мicтиться. Загальнокислотна агресивнiсть зумовлена низьким показником гідрогену, через що посилюєть­ся руйнування бетону. Вуглекисла агресивнiсть виникає внаслiдок дiї вiльної вуглекислоти (CO₂). При цьому утворюється бiгiдрокарбонат кальцiю, котрий здатний розчинятись i легко виноситься з бетону. Сульфатна агресивнiсть виникає при наявностi в водi пiдвищеного вмiсту сульфат-йону. В бетонi вiд-бувається кристалiзацiя гiпсу, який, збiльшуючись в об'ємi, сприяє руйнуванню бето-ну. Магнезiальна агресивнiсть веде до руйнування бетонiв, якщо вмiст йонiв магнiю складатиме понад 1000 мг/л. Киснева агресивнiсть зумовлюється наяв­нiстю в водi кисню i проявляється переважно у вiдношеннi до метале­вих конструкцiй, викликаючи їх корозiю.

Оцiнка агресивностi води проводиться у вiдповiдностi з "Iнструк­цiєю з проектування. Ознаки i норми агресивностi води - середовища для залiзобетонних та бетонних конструкцiй".