Химический состав подземных вод

В природных водах в настоящее время обнаружено в растворенном виде свыше 80 элементов периодической системы Менделеева. Следовательно, подземные воды являются природными растворами. Наиболее распространенными в природных водах элементами являются CI, S, С, Si, N, О, Н, К, Na, Mg, Ca, Fe, Al; другие элементы встречаются реже и обычно в небольших количествах.

Определение химического состава подземных вод при гидрогеологических исследованиях имеет большое значение. В соответствии с существующими нормативами практическая оценка изучаемых вданном пункте подземных вод (для водоснабжения, при строитель стве, 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. Среди ионов наибольшее практическое значение имеют следующие: катионы Н⁺, Na⁺, Ка⁺, Mg₂⁺, Ca₂⁺, Fe₂⁺; анионы Cl, SO, НСО₃. Из недиссоциированных соединений наиболее часто встречаются SiO₂, Fe₂O₃, Аl₂O₃, а из газов — СO₂, О, N₂, СН₄, H₂S, иногда Не, Rn и др.

Реакция воды. Для правильного определения химического состава подземных вод нужно знать концентрацию водородных ионов, шли так называемую активную реакцию воды, количественно выражаемую величиной рН, которая представляет собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода (точнее, их активности), взятый с положительным знаком: рН = lg (Н+). Знать эту величину необходимо для решения целого ряда теоретических ж практических вопросов (оценки 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 <рН = 5—7), нейтральные (рН = 7), щелочные (рН = 7—9) и высокощелочные (рН > 9). Подземные воды в большинстве своем имеют слабощелочную реакцию. Воды сульфидных и особенно колчеданных и каменноугольных месторождений обычно кислые и часто весьма кислые.

Определять концентрацию водородных ионов необходимо на месте взятия пробы воды; наиболее употребительный способ определения — колориметрический, основанный на свойстве индикаторов менять окраску в зависимости от концентрации водородных ионов. Ион натрия в природных водах широко распространен, главным образом в соединении с ионом С1", реже с ионом SOI" и еще реже с НСО₃^- Практически все соли Na⁺ хорошо растворимы в воде. В засушливых районах капиллярное поднятие грунтовых вод, содержащих соли Na⁺, обусловливает образование натриевых солончаков.

Ион калия содержится в подземных водах в значительно меньших количествах, чем Na⁺; это обусловливается тем, что К+ входит в состав вторичных нерастворимых в воде минералов, а также тем, что ионы К⁺ хорошо сорбируются почвами, откуда они извлекаются наземными растениями. Наряду со стабильным изотопом всегда присутствует радиоактивный изотоп К+, обусловливающий естественную радиоактивность природных вод.

Ион кальция в пресных природных водах встречается в концентрациях до сотен миллиграммов на литр, являясь их основным катионом. С увеличением общей минерализации воды процентное содержание Са₂⁺ (по отношению к другим катионам) понижается. Соли Са2⁺ обусловливают жесткость воды.

Ион магния в природных пресных водах составляет 25— Г>0% от концентрации Са₂⁺; наряду с последним также обусловливает жесткость воды.

Ион железа в подземных водах присутствует преимущественно в закисной форме — Fe₂⁺ в концентрациях от долей до нескольких миллиграммов на литр. При величине рН ^ 7 под действием О₂ легко переходит в окисную форму — Fe₃⁺, образуя при этом труднорастворимый гидрат окиси — Fe(OH)₃, затем образуется Fe₂O₃-3H₂O, выпадающий в осадок в виде бурых хлопьев. Наличие в воде соединений железа придает ей неприятный вкус. Для многих производств вода, содержащая соединения железа, вредна.

Ион хлора наиболее часто содержится в подземных водах в виде соединений с ионом Na⁺ в концентрациях от нескольких до сотен и тысяч миллиграммов на литр. Ионы Сl~ могут накапливаться в подземных водах не только в результате растворения хлоридов из горных пород, но и путем загрязнения различными нечистотами; в этом случае наличие иона Сl" служит показателем непригодности подземных вод для питьевых целей.

Сульфат-ион содержится в подземных водах от долей до нескольких тысяч миллиграммов на литр в зависимости от состава водоносных пород, характера процессов выветривания и окисления сульфидных соединений.

Углекислота в подземных водах встречается в трех видах: свободная (газообразная), растворенная в воде; гидрокарбонатная (или бикарбонатная) в виде иона НСO₅; карбонатная в виде иона СО|~- Содержание в воде свободной углекислоты имеет большое практическое значение, поскольку она придает воде агрессивные свойства. Соединения азота встречаются в подземных водах в виде нитратного иона NO₅, нитритного NO₂ и аммоний-иона NHJ. В случае неорганического происхождения соединения азота являются безвредными. Но при распаде органических веществ соединения азота служат показателями загрязнения воды патогенными бактериями; в этом случае содержание ионов NOi и NH в питьевой воде допускается в виде следов, а иона NO₅не свыше 10 мг/л.

Органические примеси в природных водах имеют разнообразное происхождение; встречаются преимущественно в водах, залегающих на небольшой глубине. Органические вещества животного происхождения почти всегда служат показателем загрязнения воды патогенными бактериями. Количество органических веществ в воде оценивается по окисляемости, под которой понимается количество кислорода или марганцевокислого калия», расходуемых на окисление органических примесей; 1 мг O₂ или 4 мг КМnO₄ соответствуют 21 мг органического вещества. В питьевых водах окисляемость не должна превышать 10 мг/л КМnO₄.

Бактериологические свойства подземных вод обусловливаются наличием в них микроорганизмов, в том числе, возможно, и патогенных. В пробах воды обнаруживается от сотен до миллионов бактерий в 1 см³. О бактериологической загрязненности воды судят по коли-титру — объему воды в кубических сантиметрах, в котором содержится одна кишечная палочка, и по коли-тесту — количеству кишечных палочек в 1 л воды.