Оценка химического состава подземных вод.

Химический анализ природных подземных вод в практике гидрогеологических исследований проводится для решения различных видов задач: изучение закономерностей формирования и распространения подземных вод различного состава, оценки состава и свойств подземных вод для питьевого, технического и других видов использования, влияние вод различного состава на материал фундамента.

Подземная вода представляет собой сложный водный раствор, содержащий растворенные соли, газы, органические вещества и коллоиды. Подземная вода не встречается в химически чистом виде. В ее составе обнаружено более 80 элементов периодической системы Менделеева, представленных в воде в виде анионов и катионов.

Основные компоненты (ионы), определяющие химический тип воды: Cl^-, SO²₄, HCO^-₃, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺. Эти ионы составляют 90% всех растворенных в воде солей. В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы: CO₂, CH₄, O₂, N₂, H₂S, He и др.

К основным показателям, определяющим классификацию подземных вод, относят:

1) общую минерализацию,представляющую собой суммарное содержание растворенных в воде минеральных веществ. О ее величине судят по массовой концентрации сухого остатка (мг/л или г/л), который получают после выпаривания профильтрованной воды с последующим высушиванием при температуре 105-110⁰.

Классификация подземных вод по общей минерализации

Табл. 6.1

2) водородный показатель pH или реакция воды, характеризующий активность или концентрацию водородных ионов в растворах, выражаемая в виде pH = -lg[H⁺] = - lg[10^-7]=7, т.е. логарифм концентрации водородных ионов в грамм-эквиваленте на 1 л, взятый с обратным знаком.

Классификация подземных вод по величине pH

Табл. 6.2

3) жесткость, обусловленную наличием ионов кальция и магния.

Различают:

- общую жесткость, обусловленную содержанием в воде и карбонатных (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂) и некарбонатных солей Ca и Mg (CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂);

- временную жесткость, обусловленную наличием в воде бикарбонатов, удаляемых при кипячении вследствии их разрушения и перехода в слаборастворимые карбонаты, выпадающие в осадок;

- некарбонатную или постоянную жесткость, остающуюся в воде после удаления бикарбонатов и равную разнице между общей и временной жесткостью.

Классификация подземных вод по степени общей жесткости

Табл. 6.3

4) щелочность, обусловленную наличием в воде щелочей натрия (NaOH), карбонатов и бикарбонатов Na (Na₂CO₃, NaHCO₃).

В зависимости от анионов, обуславливающих щелочность, различают гидратную, карбонатную и бикарбонатную щелочность.

5) По температурным показателям подземные воды классифицируют в соответствии с таблицей 6.4

6)29

Табл. 6.4

Для выяснения состава воды проводят химические анализы отобранных проб.

Существует несколько способов выражения химического состава воды:

- ионная, при которой количество каждого иона выражается в мг/л или г/л;

- эквивалентная, позволяющая судить о возможных сочетаниях анионов и катионов, которые взаимодействуют между собой в строго определенных эквивалентных весовых соотношениях. Для пересчета ионной формы в эквивалентную необходимо массовое содержание в мг/л этого иона разделить

на его эквивалентный вес, равный отношению атомного веса к валентности. Результат будет получен в мг×экв/литр.

Для пересчета содержания в воде главных ионов из мг/л в мг×экв/л использую следующие коэффициенты:

Табл. 6.5.

- процент-эквивалентная (%мг×экв/л), при которой содержание ионов, взятое в эквивалентах, выражают в процентах от суммы анионов и катионов, принимая каждую за 100 %.

Основной формой выражения результатов анализа воды служит весовая ионная форма, она является исходной для получения других форм выражения химического состава воды. Результаты анализа даются в миллиграммах на 1л воды. Результаты вычислений удобно записывать в табличной форме.

Предварительная оценка воды для водоснабжения:

Вода является питьевой, если:

- общая минерализация не больше 1 г/л;

- общая жесткость не больше 7 мг×экв/л.

К сведению, питьевая вода обычно прозрачна, бесцветна, не имеет запаха, приятная на вкус. Золотистая или бурая окраска воды свидетельствует о наличии растворенных органических веществ, соленый вкус-наличие NaCl, горький - присутствие MgSO₄.

Отрицательное воздействие подземных вод на металл и бетон называется агрессией воды.

Предварительная оценка агрессивности по отношению к бетону и металлу.

К бетону: сульфатная агрессивность определяется содержанием иона SO₄² (мг/л): - в песках – больше 1000 мг/л;

- в суглинках – больше 1500 мг/л.

Магнезиальная агрессивность определяется содержанием иона Мg²⁺ (мг/л): - в песках больше 2000 мг/л;

- в суглинках больше 5000 мг/л.

Агрессивность выщелачивания проявляется в растворении карбоната кальция, входящего в состав бетона.

Углекислотная агрессивность обусловлена действием на бетон агрессивной CO₂, максимально допустимое содержание которой при наиболее опасных условиях составляет 3 мг/ л, наименее опасных – 8,3 мг/ л.

Общекислотная агрессивность характерна для кислых вод. Проявляется при водородном показателе pH = 5 – 6,8.

К металлу: мягкая вода (с величиной жесткости меньше 3 мг×экв/л) действует на металлические конструкции агрессивнее, чем жесткая. Общую жесткость определяют как сумму катионов кальция Ca²⁺ и магния Мg²⁺, выраженных в мг×экв/л. Наибольшей коррозии подвергаются конструкции под влиянием очень кислых (pH<5) и очень щелочных вод (pH>9). Необходимо помнить, что скорость и температура воды тоже влияют на агрессивность к подземным конструкциям. Это обусловлено тем, что при относительно большой скорости увеличивается объем воды, который контактирует с поверхностью конструкций, а при увеличении температуры воды – повышается ее активность.

Кислородная агрессивность свойственна водам, богатым кислородом и проявляется преимущественно на металлических конструкциях.

Наиболее удобной формой представления химического состава подземных вод является формула М.Г. Курлова, представляющая собой псевдодробь, в числителе которой в убывающем порядке в %мг×эквивалентной форме пишется содержание анионов, в знаменателе – катионов. При этом ионы с содержанием менее 10 % не указываются. Перед дробью пишется буква М с индексом, соответствующим общей минерализации в г/л, затем количество свободных газов и содержание редких элементов. После дроби указывают температуру и дебит скважины. Название записывают через черточку с указанием анионного, затем катионного состава, вошедшего в формулу.

Пример. По результатам химического анализа (см. табл. 6.6) записать формулу Курлова, название воды, оценить агрессивность воды по отношению к бетону и металлам, а также пригодность ее использования в качестве питьевой:

Табл. 6.6.

По общей минерализации (см. 6.1): М = 2,73 г/литр вода является слабосолоноватой.

По водородному показателю рН = 5,4 (см. 6.2): водная среда – кислая.

По температуре t = 23⁰C (см. табл. 6.4): вода – теплая.

Теоретически суммы анионов и катионов, выраженные в мг×экв форме, должны быть равны, поэтому пересчитывают данные анализа из ионной в миллиграмм´эквивалентную форму, используя таблицу пересчетных коэффициентов (табл. 6.5).

Выразим химический состав воды в табличной форме:

Табл.6.7

Для заполнения колонок 3 и 7 табл. 6.7 необходимо значения колонок 2 и 6 перемножить на коэффициент соответствующий данному иону:

HCO^-₃=703 мг/л×0,0164 =11,53 мг×экв/л;

Na⁺=335 мг/л×0,0435 = 14,57 мг×экв/л.

Колонки 4 и 8 заполняют, выражая химический состав воды в %×экв форме, приняв суммы анионов и катионов за 100 % каждую.

Например, %-экв форма содержания HCO^-₃ определяется пропорцией:

44,26 мг×экв/л - 100%

11,53 мг×экв/л - X % , отсюда X=26,1 %.

Для Na⁺ аналогичным образом получаем:

44,73 мг×экв/л - 100%

14,57 мг×экв/л - X % , отсюда X=32,5 %

По общей жесткости, определяемой содержанием ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ (см. табл. 6.3): 13,72+16,44 = 30,16 мг´экв/л – вода очень жесткая;

временная жесткость: 11,53 мг´экв/л;

постоянная жесткость: 30,16-11,53 = 18,63 мг´экв/л.

Вода не проявляет агрессии по отношению к бетону, т.к. содержание SO₄^2- = 59 мг/л < 1000 мг/л и Mg²⁺=200 < 2000 мг/л; по отношению к металлу вода не агрессивная.

В качестве питьевой вода не пригодна, т.к. общая минерализация М > 1 г/л и очень жесткая (жесткость > 7 мг´экв/л).

Запишем формулу Курлова:

Вывод: Вода слабосолоноватая, хлоридно-гидрокарбонатно-магниево- натриево-кальциевая, теплая, кислая, очень жесткая, не проявляет агрессии по отношению к бетону и металлам, в качестве питьевой – не пригодна.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белый Л.Д. Инженерная геология. – М.: Стройиздат, 1985. - 231 с.

2. Ананьев В.П., Передельский Л.В. Инженерная геология и гидрогеология. – М.: Высшая школа, 1980.

3. Кац Д.Н. Основы геологии и гидрогеологии. – М.: Колос, 1981. - 321 с.

4. Климентов П.П., Богданов Г.Я. Общая гидрогеология. – М.: «Недра», 1977. - 360 с.

5. Пешковский Л.М., Перескокова Т.М. Инженерная геология. – М.: Высшая школа, 1982. - 272 с.

6. Михайлов Л.Е. Гидрогеология. Л.: Гидрометиоиздат, 1985. - 264 с.

7. Чернышев С.Н., Ревелис И.Л., Чумаченко А.Л. Задачи и упражнения по инженерной геологии – М.: Высшая школа, 1984. - 207 с.

8. ДогадайлоА.И., Новский А.В. Иинженерная геология /конспект лекий по дисциплине "Инженерная геология" для студентов строит. ВУЗов специальности "Строительство". - Одесса: ОГАСА, 2004. - 120 с.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: