Физические свойства подземных вод


Физические свойства подземных вод являются важнейшими показателями качества, и их оценка необходима при любых гидрогеологических исследованиях. При перспективе хозяйственно-питьевого использования подземных вод оценка соответствия существующим государственным стандартам является обязательной.
Мутность и прозрачность. Мутность воды обусловлена наличием взвешенных частиц величиной более 100 нм (10-7 м) и выражается их массой на единицу объема воды (мг/дм3). Наличие взвесей является крайне редким для подземных вод, поэтому обычно для их оценки пользуются показателем прозрачности, величина которого обратна показателю мутности. При ориентировочной оценке прозрачность выражается предельной высотой столба воды (см) в градуированном цилиндре с плоским дном, при которой возможно чтение стандартного шрифта, расположенного на расстоянии 4 см от дна цилиндра, или виден крест с толщиной линии 1 мм. Более точно оценка прозрачности (мг/дм3) проводится фотометрическим путем сравнения со стандартными эталонными суспензиями каолина. Вода, используемая для хозяйственно-питьевого водоснабжения, должна иметь прозрачность «по шрифту» не менее 30 см и «по кресту» не менее 300 см, по стандартной шкале - не более 1,5 мг/дм3. Для визуального определения степени мутности или прозрачности воды употребляют такие характеристики, как прозрачная, слабоопалесцирующая, опалесцирующая, слегка мутная, мутная и сильно мутная.
В области развития мерзлых пород, особенно весной и в начале лета, в периоды интенсивного таяния снега и льда, характерно появление источников опалесцирующих вод. Опалесценция обусловлена наличием тонких взвесей и коллоидов гидроксидов алюминия и железа, кремнекислоты, органических веществ, т.е. частиц размерами от 1 до 100 нм, генезис которых связан с процессами вымораживания. Коллоидные системы устойчивы, прозрачность их ничтожна, поэтому в них определяют мутность. Коллоидные частицы не отделяются обычным фильтрованием и не оседают. В природных условиях коагуляция коллоидов может вызываться изменением температуры, механическими воздействиями. При очистке подземных вод от коллоидов применяют введение электролитов с противоположным зарядом ионов.
Цветность. Подземные воды обычно бесцветны. Окраску от слабо-желтой до бурой придают воде гуминовые и фульво- кислоты, а также их растворимые соли, в первую очередь гума- ты и фульваты окисного железа. Зеленоватую или красноватую окраску имеют воды, обогащенные соответствующими микроорганизмами, например водорослями, зеленовато-голубую - закисным железом или сероводородом. Цветность определяют фотометрически в градусах цветности по шкале стандартных растворов (смесь бихромата калия и сульфата кобальта), имитирующих цвет природной воды. Цветность, обусловленная фульвокислотами, может достигать 3000° и более.
Запах и вкус. Запах и вкус воды зависят от содержания в ней газов, минеральных и органических веществ (в том числе продуктов жизнедеятельности микроорганизмов) и могут быть как естественного, так и искусственного генезиса. Определение интенсивности запаха и вкуса проводится органолептически при температурах 20 и 60 °С и оценивается по пятибалльной системе (0 - нет, 1 - очень слабая, 2 - слабая, 3 - заметная, 4 - отчетливая, 5 - очень сильная). Запах определяют в соответствии с ощущениями (гнилостный, землистый, хлорный и т.д.). Для вкуса существуют четыре основных определения: соленый, кислый, сладкий, горький. Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами и уточняют основные понятия, например металлический, содовый и др. Вкусовые качества воды, важные для ее использования в питьевых целях, определяются предельно допустимыми концентрациями некоторых элементов, нормируемыми ГОСТом, несмотря на то что эти элементы не обладают выраженным токсическим действием. Например, при концентрации хлоридов натрия до 500 мг/л вода имеет сладковатый привкус, при содержании более 500 мг/л - солоноватый. При концентрации сульфатов более 500 мг/л появляется неприятный горьковатый привкус и вода приобретает слабительные свойства, при концентрации железа более 0,3 мг/л появляется терпкий или чернильный привкус и т.д. Запах сероводорода (тухлых яиц) улавливается нашими органами чувств уже при его концентрации менее 1 мг/дм3. Гидрокарбонаты кальция и магния, а также свободная углекислота придают воде приятный свежий привкус.
Температура. Температура подземных вод является одним из важнейших показателей генезиса и глубины их циркуляции. Диапазон изменения известных температур природных вод на Земле составляет около 400° С: от -5° С и ниже в районах развития многолетнемерзлых пород до 100° и более в гейзерах вулканических областей и до 350-370 °С в глубинных субаквальных источниках океанических впадин, в так называемых сульфидных черных курильщиках, и на глубинах 1500 м и более в районах современной вулканической деятельности. Температура грунтовых вод в гумидной зоне обычно составляет 3-10 °С, в аридной зоне - до 12° С и более. Артезианские воды могут достигать температуры 90100 °С и более. Из множества классификаций подземных вод по температуре (О.А. Алекин, Б.Ф. Маврицкий, Ф.А. Макаренко, А.М. Овчинников, Н.И. Толстихин и др.) приведем классификацию А.В. Щербакова (табл. 9).
Таблица 9
Классификация подземных вод по температуре (Щербаков, 1979)

Балл

Температурные типы вод

Степень
нагретости

Шкала температур, °С

Физические и биохимические критерии температурных границ

1

2

3

4

5

1

Переохлаж-

Исключитель-

Ниже 0

Переход в твердое со-


денные

но холодные


стояние


1

2

3

4

5

2

Холодные

Весьма
холодные

0-4

3,98 °С - температура максимальной плотности воды

3

То же

Умеренно
холодные

4-20

Единица вязкости (сантипуаз) определена при температуре 20 °С

4

Термальные

Теплые

20-37

Температура человеческого тела - около 37 °С

5

То же

Горячие

37-50

Оптимальная температура для роста бактерий

6

То же

Весьма
горячие

50-100

Переход в парообразное состояние

7

Перегретые

Умеренно
перегретые

100-200

Термометаморфизм (гидролиз карбонатов с выделением СО2, генерация абиогенного H2S и др.)

8

То же

Весьма
перегретые

200-375

Процессы углефикации органического вещества и формирования углеводородов

Плотность.
Плотность чистой воды при 25 °С и давлении 101,325 кПа составляет 0,99797 г/см3, она меняется в зависимости от температуры, давления, количества растворенных, взвешенных веществ и газов. Плотность рассолов в Иркутском артезианском бассейне достигает 1,5 г/см3. Определение плотности воды всегда проводят при точно измеренной температуре (ориентировочно - с помощью ареометра, точно - весовым методом) и затем с помощью температурных коэффициентов для электролитов-аналогов пересчитывают на температуру воды в пласте.
Вязкость (внутреннее трение). Вязкость имеет большое значение для процесса фильтрации, особенно в слабопроницаемых породах. Единицей динамической вязкости в системе СИ служит паскаль-секунда (Па • с) - вязкость такой среды, в которой при давлении сдвига 1 Па разность скоростей ламинарного

движения жидкости на расстоянии 1 м составляет 1 м • с. В гидрогеологической литературе до последнего времени в качестве единицы вязкости употреблялся пуаз (П) или сантипуаз (1 сП = = 10-3 Па • с). Эталоном являлась вязкость чистой воды при 20 °С. При 0 °С чистая вода характеризуется вязкостью 1,79 х х 10-3 Па • с, при 100 °С - 0,28 • 10-3 Па • с, т.е. в 6 раз меньшей. Вязкость пара почти в 200 раз меньше, чем вязкость воды. При одной и той же температуре рассолы характеризуются большей вязкостью, чем пресная вода. Исследования структуры и свойств воды обнаружили что изменение вязкости воды не зависит от повышения давления: в интервале температур 30 °С она несколько уменьшается, затем длительное время практически не изменяется и лишь по достижении давления порядка 108 Па (1000 атм) начинает увеличиваться, как и у всех жидкостей. Вязкость воды уменьшается с ростом температуры.
Существует также понятие кинематической вязкости (величина динамической вязкости, отнесенная к плотности), единицей измерения которой служит стокс (1 С = 1 см2/с).
Электропроводность. Подземные воды в зависимости от содержания тех или иных количеств электролитов обладают различной электропроводностью, которая колеблется от 3 х х 10-5 до 3 • 10-3 Ом • м для пресных вод и возрастает до 5 • 10-3 - • 100 Ом • м в рассолах. На этом свойстве воды основан принцип действия приборов для измерения степени минерализации воды - солемеров.
Радиоактивность. Радиоактивность подземных вод определяется содержанием в них растворенных соединений урана, радия, а также инертных газов: нерадиоактивного гелия и радона, являющегося эманацией радия. Единицей радиоактивности в системе СИ является беккерель (Бк). 1 Бк равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за 1 с происходит один акт распада. Радиоактивные свойства подземных вод по отношению к объему принято выражать в удельных единицах. Подземные воды могут содержать значительные количества радона - от 1-30 в кислых магматических породах и иногда осадочных породах до 150 000 Бк/дм3 в зоне окисления урановых месторождений. Воды с содержанием радона 70 Бк/дм3 используются в бальнеологических целях.
Содержание гелия в подземных водах в последние годы стало объектом пристального изучения. Гелий, представляющий собой продукт распада радиоактивных элементов, непрерывно образуется в земной коре и мигрирует к поверхности по относительно проницаемым зонам. В процессе гелиевой съемки прекрасно маркируются разломы земной коры и узлы их пересечений, выявляются особенности строения фундамента и перекрывающих отложений. Гелий используется также как индикатор при поисках месторождений радиоактивных минералов.
Радиоактивность подземных вод, содержащих уран и радий, всегда связана с содержанием их в водовмещающих породах, поэтому максимальной радиоактивностью характеризуются воды кислых магматических пород, а наименьшей - осадочных пород, если последние не содержат вторичных или переотложенных радиоактивных минералов. Употребление воды, содержащей радий, недопустимо, поскольку он накапливается в человеческом организме. 
<< | >>
Источник: Ю.А. Гледко. Гидрогеология. 2012

Еще по теме Физические свойства подземных вод:

  1. § 4. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  2. § 5. ИСТОЧНИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  3. § 8. ОСАДКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  4. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
  5. § 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ
  6. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер., 2012
  7. § 2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ДРУГИЕ СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
  8. Открытие подземного пресного моря
  9. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОД (ст. 250 УК РФ).
  10. § 15. Требования к юридической правоспособности физических лиц. Физическое существование: возникновение и прекращение. Способы доказательства
  11. 87. ОХРАНА ВОД И ЗЕМЕЛЬ ВОДНОГО ФОНДА. ВОДООХРАННЫЕ ЗОНЫ
  12. Посреди вод
  13. Промышленная классификация вод и систем водоснабжения
  14. Древляне и брачные культы вод