Материал: экзамен гг

Источники питания напорных вод - осадки, фильтрационные воды рек, водохранилищ, оросительных каналов и др. Напорные воды в определенных условиях пополняются грунтовыми водами.

Расходование их возможно путем разгрузки их в речные долины, выхода на поверхность в форме родников, медленного высачивания через пласты, заключающие напорный слой, с перетеканием в грунтовые воды. Отбор АВ для водоснабжения и орошения также составляют статьи их расходования.

В артезианских бассейнах различают области питания, напора и разгрузки. подземный вода грунтовой артезианский

Область питания - площадь выхода артезианского пласта на поверхность земли, где происходит его питание. Она располагается на самых высоких отметках рельефа артезианского бассейна в горных областях и водоразделах и т.д.

Область напора - основная площадь распространения артезианского бассейна. В ее пределах подземные воды обладают напором.

Область разгрузки - площадь выхода напорных вод на поверхность - открытая разгрузка (в форме восходящих родников или площадь скрытой разгрузки, например в русле рек и т.д.)

Скважины, вскрывающие АВ фонтанируют, это пример искусственной разгрузки напорных вод.

В пластах, содержащих гипсы, ангидриды, соли, артезианские воды имеют повышенную минерализацию.

Типы и зональность артезианских вод

Артезианские бассейны обычно типизируют по геоструктуре водовмещающих и водоупорных пород.

По этому признаку выделяют два типа артезианских бассейнов (по Н.И. Толстихину):

1. артезианские бассейны платформ, характеризующиеся обычно весьма значительной площадью развития и наличием нескольких напорных водоносных горизонтов (это Московский, Прибалтийский, Днепро-Донецкий и др.)

2. артезианские бассейны складчатых областей, приуроченные к интенсивно дислоцированным осадочным, магматическим и метаморфическим породам. Отличаются меньшей площадью развития. Примеры - Ферганский, Чуйский и др. бассейны.

16. Коэффициент фильтрации и водопроводимости.

Коэффициент фильтрации к — это показатель, характеризующий степень водопроницаемости пород и определяющийся как скорость фильтрации при гидравлическом градиенте, равном единице. Согласно закону Дарси

где V — скорость фильтрации; / — гидравлический градиент; Q — расход фильтрационного потока; F — площадь поперечного сечения потока.

Коэффициент водопроводимости Т равен произведению коэффициента фильтрации к на мощность m напорного пласта: 

Для безнапорных вод Т = kh_cp, где h_cp — средняя мощность водоносного пласта.

Коэффициент водопроводимости Т характеризует степень водо обильности водоносного пласта и представляет собой единичный расход потока (на 1 м ширины) при I = 1. Размерность коэффициента водопроводимости м²/сут.

Фильтрационная анизотропия отражает изменение водопроницаемости пород в различных направлениях. Отношение наименьшего коэффициента фильтрации к наибольшему называют коэффициентом фильтрационной анизотропии X.

Для слоистых пород 

Для лёссов X = k_r/k_B,

где к_ъ — коэффициент фильтрации пластов в вертикальном направлении; к_Т — в горизонтальном.

17. Макро- и микро компонентный состав подземных вод.

В природных водах обнаружено более 80 химических элементов, среди них макроэлементы (макрокомпоненты), определяющие химический тип воды, микроэлементы (микрокомпоненты), а также газы, органические соединения и микрофлора. Они находятся в воде в виде ионов (катионов и анионов), простых и комплексных молекул, коллоидов. Сумма всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ (в мг/л и г/кг) называется минерализацией воды.

Макроэлементы. Важнейшими ионами (согласно ГОСТу «главными»), определяющими минерализацию воды, являются: К⁺, Na⁺,

Ca²⁺, Mg²⁺, С Г, S0|^-, HCOJ, СО^2-. В пресных водах обычно преобладают ионы Са²⁺ и НСО3, а в соленых — Na⁺ и С1^-. Поэтому пресные воды в основном имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав, а соленые — хлоридно-натриевый. Различное сочетание указанных ионов дает очень большое разнообразие химических типов подземных вод.

Наиболее широко распространены Cl^-, НСО3, CO^2-, SO4^-, Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, которые часто называют главными; их разнообразные сочетания определяют основные типы природных вод. В природных водах содержатся также ионы ОН^-, F^-, N0/, NO2, Н⁺, NH4, Fe²⁺, Mn²⁺, Sr²⁺ и некоторые микроэлементы — йод, бром, бор, медь, свинец, мышьяк, барий, хром и т.д.

Микроэлементами называют те химические элементы, которые находятся в водах в количестве < 10 мг/л. Некоторые из них (бор, медь, молибден) повышают урожаи сельскохозяйственных культур (микроудобрения).

В щелочных водах в виде ионов может присутствовать также Si0₂, а в кислых (распространенных на севере) — Fe³⁺, А1³⁺ и другие металлы. Необходимо подчеркнуть, что малое содержание в водах таких элементов, как Si, А1 и Fe, широко распространенных в горных породах, объясняется их малой подвижностью и растворимостью; наоборот, СГ и Na⁺ весьма подвижны и хорошо растворимы (Кирюхин, Толстихин, 1987).

Наиболее изучены: йод, бром, фтор, бор, кремний, железо, алюминий, медь, цинк, свинец. Многие из микроэлементов, хотя и не определяют химического типа воды, являются специфическими для определенных геолого-гидрогеологических условий. Например, для вод нефтегазовых месторождений характерны: йод, бром, бор, стронций; содержание которых может достигать сотен и более мг/л. Для вод рудных месторождений характерны: медь, молибден, мышьяк, никель, железо, олово, ртуть, свинец, серебро и др.; содержание их обычно составляет единицы и десятки мг/л, но может достигать и сотен мг/л.

18. Газы в подземных водах.

Анализы газов, растворенных в подземных водах, производятся редко. Однако газы играют большую роль в гидрогеологических процессах. Газы, выделяющиеся из раствора, образуют пузырьки, которые препятствуют движению воды в водоносных горизонтах, особенно вблизи скважин. Некоторые растворенные газы, такие, как кислород и двуокись углерода, сильно влияют на химический состав воды, другие отрицательно действуют при использовании воды. Например, метан, выделяясь из раствора, может скапливаться и вызывать пожар или взрыв. Растворенный кислород вызывает коррозию металлов. Концентрация сероводорода, превышающая 1 ч. на 1 млн., делает воду непригодной из-за неприятного запаха. Присутствие сероводорода также способствует росту некоторых бактерий, кольматирующих фильтры скважин и трубы.

Растворимость большинства газов в воде прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре. Действие температуры на растворимость некоторых газов видно из табл. 4.3.

Таблица 4.3

В большинстве подземных вод растворенные газы имеют концентрации от 1,0 до 100 ч. на 1 млн. Более высокое содержание газов возможно в специфических условиях. Из воды некоторых скважин выделяются большие количества метана, сероводорода и углекислого газа. Вероятно, эти газы находятся в такой воде под давлением в несколько атмосфер. Вода, просачивающаяся через разлагающиеся органические остатки, может содержать большие количества растворенного аммиака, который, вероятно, быстро окисляется до нитрата. Аммиак имеется также в воде некоторых термальных источников.

Растворенные газы в дождевой воде и воде рек с водопадами находятся почти в равновесии с атмосферными газами (табл. 4.3). Если такие поверхностные воды инфильтруются непосредственно в сильно проницаемые водоносные породы, растворенные газы сохраняют свою первоначальную концентрацию. Однако в большинстве случаев вода, прежде чем пропикнуть в водоносные горизонты, инфильтруется в почву и подстилающие ее породы. Содержание кислорода в инфильтрующейся воде уменьшается вследствие окисления минералов, деятельности микроорганизмов и диагенеза органического вещества. При повышении температуры газ выделяется из воды, при охлаждении воды в процессе инфильтрации в раствор поступает дополнительное количество газа. Концентрация метана, сероводорода, аммиака и других газов может увеличиться в области питания, в связи с чем устанавливается новое равновесие газов в растворе. Количество азота в воде снижается некоторыми бактериями. В результате описанных процессов содержание газа в воде при поступлении ее в водоносный горизонт на значительных площадях существенно отличается от содержания газа в поверхностных водах.

При достижении инфильтрующейся водой зоны полного насыщения концентрация газа в воде остается относительно постоянной, особенно если вода находится под артезианским напором. Однако небольшие изменения в содержании газа в подземных водах происходят вследствие медленного окисления минералов и, вероятно, деятельности микроорганизмов на глубине.

Концентрации инертных газов, к которым относятся гелий, аргон и неон, очень чувствительны даже к незначительным изменениям в содержании различных газов подземных вод. Сугисаки использовал эту особенность для определения первоначальной температуры подземной воды в период, когда она просачивается из русла реки в проницаемый водоносный горизонт. Поскольку высокое содержание аргона указывает на низкую температуру, а низкое содержание — на высокую температуру в период питания, можно найти слои зимней и летней воды, расположенные вниз по потоку от области питания, и определить скорость движения воды (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Содержание аргона в подземных водах около Такада, Япония.

Температура воды в момент питания определяется по содержанию аргона. Ориентировка разреза совпадает с направлением движения подземных вод. Расстояние между минимальными температурами соответствует пути (более 2 км), проходимом подземными водами за один год.

19. Химические анализы подземных вод.

Химическим анализ является одним из основных методов исследо­вания воды. Химический анализ производится для следующих целей:

1. Для изучения закономерностей формирования и распростране­ния подземных вод;

2. Для оценки пригодности воды в питьевых, технических, сельскохозяйственных, лечебных и др. целях;

3. Для поисков различных полезных ископаемых - нефть, газ, различные руды;

4. Для оценки подземных вод как химического сырья при извлече­нии из них йода, брома, бора и других химических веществ.

Для общей характеристики подземных вод применяют три вида хи­мического анализа - полевой, сокращенный и полный. Вид анализа, его полнота и тщательность зависят от цели анализа. Так, если производится оценка воды для питьевых целей, первоочередное и самое серьезное вникание надо уделить определению содержания соеди­нений азотистой кислоты и аммиака. Даже ничтожные их примеси сви­детельствуют о возможном загрязнении вод вредными бактериями. Для технических же целей такая вода не вредна, и указанные соедине­ния можно вообще не определять.

Для выражения результатов химического анализа воды сущес­твуют три основные формы выражения - ионная, мг-экв или эквива­лентная и мг-экв% или процентная, а для наглядности результатов анализов используют четвертую форму - графическую.

Ионная форма. В ионной форме количество каждого иона выражается в миллиграммах, реже в граммах на 1 л воды,

Эквивалентная форма. Находящиеся в воде различные ионы взаи­модействуют между собой в строго определенных эквивалентных весо­вых соотношениях (лат. эквивалент - равноценный, равнозначный). Эквивалентная форма позволяет судить о возможных сочетаниях меж­ду катионами и анионами. Данные химического анализа из ионной формы перево­дят в эквивалентную форму двумя способами,

Процент - эквивалентная форма принята для более наглядного пред­ставления о соотношениях между ионами при сопоставлении анализов. В этой форме содержание ионов, взятое в эквивалентной форме, вы­ражается в процентах от суммы анионов и суммы катионов, которые принимаются за 100% каждая. По этой форме удобно и наглядно со­поставлять воды различного химического состава, записывать пас­порт воды и солевой состав.

20. Требования к органолептическим показателям питьевой воды.

Гигиенические требования к питьевой воде должны обеспечивать такой ее качественный состав, который бы не нарушил нормального функционирования человеческого организма. Основные требования, которые предъявляются к питьевой воде – это безопасность в эпидемическом отношении, хорошие органолептические показатели, а также пригодность для хозяйственных нужд. Наиболее оптимальная температура воды, которая предназначена для питьевых целей, должна находиться в пределах от семи до одиннадцати градусов. Самые близкие к этим температурам воды находятся в подземных источниках, потому что именно они отличаются постоянством температуры. В первую очередь их рекомендуют использовать в хозяйственно-питьевом водоснабжении.

Гигиенические требования к питьевой воде включают в себя органолептические показатели воды, которую потребляют для хозяйственно-питьевых целей и определяются веществами, которые встречаются в природных водах, добавляющимися в процессе обработки воды в качестве реагентов и появляющихся в результате промышленного загрязнения водо-источников. Химическими веществами, влияющими на органолептические показатели воды, кроме гуминовых веществ и нерастворимых примесей, выступают встречающиеся при обработке хлориды, железо, цинк, медь, соли кальция и магния. Допустимая концентрация химического соединения, которая попадает в природные воды с бытовыми, устанавливаются для источников центрального водоснабжения, и фиксируется как предельно допустимая концентрация в Санитарных правилах и нормах. Чтобы соответствовать этим нормам паровые, ТЭЦ и котельные устанавливают специальные системы водоочистки и водоподготовки.

Водородный показатель pH многих природных вод близок к семи. А постоянство pH имеет огромное значение для протекания в ней физико-химических и биологических процессов, которые приводят к самоочищению. Для воды, предназначенной в хозяйственно-питьевых целях уровень pH должен находиться в пределах 6,5-8,5.

Жесткость природных вод при гигиенических требованиях к питьевой воде не является вредной для человеческого организма, но наличие магния и кальция в воде в слишком больших количествах нежелательно, потому что они делают ее непригодной для использования в хозяйственно-бытовых нуждах. Чтобы снизить жесткость, требуется умягчение воды с помощью специальных установок.

С течением времени подземные воды обогащаются гелием и в меньшей степени — аргоном, поскольку радиоактивный распад урана и тория продуцирует гелий, а калий-40, распадаясь, дает аргон. Быстро циркулирующие подземные воды постоянно уносят в небольших количествах гелий и аргон, которые выделяются из пород, контактирующих с водой. Малоподвижные подземные воды больших артезианских бассейнов и почти неподвижные погребенные воды отличаются повышенной концентрацией, по крайней мере гелия и, возможно, аргона. Судя по относительной распространенности гелия в атмосфере по сравнению с его природными запасами, соотношение гелия и аргона должно увеличиваться от примерно 0,0005 в поверхностных водах до 1,0 в некоторых соленых водах, находящихся в контакте с месторождениями газа.

Искусственно закачиваемый в скважины гелий успешно применяется в качестве индикатора движения подземных вод. Он безвреден в биологическом отношении и инертен, т. е. не вступает в химические реакции с водой и породами водоносного горизонта. Широкое применение гелия как индикатора осложнено необходимостью использовать специальное аналитическое оборудование.