Гидрогеология

Коэффициент перетекания (В) определятся по формуле:

Km – водопроводимость основного водяного горизонта м2/сут,

K1, K11 – соответственно коэффициент фильтрации пород, м/сут,

m1, m11 – мощности этих слоев, м.

Определение расходов подземных вод.

1) Плоский поток и его расход. Плоским называют такой поток подземных вод, струйки которого протекают более или менее параллельно. Примером может явится поток грунтовых вод, движущийся к реке. Расход грунтового потока в горизонтальном водоносном слое на 1 м ширины равен

При наклонном водоупоре единичный расход подземного потока равняется:

Типы вертикальных водосборов.

Вертикальные водосборы можно разделить на колодцы (шурфы) и буровые скважины. По характеру эксплуатируемых водоносных горизонтов они подразделяются на грунтовые и артезианские (напорные). По характеру заложения в водоносном слое колодцы (скважины) подразделяются на совершенные и несовершенные. Несовершенные колодцы могут иметь проницаемое дно и стенки, проницаемые стенки и глухое дно, глухие стенки и проницаемое дно (рис. 3).

Рис. 3. Схема притока воды в несовершенную скважину

Совершенные скважины прорезают весь водоносный горизонт и имеют проницаемые стенки. От типа вертикального водосбора зависит выбор расчетных уравнений движения воды к колодцам скважины.

Дебит совершенной скважины и коэффициент фильтрации пород

– формула Дюпюи, м3/сут, отсюда

, м/сут

Дебит колодца с открытым плоским дном вычисляется по Форхгеймеру:

Q=4rSK, м3/сут.

Коэффициент фильтрации , м/сут.

Дебит колодца с проницаемыми стенками и открытым дном

, м3/сут,

, м/сут

По Замарину для колодца с открытым дном и проницаемыми стенками (при условии когда неизвестна глубина водоупора) с плоским дном Кф вычисляется (см. рис. 3):

, м/сут, где

Q – дебит скважины, м3/сут.

Формула притока воды в дрену.

Для понижения уровня подземных вод сооружают дрены. Приток воды в совершенную горизонтальную дрену длиной В в условиях не напорных вод по уравнению Дюпюи равен

, м3/сут.

Для напорных , м3/сут;

m – мощность напорного пласта, м .

Расчетные формулы показывают зависимость дебита скважин от понижения (S). Поэтому производительность скважин можно сравнивать по удельному дебиту

Лекция 3. Химический состав подземных вод

План:

1.                 Физические свойства подземных вод

2.                 Реакция воды

3.                 Общая минерализация воды

4.                 Химический состав воды

5.                 Формы выражения химического состава воды

6.                 Оценка пригодности воды для различных целей

7.                 Оценка агрессивности свойств подземных вод

8.                 Формирование химического состава подземных вод

9.                 Зональность подземных вод

I. К физическим свойствам подземных вод относятся прозрачность, цвет, запах, вкус, температура.

Природная вода может быть прозрачной и мутной. Мутность воды обуславливается присутствием в ней взвешенных частиц минерального и органического происхождения. Механические примеси могут попадать в воду источника вследствие неисправности водозабора или просачивания в водоносный пласт дождевых, поводковых, речных вод (карстовые районы). Иногда мутность подземных вод обуславливается растворенными в ней химическими соединениями (железо и пр.).

Цвет. Чистая вода бесцветная. Окраска объясняется наличием в ней тех или иных примесей (железо придает ржавый оттенок, сероводород – голубоватый).

Запах. Подземные воды обычно без запаха. Наличие запаха свидетельствует о наличии различный химических соединений (сероводород придает запах тухлых яиц и др.)

Вкус. Появляется при определенном содержании в воде тех или иных соединений (соленый – NaCl, кислый – в районах сульфидных месторождений).

Температура – изменяется от 4-5ºС до 60-90ºС. При температуре выше 20ºС воды называются субтермальными. В Республике Башкортостан температура подземных вод неглубокого залегания составляет от 5 до 20ºС. Пресная вода при tº=4ºС имеет наибольшую плотность.

II. Реакция воды (величина pH). Для того, чтобы судить о химическом составе подземных вод необходимо в первую очередь знать реакцию воды т.е. концентрацию водородных ионов. По теории электролитической диссоциации вода диссоцирует на водородный() и гидроксильный() ионы, величина произведения которых при данной температуре всегда постоянна. Если реакция нейтральная, то концентрация и одинакова и равна 10–7мг-экв/л. Поэтому степень кислотности или щелочности воды характеризуется концентрацией водородных ионов. Для выражения концентрации водородных ионов принято пользоваться логарифмом концентрации их (т. е. количества грамм-экв этого иона в 1 л воды), взятым с обратным знаком и обозначаемым pH= –lg(H+). При нейтральной реакции pH=7, при кислой pH – меньше 7, а при щелочной pH больше 7. Определение pH производится специальными приборами (рН-метрами) калориметри­ческим методом, в полевых условиях применяется лакмусовая бумага.

III. Общая минерализация воды выражается суммой содержащихся в воде химических элементов, их соединений и газов. Оценивается по сухому остатку, который получается после выпаривания воды при температуре 105ºС, или суммированием массы всех ионов, полученных при химическом анализе. Выражается в миллиграммах (граммах) на литр (дм3), граммах на кг (мг/л, г/кг). По минерализации подразделяются:

до 0,2 г/л – ультрапресные, до 1,0 г/л – пресные,

1-10 – солоноватые: 1-3 – слабо, 3-5 – средне, 5-10 – сильносолоноватые, 10-35 – соленые, более 35 г/л – рассолы.

IV. Главными химическими компонентами в подземных водах обычно являются: анионы (гидрокарбонатный ион, сульфат-ион, хлор-ион), катионы (). В воде часто присутствует карбонатный ион, нитрит-ион, нитрат-ион (), углекислый газ, сероводород, метан, железо 2-х и 3-х валентное и др. Содержание соединений азота в подземных водах обычно невелико (1-2 мг/л), но иногда достигает 0,5-0,8 мг/л. Наличие даже небольшого их количества указывает на загрязнение воды и возможность нахождения в ней вредных опасных бактерий. Если присутствуют нитрит ион () – загрязнение свежее, а нитрат ион – загрязнение старое. В целом подземных водах присутствуют до 60-80 различных химических элементов в растворенном состоянии.

Жесткость воды обусловлена наличием ионов кальция и магния. По ГОСТ 2874-73 и СанПиН 2.1.4.1074-01 жесткость воды выражается в миллиграммах-эквивалентах и на 1 л воды. 1 мг-экв. жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/л и 12,6 мг/л . По жесткости вóды делятся на:

очень мягкие – до 1,5 мг-экв/л,

мягкие – 1,51-3,0 мг-экв/л,

умеренно жесткие – 3,01-6,0 мг-экв/л,

жесткие – 6,01-9,0 мг-экв/л,

очень жесткие – более 9,0 мг-экв/л.

V. Существует несколько форм выражения анализа воды: ионная, эквивалентная, процент-эквивалентная.

При ионной форме содержание ионов приводят в граммах или миллиграммах на литр (г/л, мг/л).

Эквивалентная форма позволяет судить о возможных сочетаниях катионов и анионов. Сумма эквивалентных единиц катионов и анионов, выражается в миллиграмм-эквивалентах на 1 литр и получают путем умножения мг/л на пересчетный коэффициент (табл. 1, 2).

Таблица 1

Атомные веса ионов и множителей для пересчета миллиграмм-ионов на миллиграмм-эквиваленты

Таблица 2

Схема перерасчета из весовой в мг-экв/л и %-экв/л формы

При процентно-эквивалентной форме содержание ионов, взятое в эквивалентах, выражают в процентах от суммы катионов и анионов, принимаемых каждая за 100%.

Наглядной формой записи результатов является формула М.Г. Курлова.

.

Название воды дается по преобладающим анионам и катионам, содержание которых более 20% (иногда берут 25% или 33%) в порядке возрастания. Например, приведенная формула читается – вода сульфатно-гидрокарбонатная, магниево-кальциевая.

В формуле Курлова слева от черты указывают содержание газов (CO2, H2S и др.), общую минерализацию воды (г/л), в числителе анионы, содержание которых превышает 10% эквивалентов (% экв в убывающем порядке) в знаменателе – катионы в том же порядке, за чертой пишут tºC воды, дебит (л/с), рН и другие. Результаты химического анализа воды иногда выражают в графической форме в виде диаграмм – прямоугольника, квадрата, треугольника и др. Все формы выражения и методика построения приведены в (Абдрахманов, Методические…, 2008).

Классификация подземных вод по химическому составу. Существует несколько десятков классификаций, основанных на различных принципах и имеющих разное практическое применение и значение. К наиболее популярным относятся классификации Пальмера, Н.И. Тостихина, В.А. Сулина, О.А. Алекина, Е.В. Посохова и другие. В гидрогеологии и гидрологии применяется в основном гидрохимическая классификация О.А. Алекина.

Все природные воды делятся по преобладающему аниону на три класса: 1) гидрокарбонатный, 2) сульфатный, 3) хлоридный. Выделенные 3 класса сразу дают в общих чертах гидрохимический облик воды. К гидрокарбонатному классу относятся большая часть пресных (маломинерализованных) вод рек, озер, некоторых подземных вод. К классу хлоридных принадлежат воды океана, морей, подземные воды глубоких горизонтов. Воды сульфатного класса по распространению и величине минерализации являются промежуточными между гидрокарбонатными и хлоридными.

Каждый класс делится О.А. Алекиным по преобладающему катиону на группы кальциевых, магниевых и натриевых вод. Кроме того все воды объединяют в типы, выделяются 4 типа вод.

Первый тип характеризуется соотношением (NHCO3 – содовый)

II тип (– сульфатный натриевый)

III тип или  подразделяется:

На IIIa   ( – хлормагниевый) и

IIIb   ( – хлоркальциевый).

Как установлено, ионная форма свойственна лишь водам низкой минерализации. При увеличении концентрации растворенных солей между ионами устанавливается взаимодействия. В растворе образуются нейтральные ионы и др.