1.3. Характеристика природных вод
В природных водах всегда присутствуют газы в растворенном состоянии. Их качественный и количественный состав зависит от природных условий, в которых находится вода. Происхождение этих газов связано:
а) с составом атмосферы (азот N2, кислород О2, аргон Аr и другие инертные газы, двуокись углерода СО2),
б) с биохимическими процессами (двуокись углерода, метан СН4 и другие тяжелые углеводороды, сероводород Н2S, азот N2, водород Н2);
в) с процессами дегазации мантии и метаморфизацией гордых пород в глубинных слоях земной коры при высоких температурах и давлении (двуокись углерода, окись углерода СО, сероводород, водород, метан, аммиак NH3, хлористый водород HCl и другие соединения водорода с галогенами и бором).
Первая группа газов характерна главным образом для вод земной поверхности и подземных, в которые проникают инфильтрационные воды с поверхности, вторая — для поверхностных и подземных вод и третья — в основном для подземных вод.
Наиболее широко распространены в поверхностных водах кислород и двуокись углерода, в подземных — сероводород и метан.
Источники образования органического вещества по происхождению органических веществ в природных водах могут быть разделены на:
1) поступающие извне (с водосборной площади)
2) образующиеся в самом водоеме.
К биогенным элементам в природных водах относятся азот, фосфор и кремний в различных соединениях. Они имеют особое значение в развитии жизни в водоемах. Азот и фосфор являются обязательными составными частями тканей каждого живого организма. Выделение этой группы до некоторой степени условно, так как в жизненных процессах, происходящих в природных водах, участвует и ряд других элементов (Са, Мg, К и др.).
Микроэлементы представляют собой самую большую группу состава природных вод в нее входят все остальные элементы периодической системы. Условно их можно разделить на пять подгрупп:
1) типичные катионы (Li, Rb, Cs, Ве, Sr , Ва и др),
2) ионы тяжелых металлов (Сu, Аg, Аu, РЬ , Fe, Ni, Со и др);
3) амфотерные комплексообразователи (Сг, Мо, V, Мn);
4) типичные анионы (Br, J, F, В),
Факторы, определяющие формирование химического состава природных вод, могут быть разделены на две основные группы.
1. Прямые факторы, непосредственно воздействующие на воду (т. е. действие веществ, которые могут, обогащать воду растворимыми соединениями, или, наоборот, выделять их из воды):
2. Косвенные факторы, определяющие условия, в которых протекает взаимодействие веществ с водой:
— гидродинамические условия и пр.
Действие этих факторов проявляется косвенно, через прямые факторы, однако, роль их при этом в формировании состава воды часто бывает решающей. В свою очередь все косвенные факторы тесно взаимосвязаны между собой.
Климат, прежде всего, определяет баланс тепла и влаги, и от которого зависит увлажненность местности и величина водного стока, а следовательно, разбавление или концентрирование природных растворов, и возможность растворения веществ или выпадения в осадок.
С климатическими условиями связано направление движения почвенных и грунтовых растворов вблизи поверхности Земли. От климатических характеристик также зависят условия взаимодействия воды с породами, процесс выветривания горных пород тип почвообразования и растительности и характер разложения остатков последней, что в свою очередь влияет на минерализацию воды. Климатические условия определяют не только количество, но и характер атмосферных осадков (дождь, снег), их распределение в течение года, условия миграции различных элементов, промерзаемость почвы, существование вечной мерзлоты, с которыми тесно связан гидрохимический режим вод на поверхности Земли и вблизи нее.
Роль климатических условий нельзя игнорировать и для подземных вод, влияние которых прослеживается на значительную глубину. Влияние климата на химический состав, воды настолько существенно, что часто является решающим фактором, определяющим не только величину минерализации воды, но и ее состав. Климат создает общий фон, на котором происходит большинство процессов, влияющих на формирование химического состава природных вод.
Важнейшим фактором состава природных вод является также рельеф местности, хотя его роль носит менее явный характер. С рельефом местности связаны условия поверхностного и подземного стока, водный и солевой режим почв, освещенность склонов и расчлененность местности, способствующая созданию неоднородности состава воды, заболоченность местности, обусловливающая специфический состав воды, и др.
Существен в формировании химического состава воды и водный режим водоёмов, который в свою очередь зависит от ряда физико-географических условий. Состав воды рек зависит от времени наступления половодья, от характера их питания. Влияет на изменение состава воды рек также и их протяженность, которая определяет различие гидрологического режима отдельных частей реки, наличие притоков, протекание реки через водоем и мн. др. Наличие стока из озера определяет величину минерализация воды, водообмен между отдельными его частями. Минерализация подземных вод в сильнейшей мере зависит от степени влияния поверхностных вод на данный водоносный горизонт, наличия трещин, скорости движения воды в породах.
Растительность, помимо прямого воздействия в водоемах на состав растворенных газов, обмен с ионным составом и растворенные органические вещества, большую роль играет и на суше, где она формирует почвы, создает запасы растительных остатков, являющихся основным источником растворенных органических веществ, смываемых в водоемы с поверхности. Продукты трансформации остатков органических веществ определяют условия для подвижности многих элементов (особенно микроэлементов), способствуя образованию комплексов и, влияя на величину рН.
Источник
6.1. Происхождение подземных вод
Согласно современным представлениям, подземные воды по происхождению могут быть как экзогенными (их источник – водные объекты на поверхности суши и влага атмосферы), так и эндогенными (их источник – недра Земли).
Экзогенные подземные воды попадают в горные породы либо при процессах просачивания (инфильтрации) поверхностных вод и конденсации водяного пара, либо в результате седиментации (осадконакопления). Эти воды часто называют соответственно инфильтрационными, конденсационными и седиментационными.
Инфильтрационные подземные воды проникают в горные породы путем просачивания атмосферных, речных, морских и озерных вод. Конденсационные подземные воды образуются при конденсации в порах грунта водяного пара, перемещающегося в грунте под влиянием разности давления.
Седиментационные подземные воды образуются из вод того водного объекта, где происходил процесс седиментации, т.е. отложения наносов. Воды такого типа распространены в осадочных породах и в ложах океанов и морей, где образуют так называемые «иловые растворы».
Эндогенные подземные воды образуются в горных породах в результате дегидратации минералов (такие воды называют дегидратационными или «возрожденными») или поступают из магматических очагов, в частности в районах современного вулканизма (их называют «ювенильными» водами).
Инфильтрационные, конденсационные, седиментационные, де-гидратационные и «ювенильные» воды при своем перемещении в горных породах смешиваются, образуя смешанные по происхождению подземные воды.
Подземные воды (главным образом – инфильтрационные) являются важным компонентом материкового звена круговорота воды на земном шаре и играют заметную роль в балансе и режиме природных вод и растворенных в них веществ.
6.2. Физические и водные свойства грунтов. Виды воды в порах грунтов
6.2.1. Физические свойства грунтов
Подземные воды находятся в верхней толще земной коры, включая кору выветривания и почвенный слой. Эту толщу в гидрогеологии называют горными породами, в гидрологии – почвогрунтами или просто грунтами. Режим подземных вод во многом определяется физическими и водными свойствами вмещающих их грунтов (плотности, гранулометрического состава и пористости.
Плотность грунта – это отношение массы однородного грунта к его объему:
Различают плотность сухого грунта и плотность грунта при естественной влажности. Плотность грунта отличается от плотности его «скелета» ρ, зависящей от характера вещества или минерала, слагающего грунт. Например, для частиц кварцевого песка р приблизительно равна 2650 кг/м 3 , супесей – 2700 кг/м 3 , суглинков – 2710 кг/м 3 , глин – 2740 кг/м 3 .
Поскольку грунт состоит не только из скелета, но и из пор, заполненных либо воздухом, либо водой, либо льдом, плотность как сухого, так и влажного грунта всегда меньше плотности его «скелета». Так, плотность песка (как грунта, а не как минерала) обычно находится в пределах 1200–1500 кг/м 3 .
Многие рыхлые грунты представляют собой смесь частиц различной крупности. Процентное содержание (по массе) в рыхлых грунтах групп частиц (фракций) различного диаметра называют гранулометрическим, или механическим, составом грунта.
Практически все грунты (как рыхлые, так и скальные) обладают скважностью (пустотностью), под которой понимают наличие в грунтах пустот независимо от их размеров, формы и происхождения. Скважность, обусловленная порами, т.е. промежутками (обычно <0,1мм) между отдельными частицами, называется пористостью. Скважность, обусловленная трещинами в грунте, называется трещиноватостью. Скважность, обусловленную наличием в грунте крупных (> 1 мм) пустот (каверн), называют кавернозностью.
Грунты (породы, в гидрогеологии – иногда среды), где преобладает один из трех названных выше видов скважности, называют соответственно пористыми, трещинными (трещиноватыми) и каверновыми. К пористым грунтам относятся многие осадочные породы (пески, илы, глины, лессы, суглинки), торф, обломочные породы; к трещинным – многие метаморфические и магматические горные породы; к каверновым – известняки, гипсы и другие породы, подвергаемые выщелачиванию легко растворимых соединений, например в районах проявления карста.
Пористость грунтов характеризуется коэффициентом пористости р, %, который равен выраженному в процентах отношению объема пор Vпop к объему всего грунта Vгp в сухом состоянии:
Коэффициент пористости р и соотношение между плотностью сухого грунта ртр и его «скелета» р, о которых речь шла выше, связаны следующей формулой:
р =(1-ρгр/ρ)·100 (24)
Пористость – одна из важнейших характеристик грунта, определяющих его способность пропускать воду. Разные грунты обладают различной пористостью (табл. 2):
Источник