Моделирование миграции подземных вод

Происхождение компонентов и их влияние На качество подземных вод [2]

Оксид кремния Si02 слагает кварц, силикаты, алюмосиликаты — - свыше половины объема пород земной коры. Аморфный кремнезем входит в состав скелета диатомовых водорослей, радиолярий, гу­бок. В воде аморфный кремнезем малорастворим, при комнатной •температуре его растворимость составляет 120 мг/л, а раствори­мость стабильного кварца более чем на порядок ниже. При темпе­ратурах около 100 °С растворимость аморфного кремнезема до­стигает 400 мг/л, так что он способен отлагаться из вод термаль­ных источников, образуя специфические осадки—гейзериты. В большинстве случаев Si02 поступает в воды в результате гидро­лиза полевых шпатов при выветривании горных пород. В ультра­пресных водах Si02 является главным компонентом химического состава. Содержание его возрастает и в щелочных водах, но обыч­но в подземных водах оно не превышает первых десятков милли­граммов на литр. В воде Si02 чаще присутствует в молекулярно-, диспергированном (H4Si04, H2Si03), реже коллоидальном (.x:Si02X Х#Н20) состоянии.

Оксид кремния малотоксичен для человека, животных, микро­организмов и растений. Для орошения почвы в США рекомендует­ся использовать воды с предельно допустимой концентрацией (ПДК) кремния в пределах 10—50 мг/л. В связи с образованием труднорастворимых осадкор в паровых котлах, бойлерах и турби­нах ПДК кремния составляет 1—40 мг/л (в зависимости от дав­ления). Кремнекислота добавляется в мягкие воды как средство защиты металлических трубопроводов от коррозии. В бальнеоло­гии кремнекислота состава H2Si03+HSi03^50 мг/л используется в качестве лечебного компонента.

Железо Fe2+, Fe3+ относительно широко распространено в зем­ной коре (кларк 4,2 %), оно входит в состав горных пород и ми­нералов (железорудные формации, магнетит, гематит, сидерит, гё - тит, железистые силикаты и пр.). В подземных водах она содержит­ся в относительно небольших количествах (единицы, десятки мил­лиграммов на литр), изредка достигая сотен и в исключительных случаях тысяч миллиграммов на литр. Ограниченная миграцион­ная способность этого компонента обусловлена наличием окисли­тельного и сульфидного геохимических барьеров на путях мигра­ции. В подземных водах обычно преобладает закиеное железо (Fe2+), и только в кислых водах (например, рудничные) основным мигрантом является Fe3+ (в составе' комплексов на основе гидро - ксила, хлора, фтора, органических кислот). В резко восстанови­тельной обстановке содержание Fe2+ достигает десятков и сотен миллиграммов на литр.

Для человека и теплокровных животных железо малотоксично. В концентрациях более 0,05 мг/л оно придает воде желтоватую окраску, а при содержании 1 мг/л — металлический привкус. При окислении (Fe2+->Fe3+) и гидролизе образуется коллоидный оса­док гидроксида железа (III), ухудшающий органолептические по­казатели воды. При высоких концентрациях Fe2+ осадки гидрокси - дов забивают трубопроводы и водозаборную арматуру. Концент­рации железа в 1—2 мг/л токсичны для рыб и микрофлоры очист­ных сооружений. В СССР ПДК железа в питьевой воде составля­ет 0,3 мг/л по органолептическому показателю, а в ГДР — 0,5— 1,5 мг/л. В бальнеологии железо в питьевых водах рассматривает­ся в качестве лечебного компонента (Fe24 +Fe3+^20 мг/л).

Марганец Мп2+ содержится в водах в концентрациях на поря­док меньших, чем железо, а по миграционным особенностям бли­зок к нему. В концентрациях больше 0,1 мг/л марганец делает во­ду мутной, а при концентрациях 0,5 мг/л появляется металличе­ский привкус. Предположительно оказывает мутагенное действие на теплокровных животных и токсичен для растений в концентра­циях свыше 0,5 мг/л. ПДК этого элемента в питьевой воде состав­ляет в СССР 0,1 мг/л, в ГДР 0,25—0,5 мг/л, в других странах ко­леблется от 0,05 до 0,1 мг/л.

Кальций Са2+ и магний Mg2+ являются основными компонен­тами пресных подземных вод. Их молярная доля в пресных водах среди катионов может достигать 100 %, а в соленых водах и рас­солах десятков и (редко) сотен граммов на литр. Главные источ­ники поступления в воду — карбонатные (известняки, доломиты), сульфатные (гипс, ангидрит, кизерит, эисомит и др.) и галогенные (бишофит, карналлит) породы и минералы. Основные геохимиче­ские барьеры для кальция связаны с образованием труднораство­римых осадков карбоната и сульфата.

Кальций и магний — главные составляющие жесткости подзем­ных вод. В СССР в питьевой воде ПКД по жесткости не должна превышать 7 мг-экв/л. Избыточная жесткость увеличивает расход мыла, износ тканей, понижает питательность продуктов. Повышен­ная жесткость способствует отложению накипи на теплообменни­ках. Высокое содержание магния (более 1 г/л) свидетельствует о возможной магнезиальной агрессивности воды по отношению к бетону. Содержание в питьевой воде Са2+ более 100 мг/л способст­вует увеличению заболеваемости населения болезнями почек, арт­ритами и полиартритами. Содержание в питьевой воде двух основ­ных малорастворимых солей СаСОз и CaS04 в количествах более 400 мг/л каждой токсично для человека. Привкус ощущается при содержании их в воде с 50—250 мг/л. В углекислых водах при по­терях углекислоты кальций и магний могут служить источником образования труднорастворимых карбонатов (травертинов).

Натрий Na+ и калий К+— основные компоненты подземных вод, близкие по кларку в земной коре (2,64 и 2,60 %), но резко отличающиеся как мигранты. Калий легко сорбируется глинисты­ми минералами и поглощается живым веществом, в результате его содержание в водах более чем на порядок уступает натрию. Высокие концентрации калия в подземных водах могут служить поисковым признаком на калийные соли. Увеличение содержания хлоридов натрия и калия в водах рассматривают как одну из осо­бенностей процесса галогенеза. Однако натрий может преобладать даже в составе ультрапресных вод вследствие гидролиза полевых шпатов (альбита). Очень характерно накопление натрия в так на­зываемых содовых водах, насыщенных углекислотой и формирую­щихся в тектонически активных районах (Закавказье, Карпаты и др.). В связи с тем, что накоплению натрия препятствует только один геохимический барьер—садка галита, его концентрации в водах достигают 100 г/л, а корреляция с хлор-ионом наиболее вы­сока уже с минерализации 1—2 г/л и более.

Пороговые концентрации по привкусу хлоридов натрия и ка­лия составляют свыше 150. и 350 мг/л соответственно. В питьевой воде в COOP содержание натрия не нормируется (лимитировано содержание хлор-иона в 350 мг/л), однако концентрация в 200 мг/л считается вредной. В США концентрация натрия более 20 мг/л признается нежелательной. В качестве ПДК натрия в питьевой во­де предложено значение 50 мг/л. При концентрации более 50 мг/л увеличивается пенообразование на очистных сооружениях, возрас­тает коррозионное действие вод. Концентрация хлорида натрия в 700 мг/л оказывает токсическое действие на растения. Использо­вание питьевых вод, обогащенных хлоридами натрия (более 1 г/л), неблагоприятно сказывается на деятельности сердечно-сосудистой системы.

Карбонаты СОз?- и бикарбонаты НСОг~ также являются основ­ными компонентами природных вод. Лимитирующим их содержа­ние ингредиентом состава служит ион кальция, связывающий кар­бонаты и бикарбонаты в труднорастворимый карбонат кальция. В подземных водах с небольшим количеством углекислого газа со­держание гидрокарбонатов не превышает первых сотен миллиграм­мов на литр (карбонатные ионы характерны только для воды при рН>8,5). В углекислых подземных водах общая гидрокарбонат­ная щелочность может достигать 5 г/л и более, а в содовых озерах повышается до сотен граммов на литр. Карбонаты бикарбонаты — главные компоненты карбонатного равновесия в водах. Для прес­ных вод гидрокарбонатная щелочность обычно определяет химиче­ский тип воды, но с ростом минерализации ее место занимают бо­лее миграционно устойчивые ингредиенты состава (хлориды и сульфаты).

Щелочность подземных вод при использовании в питьевых це­лях не регламентируется, так как содержание гидрокарбонатов косвенно лимитировано жесткостью. Бальнеологическая ценность лечебных минеральных вод часто определяется высоким содержа­нием углекислого газа (более 500 мг/л), но ему также обычно со­путствует высокая щелочность воды (содовые воды). С водами, характеризующимися высокими концентрациями гидрокарбонатов и углекислого газа, обычно связаны процессы травертинообразо- вания (кальцит, арагонит), а в неуглекислых водах —цементация карбонатами порового пространства пласта при интенсивном испа­рении грунтовых вод.

Сульфаты SOi2~ также являются одним из основных компонен­тов состава подземных вод. Наиболее устойчива форма миграции серы в окислительной обстановке. Лимитирующим концентрацион­ным геохимическим барьером служит малорастворимый дигидрат сульфата кальция (гипс). При отсутствии источника кальция со­держание сульфатов ограничено только растворимостью сульфата натрия (194 г/кг) и сульфата магния (445 г/кг). Обычно в пресных подземных водах содержание сульфатов уступает содержанию гид­рокарбонатов, но в сульфатных породах — это главный компонент состава вод. Кроме сульфатных пород источником сульфатов мо­гут служить продукты окисления сульфидных минералов (вплоть до образования серной кислоты), а в атмосфере —прежде всего окисление сернистого газа и поступление сульЛатов с осадками в подземные воды (кислотные дожди).

Содержание сульфат-иона в питьевых водах в СССР ограничено значением 500 мг/л. В ряде стран (США, Франция) и Всемирной организацией здравоохранения рекомендуются более низкие пре­дельные концентрации 200—250 мг/л. Сульфатные соли в большин­стве случаев малотоксичны для человека и теплокровных живот­ных. Порог ощущения привкуса для сульфата натрия составляет 150—200 мг/л, сульфата кальция 70- 250 мг/л и сульфата магния 250—400 мг/л. Концентрация MgS04 в 1 г/л (а иногда и ниже) вы­зывает желудочные расстройства. Для орошения сельскохозяйст­венных культур вода с содержанием сульфатов более 1 г/л непри­годна. Из-за агрессивного действия на бетон гидротехнических и подземных сооружений содержание сульфата в воде лимитировано значением 1 г/л, а для сульфатостойких цементов—2,5 г/л. При более высоких содержаниях отмечается образование сульфата и сульфоалюмината кальция, полностью разрушающих бетон. В не­которых отраслях промышленности существуют жесткие ограниче­ния по содержанию сульфатов (в мг/л): сахарная, консервная и морозильная 20, молочная 60, пивоваренная и текстильная 100. Для воды, поступающей в котлы электростанций, содержание суль­фатов ограничивается значением 1000 мг/л. В бальнеологии суль­фаты рассматриваются в качестве активного компонента питьевых минеральных вод (например, Московская минеральная вода). При высоких концентрациях сульфат-иона в водах возможно образова­ние гипсовых осадков в транспортных системах.

Хлориды Ch, относящиеся к основным компонентам подземных вод, отличаются высокой миграционной способностью. Первичный 16 источник хлоридов — глубинный. В подземные воды хлориды по­ступают с атмосферными осадками (десятки миллиграммов на литр), в результате подтягивания к водозаборам соленых вод и рассолов, а также растворения галогенных пород. Кроме того, источниками хлоридов могут быть промышленные и коммуналь­ные отходы и хлоридные соли, используемые в зимних условиях при борьбе с обмерзанием транспортных артерий.

Хлориды — нежелательный компонент питьевых вод, лимитри - рованный во многих странах: ПДК изменяется от 250 (США, Франция) до 600 мг/л (Международный стандарт). В СССР в ка­честве предельной принята концентрация 350 мг/л, Рост содержа­ния хлоридов неблагоприятно сказывается на деятельности сер­дечно-сосудистой системы человека. Появление неприятных вкусо­вых ощущений соответствует концентрации NaCl в 500 мг/л. Для крупного рогатого скота содержание хлоридов 1,5 г/л опасно, а концентрация 4 г/л вызывает гибель животных, В воде, применяе­мой для орошения почвы, содержание хлоридов не должно превы­шать 150 мг/л. Для некоторых культур, например цитрусовых, вредное действие оказывают дажё воды с концентрацией 30 мг/л. В промышленных производствах ПДК хлоридов в водах колеблет­ся в очень широких пределах: от 20 мг/л до 35 г/л, как правило - составляя до 250 мг/л.

Фториды F~ обычно содержатся в подземных водах в концент­рациях от 0,1 до 0,4 мг/л и относятся к микрокомпонентам соста­ва. Максимальные концентрации фторидов (граммы на литр) ус­тановлены в некоторых районах Кольского п-ова (Ловозеро). По­вышены концентрации F - в термальных и некоторых щелочных водах. Накоплению фтора в водах препятствует относительно низ­кая растворимость флюорита CaF2, составляющая примерно 16 мг/л.

Высокие концентрации фтора токсичны для людей (флюороз); при концентрациях менее 1 мг/л возможны патологические изме­нения зубной эмали (кариес). В зависимости от климатических районов норма содержания фтора в питьевой воде изменяется от 0,7 до 1,5 мг/л. Фтор способен к аккумуляции в организме челове­ка, разрушает ферменты. При недостатке фтора (менее 0,7 мг/л) питьевую воду фторируют (добавка NaF).

Аммоний NHt+, нитраты ЫОг~ и нитриты NOz~ попадают в под­земные воды главным образом в результате разложения белковых соединений. Реже встречается азот минерального происхождения. В некоторых подземных водах содержание аммония достигает де­сятков, реже сотен миллиграммов на литр. В термальных водах содержание NH4+ может составлять граммы на литр. Нитриты присутствуют в водных концентрациях, измеряемых сотыми и де­сятыми долями миллиграммов на литр, а содержание нитратов может достигать нескольких миллиграммов на литр. Наиболее высокое содержание нитратов (до сотен миллиграммов на литр) отмечается в водах при интенсивном использовании азотных удоб­рений в сельскохозяйственных районах.

Азотсодержащие вещества рассматриваются в качестве показа­теля загрязнения подземных вод. Согласно нормативам для питье­вых вод, ПДК азота не должна превышать 10 мг/л (СССР) и 45— 50 мг/л в расчете на нитраты (Международный и Европейский стандарты). Содержание нитритов рекомендуется ограничивать 1 мг/л (США).

Сухой остаток (общая минерализация) —это величина, уста­навливаемая экспериментально при выпаривании воды. Она ха­рактеризует общее содержание растворенных солей и. частично, органических веществ. Обычно это сумма полученных при анализе минеральных веществ (часто превышает сухой остаток). С изме­нением минерализации качественно меняется и состав солевых компонентов: для пресных вод (минерализация до 1 г/л) это в основном гидрокарбонаты кальция, магния, натрия и редко суль­фаты и хлориды, в солоноватых водах преобладают сульфаты, а в соленых водах и рассолах — хлориды.

По величине сухого остатка в питьевой воде в 1 г/л (СССР) лимитируется общее солесодержание. С разрешения санитарно - эпидемиологической службы это показатель может быть увеличен до 1,5 г/л; в большинстве зарубежных стандартов эта величина рекомендуется в 500 мг/л (США, Международный стандарт). При очень низкой минерализации (менее 0,1 г/л) употребление воды в питьевых целях также может отрицательно повлиять на здоровье человека, поэтому производство воды на опреснительных установ­ках ограничено нижним пределом минерализации в 0,1 г/л.

Живое вещество является особым компонентом подземных вод, оно включает представителей животных* растений, простейших, грибов и бактерий. С глубиной количество животных, растений, простейших и грибов резко сокращается, и в подземных водах глу­боких горизонтов в пределах биосферы, т. е. до глубин с темпера­турами воды около 100 °С, обитают главным образом бактерии и некоторые мелкие простейшие (микроорганизмы).

Исследования их влияния на качество подземных вод прово­дились в основном в связи с санитарно-охранными мероприятиями, причем объектом изучения являлась патогенная микрофлора. Участие литотрофной микрофлоры в миграционных процессах по­ка практически не изучалось, хотя микробиологами уже доста­точно изучены вопросы физиологии и обмена веществ микроорга­низмов, а также характер биогеохимического взаимодействия их с окружающей средой для большинства видов литотрофной микро­флоры.