Читайте также:
|
Большую часть поверхностных вод занимают моря и океаны, по массе на них приходиться более 90 % от всей массы воды в гидросфере.
Второе место по массе в поверхностных водах занимают снежно-ледниковые образования. В самом крупном Антарктическом леднике сосредоточено 2,4 • 10 19 кг воды, в 10 раз меньше в леднике в Гренландии. Снега и льды задерживают растворимые вещества, изменяют газовый обмен между почвой, подземными, поверхностными водами и атмосферой. Например, при образовании льда на поверхности океанов, морей и рек переход Ca(HCO3) в труднорастворимое вещество CaCO3 сопровождается выделением в атмосферу примерно 100 млн тонн СО2.
Из малых составляющих поверхностных вод наибольшая масса воды содержится в озерах. Самое крупное из них – Каспийское море, площадь которого 371 тыс. км2, самое глубокое 0 озеро Байкал (1620 км), самое мелкое – Чад – 12 м.
С точки зрения движения вод озера – это маленькие модели океана, а по концентрации и набору растворенных веществ озера ближе к подземным водам. Очень соленые озера чаще всего совершенно бессточны: вода рек и ледников приносит растворенные вещества, которые при испарении накапливаются в озере. Более чем в 10 раз более соленую воду содержат некоторые озера, по сравнению с водой мирового океана.
Болота – другая малая составляющая надземных вод, промежуточное звено между озерами и подземными водами. Их общая площадь около 3 млн. км2. Болота – главные ловушки органического углерода, в них происходит его накопление и захоронение.
Реки в отличие от озер и болот – быстрые транспортеры воды. Имея сравнительно небольшой мгновенный запас воды, реки в течение года доставляют к устью массу воды, равную 4,5 • 1013 т. Расход воды в самой крупной реке мира Амазонке составляет 200 тыс. м3/с. Речная вода содержит различные элементы,часть из которых находиться в виде ионов. Реки разнообразны по протяженности и ширине, глубине и скорости движения. Длина Амазонки достигает радиуса земного шара, а малых рек и речушек с протяженностью меньше 10 км только в России около 2 млн. И малые речушки и громадные реки регулярно обновляют водой всю гидросферу – 1 раз за 30 тыс. лет. За время существования нашей планеты вода Мирового океана и подземной гидросферы прошла через реки более 100 тыс. раз. Речной сток в незначительной степени содержит дождевые и талые воды. Чем ближе к устью, тем глубже крупная река вскрывает водоносные горизонты, тем больше использует подземные кладовые воды. Реки могут пересохнуть во время сильных засух, и перемерзать в сильные морозы, исчезать под землей и появляться вновь, теряться в песках, стремительно нести воды в горных каньонах или вообще не иметь течения, теряя воду за счет испарения.
На строение и основные процессы, происходящие в подземной гидросфере, существует более или менее общепринятая точка зрения. Более или менее, потому что исследователям сложно, а чаще всего и невозможно проводить измерения в земных глубинах. Самая глубокая шахта на Земле достигает глубины всего 12 км, где давление массы породы достигает 3000 атмосфер, а температура более 200 градусов Цельсия. И все-таки ученым удалось очень много сделать для раскрытия тайны подземных вод. Мы часто сталкиваемся с подземными водами, лежащими близко к поверхности: родниками, ключами, гейзерами. До глубины 300-500 м находиться зона интенсивного водообмена: верховодка и грунтовые воды,которые постоянно связаны с наземными водоемами. Скорость движения воды здесь небольшая (см/с) м полный обмен с поверхностными водами может достигать столетий. Ниже, на глубине 1,5 – 2 км водообмен затруднен из-за уменьшения пористости и трещин пород. Средние темпы возобновления запасов воды составляют здесь десятки-сотни тысяч лет, еще глубже водообмен может происходить за миллионы лет. Примерно также подземные воды располагаются по минерализации – степени содержания растворенных солей. В пределах первых сотен метров вглубь от поверхности минерализация составляет около 1% (1 г/л) с преобладанием гидрокарбонатного аниона HCO3-, глубже минерализация возрастет до 3,5 %, здесь много сульфатных анионов, еще глубже минерализация превышает 3,5 %, состав подземной воды приближается к составу морской воды, увеличивается концентрация ионов хлора. Поэтому подземные воды часто подразделяют на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.
Подземные воды имеют свою «растворенную атмосферу». В зоне интенсивного водообмена они содержат кислород и азот, глубже появляются сероводород и метан, а в глубоко залегающих водах – углекислый газ и водород. В подземных водах на глубине от 1 до 4 км содержится 1000 см3/л газов, а в океане только до 20 см3/л. Общая масса газов, растворенных в глубинных водах, приближается к массе атмосферы Земли.
В подземной гидросфере есть огромное количество растворенных органических веществ. Содержание органического углеводорода в грунтовых водах изменяется от десятков до сотен миллиграмм на литр воды. Масса органических веществ (2,5 • 1015кг) в 10 раз превышает массу всех запасов нефти на Земле. Много в водах высокомолекулярных органических соединений – гумусов, часто придающих рекам и озерам коричневый или черный цвет.
В пространстве между земной поверхностью и подземными водами незанятые жидкой водой поры заполняет водяной пар, который, проникая сверху, конденсируется. Такой слой толщиной в несколько метров прослеживается над всей сушей. Много пара образуется при выходе перегретых вод с температурой от 1000С до 4500С.
При надкритических значениях температуры (3740С для чистой воды и 4500С для водяных растворов) и давления 218 атм и более различия между жидкостью и паром стираются. Образующаяся «водяная плазма», обладающая очень высокой подвижностью, находиться в сравнительно небольшом слое литосферы.
Около 12 млрд. лет тому назад вода из мантии Земли равномерно просачивалась сквозь земную кору, подземная гидросфера была в те далекие времена основным поставщиком вод на планете. Около 1,5 млрд. лет тому назад плотность земных пород в целом стабилизировалась, механизм «просачивания» стал отходить на второй план, все большую роль стал играть круговорот воды над материками и океанами.
Существует несколько различных классификаций вод. В зависимости от водопользования воды могут быть питьевые, речные, озерные, артезианские, морские, сточные, смешанные и илы.
Питьевая вода - это вода, в которой бактериологические, органолептические показатели и показатели токсичных химических веществ находятся в пределах норм питьевого водоснабжения (отсутствие запаха, вкуса, цвета, минерализация не более 1 г/л, жесткость не должна превышать 7,0 ммоль/л, рН в пределах 6,5-9,5, концентрация нитрат-иона не более 45-50 мг/л, коли-индекс не более 3, коли-титр не менее 300).
Состав речных и озерных вод зависит от ряда особенностей, к которым относятся скорость течения, геологические особенности местности, климатические и погодные условия, интенсивность воздействия на ионный и газовый состав биологических процессов и хозяйственной деятельности человека.
Состав артезианских вод зависит от зональности - от пресных гидрокарбонатных в верхней части до высокоминерализованных хлоридных в глубоких частях бассейна. Под смешанными водами подразумеваются дождевая, колодезная, кипяченая вода и вода из устьев рек (солоноватая).
Другая классификация подразделяет все воды на морские, поверхностные, подземные и осадки.
Классификации природных вод по химическому составу основываются на самых различных признаках: минерализации, концентрации преобладающего компонента или групп их, соотношении между концентрациями разных ионов, наличии повышенных концентраций каких-либо специфических компонентов газового (СО2, Н2S, CH4 и др.) или минерального (F, Ra и др.) состава.
Известны попытки классифицировать природные воды в соответствии с общими условиями, в которых формируется их химический состав, а также по гидрохимическому режиму водных объектов.
К наиболее известным классификациям относятся классификации С.А.Щукарева, Н.И.Толстихина, В.А.Сулина, О.А.Алекина. Для минеральных вод ранее применяли классификацию В.А.Александрова, в настоящее время - В.В.Иванова и Г.А.Невраева; для рассолов используется классификация М.Г.Валяшко. Для поверхностных вод наиболее часто применяется классификация О.А.Алекина, сочетающая принцип деления химического состава воды по преобладающим ионам с делением по количественному соотношению между ними.
По преобладающему аниону природные воды делятся на три класса:
1) гидрокарбонатные и карбонатные (большинство маломинерализованных вод рек, озер, водохранилищ и некоторые подземные воды);
2) сульфатные воды (промежуточные между гидрокарбонатными и хлоридными водами, генетически связаны с различными осадочными породами);
3) хлоридные воды (высокоминерализованные воды океана, морей, соленых озер, подземные воды закрытых структур и т.д.).
Каждый класс по преобладающему катиону подразделяется на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. Каждая группа в свою очередь подразделяется на четыре типа вод, определяемых соотношением между содержанием ионов в процентах в пересчете на количество вещества эквивалента:
I. HCO3- * Ca2+ + Mg2+.
II. HCO3- * Ca2+ + Mg2+ * HCO3- + SO2-4.
III. HCO3- + SO2-4 * Ca2+ + Mg2+ или Cl- * Na+.
IV. HCO3- = 0.
Воды I типа образуются в процессе химического выщелачивания изверженных пород или при обменных процессах ионов кальция и магния на ионы натрия и являются маломинерализованными. Воды II типа смешанные, к ним относятся воды большинства озер, рек и подземные воды с малой и умеренной минерализацией. Воды III типа метаморфизированные, включают часть сильноминерализованных природных вод или вод, подвергшихся катионному обмену ионов натрия на ионы кальция и магния. К этому типу относятся воды морей, океанов, морских лиманов, реликтовых водоемов. К IV типу относятся кислые воды - болотные, шахтные, вулканические или воды сильно загрязненные промышленными стоками.
Выделяют несколько классификаций природных вод по минерализации. Округляя различные пределы значений, О.А.Алекин наметил следующее деление природных вод по минерализации:
1) рассолы (соленость > 50‰);
2) морские (соленость 25 - 30‰);
3) солоноватые (соленость 1 - 25‰);
4) пресные (соленость до 1‰).
В химическом составе морской воды можно выделить 5 компонентов:
1) главные ионы – это 11 компонентов составляют 99,98% по весу от всех растворенных в океанской воде солей (табл.2).
2) Биогенные элементы (C, H, N, P, Si, Fe, Mn), из которых состоят организмы;
3) Растворимые в морской водде газы: O2, N2, CO2, углеводороды и инертные газы;
4) Микроэлементы;
5) органические вещества.
хлориды, а не карбонаты. ВУ этом состоит главное отличие морской воды от речной, в которой преобладают углекислые соли. Постоянство солевого состава морской воды – главнейшая закономерность в химии океана. Концентрация растворенных солей определяет величину солености океана. За эту величину солености (S) принят вес сухого остатка, содержащегося в 1 кг морской воды, когда карбонаты переведены в оксиды, бромиды и йодиды замещены эквивалентным количеством хлора и органические вещества сожжены при 4800С. Единица измерения – г/кг, или промилле (‰). Однако большей частью соленость вычисляется по хлорности, электропроводности или показателю преломления. Между соленостью и хлорностью имеется соотношение 5‰ = 1,81 Сl.
Средний элементарный состав поверхностных вод суши отличается от среднего элементного состава мирового океана. Если в океане резко преобладают хлор и натрий, то в речных и озерных водах гидрокарбонаты кальция и магния. Отмечаются различия и по степени концентрации ионного состава. В Мировом океане концентрация растворенных веществ в среднем в 175 раз превышает таковую в реках и озерах. Состав речной и озерной воды зависит главным образом от типа почвы и горных пород, через которые она проходит, а также от типа источника питания в виде поверхностного стока или грунтовых вод: обычно в грунтовой воде содержание растворенных веществ больше, чем в водах поверхностного стока.
Принцип Ле Шателье — Брауна (1884 г.) — если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.
Существующее между различными формами угольной кислоты равновесие суммарно выражается уравнением:
| 2HCO3-=CO3-+CO2+H2O | (1.9) |
Из этого уравнения следует, что для поддержания в растворе определенной концентрации НСО3 требуется, чтобы в воде присутствовало эквивалентное этой концентрации количество свободной "равновесной углекислоты" С02. Так как растворимость С02зависит от температуры и парциального давления СO2 в воздухе, контактирующем с раствором, при определенных условиях содержание СО3 в воде может оказаться меньше или больше значения, соответствующего расчетному равновесному содержанию ее в системе НСО3 - С02. Это приведет к смещению равновесия по уравнению (1.9) вправо или влево и вызовет изменение концентрации СО3 по отношению к его равновесному значению. Система (т. е. природная вода, содержащая Са2++НСО3, СО2, СО2), может оказаться неустойчивой и в ней самопроизвольно начнут протекать процессы, приводящие к восстановлению равновесия (принцип Ле - Шателье) и сопровождающиеся выделением из раствора твердой фазы СаСО3 (избыток ионов CO2) либо растворением твердой фазы СаСО3(недостаток по отношению к равновесному значению ионов СO3-). На этом основании воду с фактическим (определенным аналитически) содержанием С02, равным ее расчетной по уравнению (1.9) равновесной концентрации, называют стабильной. При содержании С02, большем ее равновесной концентрации, избыток ее способен вызывать растворение СаСО3 при контакте воды, например, с бетонными сооружениями, доломитовыми и известняковыми породами, поэтому такую воду называют агрессивной. Наоборот, при недостатке С02 по сравнению с равновесной концентрацией будет наблюдаться распад части бикарбонатных ионов с образованием дополнительного количества карбонатных ионов и выделением из системы твердой фазы карбоната кальция по уравнению:
Дата добавления: 2015-01-30; просмотров: 243 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |