Właściwości wód podziemnych

Gospodarka Wodna Gospodarka Wodna Wykład nr 4 Na podstawie podręcznika HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 OPRACOWAŁ dr hab.inż.wojciech Chmielowski prof.pk Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej, PK Właściwości wód podziemnych

Fizyczne, organoleptyczne, chemiczne, i bakteriologiczne własności wód podziemnych 1 Właściwości fizyczne i organoleptyczne Do cech fizycznych wód podziemnych, istotnych dla ich praktycznego wykorzystania, należą : 1. Temperatura, 2. Przezroczystość i mętność, 3. Barwa, 4. Przewodnictwo elektryczne, 5. Radoczynność Do cech organoleptycznych wód podziemnych, istotnych dla ich praktycznego wykorzystania, należą : zapach i smak

1.1 TEMPERATURA Temperatura wód podziemnych waha się w granicach 0 100 stopni C. Temperatura wód podziemnych zależy od szeregu czynników, jak: 1. Szerokość geograficzna, 2. Wysokość nad poziom morza, 3. Głębokość pod powierzchnią ziemi, 4. Prędkość przepływu wody, 5. Geologiczno fizyczne właściwości środowiska geologicznego. Temperatura wody wykazuje pewne wahania w zależności od głębokości występowania. Wahania dobowe sięgają do głębokości 0,8-1,0 m, sezonowe 5-8m, a roczne 15-20 m.

Głębokości te zależą od przewodnictwa cieplnego gleby i skał, struktury, wilgotności, pokrycia powierzchni terenu, ekspozycji i nachylenia terenu Na głębokości, w której zanikają wahania temperatur, rozciąga się strefa stałych temperatur, zwana strefą neutralną Temperatura w tej strefie równa jest średniej temperaturze położenia tej miejscowości nad poziomem morza. Poniżej strefy stałych temperatur, temperatura skał, a w ślad za tym także i wody rośnie według wartości stopnia geotermicznego i na określonej głębokości jest zawsze stała. Na tej podstawie możliwe jest obliczenie teoretycznej temperatury wody na zadanej głębokości lub głębokości, z której pochodzi woda o określonej temperaturze.

Obliczenie TEMPERATURY wody na zadanej głębokości T H = T t H H śr = t śr g + A + H h g o [ C] [ T ( t + A) ] + h[ m] H śr temperatura wody na glebokosci H, srednia roczna temperatura powietrza w danej miejscowosci, A wspolczynnik poprawkowy zalezny od wysokosci nad poziom morza, wysokosc n. p. m 0 500 1000 o wartosc A[ C] 0,8 1,0 1,3 h glebokosc strefy stalych temperatur, g stopien geotermiczny,, okolo 30 40 m

H = g T t T H śr [ T ( t + A) ] + h[ m] temperatura wody na glebokosci H = 300 srednia roczna temperatura powietrza wysokosc n. p. m 0 500 1000 o wartosc A[ C] 0,8 1,0 1,3 h glebokosc strefy stalych temperatur = g stopien geotermiczny, H = 20 o H + 1,1 o śr, okolo 30 40 m o [ C] [ m] w danej miejscowosci, = A wspolczynnik poprawkowy zalezny od wysokosci = 800 300 20 + = 29,1 35 20 [ m],, [ m] nad 20 o [ C] poziom morza,

Z uwagi na temperaturę dzielimy wodę na podstawie kryterium hydrogeologicznego na wody : Chłodne Zwykłe Ciepłe T<t śr T=t śr T>t śr Według kryterium balneologicznego dzielimy wody na Zwykłe T<= 20 0 C Termalne T> 20 0 C Wody termalne dzielą się z kolei w stosunku do temperatury ciała ludzkiego na: Hipotermalne ( pocieplne) T=20-34 0 C Homeotermalne( równocieplne) T=34 0 C 38 0 C Hipertermalne (nadcieplne) T>38 0 C

1.2 PRZEZROCZYSTOŚĆ i MĘTNOŚĆ Przezroczystość wody jest to zdolność przepuszczania prze nią promieni słonecznych. Mętność wody to zdolność absorbowania promieni słonecznych Mętność wywołana jest obecnością zawiesin pyłowych lub koloidalnych pochodzenia mineralnego lub organicznego. W większości przypadków wody podziemne są doskonale przezroczyste. Dużą mętność wykazują wody bagienne oraz wody mioceńskie formacji brunatno-węglowej, w których zawarte są zawiesiny pyłu węgla brunatnego. Oznaczenie przezroczystości polega na określeniu wysokości słupa wody, przez który wzorcowy druk o wysokości liter 1,25 mm daje się przeczytać. Miarą przezroczystości jest wysokość słupa wody w centymetrach, przy którym druk jest wyraźnie i ostro czytelny

Mętność oznacza się przez porównanie badanej wody umieszczonej w szklanym cylindrze z odpowiednimi wzorcami mętności. Wzorcami są szklane cylindry z wodą, w której znajdują się drobne zawiesiny ziemi okrzemkowej lub kaolinu o różnej zawartości wyrażonej w miligramach na decymetr sześcienny wody. Wzorzec określa następujące zawartości ziemi okrzemkowej [ ] 3 mg 0, 0,25; 0,5; 1 2 3 4 5 10 20 dm W praktyce często pomija się badania mętności i oznacza się ją przeliczając wyniki badania przezroczystości na odpowiednie wartości mętności wg przybliżonego wzoru: 950 M= P 3 M metosc wody mg dm P przezroczystosc [ ] [ cm]

1.3 BARWA Barwa rzeczywista spowodowana jest wyłącznie rozpuszczonymi w wodzie związkami, Barwa pozorna spowodowana jest mechanicznymi zawiesinami, które mogą być usunięte Barwę oznacza się w skali platynowo-kobaltowej przez porównanie próbki ze wzorcami. Wyniki podaje się w mgpt/dm 3 1.4 AKTYWNOŚĆ Źródłem naturalnej radoczynności wód podziemnych są pierwiastki promieniotwórcze należące do szeregów: uranowo-radowego, torowego, antynowego. Jednostką bezwzględną natężenia radoczynności jest 1 bekerel (Bq), który równa się rozpadowi 1 atomu na sekundę.

Aktywność właściwą określa się liczbą bekereli na metr sześcienny wody (Bq/m 3 ) W zależności od natężenia promieniowania wyróżnia się radoczynność: Słabą <80 (Bq/dm3) Średnią 80-400 (Bq/dm3) Silną 400 4000 (Bq/dm3) Radoczynność niektórych źródeł w Polsce

1.5 SMAK Odczucia smakowe zależą od: 1. Wrażliwości narządów zmysłu smaku, tzn. kubków smakowych, znajdujących się na języku i oplecionych zakończeniami nerwowymi, 2. Temperatury wody, 3. Jakości i ilości rozpuszczonych lub zawieszonych substancji Przy dobrej wrażliwości najmniejsze stężenia potrzebne do wyczucia smaku wynoszą: NaCL ( chlorek sodu, sól kuchenna) 165 mg/dm 3 W zależności od substancji wywołujących smak rozróżnia się następujące rodzaje smaków MgSO 4 (siarczan magnezu) 250 mg/dm 3 KCl ( chlorek potasu) 420 mg/dm 3

1.6 ZAPACH Wody podziemne są przeważnie bez zapachu. Jedynie wody płytkie pozostające w ścisłym związku 1. z bagnami, 2. moczarami i torfowiskami, 3. wody zakażone ściekami miejskimi lub przemysłowymi 4. i niektóre wody mineralne mają mniej lub bardziej intensywny zapach. Rozróżnia się 5 stopni natężenia zapachu podobnie jak smaku. Woda przy natężeniu 3 stopnia jest niezdatna do picia, przy wyższych stopniach nie można jej również stosować do celów gospodarczych.

ZAPACH R Zapachy roślinne wywołane związkami Organicznymi, które Nie znajdują się w stanie rozkładu Zapachy pochodzenia naturalnego Zapachy specyficzne pochodzenia nienaturalnego Zapach chlorowy Zapach ziemisty Zapach fenolowy Zapach torfowy S Zapach mszysty Zapach kory drzewnej Zapachy gnilne wywołane substancjami organicznymi w stanie rozkładu Zapach stęchły Zapach zbutwiały G Zapach zgnitych jaj

2. Właściwości chemiczne wód podziemnych 2.1 Skład chemiczny wód podziemnych zależy przede wszystkim od rodzaju i właściwości skał, przez które woda się przesącza. Najbardziej rozpowszechnione w wodach podziemnych są : aniony chloru, siarczanowy, wodorowęglanowy, kationy sodu, wapnia, amonu, magnezu Poza wymienionymi pierwiastkami w wodach podziemnych znajdować się mogą jako mikroelementy : lit, bor, fluor, glin, krzem, miedź, bar, ołów, chrom, arsen, Śladowo mogą występować : rubin, złoto, rtęć, oraz pierwiastki promieniotwórcze: radon, toron, aktynon, rad, tor.

2.2 Ogólna mineralizacja. Stopień zmineralizowania wody określa się prze ogólną mineralizację, której wskaźnikiem orientacyjnym jest masa suchej pozostałości określająca zawartość nielotnych składników wody Ogólna mineralizacja jest nieco zaniżona gdyż w procesie odparowywania i suszenia osadu następuje częściowy rozkład węglanów z wydzieleniem lotnego dwutlenku węgla. Suchą pozostałość wyznacza się przez odparowanie wody i wysuszenie powstałego osadu w temperaturze 105 0 C Suchą pozostałość oblicza się jako stosunek masy suchego osadu do objętości próbki wody: S = m s [ ] mg dm 3 V

Według ogólnej mineralizacji dzieli się wody na trzy podstawowe grupy: 1. Normalne lub słodkie S<500 mg/dm 3 2. O podwyższonej mineralizacji S=500 do 1000 mg/dm 3 3. Mineralne S>1000 mg/dm 3 2.3 Odczyn wody Hydroliza - reakcja chemiczna polegająca na rozpadzie cząsteczek związku chemicznego na dwa lub więcej mniejszych fragmentów w reakcji z wodą lub parą wodną. W wodach podziemnych które są złożonymi roztworami, wartość stężenia jonów wodorowych ph zależy przede wszystkim od dysocjacji rozpuszczonych składników Dysocjacja elektrolityczna to proces rozpadu cząsteczek związków chemicznych na jony pod wpływem rozpuszczalnika,

Symbol ph oznacza logarytm stężenia jonów wodorowych [H + ] ze znakiem ujemnych. 1. Podczas hydrolizy soli słabej zasady i słabego kwasu odczyn roztworu pozostaje praktycznie obojętny. 2. Hydroliza soli słabego kwasu i mocnej zasady wytwarza roztwór alkaliczny, 3. a hydroliza soli pochodzącej z mocnego kwasu i słabej zasady wytwarza roztwór kwaśny. Jeżeli ph = -log [H+] = 7 oznacza to, że jej odczyn takiej wody jest obojętny. Zmiana ph na mniejsze od 7 oznacza zmianę odczynu na kwaśny, zaś ph >7 wskazuje na odczyn zasadowy. Odczyn wód naturalnych waha się w granicach ph 4-9 i zależy od wielu czynników: zawartości węglanów, wodorowęglanów i dwutlenku węgla (wody węglanowe są zasadowe, ubogie w węglany kwaśne); charakteru podłoża glebowego, które może zawierać związki o charakterze kwaśnym lub zasadowym; zanieczyszczeń ściekami; opadów atmosferycznych, które mogą powodować wzrost ilości słabych i mocnych kwasów w wodach

2.4 Dwutlenek węgla CO 2 Źródłem dwutlenku węgla są procesy magmowe i chemiczne, fizjologiczne oraz działalność człowieka. W procesach magmowych i wulkanicznych powstają ogromne ilości dwutlenku węgla, który szczelinami dostaje się do wody podziemnej i łatwo się rozpuszcza. Dwutlenek węgla odgrywa dużą rolę przy rozpuszczaniu niektórych węglanów zwłaszcza wapnia i magnezu. 2.5 Tlen Zawartość tlenu w wodach podziemnych jest bardzo mała. Na pewnej głębokości, zwanej granica tlenową, tlen zupełnie zanika. 2.6 Wapń Jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych w wodzie pierwiastkiem. Zawartość wapnia w wodach bliższych powierzchni terenu nie przekracza 1g/dm 3

2.7 Magnez Występuje on rzadziej niż wapń i w mniejszych ilościach. Powstaje przez ługowanie dolomitu CaMg(CO 3 ) 2. Przy zawartości ponad 1000 mg/dm 3 jest źródłem agresywności magnezowej 2.8 Twardość wody Obecność soli wapniowych i magnezowych w wodzie warunkuje bardzo ważną właściwość chemiczną, zwaną twardością wody. Im większe stężenie jonów Ca 2+, Mg 2+, tym większa jest twardość wody. Twardość węglanowa nazywana tez przemijającą wywołana jest przez wodorowęglany wapnia i magnezu. Twardość węglanowa w nieznacznym stopniu spowodowana jest obecnością węglanów i wodorotlenków wapnia i magnezu

Twardość niewęglanowa ( twardość stała) spowodowana jest obecnością mniej pospolitych soli wapniowych takich jak siarczany i chlorki, rzadziej azotany, fosforany, krzemiany. Sole te nie wytrącają się podczas gotowania Suma twardości węglanowej i niewęglanowej jest twardością ogólną Obowiązująca w Polsce jednostka twardości wody jest jeden mg CaCO 3 /dm 3

Węglan wapnia (CaCO 3 ) to białe ciało stałe, trudno rozpuszczalne w wodzie, jednak jest rozpuszczalny w wodzie nasyconej dwutlenkiem węgla lub w roztworze chlorki amonu (NH 4 Cl - salmiak). Ma budowę krystaliczną. Temperatura topnienia wynosi 1289 o C. W wysokiej temperaturze (ok. 900oC) oraz pod wpływem kwasów rozkłada się na tlenek wapnia (CaO - wapno palone) i dwutlenek węgla (CO2). W wodzie nasyconej dwutlenkiem węgla przechodzi w wodorowęglan wapnia: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3 ) 2 Wody podziemne zawierające CO 2 rozpuszczają skały wapienne. Wydostając się na powierzchnię tracą CO 2 i wydzielają węglan. Dzięki temu procesowi na ścianach jaskiń powstają stalaktyty i stalagmity. W przyrodzie występuje w postaci: kalcytu - jest to najtwardsza, krystaliczna postać węglanu wapnia. Może być bezbarwny lub w zależności od domieszek - żółty, różowy, szary. Jest składnikiem wielu skał osadowych (wapieni, margli) oraz metamorficznych (marmurów). Wykorzystywany jest głównie w przemyśle ceramicznym i szklarskim.

aragonitu - pospolity składnik skorupy i szkieletów współczesnych organizmów, główny składnik pereł. Niekiedy tworzy się w skutek procesów hydrotermalnych, krystalizuje z wód gorących źródeł lub tworzy nacieki na jaskiniach. W jubilerstwie jest rzadko stosowany ze względu na miękkość. kamienia wapiennego kredy - skała osadowa powstałą w wyniku nagromadzenia dużych ilości wapiennych szkieletów glonów planktonicznych, skorupek otwornic i drobnych nieorganicznych ziaren kalcytu. W Polsce występuje na Wyżynie Lubelskiej. Kamień wapienny wykorzystywany jest do produkcji wapna palonego (reakcja podana jest wyżej) i cementu. Z kredy naturalnej wyrabia się kredę do pisania oraz jest to dodatek w produkcji farb. Tzw. kreda strącona jest używana do wyrobu papieru, kitu, farb, gumy oraz past do zębów.

2.9 Żelazo i mangan Żelazo i mangan występują w wodach podziemnych w niewielkiej ilości. Nieduże ilości, rzędu dziesiętnych mg/dm 3, powodują zmianę smaku wody ( smak atramentu). W przewodach wodociągowych tworzy się szlamisty osad, który z czasem twardnieje, zmniejsza czynna powierzchnie przepływu aż do całkowitego zatkania rur. Woda z większą zawartością żelaza i manganu nie może być stosowana w pralniach, farbiarniach i przemyśle spożywczym. Wody do picia i celów gospodarczych nie mogą zawierać ogólnego Fe ponad 0,5 mg/dm 3 oraz manganu Mn 2+ ponad 0,1 mg/dm 3 2.10 Jon chlorkowy Należy do najczęściej rozpowszechnionych, towarzyszy jonom sodu i potasu, wywołując zasolenie wód. Wpływa ujemnie na smak i zapach. W wodach pitnych zawartość jonu chlorkowego nie może przekraczać 250 mg CL - /dm 3. Obecność wolnego chloru dopuszczalna jest tylko w razie chlorowania wody w ilości 0,3-0,5 mg CL 2 /dm 3.

2.11 Jon siarczanowy SO 4 2- Głównym jego źródłem jest ługowanie skał siarczanowych - gipsu, anhydrytu, soli magnezowo-potasowych. Często jon siarczanowy dostaje się do płytkich wód podziemnych wskutek rozkładu i utleniania substancji organicznych. Zawartość jego w wodach do picia nie może przekraczać 200 mg SO 4 2- /dm 3 W większych ilościach działa agresywnie w stosunku do betonu powodując spęcznienie i spękanie betonu. 2.11 Związki azotowe azotanowy Występują one w postaci jonów amonowych, jonów azotynowych i azotanowych. Większe ich ilości, rzędu kilku lub kilkunastu mg/dm 3, występują w niektórych wodach płytkich, do których mogą dostać się ze źródeł powierzchniowego zanieczyszczenia. W skutek rozkładu substancji białkowych powstaje, przy współudziale bakterii gnilnych, amoniak. Obecność amoniaku w wodzie płytkiej wskazuje na świeże źródło zanieczyszczenia, równoczesna zaś obecność amoniaku, azotynów i azotanów wskazuje, że woda jest od długiego czasu zanieczyszczana. NH NO NO + 4 2 3 jon jon jon amonowy azotynowy

3. Zakres badań fizycznych i chemicznych własności wód podziemnych Określenie podstawowych cech fizycznych i chemicznych jest niezbędne do charakterystyki technicznej i hydrogeologicznej wód podziemnych. Zakres analizy zależy od celu jakiemu ma służyć i winien być każdorazowo ustalany przez hydrogeologa i technologa. Orzeczenie o badaniach powinno zawierać następujące informacje : 1. Dane dot. Laboratorium wykonującego badania, 2. Osoby, która pobrała próbkę, 3. Lokalizacja ujęcia, 4. Czasu i sposobu pobrania próbki, 5. Ilości i głębokości pobrania wody, 6. Warstwy wodonośnej Dz.U.2007.61.417 zawiera Rozporządzenie Ministra Zdrowia dotyczące wymagania odnośnie jakości wody do spożycia przez ludzi, częstotliwość i zakres badań wody, program monitoringu jakości wody, sposób nadzoru nad laboratoriami wykonującymi badania jakości wody, oraz sposób informowania konsumentów o jakości wody.

Gospodarka Wodna Gospodarka Wodna Wykład nr 4 Na podstawie podręcznika HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 OPRACOWAŁ dr hab.inż.wojciech Chmielowski prof.pk Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej, PK Właściwości wód podziemnych