Водная среда

     СаСО3 + H2O + СO2  ® Са(НСОз)2

     Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах  в тех или иных количествах. Большую  роль в формировании химического  состава воды играют подстилающие почву  грунты, с которыми вода вступает в  соприкосновение, фильтруясь и растворяя  некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают воды осадочные породы, такие, как известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная соль и др. В свою очередь  почва и породы обладают способностью адсорбировать из природной воды некоторые ионы (например, Са+2,  Mg+2), замещая их эквивалентным количество других ионов (Na+, К+).

     Подпочвенными водами легче всего растворяются хлориды и сульфаты натрия и магния, хлорид кальция. Силикатные и алюмосиликатные  породы (граниты, кварцевые породы и  т.д.) почти нерастворимы в воде и  содержащей углекислоту и органические кислоты.

     Наиболее  распространенными в природных  водах являются следующие ионы: С1-, SO4-, НСО3, СО3-, Na+, Mg2+, Са2+, H+.

     Ион хлора присутствует почти во всех природных водоемах, причем его содержание меняется в очень широких пределах. Сульфат - ион также распространен  повсеместно. Основным источником растворенных в воде сульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием  сульфат - иона обычно выше, чем в  воде рек и озер. Из ионов щелочных металлов в природных водоемах в  наибольших количествах находится  ион натрия, который является характерным  ионом сильноминерализованных вод  морей и океанов.

     Ионы  кальция и магния в маломинерализованных водах занимают первое место. Основным источником ионов кальция является известняки, а магния - доломиты (MgCO3, СаСО3). Лучшая растворимость сульфатов  и карбонатов магния позволяет присутствовать ионам магния в природных водах  в больших концентрациях, чем  ионов кальция.

     Ионы  водорода в природной воде обусловлены  диссоциацией угольной кислоты. Большинство  природных вод имеют рН в пределах 6,5 - 8,5. Для поверхностных вод, в связи с меньшим содержанием в них углекислоты, рН обычно выше, чем для подземных.

     Соединения  азота в природной воде представлены ионами аммония, нитритными, нитратными ионами за счет разложения органических веществ животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают в водоемы со сточными промышленными водами.

     Соединения  железа очень часто встречаются  в природных водах, причем переход  железа в раствор может происходить  под действием кислорода или  кислот (угольной, органических). Так, например, при окислении весьма распространенного в породах пирита получается сернокислое железо:

     FeS2 + 4O2 ® Fe2+ + 2SO42-,

     а при действии угольной кислоты –  карбонат железа:

     FeS2 + 2Н2СОз ® Fe2+ + 2НСОз + H2S + S.

     Соединения  кремния в природных водах  могут быть в виде кремниевой кислоты. При рН >8 кремниевая кислота находится практически в недиссоциированном виде; при рН <8 кремниевая кислота присутствует совместно с HSiO3 , а при рН >П - только HSiOз . Часть кремния находится в коллоидном состоянии, с частицами состава HSiO2·H2O , а также в виде поликремневой кислоты: X·SiO2·Y·H2O. В природных водах присутствуют также Аl3+, Mg2+ и другие катионы.

     Помимо  веществ ионного типа природные  воды содержат также газы и органические и грубодисперсные взвеси. Наиболее распространенными в природных  водах газами являются кислород и  углекислый газ. Источником кислорода  является атмосфера, углекислоты - биохимические  процессы, происходящие в глубинных  слоях земной коры, углекислота из атмосферы.

     Из  органических веществ, попадающих извне, следует отметить гуминовые вещества, вымываемые водой из гумусовых почв (торфяников, сапропелитов и др.). Большая  часть из них находится в коллоидном состоянии. В самих водоемах органические вещества непрерывно поступают в  воду в результате отмирания различных  водных организмов. При этом часть  из них остается взвешенной в воде, а другая опускается на дно, где происходит их распад.

     Грубодисперсные примеси, обуславливающие мутность природных вод, представляют собой  вещества минерального и органического  происхождения, смываемые с верхнего покрова земли дождями или  талыми водами во время весенних паводков.

Подземные воды.

     Советский ученый Лебедев на основе многочисленных экспериментов разработал классификацию  видов воды в почвах и грунтах. Представления А.Ф. Лебедева, получившие дальнейшее развитие в более поздних  исследованиях, позволили выделить следующие виды воды в горных породах: в форме пара, связанную, свободную, в твердом состоянии.

     Паро-образованная вода занимает в породе поры, не заполненные  жидкой водой, и перемещается за счет различной величины упругости пара или потоком воздуха. Конденсируясь  на частицах породы, водяные пары переходят  в другие виды влаги.

     Различают несколько видов связанной воды. Сорбированная вода удерживается частицами породы под влиянием сил, возникающих при взаимодействии молекул воды с поверхностью этих частиц и с обменными катионами. Сорбированную воду разделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Если влажную глину подвергать давлению, то даже под давлением в несколько тысяч атмосфер часть воды невозможно удалить из глины. Это прочносвязанная вода. Полное удаление такой воды достигается лишь при температуре 150 - 300°С. Чем меньше минеральные частицы, слагающие породу, и, следовательно, выше их поверхностная энергия, тем большее количество прочносвязанной воды в этой породе. Рыхлосвязанная, или пленочная, вода образует плёнку вокруг минеральных частиц. Она удерживается слабее и довольно легко удаляется из породы под давлением. Особенно важную роль играет сорбированная вода в глинистых породах. Она влияет на прочностные свойства глин и фильтрационную способность.

     Как уже указывалось, связанная вода участвует в строении кристаллических  решёток некоторых минералов. Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической  решётки. Гипс, например, содержит две  молекулы воды CaSО4·2H2О. При нагревании гипс теряет воду и превращается в ангидрит (CaSО4).

     Известно, что при температуре около 4°С вода имеет максимальную плотность 1,000 г/см3. При 100°С её плотность - 0,958 г/см3, при 250°С -                                 0,799 г/см3. За счет пониженной плотности происходит конвективное, восходящее движение нагретых подземных вод.

     Принято считать, что вода практически несжимаема. Действительно, коэффициент сжимаемости  воды, показывающий, на какую долю первоначального  объема уменьшится объём воды при  увеличении давления на 1 ат, очень мал. Для чистой воды он равен 5•10-5 1/ат. Однако упругие свойства воды, а также водовмещающих пород играют важнейшую роль в подземной гидродинамике. За счет сил упругости создается напор подземных вод. Температура и давление действуют на плотность воды в противоположном направлении.

     Плотность подземных вод зависит также  от их химического состава и концентрации солей. Если пресные подземные воды имеют плотность, близкую к 1 г/см3, то плотность концентрированных  рассолов достигает 1,3 - 1,4 г/см3. Повышение  температуры приводит к значительному  уменьшению вязкости подземных вод  и, таким образом, облегчает их движение через мельчайшие поры.

     Подземные воды исключительно разнообразны по своему химическому составу. Высокогорные источники обычно дают очень пресную  воду с низким содержанием растворенных солей, иногда менее 0,1 г. в 1 л., а в  одной из скважин в Туркменистане  был рассол с минерализацией 547 г/л.

Загрязнение.

     Под загрязнением водоемов понимается снижение их биосферных функций и экономического значения в результате поступления  в них вредных веществ. Одним  из видов загрязнения водоемов является тепловое загрязнение. Электростанции, промышленные предприятия часто  сбрасывают подогретую воду в водоем. Это приводит к повышению в  нем температуры воды. С повышением температуры в водоеме уменьшается  количество кислорода, увеличивается  токсичность загрязняющих воду примесей, нарушается биологическое равновесие.

     В загрязненной воде с повышением температуры  начинают бурно размножаться болезнетворные микроорганизмы и вирусы. Попав в  питьевую воду, они могут вызвать  вспышки различных заболеваний.

     В ряде регионов важным источником пресной  воды являлись подземные воды. Раньше они считались наиболее чистыми. Но в настоящее время в результате хозяйственной деятельности человека многие источники подземной воды также подвергаются загрязнению. Нередко это загрязнение настолько велико, что вода из них стала непригодной для питья.

     Человечество  потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными  ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство. Наиболее водоемкие  отрасли   промышленности   -   горнодобывающая,   сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности. Главный же потребитель пресной  воды - сельское хозяйство: на его нужды  уходит 60-80% всей пресной воды. В современных  условиях сильно увеличиваются потребности  человека в воде на коммунально-бытовые  нужды. Объем потребляемой воды для  этих целей зависит от региона  и уровня жизни, составлял от 3 до 700 л на одного человека, в Москве, например, на каждого жителя приходится около 650 л, что является одним из самых высоких показателей в  мире.

     Из  анализа водопользования за 5-6 прошедших  десятилетий вытекает, что ежегодный  |прирост безвозвратного водопотребления, при котором использованная вода безвозвратно теряется для природы, составляет 4-5%. Перспективные расчеты показывают, что при сохранении таких темпов потребления и с учетом прироста населения и объемов производства к 2100 г. человечество может исчерпать все запасы пресной воды.

     Уже в настоящее время недостаток пресной воды испытывают не только территории, которые природа обделила водными ресурсами, но и многие регионы, еще недавно вчитавшиеся благополучными в этом отношении. В настоящее  время потребность в пресной  воде не удовлетворяется у 20% городского и 75% сельского населения планеты.

     Вмешательство человека в природные процессы затронуло  даже крупные реки (такие, как Волга, Дон, Днепр), изменив в сторону  уменьшения объемы переносимых водных масс (сток рек). Используемая в сельском хозяйстве вода по большей части  расходуется на испарение и образование  растительной биомассы и, следовательно, не возвращается в реки. Уже сейчас в наиболее обжитых районах страны сток рек сократился на 8%, а у таких  рек, как Дон, Терек, Урал - на 1 1-20%. Весьма драматична судьба Аральского моря, по сути, прекратившего существование  из-за чрезмерного забора вод рек  Сырдарьи и Амударьи на орошение. Ограниченные запасы пресной воды еще больше сокращаются  из-за их загрязнения. Главную опасность  представляют сточные воды (промышленные, сельскохозяйственные и бытовые), поскольку  значительная часть использованной воды возвращается в водные бассейны в виде сточных вод.

     Загрязнение поверхностных вод.

     Качество  воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой  качества поверхностных вод обнаруживают тенденцию увеличения числа створов с высоким уровнем загрязненности (более 10 ПДК) и числа случаев экстремально высокого содержания (свыше 100 ПДК) загрязняющих веществ в водных объектах.

     Состояние водных источников и систем централизованного  водоснабжения не может гарантировать  требуемого качества питьевой воды, а  в ряде регионов (Южный Урал, Кузбасс, некоторые территории Севера) это  состояние достигло опасного уровня для здоровья человека. Службы санитарно-эпидемиологического  надзора постоянно отмечают высокое  загрязнение поверхностных вод.

     Около 1/3 всей массы загрязняющих веществ  вносится в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах, в том числе и в Москве. В связи с этим проводится гиперхлорирование воды, что, однако небезопасно для здоровья населения в связи с образованием хлорорганических соединений.

     Одним из основных загрязнителей поверхностных  вод является нефть и нефтепродукты. Нефть может попадать в воду в  результате естественных ее выходов  в районах залегания. Но основные источники загрязнения связаны  с человеческой деятельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и  промышленного сырья.

     Среди продуктов промышленного производства особое место по своему отрицательному воздействию на водную среду и  живые организмы занимают токсичные  синтетические вещества. Они находят  все более широкое применение в промышленности, на транспорте, в  коммунально-бытовом хозяйстве. Концентрация этих соединений в сточных водах, как правило, составляет 5-15мг/л при  ПДК - 0,1 мг/л. Эти вещества могут образовывать в водоёмах слой пены, особенно хорошо заметный на порогах, перекатах, шлюзах. Способность к пенообразованию  у этих веществ появляется уже  при концентрации 1-2 мг/л.

     Наиболее  распространенными загрязняющими  веществами в поверхностных водах  являются фенолы, легко окисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, а в отдельных регионах страны - аммонийный и нитритный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метил меркаптан, формальдегид и др. Огромное количество загрязняющих веществ вносился в поверхностные воды со сточными водами предприятий черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, нефтяной, газовой, угольной, лесной, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностным стоком с прилегающих территорий.