Геохимия грунтовых вод городских территорий

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

КАМСКАЯ ГОСУДАРТСВЕННАЯ  ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

КАФЕДРА «ХИМИИ И ЭКОЛОГИИ»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Основы  Научных исследований»

на тему: «Геохимия грунтовых  вод городских территорий»

Выполнил:           Студент группы3506

Калимуллина А.А.

Принял: доцент, к.б.н                                                   Шарафутдинов Р.Н.

г.Набережные Челны

2012 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………...................3

1.Условия залегания подземных вод в земной коре…………………………….5

1.2.Режим грунтовых вод. Зависимость колебаний уровня от климата………..9

1.3.Грунтовые и межпластовые безнапорные воды……………………………12

2.Состав грунтовых вод…………………………………………………………..15

2.1.Общая минерализация……………………………………………………….19

2.2.Химический состав…………………………………………………………..19

2.3.Коэффициент фильтрации…………………………………………………..22

3.Защита зданий от грунтовых  вод……………………………………………..26

3.1.Отвод грунтовых вод в бесподвальных зданиях………………………..…26

3.2.Отвод грунтовых вод в зданиях  с подвалами………………………………27

3.3.Карты гидроизогипс………………………………………………………….28

3.4.Дренаж………………………………………………………………………..29

4.Питьевые и технические подземные  воды……………………………………31

4.1.Проблемы минерально-сырьевой  базы питьевых подземных вод  Российской Федерации………………………………………………………....41

5.Ландшафтные проблемы городов……………………………………………..45

5.1.Причины загрязнения грунтовых  вод……………………………………….47

5.2.Опасность ядохимикатов…………………………………………………….49

5.3.Восстановление качества грунтовых  вод…………………………………...51

Заключение  ………………………………………………………………………54

Список использованной литературы …………………………………………...56

Введение

Вода – самое удивительное природное соединение на Земле –  источник жизни и условие ее формирования. «Нет природного тела, которое могло  бы сравниться с ней по влиянию  на ход основных, самых грандиозных  геологических процессов», – писал  В.И. Вернадский (1934).

Вода стоит особняком  в истории нашей планеты. Э. Дюбуа образно заметил, что «жизнь есть одушевленная вода». Вулканы Земли в совокупности выбрасывают в атмосферу около 40 миллионов тонн водяного пара. Любая минеральная частица, выглядящая вроде бы совершенно сухой, при нагревании примерно до 500° С растрескивается под давлением пара, в который превратилась вода, изначально содержавшаяся в микроскопических трещинках или включениях. В составе живых организмов вода вообще основной компонент (от 60 до 98% массы тела). Диапазон температурных условий в биосфере таков, что вода здесь может находиться в трёх различных состояниях (жидком, твёрдом и газообразном) и переходить из одного состояния в другое. Это придаёт процессам её круговорота особую динамичность и разнообразие.

Все природные воды тесно  связаны между собой и находятся  в постоянном движении. Даже самые  глубокие подземные воды участвуют  в общем круговороте. Вода – самая  универсальная и самая важная среда миграции. Все природные  воды содержат растворенные газы, ионы недиссоциированные молекулы и коллоидные частицы.

В настоящее время проблема загрязнения водных объектов (рек, озер, морей, грунтовых вод и т.д.) является наиболее актуальной, т.к. всем известно – выражение «вода - это жизнь». Без воды человек не может прожить более трех суток, но, даже понимая всю важность роли воды в его жизни, он все равно продолжает жестко эксплуатировать водные объекты, безвозвратно изменяя их естественный режим сбросами и отходами (Левин А. С., 2006).

Актуальность  темы обусловлена тем, что по данным Глобального центра окружающей среды при Агенстве международного развития США, к 2050 г. останутся лишь 3 или 4 страны, которые не будут испытывать острого кризиса из-за нехватки воды, включая Россию. Грунтовые воды являются ценным природным ресурсом, который мы должны сохранять и оберегать.

Целью данной работы является изучение и анализ геохимии грунтовых  вод городских территорий.

Задачи работы:

1. Изучить состав, особенности и общие характеристики грунтовых вод.
2. Оценить роль грунтовых вод при строительстве зданий и объектов.
3. Изучить проблемы минерально-сырьевой базы питьевых подземных вод Российской Федерации
4. Проанализировать основные методы очистки грунтовых вод

1. Условия залегания подземных вод в земной коре

Грунтовые воды, - подземные воды первого от поверхности Земли постоянного водоносного горизонта. Образуются главным образом за счёт инфильтрации (просачивания) атмосферных осадков и вод рек, озёр, водохранилищ, оросительных каналов; местами запасы грунтовых вод пополняются восходящими водами более глубоких горизонтов (например, водами артезианских бассейнов), а также за счёт конденсации водяных паров.

Сверху грунтовые  воды обычно не перекрываются водонепроницаемыми породами, а водопроницаемый пласт  они заполняют не на полную мощность, поэтому поверхность грунтовых  вод является свободной, ненапорной. На отдельных участках, где всё же имеется местное водоупорное перекрытие, грунтовые воды приобретают местный напор (величина последнего определяется положением уровня грунтовых вод на прилегающих участках, не имеющих водоупорного перекрытия). Когда буровая скважина или копаный колодец достигают грунтовых вод, их уровень (т. н. зеркало грунтовых вод) устанавливается на той глубине, где они были встречены. Области питания и распространения грунтовых вод совпадают. Вследствие этого условия формирования и режим грунтовых вод обладают характерными особенностями, отличающими их от более глубоких артезианских вод: грунтовые воды чувствительны ко всем атмосферным изменениям. В зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков поверхность грунтовых вод испытывает сезонные колебания: в сухое время года она понижается, во влажное - повышается, изменяются также

химический состав и температура грунтовых вод. Вблизи рек и водоёмов изменения  уровня, расхода и химического  состава грунтовых вод определяются характером гидравлической связи их с поверхностными водами и режимом  последних. Величина стока грунтовых  вод за многолетний период приблизительно равна количеству воды, поступившей  путём инфильтрации. В условиях влажного климата развиваются интенсивные  процессы инфильтрации и подземного стока, сопровождаемые выщелачиванием почв и горных пород. При этом легко  растворимые соли - хлориды и сульфаты - выносятся из пород и почв; в  результате длительного водообмена формируются пресные грунтовые воды, минерализованные лишь за счёт относительно мало растворимых солей (преимущественно гидрокарбонатов кальция). В условиях засушливого тёплого климата (в сухих степях, полупустынях и пустынях) вследствие кратковременности выпадения и малого количества атмосферных осадков, а также слабой дренированности местности подземный сток грунтовых вод не развивается; в расходной части баланса грунтовых вод преобладает испарение и происходит их засоление.

Различия условий  формирования грунтовых вод обусловливают  зональность их географического  распределения, которая тесно связана  с зональностью климата, почвенного и растительного покрова. В лесных, лесостепных и степных районах  распространены пресные (или слабоминерализованные) грунтовые воды; в пределах сухих  степей, полупустынь и пустынь  на равнинах преобладают солёные  грунтовые воды, среди которых  пресные воды встречаются лишь на отдельных участках.

Наиболее значительные запасы грунтовых вод сосредоточены  в аллювиальных отложениях речных долин, в конусах выноса предгорных областей, а также в неглубоко залегающих массивах трещиноватых и закарстованных известняков (реже в трещиноватых изверженных породах).

В низинах, оврагах, долинах и др. отрицательных участках рельефа ниже уровня грунтовых вод  происходит их истечение на поверхность  в виде родников. Они в значительной степени питают собой пруды, озёра  и реки.

При наличии источников питания залегание подземных  вод в земной коре в значительной мере определяется геологическим строением  местности: структурой и литологическим составом горных пород. Чередование водопроницаемых и водоупорных пород создает условия для накопления свободных вод в толще водопроницаемых горных пород, залегающих на водоупорах.

В этих условиях на различных  глубинах от поверхности земли формируются  водоносные слои, или водоносные горизонты - насыщенные водой водопроницаемые слои горных пород.

Вода может заполнять  не всю толщу водопроницаемого слоя породы, а лишь до определенной поверхности. Если при вскрытии водоносного горизонта  колодцем, шурфом или скважиной вода в них устанавливается на том же уровне, на котором она находится в породе, то эта уровенная поверхность является свободной (безнапорной) и носит название зеркала или уровня подземных вод.

Многие водоносные горизонты  обладают со свободной поверхностью.

Свободная поверхность  подземных вод не может быть идеально ровной. Над ней поднимаются капиллярные  воды, увлажняющие до некоторой высоты вышерасположенный слой водоносной породы, называемый капиллярной каймой, которая гидравлически связана  со всей остальной водной массой водоносного  слоя и испытывает такие же колебания, как и уровень подземной воды. Высота капиллярной каймы над зеркалом подземных вод зависит от свойств водоносной породы и меняется в широких пределах: от нескольких сантиметров в грубозернистых песках до 4 м и более в суглинистых породах. Расстояние по вертикали от водоупорного ложа до зеркала подземных вод называется мощностью водоносного слоя.

При вскрытии водоносного  пласта, перекрытого сверху водоупорной породой, уровень в скважине может установиться выше нижней поверхности водоупорного пласта. В этом случае воды, заполняющие водопроницаемую породу, находятся под гидростатическим напором, а водоносный горизонт называется напорным водоносным горизонтом.

Водообильность водоносных слоев, свойства вод и условия их передвижения различны и определяются, помимо геологической структуры и литологического состава, глубиной залегания и степенью изолированности водоносных горизонтов друг от друга и от поверхности земли.

Чем ближе подземные  воды залегают к поверхности, тем  значительнее они подвергаются воздействию  климатических факторов и тем  интенсивнее водообмен между подземными, почвенными и поверхностными водами.

Верхнюю часть земной коры в отношении распределения в  ней подземных вод принято  делить на две зоны: зону аэрации  и зону насыщения.

В зоне аэрации вода обычно не заполняет полностью поры и пустоты породы, а если и заполняет, то временно и не везде. В этой зоне непосредственно у поверхности земли в почвах залегают почвенные воды.

В зоне насыщения поры породы заполнены водой и на различных глубинах в ней залегают грунтовые, межпластовые безнапорные и напорные воды. Подземные воды по степени подвижности и интенсивности водообмена с поверхностными водами (рек, озер, болот) различны. Наиболее подвижны воды зоны активного водообмена. Нижняя граница этой зоны намечается гидрогеологами на уровне базиса эрозии малых и средних рек. В этой зоне формируются грунтовые и межпластовые воды, безнапорные или с местным напором. Эти воды, дренируемые речными долинами и озерными котловинами, являются источником питания рек и озер и представляют собой наиболее устойчивую, зарегулированную часть речного стока.

Глубже расположены  воды замедленного и весьма замедленного водообмена. В них формируются, как правило, напорные (артезианские) воды. Связь их с поверхностными водами затруднена и естественный выход на земную поверхность, особенно вод зоны весьма замедленного водообмена, представляет собой редкое явление.

1.2 Режим грунтовых вод. Зависимость колебаний уровня от климата

Изменение во времени уровня подземных вод, их температуры, химического  состава и минерализации называется режимом подземных вод. Наибольшие изменения элементов режима наблюдаются в водоносных горизонтах со свободной водной поверхностью, и тем большие, чем ближе воды расположены к поверхности земли. По своему режиму наиболее динамичны грунтовые воды. В этих водах проявляются годовые, сезонные и даже суточные колебания.

Природа колебаний уровня грунтовых вод различна. Выделяют два рода этих колебаний:

1. Действительные колебания отражают изменения запасов воды в водоносном слое и тесно связаны с условиями питания и расходования грунтовых вод, т. е. с атмосферными осадками, испарением, стоком.

2. Кажущиеся колебания являются следствием изменения гидростатического давления воды в водоносном слое. «Кажущимися» они названы потому, что наблюдаются лишь в скважинах, колодцах и других наблюдательных объектах. Само же зеркало грунтовых вод (в пласте, а не в колодце), а следовательно, и запасы их могут оставаться без изменения. Колебания эти кратковременны и в значительной мере зависят от глубины зеркала грунтовых вод. Они резко выражены при близком залегании грунтовых вод от поверхности земли и сравнительно малой мощности зоны аэрации. В этом случае изменения объема воздуха в зоне аэрации влекут за собой изменения гидростатического давления в водоносном пласте, передающиеся в наблюдательные скважины в виде резких колебаний уровня воды. Изменение давления воздуха в зоне аэрации происходит под воздействием просачивающейся сверху воды, струи которой действуют в порах грунта как поршни, нагнетающие воздух, под влиянием температуры, изменения атмосферного давления и т. п. Кажущиеся колебания накладываются на действительные колебания зеркала грунтовых вод, в результате чего график колебаний уровня становится при неглубоком залегании грунтовых вод иногда довольно сложным.

Амплитуда колебаний уровня грунтовых вод определяется не только изменением запасов, но и водными свойствами породы, вмещающей воду, и, в частности, ее водоотдачей. Известно, что один и тот же объем породы с разными водными свойствами содержит разное количество воды, способной к свободному вытеканию. Следовательно, чем меньше будет водоотдача, чем меньше свободной воды способна вмещать порода в единице объема, тем большие колебания уровня происходят в водоносном слое при прочих равных условиях.

На территории России выделяются три типа режима грунтовых вод, которые определяются зональными особенностями питания и расходования:

- кратковременное, преимущественно летнее питание («мерзлотный» тип). Отличается не только кратковременностью питания, но и коротким (летним) периодом стока грунтовых вод вследствие промерзания их в условиях сурового климата и многолетней мерзлоты

- сезонное питание (преимущественно  весенне-осеннее). Характерно для континентального климата с продолжительной и холодной зимой, когда отсутствует пополнение запасов грунтовых вод путем инфильтрации атмосферных осадков. Расходование в виде грунтового стока осуществляется в течение всего года, потери же на испарение происходят в теплый сезон. Для этого типа в колебаниях уровня прослеживаются два максимума (весной и осенью) и два минимума (летом и зимой). Подобный ход уровней характерен для областей с близким залеганием грунтовых вод к дневной поверхности. Время наступления максимумов по мере перехода от зоны избыточного увлажнения к зонам переменного и недостаточного увлажнения смещается: весеннего на более ранние, а осеннего на более поздние сроки.

- круглогодичное питание  (преимущественно зимнее). Свойственно климату с непродолжительной мягкой зимой, в течение которой инфильтрация атмосферных осадков в грунт не прерывается, потери же на испарение ничтожны. По этим причинам уровень грунтовых вод начиная с осени повышается и достигает максимума в середине зимы. К концу зимы, весной и летом в связи с возрастающими потерями на испарение уровень снижается и минимум его наступает в июле-августе.

Эти закономерности уровенного режима грунтовых вод, характерные для той или иной климатической зоны, могут сильно меняться в зависимости от геологического строения местности и гидрогеологических ее особенностей. Существенное значение имеет глубина залегания грунтовых вод. С ее увеличением колебания уровня, вызванные изменением метеорологических факторов, сглаживаются, происходит запаздывание в наступлении максимума и минимума уровня, иногда на несколько месяцев.

Температура грунтовых вод, залегающих вблизи поверхности земли и питающихся, как правило, атмосферными осадками данного места, испытывает влияние температуры воздуха, и тем отчетливее, чем ближе к поверхности залегают грунтовые воды. Суточные колебания температуры проникают до глубины около 1-2 м, сезонные — до глубины слоя грунта с постоянной температурой. Колебания температуры воздуха отражаются в колебании температуры воды в сглаженном виде и с запозданием во времени наступления максимумов и минимумов температуры, увеличивающимся с глубиной. Если область питания грунтовых вод расположена вдали от области их распространения, то в их температурном режиме проявляется влияние не только температуры воздуха области распространения, но и главным образом температуры источника питания.

Таким образом, температура  грунтовых вод может служить  показателем источника питания  и относительной глубины залегания  их от поверхности. Резкие колебания температуры грунтовых вод служат неблагоприятным показателем в отношении санитарного качества вод. Такие воды тесно связаны с поверхностью и могут легко загрязняться.

Химический состав подземных вод определяется сложными процессами взаимодействия между составом горных пород, вмещающих воды того или иного горизонта, и динамикой самих вод не только в настоящем, но и в прошлом.

Минерализация грунтовых вод меняется в широких пределах: от 100-150 мг/л до нескольких десятков граммов на литр.

Химический состав и  минерализация грунтовых вод, тесно  связанных с поверхностными и  почвенными водами, отражают влияние  климатических условий. Это влияние  тем больше, чем ближе воды расположены  к земной поверхности.

3. Грунтовые и межпластовые безнапорные воды

Грунтовыми водами в узком понимании этого определения называют свободные гравитационные воды водоносного горизонта, залегающего на первом водоупорном слое.

В зависимости от характера  залегания горных пород различают грунтовой поток и грунтовой бассейн (Рис. 3). В природе наблюдаются различные сочетания этих разновидностей залегания.

Рис. 3. Схема залегания  грунтовых вод:

а — грунтовой поток, б — грунтовой бассейн.

Воды, залегающие в водопроницаемой  толще пород, заключенной между двумя водоупорными слоями, называют межпластовыми водами. Верхний водоупорный слой в этом случае называетсяводоупорной кровлей, а нижний — водоупорным ложем. Грунтовые воды имеют обычно свободную уровенную поверхность. Свободную поверхность имеют и межпластовые воды, в том случае, если они безнапорные или если водоносная порода насыщена водой неполностью.

Скопления подземных вод  отмечаются как в рыхлых обломочных породах, так и в трещиноватых массивных изверженных или сильно метаморфизированных осадочных породах. В первом случае воды относятся к типу пластовых вод. Они обычно равномерно распределены по всему пласту и движение их осуществляется по мелким порам и пустотам между зернами, слагающими породу. Во втором случае воды называютсятрещинно-жильными. Распространение их и движение приурочено к трещинам и крупным пустотам. Не всегда можно четко разграничить пластовые воды и трещинные, поэтому различают трещинно-пластовые воды.

Площадь распространения  грунтовых вод, за редким исключением, совпадает сплощадью их питания, т. е. с областью, в пределах которой воды атмосферных осадков проникают в почву и грунт и могут пополнять запасы грунтовых вод. Площадь распространения межпластовых вод не совпадает с областью их питания. Основные области питания этих вод приурочены к местам выходов водоносной породы на земную поверхность. Дополнительное питание межпластовые воды получают за счет просачивания вод из вышерасположенных водоносных горизонтов через относительные водоупоры.

Грунтовые воды формируются:

- на междуречных массивах,

- в аллювиальных отложениях  речных долин,

- в предгорных конусах  выноса;

- в областях ледниковых  отложений,

- в межгорных впадинах  и котловинах,

- в местах накопления песчано-галечных отложений горных рек,

- в областях распространения карста.

В естественных условиях зеркало грунтовых вод представляет собой обычно не горизонтальную поверхность, а волнистую и весьма часто в сглаженной форме повторяет наземный рельеф. Это объясняется различными причинами: неоднородностью пород в отношении проницаемости как в зоне аэрации, так и в зоне насыщения, различной скоростью просачивания и различными условиями питания грунтовых вод и выхода их на поверхность в местах пересечения водоносного пласта долинами рек, оврагов и т. п. К месту выхода грунтовых вод на поверхность уровень их понижается. Такое понижение уровня наблюдается и у межпластовых безнапорных вод.

Глубина залегания грунтовых вод может быть различной: от десятков метров до 1-2 м. В последнем случае они обычно в весенний период смыкаются с почвенными водами и образуют, как говорилось выше, почвенно-грунтовые воды. Разновидностью последних являются болотные грунтовые воды, зеркало которых находится в пределах торфяной залежи.

Безнапорные межпластовые воды (Рис. 4) обычно приурочены к водоносным толщам значительной мощности, прорезаемым гидрографической сетью. Эти воды залегают, как правило, неглубоко. Речные долины иногда прорезают несколько ярусов межпластовых вод. В этом случае в местах дренирования на разных уровнях склона долины (котловины) воды выходят на поверхность и являются устойчивыми источниками питания поверхностных водотоков и водоемов.

Рис. 4. Схема залегания  подземных вод: 1 – верховодка; 2 –  межпластовые

безнапорные воды; 3 – грунтовые  воды; 4 – межпластовые напорные

воды; 5 - поверхностный  водоем.

2. Состав грунтовых вод

Многообразие производств, огромное число химических продуктов (исходных, промежуточных, конечных), применяемых  и получаемых в технологических  процессах, обуславливают образование  различных стоков, загрязнённых всевозможными  органическими и неорганическими  веществами. Во многих случаях воды содержат растворённые газы (сероводород, метан, углекислый газ). Стоки производств просачиваются в почву через неплотности трубопроводов и других коммуникаций на территории предприятия.

Часть загрязняющих веществ  смываются осадками с территории предприятия (промзоны), а также с крыш и стен зданий. Степень вредности вод зависит от токсичности загрязняющих веществ. Очистка от таких примесей, как соли тяжёлых металлов, цианиды, полициклические углеводороды, сероводород и многие другие, является отдельной производственной задачей. Следует учитывать агрессивность стоков по отношению к материалам трубопроводов, коллекторов и аппаратов очистных сооружений. Речь идёт не только о величине pH, но и о содержании в водах некоторых солей и газообразных продуктов. Ситуация осложняется также тем, что загрязнённые воды смешиваются в почве с водами, имеющими свой сложный геохимический состав, поэтому очистку вод необходимо планировать с учётом всей сложности суммарного состава почвенных вод.

Анализ химического состава  подземных вод открывает пути для изучения генезиса, пригодности  для различных потребителей, определения  уровня их агрессивности для бетонных и металлических конструкций. Результаты химических анализов воды могут быть выражены в весовой, эквивалентной и процент-эквивалентной формах.

Весовая форма – представление ионно-солевого состава воды в миллиграммах (граммах) в 1 дм³ или 1 кг воды. В зарубежной литературе результаты анализа могут быть приведены в частях на миллион, что соответствует концентрации мг/дм³.

Эквивалентная форма записи состава вод позволяет определить соотношение между ионами с точки зрения их способности участвовать в химических реакциях, оценить качество анализа, установить генезис вод.

На основе эквивалентной  формы выражения состава можно  определить погрешность анализа  воды. Эта оценка основана на принципе электронейтральности раствора: сумма концентраций катионов (мг-экв/дм³) равна сумме концентраций анионов. Анализ воды считается удовлетворительным, если погрешность определения менее 5%.

Процент-эквивалентная форма показывает относительную долю участия иона в формировании ионно-солевого состава воды. Для вычисления процентного содержания анионов (катионов) их сумму принимают за 100% и рассчитывают процент содержания каждого аниона (катиона) по отношению к их сумме. Процент-эквивалентная форма позволяет устанавливать черты сходства вод, различающихся по минерализации.

Минерализация воды (М) – это сумма минеральных веществ в граммах или миллиграммах, содержащихся в 1 дм³ воды. Для определения М суммируют содержание всех ионов, определенных химическим анализом и выраженных в весовой форме.

Жесткость воды определяется содержанием в ней солей Са²⁺ и. Mg²*. Различают: общую, карбонатную, временную (устранимую), некарбонатную, неустранимую (постоянную) жесткости.