Раздел 2. Гидрология и гидрогеология. Лабораторная работа № 13 Химический состав природных вод. Построение и расчленение гидрографа реки
Задача работы. Знакомство с наиболее распространенными типами природных вод, приобретение навыков пересчета результатов химического анализа природных вод из ионной (мг/л) в миллиграмм-экивалентную и процент-эквивалентную формы. Выражение химического состава природных вод в виде формулы Курлова. Оценка практически значимых параметров природных вод (жесткость, степень минерализации, агрессивность). Построение и расчленение гидрографа реки
Учебный материал. Таблицы химического анализа природных вод (число анализов по числу студентов), результаты наблюдений гидропостов для построения гидрографа (число вариантов должно соответствовать числу студентов в подгруппе), микрокалькуляторы, линейки, карандаши (простые и цветные), резинки, листы белой и миллиметровой бумаги формата А4.
Методические указания. Химический состав природных вод. Для определения химического состава пробы воды объемом 1 л фильтруют от взвесей и анализируют в гидрохимической лаборатории. Результаты анализа выражают в трех формах: в ионной, в миллиграмм-экивалентной и процент-эквивалентной (табл. 7).
Ионная форма анализа отражает содержание в воде катионов и анионов в мг/л. Для пересчета данных анализа в миллиграмм-эквивалентную форму необходимо весовое количество (мг) разделить на эквивалентную массу каждого катиона или аниона (приведены в таблицах пересчетов или берутся непосредственно из Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева). Для получения процент-эквивалентов необходимо сумму миллиграмм-эквивалентов (отдельно анионов и отдельно катионов) принять за 100% и вычислить в процентах относительное количество каждого аниона и каждого катиона.
Минерализация воды (М) – общее содержание в ней солей
М=(А+К) мг/л,
где А – суммарное содержание анионов (мг/л), а К - суммарное содержание катионов (мг/л).
Таблица 7
Химический состав природных вод
|
Номер варианта |
Форма выра-жения |
Макрокомпоненты |
pH | ||||||
|
Анионы |
Катионы | ||||||||
|
Cl- |
SO-42- |
HCO3- |
Na+ |
NH4+ |
Ca2+ |
Mg2+ | |||
|
1 |
мг/л |
10,6 |
- |
262,3 |
9,7 |
0,5 |
62,99 |
12,33 |
7,5 |
|
мг/экв |
0,3 |
- |
4,3 |
0,42 |
0,03 |
3,15 |
1,02 | ||
|
% экв |
6,5 |
- |
93,5 |
9,13 |
0,6 |
68,26 |
21,96 | ||
|
2 |
мг/л |
7,05 |
- |
42,7 |
9,9 |
1,3 |
6,1 |
1,23 |
5 |
|
мг/экв |
0,2 |
- |
0,7 |
0,43 |
0,07 |
0,3 |
0,1 | ||
|
% экв |
22,22 |
- |
77,78 |
47,78 |
7,78 |
33,33 |
11,11 | ||
|
3 |
мг/л |
21,06 |
86,82 |
228,75 |
206,4 |
0,16 |
21,02 |
6,96 |
8,39 |
|
мг/экв |
0,59 |
1,8 |
7,5 |
8,97 |
0,008 |
1,05 |
0,6 | ||
|
% экв |
5,6 |
17,5 |
70,7 |
84,63 |
0,078 |
9,0 |
5,4 | ||
|
4 |
мг/л |
24,6 |
7,62 |
170,8 |
47,76 |
0,1 |
53,5 |
21,46 |
7,97 |
|
мг/экв |
0,69 |
0,16 |
5,6 |
21,07 |
0,005 |
2,67 |
1,76 | ||
|
% экв |
10,6 |
2,49 |
85,9 |
31,9 |
0,08 |
40,97 |
27,07 | ||
|
5 |
мг/л |
30,42 |
7,41 |
427,0 |
38,62 |
0,5 |
76,28 |
32,89 |
7,6 |
|
мг/экв |
0,86 |
0,15 |
7,00 |
1,68 |
0,03 |
3,80 |
2,70 | ||
|
% экв |
10,47 |
1,83 |
85,26 |
20,46 |
0,35 |
46,29 |
32,69 | ||
|
6 |
мг/л |
10,53 |
20,98 |
12,2 |
30,2 |
0,1 |
48,7 |
13,9 |
7,8 |
|
мг/экв |
0,3 |
0,44 |
3,9 |
1,3 |
0,005 |
2,47 |
1,14 | ||
|
% экв |
6,05 |
8,9 |
81,75 |
26,8 |
0,11 |
46,69 |
23,4 | ||
|
7 |
мг/л |
21,05 |
43,62 |
161,65 |
65,4 |
0,15 |
37,26 |
34,2 |
7,76 |
|
мг/экв |
0,59 |
0,91 |
5,3 |
2,84 |
0,008 |
1,86 |
2,8 | ||
|
% экв |
7,89 |
12,07 |
70,41 |
37,78 |
0,11 |
24,71 |
31,4 | ||
|
8 |
мг/л |
10,4 |
16,8 |
88,45 |
23,10 |
0,1 |
33,42 |
13,9 |
7,68 |
|
мг/экв |
0,39 |
0,35 |
2,89 |
1,004 |
0,005 |
1,67 |
1,14 | ||
|
% экв |
10,34 |
9,2 |
75,85 |
26,28 |
0,14 |
43,64 |
29,93 | ||
|
9 |
мг/л |
9,59 |
1,65 |
47,58 |
47,84 |
0,6 |
98,99 |
18,36 |
8,05 |
|
мг/экв |
0,28 |
0,03 |
7,80 |
2,08 |
0,03 |
4,90 |
1,50 | ||
|
% экв |
3,29 |
0,35 |
91,66 |
24,44 |
0,35 |
57,58 |
17,63 | ||
|
10 |
мг/л |
9,89 |
3,29 |
280,6 |
20,24 |
1,1 |
66,59 |
11,02 |
8,2 |
|
мг/экв |
0,23 |
0,07 |
4,6 |
0,88 |
0,06 |
3,30 |
0,9 | ||
|
% экв |
5,44 |
1,35 |
89,33 |
17,09 |
1,17 |
64,08 |
17,47 | ||
|
11 |
мг/л |
286,6 |
460,9 |
268,4 |
13,8 |
0,6 |
339,02 |
62,48 |
7,8 |
|
мг/экв |
8,14 |
9,58 |
4,4 |
0,6 |
0,03 |
16,8 |
5,10 | ||
|
% экв |
36,13 |
42,52 |
19,53 |
2,66 |
0,13 |
74,57 |
22,64 | ||
|
12 |
мг/л |
7,02 |
2,0 |
128,1 |
10,14 |
0,15 |
74,53 |
3,48 |
7,97 |
|
мг/экв |
0,19 |
0,04 |
4,2 |
0,44 |
0,008 |
3,72 |
0,29 | ||
|
% экв |
7,42 |
0,92 |
94,3 |
9,9 |
0,18 |
83,5 |
6,4 | ||
Продолжение таблицы 7
|
Номер варианта |
Форма выра-жения |
Макрокомпоненты |
pH | ||||||
|
Анионы |
Катионы | ||||||||
|
Cl- |
SO-42- |
HCO3- |
Na+ |
NH4+ |
Ca2+ |
Mg2+ | |||
|
13 |
мг/л |
12.3 |
5,35 |
87,6 |
12,5 |
- |
51,6 |
7,54 |
7,73 |
|
мг/экв |
0,35 |
0,11 |
3,2 |
0,54 |
- |
2,57 |
0,62 | ||
|
% экв |
9,3 |
2,97 |
85,63 |
14,51 |
- |
68,90 |
16,6 | ||
|
14 |
мг/л |
7,05 |
- |
170,8 |
14,8 |
0,5 |
38,61 |
4,93 |
7,3 |
|
мг/экв |
0,2 |
- |
2,8 |
0,64 |
0,03 |
1,93 |
0,4 | ||
|
% экв |
6,67 |
- |
93,33 |
13,33 |
1,0 |
64,34 |
21,33 | ||
|
15 |
мг/л |
12,3 |
3,7 |
140,3 |
17,96 |
- |
61,15 |
16,24 |
8,01 |
|
мг/экв |
0,35 |
0,08 |
4,5 |
0,78 |
- |
3,05 |
1,34 | ||
|
% экв |
6,7 |
1,49 |
89,01 |
15,12 |
- |
59,0 |
25,81 | ||
|
16 |
мг/л |
3,5 |
11,5 |
108,5 |
8,65 |
- |
69,97 |
8,7 |
8,07 |
|
мг/экв |
0,098 |
0,24 |
1,78 |
0,37 |
- |
3,24 |
0,72 | ||
|
% экв |
2,3 |
5,5 |
81,9 |
8,7 |
- |
74,8 |
16,5 | ||
|
17 |
мг/л |
17,6 |
17,7 |
91,5 |
12,36 |
- |
64,97 |
12,76 |
8,0 |
|
мг/экв |
0,5 |
0,73 |
2,99 |
0,54 |
- |
3,24 |
1,05 | ||
|
% экв |
10,23 |
7,6 |
62,11 |
11,3 |
- |
67,14 |
21,7 | ||
|
18 |
мг/л |
14,04 |
55,96 |
128,1 |
27,21 |
0,1 |
71,66 |
10,3 |
8,14 |
|
мг/экв |
0,39 |
1,16 |
2,1 |
1,18 |
0,005 |
3,57 |
1,67 | ||
|
% экв |
6,14 |
18,11 |
65,28 |
18,39 |
0,78 |
55,58 |
25,95 | ||
|
19 |
мг/л |
9,59 |
1,65 |
70,8 |
26,22 |
1,4 |
38,34 |
9,79 |
8,3 |
|
мг/экв |
0,28 |
0,03 |
2,80 |
1,14 |
0,08 |
1,90 |
0,8 | ||
|
% экв |
7,14 |
0,76 |
71,43 |
29,08 |
2,04 |
48,47 |
20,41 | ||
|
20 |
мг/л |
9,59 |
2,47 |
500,2 |
32,62 |
2,0 |
115,03 |
20,81 |
7,95 |
|
мг/экв |
0,28 |
0,05 |
8,20 |
1,42 |
0,11 |
5,70 |
1,70 | ||
|
% экв |
3,14 |
0,56 |
91,82 |
15,90 |
1,25 |
63,82 |
19,03 | ||
|
21 |
мг/л |
9,89 |
5,75 |
158,6 |
17,48 |
0,7 |
30,27 |
8,56 |
8,1 |
|
мг/экв |
0,28 |
0,12 |
2,60 |
0,76 |
0,04 |
1,5 |
0,7 | ||
|
% экв |
9,33 |
4,00 |
86,67 |
25,34 |
1,33 |
50,00 |
23,33 | ||
|
22 |
мг/л |
9,59 |
4,94 |
158,6 |
19,55 |
0,6 |
32,29 |
6,12 |
7,7 |
|
мг/экв |
0,28 |
0,10 |
2,60 |
0,85 |
0,03 |
1,60 |
0,50 | ||
|
% экв |
9,30 |
3,37 |
87,24 |
28,52 |
1,01 |
53,69 |
16,78 | ||
|
23 |
мг/л |
9,80 |
9,88 |
280,1 |
12,88 |
0,5 |
70,63 |
12,24 |
8,15 |
|
мг/экв |
0,28 |
0,21 |
4.60 |
0,56 |
0,03 |
3,50 |
1,00 | ||
|
% экв |
5,5 |
4,13 |
90,37 |
11,00 |
0,59 |
68,76 |
19,65 | ||
|
24 |
мг/л |
92,34 |
226,1 |
138,60 |
78,20 |
0,9 |
90,81 |
31,11 |
7,95 |
|
мг/экв |
2,60 |
4,70 |
3,60 |
3,40 |
0,05 |
4,50 |
2,95 | ||
|
% экв |
23,85 |
43,12 |
33,03 |
31,19 |
0,45 |
41,29 |
27,06 | ||
Воды с минерализацией менее 500 мг/л называют ультрапресными (особо ценные для питьевых нужд и промышленности). Если солей от 500 до 1000 мг/л (т.е. до 1г/л) воду считают пресной. При количестве солей 1-3 г/л вода слабо солоноватая,а при 3-10 г/л – сильно солоноватая. Если солей от 10 до 50 г/л воды соленые, а свыше 50 г/л – это рассолы. Солоноваты и соленые воды часто являются лечебными, их называют минеральными.
Жесткость воды (Ж) следует отличать от минерализации воды, так как жесткость – это свойство воды, обусловленное присутствием в ней только солей кальция и магния. Выражают ее в мг-экв/л. Общая жесткость обусловлена суммарным содержанием катионов кальция и магния:
Ж=(Ca+Mg) мг-экв.
По общей щесткости воды подразделяют на очень мягкую (менее 1,5 мг-экв.), мягкую (1,5-3 мг-экв.), умеренно жесткую (3-6 мг-экв.) и жесткую (более 6 мг-экв.)
Водородный показатель (pH) – это отрицательный логарифм концентрации ионов водорода (-lgH+). По величине pH воды делят на нейтральные (pH=70,5), кислые (pH6,5) и щелочные (pH7,5).
Агрессивность воды – способность ее разрушать бетон. Она обусловлена совместным влиянием жесткости, кислотности и суммарным содержанием анионов [SO4-2] и [Cl-].
Химический состав воды обычно выражают в виде формулы М.Г. Курлова. Это псевдодробь, в числителе которой слева направо располагают в убывающем порядке анионы (%-экв), а в знаменателе – катионы. Причем, в формулу включают только такие анионы и катионы, содержание которых превышает 25%-экв. Перед псевдодробью указывается минерализация М (г/л), а после дроби – pH воды.
Пример:
Cl66(SO4)29
М4,3
__________ pH7,5
Na65Ca28
При чтении формулы сначала читают числитель справа налево (в порядке возрастания содержаний), потом знаменатель – в том же порядке. Преобладающий ион всегда указывают в именительном падеже. Приведенную выше формулу следует читать так: вода сульфатно-хлоридная, кальциево-натриевая, солоноватая, нейтральная.
Построение и расчленение гидрографа реки.
На гидрологических постах постоянно определяют расходы воды в реках (табл. 8).
Таблица 8
Средние расходы воды рек бассейна Енисея по гидропостам
|
№№ п/п |
Средние расходы по месяцам, м2/с | |||||||||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII | |
|
1 |
8,2 |
7,3 |
6,6 |
46,5 |
100 |
112 |
44,3 |
43.8 |
62,5 |
26,0 |
16,6 |
11,0 |
|
2 |
2,4 |
2,1 |
1,90 |
56,3 |
50,2 |
20,6 |
7,6 |
12,5 |
18,0 |
9,8 |
10,2 |
4,0 |
|
3 |
1,0 |
0,9 |
1,2 |
22,3 |
16,4 |
3,4 |
3,2 |
5,1 |
3,2 |
2,0 |
1,6 |
1,3 |
|
4 |
3,0 |
2,1 |
2,5 |
34,7 |
106 |
46,8 |
31,6 |
36,7 |
25,4 |
14,2 |
10,9 |
5,3 |
|
5 |
5,0 |
6,0 |
5,3 |
16,1 |
60,2 |
29,7 |
40,5 |
49,7 |
29,0 |
19,1 |
12,0 |
8,5 |
|
6 |
2,6 |
2,5 |
2,2 |
3,0 |
28,3 |
18,0 |
11,5 |
5,1 |
7,2 |
4,6 |
3,0 |
2,2 |
|
7 |
0,06 |
0,02 |
0,15 |
2,8 |
3,2 |
1,4 |
1,0 |
0,9 |
1,4 |
0,9 |
0,4 |
0,15 |
|
8 |
20,7 |
16,7 |
16,8 |
76,3 |
111 |
218 |
180 |
365 |
135 |
74 |
42,4 |
28,4 |
|
9 |
3,6 |
2,8 |
4,9 |
60,1 |
72,5 |
43,0 |
54,0 |
30,4 |
45,7 |
27,5 |
14,2 |
9,6 |
|
10 |
54,8 |
42,1 |
35,9 |
59,8 |
235 |
550 |
292 |
250 |
219 |
128 |
64,6 |
54,8 |
|
11 |
14,9 |
14,2 |
13,0 |
15,0 |
17,0 |
61,8 |
81,0 |
44,8 |
28,3 |
27,1 |
25,9 |
19,6 |
|
12 |
19,7 |
15,9 |
13,4 |
29.9 |
123 |
242 |
184 |
214 |
157 |
70,6 |
38,5 |
17,1 |
|
13 |
5,97 |
5,31 |
5,14 |
36,0 |
64,5 |
58,4 |
39,7 |
33,8 |
46,4 |
19,4 |
9,88 |
9,57 |
|
14 |
36,1 |
31,5 |
33,0 |
118 |
589 |
1070 |
594 |
445 |
504 |
170 |
88,7 |
53,1 |
|
15 |
11,2 |
11,0 |
11,0 |
19,6 |
73,4 |
161 |
130 |
105 |
102 |
42,5 |
22,3 |
17,3 |
|
16 |
6,25 |
6,02 |
6,15 |
14,5 |
43,1 |
55,9 |
50,9 |
55,7 |
49,0 |
21,9 |
16,9 |
10,3 |
|
17 |
4,10 |
3,87 |
3,69 |
3ю,3 |
122 |
75,5 |
41,6 |
20,9 |
27,5 |
11,2 |
6,28 |
5,03 |
|
18 |
140 |
116 |
104 |
616 |
1980 |
2490 |
938 |
1280 |
897 |
428 |
276 |
208 |
|
19 |
43,8 |
38,0 |
35,5 |
128 |
598 |
136 |
340 |
445 |
251 |
148 |
85 |
50,6 |
|
20 |
2,80 |
2,64 |
2,67 |
22,1 |
67,6 |
24,6 |
11,4 |
15,4 |
12,1 |
7,31 |
7,96 |
3,38 |
|
21 |
39,7 |
35,4 |
32,5 |
324 |
649 |
480 |
167 |
230 |
215 |
108 |
88,4 |
47,5 |
|
22 |
8,79 |
8,13 |
7,26 |
20,3 |
131 |
95,9 |
77,1 |
74,9 |
53,3 |
31,0 |
15,7 |
8,9 |
|
23 |
33,5 |
27,5 |
20,4 |
64,6 |
219 |
188 |
210 |
292 |
153 |
103 |
45,6 |
49,3 |
|
24 |
0,2 |
0,2 |
0,1 |
12,5 |
21,7 |
6,1 |
11,2 |
8,6 |
1,9 |
2,8 |
1,4 |
0,5 |
Годовой график расходов реки носит название гидрограф. При его построении по оси ординат откладывают расходы (Q) в м3/с – от минимальных меженных до максимальных половодных. По оси абцисс в виде равных отрезков приводят 12 месяцев года. По данным гидропоста наносят точки, соответствующие среднемесячным расходам воды в каждый период. Полученные точки соединяют плавной кривой. Полученный гидрограф расчленяют (анализируют), то есть определяют преимущественные виды питания реки в каждый период времени в течение года. Следует учитывать, что в межень река питается преимущественно подземными водами, поэтому часть площади гидрографа, ограниченная сверху значениями меженных расходов, позволяет оценить роль подземного питания. В половодье большинство рек средней полосы России питается талыми водами, за счет которых резко возрастают уровни и расходы реки. Пиковые расходы в конце весны – начале лета позволяют оценить роль снегового питания. В реках, берущих начало в высокогорье, половодье обычно сдвинуто на вторую половину лета (массовое таяние ледников в горах), но, в то же время, заметен некоторый рост расходов воды и в начале лета. Поэтому на соответствующих гидрографах могут быть выделены участки ледникового питания. При выпадении в бассейне реки интенсивных осадков в виде ливней появляются выпуклости гидрографа (паводки), соответствующие летне-осеннему (а в Западной Европе зимне-весеннему) дождевому питанию. Если всю площадь гидрографа принять за 100% (ее достаточно точно можно определить либо с помощью палетки с ячейкой 2×2 мм, либо если воспользоваться при построении гидрографа миллиметровой бумагой), то можно выразить в процентах долю разных видов питания. Зная общий объем годового стока реки в м3, можно соответственно оценить подземный, снеговой, ледниковый и дождевой сток реки также в м3.
Задания. Ознакомившись с понятиями и методикой работы, студенты выполняют задания:
По самостоятельному пересчету исходных результатов анализа природных вод (мг/л) в мг-экв и %-экв.
Определяют общую минерализацию и жесткость воды, после чего отображают химический состав воды в виде формулы Курлова.
Записывают гидрохимическую характеристику воды и оценивают ее агрессивность, а также делают заключение о возможностях практического использования данного типа вод.
Оформление работы. Работа выполняется на отдельных листах формата А4, где указывается фамилия студента, номер группы, номер варианта, приводится исходный химический анализ воды, результаты пересчетов, формула Курлова и выводы студента о составе воды и возможных областях ее практического применения.
На отдельном листе миллиметровой бумаги формата А4 производится построение гидрографа и его расчленение. Площади гидрографа, соответствующие разным типам питания реки, заштриховываются различным образом, либо раскрашиваются цветными карандашами. После этого определяется общая площадь гидрографа, площади участков, соответствующих каждому режиму (межень, половодье, паводки) и виду питания. Затем определяется доля каждого вида питания (в % и м3) и продолжительность каждого периода. Выводы записываются под чертежом гидрографа. В конце занятия работы сдаются преподавателю для проверки.
Контрольные вопросы:
1. Что такое минерализация воды. Как она определяется
2. Какая вода может называться пресной
3. Какие катионы чаще всего есть в составе природных вод
4. Какие анионы присутствуют в природных водах
5. Что такое формула Курлова?
6. Что такое гидрограф?
7. Какой вид питания реки преобладает в межень?
8. Чем половодье отличается от паводка?