1.    Вода и качество воды

Вода... Какое чудо! Люди так по-разному ее используют, что, казалось бы, нереально ожидать, что она может удовлетворить все требования, которые они к ней предъявляют. Однако при правильной обработке вода может соответствовать всем этим требованиям.

Органы здравоохранения, промышленные и торговые предприятия, больницы, различные организации, фермеры и домохозяйки — все предъявляют свои особые требования к качеству воды. И когда вода не соответствует этим требованиям, начинаются проблемы.

Со своими требованиями выступает даже ученый космического века, когда он заказывает деионизированную воду для очистки металлической поверхности своих спутников. Потребность в деионизированной воде возникает потому, что она предотвращает местную очаговую коррозию и, таким образом, нежелательный остаточный вес, когда его корабли отправляются в космическое пространство. Для земных целей такую воду используют, когда ополаскивают автомобили, грузовики и самолеты.

Деионизированная вода. Вода, из которой удалено большинство минералов, как правило, с помощью ионообменного процесса. Обычно для этого используют два ионообменника. Один из них удаляет из воды все положительно заряженные ионы (Са⁺⁺, Mg⁺⁺, Na⁺ и т.д.) и выделяет химически эквивалентное количество ионов водорода. Второй ионообменник удаляет отрицательно заряженные ионы (НСO₃^-, Сl^-, SO₄^-- и т.д.) и выделяет эквивалентное количество гидроокиси (ОН^-). Выделенные ионы водорода и гидроксид-ионы затем соединяются и образуют воду (Н⁺ + ОН^- = НОН или Н₂O). Деионизированная вода также иногда называется деминерализированной водой.

Деионизацию также называют деминерализацией, но это не совсем правильно, поскольку термин деионизация означает удаление растворенных веществ в ионной форме. Водоочистные процессы, такие как дистилляция и обратный осмос, также удаляют растворенные вещества (твердые вещества) из воды. Эти процессы более эффективны, так как позволяют удалить не только растворенные вещества в ионной форме, но также такие вещества, как сахар и другие органические вещества, которые растворяются в воде, но не образуют ионов. Таким образом, вода может содержать ионизированные и неионизированные примеси или загрязнители. Растворенные вещества, образующие ионы, делают воду лучшим электролитом (проводником электричества), и количество ионизированных веществ, содержащихся в воде, может быть измерено ее проводимостью. И наоборот, их отсутствие определяется повышенным электрическим сопротивлением.

Деионизация, дистилляция и обратный осмос вызывают непосредственное удаление примесей из воды, в противоположность непрямым процессам, в ходе которых примеси преобразуются в нерастворимую форму в виде осадка с его последующим удалением с помощью фильтрации. В качестве примера можно привести удаление растворенного железа с помощью его окисления с последующей фильтрацией.

Для обеспечения любого потребителя, будь то органы здравоохранения, домохозяйка или ученый космического века, водой нужного для него качества необходимо учесть два важнейших фактора:

1. Что показывает анализ первоначально подаваемой воды?

2. Для чего данная вода будет использоваться?

Анализ воды может показать, что она содержит (а) растворенные минералы, (б) растворенные газы, (в) взвеси и осадки, (г) красящие и органические вещества, (д) вкус и запах и/ или (е) микроорганизмы.

Микроорганизмы. Это чрезвычайно мелкие животные или растительные организмы, в частности, любые бактерии, простейшие или вирусы. Некоторые из этих микроорганизмов настолько малы, что их невозможно увидеть в обычный микроскоп.

В свою очередь, являются или нет эти примеси вредными в каждой конкретной ситуации, зависит от:

1. Природы и количества примесей;

2. Допустимого содержания каждой примеси;

3. Конечного назначения воды.

Качество воды, неприемлемое и неудовлетворительное в одних случаях, может быть вполне удовлетворительным в других. Например, в воде жесткостью 15 грейнов на галлон (257 мг/л) нежелательно стирать или принимать ванну. Но та же вода, однако, вполне подходит для полива газона.

Поэтому, для определения экономически целесообразного метода обработки воды всегда нужно сначала определить качество первоначально подаваемой воды и ее назначение.

Чем же именно является это чудесное вещество — вода?

Словарь Вебстера дает ей такое краткое определение: «Жидкость, которая выпадает из облаков в виде дождя и которая формирует реки, озера, моря и т.д. Обычная чистая вода (Н₂O) по весу состоит из 11,188% водорода и 88,812% кислорода. Она имеет голубоватый цвет и может быть подвержена незначительному сжатию. При ее максимальной плотности при температуре 4°С или 39.2°F она является стандартом удельного веса твердых тел и жидкостей. Ее специфическая теплота является основой для калорий и единиц тепла БТЕ. Температура замерзания воды — 0°С (или 32°F).»

Обратите внимание на слова «чистая вода» в этом определении. Мы часто используем термин «чистая вода». Но «чистая вода» (Н₂О) встречается так редко, что это практически несуществующая жидкость.

Даже сам термин «чистая вода» до некоторой степени неясен. Он имеет разные значения для тех, кто работает в разных сферах. Бактериолог, например, склонен определять «чистую воду» как стерильную жидкость, то есть такую, в которой не содержится живых бактерий. Химик, скорее всего, скажет, что вода является «чистой», если в ней не будет минеральных, газообразных или органических примесей. Очевидно, что такая «чистая вода», которую мы описали здесь, может быть найдена только в лабораториях, да и то, только в идеальных условиях. Агентство США по охране окружающей среды (АООС США) утвердило практические стандарты качества питьевой воды в Первичных стандартах качества питьевой воды, а также стандарты качества воды с эстетической точки зрения во Вторичных стандартах качества питьевой воды.

В этих Стандартах АООС США принимает во внимание соответствующую защиту воды от загрязнения в ходе, как природных процессов, так и воздействия со стороны человека. Стандарты содержат требования к количеству бактерий, физическим и химическим характеристикам.

Найти источник воды, который удовлетворял бы базовым требованиям общественного водоснабжения без определенной обработки, практически невозможно. В основном, требования к общественному водоснабжению таковы:

1. Вода не должна содержать болезнетворных организмов.

2. Вода должна быть бесцветной и чистой.

3. Вода должна быть хорошей на вкус, без запаха и предпочтительно прохладной.

4. Вода не должна вызывать коррозию.

5. В воде не должно содержаться нежелательных газов, таких как сероводород и нежелательных красящих минералов, таких как железо и марганец.

6. Воды должно быть много и она должна быть недорогой.

Если присутствие в воде колиморфных бактерий и токсичных химических веществ приводит к тому, что вода будет классифицирована как опасная для питья, другие факторы, такие как вкус, запах, цвет и содержание минералов, производят определенный эстетический эффект, который также может привести к тому, что такая вода будет признана непригодной к употреблению.

Колиморфные бактерии. Организмы из семейства бактерий, сами по себе безвредные; однако если кишечная палочка (Escherichia coli, Е. coli), член этой группы, существует и размножается как часть обычной популяции микроорганизмов в пищеварительном тракте теплокровных животных, она служит явным индикатором заражения сточных вод. Определить ее присутствие в источнике воды относительно легко. Следует принять во внимание тот факт, что хотя кишечная палочка — это одна из наиболее распространенных и полезных бактерий в человеческом теле, помогающая мегаболизировать пищу в кишечнике, она также способна мутировать. Новый штамм под названием Е. coli 0157:Н7, или сокращенно 0157, может производить сильный токсин.

По сравнению с обычными штаммами кишечной палочки, 0157:Н7 встречается довольно редко. Но он может переноситься в пище и воде и может вызвать серьезное заболевание и даже смерть приблизительно у одного процента инфицированных людей.

Питьевая вода необязательно пригодна для многих целей. По этой причине она, возможно, должна подвергаться обработке иного рода, чтобы ее можно было использовать для нужд домохозяйств или промышленных предприятий... либо для нужд ученого космического века. В любом случае, судить поспешно о том, подходит ли определенная вода для определенных нужд, нельзя.

Существует огромное количество вариаций качества воды от региона к региону. Просмотрите карты в конце это главы, чтобы иметь представление об этих различиях. Это, однако, только самое широкое, общее представление о таких различиях. Значительные отличия могут существовать даже в пределах определенного региона.

В некоторых случаях имеются различия в качестве воды в пределах данного региона даже в разные дни. Почему так происходит? Ответ приведет нас к тому факту, что вода является растворителем. Воду по праву можно назвать «универсальным растворителем». В основном, ученые согласны, что это один из наилучших растворителей, какие только бывают.

Как результат того, что вода является растворителем, она растворяет, по меньшей мере, частицу всего, с чем соприкасается. Вода растворяет металлы, камни, различные отходы, газы, пыль и множество прочих инородных веществ и может содержать заметное количество этих растворенных веществ.

Уровень растворенного минерального содержимого в воде может колебаться от 20 до 80 миллиграмм на литр (миллионных долей (ppm)) в тех регионах, в которых имеются только образования гранита, имеющего незначительную растворимость. С такого низкого уровня содержание минеральных веществ может довольно значительно повышаться в зависимости от региональных условий.

Содержание растворенных веществ в океанах находится на уровне 35000 мг/л (миллионных долей (ppm)). Ученые подсчитали, что твердых веществ, растворенных в океанах, достаточно, чтобы покрыть землю слоем более 112 футов (34 метра). Ежегодно внутренние водные артерии переносят миллиарды тонн растворенных веществ в океаны.

В любом регионе содержание растворенных веществ в системе водоснабжения также может резко отличаться в зависимости от того, откуда поступает вода — из глубокой скважины, озера, реки или пруда.

Кругооборот воды в природе

Вода начинает свой непрерывный кругооборот в качестве пара в атмосфере. Этот пар, а также вода в озерах и океанах обеспечивает защиту от экстремальной жары и холода.

Кругооборот воды в природе. Данный термин относится к замкнутому циклу атмосфера-земля-атмосфера, который проходит вода в природе. Он включает выпадение воды в виде дождя, снега, града или росы, ее путь через, вокруг и сквозь препятствия над, на или под поверхностью земли и ее последующее испарение и возвращение в атмосферу. Это самая масштабная система очистки воды, известная человеку.

Ученые подсчитали, что солнце превращает материю в энергию со скоростью 250 миллионов тонн в минуту. Даже если земля получает только частицу этой тепловой энергии (менее чем две миллиардные доли), все на земле могло бы сгореть дотла, если бы не тот факт, что вода, находящаяся над землей и на поверхности земли, поглощает большую часть тепла.

В большой пустыне, к примеру, очень малое количество воды. Как результат, здесь существует большая разница в температурах. Типичный случай — пустыня Сахара. Там, под проникающими лучами солнца температура поднимается до 125°F (52°С) днем и опускается до минусовых значений ночью.

В атмосфере различные вещества не вступают в химические реакции, и каждое из них сохраняет свои характерные свойства.

Состав атмосферы. Тропосфера (самый близкий к земле слой) по своему
объему состоит из 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03%
углекислого газа, а также из небольшого количества неона, криптона, гелия,
водорода, ксенона и озона. Кроме этих газов, в атмосфере содержится
изменяющееся количество водяного пара. Около девяти десятых массы атмосферы
находится в пределах десяти миль (16 километров) от поверхности земли.

Атмосферные воды

Когда миллионы частиц пара соединяются, они формируют капельки влаги. По мере того, как они увеличиваются в размерах, они становятся достаточно тяжелыми, чтобы упасть на землю в качестве осадков в таких разных формах, как дождь, снег, крупа, град и роса.

Атмосферные воды. Данный термин применяется ко всей влаге, выпадающей из атмосферы. В зависимости от условий, это может быть дождь, снег, крупа или град.

Подсчитано, что каждую секунду на землю падает 16 миллионов тонн осадков во всех этих формах. В процессе испарения вода опять поднимается в атмосферу. В природном балансе количество испарений равно количеству осадков.

Когда вода падает на землю в этой бесперебойной системе циркуляции влаги, она служит для очистки воздуха и земли. Несомненно, вы многократно замечали свежий чистый запах воздуха после проливного дождя. Это все потому, что дождь поглотил взвешенные в воздухе твердые вещества (пыль, грязь и копоть), газы, запахи и прочие примеси, загрязняющие воздух. Но хотя осадки и могут удалить большие количества примесей, они никогда не устранят их полностью.

Когда выпадение осадков продолжается некоторое время, вначале они содержат большее количество взвешенных частиц и растворенных твердых веществ по сравнению с осадками, выпадающими позже. Анализ содержания минеральных веществ в дождевой воде в большом городе после четырех часов выпадения осадков и через 22 часа дает следующие показатели (выраженные в миллионных долях в эквиваленте карбоната кальция):

Как вы видите, даже такая чистка атмосферы не устраняет все растворенные твердые вещества за 22 часа непрерывного дождя.

Из всех видов атмосферных осадков снег, выпадающий высоко в горах, содержит наименьшее количество минеральных веществ. Так происходит из-за меньшего содержания пыли в атмосфере на больших высотах. Как результат, во многих горных водотоках, питающихся снегом, выпавшим высоко в горах, содержится чрезвычайно мало растворенных минеральных веществ.

Дождевая вода также насыщена растворенным воздухом (около 20-29 мл/л при температуре от 60°F до 32°F (15°С - 0°С)). Количество свободной двуокиси углерода в атмосфере колеблется от 2 до 6 миллионных долей (ppm). Вся свободная двуокись углерода более 1 -2 миллионных долей происходит не из самой атмосферы, а из других источников, таких как дымоходы и промышленные выбросы. Дождевая вода также встречает на своем пути серную кислоту, содержащуюся в продуктах сгорания угля над городами. Кроме того, она может захватить бактерии и споры микроорганизмов.

Миллилитр. Миллилитр — это 1 тысячная литра.

Литр. Это единица объема, немного больше кварты. Один американский галлон равен 3,785 литра.

Сколько воды выпадает за один день в США? По данным Геологической Службы США на континентальную часть страны ежедневно выпадает около 16 280 миллиардов литров осадков.

Солнце испаряет обратно в атмосферу около 70% этих ежедневных осадков почти мгновенно, по крайней мере, до того, как они успевают впитаться в землю или утечь далеко в процессе стока. На рисунке стрелки вверх обозначают, что солнце вызывает испарение воды даже в процессе ее падения. Солнце также вытягивает воду из почвы, поверхностных стоков, с растительности, из водотоков, озер и океанов, а также в процессе транспирации.

Транспирация. Данный термин означает потерю воды растениями через испарение. В частности, так теряют воду листья. В ходе транспирации испаряется значительное количество воды. Подсчитано, что в сухой день береза теряет приблизительно 500 кварт (473 литра) воды. Избыточная транспирация (когда количество потерянной воды превышает количество воды, полученной через корневую систему) приводит к увяданию листьев. Растения также выделяют воду в процессе гуттации.

30% осадков не испаряются быстро. Они либо впитываются в почву, либо стекают в озера и реки и впоследствии попадают в океаны. Топография местности, пористость почвы, степень ее насыщенности влагой ко времени дождя, растительность и атмосферные условия — все эти факторы помогают определить, как будет распределена вода после выпадения осадков. Действие воды как растворителя, которое позволяет ей очищать атмосферу, продолжается и после того, как она достигает земли. Определенный процент влаги, выпавшей в виде осадков, становится поверхностными стоками. В процессе стока вода захватывает некоторое количество минералов, придающих ей жесткость, а также глину, ил, частички разложившихся животных и растительный материал. Разрушительная сила поверхностных стоков часто приводит к серьезным проблемам с эрозией земли. К тому же, часть этой воды уходит в океаны и уносит с собой значительное количество чернозема.

Монументальным примером эрозийного действия воды является Большой Каньон в Аризоне. Но не все стоки имеют разрушительную силу. Там, где много растительности и поверхность земли имеет небольшой уклон, скорость потока воды незначительна. В таких условиях вода может приобрести нежелательный привкус, запах и цвет от разлагающегося растительного и животного материала. И только небольшая часть осадков просачивается в почву.

Любопытно, что когда вода просачивается в землю, она теряет некоторые
примеси, которые приобрела ранее в атмосфере и на поверхности земли. Но, в то
время как структура земли отфильтровывает определенные примеси, она также
позволяет воде растворить значительное количество минералов. Это, кроме
прочего, повышает ее жесткость и содержание железа. По мере того, как вода проникает в почву, она начинает свое, иногда очень долгое путешествие по подземным расщелинам, трещинам и изломам. Иногда пройдет много лет, прежде чем эта вода поднимется на поверхность.

Как примеси попадают в воду

	Через 4 часа	Через 22 часа
Жесткость	43	8
Кальций	42	8
Магний	1	—
Натрий	11	—
NH3 (аммиак)	3	5
Бикарбонаты	19	5
Хлориды	10	5
Сульфаты	27	3
Нитраты	1	—

Факторы внешней среды

Водные ресурсы — это продукт их окружения. Углекислый газ и кислород попадают в воду из атмосферы. Углекислый газ может соединяться с водой и образовывать угольную кислоту.

В районах, покрытых растительностью, из-за ее гниения, кислород в воде поглощается, а содержание углекислого газа увеличивается.

В известняковых регионах вода, содержащая углекислоту, вступает в реакцию с известняком и затвердевает. Образуются бикарбонат кальция и бикарбонат магния.

В гранитных или песчаных регионах угольная кислота остается в воде, но не затвердевает из-за отсутствия известняка.

В сухих регионах атмосферный кислород не поглощается вовсе, а содержание углекислого газа не увеличивается из-за отсутствия гниения. Там, где доминируют песок и гранит, жесткость воды будет низкой, и вода будет слегка кислой. В регионах, в которых находят хлориды или сульфаты кальция или магния, вода будет очень жесткой. Жесткость будет, в основном, некарбонатной, даже несмотря на присутствие известняка.

Факторы внешней среды оказывают влияние на коррозийную активность скважины или грунтовых вод следующим образом:

1. В местах, покрытых растительностью, в которых находят известняк и другие минералы жесткости, жесткая вода не будет коррозийной, поскольку углекислота нейтрализуется, а растворенный кислород практически отсутствует. Если такую воду умягчить с помощью ионного обмена, интенсивность коррозии останется низкой. Коррозионная активность и жесткой, и умягченной воды увеличится, если ее подвергнуть аэрации.

2. В местах, покрытых растительностью, в которых доминируют граниты и пески, вода будет иметь низкую жесткость и, как правило, низкое общее солесодержание (проводимость). Она, однако, может быть коррозийной из-за присутствия углекислоты, которая может непосредственно растворять железо. Такие источники воды обычно имеют неприемлемую «рыжую» (ржавую) воду, но коррозия при этом обычно не сплошная, а точечная. Использовать для подачи воды из таких источниках предпочтительнее медь и другие коррозийно-устойчивые материалы, а не оцинкованную сталь. Для предупреждения коррозии необходимо применять реакцию нейтрализации.

3. В сухих регионах, в которых находят известняк и другие минералы некарбонатной жесткости, источники водоснабжения и с жесткой, и с умягченной водой скорее будут коррозийными из-за присутствия растворенного кислорода и проводимости.

4. В сухих регионах, в которых доминируют граниты и пески, вода будет иметь низкую жесткость и проводимость. Однако источники могут быть коррозийными из-за присутствия растворенного кислорода, но обычно они имеют меньшую коррозионную активность, чем источники водоснабжения в сухих регионах, где уровень растворенных веществ в воде выше (как в п. 3).

Таким образом, очевидно, что по окружающей среде можно определить коррозионную активность источника водоснабжения.

ПРИМЕЧАНИЕ. По данным журнала «Наука», в противоположность общепринятому мнению, реакции обеднения кислорода в почвенной зоне и в водоносном горизонте могут быстро снизить содержание растворенного в воде кислорода до предела обнаружения. В воде из нескольких глубоких водоносных горизонтов в Неваде, Аризоне, а также из горячих источников Аппалачей и Арканзаса обнаружено от 2 до 8 мг/л растворенного кислорода. Преобладающее мнение таково, что большая часть растворенного кислорода в пополняемых водных запасах поглощается в почве и ненасыщенных зонах в процессе дыхания микроорганизмов и разложения органических веществ, или вскоре после этого в водоносном горизонте в процессе различных реакций между минеральными веществами и водой и реакций окисления органических веществ. Однако ученые из Геологической службы США (ГС США) зафиксировали широкое присутствие растворенного кислорода в значительных концентрациях(2-8 мг/л) в воде возрастом от нескольких до 10 тысяч лет из глубоких водоносных горизонтов и в засушливых, и во влажных регионах на расстоянии до 80 км от области инфильтрации. Более загадочным является присутствие растворенного кислорода в уже упомянутых горячих источниках Аппалачей и Арканзаса, в которых вода, в основном, проходит через трещиноватые кремниевые породы. Ученые ГС США допускают, что, возможно, все реакции (органические и неорганические) в водоносном горизонте с участием растворенного кислорода завершились еще до того, как туда попали ныне существующие грунтовые воды.

Возраст грунтовых вод

Период времени после того, как грунтовые воды выпали в виде дождя, сегодня определяется методом, базирующемся на количестве трития, обнаруженного в грунтовых водах. Данный метод был разработан доктором Уиллардом Либби, одним из членов Комиссии по атомной энергии, и одним из его бывших коллег из Института ядерных исследований Чикагского университета.

Тритий — это радиоактивный изотоп водорода, который, как предполагают, формируется в атмосфере при воздействии космических лучей на обычный водород. Таким образом, тритий находят во всех атмосферных водах, таких как дождь и снег. Как любой радиоактивный материал, тритий постепенно распадается на меньшие составляющие и имеет период полураспада 12,5 лет. Это значит, что половина этого радиоактивного вещества исчезнет за 12,5 лет. Далее, половина оставшегося вещества исчезнет за следующие 12,5 лет и т.д., пока остаток вещества не будет так мал, что его нельзя будет измерить.

Изотопы. Формы атомов элемента, которые имеют различную массу из-за вариаций в количестве массовых частиц в их ядрах. Водород имеет три известных изотопа. Наиболее распространенная форма имеет в своем ядре только один протон (с относительной массой, равной единице, и единичным положительным электрическим зарядом). Второй изотоп под названием «дейтерий» имеет в ядре один протон и нейтрон (который имеет нейтральный заряд и относительную массу, также равную единице), поэтому его относительная масса равна двум. Третий изотоп, тритий, имеет в ядре два нейтрона и один протон, поэтому его относительная масса равна трем.

Поскольку приблизительное количество трития, изначально присутствующее в воде, когда она выпадает в виде дождя, может быть измерено, то промежуток времени, который вода находится под землей, может быть вычислен до тех пор, пока остаточное количество трития настолько мало, что его нельзя определить с помощью имеющихся инструментов.

Зоны и пояса грунтовых вод

Подобные исследования артезианской воды, взятой в нескольких местах в Небраске, показали, что возраст грунтовых вод колеблется от 14 до 61 года. Исследования воды из Иллинойса показали значения от 50 до 100 лет. (Свыше 100 лет концентрация трития настолько мала, что она не может быть измерена точно.) Эти значения, в основном, соответствуют оценочным, если приняты во внимание гидрологические факторы каждого региона.

Как показывает рисунок, вода должна проделать путь через различные слои, прежде чем она станет грунтовой водой. Под поверхностью она сначала проходит через слой подпочвы (пояс почвенной влаги), мертвый слой, капиллярную кайму и в итоге попадает в горизонт грунтовых вод.

Эти слои различны по толщине и не имеют четких границ. Фактически, существует постепенный переход между слоями до уровня грунтовых вод или зоны насыщения. Даже после того, как вода перемещается в поверхностный слой почвы или в подпочву, значительное ее количество возвращается в атмосферу через испарение или транспирацию. В подпочве вода удерживается молекулярным притяжением. И только после того, как здесь накопится достаточно воды, она начинает просачиваться вниз под действием силы тяжести. Толщина слоя подпочвы может достигать 50 футов (15 м). Он дает воду, необходимую для роста растительности. Соответственно, он чрезвычайно важен для фермеров.

Вода в мертвом слое рассматривается как неиспользуемый запас. Она на самом деле как бы исключена из обращения и не попадает в скважины. Толщина этого слоя колеблется от толщины волоса до нескольких сотен футов.

Ниже находится капиллярная кайма. Вода в ней является как бы одним целым с водой в зоне насыщения, но здесь она удерживается капиллярным эффектом. Толщина капиллярной каймы зависит от ее состава. В илистом материале она может опускаться вниз на несколько футов. В грубом, гравелистом материале, ее толщина может быть менее дюйма. И даже в капиллярной кайме вода все еще не поступает в систему скважин. Только когда она достигает зоны насыщения, она может быть поднята на поверхность с помощью скважин.

Капиллярный эффект. Там, где вода соприкасается с твердым телом, капиллярный эффект заставляет воду подниматься выше того участка ее поверхности, который не соприкасается с твердым телом. Капиллярный эффект вызван такими явлениями как адгезия, когезия и поверхностное натяжение. Капиллярность является одной из причин, вызывающих подъем воды в почве, как например, в капиллярной кайме. Керосин, поднимающийся в фитиле старомодной керосиновой лампы — это еще один пример этого явления, которое, казалось бы, противоречит закону всемирного тяготения.

Эта зона насыщения формирует огромный естественный резервуар, который, кроме наших скважин, поставляет воду еще и в родники и водотоки. Его толщина колеблется от двух до сотен футов, в зависимости от местных географических условий.
Верхняя поверхность зоны насыщения не является ни неподвижной, ни ровной. На ней много неровностей, и она может подниматься или опускаться на много футов в любом месте. Колебания ее содержимого зависят от объема поступающей и откачиваемой воды. Чаще всего контуры водного горизонта параллельны контурам поверхности земли. Однако водный горизонт опускается глубже в высокогорных районах и поднимается ближе к поверхности на более низких высотах. В родниках и водотоках высоты поверхности и водного горизонта совпадают. Под важной с экономической точки зрения зоной насыщения находится плотная, твердая порода. И хотя известно, что в ней содержится значительное количество глубинных вод, практического способа их поднятия на поверхность нет.

Грунтовые воды

В большинстве случаев грунтовые воды содержат больше минеральных веществ, чем поверхностные воды в том же регионе. Это происходит потому, что они подвергаются более длительному контакту с горными породами. Однако есть и исключения, когда поверхностные воды берут свое начало в регионах с относительно растворимыми породами и затем стекают в районы, в которых породы растворяются меньше. В таких случаях грунтовые воды в этих последних районах могут содержать меньше минеральных веществ, чем воды, находящиеся ближе к поверхности земли.

Между тем, по мере того, как вода просачивается в землю и вбирает в себя больше минеральных веществ, большая часть находящихся в ней взвесей, красящих веществ и микроорганизмов отфильтровывается. Поэтому вода из глубокой скважины, скорее всего, будет чистой, бесцветной и с меньшим бактериальным содержанием. Конечно, бывают и исключения. Также можно ожидать, что чем глубже скважины, тем более минерализована будет в них вода. Это обычный случай. Но в некоторых неглубоких скважинах, однако, поглощение минералов намного интенсивнее, чем в глубоких скважинах в том же районе.

Температура грунтовых вод

Температура воды из скважин на удивление постоянна. В скважинах глубиной от 30 до 60 футов (9-18 метров) температура воды на 2-3°F выше среднегодовой температуры в данной местности. Температура воды понижается в среднем на 1°F на каждые 64 фута (29 м) глубины скважины.

Как правило, глубокие скважины проходят через водонепроницаемый слой, чтобы попасть в лежащий ниже водный резервуар. Неглубокие скважины, наоборот, погружаются в легкопроходимый слой до гой точки, где они находятся ниже водного горизонта. Касательно глубины, глубокими считаются скважины более 25 футов (7,5 м). Прочие считаются неглубокими. По сути, глубокие скважины могут иметь глубину от 100 до 3000 футов (около 30-900 м), но большинство из них имеют глубину от 100 до 1000 футов (30-300 м). Состав воды из глубоких скважин в течение долгого времени обычно изменяется незначительно. Одно из исследований некоторых скважин во Флориде на протяжении 24 лет показало, что жесткость воды изменилась от 342 до 304 миллионных долей, а щелочность снизилась от 168 до 148.

Родники — это еще один из источников подземных вод. В народе верят, что родниковая вода чиста, бесцветна, искриста и абсолютно не содержит примесей. И хотя это так во многих случаях, вода в других родниках довольно мутна, особенно после обильных дождей.

Кроме того, родниковая вода содержит больше растворенных минеральных веществ и является жесткой. Что касается пригодности для питья, никакая родниковая вода не может считаться безопасной без периодического бактериального анализа.

К другим грунтовым водам также относятся шахтные и реликтовые воды. Во многих шахтах находят большое количество воды, которую нужно выкачивать. В некоторых случаях шахтные воды ничем не отличаются от вод из других источников. Однако, в основном, они имеют высокое содержание серной кислоты и железа. Как результат, они могут быть чрезвычайно коррозийными. Реликтовые воды или соленые буровые воды — это остатки древних морей, в которых когда-то осаждались осадочные породы. Эти «ископаемые воды», как их иногда называют, в основном, очень соленые. В разработке нефтяных полей они являются только помехой и представляют серьезную проблему в плане утилизации, когда их поднимают на поверхность.

Хотя грунтовые воды как источник водоснабжения имеют определенные преимущества, они также вызывают и проблемы. Основные из них таковы:

1. Присутствие минеральных соединений, придающих воде жесткость, как правило, в больших количествах, чем в поверхностных водах в одной и той же местности.

2. Присутствие железа и марганца во многих скважинах.

3. Иногда присутствие сероводорода.

4. Стоимость выкачки воды из скважин, как правило, выше, чем стоимость выкачки поверхностных вод.

5. Минеральное содержимое воды их нескольких скважин, даже расположенных близко друг к другу, может значительно отличаться.

6. Возможны перебои в подаче воды.

7. Вода может быть загрязнена нитратами и детергентами. Присутствие нитратов или детергентов в грунтовых водах может служить признаком их загрязнения от канализационных вод.

Поверхностные воды

Озера, реки, водохранилища, пруды и т.д. называются поверхностными водами. Источником воды для них есть непосредственно атмосферные осадки и поверхностный сток. Кроме того, частично в них поступает вода из подводных родников, соединенных с резервуарами грунтовых вод. Предыдущий рисунок (Зоны и пояса грунтовых вод) показывает, как дно водотоков уходит ниже уровня грунтовых вод.

Как мы уже видели, содержание минералов в поверхностных водах ниже. С другой стороны, они содержат больше загрязнений и непригодны для употребления людьми без соответствующей обработки.

Загрязнение воды происходит из разных источников. Территориальные общины и промышленные предприятия часто сбрасывают сточные воды в водоемы, которые используются как источник водоснабжения. Это наиболее серьезный источник загрязнения. Поверхностный сток также приносит в водотоки и озера грязь, листья, разложившуюся растительность вместе с человеческими и животными продуктами жизнедеятельности. В свою очередь, эта органика способствует пышному разрастанию всевозможных водорослей и бактерий.

Есть такое мнение, что реки и другие водотоки самоочищаются уже через 20 миль (32 километра) их течения. Однако этого нельзя принимать на веру.

Органические загрязнения уменьшаются во многом природным путем:

1. Бактерии и водоросли поглощают большие объемы органических отходов. Более крупные микроорганизмы поедают бактерии и водоросли. Эти микроорганизмы, в свою очередь, являются пищей для рыб и других высших форм животного мира.

2. Если скорость водного потока не слишком высока, грязь и взвеси оседают на дно, а органические материалы обезвреживаются в процессе окисления. Грубое дно водотоков, быстротоки и водосливы ускоряют этот процесс.

3. Солнечный свет, из-за своей ультрафиолетовой составляющей, также оказывает на воду некоторое бактерицидное действие. Однако действие солнечного света непостоянно из-за облачности и его отсутствия в ночное время.

Водоросли. Это представители группы одноклеточных и многоклеточных микроорганизмов, которых находят в воде и влажных местах.

Водоросли содержат хлорофилл и не имеют настоящих корней, стебля и листьев. Сюда относятся также морские водоросли и ряска.

Окисление. Этот термин будет обсуждаться в уроке 3.

Быстроток. Это мелководье, риф или каменистое препятствие на пути течения воды. Когда вода протекает над таким препятствием или вокруг него, получаются отрезки водотока с мелкой, быстрой водой или рябью, в зависимости от характера препятствия.

Реки и водотоки также имеют значительные отличия в содержании растворенных минеральных составляющих. Исследования воды в реках Рок-Ривер и Арканзас, проведенные на протяжении года, показали одинаковое содержимое бикарбонатов в воде из обеих рек на уровне в среднем 207 миллионных долей (ppm). В отличие от этого, общее содержание хлоридов и сульфатов в воде из Рок-Ривер составило 30 мг/л (ppm), в то время как, вода из реки Арканзас содержала 613 мг/л (ppm) этих ионов, в основном, в форме соединений, придающих воде жесткость.

В основном, озера и водохранилища, особенно крупные, показывают довольно стабильное содержание растворенных веществ. Поскольку они относительно более спокойны, чем движущиеся водные массы, озера и водохранилища являются более эффективными отстойниками. Как результат, вода в них менее мутна. Большие водные массы часто подвержены сезонным изменениям, что приводит к тому, что вода на какое-то время становится довольно мутной. Наше определение воды в начале данного урока утверждает, что она достигает максимальной плотности при температуре 39.2°F (4°С). Когда она охлаждается до этой температуры осенью или нагревается весной, более плотная вода не может оставаться на поверхности. Когда она опускается, это вызывает появление конвекционных течений. Иногда они так сильны, что приводят к тому, что вода полностью перемешивается и становится мутной. Сильные бури также могут взволновать озеро или водохранилище и сделать его мутным.

Вода из цистерн

В некоторых регионах предпринимаются попытки собирать дождевую воду в цистерны. В основном, вода из цистерн более жесткая и содержит больше растворенных веществ, чем дождевая. Это происходит из-за накопления на поверхностях грязи и пыли, которые потом стекают в цистерны. Одно исследование показало, что в 500 домашних цистернах уровень жесткости колебался от 35 до 150 мг/л (ppm). Более того, вода из цистерн часто имеет высокое бактериальное содержимое и заметный цвет. И если во многих случаях организмы, обнаруженные в цистернах, являются непатогенными, перед употреблением такой воды для питья ее целесообразно хлорировать.

Непатогенный. Патогенный организм — это любой микроорганизм или вирус, который является болезнетворным. Таким образом, «непатогенный» — это термин, указывающий на то, что соответствующее вещество не содержит болезнетворных микроорганизмов.

Выводы

Источник водоснабжения определяет виды и количество примесей, содержащихся в воде. Грунтовая вода из глубокой скважины обычно содержит высокие концентрации растворенных веществ. Такая вода обычно чиста и бесцветна из-за того, что проходит фильтрацию через камни и песок. Она также может содержать различные типы загрязнений, включая детергенты и индустриальные стоки. Известно, что такие формы загрязнения могут путешествовать в воде на некоторые расстояния. Вода из неглубоких скважин содержит различное количество минеральных примесей. Также существует опасность, что вода из таких источников может быть заражена человеческими и животными продуктами жизнедеятельности.

Поверхностные воды содержат множество примесей — ил, песок и глину, которые придают им грязный или мутный вид. Если стоки проходят через сельскохозяйственные земли, вода также может вобрать в себя химические отходы и токсические отходы животного происхождения.

Там, где вода медленно течет через заболоченную местность, она может приобрести нежелательный привкус, запах и цвет. Во время наводнений болота могут сбрасывать в водотоки и реки разложившуюся растительность, красящие вещества и микроорганизмы.

Только глубокие скважины и большие озера обеспечивают воду, более-менее одинаковую по составу от сезона к сезону. Меньшие водоемы, неглубокие скважины и родники часто показывают сезонные — и даже суточные — вариации в минеральном составе.

Для того чтобы понять, почему вода из различных источников имеет разное качество, необходимо знать основы химии воды. При удержании в атмосфере водяной пар приближается к состоянию дистиллированной воды. Пока он находится в воздухе, он относительно свободен от примесей и различных остатков. Когда водяной пар конденсируется достаточно для того, чтобы упасть на землю, он входит в соприкосновение с газами в окружающем воздухе — углекислым газом, азотом и кислородом. Атмосферная пыль также может содержать мельчайшие частицы кремнезема, оксидов железа и прочих материалов, помимо пыли, пыльцы и некоторых микроорганизмов.

При падении влага впитывает некоторое количество атмосферных газов, поскольку они частично растворимы в воде. Чем холоднее вода, тем больше окружающих газов она растворяет.

Если мы изобразим схематически, как ведет себя вода при растворении углекислого газа в воздухе, это будет выглядеть так:

Обычно, когда эта вода достигает земли, она слегка кислая, коррозийная и относительно мягкая (хотя и не такая мягкая, какой ее может сделать человек, обладающий мастерством водоподготовки). Когда вода выпадает на землю, она может захватить дополнительное количество углекислого газа от разлагающегося растительного материала. Теперь вода обладает еще большим потенциалом для растворения минералов и других примесей на поверхности земли или под землей. Вода на поверхности земли слегка кислая. Однако если она просочится в почву и пройдет через слой известняка, кислотность, приобретенная благодаря углекислому газу, будет нейтрализована. В то же время, вода захватит большое количество минералов. Схематически это выглядит так:

Известняк, распространенная горная порода, содержит различное количество карбонатов кальция и магния. Это невидимые минералы жесткости, поражающие многие источники воды. Основная реакция, показанная выше, справедлива для обоих минералов. Железо и марганец находят в источниках воды реже. Но опять-таки, их основная химическая реакция в воде очень похожа. Поскольку вода является растворителем, она захватывает растворимые хлориды, сульфаты и нитраты кальция и магния. Похожим образом она поглощает карбонатные, бикарбонатные, хлоридные, сульфатные и нитратные соединения натрия, а также некоторое количество кремнезема. Тщательное изучение источников воды после того, как они подвергнутся воздействию многих распространенных газов и минералов, даст нам представление, насколько хорошим растворителем является вода.

В уроках 2 и 3 мы рассмотрим, что происходит во время реакции молекул воды с различными соединениями, находящимися в ней.

Жесткость грунтовых вод в США

 Качество грунтовых вод в США

Качество грунтовых вод в США (продолжение)