5.7 Акустические свойства воды.

Вода хорошо проводит звук. В тол­ще воды звук может при некоторых условиях распространяться на огромные расстояния и с большой скоростью.

Скорость распространения звука в воде равна 1400—1600 м/с, т.е. в 4—5 раз больше скорости распространения звука в воздухе. Скорость звука в воде увеличивается с повышением температуры (приблизительно на 3—3,5 м/с на 1°С), с увеличением солености (приблизительно на 1 —1,3 м/с на 1‰) и с ростом давления. Послед­нее означает, что с ростом глубины при прочих равных условиях скорость звука возрастает (приблизительно на 1,5—1,8 м/с на 100 м глубины).

Скорость звука в воде с (м/с) зависит от определяющих факто­ров согласно формуле Вильсона:

c = c₀ + c_T + c_S + c_p + c_TSp

где c₀ — скорость звука при Т = 0°С, S = О‰ и атмосферном давлении, равная 1449,14 м/с, c_T , c_S и c_p — положительные по знаку приращения скорости звука, обусловленные увеличением соответственно температуры, солености и давления, c_TSp — сум­марная поправка.

5.8 Электропроводность воды.

Химически чистая вода — плохой про­водник электричества. Удельная электропроводность такой воды при18° С равна 3,8•10^-6 (Ом•м)^-1 . Электропроводность воды немного увеличивается с повышением температуры и сильно возрастает с увеличением минерализации. У морской воды электропроводность значительно больше (до 4—6 (Ом•м)^-1), чем у речной воды. Электропро­водность воды несколько возрастает с ростом давления. Поэтому на больших глубинах в океане (более 10 км) электропроводность воды приблизительно на 12% больше, чем в поверхностном слое.

На электропроводность воды влияет не только ее минерализация, но и химический состав. Оказалось, что воздействие на электропро­водность разных ионов солей, растворенных в воде, различно, и по­этому изменение солевого состава воды влечет за собой изменение ее электропроводности даже при неизменной общей минерализации (солености). Например, ионы Сl^- и К⁺ влияют на электропро­водность воды значительно сильнее, чем ионы SO^2- ,Ca²⁺ ,Mg²⁺и Na⁺ .

Контрольные вопросы:

1. Чем обусловлена диэлектрическая проницаемость воды?

2. Какие изотопы свойственны воде?

3. Агрегатные состояния воды.

4. Фазовые переходы воды.

5. Плотность воды.

6. Вязкость воды и чем она обусловлена?

7. Поверхностное натяжение воды.

8. Оптические свойства воды.

9. Акустические свойства воды.

10. Электропроводность воды.

ЛЕКЦИЯ 6. Физические основы процессов в гидросфере

6.1 Органолептические наблюдения

Это метод определения состояния водного объекта путем его непосредственного осмотра. При этом особое внимание обращается на явления, необычные для данного водоема и свидетельствующие о его загрязнении: гибель рыб и водных растений, выделение пузырьков газа из донных отложений, повышенная мутность, посторонние окраска, .запахи, цветение воды, наличие водяной пленки и т.п.

6.2 Запах, мутность, цветность и прозрачность

Запах – свойство воды вызывать у человека и животных специфическое раздражение слизистой оболочки носовых ходов. Измеряется в баллах. Запах воды вызывают летучие пахнущие вещества, поступающие в воду в результате жизнедеятельности водных организмов, их разложении, при химическом взаимодействии содержащихся в воде компонентов, а также промышленные, сельскохозяйственные и бытовые стоки. Острота запаха зависит от температуры.

Мутность природных вод вызвана присутствием тонко дисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми и коллоидными органическими или неорганическими веществами различного происхождения. При этом определение качества воды проводится описательно: сильная опалесценция , опалесценция, слабая опалесценция. В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды ее мутность не должна 1,5 гр/дм куб по каолину.

Цветность – показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений. Цветность определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами. Цветность выражается в градусах платиново-кобальтовой шкалы и колеблется от единицы до тысяч градусов. Предельная допустимая величина цветности питьевой воды составляет 35 градусов.

Цветность обусловлена присутствием гумусовых веществ и соединений Fe(III) и зависит от геологических условий водоносных горизонтов, характера почв, наличия болот в бассейне реки. Сточные воды могут давать различной интенсивности окраску воды. Высокая цветность оказывает отрицательное воздействие на жизнь водных организмов, так как резко снижает концентрацию растворенного в воде кислорода, который расходуется на окисление железа и гумуса.

Прозрачность природных вод обусловлена их цветом и мутностью, то есть содержанием в них различно окрашенных и взвешенных частиц. Мерой прозрачности служит высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в водоем белую пластину определенных размеров – диск Секи или различить на белой бумаге шрифт средней жирности высотой 3,5 мм. Результаты выражаются в сантиметрах с указанием способа измерения. Ослабление прозрачности приводит к большому поглощению солнечной энергии вблизи от поверхности, а появление более теплой воды у поверхности уменьшает перенос кислорода из воздуха в воду. Уменьшение потока света уменьшает эффективность фотосинтеза.

Водородный показатель – рН

Содержание ионов водорода в природных водах определяется количественным соотношением концентрации угольной кислоты и ее ионов:

СО₂ + Н₂О = Н+ + НСО₃- = 2Н+ + СО₃-

Для удобства выражение содержания ионов водорода введена величина представляющая собой логарифм их концентрации, взятый с обратным знаком.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД ПО СОДЕРЖАНИЮ рН

----------------------------------------------------------------------------------------------------

Класс рН Примечания

----------------------------------------------------------------------------------------------------

1. Сильно кислые воды < 3 результат гидролиза солей тяжелых металлов

2. Кислые воды 3-5 наличие органических веществ

3. Слабо кислые воды 5-6,5 наличие гумусовых кислот и других

органических соединений

4. Нейтральные 6,5-7,5 наличие карбонатов Са и Мg

5. Слабо щелочные 7,5-8,5 наличие СаСО3 и МgСО3

6. Щелочные 8,5-9,5 присутствие Nа2СО3

7. Сильно щелочные 9,5-14 наличие Nа2СО3

Окислительно-восстановительный потенциал (Еh)

(Еh) – мера химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах. Значения Еh выражаются в вольтах. В природной воде это значение колеблется от 400 до 700 мВ. Различают несколько типов геохимической обстановки в природных водах:

1. Окислительный: Еh = +100 – 150 мВ. Этот тип связан с присутствием свободного Н₂, а также ряда элементов с переменной валентностью: Fe₃+, Мо₆+, Y₅+, И₆+ и др.

2. Переходный окислительно-восстановительный: Еh = +100-0 мВ. Данный тип характеризуется неустойчивым геохимическим режимом с переменным соединением сероводорода и кислорода.

3. Восстановительный: характеризуется отрицательным значением Еh, связан с присутствием Fе₂+, Мо₄+, Y₄+, И₄+.

Растворенный кислород

Обязательный пункт в программе наблюдения за качеством воды – это растворенный в ней кислород. Характеризует условия обитания гидробионтов и рыб, а также косвенная характеристика процессов очистки сточных вод. Содержание растворенного в воде кислорода должно быть не ниже 4 мг/дм³. Для нормального развития рыб данный показатель должен быть не менее 5 мг/дм³. Понижение этого показателя до 2 мг/дм³. вызывает массовую гибель рыб. Избыток кислорода в воде также неблагоприятен.

Жесткость - представляет собой свойство воды, зависящее от наличия растворенных в ней Са и Мg.

Классификация воды по жесткости:

Мягкая – менее 4 мг эквивалент на куб.дм.

Средней жесткости – 4-8 мг ^. экв. на дм³.

Жесткая – 8-12 = / =

Очень жесткая – более 12 мг =/=

Величина общей жесткости в питьевой воде не должна превышать 10 мг ^. экв/дм³. Особые требования предъявляются к технической воде из-за образования накипи.

Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горький вкус и оказывая неблагоприятное воздействие на органы пищеварения.

ХПК – окисляемость перманганатная и бихроматная

– величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых сильными химическими окислителями. Выступает как характеристика , отражающая режим поступления сточных вод. ХПК питьевых вод Она не должна превышать 15 мг О/дм³.

Биохимическое потребление кислорода (БПК)

С помощью БПК определяют степень загрязнения воды органическими соединениями и определяют количество О₂, необходимое для их окисления микроорганизмами в аэробных условиях.

БПК5 – окисление в течение 5 суток;

БПК20 – окисление в течение 20 суток;

БПКп – полное окисление всех соединений в поверхностных водах с содержанием О2 от0,5 до 4 мг/дм³.

Поглощение и рассеяние водой солнечной энергии

Солнечная энергия, поступающая к поверхности воды (льда), частично проникает в воду и поглощается ею, частично отражается поверхностью. Поглощенная Е превращается в тепло. Количество отражаемой поверхностью воды солнечной радиации зависит от угла падения лучей. При больших высотах солнца – 30-80 градусов – от гладкой поверхности воды отражается лишь 2-6% поступившей энергии, а при угле в 1 г от поверхности воды отражается 90% падающей солнечной радиации. Отношение отраженной солнечной радиации к поступающей называется коэффициентом отражения или АЛЬБЕДО.

Отражательная способность льда кроме высоты солнца зависит от структуры и загрязненности. Коэффициент поглощения изменяется в зависимости от длины световой волны и наличия в воде растворенных и взвешенных веществ. Хуже всего вода пропускает ультрафиолетовые лучи, лучше – световые или видимые, лучше всего – инфракрасные.

Рассеяние света в воде происходит как в самой волной массе, так и под влиянием взвешенных в ней частиц. Чем длиннее световые волны, тем меньше они рассеиваются. Совокупным действием поглощения и рассеивания объясняется цвет воды в природных водоемах.