Download pdf - OsHG 05 - Fizicko-Hemijski, Radioloski i Mikrobiloski Sastav Podzemnih Voda

FIZIČKO-HEMIJSKI, RADIOLOŠKI I MIKROBIOLOŠKI SASTAV

PODZEMNIH VODA

Osnovi hidrogeologije

VPOGLAVLJE

Opšta hidrogeologija (Prof Dr Veselin Dragišić)

FIZIFIZIČČKE OSOBINE PODZEMNIH VODAKE OSOBINE PODZEMNIH VODA

VodaVoda jeje bezbojnabezbojna, , prozraprozraččnana teteččnostnost bezbez ukusaukusa i i mirisamirisa, , kojakoja se se sastojisastoji odod 11,11 % 11,11 % vodonikavodonika i 88,89 % i 88,89 % kiseonikakiseonika. . MolekuliMolekuli vodevode obrazujuobrazuju kristalnukristalnu rereššetkuetku u u formiformi tetraedratetraedra((slikaslika VV--1).1).

Slika V-1. Model molekula vode (Davis & De Wiest, 1966)


Kombinacije izotopa kiseonika i vodonika obrazuju 18 različitih molekula vode, kojekarakterišu određena fizičko-hemijska svojstva prvenstveno temperatura prelaska u sistem vodena para - tečnost - led.

Glavne fizičke osobine podzemnih voda su:

temperatura,prozračnost,boja,miris,ukus,gustina,viskoznost,stišljivost Ielektroprovodljivost.


Foto V-1. Termalna voda u Ribarskoj banji

Foto V-2. Termalna voda u Bogatiću


Foto V-3. Razlika u mutnoći usled razrade bunara


HEMIJSKI SASTAV PODZEMNIH VODA

Glavni izvori rastvorenih materija u podzemnim vodama su:

- atmosferske padavine,- stene i minerali u zemljinoj kori,- organske materije,- vode mora i okeana i- magmatski procesi.

GLAVNI IZVORI RASTVORENIH MATERIJA U PODZEMNIM VODAMA

FAKTORI I PROCESI FORMIRANJA HEMIJSKOG SASTAVA PODZEMNIH VODA

Hemijski sastav podzemnih voda formira se kao rezultat uzajamnog dejstva vode i materijeu zemljinoj kori, kao i materija koje vode poreklo iz drugih geosfera. Karakter toga dejstvamože se predstaviti sledećom šemom:

voda ⇔ stena ⇔ gas ⇔ živa materija

Na formiranje hemijskog sastava utiču brojni faktori i procesi koji se dešavaju u zemljinojkori.


Osnovni faktori formiranja hemijskog sastava

Faktori formiranja hemijskog sastava predstavljaju uslove koji omogućavaju stvaranjehemijskog sastava podzemnih voda. Oni uslovljavaju i iniciraju čitav kompleks procesa, koji se javljaju kao neposredan mehanizam u formiranju hemijskog sastava podzemnihvoda. Pored prirodnih na stvaranje hemijskog sastava podzemnih voda sve veći uticajimaju antropogeni faktori (tabela V-1).

Tabela V.1. Osnovni faktori formiranja hemijskog sastava podzemnih voda (Pineker,1984)Grupa faktora Osnovni faktori

Fizičko-geografskiReljefKlimaHidrografija i hidrologija

Geološko-tektonski

Geološki sastav terenaHemijsko-minerološki sastav stenaTektonikaMagmatizam

Fizičko-hemijskiRastvorljivost hemijskih jedinjenjaHemijska svojstva elemenataKiselinsko-bazni i oksido-redukcioni uslovi

Fizički

TemperaturaPritisakVremeProstor

Biološki Uticaj mikroorganizama, biljaka i životinja

AntropogeniNarušavanje prirodnog režima u toku eksploatacije mineralnih sirovina, eksploatacijepodzemnih voda, navodnjavanje i odvodnjavanje poljoprivrednih površina, zagađivanjepodzemnih voda


Osnovni procesi formiranja hemijskog sastava podzemnih voda

Mehanizam formiranja hemijskog sastava podzemnih voda ogleda se kroz procese koji se odvijaju pri postojanom uzajamnom dejstvu podzemnih voda, stena, gasova i živematerije. Osnovni procesi koji učestvuju u formiranju hemijskog sastava podzemnih voda, prevode materiju u rastvor, prenose je često na znatna rastojanja, odnose iz rastvora, koncentrišu ili razblažuju rastvore (tabela V-52.

Tabela V.2. Osnovni procesi formiranja hemijskog sastava podzmenih voda(Pineker, 1984)

Grupa procesa Osnovni procesi

Reprodukcija rastvorene materije HidrolizaIsparavanje i rastvaranje

Prenos rastvorene materije Molekularna difuzijaFiltracija (difuzno-konvektivni prenos mase)

Apsorbcija rastvorene materije Kristalizacija (taloženje) soliSorpcija

Kombinacija prevoda materije u rastvori izvođenje iz rastvora

Jonska zamenaOksidoredukcione i biohemijske reakcijeRadioaktivni raspad

Dodavanje ili oduzimanje molekularastvarača (vode)

Hidratacija mineralaDehidratacija mineralaPodzemno isparavanjePodzemno zamrzavanjeMembranski efekti


OSNOVNI POKAZATELJI HEMIJSKOG SASTAVA PODZEMNIH VODA

Veliku ulogu u definisanju hemijskih svojstava podzemnih i prirodnih voda uopšte imajuodređeni pokazatelji koji određuju njihov sastav i u znatnoj meri određuju mogućnostprisustva određenih elemenata i jedinjenja, kao i vrstu njihovog migriranja. Ti pokazateljisu pH vrednost, oksido-redukcioni potencijal Eh, tvrdoća i mineralizacija.

pH vrednost podzemnih voda

pH vrednost predstavlja veličinu koja karakteriše aktivnost ili koncentarciju jona vodonikau rastvorima.

Koncentracija jona vodonika u vodenim rastvorima, nezavisno od njihovog porekla, određuje se jonskim proizvodom vode :

2H O+ -K = [H ][OH ]

Veličina je postojana, u značajnoj meri zavisna od temperature, a u manjoj meri odpritisaka. Pri temperaturi od 25 °C, jonski proizvod vode iznosi 10-14:

[H ][OH ] = 10+ - -14


U neutralnoj vodi koncentracije jona H+ i OH- su jednake, što znači da koncentarcija jonavodonika iznosi 10-7.

Praktično, vrednost pH jednaka je stepenu koncentracije vodonikovih jona sa obratnimznakom.

Koncentracija vodonikovih jona održava i kiselu i baznu reakciju vode. Pri vrednosti pH=7 reakcija vode je neutralna, pH<7 kisela, a pri pH>7 bazna.

Na osnovu vrednosti pH, sve podzemne vode mogu se podeliti u sledeće grupe:

jako kisele vode (pH < 3),kisele vode (pH = 3-5),slabo kisele vode (pH = 5-6.5),neutralne vode (pH = 6.5-7.5),slabo bazne vode (pH = 7.5-8.5),bazne vode (pH = 8.5-9.5) ijako bazne vode (pH > 9.5).


Oksido-redukcioni potencijal

Na formu elemenata u podzemnim vodama i uslove njihove migracije, pored pH vrednosti, značajnu ulogu ima oksido-redukcioni potencijal (Eh), koji je u tesnoj vezi s pH vrednošću.

Oksido-redukcioni procesi neprekidno se dešavaju u zemljinoj kori. Oksidacija je vezanaza otpuštanje elektrona, a redukcija za njihovo sjedinjavanje.

Veličina oksido-redukcionog potencijala neke sredine (Eh) može se izraziti sledećomjednačinom:

Eh = E + 0.0581n

log OxRed

pri t = 20 Co o

gdegde susu::EEoo -- normalninormalni oksidacionioksidacioni potencijalpotencijal pripri komekome susu koncentracijekoncentracije

oksidacioneoksidacione ii redukcioneredukcione formeforme međusobnomeđusobno jednakejednake (Ox/Red=1),(Ox/Red=1),OOxx -- koncentracijakoncentracija oksidacioneoksidacione formeforme jedinjenjajedinjenja,,RReded -- koncentracijakoncentracija redukcioneredukcione formeforme jedinjenjajedinjenja iinn -- brojbroj elektronaelektrona kojikoji uuččestvujeestvuje u u reakcijireakciji..


Oksidacija jedne materije izaziva redukciju druge, pri čemu se reduktor (redukcionosredstvo) oksidiše, a oksidans (oksidaciono sredstvo) redukuje. Oksidacija se manifestujeodnošenjem elektrona, a redukcija prisajedinjavanjem, što se može videti iz sledećegprimera:

2+ 3+ -Fe Fe + e⇔

Uopšte, ovaj proces se može predstaviti na sledeći način:

Red Ox + n e-⇔ ⋅

gdegde susu::RReded -- redukcioniredukcioni oblikoblik jedinjenjajedinjenja,,OOxx -- oksidacionioksidacioni oblikoblik jedinjenjajedinjenja iinn··ee-- -- brojbroj elektronaelektrona kojikoji uuččestvujeestvuje u u reakcijireakciji..


Tvrdoća vode

Tvrdoća vode uslovljena je sadržajem soli pojedinih elemenata u vodi kao što su Ca2+, Mg2+, Fe3+, Al3+, Mn2+, Ba2+, Sr2+ i dr. Izuzev Ca2+ i Mg2+, ostali joni se u podzemnim vodamajavljaju u malim količinama, tako da tvrdoću čine sume ekvivalenata navedenih jona.

Opšta tvrdoća vode. Određena je sumarnim sadržajem svih soli Ca2+ i Mg2+-Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, MgCO3, CaSO4, MgSO4, CaCl2 i MgCl2.

Prolazna tvrdoća vode. Određena je sadržajem jona Ca2+ i Mg2+, koji se u kipućoj voditalože u vidu karbonata, usled razlaganja hidrokarbonatnog jona:

CO+OH+CO=2HCO 22-2

3-3

CaCO=CO+Ca 3-2

32+

Stalna tvrdoća vode. Jednaka je razlici između opšte i prolazne tvrdoće. Nju određuju joniCa2+ i Mg2+, koji posle ključanja ostaju u vodi, sjedinjeni sa Cl- i SO4

2-.

Tvrdoća se izražava u stepenima, mg ekv ili mg/l. U našoj zemlji najčešće je u upotrebinemački stepen (°dH), kome odgovara 10 mg CaO rastvorenog u 1 l vode, ili njemuekvivalentan sadržaj od 7.2 mg/l MgO:


Tabela V.4. Klasifikacija voda prematvrdoći po Klut-u

Tvrdoća odH Tip vode

0 - 4 Veoma meka4 - 8 Meka8 - 12 Umereno tvrda

12 - 18 Dosta tvrda18 - 30 Tvrda

> 30 Vrlo tvrda

Tabela V.5. Klasifikacija voda prema tvrdoći(Sawyer & McCarty)

Tvrdoća (mg CaCO3) Tip voda

0 - 75 Meke75 - 150 Umereno tvrde

150 - 300 Tvrde> 300 Vrlo tvrde

Za piće su najbolje vode tvrdoće do 15°dH.

U upotrebi su još francuski, engleski i američki stepen.

Mg+Cav.0.357mg.ek=MgO 7.2mg/l=CaO 10mg/l=dH1 2+2+o


Mineralizacija podzemnih vodaMineralizacija podzemnih voda predstavlja sumu svih mineralnih materija u vodi.Mineralizacija se određuje preko suvog ostatka, uparavanjem uzorka vode na temperaturi110 °C. Izražava se u mg/l ili g/l kod malomineralizovanih voda, a kod rasola ilivisokomineralizovanih voda mg/kg ili g/kg.

Na osnovu veličine ukupne mineralizacije, sve podzemne vode mogu se izdvojiti u dvegrupe: malomineralizovane (slatke) i mineralizovane (tabela V-6):

Tabela V.6. Klasifikacija podzemnih voda na osnovu ukupne mineralizacije

Podzemne vode Ukupna mineralizacijaMalomineralizovane (slatke) < 1.0 g/l

Mineralizovane: > 1 g/la) povećane mineralizacije 1-5 g/lb) srednje mineralizacije 5-15 g/lc) visoke mineralizacije 15-35 g/l

d) rasolne vode > 35 g/l


KOMPONENTE HEMIJSKOG SASTAVA PODZEMNIH VODAPodzemne vode sadrže bogatstvo mineralnih komponenata koje uključuju slobodne jone, nedisosovane molekule i kompleksna jedinjenja. Slobodni joni preovlađuju u podzemnim vodama i određuju njen hemijski tip, dok se nedisocirani joni i kompleksna jedinjenja nalaze u beznačajnim količinama i karakterišu specifičan sastav vode. Suma svih mineralnih komponenata sadržanih u podzemnim vodama određuju njenu mineralizaciju.

Među najvažnije komponente koje određuju mineralizaciju i hemijski tip vode spadaju Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3-, SO4

2- i H4SiO4. Ovi elementi predstavljaju primarne komponente hemijskog sastava podzemnih voda (tabela VI-13). Određene komponente kao što su: K, F, B, Sr, Fe, CO3

2- i jedinjenja azota, takođe su široko rasprostranjene u podzemnim vodama. Ove komponente, koje ne određuju osnovni hemijski sastav, ali u određenim uslovima mogu formirati specifične tipove podzemnih voda, predstavljaju sekundarne komponente(tabela V.7).

Primarne i sekundarne komponente čine grupu makrokomponenti u podzemnim vodama. Svi ostali elementi u podzemnim vodama nalaze se u rasejanom stanju, relativno su niskih koncentracija ili ih ima samo u tragovima (tabela V.7). Najčešće se nazivaju jednim imenom - mikrokomponente. Iako ne određuju hemijski tip vode, imaju veliki uticaj na formiranje specifičnih osobina podzemnih voda.


Makrokomponente Mikrokomponente Mikrokomponente

Primarnekomponente(1-1000 mg/l)

Sekundarnekomponente

(0.01-10 mg/l)(0.0001-0.1 mg/l)

u tragovima(manje od 0.001

mg/l)

Natrijum (Na)Kalcijum (Ca)Magnezijum (Mg)Hidrokarbonat(HCO3)Sulfat (SO4

2-)Hlorid (Cl-)Silicijumdioksid (SiO2)Silicijumovakiselina (H4SiO4)

*Ovi elementi sunestalni upodzemnimvodama

Gvožđe (Fe)Stroncijum (Sr)Kalijum (K)Karbonat (CO3

2-)Jedinjenjaazota (N)Fluor (F)Bor (B)

Antimon (Sb)*Aluminijum (Al)Arsen (As)Barijum (Ba)Brom (Br)Kadmijum (Cd)*Hrom (Cr)*Kobalt (Co)Bakar (Cu)Germanijum (Ge)*Jod (J)Olovo (Pb)Litijum (Li)Mangan (Mn)Molibden (Mo)Nikal (Ni)FosfatiRubidijum (Rb)*Selen (Se)Titan (Ti)*Uranijum (U)Vanadijum (V)Cink (Zn)

Berilijum (Be)Bizmit (Bi)Cerijum (Ce)*Cezijum (Cs)Galijum (Ga)Zlato (Au)Indijum (In)Lantan (La)Niobijum (Nb)*Platina (Pt)Radijum (Ra)Rutenijum (Ru)*Skandijum (Sc)*Srebro (Ag)Talijum (Tl)*Torijum (Th)*Kalaj (Sn)Volfram (W)*Iterbijum (Yb)Itrijum (Y)*Cirkonijum (Zn)*

Tabela V.7. Pregledmakro i mikro

komponenata u podzemnim

vodama (Davis & De Wiest, 1966)


Makrokomponente u podzemnim vodama

Primarne komponente.- osnovni anjoni (HCO3

-, SO42-, Cl-) i

- osnovni katjoni (Na+, Ca2+,Mg2+).

Sekundarne komponente. U sekundarne makrokomponente spadaju: gvožđe (Fe2+ i Fe3+), fluor (F), kalijum (K+), jedinjenja azota (NH4

+, NO2- i NO3

-), karbonatni jon (CO32-),

stroncijum (Sr) i bor (B).


Foto VI-7. Rudničke vode sa visokim sadrzajem Fe, rudnik Lipa

Foto V.8. Rudničke vode sa visokim sadrzajem Fe,

rudnik Majdanpek


Foto VI-9 i 10. Vode sa visokim sadržajem Fe (napušteni potkop

na Crnom Vrhu kod Bora)


Mikrokomponente u podzemnim vodama

Mikrokomponente ne određuju hemijski tip podzemnih voda, ali mogu imati značajan uticaj na formiranje njihovih specifičnih osobina i na biološke procese u prirodi.

U podzemnim vodama otkriveno je više od 40 mikrokomponenata. One se u podzemnim vodama mogu naći u vidu prostih jona, molekula, koloidnih i lebdećih čestica, kao i u vidu minerala i organskih kompleksa.

Važnije mikrokomponente mogu se svrstati u nekoliko grupa:

mikrokomponente koje obrazuju anjone (J, Mo, As, Se),alkalni metali (Li, Rb, Cs),rasejani metali (Be),halkofilni elementi (Zn, Cu, Pb, Ag) i radioaktivni elementi (U, Ra).

Izvori mikrokomponenata u podzemnim vodama najčešće su rudni minerali (Zn, Cu, Pb, Ag, Mo, U, As), akcesorni minerali u pojedinim stenama (Be, Se), organske materije (J, Mo), morska voda (J), kao i niz magmatskih, metamorfnih i halogenih stena (Li, RB, Cs).


Foto V-11. Rudničke vode sa viskokim sadržajem Cu u Iranu

(lokalnost Sar Chesmeh –Kermanska oblast)

Foto VI-12. Rudničke vode sa viskokim sadržajem Cu

(rudnik Veliki Krivelj)


GASNI SASTAV PODZEMNIH VODA

U podzemne vode gasovi dospevaju iz atmosfere, tokom degazacije mantla, hemijskim i biohemijskim procesima u zemljinoj kori.

Gasovi u podzemnim vodama nalaze se kako u rastvorenom, tako i u slobodnom stanju. Pri umanjenju pritiska, rastvoreni gasovi prelaze u slobodne.

Rastvorljivost gasova u podzemnim vodama zavisi od temperature. S povećanjem temperature, smanjuje se i njihova rastvorljivost.

Najrasprostranjeniji gasovi u podzemnim vodama su:

kiseonik (O2), ugljendioksid (CO2), vodoniksulfid (H2S), vodonik (H2), metan (CH4), teški ugljovodonici (etan – C2H6, propan – C3H8, butan – C4H10), azot (N2) i plemeniti gasovi (helijum - He i argon - Ar).

Gasovi u podzemnim vodama su atmosferskog, biogenog i radioaktivnog porekla.


Foto VI.13 i VI.14. Pojava gasova na izvoru Banjica u Čedovu (Pešterska

visoravan)


KLASIFIKACIJA PODZEMNIH VODA NA OSNOVU HEMIJSKOG SASTAVA

Klasifikacija podzemnih voda na osnovu hemijskog sastava bila je predmet izučavanja brojnih autora, tako da danas u stručnoj literaturi srećemo više različitih podela. Osim na opštoj mineralizaciji, najveći broj autora svoje klasifikacije bazira na prisustvu preovladavajućih jona i određenih specifičnih komponenti. Najčešće su u upotrebi klasifikacije Sulina, Ščukareva, Slavjanova, Tolstihina, Alekina, Ivanova, Valaška, Aleksandrova i Nevraeva. Nijedna njihova klasifikacija nije sveobuhvatna, odnosno do danas nije postavljena univerzalna klasifikacija podzemnih voda na osnovu hemijskog sastava.

Postojeće klasifikacije imaju niz nedostataka. Jedne uopštavaju predstavu o sastavu podzemnih voda nekog regiona, dok su druge prilagođene svrhama (mineralne vode, naftne vode, rasoli i sl)..


Za oznaku klasa, grupa i tipova u datoj klasifikaciji koriste se simboli. Tako se za klase koriste simboli C (HCO3

-), S (SO42-) i Cl (Cl-), za grupe Na (Na+), Ca (Ca2+) i Mg (Mg2+). Tipovi

se označavaju simbolima I, II, III i IV. Karakteristike osnovnih tipova podzemnih voda date su u tabeli VI-17.

Slika V.2. Klasifikaciona šema podzemnih voda po preovlađujućimanjonima i katjonima (Alekin, 1936)

Klasifikacija Alekina zasniva se na odnosu preovlađujućih jona. Po njoj, sve podzemne vode dele se na klase, grupe i tipove (slika V-2).


Tabela V.8. Karakteristike osnovnih tipova podzemnih voda(Alekin, 1936)

Tip Odnos između osnovnihanjona i katjona Opšte karakteristike

I Malomineralizovane,meke vode

II Malomineralizovane i mineralizovane, tvrde vode

III Slane vode i rasoli

IV Kisele vode

++− +> 223 MgCaHCO

−−++− +<+< 243

223 SOHCOMgCaHCO

HCO SO Ca Mg3 42 2 2− − + ++ < +

HCO 03− =


HEMIJSKE ANALIZE PODZEMNIH VODA I FORME IZRAŽAVANJA REZULTATA HEMIJSKIH ANALIZA

Analiza vode predstavlja određivanje njenog hemijskog, gasnog, radoaktivnog i mikrobiološkog sastava i fizičkih osobina. U zavisnosti od cilja istraživanja, u vodi se određuju:

fizička i organoleptička svojstva (temperatura, boja, ukus, miris, prozračnost, elektroprovodljivost, gustina),sadržaj rastvorenih mineralnih, organskih i radioaktivnih materija,sadržaj rastvorenih i slobodnih gasova,osnovni pokazatelji hemijskog sastava (opšta mineralizacija, Eh, pH i različiti vidovi tvrdoće) iizotopski i mikrobiološki sastav.

Sadržaj hemijskih analiza i stepen tačnosti njihovih rezultata određuje se na osnovu zadataka i etapa istraživanja.

Sadržaj pojedinih mineralnih komponenti hemijskog sastava izražava se u mg/l, mg ekv/l i mg ekv %. Pri većim mineralizacijama (rasolne vode), sadržaj komponenti izražava se u g/kg, a mikrokomponenti u μg/l . Sadržaj rastvorenih gasova izražava se u mg/l ili %.

1 μg/l = 10-6 g/l.


Za sistematizaciju rezultata hemijskih analiza ispitivanih podzmenih voda koriste se tabele, formule i različiti tipovi dijagrama. Zavisno od cilja istraživanja, tabelarno se prikazuje sadržaj osnovnih jona, metala, rastvorenih i slobodnih gasova, radioaktivnost, mineralizacija i određena fizička svojstva (tabela V.9). Kad je u pitanju analitičko predstavljanje rezultata hemijskih analiza, često se koristi formula Kurlova u modifikovanom obliku:

gde su:

Sp - sadržaj specifičnih komponenti, odnosnomikrokomponenti (μg/l),

G - sadržaj gasova (mg/l),M - ukupna mineralizacija (g/l),

HCO3, SO4, Cl, Ca, Mg, Na - primarne komponente (% ekv) poređane po veličini sadržaja iznad 5 % ekv,

Eh - oksidaciono-redukcioni potencijal (mV),TV - ukupna tvrdoća ( odH) it - temperatura (oC).

Sp, G, MHCO SO ClCa Mg Na

Eh, pH, TV, t3 4


Tabela V.9. Tabelarni prikaz hemijskog sastava podzemnih voda izpotkopa “Gornja lipa” u istočnoj Srbiji

Komponentehemijskog sastava Vrednosti

Organoleptička svojstvaTemperatura (oC) 8.8

Boja BezMutnoća Bistra

Prozračnost ProzračnaMiris Bez

Osnovni pokazatelji hemijskog sastavaUkupna mineralizacija (mg/l) 7009.2

Električna provodljivost(μS/cm) 2400

pH vrednost 2.83Eh (mV) 307

Opšta tvrdoća (odH) 71.62Prolazna tvrdoća (odH) 0

Stalna tvrdoća (odH) 71.62Primarne makrokomponente (mg/l)

Hloridi (Cl-) 10.20Hidrokarbonati (HCO3

- ) 0.0Sulfati (SO4

2-) 5000.00Natrijum (Na+) 10.50Kalcijum (Ca2+) 360.00

Magnezijum (Mg2+) 92.20Silicijum (SiO2) 107.8

Komponentehemijskog sastava Vrednosti

Sekundarne makrokomponente (mg/l)

Kalijum (K) 6.30

Gvožđe (Fe) 1080

Bor (B) 0.04

Stroncijum (Sr) 1.71

Nitriti (NO2) 0.001

Nitrati (NO3) 7.20

Mikrokomponente (mg/l)

Bakar (Cu) 4.20

Barijum (Ba) 0.01

Cink (Zn) 22.60

Aluminijum (Al) 248.60

Arsen (As) 4.20

Olovo (Pb) 0.60

Gasovi (mg/l)

Rastvoren O2 2.5

Rastvoren CO2 0.0


Pored navedene, koriste se formule materijalnog sastava, formule gasnog i sonog sastava i druge.

Za sistematizaciju rezultata hemijskih analiza u hidrogeologiji se često primenjuju grafičke metode, koje su obično u tesnoj vezi sa hidrohemijskim klasifikacijama. Osim što omogućavaju preglednost rezultata hidrohemijskih ispitivanja, grafici imaju prednost pri uspostavljanju odgovarajućih zakonomernosti i njihovoj interpolaciji.U stručnoj praksi koristi se velik broj grafika, odnosno dijagrama, od kojih su ovde prikazani samo neki: grafikon vertikalnih kolona, dijagram ortogonalnih koordinata, semilogaritamski dijagram, vektorski dijagram, kružni dijagram i trilinearni dijagram.


RADIONUKLIDI U PODZEMNIM VODAMA

Nestabilni nuklidi, koji imaju sklonost ka spontanoj promeni u druge vrste nuklida kroz različite reakcije raspada (dezintegracija), zovu se radionuklidi (Walton, 1970). Svojstvo nestabilnih nuklida da prelaze u postojanija stanja, pri čemu dolazi do oslobađanja energije naziva se radioaktivnost.

Pri svakom od raspada dolazi do emisije odgovarajućih čestica ili elektromagnetnih talasa. Utvrđeno je da jezgra atoma mogu emitovati tri vrste zračenja (radioaktivno zračenje): alfa (α), beta (β) i gama (γ). Alfa zraci su jezgra atoma helijuma, beta zraci elektroni, a gama zraci elektromagnetni talasi vrlo male talasne dužine.

Aktivnost radioaktivnog izvora meri se jedinicama koje se nazivaju bekereli. Jedan bekerel odgovara jednom raspadu (dezintegraciji) bilo kog radionuklida u jednoj sekundi:

1-s = 1s1 = Bq 1

Količina radionuklida u podzemnim vodama određuje se indirektnim merenjem broja reakcija raspada tokom date dužine vremena. Izražava se u Bq/l.


Poreklo radionuklida u podzemnim vodama

Po svom poreklu, radionuklidi mogu biti prirodni i veštački.

Prirodni radionuklidi. Tokom čitave istorije naše planete, radijacija do njene površine dopire iz kosmosa i radioaktivnih materijala koji se nalaze u zemljinoj kori. Glavni radioaktivni materijali u zemljinoj kori su dugoživeći radionuklidi i produkti raspada radioaktivnih nizova 238U, 235U i 232Th.

Dugoživeći radionuklidi karakterišu se dugim periodom poluraspada. Nazivaju se i primarnim radionuklidima. Najraspostranjeniji su: 87Rb, 232Th, 40K i 238U.

Produkti raspada 238U, 235U i 232Th. Teški radionuklidi čiji je redni broj veći od 83, a koji se nalaze u prirodi, mogu se grupisati u tri radioaktivna niza (Milojević, 1995). Posle niza α- ili β- raspada, ovi radionuklidi se transformišu u stabilne izotope olova. Po svojim prvim članovima (rodonačelnicima), nazvani su nizovima 238U, 235U i 232Th. Opšte karakteristike pomenutih nizova su sledeće:

Rodonačelnici porodica (nizovi) imaju dugi period poluraspada (108 - 1010 godina).U sredini svakog niza javljaju se gasne emanacije sa rednim brojem 86 (222

86Rn, 220

86Rn i 21986Rn).

Gasne emanacije se raspadaju dajući kratkoživeće radionuklide.Nizovi se završavaju stabilnim izotopima olova:

238U→206Pb, 235U→207Pb i 232Th→208Pb


Radionuklid Period polura-spada (godina)

Ukupna količinana površini Zemlje

3H 12.33 7 kg10Be 1.66 x 106 430 tona14C 5730 75 tona26Al 7.2 x 105 1.1 tona32Si 104 2 kg35S 0.24 4.5 kg36Cl 3.01 x 105 15 tona39Ar 269 -

Tabela V.10. Karakteristike nekih kosmogenih radionuklida (Draganić, 1996)

Radionuklidi atmosferskog porekla. Kosmički zraci direktno ozračuju Zemlju stupajući u interakciju sa atmosferom, pri čemu se stvaraju nove vrste radionuklida. Karakteristikenekih radionuklida ove vrste date su u tabeli V.10.


Radionuklidi veštačkog porekla. U nuklearnim reakcijama prilikom proba nuklearnog oružja, pri procesu dobijanja nuklearne energije i sl, stvara se niz novih radionuklida. Među njima se posebno ističu stroncijum (Sr-90) i cezium (Cs-137), koji često kontaminiraju podzemne vode i predstavljaju opasnost za zdravlje čoveka.

Odkad se vrše probe nuklearnog oružja, pored stvaranja novih, došlo je do povećanja koncentracije kosmogenih radionuklida. Tako su koncentracije tricijuma - 3H povećane 5 -10 puta.

Izvor radionuklida u podzemnim vodama mogu biti i agrotehničke mere kojima se vrši sistematsko obogaćivanje 238U i 40K iz veštačkih đubriva, a koje nije akcidentnog karaktera.

Najpoznatiji u ovoj grupi radionuklida su tricijum - 3H i radioaktivni ugljenik - 14C. Posebno je značajan ugljenik - 14C, koji se u hidrogeologiji koristi, za određivanje starosti podzemnih voda i dr.


Radioaktivnost podzemnih voda

Sve podzemne vode su osim retkih izuzetaka, u određenom stepenu radioaktivne. Njihova radioaktivnost uglavnom potiče od radionuklida 238U, 235U i 232Th. U manjem stepenu radioaktivnost potiče i od kalijuma - 40K i rubidijuma - 87Rb. Pored navedenih, u podzemnim vodama se javljaju i drugi radionuklidi prirodnog i veštačkog porekla (tabela V.11).

Sadržaj radionuklida u podzemnim vodama je znatno manji nego u stenama. Najveće koncentracije radionuklida nalaze se u podzemnim vodama ležišta urana.

Migrativnost i koncentracija radionuklida u podzemnim vodama, pored njihovog karaktera, zavisi i od drugih faktora, kao što su:

geohemijski uslovi sredine (pH - Eh).hemijski sastav podzemnih voda,mineraloški i hemijski sastav stena,granulometrijski sastav stena,jonska zamena i dr.


Radonuklidi jod - 131J i sumpor - 35S ne adsorbuju se mineralnim česticama stena kroz koje cirkulišu podzemne vode. Drugi radionuklidi, kao što su stroncijum - 90Sr, rutenijum -106Ru, uran - 235U i cezijum - 137Cs, slabo se adsorbuju mineralnim česticama.

Koncentracija radionuklida atmosferskog (kosmogenog) porekla znatno je manja u podzemnim vodama nego u površinskim. Ovi radionuklidi dospevaju u podzemne vode putem atmosferskih padavina. U dubljim vodonosnim sredinama, koncentracija kratkoživećih radionuklida praktično je ravna nuli. Tako se tricijum - 3H sreće samo u plićim vodonosnim sredinama.

Od prirodnih radionuklida, najzastupljeniji u podzemnim vodama su uran, radijum i radon.


Radionuklid Vremepoluraspada Radijacija

131Ba 13 d γ140Ba 12.8 d β, γ82Br 36 d β, γ45Ca 153 d β14C 5600 g β

144Ce 290 d β, γ135Cs 2.9 x 106 g β137Cs 33 g β, γ36Cl 4 x 105 g β51Cr 27.8 d γ57Co 270 d β, γ60Co 5.3 g β, γ

3H 12.4 g β129J 1.72 x 107 g β, γ131J 8.04 d β, γ32P 14.3 d β

238Pu 92 g α, γ

Tabela V.11. Karakteristike nekih radionuklida koji se javljaju u podzemnim vodama (Walton, 1970)

Radionuklid Vremepoluraspada Radijacija

240Pu 6580 g α242Pu 5 x 105 g α226Ra 1620 g α, γ228Ra 6.7 g β222Rn 3.83 d α86Rb 18.7 d β, γ87Rb 6 x 1010 g β103Ru 40 d β, γ106Ru 1 g β22Na 2.6 g β, γ89Sr 51 d β90Sr 29 g β35S 88 d β

235U 7.1 x 108 g α238U 4.5 x 109 g α, γ65Zn 245 d β, γ

g - godina, d - dan


ORGANSKE MATERIJE U PODZEMNIM VODAMA

U podzemnim vodama prisutne su brojne organske komponente različite geneze. To su najčešće humusne i fulvinske kiseline, naftenati, bitumija, fenoli, organski azot i organski ugljenik.

Izvor organskih materija u podzemnim vodama je raznovrstan. To mogu biti atmosferski talozi, površinske vode, zemljište (humus), okeanske (morske) vode, određene vrste sedimentnih stena, tresetišta, blatišta, ležišta uglja, nafte i gasa, kao i antropogeni faktori.

Opšta količina organskih materija u podzemnim vodama određuje se preko utroška KMnO4 ili O2 (1 mg O2 ili 4 mg KMnO4 = 21 mg organske materije).


MIKROORGANIZMI U PODZEMNIM VODAMA

Mikroorganizmi obuhvataju heteorgenu grupu organizama za koje je zajedničkamikroskopska veličina (ne mogu se videti slobodnim okom jer su sitniji od 0.1 mm), brzirast i razmnožavanje i široka geografska rasprostranjenost.

Iako velika raznolikost ovih organizama uzrokuje teškoće u njihovoj klasifikaciji, oni se mogu svrstati u tri grupe (Simić, 1988):

prokarioti (bakterije i cijanobakterije),eukarioti (alge, gljive i protozoe) ibezćelijski organizmi (virusi).

Bakterije.AlgeGljiveProtozoe (praživotinje)Virusi.

Pored navedenih grupa mikroorganizama, pojedini mikrobiolozi izdvajaju i grupuaktinomiceta i rikecija.

Aktinomicete su, po njima, mikroorganizmi koji sistematski zauzimaju mesto izmeđubakterija i gljiva, a rikecije između bakterija i virusa. Savremena mikrobiologija ovemikroorganizme svrstava u grupu bakterija.


Rasprostranjenost mikroorganizama u prirodi

Mikroorganizmi su veoma rasprostranjeni u prirodi. Mogu se naći u vazduhu, zemljištu i vodi. Gornji slojevi zemljišta sadrže gotovo sve mikroorganizme. Najviše ih je u humusnom pokrivaču dubine do 15 cm, gde se u jednom gramu humusa može naći i do 25 milijardi mikroorganizama.

U slatkim vodama razvija se bogatija i raznovrsnija populacija mikroorganizama nego u slanim. Pored globalnog značaja za kruženje materije, vodeni mikroorganizmi su važničinioci procesa bioprečišćavanja zagađenih voda.

U vazduhu se mikroorganizmi zadržavaju samo privremeno i u malom broju, jer tu nemauslova za njhiovu metaboličku aktivnost.

Svi mikroorganizmi, u odnosu na uslove sredine u kojoj se razvijaju dele se na aerobne, anaerobne i fakultativno anaerobne.

Aerobni organizmiAnaerobni organizmiFakultativno anaerobni organizmi


Prema sposobnosti stvaranja energije za svoju aktivnost, svi mikroorganizmi se dele na dve grupe: fototrofne i hemotrofne.

Fototrofni mikroorganizmiHemotrofni mikroorganizmi.

Mikroorganizmi koji se hrane mrtvom organskom materijom nazivaju se saprofiti, a mikroorganizmi koji se hrane na račun žive materije nazivaju se paraziti. U grupu parazita spadaju i patogeni mikroorganizmi, koji izazivaju bolesti kod biljaka, ljudi i životinja. U podzemnim vodama nalazi se veliki broj mikroorganizama, i do nekoliko miliona u 1 ml vode, koji dospevaju u vodu iz raznih izvora: iz tla, vazduha, atmosfere i površinskih voda, iz samih stena i na račun delatnosti živih organizama.


Tabela V.12. Klasifikacija mikroorganizama prematemperaturnim uslovima (Taube & Baranova, 1983)

T (oC)Grupa

Minimalna Optimalna Maksimalna

Psihrofilni -5 do +5 15 do 18 10 do 22

Mezofilni 10 do 15 20 do 2535 do 37 35 do 45

Termofilni 40 do 45 55 do 75 60 do 80

U odnosu na temperaturne uslove, izvršena je podela mikroorganizama na psihrofilne, mezofilne i termofilne (tabela V.12).

Osim temperaturom, količina mikroorganizama u podzemnim vodama uslovljena je i prisustvom organskih materija, rastvorenog kiseonika, određenom vrednosti pH sredine i dr.


U prirodnim vodama obično se nalaze sledeće grupe bakterija (Milojević, 1995):

fluorescentne bakterije,hromogene, uključujući ljubičaste, crvene i žute oblike,bakterije iz plemena Ešerihija,bakterije iz plemena Proteja,nesporogeni štapići koji ne razvijaju ni gas iz ugljenih hidrata, ni pigmente, nitiobrazuju kolonije slično Proteusu, ali likvefikuju želatin,sporogeni štapići tipa Bacillus sublitis ibele, žute i ružičaste koke.

U grupu mikroorganizama, koji se u normalnim uslovima ne nalaze u podzemnim vodama, spadaju:

gram-pozitivni sporogeni štapić iz reda anaeroba Clostridium, koji u tečnimpodlogama razvija gas iz ugljenih hidrata,gram-pozitivne koke iz reda Streptococcus,gram-negativni nesporogeni štapići iz rodova Escherichia, Aerobacter i Proteus, koji se ne smatarju patogenima,organizmi iz reda Salmonella, opasnih patogena iorganizmi iz reda Shigella, opasnih patogena, kao i izvesni submikroskopski oblici(virusi i bakteriofage).

Mikroorganizmi u podzemnim vodama

Najrasprostranjenija grupa mikroorganizama u podzemnim vodama su bakterije.


Litotrofni mikroorganizmi

Za formiranje hemijskog sastava podzemnih voda bitan značaj imaju mikroorganizmi čijeje osnovno stanište litosfera, a osnovni izvor hranjenja je razlaganje mineralnih i organskih materija. To su razne vrste bakterija koje vrše ili pospešuju oksidacijumineralnih i organskih materija u različitim geohemijskim uslovima, pri čemu se čestoobrazuju pojedini gasovi: H2S, CO2, CH4, N2, H2 i dr.

U grupu litotrofnih bakterija spadaju:

tionske,sumporovite,sulfatoredukujuće,metanske,vodonične,gvožđevite i nitrifikujuće.