12.2 A vízkémiai elemzés eredményeinek bemutatási módjai a hidrogeológiában

A felszín alatti vizek többnyire híg oldatok, amelyek különböző szerves és szervetlen anyagokat tartalmaznak oldott állapotban. Ezek közül néhány szervetlen ion a leggyakoribb, melyeket főelemeknek nevezünk, ezek koncentrációja általában meghaladja az 1 mg/l értéket. Fő kationok a nátrium (Na+), a kálium (K+), a magnézium (Mg2+) és a kalcium (Ca2+). Fő anionok a karbonát (CO32-), a hidrogénkarbonát (vagy bikarbonát, HCO3-), a szulfát (SO42-) és a klorid (Cl-). Az általános vízkémiai elemzések során többnyire a főelemek koncentrációját adják meg, melyek egymáshoz viszonyított és meq/l-ben kifejezett értékein alapul a legtöbb osztályozási módszer.

Az elemzésekben emellett szerepelnek még a terepi mintavétel során rögzített paraméterek, úgy mint a hőmérséklet (°C), elektromos vezetőképesség (µS/cm) és a pH, valamint a legtöbb esetben a redoxpotenciál (mV) és az oldott oxigén (mg/l) mennyisége.

Az elektromos vezetőképesség az oldat elektromos ellenállásának reciprok értéke, amelyet két, egyenként 1 cm felületű elektród közti oldatra vonatkoztatnak 1 cm elektródtávolság mellett. A fajlagos elektromos vezetőképesség egysége az 1 cm-re vonatkoztatott vezetőképesség. Mértékegysége a µS/cm. Értékét mindig 25°C-ra vonatkoztatva adjuk meg. Ezt az átszámítást a terepen mért vízminta hőmérsékletéből a legtöbb terepi mérőműszer automatikusan végzi.

Az oldatban lévő ionok felelősek az oldat elektromos vezetőképességéért. A terepi mintavétel során ezért ez a paraméter jól használható az adott minta oldott anyag tartalmának becslésére. A fajlagos elektromos vezetőképesség µS/cm-ben mért értékét egy 0,55-0,75 érték közötti konverziós faktorral megszorozva, megkapjuk az összes oldott anyag tartalmat (Total Dissolved Solids TDS) mg/l-ben.

12.2.1 A vízkémiai elemzések hibája

A vízminták laboratóriumi elemzésének ellenőrzésére a legáltalánosabb módszer a töltésegyensúly hibájának kiszámítása, mely az oldatok elektromos semlegességének elvén alapul. Az oldatok elektromos töltésüket tekintve semlegesek, így a reaktív kationok és anionok mennyisége egy adott oldatban meg kell hogy egyezzen. Egy kémiai elemzés töltésegyensúly hibája a (12.20) egyenlet segítségével számítható ki

(12.20)

ahol a kationok és anionok meq/l-ben, a töltésük figyelembevételével szerepelnek. Amennyiben a töltésegyensúly hibája alacsonyabb 5%-nál, a kémiai elemzés eredményét általában elfogadhatjuk. Az ennél nagyobb hibát vagy az elemzés hibája, vagy az elemzés során nem mért komponens(ek) jelenléte okozza. Probléma merülhet fel abban az esetben is, amikor az egyes komponensek koncentrációját nem mérik külön. Így például a nátriumion koncentrációját gyakran kémiai elemzés helyett számítással határozzák meg. Ebben az esetben kiszámítják azt a koncentrációt, mely kiegyenlíti az elemzés során meghatározott ionkoncentrációk alapján kapott töltésegyensúly hibát. A töltésegyensúly hibája egy ilyen módon elemzett minta esetén pontosan nulla lesz, ami jelzi, hogy a nátriumion elemzése hiányzik.

Számoljuk ki az alábbi laboratóriumi elemzés hibáját!

(12.21)

(12.22)

(12.23)

A kationok és anionok közötti különbség (12.21 és 12.22 egyenletek alapján) 0,02 meq/l, a töltésegyensúly hibája a (12.23 egyenlet alapján) -0,3%, amely egy nagyon jó elemzésnek felel meg.

12.2.2 A vízkémiai elemzések ábrázolása

A vízkémiai elemzések megjelenítésének számos módja van. A legegyszerűbbek ezek közül az oszlop- és kördiagramok (12.1. ábra). Az oszlopdiagramok egymás mellett két oszlopot tartalmaznak, a bal oldalin a kationok, a jobboldalin az anionok mennyiségét ábrázoljuk meq/l egységben. Ha a vízelemzés megfelelő (teljesül a töltésegyensúly), a két oszlop magassága megyegyezik (12.1. ábra: a). A kördiagramon körcikkekkel fejezik ki az ionok egyenérték százalékát, a kör egyik felén az anionok, másik felén a kationok szerepelnek (12.1. ábra: b). A kördiagram mérete gyakran az összes oldott anyag tartalommal (TDS) arányos.

A kémiai elemzések megjelenítésének egyik legegyszerűbb módja az oszlop- és kördiagramok alkalmazása. Az oszlopdiagramok egymás mellett két oszlopot tartalmaznak, a bal oldalin a kationok, a jobboldalin az anionok mennyiségét ábrázoljuk meq/l egységben. A kördiagramon körcikkekkel fejezik ki az ionok egyenérték százalékát.

12.1. ábra a: oszlopdiagram, melyen bal oldalon a kationok, jobb oldalon az anionok mennyiségét ábrázoljuk meq/l egységben; b: kördiagram, amelyen körcikkekkel fejezik ki az ionok egyenérték százalékát.

Magyarországon elterjedt a természetes vizek kémiai összetételét szemléletesen ábrázoló, Maucha (1933) által kidolgozott csillagdiagram, mely szintén a főelemeket használja az ábra szerkesztésénél (12.2. ábra). Az ábra mérete arányos a vízben található ionok összkoncentrációjával, és tájékoztat az ionok egymáshoz viszonyított arányairól is. Az ionok koncentrációját a egyenérték %-ban adjuk meg. Ezután a főionok összmennyiségével arányos sugarú körbe szerkesztett tizenhatszögbe olyan négyszögletes idomokat rajzolunk, melyek területe arányos a kérdéses ion mennyiségével. A csillagdiagramon a kör középpontjából kiinduló háromszögek ábrázolják az ionok egyenérték százalékát. Egy-egy ion a háromszöge mindig azonos helyzetű, így az ábra alakja kifejezi a víztípusokat.

A Maucha-féle csillagdiagramon a főionok összmennyiségével arányos sugarú körbe szerkesztett tizenhatszögbe olyan négyszögletes idomokat rajzolunk, melyek területe arányos a kérdéses ion mennyiségével. A csillagdiagramon a kör középpontjából kiinduló háromszögek ábrázolják az ionok egyenérték százalékát.

12.2. ábra Maucha-féle csillagdiagram

A grafikus megjelenítés egy másik eszköze – az olajiparban is gyakran használt – Stiff-diagram (12.3. ábra). Ebben a diagramban – százalékos összetétel helyett – a valós koncentráció értékeket ábrázoljuk meq/l mértékegységben. A koncentráció értékeket adott anion-kation párhoz tartozó vízszintes koordinátatengelyen ábrázoljuk. A kationokat általában a tengely bal oldalán, míg a az anionokat a jobb oldalon tüntetjük fel. A legfelső tengelyen a Na+ és Cl-, a másodikon a Ca2+ és a HCO3-, a harmadikon a Mg2+ és a SO42- koncentrációkat ábrázoljuk. A negyedik tengely opcionális, melyen a Fe2+ és a CO32- vagy az elemzés szempontjából még fontos kationt és aniont tüntethetjük fel. A tengelyek egyaránt lehetnek aritmetikus vagy logaritmikus skálájúak. A koncentrációértékeket képviselő pontokat egyenes vonalakkal összekötve a kémiai összetételre jellemző sokszöget kapunk. E sokszögek az egyes vízminták összetételének vizuális összehasonlítását teszik lehetővé. A Stiff-diagram előnye, hogy a valós koncentráció értékek közvetlenül leolvashatóak róla.

A Stiff–diagramon meq/l-ben megadott koncentráció értékeket adott anion-kation párhoz tartozó vízszintes koordinátatengelyen ábrázoljuk. A kationokat általában a tengely bal oldalán, míg a az anionokat a jobb oldalon tüntetjük fel. Az ábrán három ásványvíz és a csapvíz összetétele látható.

12.3. ábra: Stiff-diagram, melyen ábrán három ásványvíz és a csapvíz összetétele látható

Nagyszámú minta esetén a Piper-diagram nyújt gyors áttekintést az elemzett mintákról. A Piper-diagram három mezőből áll (12.4. ábra), a bal alsó sarokban a kationok háromszög-diagramja, jobbra alul az anionoké, míg középen egy rombusz alakú diagram összegzi a kationok és anionok meq/l%-ban kifejezett mennyiségét. A háromszögek egy-egy csúcsa a megfelelő ion (vagy ionok összegének) normalizált koncentrációjának 100%-os értékét képviseli, meq/l mértékegységben kifejezve. A kationok és az anionok százalékos (normalizált meq/l) mennyisége alapján minden egyes vízmintát egy-egy pontként ábrázolunk a jobb és baloldali háromszögben. Az összetartozó – anionok és kationok mennyiségét mutató – pontokat a – háromszögek külső élével párhuzamosan – a rombusz alakú diagramba vetítve, megkapjuk a vízminta főion-összetételét reprezentáló pontot.

A Piper-diagram használatának egyik előnye, hogy nagyszámú vízminta vizsgálat eredményét egy diagramon ábrázolhatjuk, ahol jól látszik az egyes minták összetétele közti hasonlóság vagy különbség. Hátránya, hogy a normalizálás következtében nem mutatja az egyes vízmintákban oldott ionok koncentrációit. A diagramnak ezt a hibáját részlegesen csökkenthetjük oly módon, hogy a vízmintákat pontok helyett – a TDS értékével arányos átmérőjű – körök segítségével tüntetjük fel.

A Piper-diagram három mezőből áll, bal alsó sarokban a kationok háromszög-diagramja, jobbra alul az anionoké, míg középen egy rombusz alakú diagram összegzi a kationok és anionok mennyiségét. A háromszögek egy-egy csúcsa a megfelelő ion (vagy ionok összegének) normalizált koncentrációjának 100%-os értékét képviseli, meq/l mértékegységben kifejezve. A kationok és az anionok százalékos (normalizált meq/l) mennyisége alapján minden egyes vízmintát egy-egy pontként ábrázolunk a jobb és baloldali háromszögben. Az összetartozó – anionok és kationok mennyiségét mutató – pontokat a – háromszögek külső élével párhuzamosan – a rombusz alakú diagramba vetítve, megkapjuk a vízminta főion-összetételét reprezentáló pontot. Az ábrán számos ásványvíz és a csapvíz összetétele látható, amelyek esetében a mintát reprezentáló pontok köré írt körök a minták összes oldott anyag tartalmával (TDS) arányosak.

12.4. ábra Piper diagram, mely számos ásványvíz és a csapvíz elemzését mutatja. A mintát reprezentáló pontok köré írt körök a minták összes oldott anyag tartalmával (TDS) arányosak