Минеральные воды России > Классификация

Классификация минеральных вод

Бальнеология (от лат. Balneum — ванна, купание) - раздел курортной медицины, изучающий минеральную воду и её лечебно-профилактическое применение, а также учитывающий совокупность биологически значимых факторов, характеризующих воздействие воды на организм человека.

На протяжении веков разнообразный химический состав природной воды вдохновлял исследователей на их систематизацию. Было предложено большое количество классификаций воды по её химическому составу.

Самой ранней классификацией, использовавшейся ещё до развития пробирного анализа, было разделение воды по преобладающему содержанию какой-либо соли . Аналогичное разделение воды было проведено в работах Ф. Гофмана (1703), В.М. Севергина (1809), Г.И. Гесса (1825) и других ).

Сегодня современные физики очень интересуются водой как средой, обеспечивающей условия жизни на Земле, как с точки зрения ее химических, так и физических качеств. Несмотря на то, что эти фундаментальные исследования все еще являются экспериментальными и требуют тщательной проверки, для изучения функциональной структуры воды уже используются высокотехнологичные методы, такие как электронная микроскопия, магнитно-резонансная томография и т.д., которые позволяют оценить молекулярный и надмолекулярный анализ воды, а также примеси присутствует в нем, даже в минимальных количествах, с высокой степенью достоверности. Результаты сегодняшних экспериментальных исследований могут быть концептуальными, меняя представления человечества не только о важности воды для поддержания жизни, но и о физической природе многих биологических явлений, включая причины заболеваний, процессы возрастных изменений и механизмы самовосстановления организма.

Целая серия работ по классификации минеральных вод появляется в СССР в первой половине ХХ века:

1920 А.П. Герасимов разработал классификацию воды по её газовому составу и физическим свойствам; химический состав в этой классификации имеет второстепенное значение.

1921 М.Г. Курлов предложил записывать химический состав минеральной воды в виде псевдоформулы с содержанием анионов в числителе и катионов в знаменателе. Усовершенствованная формула Курлова используется до настоящего времени (Малков и др., 2015), хотя она не имеет самостоятельного классификационного значения.

1932 В.А. Александров разработал классификацию, основанную на различных показателях: составе растворенных минеральных компонентов, природе выделяемых газов и наличии биологически активных веществ. Позже гидрогеологи заявили, что такая смесь количество оснований неприемлемо в классификации (Сулин 1946), но в медицине эта классификация, усовершенствованная автором в 1956 году, широко используется .

1933-34. Вернадский в своей работе по систематической оценке роли воды на нашей планете отмечал, что классификация природных вод должна развиваться в двух направлениях. Необходимо принимать во внимание природную среду воды, с одной стороны, и её химический состав, с другой стороны.

1934 С.А. Зернов предложил гидробиологическую классификацию типов воды по уровню минерализации, разделив воду на пресную, почти пресную, солоноватую, минерализованную (морскую) и рассольную. Впоследствии Книпович (1938) научно обосновал границу между солоноватой и солоноватой водой. Это разделение стало основой для современного разделения минеральных вод по уровню их минерализации.

1934 Основываясь на теории ионной гидратации, С.А. Щукарев предложил классифицировать минеральную воду в соответствии с шестью основными ионами, присутствующими в воде в эквиваленте более 12,5% (как пропорциональный расчёт концентрации каждого иона по отношению к общей эквивалентной концентрации растворенных в воде минералов, принятой за 100%). Учитывая, что основными ионами в природной минеральной воде являются Na, Mg, Ca, Cl, SO4 и HCO3, комбинация трех катионов с тремя анионами составляет 49 комбинаций, которые соответствуют 49 классам природной воды (Щукарев, 1934). Гидрокарбонатные кальциевые, хлоридно-натриевые и сульфатно-кальциевые классы считались первичными, поскольку вода этих классов образуется в результате прямого выщелачивания горных пород. Все остальные классы считаются вторичными водами, образующимися в результате метаморфизации первичной воды.

1948 О.А. Алекин разработал классификацию Щукарева с учётом соотношения эквивалентной массы, определяющего щёлочность и общую жёсткость воды, и описал генезис природной воды в соответствии с преобладающим анионом. Вода класса С (хлоридная) имеет преимущественно морское происхождение: океаны, моря, эстуарии и реликтовые озера. Континентальная вода класса С (карбонатная, гидрокарбонатоводородная) содержится почти во всех реках, пресных озёрах и подземных водах. Метаморфизованная вода S-класса (сульфатная) генетически связана с осадочными породами. Автор считал его промежуточным между классами C и Cl.

Согласно этой классификации, вода в первую очередь делится по своему анионному составу и во вторую очередь по наличию биологически активных веществ и газов. Всего существует семь классов минеральных вод, различающихся преобладающими анионами, присутствующими в воде более чем в 12,5 экв.%, при этом доля других анионов меньше:

1. Гидрокарбонатная (карбонатная) щелочная вода с преобладанием гидрокарбонатных анионов (HCO3),
2. Хлоридная (соленая) вода с преобладанием хлоридных анионов (Cl);
3. Сульфатная (гипсовая) вода с преобладанием сульфатных анионов (SO4);
4. Смешанная вода со сложным анионным составом: гидрокарбонатно-хлоридная, сульфатно-гидрокарбонатная, хлоридсульфатная и т.д.; содержит более двух анионов в количестве 12,5 экв.%;
5. Биологически активная вода, в том числе вода одной из четырёх перечисленных выше групп, содержащая биологически активные элементы (железо, мышьяк, фтор, диоксид кремния, йод, бром, бор и др.);
6. Газированная вода, содержащая растворенный природный газ (углекислый газ, серу, азот, метан и т.д.); газированная вода не включает искусственно газированную воду, полученную для розлива в бутылки;
7. Радоновая вода, содержащая радиоактивный газ радон (Rn).

Существует очевидная связь распределения населения не только с уровнем социально-экономического развития территорий, но и с уровнем комфортности природных условий. Потенциальные ресурсы целебных минеральных вод России велики. Виды минеральной воды, распространённые в стране, очень разнообразны по качеству.

Концентрации Ca, V, Cr, Mn, Ni, Nb, Sn, I и Ba в вулканической глине в 3-23,3 раза выше по сравнению с майкопскими глинами, в то время как концентрация Ta более чем на 2 порядка выше.

В вулканической глине преобладают водорастворимые соединения. Данные по широкому спектру химических элементов позволяют сделать вывод, что состав вулканической глины слабо зависит от элементного состава морской воды. Концентрации многих химических элементов в масле в сотни раз ниже, чем в водном экстракте из вулканической глины, а концентрации большинства химических элементов в масле в тысячи раз меньше. Элементы в изученных объектах демонстрируют аналогичный порядок убывания их содержания: Fe, Na, Ca, Mg и Ti. Следовательно, нефть Керченского полуострова вносит незначительный вклад в элементный состав вулканической глины.

Все последующие классификации природных вод можно считать вариациями систематики С.А. Щукарева и О.А. Алекина, поскольку подразделения воды в основном сводятся к различной форме выражения их состава, к выделению более узких или более широких классов в соответствии с анализом какого-либо компонента или к различным способам распределения отдельные показатели в классификационных рубриках.

Во второй половине ХХ века в СССР была предложена гидрогеохимическая классификация минеральных вод с учётом их залегания. В ней подробно описываются условия формирования, а также состав поверхностных вод (верхние слои воды), подземных вод, артезианских, трещиноватых, карстовых и подземных вод вечной мерзлоты, и даётся определение минеральной воды, соответствующей описанным выше классификациям.

В 1964 году специалисты Центрального научно-исследовательского института курортной медицины и физиотерапии предложили обновлённую систематику, включавшая семь основных групп минеральных вод:

• вода без специфических микроэлементов
• слабосолёная вода
• солёная вода и рассолы
• углекислая вода
• железистая, мышьяковистая и полиметаллическая вода
• кремнистая термальная вода
• радоновая вода.

Основываясь на этой классификации, Государственное управление геодезии и картографии СССР представило вариант территориального деления провинций минеральных вод, опубликованный в 1968 году в виде крупномасштабной карты.

В медицинской практике широко используется модифицированная комбинация классификаций Алекина и Александрова. Долгое время она служила основой государственного стандарта СССР “Минеральная лечебная и лечебно-столовая питьевая вода”.

Внутри каждого класса подклассы различаются по преобладающему катиону: натрий (Na), магний (Mg), кальций (Ca) или их комбинации (натрий-кальций, магний-натрий, кальций-натрий-магний и т.д.). Критерием для включения в соответствующий подкласс является содержание катионов в количестве более 5 экв.%. Катионы, присутствующие в больших количествах в минеральной воде, указываются в первую очередь.

Жёсткость воды является показателем, непосредственно связанным с минерализацией воды, в первую очередь с содержанием катионов Ca и Mg. Существует различие между общей, временной (карбонатной) и постоянной (перманентной перманентной) жёсткостью. Общая жёсткость равна математической сумме концентраций катионов Ca и Mg в воде. Она включает временную жёсткость, определяемую содержанием гидрокарбонатов (HCO3), которые при кипячении соединяются с частью катионов Ca и Mg и образуют сухой остаток (накипь), и постоянную жёсткость, связанную с присутствием сильных кислотных оснований, образующих хлориды и сульфаты.

В соответствии с международным стандартом, который вступил в силу в 2014 году в качестве национального стандарта Российской Федерации (ГОСТ относится к набору технических стандартов, поддерживаемых Евро-Азиатским советом по стандартизации, метрологии и сертификации) 31.865-2012 “Вода. Единица измерения твёрдости”), твёрдость выражается в градусах твёрдости (H). 1Ч соответствует содержанию катионов Ca и Mg в воде, численно равному 1/2 их концентрации в миллимолях на литр (1Ч = 1 мэкв/1) (таблица 1.1).

В практических целях для характеристики минерального состава природной питьевой воды используется другой государственный стандарт (ГОСТ Р 54.316-2011 “Минеральная природная питьевая вода”). Настоящий стандарт основан на классификации, которая делит минеральную воду на расширенные группы в зависимости от её химического состава с указанием как анионного, так и катионного состава. В группах выделяются гидрохимические типы, отражающие признаки, позволяющие дать сравнительную характеристику и указать на сходство воды определенного происхождения с любым известным аналогом (типом): вода типа нарзана, Марциальная, Ессентукская No 4 и No 17 и т.д.

Существуют различные точки зрения на классификацию природных минеральных вод: гидрогеологи изучают минеральную воду с точки зрения взаимосвязи между её происхождением и химическим составом, специалисты в области медицины и биологии и бальнеологи оценивают воздействие различных минеральных вод на организм человека, а технологи изучают стандартизацию и обработку воды. Это различие в подходах к классификации природных минеральных вод приводит к трудностям при разработке единой схемы.

В современной литературе для классификации минеральной воды используется большое количество терминов и понятий, поскольку необходимо учитывать множество разнообразных параметров (минерализация, газовый и ионный состав, кислотность и щёлочность, температура, радиоактивность, наличие биологически значимых микроэлементов, буферная ёмкость, жёсткость, происхождение и т.д.). Это указывает на сложность разработки всеобъемлющей классификации.

В связи с этим особый интерес представляет систематическая классификация воды по её геолого-географическим особенностям, предложенная в 1933 году выдающимся русским естествоиспытателем В.И. Вернадским. В своём фундаментальном труде “История минералов земной коры” он проводит аналогию между водой и минералами на основе атомарного, а не ионного состава и выделяет большие категории природной воды. Царства характеризуются основными вместилищами воды — поверхностными (или сухопутными), подземными, глубокими.

Автор выделяет три царства:

1. Царство поверхностных вод (surface water)
2. Царство подземных вод
3. Царство глубоководных вод.

Классификация, предложенная Вернадским, затрагивает глобальное состояние воды на нашей планете, включая её парообразное, жидкое и твёрдое состояния, и позволяет нам количественно оценить распределение отдельных химических элементов в различных семействах природной воды. Семейства делятся на виды в зависимости от химического состава, то есть на основе химических элементов, определяемых методом анализа воды, независимо от того, в какой форме они содержатся в ней (в растворе, в коллоидах, в живом веществе, в газах и т.д.). Вид определяется атомами, преобладающими в воде (за исключением атомов водорода и кислорода), в порядке их встречаемости. В общей сложности классификация Вернадского охватывает 485 типов воды, однако автор предположил, что в действительности их число может превышать 1500. Разделив природную воду на виды, он указал, что может быть проведено дальнейшее разделение на подвиды и т.д. для отдельных, менее распространённых элементов, например, радия (Ra), который является продуктом радиоактивного распада, или для других явлений (количество бактерий, органических веществ и т.д.).

По мнению некоторых современных авторов, эту классификацию можно считать наиболее идеальной и перспективной для дальнейшего развития, и её потенциал может быть реализован в ближайшем будущем с учётом возможностей современной науки.

Почти все разнообразные классификации природной минеральной воды, существующие сегодня, основаны на научных разработках специалистов предыдущих поколений. К началу 2019 года база данных включала более тысячи различных минеральных источников в России.

Минерализация

Степень минерализации воды зависит от концентрации растворенных в ней минеральных веществ. Согласно классификации минеральных вод по уровню минерализации, которая в настоящее время наиболее распространена в России, различают следующие степени минерализации природной воды.

Пресная вода с солёностью до 600 мг/л обладает наилучшими вкусовыми качествами. В то же время, согласно органолептическим показаниям, ВОЗ рекомендует верхний предел минерализации питьевой воды в размере 1000 мг/1 л, т.е. до нижнего предела незначительной минерализации воды. Следует отметить, что морская вода, как наиболее распространённый вид воды на Земле, по степени её минерализации 35 г/1 находится на границе воды с высокой минерализацией и рассольной минеральной воды согласно этой классификации.

Бальнеологическое значение уровня минерализации очень велико, поскольку этот показатель является одним из основных критериев классификации минеральной воды как воды для внутреннего или наружного применения. Так, для внутреннего употребления используется питьевая вода с минерализацией до 15 г/1, и, наряду с этим, её можно разливать по бутылкам и использовать в лечебных целях в регионах, удалённых от места происхождения воды (ГОСТ Р 54.316-2011). Наружное применение минеральной воды для ванн и орошения обычно происходит вблизи источника, на бальнеологическом курорте. Для наружного применения может использоваться вода с различным уровнем минерализации: от слабоминерализованной до крепкой морской. В некоторых случаях, например, при лечении детей, или если концентрация водных рассолов чрезмерно высока, наружно используется разбавленная минеральная вода.

Ионный состав

Для характеристики свойств минеральной воды в отечественной литературе широко используется формула химии воды, предложенная Курловым и Собкевичем в начале прошлого века. Это псевдофракция, отображающая основные свойства и анализ химических элементов, растворенных в минеральной воде. В числителе фракции указаны анионы, в знаменателе - катионы. Наряду с этим учитывается относительное содержание ионов, более 5% от их общей массы растворенных в литре воды; его значение называется процентом эквивалентности (экв.%). Рядом с символом иона указано его содержание в экв.%, что позволяет сравнить ионный состав воды с разной минерализацией. В начале формулы обычно указывается содержание растворенных газов (CO2, H2S, N2, CH4, O2 и т.д.) и уровень минерализации (г/1), а вторая часть включает наличие других активных элементов (Fe, В, Br, I, As, Si и т.д.), уровень рН, температура воды (T) и (если представлены соответствующие данные) скорость потока из источника (Q).

Составление формулы химического состава воды является обязательным условием для химического анализа минеральной воды на соответствие ГОСТ Р 54.316-2011.

Это пример формулы химического состава воды для марциальной минеральной воды. Формула читается следующим образом: железистый (общее содержание железа составляет 64 мг/1), пресный (общая минерализация составляет 0,7 г/1), сульфатный (анионы SO4 в числителе составляют 97 экв.%), магний-кальций-натрий (в знаменателе соответственно: Мг, 40 экв.%).%; Ca—25 экв.%; Na и К—22 экв.%), кислая (рН—4,0) холодная вода (температура при выходе из источника составляет 8,0 C).