3.11. Особенности гидрохимического режима природных вод. Донные отложения озер

Вода, в которой концентрация солей не превышает 1 г/л, называется пресной. Ее запасы на Земле составляют 2,65 % от общего объема вод. Напомним (глава 3), что из общего количества пресной воды на Земле 71 % приходится на твердую фазу – ледники и подземные льды, и только 29 % – на жидкую. Основная масса ресурсов пресной воды – это возобновляемые запасы речного стока. Природные воды полярных областей и умеренных широт в основном пресные. В степной и полупустынной зоне значительная часть озерных и подземных вод – слабоминерализованные (минерализация выше 1 г/л), или соленые (выше 35 г/л).

Природные воды по химическому составу делятся на классы и группы [1, 20, 21]. Классы выделяются по преобладающему содержанию анионов: 1) карбонатный класс (преобладают анионы ^– СО₃ или ^– НСО₃), 2) сульфатный класс (анион ^– SO₄) и 3) хлоридный класс (анион ^– Cl). Группы выделяются по преобладающему содержанию катионов: 1) кальциваевая группа (катион ⁺Ca), 2) магниваевая группа (катион ⁺Mg) и 3) натриваевая группа (катион ⁺Na).

Наименьшей растворимостью обладают карбонаты, а сульфаты и хлориды отличаются более высокой растворимостью. По этой причине в районах устойчивого и высокого увлажнения (лесная зона, тундра) сульфаты и хлориды вымыты дождевыми и талыми водами из почв и грунтов зоны активного водообмена. Здесь преобладают речные и озерные воды карбонатного класса малой (сумма ионов меньше 200 мг/л) или средней (сумма ионов 200–500 мг/л) минерализации.

В степных и полупустынных территориях (зона недостаточного увлажнения) преобладают воды сульфатного и хлоридного класса, повышенной (500 – 1000 мг/л) и высокой (свыше 1000 мг/л) минерализацией. Например, вода р. Эмбы имеет в межень минерализацию более 1500 мг/л.

Реки с водами гидрокарбонатного класса занимают более 85 % территории бывшего СССР. Реки, воды которых относятся к суль­фатному и хлоридному классам, занимают менее 15 % территории.

У большинства вод малой минерализации соотношение главных ионов следующее: ^– НСО₃>^– SO₄>^– Cl и ⁺Ca >⁺Mg > ⁺Na+⁺К. При повышении минерализации растет относительное содержание ионов ^– SO₄ и ^– Cl, а также ⁺Na. Все перечисленные выше закономерности определяют географическую зональность состава природных вод. Но в природе встречаются и аномалии в химическом составе воды, связанные с особенностями геологического строения.

Произведение расхода воды Q на минерализацию М, выражен­ную в кг/м³, дает расход растворенных солей: R_c= MQ, имеющий размерность кг/с.

Содержание в воде растворимых солей кальция и магния харак­теризует ее жесткость. Различают жесткость карбонатную, обус­ловленную присутствием солей СаСО₃, MgC0₃, и некарбонатную – CaSQ₄, MgS0₄, СаС1₂, MgCl₂, Са (NO₃) ₂, Mg (N0₃)₂. «Умягчение» воды достигается путем осаждения соединений кальция и магния с применением, например, гашеной извести Са(ОН)₂.

Растворенные газы: 0₂, С0₂, H₂S и др. Растворимость газов в воде различна и зависит от их химической природы, температуры, давления и минерализации воды. Содержание кислорода в воде определяется поступлением его из воздуха и образованием в резуль­тате фотосинтеза. Растворимость кислорода зависит от температуры воды. Например, при температуре 0⁰С концентрация растворенного кислорода в условиях полного насыщения составляет 14.7 мг/л, а при температуре +30⁰ она падает до 8 мг/л. Допустимая концентрация кислорода зимой для водоемов, используемых в рыбохозяйственных целях, не должна опускаться ниже 4 – 8 мг/л [21]. Дефицит кислорода приводит к летним и зимним заморам рыб, гибели беспозвоночных, растений. При отсутствии кислорода сохраняются лишь бактериальные формы жизни. Водные растения при фотосинтезе выделяют кислород и создают органическое вещество.

С0₂ находится как в растворенном виде, так и в виде углекислоты. Основными источниками С0₂ являются биохимические процессы распада органических веществ.

H₂S бывает органического происхождения (продукт распада), и неорганического (растворение минеральных солей). H₂S придает воде неприятный запах и вызывает коррозию металлов.

Биогенные вещества. К этой группе относятся необходимые для жизнедеятельности водных организмов и образующиеся в процессе обмена веществ соединения азота, кремния и фосфора. Азот и фосфор присутствуют в природных водах в виде органических и неорганических соединений. Неорганические соединения азота представлены в виде ионов аммония NH₄⁺, нитратов NО₃ и нитритов N0₂^–. Неорганический фосфор – в виде производных ортофосфорной кислоты Н₃РО₄ (преимущественно в виде НРО₄^–2). Основными факторами, определяющими концентрации соединений азота и фосфора в природных водах, являются: поглощение их при фотосинтезе, выделение при разложении органического вещества, обмен между органическими и неорганическими формами.

Кремний находится в природных водах частично в истинном растворе в виде кремниевой и поликремниевой кислот, частично в коллоидном состоянии.

Органические вещества в природных водах находятся в рас­творенном и взвешенном состоянии. Органические вещества образуются при разложении рас­тительных остатков и органических соединений. Их концентрация в водоеме зависит от физико-географических условий бассейна. Растворенное органическое вещество имеет сложный состав, в котором преобладают гуминовые и фульвокислоты. Значительная часть органического вещества в воде – коллоиды, состоящие из обломков высокомолекулярных по­лимеров.

Гуминовые кислоты - органические вещества, представляющие сложную смесь соединений разного состава, свойств и строения. Их максимальное количество содержится в черноземах и торфяниках. В реках с болотным питанием, вещества гумусового происхождения являются основной частью. .Гуминовые кислоты влияют на органолептические свойства воды (запах, цвет), ускоряют коррозию металла, оказывают отрицательное влияние на развитие водных микроорганизмов, влияют на химический состав воды (снижают содержание кислорода, влияют на ионные и фазовые равновесия). 

Фульвокислоты — наиболее агрессивная фракция гуминовых веществ. Имеет специфический элементный состав, отличный от гуминовых кислот. 

Микроэлементы – элементы, содержание которых в воде менее 1 мг/л. Их условно делят на пять групп: типичные катионы (Li⁺, Rb⁺, Cs⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ и др.); ионы тяжелых металлов (ионы Си, Ag, Аи, Pb, Zn, Ni, Со и др.): амфотерные комплексообразователи (Cr, Mo, V); типичные анионы (Вг^–, I^–, F^–, В^–); радиоактивные элементы.

Основными факторами, определяющими содержание микроэле­ментов в речных водах, являются: геохимические свойства и состав пород и почв; климатические условия и растительный покров на водосборе; окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные условия в воде; интенсивность сорбционных процессов и скорость поглощения живыми организмами.

Изменение минерализации речных и озерных вод внутри года зависит от преобладающего вида водного питания. С возрастанием подземного питания, что наблюдается зимой при отрицательной температуре воздуха, и в засушливые периоды лета-осени, общая минерализация вод возрастает. С увеличением поверхностного притока талых и дождевых вод минерализация падает (рис. 3.57).

В зимний период, в речных долинах накапливаются продукты выветривания и антропогенной деятельности, которые смываются талыми водами в фазе подъема весеннего половодья, что ведет к увеличению минерализации в этот период. После «промыва» затопляемых участков долин минерализация резко падает.

Рис. 3.57. Типичные графики изменения минерализации (1) и расхода воды (2) в течение года (а) и связи минерализации с расходом воды (б) (I–XII –месяцы) [1, 19]

Загрязняющие вещества и источники загрязнения поверхностных и грунтовых вод. Под загрязнением водных ресурсов понимают изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах и водотоках в связи с попаданием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые делают воду опасной для использования и наносят экологический вред водному объекту.

К основным источникам загрязнения воды относятся: 1) промыш­ленные, 2) поверхностные, 3) хозяйственно-бытовые и 4) сельскохо­зяйственные стоки; 5) рудничные и шахтные воды; 6) фильтраты от свалок промышленных и бытовых отходов; 7) жидкие радиоак­тивные отходы; 8) загрязненные атмосферные осадки; 9) обработка и сплав лесоматериалов; 10) сбросы водного и железнодорожного транспорта; 11) тепловое загрязнение.

Загрязняющие вещества приводят к изменениям качества воды, которые в основном проявляются в изменении ее химического состава и физических свойств.

Загрязнения сточных вод можно разделить на несколько групп.

По физическому состоянию – нерастворимые (взвеси), коллоидные и растворимые.

По составу – минеральные, органические, бактери­альные и биологические, в том числе:

• минеральные представлены песком, глиной, минеральными соля­ми, растворами кислот, щелочей и другими;

• органические могут быть растительного, животного происхожде­ния, а также содержать нефть и продукты, из нее получаемые, синте­тические поверхностно-активные вещества (СПАВ);

• бактериальное и биологическое загрязнения – стоки предприятий пищевой и легкой промышленности, хозяйственно-бытовые стоки (стоки из туалетов, кухонь, душевых, прачечных, столовых и т.д.).

Водоемы представляют собой сложную экологическую сис­тему, в которой непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, при­ближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклоне­ния от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов и к невозможности возврата к состоянию равновесия. Это приводит к гибели водной экосистемы.

Процессы, связанные с возвращением экосистемы к первоначальному состоя­нию, называются процессами самоочищения. К ним относятся:

• осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных при­месей;

• окисление (минерализация) органических примесей;

• окисление минеральных примесей кислородом;

• нейтрализация кислот и оснований;

• гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию мало растворимых соединений и выпадению их из раствора.

В настоящее время уровень загрязнения водоемов и водотоков во многих районах промышленного и сельскохозяйственного освоения достиг недопустимых значений, при которых вода не может быть использована для питьевых и рыбохозяйственных целей, а также, нередко, и для сельскохозяйственного и промышленного водоснабжения. Более подробно антропогенное загрязнение вод рассматривается в специальной литературе (например, С.Я. Бездина. Экологические основы водопользования. М., 2005, и др.).

Важнейшим показателем интенсивности геохимических и биохимических процессов на водосборах рек является величина выноса водой растворенных веществ. Сток растворенных веществ отражает конечный результат целого комплекса процессов, связанных с миграцией элементов и обменом веществ в природе. Его величина и качественный состав находятся и тесной связи с ландшафтом и природной зональностью. Суммарный годовой сток растворенных веществ достаточно устойчив. Общий сток растворенных веществ с территории России близок к 250 млн. т/год. Среди ионов доля НСО₃ в пересчете на СО₃ составляет 34,7%, доля ионов Са²⁺ – 21,7%, SO^2-₄ – 18,1%, С1 – 11%, Na⁺+K⁺– 9,6 % и Mg²⁺– 4,9%. [1, 19]

Реки Кольского полуострова и Карелии характеризуются модулем ионного стока порядка 10 т/км² в год. Благодаря хорошо промытым ледниковым отложениям и широкому распространению болот, минерализация воды не превышает 100 мг/л.

Несколько большие значения модулей ионного стока наблюдаются на побережье Северного Ледовитого океана (20 т/км² в год).

В большинстве речных бассейнов Сибири, вследствие сурового климата, наличия вечной мерзлоты, широкого распространения болот (Западная Сибирь) модуль стока растворенных веществ не превышает 10-15 т/км² в год. В верхней части бассейна р. Оби (выше Новосибирска) его величина составляет 30, в бассейнах Енисея и Лены – около 20 т/км² в год. Самые низкие модули стока растворенных веществ (примерно 5 т/км³ в год) наблюдаются в бассейнах Яны и Индигирки, проносящих свои воды в зоне вечной мерзлоты, а также в низовьях Амура.

В бассейне Волги, занимающем обширную территорию с большим разнообразием природных условий, модуль растворенных веществ также изменяется в значительных пределах – от 20 т/км² в верхнем течении до 50–80 т/км² в год в бассейне Камы.

Минеральные озёра, солёные (соляные) – это озёра, вода которых сильно минерализована. К этой категории относят озёра с минерализацией воды, превышающей солёность вод Мирового океана (35 г/кг). При содержании солей от 1 ‰ до 35 ‰ озера называются солоноватыми. При высоких концентрациях солей воды представляют собой растворы, близкие к насыщению или полностью насыщенные, в которых происходит кристаллизация солей и их выпадение в осадок на дно. Такие озера называют самосадочными, а их воду – рапой.

Накопление солей в минерализованных озерах происходит за счёт их вноса реками, подземными водами и атмосферными осадками и интенсивного испарения воды с их поверхности

Наиболее распространены минеральные озера в засушливых районах земного шара, где они занимают бессточные котловины или образуются на морских побережьях, в отчленённых от моря заливах и лиманах. Существуют и азональные минеральные озёра, образующиеся в районах выхода на поверхность залежей растворимых солей или высокоминерализованных подземных вод.

Из-за повышенной вязкости соленых вод, распространение тепла от поверхности в глубь озера затруднено, поэтому тонкий поверхностный слой рапы летом может нагреваться до 40 – 50 °С.

Зимой рапа в некоторых озёрах не замерзает при температуре до – 20 °С. Благодаря этому в глубоких минеральных озерах переохлажденные зимой придонные воды даже летом сохраняют отрицательную температуру. В мелких минеральных озерах с прозрачной водой прогрев дна за счёт солнечной радиации может достигать 65 °С.

По химическому составу вод минеральные озера подразделяются на карбонатные (содовые), сульфатные (горько-солёные) и хлоридные (солёные). Минеральные озера являются источником ценного сырья для химической, пищевой и других отраслей промышленности. Из них добываются поваренная соль, сода, мирабилит, хлористый магний, соединения брома, йода, бора и др. Велико значение минеральных сероводородных грязей, используемых в лечебных целях.

Цвет и прозрачность воды зависит от количества минеральных и органических взвесей. Голубой цвет и высокая прозрачность (в оз. Байкал – до 40 м) характерны для озер и рек с чистой водой, большей частью крупных. С увеличением мутности прозрачность воды быстро падает (до 1 м и меньше), а цвет становится зелёным, бурым, коричневым.

Озёрные отложения – образуются на дне озер из минеральных и органических частиц, приносимых стоком и ветром, попадающих в воду в результате разрушения берегов, накапливающихся в результате отмирания растений и животных. При зарастании озёра нередко превращаются в торфяные болота.

Характер озерных отложений изменяется в зависимости от климата следующим образом.

• В областях с холодным климатом отлагается обломочный песчано-глинистый материал.

• В озёрах умеренного пояса вместе с обломочным материалом накапливаются железо, кремнезём (диатомиты), карбонат кальция, торф, сапропель – вязкие глинистые отложения органического происхождения.

• В солоноватых и солёных озёрах засушливых областей отлагаются карбонаты, галит, гипс, а в бессточных озёрах – доломитовые осадки, иногда сода.

• К древним осадочным толщам относятся глины и мергели девонского и пермского возраста, доломиты, соленосные отложения и другие.