ФОРМИРОВАНИЕ СОЛЕВОГО СОСТАВА ВОДЫ В ВОДОЁМАХ

В составе природных вод водоёмов суши различают макрокомпоненты (растворенные минеральные соли), газы, минеральные биогенные и органические вещества, микрокомпоненты. Совокупность этих растворенных веществ определяет питьевые и технологические качества воды, влияет на состав биоты и биологическую продуктивность экосистем озёр, водохранилищ и прудов. В то же время химический состав воды оказывает влияние на её плотность и вязкость и, тем самым, на динамические внутриводоемные процессы, на формирование донных отложений и их свойств в озёрах и водохранилищах.

СОСТАВ РАСТВОРЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ И ИХ БАЛАНС В ВОДОЁМАХ

Гидрохимические разновидности озёр. Основной солевой состав воды состоит из четырех анионов - НС03, С032, S042, Cl и четырех катионов - Са2+, Mg2+, Na~ и К*. Сумму этих восьми ионов (?и) называют минерализацией воды (мг/л, мг/дм3). К пресным водоемам относят озера и водохранилища с минерализацией воды менее 1000 мг/л. Озера с минерализацией от 1 г/кг, или 1%о промилле, т. с. тысячная доля массы растворённых в воде солей - 1 г в 1 кг воды, до 24,7 %о имеют солоноватую воду на вкус и называются солоноватыми. Озёра с большей соленостью воды считают солёными, или минеральными.

Различие озёр солоноватых и солёных, расположенных в полярных и умеренных широтах, где зимой на водоёмах образуется лёд, проявляется в их термодинамическом режиме. В пресных и солоноватых водоёмах в предзимнюю фазу может формироваться обратная температурная стратификация (рис. 9.1, 9.2 а). Солёные водоёмы в предзимнюю фазу выхолаживаются конвективным перемешиванием до момента образования ледяного покрова, так как плотность воды с солёностью S = 24,7%о - максимальна при температуре замерзания -1,3 °С (рис. 11.1). При ещё большей солёности вертикальная изотермия сохраняется в замерзшем водоёме. Поэтому зимой в солёных озёрах и морях обратной стратификации не бывает.

Рис. 11.1. Влияние солёности на температуру замерзания воды (/) и температуру максимальной плотности (2) (график Хел- ланд-Гансена)

Другая, упрощенная классификация озер мира по минерализации, предложена австралийским лимнологом Вильямсом1: пресными считать озера с Хи <3%о и солёными - при ?и >3%о.

Диапазон минерализации воды в озёрах мира исключительно широк - от 13 мг/л в оз. Фремонт в Скалистых горах и 16-20 мг/л в малых озерах Карелии' до 555 г/кг в оз. Ниуланг-Цхину (Niulang- Zhinu), небольшом незамерзающем озере Китая.

В зависимости от величины минерализации формы компонентов солевого состава нередко различны. Например, в воде гидрокарбонатного класса одновременно могут находиться ионы НСОз и Са , ионные пары СаНСОз и молекула СаСОз. Ионные пары (Никаноров, 2008, стр. 44) в воде хуже проводят электричество, а молекулы - электронейтрал ьны. При увеличении минерализации вод гидрокарбонатного класса увеличивается сначала содержание в воде ионных пар за счёт уменьшения числа свободных ионов, а затем увеличивается и число молекул. При пересыщении ими воды в ней образуются микрокристаллы минерала кальцит (известковый шпат). Поэтому зависимость электропроводности вод гидрокарбоиатного класса от их минерализации нелинейная, из-за чего нелинейна и связь аномалии плотности воды с её удельной электропроводностью на рис. 6.1.2. (см. стр. 176).

В озёрах со сравнительно однородной минерализацией воды от поверхности до дна плотностная стратификация определяется гравитационной устойчивостью сезонного термоклина. Такие озера называются голомиктическими[1] [2] [3], т. е. перемешивающимися при возникновении конвекции полностью один раз в год (мономиктические холодные и теплые), дважды в год (димиктические) или многократно (полимиктические). Если устойчивость хемоклина на границе нижележащего с большей минерализацией слоя воды в озере превышает устойчивость термоклина, озёра называются меромиктиче- скими, т. е. частично перемешивающимися в течение годового термодинамического цикла (Хатчинсон, 1969). Все долинные водохранилища относятся к водоёмам голомиктическим.

Водно-солевой баланс. Изменение минерализации воды в озёрах и водохранилищах мира в основном определяется минерализацией вод, поступающих с водосбора с речным, склоновым и подземным стоком, а также в виде атмосферных осадков. Как правило, существенно меньшее значение в её формировании имеют аэрозоли, оседающие на водную поверхность, а также вещества, находящиеся в составе сточных вод. Внутриводоёмные процессы перераспределяют в водоемах компоненты основного химического состава, в большей или меньшей степени изменяют их концентрацию в воде вследствие сё испарения или замерзания.

Интенсивность внешнего солеобмена водоёмов рассчитывают по уравнению водно-солевого баланса, в котором масса растворенного /-того вещества М-„ приходящего в водоём (или уходящего из него со стоком) представлена произведением объёма воды V на среднюю концентрацию в ней С, этого вещества:

Для оценки средней минерализации (ЕС,) воды в водоёме за год (или месяц) в водносолевой баланс включают следующие основные составляющие:

где ИоЕСо, - масса растворенных основных ионов (в тоннах) в объёме воды W0, млн. м и се средняя минерализация 1С0„ г/м3, в водоёме в начальный момент; VYLCy и KgZCg- объёмы речных и грунтовых (подземных) вод с их средними за расчётный период значениями минерализации, поступившие в водоём с его водосбора; п - средняя минерализация атмосферных осадков, х - их слой, и z - слой испарения, м/год, со средней плошали поверхности водоема F, У 1C, - масса растворенных солей в объёме воды У со средним значением сё минерализации в истоке озёрной реки (в расположенный ниже водоём). В бессточных озёрах составляющая У 1C, заменяется на s F3, где s - среднегодовая скорость накопления (садки) солей на поверхность дна, площадь которого принимают равной площади его поверхности (см. формулу 2.3) из-за обычной мелководности рапных (соляных, или самосадочных) озёр.

Из уравнения (11.2) видно, что минерализация воды в водоёмах определяется:

во-первых, структурой их водного баланса. Структура водного баланса даже зональных водоемов - азональна (см. раздел 3 в гл. 3), так как зависит в основном от величины удельного водосбора (р. Озёра из-за особенностей рельефа своего водосбора и места в гидрографической сети могут быть более или менее проточными (интенсивность водообмена также зависит от , см. формулу 3.35 на стр. 176), периодически сточными и бессточными в любых природных зонах;

во-вторых, солевым составом и минерализацией вод, питающих водоемы. Наименее минерализованы атмосферные осадки (6-60 мг/л). Изменчивость в них концентрации основных ионов зависит от загрязненности воздуха аэрозолями морского, континентального и антропогенного происхождения, от формы их выпадения (снегопады или дожди) и продолжительности (Никаноров, 2008). Минерализация речных вод в среднем в 10 раз больше по сравнению с осадками. Велика и её изменчивость, столь же сильно возрастающая при смене многоводных фаз стока (преимущественно поверхностно-склонового) меженными фазами. В летнюю и зимнюю межень в питании рек преобладают подземные воды, наиболее минерализованные из-за медленной фильтрации в водоносных слоях водосбора. Их очень пестрый химический состав определяется свойствами почв, литологической и гидрогеологической структурой водосбора, что проявляется в качестве озерных вод;

в-третьих, происхождением озера и его возрастом, временем его существования в течение одной или нескольких гидроклиматических эпох.

Сочетание перечисленных трёх гидролого-гидрохимических факторов - причина еще большей атональности ионного состава и минерализации воды в водоёмах суши в сравнении с азональностью водного баланса и проточности озёр и водохранилищ. В результате разнообразных термодинамических, седиментационных, гидрохимических и биологических внутриводоемных процессов в озерах происходит изменение состава и минерализации воды, т. е. её трансформация из речной водной массы в озёрную. Ею водоём питает вытекающую из него озёрную реку.

Структура ионного баланса Байкала, рассчитанная по его водносолевому балансу[4], характеризует наиболее сильно выраженную природную озёрную трансформацию химического речного стока (табл. 11.1) в наименее проточном среди крупнейших пресноводных озер мира в условиях минимального антропогенного влияния на водоём и его водосбор.

Таблица ILL

Химический баланс Байкала, тыс. т за год (по Вотинцеву, Глазунову и Толмачевой, с округлением чисел)

Вещества

18 горных азональных притоков

Остальные

зональные

притоки

Атмосферные

осадки

Всего

Сток в Ангару

Остается в Байкале

тыс. т

% от притока

Ионы солевого состава

нсо3

3550

1000

50

4600

4050

550

12

Са

600

250

20

870

780

90

10

S04

280

90

10

380

260

120

32

Mg

170

30

-

200

140

60

30

Na+K

200

80

-

280

250

30

10

Cl

40

5

50

30

20

40

sc

4900

1400

80

6300

5500

900

15

Биогенные вещества

Si02

500

100

-

600

100

500

80

Fc

30

-

-

30

-

30

100

N03

20

4

6

30

18

12

40

P04

2

2

4

2

2

50

Органические вещества

растворенные

400

180

20

600

140

460

80

Данные таблицы показывают, что в Байкал поступает 7,5 млн. т в год химических веществ, 22 % из них аккумулируются озером. Сумма ионов солевого состава уменьшается на 15 %, поглощается 40-50 % азот- и фосфрсодержащих биогенных веществ и особенно сильно - кремний- и железосодержащих, а также 80 % и более аллохтонных органических веществ. Они вовлекаются озёрной биотой в продукционно-деструкционныс процессы и формирование донных отложений. Такое удержание химических веществ озерной экосистемой - проявление во всех водоёмах природного самоочищения воды и улучшение её качества в озёрах и вытекающих из них реках.

Особенно специфичны условия формирования минерального состава вод и гидрохимического режима в полизональных озёрах, которые расположены в аридных областях внутриконтинентального стока. Они питаются реками, несущими воды из гумидных районов. Наиболее наглядно их специфика показана расчетом водно-солевого баланса солоноватого и бессточного оз. Балхаш[5]. Главный его приток-р. Или (очаг формирования её стока - в высокогорьях и ледниках Северного Тянь-Шаня) в устье имеет минерализацию воды 400 мг/л (Реки и озёра мира, 2012).

В водно-солевом балансе оз. Балхаш за 25-летний период речной приток даст 70 % вносимой массы солей, подземный - 23 % и атмосферный - 7 % (исключительно большой при редких атмосферных осадках в пустыне). В расходной части баланса садка на дно карбонатов составляет 55 %, и приращение солезапаса в объёме воды (осолонение озера) всего 9 %. Невязка в 36 % объяснена двумя процессами:

  • • выдуванием пыльными бурями легко развеваемых сухих сульфатов с отчленяющихся летом при снижении уровня воды и обсыхающих многочисленных мелководных заливов. Потом остающаяся в них хлоридная рапа засыпается песчаной поземкой;
  • • потерей солоноватой озёрной воды (1,4 г/л) в западном плёсе и более минерализованной (3,5 г/л) в восточном плёсе1 (с длинной и изрезанной линией берега) в процессе фильтрации в песчаные отмели. Колебания уровня в многоводные и маловодные годы при частых нагонах интенсифицируют инфильтрацию в песчаные грунты в их водоносные горизонты.

При такой скорости осолонения получается, что современная минерализация формировалась не более 120 лет, тогда как возраст озера не менее, чем в тысячу раз больше. Этот «парадокс Балхаша»[6] [7] объясняется неучтенными двумя процессами: фильтрационными потерями воды с растворенными в ней солями и дефляцией солей с обсыхающих участков дна при понижении уровня воды в озере.

Сходна, по-видимому, структура водно-солевого баланса и в столь же слабосолоноватом оз. Чад на южной границе Сахары. Ограничению его осоления способствуют многолетние колебания уровня, интенсивная фильтрация в окружающие пески и подрусловой сток осолоняю- щихся вод по 900-километровому засыпанному песком руслу на северо-восток во впадину Боделе (Реки и озера мира, 2012).

  • [1] Williams W.D. Management of Inland saline waters // Guidelines of Lake Management. -Japan.- 1998.-V. 6.-108 p.
  • [2] " Пальшин H. И. Термические и гидродинамические процессы в озерах в периодледостава. - Петрозаводск : КНЦ РАН, 1999. - 85 с.
  • [3] Findenegg I. Holomiktische und meromiktische Seen // Int. Rev. Hydrobiol. - 1937. -35. - P. 586-610; (голо- от греч. holos - весь) - составная часть сложных слов, означающая - весь, целый.
  • [4] Вотинцев К. К. Химический баланс как показатель процессов круговорота веществв озерах (на примере Байкала) // Круговорот вещества и энергии в озерных водоемах. - М. : Наука, 1967. - С. 87-95.
  • [5] Тарасов М. Н. Гидрохимия озера Балхаш. - М. : Изд-во АН СССР, 1961. - 227 с.
  • [6] Казангапова Н. Б. Гидрологические последствия антропогенного воздействия на озерааридной зоны (на примере оз. Балхаш): автореф. дисс.... к. г. н. - Алматы, 2001. - 28 с.
  • [7] Блинов Л. К., Буркальцева М. А. О «географическом парадоксе» озера Балхаш //Вопросы гидрологии. - М.: Изд-во МГУ, 1957. - С. 226-232.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >