София Романова - Бессточные водоемы Казахстана. Том 1. Гидрохимический режим

• Название: Бессточные водоемы Казахстана. Том 1. Гидрохимический режим
• Автор: София Романова
• Жанр: Образовательная литература

Настоящее учебное пособие – первая книга, в которой излагается материал по вопросам гидрохимии и гидроэкологии естественных (озеро Балкаш) и искусственных (водохранилища-охладители) бессточных водоемов Казахстана. На основе многолетних комплексных полевых и лабораторных исследований выявлены основные закономерности формирования их гидрохимического режима, а также факторы его определяющие. Показано влияние континентальности климата на гидрохимию водоемов, выявлены отличительные особенности водоемов аридной зоны по сравнению с таковыми гумидных областей, доказана исключительная самоочищающая способность природных вод Казахстана. Выяснена роль антропогенных факторов на протекание гидрохимических процессов в водоемах (карбонатообразование, карбонатонакопление, сорбция – десорбция, накипеобразование, катионный обмен, метаморфизация химического состава и др.). Приведены контрольные вопросы и упражнения для подготовки к рубежному контролю.

Рассчитана на научных сотрудников, работающих в области гидрохимии, гидроэкологии, гидробиологии, гидрологии и специалистов других областей народного хозяйства, связанных с изучением и использованием водных ресурсов. Книга будет полезной и для студентов, аспирантов и преподавателей ВУЗов химических, географических и экологических специальностей.

---

Континентальные бессточные озера Балкаш, Сасыкколь и Алаколь собирают в себе речные, подземные и атмосферные воды. При слиянии их между собой и с водой самих озёр происходит не простой физический процесс смешения, а имеют место химические процессы, которые приводят к формированию современного солевого состава воды озер. Эти процессы объединены в общее понятие метаморфизации. Напомним, что в процессах метаморфизации большую роль могут играть: ветровое перемешивание вод и насыщение их кислородом; вдольбереговое перемещение наносов, их флотация (истирание, сегрегация), а также мутность воды, т.е. насыщение ее коллоидными веществами.

При увеличении общей минерализации воды вышеперечисленных озер с запада на восток концентрация отдельных ионов изменяется своеобразно. Так, подсчётом хлорных коэффициентов для Балкаша показано, что с запада на восток увеличивается содержание карбонат – ионов: в западной части их нет, появляются они в районе от залива Тас – арал до «узости» (Сары – Есик), а в восточной половине происходит интенсивное обогащение воды карбонатами. Хлорные коэффициенты бикарбонат и кальций ионов непрерывно понижаются. Показатели сульфат и магний ионов в крайней западной части имеют низкие значения, в направлении на восток постепенно нарастают, восточнее Тас – арала достигают высокого значения и держатся на этом уровне, на протяжении всего озера, и только в крайнем восточном плесе несколько понижаются. Процессы с участием бикарбонатных и кальциевых ионов, приводящие к садке кальцита, происходят даже в западной части озера с минерализацией воды около 2 г/л. Процессы с участием ещё и магний – иона, способствующие садке магниевого карбоната или доломита, протекают только в крайнем восточном плесе, где минерализация воды не превышает 5 г/л. Такое несоответствие между увеличением концентрации отдельных ионов и ростом общей минерализации может служить лишь указателем наличия процесса метаморфизации и является одной из отличительных особенностей аридных озер.

В настоящее время достаточно хорошо известен факт, что в гумидных озерах садка солей происходит при больших значениях минерализации и концентрации отдельных ионов (свыше 10 г/л). В воде Мирового океана и Каспийского моря с суммой солей около 30 г/л происходит садка солей только, соответственно, в глубоководных частях океана и заливе Карабогазгол с минерализацией значительно превышающей 50 г/л [24; 40]. В озерах же аридных зон происходит садка солей при значительно меньших значениях минерализации и это отличает их от водоемов гумидных зон.

В отшнуровывающихся от Балкаша заливах, где сумма солей достигает 16 г/л, наблюдается садка не только карбонатов, но и сульфатов. А при интенсивном падении уровня воды Аральского моря и резком увеличении солености, стали одновременно осаждаться карбонаты, сульфаты и хлориды. Вместо ожидаемой твердой корки безвредных карбонатов образовались маршевые и корково-пухлые солончаки, легко развеваемые ветром на большие расстояния [84; 85].

Процесс ускоренной садки (самосадки) солей в континентальных озерах обусловлен, по всей вероятности, мелководностью водоема, сильной инсоляцией, аридным климатом, интенсивным перемешиванием водных масс, т.е. прежде всего морфометрическими и климатическими факторами.

Разбирая причины и содержание процессов метаморфизации химического состава вод, необходимо руководствоваться одним из крупных достижений школы Н.С. Курнакова о направленном изменении химического состава вод и рассолов бассейнов под влиянием процессов метаморфизации. Причиной метаморфизации вод рассматриваемых озер служит смешение вод разных типов и различных концентраций, а также появлением в воде озер коллоидного глинистого материала, содержащего поглощающий комплекс. Доказано [3; 24; 81; 83], что на осаждение солей при относительно небольших значениях минерализации большую роль играют суспенгели – мельчайшие частицы наносов, образующиеся из–за постоянного турбулентного перемешивания воды ветровыми волнами, их флотации в прибрежных зонах, взмучивания ила и донных отложений, абразивного износа крупных наносов при их вдольбереговом перемешивании. Кроме того, суспенгели являются хорошими сорбентами различных макро – и микрокомпонентов, газов, катализаторами ряда химических реакций, в частности, карбонатообразования и участниками гидрохимических процессов.

Нельзя не заметить, что в результате такого пути образуются твердые соли и чистая вода, а аридный водоем освобождается от засоления. Иными словами, вступает в силу механизм самосохранения, когда мутная вода аридного водоема и рек, содержащая глинистый коллоидный материал, путем ряда химических реакций и физических процессов очищает воду от растворенных минеральных и органических веществ.

В аридное озеро поступают сульфатные, сульфатно-карбонатные воды рек, (более минерализованные) карбонатные и сульфатные воды подземного питания, а также сульфатные и карбонатные воды атмосферных осадков. Эти воды смешиваются с сульфатной водой озера. При смешении этих вод ведущим является смешение карбонатных и сульфатных вод, в результате чего происходят реакции двойного обмена, приводящие к труднообратимому изменению химического состава, т.е. к метаморфизации вод. В составе карбонатных вод (особенно грунтовых) содержится карбонат натрия. Он образуется в результате процессов осолонения солончаков, а также выветривания полевых шпатов, а затем вымывается грунтовыми водами и реагирует с сульфатами кальция и магния из сульфатных вод, вследствие чего карбонаты кальция и магния оседают, а вода озера Балкаш, так же как и озера Алаколя, обогащается сульфатом натрия:

CaSO4 + Na2CO3 →CaCO3↓+ Na2SO4 (1.1)

CaSO4 + Na2CO3 + nH2O → Na2CO3 . CaCO3↓. 5H2O + Na2SO4 + (n-5)H2O (1.2)

MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3↓ + Na2SO4 (1.3)

Относительно влияния подземных и грунтовых вод на гидрохимию водоема следует сказать следующее. Специальными гидрохимическими исследованиями установлено, что в береговых участках большинства аридных озер образуются довольно обширные и глубокие депрессии уровня грунтовых вод [11]. Эти депрессии обусловлены «фитилиевым эффектом» [24], более интенсивным испарением воды с поверхности грунтового потока, приближающегося к водоему. Выявлено также, что уровень воды в середине депрессии, площадь которой соизмерима с площадью ЗБ, примерно на 7,0 м ниже уровня воды в оз. Балкаш. Из–за наличия такой депрессии и мощного фильтрационного потока из береговой зоны озера в сторону депрессии устремляется значительная масса солей.

Как полагает профессор А.А. Турсунов, этот фактор является одним из главных расходных статей солевого баланса аридных водоемов. Аналогичные депрессии проявляются у берегов других континентальных озер и водохранилищ Казахстана.

В общем виде путь метаморфизации вод и рассолов всех типов М.Г.

Валяшко изображает следующей схемой: Р1 + Р2 Р3 + твердая фаза, где Р3– метаморфизованная вода. По мнению Б.А. Беремжанова такие реакции могут иметь место не только в аридном водоеме, но и при возникновении соответствующих условий в реках и подземных водах. Возможно, в маломинерализованных частях озера или водотоках, питающих озеро, эти реакции будут идти гораздо медленнее, но в результате длительности смешения, карбонаты кальция и магния оседают, озёрная вода обогащается сульфатом натрия [81; 82].

В исследуемых водах озер имеется гидрокарбонат кальция. До последнего времени метаморфизующее действие гидрокарбоната кальция связывали с различными реакциями двойного обмена:

Реакция Валяшко:

Специальные исследования [81] показали, что все эти реакции действительно осуществляются, но по количеству образующихся твердых фаз ведущее значение имеет первая реакция. Получающиеся в этой реакции гипс и основной карбонат магния составляют 99% новообразованного осадка. При небольшом содержании сульфата магния в растворе реакция практически не происходит, а идет только разложение гидрокарбоната кальция. Но в основной массе, например, в балкашской воде, из–за высокого содержания гидрокарбонат – и карбонат – ионов при расчёте по условной методике связывания ионов в соли сульфата магния образуется мало; и поэтому здесь должно иметь место простое разложение гидрокарбоната кальция.

Как было отмечено выше, воды, поступающие в озёра, обычно вносят с собой большое количество взвешенных минеральных веществ, в которых содержатся частицы, способные к катионному обмену. Речные и грунтовые воды карбонатного типа несут коллоидно-глинистые частицы, поглощающий комплекс которых характеризуется обилием кальция. Содержащийся в коллоидно-глинистых частицах поглощающий комплекс попадает в смесь вод и может произвести катионный обмен, приводящий к садке труднорастворимых солей и увеличению относительной концентрации сульфатов по одной или нескольким из следующих схем: