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.

---

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:

Са (п.к.) + Na2CO3 2Na (п.к.) + СаCO3 (1.8)

Са (п.к.) + Na2 SO4 2Na (п.к.) + Са SO4 (1.9)

Са SO4 + Na2CO3 Na2 SO4 + СаCO3 (1.10)

Са SO4 + MgCO3 Mg SO4 + СаCO3 (1.11)

Са (п.к.) + 2NaCl 2Na (п.к.) + СаCl2 (1.12)

СаCl2 + Na2CO3 2NaCl + СаCO3 (1.13)

СаCl2 + MgCO3 MgCl2 + СаCO3 (1.14)

Таким образом, метаморфизация воды, обусловленная реакциями ионообмена, также приводит к садке карбоната кальция.

Говоря о метаморфизации воды озера, нельзя упускать из вида прибрежную метаморфизацию, имеющую прямое влияние на изменение состава воды в озере (термин «прибрежная» метаморфизация впервые предложен Б.А. Беремжановым [81]). Балкаш в силу большой узрезанности береговой полосы имеет много заливов и шиганов. Вследствие периодического колебания уровня озера при очередном понижении его отделившиеся от Балкаша заливы, лагуны и озёра имеют самостоятельную жизнь. Вода в них быстрее и сильнее прогревается и слой испарения здесь больше, чем в открытом водоеме. В связи с этим озерная вода, являясь по существу раствором солей, постепенно концентрируясь, взаимодействует с углекислым газом воздуха, с береговыми и донными породами и поступающими в них поверхностными и грунтовыми водами. Появляется градиент концентрации, который из-за молекулярных эффектов еще больше усиливает миграцию солей из средних частей акватории озера в береговую зону. При смене направления ветра и сгоне воды большие площади мелководий обсыхают, содержащиеся в них гидрокарбонаты переходят в карбонаты, за счет «фитилиевого» эффекта соли поднимаются к поверхности, обезвоживаются, образуя белый налет. Ветер выполняет свою работу по так называемому «эоловому опреснению». Все эти процессы приводят к метаморфизации воды в отделившихся озерах.

При следующем подъёме уровня в Балкаше отделившиеся озёра затопляются и содержащиеся в них соли растворяются. Но к воде основного озера присоединяются уже не те соли, которые от неё отделились. В зависимости от глубины процессов, которые происходят в отделившихся озёрах, времени, в течение которого они были отделены, и если они успели изменить свой тип, то при воссоединении с балкашской водой они оказывают на неё метаморфизующее действие.

Накопившийся в отделившихся озерах коллоидный глинистый материал и содержащийся в них поглощающий комплекс (ПК) при смешении с балкашской водой также метаморфизует ее путем катионного обмена.

Следует отметить, что кроме многолетних больших циклов имеются более короткие периодические подъёмы и спады уровня внутри этих циклов. Кроме всего этого, на озере наблюдаются ежегодные весенние разливы и отливы. Все эти долговременные и кратковременные отделения части воды озера Балкаш в виде крупных или мелких озер приводят к полной или частичной метаморфизации, которая названа здесь прибрежной метаморфизацией воды озера. Специальными исследованиями 1986 г. автора показало, что в одном из полуотшнурованных заливов длиною около 5 км минерализация возрастала от 4,2 г/л до 9,9 г/л. Минерализация воды отшнурованных от Балкаша заливов в это время достигала 76,1 и 88,3 г/л. Аналогичное явление наблюдается и в другом аридном водоеме оз. Чаны. Здесь соленость воды постепенно возрастает по мере удаления от оз. Малый Чаны (1,17%о) до Ярославского плеса (7,85%о) [49]. При таких значениях минерализации в глубоких слоях воды происходит осаждение сульфатных солей. Благодаря подобному явлению многочисленные озера Прибалкашья служили и служат источником природных солей [81]. Перспективность Прибалкашья отмечалась Л.М. Гроховским [86] еще в 1963 г., который подсчитал общий запас мирабилита и тенардита в озерах, составляющий около 10 млн.т.

Такого рода метаморфизацией пренебрегать нельзя, так как до 7% воды или более 2 млн.т. солей оз. Балкаш ежегодно расходуется на отшнурование и инфильтрацию в берега [3].

Выпавшие на дно осадки солей, в частности, карбонаты кальция и магния в аридных и гумидных озерах ведут себя по – разному. В водоемах гумидной зоны, которые относительно глубоки и слой испарения здесь не превышает осадки, в толще воды и у дна накапливается достаточно большая концентрация углекислого газа, продукта жизнедеятельности биоценоза. Осаждающиеся нерастворимые карбонаты по пути ко дну взаимодействуют с диоксидом углерода, превращаясь в растворимые гидрокарбонаты. Концентрация последних постепенно может повышаться.

В водоемах аридной зоны наблюдается иная картина. Зообентос и остальные виды биоценоза здесь скапливаются не у дна, а в мелководьях, которые достаточно защищены от ветра и губительных прямых солнечных лучей. Эти участки воды в своем составе содержат мало углекислого газа. Кроме того, из–за сильного ветрового перемешивания воды происходит дегазация диоксида углерода. В связи с этим карбонаты кальция и магния, другие соли, свободно достигая дна, могут продолжительное время находиться в донных отложениях.

Исследуемые реки и озёра Прибалкашья относятся к общей системе «река – озеро», имеющей большое распространение (например, Волга, Урал – Каспий; Амударья, Сырдарья – Арал; Нура – Тениз; Кулунда, Кучук – Кучук; Бурла – Анжбулат и др.). При этом обращает на себя внимание, что в большинстве случаев в системе «река – озеро» фигуративные точки (то есть точки, отвечающие составу чистой соли) состава воды рек и конечных озер на химической диаграмме Н.С. Курнакова «состав – свойство» значительно удалены друг от друга и почти во всех случаях находятся в разных ее полях (рисунок 1.5). По всей вероятности, это обусловлено метаморфизацией воды.

Фигуративные точки состава воды рек перечисленных систем находятся в сульфатных полях диаграммы и по значению сульфатного индекса располагаются в пределах от 33 до 85%. Точки состава воды водоемов, где сконцентрированы эти речные воды, таких как Каспий, Кучук, Тениз расположены в галитовом (NaCl) поле; содержание сульфата в них значительно меньше, чем в питающих их реках и колеблется от 17 до 31%.

Фигуративная же точка состава Балкаша находится значительно выше, расположена в тенардитовом (Na2SO4) поле и соответствует 49% SO2−4, а Алаколь ещё выше, находится в мирабилитовом (Na2SO4.10H2O) поле и соответствует 56 % SO2−4.

По содержанию сульфата все поверхностные воды, очевидно, можно разместить на диаграмме между двумя крайними точками. Одной из них будет океан, содержащий наименьшее количество сульфата – 6%, другой будет богатая сульфатами речная вода (условно принято, что фигуративная точка состава воды р. Урал отвечает 85% SO2-4).

В системе «река – озеро» в зависимости от степени и глубины метаморфизации речных вод образующийся водоём занимает место между упомянутыми точками. Бассейны морского типа и смешанные водоёмы (содержащие морские и континентальные воды) располагаются ближе к своим рекам. Например, в смешанных водоемах, как Каспий, в метаморфизующих агентах речных вод этого бассейна превалируют хлоридные воды (остатки исходной морской воды), поэтому метаморфизация здесь прошла глубоко, воды стали сульфатно-магниевыми, и фигуративная точка состава перешла в галитовое поле.

Балкаш и Алаколь – типичные бессточные континентальные водоёмы, в которых происходит скопление, перемешивание, концентрирование поверхностных и грунтовых вод только континентального происхождения. И поэтому в этих водоёмах протекают иные процессы. Вода этих озер по сравнению с водами других водоёмов является наиболее засульфаченной, хотя питающие реки по содержанию сульфатов не отличаются от рек, питающих другие водоёмы. Но здесь в метаморфизующих водах мало хлоридных, а наряду с более концентрированными сульфатными принимают участие и карбонатные воды. Поэтому в континентальных водоемах имеют место реакции, дополнительно засульфачивающие эти озера. В конечном итоге протекающая метаморфизация ненамного уменьшает сульфаты, привнесенные притоками. В результате этого точки состава этих озер по содержанию сульфата располагаются недалеко от точек состава питающих рек.

Из диаграммы видно, что и в других континентальных озерах, как Анжбулат и Тениз, в результате метаморфизации содержание сульфата уменьшается не намного.