Зональность химического состава речных водных масс

Зональные различия водного баланса речных водосборов — основной гидрологический фактор формирования химического состава двух генетических типов воды — склоновых вод и почвенных вод в зоне аэрации верхнего слоя грунта. В подавляющем большинстве рек мира именно эти генетические типы вод формируют наибольшие по объему первичные речные водные массы в многоводные фазы стока — паводки и половодье. Поэтому эти воды, обеспечивающие дождевое, снеговое и ледниковое питание рек, определяют величину средней за год и за многолетний период концентрации растворенных в речной воде веществ, ее минерализацию, жесткость, цветность, окисляемость и другие показатели природного качества речных водных масс.

Важными факторами процесса формирования химического состава в водах этих двух генетических типов служат:

• 1) количество и интенсивность атмосферных осадков, их химический состав;
• 2) радиационный баланс территории;
• 3) валовая увлажненность почвы и подстилающего грунта, их фильтрационные свойства;
• 4) промерзание грунта и толщина снежного покрова зимой;
• 5) химический состав почв и грунтов, растворимость его компонентов (наиболее легко растворимы водой хлоридные соли, менее растворимы сульфатные и еще менее — карбонатные и силикатные).

Первые три фактора имеют хорошо выраженное зональное распределение, обусловливая закономерное изменение от одной природной зоны к другой средних величин и сезонных колебаний валовой увлажненности почвенного покрова и интенсивности суммарного испарения воды. Вследствие этого и пятый фактор, изначально азональный, под многовековым воздействием материкового звена ГГЦ приобрел черты географической зональности химического состава грунта в его зоне аэрации, где газообмен и водообмен внутри почвы намного интенсивнее, чем в нижележащих более плотных слоях грунтовой толщи.

В гумидных регионах с наибольшим увлажнением зоны аэрации водосборов в безморозный период года преобладают интенсивная инфильтрация и повышенный водообмен в водоносных слоях, обеспечивая рассоление грунтовой толщи водосбора и удаление со стоком ионов растворимых солей. В семиаридных и тем более в аридных природных зонах с меньшим количеством осадков и большим испарением в течение всего года в зоне аэрации грунта существенно возрастает роль капиллярного подъема подземных вод к испаряющей поверхности почвенного покрова. В результате промывной режим здесь сменяется засолением почв вплоть до образования в западинах солодей (при периодически промывном режиме), солонцов (с солонцовым иллювиальным горизонтом) и солончаков с содержанием в почвенной корке до 30% легкорастворимых солей.

Речные водные массы, формирующиеся в регионах с разным типом водообмена в зоне аэрации почв и грунтов, по минерализации О. А. Алекиным (1970) делятся на четыре группы: вода с малой минерализацией — до 200 мг/л, со средней — 200 — 500 мг/л, с повышенной — 500—1000 мг/л и с высокой минерализацией — > 1000 г/л.

Обусловленная процессами водообмена и растворения компонентов грунта зональность минерализации и химического состава речных водных масс в масштабе всей суши представлена в виде составленной в 1942 г. Г. А. Максимовичем (1955) схематической карты зон гидрохимических фаций речных вод. Гидрохимической фацией им названа часть русловой сети, где вода характеризуется одинаковыми химическими свойствами. Основным показателем фации принята комбинация трех ионов, содержание которых преобладает в солевом составе воды.

На мелкомасштабной карте суши (рис. 2.3) показаны ареалы шести гидрохимических зон (табл. 2.5):

• 1. Зона преобладания гидрокарбонатно-кремнеземных (и кремнеземных), богатых органическим веществом гидрохимических фаций рек тундр северного полушария (НС0₃—Si0₂—S0₄, Si0₂—НС0₃—Са, HC0₃—Са—Si0₂ и др.). Здесь в большинстве зональных рек водные массы имеют малую минерализацию (табл. 2.5) и жесткость, большую окисляемость и цветность, которая придает воде желто-коричневатую окраску из-за высокого содержания растворенных в воде органических веществ и оксидов железа, выносимых с мерзлых грунтов и заболоченных водосборов.
• 2. Зона преобладания гидрокарбонатно-кальциевых гидрохимических фаций рек лесной зоны северного полушария (НС0₃—Са— S0₄, НС0₃—Са—Mg, НСО3—Са—Na и др.). Средняя минерализация здесь примерно вдвое выше, а цветность имеет повышенную величину лишь в половодье.
• 3. Зона преобладания гидрокарбонатно-сульфатных, сульфатных и хлоридных гидрохимических фаций рек степной зоны (НСО3—S0₄—Са, S0₄—НС0₃—Cl, Cl—S0₄—НС0₃ и др.). Водные массы рек этой зоны имеют среднюю минерализацию, вдвое большую по сравнению с водами лесной зоны.
• 4. Зона преобладания хлоридно-натриевых гидрохимических фаций пустынь (CI—Na—S0₄, Cl—S0₄—HC0₃, S0₄—Cl—Na и др.). Это — обширная зона с редкой сетью пересыхающих рек в областях внутреннего стока. Наряду с зональными реками в этой зоне имеются и полигональные реки, в которых особенно сильна трансформация химического состава воды, проявляющаяся нередко в заметном повышении минерализации.
• 5. Зона преобладания кремнеземных и гидрокарбонатно-кремнеземных фаций рек тропиков (и субтропиков), богатых органическим веществом (Si0₂—НСО3—Са, Si0₂—НС0₃—Na,

Табл и ц’а 2.5.

Зональная структура ионного стока с суши (по Г. А. Максимовичу, 1955).

Рис. 2.3. Схематическая карта шести зон гидрохимических фаций речных вод (Г. А. Максимович, 1955)

HC0₃—Si0₂—Са, HC0₃—Si0₂—S0₄h др.). Ареал этой зоны соответствует приблизительно зонам влажных экваториальных лесов, переменно влажных и приокеанических лесов тропических и субэкваториальных природных поясов, где реки питаются почти исключительнодождевыми водами. Речные водные массы там в среднем в 1,5 раза менее минерализованные, чем в тундровой гидрохимической зоне и имеют еще более темную, бурую или даже черную окраску из-за очень высокого содержания растворенных органических веществ и оксидов железа.

6. Гидрохимические фации рек горной (вертикальной) зоны. В ней расположены фации двух-трех вертикальных подзон: преобладания кремнеземных (Si0₂—НС0₃—Са, 12 — 80 мг/л) и гидрокарбонатно-кремнеземных (НС0₃—Si0₂—Са, 80—120 мг/л) фаций альпийских лугов, преобладания гидрокарбонатных фаций горных лесов (НС0₃—Са—S0₄, 120 —430 мг/л; НС0₃—S0₄—Са, 430—600 мг/л и НС0₃—S0₄—Na, 600 —830 мг/л), а в аридных регионах еще и подзона преобладания сульфатных фаций предгорных степей (S0₄—НС0₃—Na, > 830 мг/л).

Таким образом, полизональность горных рек особенно отчетливо проявляется не столько в изменении водного режима с высотой, сколько в гидрохимической трансформации их водных масс при смешении с водами притоков, формирующими сток в различных высотных поясах.

Распределив 870 рек (о ионном составе воды в которых имелись данные 4,5 тысяч химических анализов) по гидрохимическим зонам, Г. А. Максимович оценил среднюю зональную минерализацию речных вод (1изо_Н), вклад зональных рек в суммарную массу ионов Л/_и в среднем годовом их стоке с территории суши, равной 128 млн км² (не занятой ледниками, болотами, озерами и водохранилищами), и величину среднего модуля ионного стока т" = MJA_WH (А₂о" — площадь территории зоны) (см. табл. 2.5).

Эти расчеты показали, что более трети ионного стока с суши в Мировой океан выносят реки лесной зоны, хотя их водный сток втрое меньше, чем сток наименее минерализованных рек экваториального и субэкваториальных поясов. А наиболее интенсивен вынос ионов речным стоком со степных водосборов, где особенно ярко выражено чередование процессов рассоления и засоления (с участием континентальных аэрозолей) зоны аэрации грунтов в многоводные и маловодные фазы водного режима.

Внутригодовой режим колебания минерализации воды в любой незарегулированной реке определяется сочетанием зональных особенностей формирования химического состава склонового, почвенного и грунтового генетических типов воды, образующих речную водную массу, и соотношением их объемов в многоводные и маловодные фазы водного режима, наступающие в природных зонах в разные сезоны. Тем не менее для зональных и полизональных рек характерна нелинейная обратная зависимость гиперболического вида между расходом воды в реке и минерализацией водной массы. При этом в какой бы сезон ни наблюдалось половодье, обусловленное преимущественным снеговым, дождевым или ледниковым питанием реки, масса выносимых с водосбора растворенных веществ Л/_н, называемая химическим стоком реки, в половодье всегда составляет наибольшую долю ее годового значения, несмотря на то, что минерализация воды в эту фазу минимальна. Причина этого явления в том, что относительная величина различия минерализации генетических типов вод существенно меньше разницы расходов склонового стока в многоводные фазы и двух других генетических типов воды. Поэтому чем более изменчив внутригодовой режим водного стока рек в той или иной природной зоне, тем сильнее внутригодовые колебания минерализации в зональной реке.

Эти же закономерности проявляются и в межгодовых колебаниях водного и химического стока: в многоводный год среднегодовое значение X^{й в} зональной реке меньше, а величина М_н больше, чем в маловодный год.