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 Хелланд-Гансена)

Другая, упрощенная классификация озер мира по минерализации, предложена австралийским лимнологом Вильямсом¹: пресными считать озера с Хи 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 (NiulangZhinu), 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 меромиктическими, 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 KgZCgобъёмы речных и грунтовых (подземных) вод с их средними за расчётный период значениями минерализации, поступившие в водоём с его водосбора; 1С_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 (р, 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)

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% азоти фосфрсодержащих биогенных веществ и особенно сильно — кремнийи 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 осолоняющихся 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; (голоот 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.