Седиментация взвесей и структура донных отложений

Взвешенными веществами (взвесью) называют минеральные и органические частички и планктонные организмы диаметром от 0,5 мм до 0,5 мкм, находящиеся в воде во взвешенном состоянии. Масса взвешенных веществ в объёме воды характеризуется величиной их концентрации Свв в мг/л или в г/м³. Мутность воды — содержание преимущественно минеральных частиц в объёме воды, образующаяся их взмучиванием при воздействии турбулентного движения воды на размываемые грунты. Сестоном гидробиологи называют преимущественно органические взвеси, улавливаемые мелкоячеистой планктонной сеткой^[1]. Чем больше концентрация взвеси в воде, тем больше её мутность и светорассеивающая способность, тем меньше прозрачность воды. Повышенное количество взвесей ухудшает питьевые и технологические качества воды.

СОСТАВ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ И ИХ СЕДИМЕНТАЦИЯ

По происхождению взвешенные вещества водоёмов могут быть природными и техногенными, аллахтонными и автохтонными.

Аллохтонные вещества (т. с. поступающие в водоём с водосбора и из атмосферы):

• • терригенные речные (аллювиальные) взвеси и влекомые наносы, частички склонового стока;
• • аэрозоли — оседающая на поверхность водоёма пыль и частицы, вымываемые из атмосферы при дожде или снегопаде.

В составе речного стока преобладают минеральные взвеси:

• — илистые частицы размером 1−10 мкм;
• — алевритовые (10−100 мкм) частицы, часто называемые пылью (Алексеевский, 2006);
• -мелкий (100−200 мкм) и среднезернистый (200−500 мкм) песок.

В суммарном стоке речных наносов влекомые фракции крупнозернистого песка диаметром 0,5−1 мм и еще более крупная фракциягравий составляют на равнинных реках всего 5−10%, на горных- 10−20%. В заросших водорослями участках рек к минеральным взвесям добавляются органическиечастички макрофитов с реофилъным бактериои фитопланктоном, доля которых в стоке наносов может составлять до 6−12%.

В составе аэрозолей — морские ионы, континентальная и промышленная пыль, соль с солончаков (1−100 мкм), частицы сажи пожаров (0,5−5 мкм), вулканический пепел, органические частицы — пыльца, бактерии, споры растений, листва.

Автохтонные взвеси (т. с. образующиеся в водоёме) — преимущественно минеральные частицы размыва берегов или взмучивания волнением на мелководье органоминеральных донных грунтов. В солёных озёрах автохтонная хемогенная взвесь состоит из кристаллов разнообразных солей, а в пресных эвтрофных водоёмах — из микрокристаллов (0,3−3,5 мкм) кальцита. Особенно разнообразна автохтонная органическая взвесь — бактериои фитопланктон, частички макрофитов и детрит, т. е. мёртвые органические частицы водных организмов и органоминеральные частицы, на которых имеется слой бактерий, разлагающих взвешенное органическое вещество. К детриту относятся взвешенные частицы ила и продукты жизнедеятельности зоопланктона — пеллеты. Это — комочки, фекалии, выделяемые из кишечного тракта рачками-фильтраторами воды и моллюсками (водные беспозвоночные в составе зоопланктона и зообентоса). В пеллетах содержатся не только органические вещества, но и слизь, которая обволакивает минеральные частицы, всасываемые с водой животными-фильтраторами. На слизь налипают взвешенные частички, и органоминеральные комочки становятся до 1000 раз большими, чем размеры илистых минеральных частиц, заглатываемых рачками и моллюсками. Крупные и более плотные, чем органическое вещество, пеллеты оседают в воде быстрее, чем органическая взвесь, потому что в их составе могут быть и песчинки, и микрокристаллы кальцита.

Гидравлическая крупность w, т. е. скорость процесса осаждения взвешенных веществ (ВВ) в стоячей воде, определяют для минеральных частиц по формуле Стокса:

где g — гравитационное ускорение, D — диаметр частицы, (рвв~ р) — разность плотностей частицы и воды, v- кинематический коэффициент вязкости воды, м²/с. Плотность частиц глины в 1,7−2,5 раза больше плотности воды, кварцевого пескав 2,65, а кальцита — в 2,8 раза.

При температуре 15 °C гидравлическая крупность (по формуле 10.1):

• — песчинки с D = 0,5 мм w = 60 мм/с и время её осаждения в воде t на 1 м меньше 20 с.;
• — мельчайшей песчинки 0,1 мм и" = 8 мм/с и t >2 мин.;
• — алевритовой частички с D = 0,01 мм w = 0,08 мм/с и / ~3,5 час.;
• — глинистой частички с ?><5мкм/с и — / более 2,5 суток.

При повышении температуры до 20 °C из-за уменьшения плотности воды и её вязкости гидравлическая крупность взвесей увеличивается на 15%, в холодной воде при Т <4 °С она уменьшается на 34 % (Алсксссвский, 2006), соответственно, возрастает время осаждения взвеси.

В озерах и водохранилищах застоя воды не бывает даже в гиполимнионе глубочайших и наименее проточных водоёмов во время зимней и летней стратификации. Поэтому, наряду с гидравлической крупностью минеральных частиц в седиментации, т. е. в реальном осаждении взвесей и их накоплении на дне, ведущую роль играет вертикальная составляющая скорости турбулентной водной массы. Особенно важны вертикальное перемещение воды во внутренних волнах, восходящие и нисходящие токи воды при свободной и упорядоченной (циркуляция Ленгмюра) конвекции, в апвеллингах и даунвеллингах при сгонно-нагонных циркуляциях. Поскольку скорость движения воды в этих динамических процессах изменяется в широком диапазоне, вклад гидравлической крупности минеральных частиц и органоминеральных пеллет в седиментацию наиболее значим в малопроточных водоемах в периоды штиля. В ветреную погоду в таких водоёмах, как и в сильно проточных, гидравлическая крупность лишь замедляет подъём этих частиц и ускоряет их погружение.

Органические взвеси, детрит имеют плотность слегка меньшую или немного большую плотности окружающей воды. Их форма — не шарообразная, а скорее — пластинчатая, поэтому седиментация большинства дегригных частиц, вероятно, определяется лишь нисходящими движениями воды. Исключение составляет детрит, содержащий остатки диатомовых водорослей с их кремневыми створками, обломки раковин моллюсков-обрастателей, их пеллеты и пеллеты рачков-фильтраторов. Частицы такого детрита имеют повышенную плотность. Пеллеты^[2] имеют диаметр до 0,1 мм и скорость их осаждения 2−5 час/м. Поэтому они играют главную роль в процессе био-

седиментации взвешенных органоминеральных веществ. В зависимости от обилия зоопланктона и зообентоса беспозвоночные организмы ежесуточно профильтровывают от 5 до 90% объёма озера¹. Поэтому вклад биоседиментации в самоочищение воды от взвешенных веществ в малопроточных водоёмах в сотни и тысячи раз больше, чем физической седиментации.

Для измерения интегральной скорости процесса седиментации применяют седиментомеры (рис. 10.1), которые устанавливают на дно в разных частях водоёма и нередко подвешивают с буя на ту или иную глубину. Взвешивая массу осадка, накопившегося в ловушках (цилиндрах), рассчитывают среднюю интенсивность осадконаколения в г/(м" сут.) за время экспозиции (от 2 до 20 сут.). По потере веса при прокаливании осадка определяют в нем долю органических частиц.

Рис. 10.1. Седиментомер трехцилиндровый (соотношение высоты цилиндра к его диаметру 5:1).

Осевшие на заиленное дно крупные взвеси прилипают к нему, а тонкодисперсные, накапливаясь, образуют полужидкий паилок, постепенно уплотняющийся под давлением водной толщи.

Если поверхности дна достигает воздействие динамических процессов, вертикальные компоненты скорости взмучивают наилок. Этот процесс называется ресуспензия. Взвешиваемые частицы осадка переносятся в пелагиали преимущественно придонными и глубинными течениями и вновь осаждаются с наступлением штиля или в местах с менее интенсивным перемешиванием. Этот процесс называют трансседиментация.

В водоёмах имеется две зоны ресуспензии: главная (литоральная), обусловленная встроволновой активностью, и глубинная, где взмучивание и перенос наименее плотных частиц происходит под воздействием как короткопериодных сейш, так и низкочастотных внутренних сейш с большими амплитудами колебаний слоёв воды^[3][4].

В местах взмучивания образуются «облака» мутной воды, которые слабыми сейшевыми течениями растягиваются в нефелоидные слои малой прозрачности с повышенным рассеянием света.

Концентрацию взвесей в воде (в мг/л) определяют фильтрацией проб воды объёмом 1−2 л. Мембранные фильтры обычно с диаметром пор 0,45 мкм высушивают в сушильном шкафу при температуре 105 °C и взвешивают на высокоточных лабораторных весах. Затем определяют вес фильтра с осадком после высушивания и по разности веса вычисляется масса осадка. Менее надежны фотометрические экспресс-методы с применением турбидиметра — прибора для измерения поглощения потока света в пробе мутной воды, или нефелометра для определения в пробе светорассеяния. Полученные этими приборами оценки мутности воды с помощью тарировочных зависимостей пересчитывают в концентрацию взвеси в воде.

• [1] Экологический энциклопедический словарь. — М.: Ноосфера, 1999. — 930 с.
• [2] Савенко В. С. К вопросу о роли биоседиментации в образовании донных отложений // Водные ресурсы. — 198., — № 2. — С. 120−129.
• [3] Гутельмахер Б. Л., Алимов А. Ф. Количественные закономерности фильтрационного питания водных животных // Общие основы изучения водных экосистем. — Л. :Наука, 1979.-С. 57−78.
• [4] Мартынова М. В. Влияние взмучивания донных отложений на экосистемы водоемов // География и природные ресурсы. — 2007. — № 4. — С. 38−44.