Физико–химия процессов метаморфизации и солеобразования в континентальных и искусственных водоемах

Физико-химия процессов метаморфизации и солеобразования в континентальных и искусственных водоемах Казахстана

Рассмотрена физико-химия процессов метаморфизации и солеобразования химического состава воды некоторых рек, озер и водохранилищ Казахстана с помощью химических диаграмм. Выявлены особенности этих процессов для отдельных систем.

Реки, озера и водохранилища играют большую роль в экономике и народном хозяйстве Казахстана, которая определяется в первую очередь использованием воды на орошение. В соответствии с долговременной программой мелиорации площадь орошения в Казахстане будет доведена до 3−3,5 млн.га. Рациональное использование речной воды возможно лишь при зарегулировании стока рек. Однако, зарегулирование стока рек и использование воды на орошение приводит к метаморфизации химического состава.

Проведены многолетние систематические исследования химического состава воды крупнейших речных систем Казахстана: Ертыской, Илийской, а также водохранилища — охладителя Экибастузской ГРЭС — 1. С помощью физико-химического анализа, применительно к природным водам, расчета показателей сравнения, коэффициентов метаморфизации, классификации Курнакова — Валяшко и химических диаграмм /1−3/ выявлены особенности процессов метаморфизации химического состава для отдельных систем.

Зайсано — Бухтарминское водохранилище на р. Ертыс является местом смешения разнотипных вод. Здесь аккумулируется вода правобережных притоков малой минерализации карбонатного типа, левобережных притоков, имеющих воду средней и повышенной минерализации сульфатного типа. В формировании химического состава воды водохранилища принимают участие грунтовые воды и атмосферные осадки. Кроме того, в водохранилище происходит накопление взвешенных частиц глины, породы и почв, внесенных реками. Таким образом, здесь создаются благоприятные условия для протекания катионного обмена, биохимических и др. реакций, приводящих к метаморфизации химического состава воды водохранилища.

Если нанести фигуративные точки состава воды Зайсано — Бухтарминского водохранилища и питающих его рек на химическую диаграмму, видно, что они не только значительно удалены друг от друга, но и находятся в разных ее полях карбонатного треугольника и сульфатного квадрата (рис.1). Так, фигуративная точка верхней части водохранилища (ЗБ₁) расположена в поле мирабилита сульфатного квадрата, а нижней части (ЗБ₂) в этом же поле карбонатного треугольника. Эта неоднородность химического состава водохранилища обусловлена особенностями химизма питающих его рек. Фигуративные точки состава одних (Тентек, Каинда и др.) располагаются в карбонатном треугольнике, других (Кулуджун, Нарым и др.) — в мирабилитовом поле сульфатного квадрата. С точки зрения физико-химического анализа, применительно к природным водам, этот переход фигуративных точек свидетельствует об обратной метаморфизации. Минерализация воды р. Ертыс по течению увеличивается незначительно (на 40 мг/л), индекс воды по Алекину постоянно С, значения коэффициентов Mg²⁺/Ca²⁺, Ca²⁺/ SO остаются неизменными, проявляется лишь тенденция к снижению значений показателя SO/Cl^-. Таким образом, на этом участке формирование химического состава практически завершено и процессы метаморфизации не имеют место. Фигуративная точка состава воды р. Ертыс (у г. Усть-Каменогорска, ИР₁) располагается в мирабилитовом поле, а для последующих пунктов по течению (ИР₂, ИР₃) смещаются в астраханитовое поле (рис.1). Анализируя положение фигуративных точек состава воды в системе: р. Черный Ертыс (ЧИ) — Зайсано-Бухтарминское водохранилище (ЗБ₁, ЗБ₂) — р. Ертыс (у г. Усть — Каменогорска и ниже по течению, ИР₁, ИР₂, ИР₃) видно, что в данном случае происходит сложный процесс ступенчатой метаморфизации воды из карбонатного типа (Ч. Ертыс) в сульфатный (верхняя часть Зайсано-Бухтарминского водохранилища), затем обратно в карбонатный (нижняя часть этого водохранилища) и вновь в сульфатный (р.Ертыс). Проведены многолетние исследования процессов метаморфизации химического состава воды на участке «р. Иле — картовый ороситель — чек — картовый водосброс-коллектор-р.Иле (ниже впадания коллекторов)» рисосовхозов «Бакбактинский», «Акдалинский», «50 лет Октября» в низовье р.Иле. На отдельных участках орошаемых массивов выявлены процессы содообразования («вспышка щелочности»), обусловленные особенностью химического состава воды р. Иле, почв, температурным режимом воды рисовых чеков и процессами катионного обмена, протекающих в системе «вода-почва».

Усл. обозн: Н-Нарым, КрКурчум, Кд — Кальджир, Кл — Кулуджун, Кн — Каинда, Тк — Тентек, Т — Таинты, Б — Бокен, Бх — Бухтарма, Чи — Черный Ертыс, З-Б₁ — Зайсано — Бухтарминское водохранилище у м. Карасуат, З — Б₂ — Зайсано — Бухтарминское водохранилище у г. Серебрянска, Ир₁, Ир₂, Ир₃ — р. Иртыш у пунктов, соответственно, г. Усть-Каменогорск, г. Павлодар, С. Иртышское.

Рис. 2. Положение фигуративных точек состава воды оросительных систем на химической диаграмме.

Усл. обозн.: риссовхоз «50 лет Октября» — а -25 УШ 1974 г., б-10/УI 1977 г., в-до (25/УП) и в период вспышки рН" (26/УП 1979 г.), г-р. Иле и впадающие в нее коллектора, д-р. Иле до (И₁) и после зарегулирования стока (И₂), ниже впадения коллекторных вод (И₄, И₅) е-р. Иле (у ГЭС). Главного коллектора и р. Иле (ниже его впадения) в соответствующие месяцы, ор ороситель, ч-чек, кв — картовый водосброс. Ки-1, Ки-2, Ки-3, Ки-4-коллектора, ГК-главный коллектор.

Рис. 3. Расположение фигуративных точек состава воды водных объектов ЭТЭК на химической диаграмме.

Условные обозначения: — канал Ертыс — Караганда; - Экибастузское резервное водохранилище; - водохранилище — охладитель ЭГРЭС-1; * - оз. Женгельды; х — р. Ертыс.

Изучен гидрохимический режим 16 коллекторов Акдалинского и Тасмурунского массивов с целью выявить процессы метаморфизации химического состава воды, как в конечном звене оросительной системы. Установлено, что в отдельных случаях (рис.2а) на участке «ороситель-чек-водосброс» происходят очень резкие изменения в относительном составе, поэтому фигуративные точки состава воды чеков значительно удалены от фигуративной точки оросителя. Фигуративная точка одного из чеков (чек 1) смещена вниз и влево, что отражает увеличение доли NaCl в составе воды чека. На другом чеке при неизменном относительном составе сульфатов, меняется соотношение натриевых и магниевых солей. Однако, все фигуративные точки остаются в пределах одного поля. В ряде случаев (рис. 2б) разброс фигуративных точек состава воды оросителей, чеков и водосбросов меньший, т.к. изменения в их относительном составе менее значительны.

Рис. 4. Положение фигуративных точек состава воды оз. Женегельды (до и после промывки) и канала Ертыс — Караганда.

Условные обозначения: К — фигуративная точка состава воды канала Ертыс — Караганда; Ж — фигуративная точка состава воды оз. Женгельды (1972;1974 гг.). Ж^/ — фигуративная точка состава воды оз. Женгельды после промывки (1978 г.).

Если до «вспышки щелочности» (24.УП) фигуративные точки оросителя, чека, водосброса близко расположены друг к другу на границе астраханитового и тенардитового полей (рис. 2в), то в момент «вспышки щелочности» (25.УП) для воды чека она переходит в мирабилитовое поле химической диаграммы. Фигуративная точка состава воды водосброса вновь переходит в астраханитовое поле, но смещена вниз к полю NaCl. Фигуративные точки состава воды всех коллекторов (сбрасывающих воду в р. Иле, за исключением коллектора Ки-4) по сравнению с илийской (И₁) смещены в большей или меньшей степени к правому верхнему углу диаграммы, что отражает прямую метаморфизацию их химического состава, обусловленную увеличением доли MgSO₄ (рис.2г).

Фигуративная точка коллектора Ки — 4 смещена в астраханитовом поле к правому нижнему углу диаграммы за счет увеличения MgCl₂ в солевом составе. На рис. 2д показано положение фигуративных точек состава воды р. Иле до (И₁) и после зарегулирования стока (И₂), ниже сброса предпоследнего коллектора Ки-4 (И₄) и главного коллектора (И₅). На основании анализа их положения на химической диаграмме можно сделать вывод, что зарегулирование стока р. Иле приводит к увеличению доли хлорида натрия. Но более существенные изменения в составе воды р. Иле за счет увеличения сульфата магния происходят в вегетационный период в связи с впадением коллекторов Ки-1, Ки-2, Ки-3, Ки-4. Впадение Главного коллектора вновь приводит к некоторому увеличению хлоридных солей.

При всех этих изменениях фигуративные точки состава воды остаются в пределах астраханитового поля. Анализ положения фигуративных точек состава воды р. Иле до впадения Главного коллектора (И), Главного коллектора (К) и р. Иле после его впадения (И) на химической диаграмме показывает, что направление метаморфизации химического состава воды р. Или зависит от сезона года (рис.2е). Так, в мае, июле, когда в Главном коллекторе преобладают сбросные воды, фигуративная точка р. Иле (И^/) смещается к левому верхнему углу и переходит из астраханитового в мирабилитовое поле химической диаграммы. Сопоставляя положение фигуративных точек состава воды И, К, И^/ и чеков становится очевидным, что направление метаморфизации илийской воды под влиянием Главного коллектора в этот период обусловлено изменениями в химическом составе воды на чеках, поскольку в Главном коллекторе преобладает сток поверхностных вод. В январе, марте, октябре, когда в коллекторе преобладает сток грунтовых вод, фигуративные точки илийской воды И, И, И смещаются к правому верхнему или нижнему углу астраханитового поля химической диаграммы, как и в самом коллекторе в это время.

Многолетнее физико-химическое исследование воды водохранилища — охладителя ЭГРЭС -1 и канала Ертыс — Караганда проводилось на основе собственных экспериментальных данных за 1979;1990г.г., что дает возможность выявить процессы метаморфизации ионного состава воды /4/. С этой целью рассчитаны показатели сравнения, определен тип воды по Валяшко, рассчитаны индексы фигуративных точек химического состава воды для нанесения на химическую диаграмму (рис.3).

Значения коэффициента Mg²⁺/Ca²⁺ для канала Ертыс — Караганда колеблются в пределах 0,2−0,8, а для водохранилища в первые годы эксплуатации они в большинстве случаев близки к единице. С 1983 года наблюдается уменьшение коэффициента до 0,7−0,3, что связано с возрастанием доли Са²⁺ в составе воды.

Коэффициент Ca²⁺/SO₄^2- для канала всегда больше единицы (1,3−4,4). Для водохранилища его значения колеблются в пределах 1,7−0,8. Причем со временем наблюдается постепенное уменьшение коэффициента, т.к. в формировании химического состава воды водохранилища возрастает роль SO₄^2- — ионов.

Отношение SO₄^2- / CI^- для канала составляет 0,8−3,1, а для водохранилища этот коэффициент постепенно растет от 0,4 до 1,0 и достигает максимума (2,1) осенью 1986 г, что также свидетельствует о возрастании доли SO₄^2- -ионов в формировании состава водохранилища.

Отношение концентрации ионов натрия и хлора (коэффициент Na⁺/ CI^-) в воде колеблется в пределах 0,7−2,7, а в воде водохранилища в первые годы его существования был равен 0,8−0,9. Затем коэффициент увеличился до 1,0−1,1 и к концу 1986 г достигает максимального значения 1,5.

Такое изменение двух последних коэффициентов доказывает ранее высказанное предположение, что роль хлоридов (чаще NaCI) в формировании химического состава воды водохранилища уменьшилась, и в настоящее время в воду стали поступать трудно-растворимые соли (сульфаты, карбонаты). На рис. 3 представлены химические диаграммы Курнакова, характеризующие солевой состав воды оз. Женгельды, водохранилища-охладителя ГРЭС-1 и канала Ертыс — Караганда.

Озеро Женгельды, на основе которого создано данное водохранилище, было хлоридно-натриевое и точки лежат в галитовом поле. В первые годы существования водохранилище сформировалось как хлоридно-натриевое третьего типа. Подавляющее большинство фигуративных точек состава воды в 1979;1980 годах на химической диаграмме лежат в галитовом поле, но несколько выше точек, отвечающих составу оз. Женгельды.

К 1986 г. наблюдается постепенное смещение точек химического состава в астраханское поле, и лишь несколько точек остаются в поле галита (NaCI). Кроме того, фигуративные точки, хотя и очень медленно, перемещаются в сторону увеличения доли Mg²⁺ -ионов. Аналогичная картина прослеживается и в 1990 г. С точки зрения теоретических положений физико-химического анализа можно сделать вывод о том, что перемещение фигуративных точек состава из одного поля в другое свидетельствует о протекании процессов метаморфизации в воде водохранилища. В результате этих процессов доля хлоридных и натрий — ионов в формировании химического состава воды уменьшилась, а усилилась роль сульфат и магний — ионов. физико-химия метаморфизация солеобразование водоем Фигуративные точки состава воды КИК в начале наблюдения располагались в тенардитовом (Na₂SO₄) и мирабилитовом (Na₂SO₄ * 10 H₂O) полях сульфатного квадрата, а к концу 1986 г. они смещаются в астраханитовое поле в направлении к углу MgSO₄, что также свидетельствует о процессах метаморфизации с участием ионов Mg²⁺ и SO₄^2- .

• 1. Романова С. М. Исследование процессов метаморфизации системы" река-озеро", «река-в-ще» /на примере природных вод Казахстана. — Тез.докл.IX Респ.конф.молодых спец. химиков, А-Ата, 1976.
• 2. Романова С. М., Беремжанов Б. А. Комплексн.физ.-хим.исследование некоторых природных водоемов Казахстана. — Тез.докл.науч.-теор.конф., посвящ.50-летию КазГУ А-Ата 1985, с.23−24.
• 3. Романова С. М. Гидрохимия и гидроэкология оросительных систем РК (бассейн р. Или) (монография). — Алматы: Братство, 2003. — 181 с.
• 4. Ибрагимова М. А, Романова С. М., Беремжанов Б. А. Формирование гидрохим. режима водохранилища-охладителя ЭГРЭС-I. Гидрохимические материалы. — Л., Гидрометеоиздат, 1986, т.96, с.142−154