книги из ГПНТБ / Зак, Г. Л. Самоочищение водоемов основы рационализации гидрологических и санитарно-технических расчетов

Глава первая

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОЛЕБАНИЯХ СОСТАВА ВОДЫ В ВОДОЕМАХ

1. Расходы и состав воды в водоемах

При исследовании сложного процесса самоочищения водое­ мов приходится иметь дело с двумя объективными факторами:

сточными водами, количество и качество которых может быть

достаточно точно определено путем соответствующих измерений и анализов, и собственно водоемы, куда эти сточные воды вы­ пускаются.

Режим существования водоема диктуется топографическими,

почвенно-геологическими, гидрогеологическими, 'климатически­ ми и другими особенностями рассматриваемого района. Эти особенности оказывают существенное влияние на количествен­ ные и качественные изменения воды в водоеме.

Так, например, при больших уклонах местности во время

дождя расход воды в водоеме быстро увеличивается. Одновре­ менно в воде значительно возрастает количество минеральной

взвеси. В воду смывается песок, постепенно оседающий, причем, чем крупнее песчинки, тем быстрее они падают на дно.

Совершенно другая картина будет при плоском рельефе местности. Выпавший дождь впитывается в почву, насыщает ее,

и только незначительная часть дождевой воды скатывается по поверхности почвы в водоем. Вместе с тем увеличивается запас грунтовых вод, которые в большей своей части попадают в тот же водоем, подпитывая его в течение недель, а иногда в зави­

симости от величины бассейна и месяцев.

Вследствие весьма медленного поступления грунтовых вод выноса песка и ила в русло водоема не происходит. Во всех слу­ чаях речная вода получает дополнительную порцию кислорода за счет весьма сильно насыщенных им дождевых вод.

Воздействие почвенно-геологических условий на водоем про является, например, в поступлении в речную воду солей, вымы­ ваемых из грунтов. Песчаные почвы, обладающие сильной филь­ трационной способностью, быстрее отдают дождевую воду, а

5

суглинистые медленнее, что сказывается на режиме расхода во­ ды в водоемах.

Сильное влияние на расход речной воды оказывают клима

тические условия района. Громадное количество весенних па водковых вод, несущих в себе запасы снега, выпавшего в тече­ ние зимы, увеличивает в десятки, а зачастую и в сотни раз ме­ женный расход воды в реке. Летом наблюдаются резкое сокра щение расхода воды вследствие повышенного испарения и сни жение притока грунтовых вод.

Начиная с середины или конца сентября в связи с пониже нием испарительной способности зеркала реки и почвенного покрова расход воды в реке начинает медленно увеличиваться. Похолодание в октябре—ноябре и осенние мелкие, но продол­ жительные дожди ведут к увеличению расхода воды в реке и к осенним паводкам.

С наступлением морозов на реке образуется ледяной покров, и поверхностное поступление воды прекращается. В речную во­ ду попадает только небольшое количество грунтовых вод, избы­ ток которых к концу февраля или в марте достигает минимума.

Примером изменения расходов воды для рек центрального

района СССР может служить р. Ока у г. Калуги. В табл. 1

Так, с наступлением весеннего паводка происходит, с одной сто­ роны, некоторое увеличение свободного кислорода, вызванное

обилием его в талой воде, а с другой, повышение биохимической

потребности в кислороде (ВПК) вследствие смываемых с поч­

вы органических загрязнений. Количество органических веществ достигает во время паводка максимума, а количество минер аль ных растворенных в воде веществ — минимума, поскольку при ток грунтовых вод, увеличивающих собой содержаиие минераль­ ных примесей, относительно невелик.

Начиная с момента окончания весеннего паводка, количест­

во органических веществ и ВПК в воде водоема начинают по немногу уменьшаться, количество же минеральных веществ не­ сколько увеличиваться в результате постепенного увеличения

количества грунтовых вод.

В период летнего цветения растений и водной флоры осо

бенно заметно пересыщение речной воды свободным кислородом

6

за счет 'процесса фотосинтеза. Органические вещества отчасти

расходуются на питание придонной растительности и планкто на. С середины августа, когда расцвет флоры достигает преде­ лов, начинается постепенное уменьшение активной деятельности

водных растений. Вместе с постепенным понижением темпера­

туры воды в реке идет процесс накапливания на зимний период растворенного кислорода. Так, например, количество кислорода может возрастать с 9,37 мг/л при температуре 20° С до

14,64 мг/л при температуре 0° С. Параллельно с этим идет про цесс угасания биологических процессов окисления речной водой органических веществ.

За период осенних паводков замечается нарастание в воде количества взвешенных веществ органического и минерального характера, за счет смыва дождевыми водами прибрежных уча стков полей и береговых отложений.

С началом ледостава начинается зимний период в жизни ре­

ки, характеризующийся увеличением концентрации минераль­

ных растворенных в воде веществ, что связано с прекращением притока поверхностных вод и возрастанием притока грунтовых вод, вымывающих минеральные вещества. Наблюдается не­

уклонное снижение в воде растворенного кислорода, запасы ко­ торого расходуются на всякого (рода биохимические процессы в водоеме. Уменьшение запасов кислорода в речной воде при на­ личии ледяного покрова часто приводит к мору рыб.

2. Состав подземных вод, поступающих в водоемы

Если проследить годовой цикл гидрологической жизни боль­ шинства рек нашего Союза, можно заметить, что, за ’исключени­

ем весенних и осенних паводков и кратковременных дождей

большой интенсивности, все остальное время открытый сток не играет существенного значения в питании реки. Расход воды в

реке поддерживается подземными запасами грунтовых вод и болот. Грунтовые воды в зависимости от почвы и геологических напластований определяют собой солевой состав речной воды.

Среди растворимых в воде солей обязательно присутствуют бикарбонаты — соли щелочно-земельных металлов кальция и магния.

Бикарбонаты присутствуют в грунтовых водах благодаря на­

личию в них углекислоты, образующейся в результате контак­ та воды с почвенным воздухом, обогащенным углекислотой.

Присутствие в воде углекислоты приводит к образованию из

распространенных в естественных условиях карбонатов каль­ ция растворимых в воде бикарбонатов кальция. Реакция эта в известных случаях обратимая

7

чается почти исключительно в форме бикарбоната закиси Fe(HCO3)2. Попадая в открытый водоем, это соединение разла­

Следует отметить наличие в подземных водах марганца в ви­ де закиси МпО и бикарбоната Мп(НСО3)2.

Грунтовые воды выносят с собой продукты распада органи­ ческих веществ, как, например, азот в форме нитратов, нитри­ тов и аммиака, фосфор в виде фосфатов, серу в виде сульфатов.

Нитратный азот в летнее время усваивается планктоном и водными растениями, успевающими тем полнее освободить во­ ду от нитратов, чем богаче флора открытого водоема и чем вы­ ше температура воздуха и воды.

Анализы воды показывают, что количество нитратного азота в течение вегетационного периода в открытых водоемах ничтож­ но. Для рек центрального района зимнее нарастание нитратно­ го азота начинается обычно с половины октября, причем макси­

мальное содержание его обычно бывает в феврале — марте. Как уже указывалось, присутствие в речной воде свободной

углекислоты вызывается притоком грунтовых вод; кроме того, углекислота образуется в придонных слоях за счет распада ор­

ганических веществ. В течение гидрологического лета в водое­ мах пышно развиваются бентос и планктонная флора, потребля­ ющие углекислоту часто настолько интенсивно, что свободной углекислоты не хватает. Происходит распад бикарбонатов с вы­

делением углекислоты.

Солевой состав подземных вод в значительной степени за­ висит от геологических условий бассейна стока. Так, например, для питания р. Оки существенное значение имеют весьма мощ­ ные водоносные пески меловой системы и девонские трещино­ ватые известняки, почему значительная часть плотного остатка

реки и составляют щелочные земли: СаО (32%) и МяО (8,9%). Повышенное содержание магнезии в подземных водах, при­

текающих в р. Москву, объясняется присутствием в районе Мо­ жайска каменноугольных известняков, содержащих значитель­ ное количество магнезии.

Состав подземных вод в сильной степени зависит иногда и от характера почв прилегающего бассейна. Так, для р. Оки весьма характерным является высокое содержание нитратов,

что объясняется развитием черноземных и лёссово-черноземных

почв. Там, где почвы тощие, количество нитратов резко сокра­ щается.

Пример изменения состава воды в водоеме

Ниже приводятся физико-химические анализы воды (поме сячные) р. Москвы, как типичного представителя рек централь­ ного района Союза (табл. 2). Эти анализы подтверждают поло­ жения, высказанные нами ранее.

8