img-090539

и более растворимого гипса CaS04 • ЮН20 (в Аральском море). Ме­ тодика расчета количества солей, выпадающих в осадок в солонова­ том озере, разработана недостаточно. Значение этой составляющей было учтено М. Н. Тарасовым при подсчете солевого баланса оз. Балхаш (табл. 8.6).

Озеро Балхаш является весьма сложным оригинальным водным объектом. Как всякое бессточное озеро в пустыне, 1>алхаш должен быть соленым, поэтому довольно низкая минерализация его вод представляется на первый взгляд парадоксальной. По выражению академика JI. С. Берга, оз. Балхаш — это географический парадокс. Расчеты показывают, что современные значения солености могли быть достигнуты в течение нескольких десятков лет, в то время как возраст озера исчисляется тысячелетиями. Однако озеро продолжа­ ет оставаться преимущественно пресным и только его восточная часть является солоноватой. Разгадка этого явления заключается в особенностях конфигурации озера. Необычайно длинная береговая линия Балхаша сравнительно с его площадью изрезана многочис­ ленными заливами. Как в прошлом, так и в настоящее время эти заливы играют роль опреснителей; некоторые из них отчленились и превратились в соляные озера. На Каспии аналогичную роль до со­ оружения дамбы выполнял залив Кара-Богаз-Гол.

Озеро Балхаш представляет собой наглядный пример хорошо выраженной неоднородности ионного состава, формирующейся под воздействием ряда факторов, из которых ведущее значение имеет климат. Главный источник водного питания озера — р. Или — впа­ дает в его западную часть, которая содержит пресную и слабо соло­ новатую воду. Начиная от устья р. Или и далее к северо-востоку под действием испарения минерализация озерной воды беспрерывно увеличивается и на протяжении 600 км возрастает в семь раз.

Как видно из приведенных формул химического состава, мине­ рализация воды в западной части Балхаша 1,5 %о, в восточной — 5,1 %о. Минерализация растет за счет увеличения концентрации хлоридов и сульфатов, а относительное содержание гидрокарбона-

Таблица 8.6

Солевой баланс оз. Балхаш (средние годовые значения за 1931—1956 гг.)

тов кальция при этом уменьшается, то есть в результате пересыще­ ния водного раствора Са(НС03)2 происходит выпадение из раствора карбонатов, по-видимому, в форме кальцита СаС03.

Соляные минеральны е озера территории СНГ распространены в полосе степей Азово-Черноморского побережья и Прикаспия, в по­ лупустынях Средней Азии, Казахстана, на пустынно-степных про­ сторах Западной Сибири и Забайкалья. Соляные озера делятся на три класса: содовые (или карбонатные), сульфатные, хлоридные.

1. Содовые, или карбонатные, озера. Характерным для этого типа озер является наличие соды (NaHC03, Na2C03), полностью от­ сутствующей в остальных типах озер. Кроме соды в рассолах кар­ бонатных озер содержатся также поваренная соль (NaCl) и серно­ кислый натрий (табл. 8.7). В летнее время вследствие испарения рапы в содовых озерах могут осаждаться сода, поваренная соль и тенардит (безводный сернокислый натрий). Зимой ввиду сильного охлаждения рапы осаждаются другие соли: десятиводная сода

(Na^Og • ЮН20) и мирабилит (Na2S04 • ЮН20).

Природные содовые образования являются экономически вы­ годным источником добычи соды. Однако содовые минеральные озера в природе встречаются редко. Они известны в Казахстане, За­ падной Сибири, Бурятии и Читинской области.

2. Сульфатные озера. Химический состав этого класса озер ха­ рактеризуется высоким содержанием сернокислых солей натрия и магния (Na2S04, MgS04) (табл. 8.8). В летнее время в этих озерах может происходить садка тенардита, мирабилита и астраханита

(Na2S04• MgS04 • 4Н20).

Садка солей на сульфатных озерах при резком континентальном климате происходит главным образом в осенне-зимнее время, при­ чем мирабилит садится только при низких температурах. Рапа сульфатных озер имеет горько-соленый вкус. Это наиболее распро­ страненный в природе тип соляных озер. К нему принадлежат пре­ имущественно озера с речным соленакоплением (Ажбулат в Приир-

Таблица 8.7

Химический состав ( % о ) рассолов содовых озер (карбонатный тип)

тышье, Карасор в Центральном Казахстане, Аралсор и Аралтюбесор в Прикаспийской низменности). К сульфатному типу принад­ лежал до сооружения дамбы и залив Кара-Богаз-Гол. Озера рас­ сматриваемого типа представляют практический интерес для добы­ чи сульфата натрия (мирабилит, тенардит), а также поваренной соли.

3.Х лоридны е озера. В составе рапы этих озер преобладают хло­

риды натрия и магния; иногда содержится много хлористого каль­ ция (СаС12). Отличительной особенностью химического состава озер хлоридного типа является присутствие в их рапе хлоридов каль­ ция. Озера такого типа встречаются редко. На территории СНГ они имеются в Прикаспийской низменности (оз. Баскунчак) и в других районах (табл. 8.9). К этому же классу относится Мертвое море. Из озер хлоридного типа добывается в основном поваренная соль.

По происхождению соляные озера делятся на две группы: 1 ) озера морского происхождения и 2) озера материкового, или континентального, происхождения. К первым относятся озера, отшнуровавшиеся от моря, являющиеся бывшими заливами, бухта­ ми, лиманами и т. д. Соленакопление в них идет либо за счет концентрирования морской воды, проникающей в озеро через узкие

горловины, либо путем фильтрации морской воды через песчаные перемычки, которые отделяют озера от моря. Уровни этих озер вследствие испарения обычно ниже уровня моря. Такие озера встречаются в Крыму и в прибрежной полосе Каспийского моря.

Ко второй группе относятся озера, котловины которых образо­ вались на суше. Стекающие в континентальные бессточные озера воды ручьев, речек и дождевых потоков вносят в них массу солей. Кроме того, солевое питание может идти за счет грунтовых вод, вы­ ходящих в виде ключей на дне озерной котловины. Поверхностные и подземные воды заимствуют соли из почв и горных пород посред­ ством их растворения и выщелачивания. Подавляющее число соля­ ных озер на территории стран СНГ относится ко второй группе.

Для образования соляных озер необходимы следующие условия: 1 ) сухой климат пустыни и полупустыни, где относительная влаж­ ность воздуха очень мала, осадки незначительны (не более 100— 200 мм в год), а испаряемость велика; 2) наличие областей водно­ солевого питания или в виде моря, или значительных площадей водосбора, сложенных разнообразными породами; 3) наличие дос­ таточно крупных изолированных бессточных водоемов, куда посту­ пают воды, но откуда убыль влаги совершается только через испа­ рение.

Важно отметить, что соляное самосадочное озеро представляет собой месторождение особого рода, в котором накопление солей со­ вершается непрерывно, и поэтому при оценке этих месторождений следует принимать во внимание не только запасы солей в озере, но и скорость восстановления запасов.

8.3. Х имический с о с т а в в о д в о д о х р ан и л и щ

К водохранилищам относятся искусственные водоемы, характе­ ризующиеся слабой проточностью. Важной особенностью водохра­ нилищ является также то, что управление запасами воды в них осуществляется с помощью специальных инженерных сооружений (подъемных щитов, насосных станций и др.).

Водохранилища отличаются от прудов и своими объемами. В США к водохранилищам относят водоем, регулируемая емкость которого превышает 6,1 млн. м3 (5 тыс. акрофутов). В большинстве стран Западной Европы, как и в нашей стране, обычно к водохра­ нилищам относят искусственные водоемы с объемом воды более 1 млн м3. Водоемы, имеющие меньший полезный объем, называют прудами.

В настоящее время на территории стран СНГ имеется около 4000 водохранилищ с объемом более 1 млн м3, что составляет 13 % общего числа и 20 % суммарного объема всех водохранилищ мира.

Наибольшее количество крупных водохранилищ сооружено в рай­ онах Восточной Сибири и Дальнего Востока (Братское, Краснояр­ ское, Иркутское и др.)- В мире сейчас уже создано около 2500 крупных водохранилищ, объем которых превышает 100 млн м3.

Водохранилища систематизируются по различным признакам: генезису, географическому положению, размерам, конфигурации, глубине, термическому режиму, водообмену и т. д. Важными клас­ сификационными признаками являются также гидрохимический и гидробиологический режимы водохранилищ.

А. Б. Авакян и В. А. Шарапов по генетическому признаку вы­ деляют: 1 ) водохранилища в долинах рек, перегороженных плоти­ нами (в том числе расположенные на временных водотоках); 2) за­ регулированные озера (озера-водохранилища); 3) наливные водо­ хранилища; 4) водохранилища в местах выхода грунтовых вод и в карстовых районах; 5) водохранилища, созданные в прибрежных участках моря и эстуариях (отделенные дамбами).

Во всем мире наибольшее количество водохранилищ располо­ жено в долинах рек, перегороженных плотинами. Из них самое большое по площади — Вольта (Гана) — 8480 км2, а по объему — Братское (Россия) — 169,3 км3. Запасы воды 20 наиболее крупных водохранилищ на территории стран СНГ представлены в табл. 8.10. Подавляющее большинство водохранилищ характеризуется водами с невысокой и умеренной минерализацией. Только в аридных об­ ластях возможно увеличение минерализации вод до 10—15 %о.

Гидрокарбонатные воды преобладают в водохранилищах лесной зоны и лесостепи, сульфатные — в южной части лесостепи и в степ­ ной зоне, хлоридные и хлоридно-сульфатные — в полупустынях. М. А. Фортунатов разработал классификацию водохранилищ по степени окрашенности воды на примере водохранилищ Волжского каскада (табл. 8.1 1 ).

Известно, что цветность воды обусловлена наличием в ней орга­ нических веществ преимущественно растительного происхождения (гуминовые, фульвокислоты и др.). В целом химический состав вод водохранилищ зависит в первую очередь от состава вод рек, напол­ няющих и питающих эти водохранилища. После заполнения водо­ хранилищ могут происходить изменения в составе вод. Установле­ ние динамического равновесия вследствие уменьшения скорости перехода в воду органических веществ из затопленной почвы и рас­ тительности после заполнения водохранилища зависит от физикогеографических условий территории, на которой создано водохра­ нилище. Пример представлен на рис. 8.8. В наименьшей степени изменяются общая минерализация вод и соотношения между глав­ ными ионами.

После заполнения водохранилищ через определенный период времени наступает физико-химическое равновесие, которое может

Таблица 8.10

Запасы воды в наиболее крупных водохранилищах на территории стран СНГ (по К. П. Воскресенскому)

нарушиться в результате сезонных колебаний притока речных вод (для крупных водохранилищ), а также вследствие воздействия дру­ гих факторов — поступления грунтовых вод и вод со склонов водо­ хранилища, выпадения осадков на площадь зеркала водохранили­ ща, потери воды за счет инфильтрации и испарения, ледообразова­ ния, расходования воды на хозяйственные нужды. Влияние пере­ численных факторов в большей степени сказывается на водохрани­ лищах с малым объемом воды. Например, за счет ледообразования минерализация воды некоторых мелководных водоемов Северного Кавказа, по данным И. М. Кореновской, в отдельные годы к концу зимы может увеличиться на несколько десятков процентов. По ре­ зультатам исследования П. П. Воронкова на Рыбинском водохра­ нилище минерализация льда составляет около 20 % минерализа­ ции воды, из которой он образовался. По данным Н. А. Амиргалиева, минерализация льда на двух водохранилищах, сооруженных на р. Ишим, была следующей: в Вячеславском водохранилище 72— 115 мг/л, в Сергиевском водохранилище 46,9—71,0 мг/л; минера­ лизация подледной воды составляла соответственно 421—424 и 549—656 мг/л. Амиргалиевым установлено, что в процессе ледооб разования из воды переходило в ледовый покров первого водохра­ нилища 22,0 %, второго — 9,7 % солей, содержащихся в воде. От­ ношение минерализации льда к минерализации исходной воды тем выше, чем меньше минерализация исходной воды.

Неравномерно распределение минерализации и по толщине льда. Так, минерализация поверхностных слоев льда на Боткин­ ском водохранилище в 3,3 раза, а на Камском — в 8 раз больше, чем в нижних слоях. При этом сверху вниз увеличивается относи­ тельное содержание хлоридных ионов и уменьшается содержание

гидрокарбонатных ионов. М. И. Кривенцовым и М. Н. Тарасовым (1976) предложена эмпирическая формула зависимости минерали­ зации льда от минерализации воды:

где 1 ил — минерализация льда (в среднем по всей толще); £ив — минерализация воды водоема перед началом ледообразования.

Степень изменчивости состава вод водохранилищ зависит также от физико-географических условий территории, на которой оно создано. Если водохранилище находится в зоне избыточного ув­ лажнения и имеет постоянный сток, изменения в химическом со­ ставе его вод незначительны (водохранилища Рыбинское, Клязь­ минское, Ивановское и др.).

Если водохранилище создано в аридной зоне, изменения в со­ ставе вод могут быть более заметными. Зарегулирование стока рек Казахстана — р. Ишим (Вячеславское, Сергиевское водохранили­ ща) и р. Тобол (каскад из пяти водохранилищ) — привело к замет­ ным изменениям в их гидрохимическом режиме: к снижению ми­ нерализации и сглаживанию ее резких внутригодовых колебаний, изменению соотношения между главными ионами (Н. А. Амиргалиев). Каскадное расположение малых водохранилищ в условиях аридной зоны наиболее глубоко отразилось на режиме фосфатов — существенно изменилась форма миграции фосфора. Вниз по каска­ ду происходит не только рост концентрации общего фосфора, но и увеличение доли растворенного фосфора, что связано с осаждением взвешенных веществ в последовательно расположенных водохра­ нилищах (табл. 8.12 ).

Важную роль в изменении химического состава воды играет ис­ парение с поверхности водохранилищ, а также процессы вымыва­ ния солей из почв и пород, выстилающих ложе водохранилищ. В аридных зонах земного шара с поверхности водохранилищ может испаряться слой воды до 2000 мм/год. Характерным примером яв­ ляются водохранилища Африки. Здесь из семи крупнейших водо-

хранилищ (Насер, Кариба, Кабора, Басса, Вольта, Каинджи, Косу) ежегодно испаряется объем воды, равный 35 км3. Это почти равно объему такого крупного водохранилища, как Волгоградское

(31,45 км3).

В водохранилищах северных областей скорости перехода в воду минеральных и органических веществ невелики и динамическое равновесие не наступает иногда несколько десятилетий (рис. 8.9).

Определим характер изменения во времени состава вод водо­ хранилищ при их создании.

Выделение органических и биогенных веществ из остатков за­ топленной растительности обычно носит затяжной характер. Об­ щую массу этих веществ (М ) можно описать функцией времени (t) с помощью выражения

где Морг — максимальное значение общей массы органических и биогенных веществ, которая может перейти в воду, кг; k — кон­ станта скорости разложения остатков затопленной растительности, 1 /год.

Константа скорости разложения затопленной растительности пропорциональна среднегодовой температуре, то есть ее значение для аридной зоны будет больше, чем для зоны избыточного увлаж­ нения. Соответственно для северных областей значение константы скорости разложения будет минимальным.

Основываясь на уравнении (8.10), определим изменение общей массы органических и биогенных веществ в водохранилище в еди­ ницу времени как сумму:

веществ, выделяющихся из остатков затопленной растительно­ сти — /гМорге-*';

веществ, поступающих с водосбора (Qc), с осадками (Qp), от ан­ тропогенного воздействия (Qa); (Qcp + QP + QJ;

стока из водохранилища, с объемным расходом воды (Qw).

£орв

Рис. 8.9. Схема установления динамического равно­ весия Соргв водохранилищах после их заполнения в зависимости от физико-географических условий

/ — аридные области; I I — зоны избыточного увлажнения;

I I I — северные области

Аналогично тому, как это сделано в уравнении (8.13), для опре­ деления изменения концентрации органических и биогенных ве­ ществ в водохранилище по Сорг запишем уравнение интегрального баланса масс в единицу времени. Преобразовав его для единицы объема воды, получим неоднородное дифференциальное уравнение 1 -го порядка:

где V — объем водохранилища; Sp — разность между значениями массы органических и биологических веществ (Сорг), образующихся и разрушающихся в единицу времени.

Решением этого уравнения будет выражение, определяющее изменение концентрации органических и биогенных веществ в воде водохранилища во времени:

Для определения момента времени, соответствующего макси­ мальной концентрации органических и биогенных веществ в водо­ хранилище, продифференцируем полученное выражение для Сорг и приравняем результаты дифференцирования к нулю. Преобразовав уравнение (8.19), получим:

In( ( V / Q M

\ - Q . / v ' (8'20)

Изменение Сорг во времени показано на рис. 8.9. Более пологая кривая (III) соответствует меньшей скорости разложения остатков затопленной растительности, то есть более северным районам соз­ дания водохранилища. Соответственно в более северных районах момент времени максимальной концентрации Сорг наступит позже, то есть tMaKc/ < <MflKC/; < <макс ///■ При этом соотношение констант будет следующим: К , > К „ > К ,и .

Смешение в водохранилищах речных вод с разной минерализа­ цией приводит к осреднению химического состава воды. После со­ оружения каскада днепровских водохранилищ, по наблюдениям А. И. Денисовой, амплитуда колебания концентрации главных ио­ нов сократилась — нижний предел увеличился, а верхний умень­ шился.

Изучение баланса поступающих и убывающих химических ин­ гредиентов водохранилищ на Днепре показало, что в суммарном