3.2 Факторы формирования химического состава природных вод

Химический состав вод необходимо учитывать при водоснабжении, строительстве гидротехнических сооружений, проведении мелиоративных работ, производстве различных видов промышленной продукции.

Вопросы формирования химического состава природных вод, требования к качеству воды рассматриваются в работах многих авторов, в каждой из которых, в той или иной мере, представлены отдельные фрагменты этой актуальной темы.

Факторы, определяющие формирование химического состава поверхностных вод, могут быть разделены на две основные группы. К первой группе относят прямые факторы, непосредственно воздействующие на воду (т.е. действие веществ, которые могут обогащать воду растворимыми соединениями, или, наоборот выделить их из воды): горные породы, почвы, живые организмы, а также деятельность человека [5].

Ко второй группе относятся косвенные факторы, определяющие условия, в которых происходит взаимодействие веществ с водой: климат, рельеф, водный режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр.

Породы. Выделяют несколько групп пород по особенностям их воздействия на воду: соли, более или менее растворимые в воде; изверженные и метаморфические породы; глинистые породы.

Растворимые соли в земной коре представлены главным образом хлористыми, сернокислыми и углекислыми соединениями натрия, калия, кальция и магния. Это преимущественно соли морского происхождения, содержащиеся в осадочных породах: прежде всего каменная соль, гипс, известняки, различные карбонатные соединения кальция и магния переменного состава – мергели и доломиты. Кроме того, на поверхности земли и вблизи нее имеется немало солей континентального происхождения: гипс, галит и др. Значительная часть солей находится в глубинных пластовых водах, горных и почвенных растворах.

По растворимости сульфатные и особенно хлористые соли натрия, калия, кальция и магния могут быть отнесены к легкорастворимым в отличии от карбонатных солей кальция и магния. Легкая растворимость хлористых и сернокислых солей обуславливает их вымывание из почв из самых верхних слоев пород в зонах достаточного увлажнения.

Изверженные и метоморфические породы составляют основную часть земной коры, но в коре выветривания занимают сравнительно небольшой объем. Большинство изверженных пород – это алюмосиликаты и продукты их разрушения. Основными породообразующими минералами являются полевые шпаты и слюды. По степени разложения алюмосиликатов процесс выветривания делят на два этапа: каолиновое выветривание, при котором в алюмосиликатах, в основном сохраняются связи алюминия с кремнием и образуются многочисленные разновидности глинистых минералов, и аллитное выветривание, при котором образуются оксиды и гидрооксиды (бокситы, опал, кварц и др.).

Глинистые породы составляют большую часть осадочных пород. По происхождению глины связаны с химическим выветриванием алюмосиликатов, поэтому основной массой глин являются глинистые минералы, в частности, группы каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др. Кроме того, в них встречаются разные синтетические минералы и в менее тонких фракциях – различные обломочные зерна, входивщие в алюмосиликатную породу (кварц, полевые шпаты, слюды).

Глины характеризуются плохой проницаемостью, поэтому вымывание из них солей всецело связано с условиями контакта породы с водой. Вымывание солей при непосредственной фильтрации через глину практически ничтожно, но оно возрастает при переходе к суглинкам и супесям.

Почвы. Основное отличие почвы от породы заключается в том, что в ее состав помимо минеральных компонентов, являющихся главной массой почв, входят органические и органо-минеральные составляющие. Различие компонентов почвы, степени их дисперсности и характера продуктов разложения веществ, зависящее от климатических, литологических и некоторых других условий, создает весьма большое разнообразие типов почв. Все это определяет многообразное влияние почв на формирование химического состава природных вод. Почвы зоны избыточного увлажнения (подзолистые, дерновые, бурые, серые лесные), где их толща промывается до грунтовых вод, слабо обогащают фильтрующиеся через них атмосферные осадки, особенно хлористыми и сернокислыми солями. Тундрово-глеевые и болотные почвы, питающиеся почти исключительно атмосферными осадками, также мало обогащают ионный состав фильтрующейся воды, но сильно обогащают ее органическими веществами, концентрация которых часто превышает концентрацию растворенных минеральных веществ.

В областях с сухим климатом почвы промачиваются в кратковременный (весенний) период выпадения атмосферных осадков лишь на небольшую глубину. Такие почвы (каштановые, бурые, пустынно-степные и др.) содержат сухие кристаллические соли, почвенный раствор их имеет значительную концентрацию, а вода, образующаяся в период кратковременного стока, обладает повышенной минерализацией [5].

Почвенный раствор и фильтрующиеся через почву атмосферные осадки способны усиливать растворение пород и минералов. Это одно из важнейших свойств почвы, влияющие на формирование состава природных вод, является результатом увеличения концентрации диоксида углерода в почвенном растворе, выделяющегося при дыхании живых организмов и корневой системы в почвах и биохимическом распаде органических остатков.

Вследствие этого концентрация CO2 в почвенном воздухе возрастает от 0,033%, свойственных атмосферному воздуху, до 1% и более в повенном воздухе (в тяжелых глинистых почвах концентрация СО2 в почвенном воздухе достигает иногда 5-10%, придавая тем самым раствору сильное агрессивное действие по отношению к породам).

Другим фактором, усиливающим агрессивное действие фильтрующейся через почву воды, является органическое вещество – почвенный гумус, образующийся в почвах при трансформации растительных остатков. В составе гумуса в качестве активных реагентов прежде всего следует назвать гуминовые и фульвокислоты и более простые соединения, например, органические кислоты, амины и т.п. Почвенный раствор, обогащаясь гуминовыми кислотами СО2, во много раз ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов, содержащихся в почвах.

Деятельность человека. Деятельность человека приводит к заметным изменениям химического состава природных вод. Общеизвестно, что минерализация речных вод в густонаселенных районах возрастает, особенно при зарегулировании стока и развитии орошения в сельском хозяйстве. Сбросы сточных вод промышленных предприятий, животноводческих комплексов могут привести к изменению химического состава природных вод за очень непродолжительный период времени [5].

Климат. С климатическими условиями связано направление движения почвенных и грунтовых растворов вблизи поверхности земли. От климатических характеристик также зависят условия взаимодействия воды с породами, процесс выветривания горных пород, тип почвообразования и растительности и характер разложения последней, что в свою очередь влияет на формирование минерализации воды. Огромно влияние такой важнейшей климатической характеристики, как температура воздуха, пород, почвы и природных вод данной местности, так как известно, что скорость химических реакций изменяется в 2-3 раза при изменении температуры на 10˚С. Климатические условия определяют не только количество, но и характер атмосферных осадков, их распределение в течение года, условия многолетней мерзлоты, с чем тесно связан гидрохимический режим природных вод на поверхности земли и вблизи нее. На минерализацию и состав малорастворимых веществ влияет и замерзание воды. В аридном климате на минерализацию поверхностных и грунтовых вод решающее влияние оказывает так называемое испарительное концентрирование.

Рельеф. Рельеф местности косвенно влияет на минерализацию воды, способствуя вымыванию солей из толщи пород. Глубина эрозионного вреза реки облегчает поступление в реку более минерализованных грунтовых вод нижних горизонтов. Этому не способствуют и другие виды депрессий (речные долины, балки, овраги), улучшающие дренирование водосбора. Это особенно существенно для горных условий. Горы, с одной стороны, непосредственно влияют на минерализацию воды благодаря увеличению поверхности контакта воды с породами, а с другой – обуславливают вертикальную климатическую зональность, направление воздушных масс и различие освещенности склонов. Рельеф, влияя на скорость стекания воды, определяет время ее контакта с почвами и породами, скорость фильтрации через них и возможность заболачивания.

В областях с аридным климатом рельеф выступает в качестве одного из ведущих факторов формирования химического состава природных вод. Если бессточная котловина собирает поверхностный сток и одновременно дренирует подземные воды (является местом их разгрузки), то вследствие высокой испаряемости в котловине образуются соленые и самоосадочные озера. Если дно бессточной котловины лежит выше уровня грунтовых вод и в то же время она аккумулирует поверхностные воды, то при достаточной проницаемости пород, слагающих ее дно, котловина может явиться «областью питания» грунтовых вод и под ее дном сформируется линза пресных солоноватых вод.

Положительные формы рельефа являются местами рассоления, а отрицательные – засоления. При расчлененном рельефе на водораздельных участках поверхностные воды пресные, а в пониженных – соленые.

Водный режим. Химический состав воды рек зависит от времен наступления половодья, его продолжительности, характере их питания. На изменение химического состава воды рек влияет также и их протяженность, которая определяет различие гидрологического режима отдельных частей реки, наличие притоков и др.

Изменения, происходящие в течение года в характере питания, интенсивности инсоляции, испарении, интенсивности биологических процессов, создают непрерывное изменение химического состава воды во времени – в течение года и даже суток. Степень этого изменения у различных типов водных объектов зависит от их размера и ряда других условий, особенно заметно и быстро проявляясь, например, у небольших рек.

Взвешенные вещества. Ввиду того, что взвешенные наносы являются продуктом механической эрозии, протекающей на водосборе, их состав близок к составу почв и пород, слагающих водосбор. Наиболее высокодисперсные их частицы диаметром 0,05 мм и менее обладают теми же обменными свойствами, что и почвы и породы, из которых образовались взвешенные вещества. Поэтому в воде взвешенные вещества несколько изменяют свой состав по сравнению с составом материнских почв и пород. Этому способствуют и такие внутриводоемные процессы как распределение наносов в потоке по крупности и плотности и как следствие этого в какой-то степени и по минералогическому составу.

Взвешенные наносы при осаждении частично увлекают за собой продукты окисления органических веществ, гидроксиды металлов, некоторые загрязняющие вещества, чем также способствуют в некоторой степени изменению химического состава воды [5].