4.3 Ионный состав речных вод

Ионно-солевой состав воды отражает геохимическую обстановку среды и, следовательно, происходящие в ней процессы. Как известно, минерализацию природных вод не менее чем на 90-95% образуют гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды. Значительную роль играют кремнеземные и нитратные соединения. Гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды натрия, кальция, магния относятся к числу главных компонентов химического состава природных вод. В период до 1965 г в р. Томи от верховья к устью отмечается повышение минерализации при переходе реки на высокогорной зоны Кузнецкого Алатау в Кузнецкую котловину. Характерной особенностью гидрохимического режима реки в период межени является явно выраженное увеличение минерализации от верховья к устью на 20-25%. В период весеннего половодья вода маломинерализованная, сумма ионов составляет 32-78 мг/л. В летне-осеннюю межень минерализация вод увеличивается до 100-104 мг/л, в зимнюю межень - до 128-238 мг/л. Во все фазы водного режима вода в реке имеет хорошо и резко выраженный гидрокарбонатный характер с преобладанием иона Cа²⁺ в составе катионов. Относительное содержание аниона НС0₃^- в период весеннего половодья составлет 30-40 % - экв, а в межень достигает 40-48% - экв. В катионном составе преобладает ион Са²⁺ , составляюший во время половодья 20-36 %-экв, в межень - 28-36 % -экв. Содержание иона SO₄^2- в течение года в основном изменяется от 3 до 16 мг/л, что составляет 1-7 %-экв. Содержание Сl изменяется от 0.2 до 7.0 мг/л (0.4-6.0 %-экв), Mg ²⁺ варьирует от 1 до 19 мг/л, что соответствует 5-19 %-зкв.

Представление о происходящих изменениях в солевом составе воды рек за ряд лет на основе экспериментального материала является основой для оценки фоновых изменений в бассейне [3].

Нами был рассмотрен ионно-солевой состав вод р. Томи на основе минерализации по пункту г. Кемерово 12 км в городе 1 км в.п. Металлплощадка за 1989 г. Минимальная величина минерализации была отмечена 25 мая – 7,40 мг/л, максимальная – 1 марта – 275,0 мг/л. Уменьшение концентрации наблюдается во время половодья, то есть происходит разбавление за счет большого объема воды, и наоборот увеличение концентрации наблюдается во время летней и зимней межени за счет малых расходов воды (Прил. А, Рис. 1). Связь минерализации и расходов воды представлена на рис. 3 (Прил. В). Также были рассмотрены концентрации солевого состава р. Томи в пункте г. Междуреченска 1 км ниже города за 1985 г. График зависимости расхода воды и концентраций солевого состава представлен на рис. 9 (Прил. В).

4.4 Содержание биогенных веществ

Концентрация и режим биогенных элементов, содержащихся в реках, изучен по сравнению с ионным составом значительно хуже. Это объясняется сложностью их определения, которое необходимо выполнить вскоре после взятия проб воды из реки, что далеко не всегда возможно по техническим условиям. Содержание биогенных элементов в природных водах связано с процессом создания и разложения органических веществ в природных водах. Поэтому в реках особенности режима биогенных элементов всецело связаны с жизнедеятельностью фотосинтезирующих организмов. Именно она обуславливает сравнительно малую концентрацию биогенных элементов в реках, которая меняется в течение года соответственно интенсивности процесса фотосинтеза.

К биогенным элементам в природных водах относятся азот, фосфор и кремний в различных соединениях. Они имеют особое значение в развитии жизни в водоемах. Азот и фосфор являются обязательными составными частями тканей каждого живого организма. Их роль в природных водах аналогична роли азотных фосфорных удобрений для сельскохозяйственных культур, без них не могли бы развиваться и водные растения, а следовательно, и животные. В свою очередь концентрации биогенных элементов и их режим целиком зависят от интенсивности биохимических и биологических процессов, происходящих в водоемах. Выделение этой группы до некоторой степени условно, так как в жизненных процессах, происходящих в природных водах, участвует и ряд других элементов (Са, Mg, К и др.).

Азот содержится в природных водах в виде ряда неорганических и большого числа разнообразных органических соединений.

Из неорганических соединений в воде содержатся аммоний­ные NH₄, нитритные NО₂ и нитратные NО₃ ионы. Сходство их генезиса и возможность взаимного перехода одного в другой заставляют рассматривать их совместно [1].

В органических соединениях азот находится главным обра­зом в составе белка тканей организмов и продуктов его распада, образующихся как при отмирании самих организмов, так и при распаде продуктов их жизнедеятельности. Органические соеди­нения, содержащие азот, присутствуют в воде в самых различ­ных формах: взвесей (остатки организмов), коллоидов и раство­ренных молекул, образовавшихся при биологических процессах и биохимическом распаде остатков организмов.

Неорганические соединения азота (нитраты, нитриты, аммо­ний) совершенно необходимы для жизни растений как питатель­ные вещества. Они усваиваются растениями в процессе фотосин­теза и входят в состав тканей их организмов, а если этими растениями питаются животные, то и в состав животных орга­низмов. При интенсивном развитии водных растений неоргани­ческий азот может быть полностью извлечен из воды. В этом случае дальнейший рост растений приостанавливается.

Соединения фосфора. В природных водах растворенный фосфор присутствует в виде неорганических и органических соединений (органический фосфор), причем последние находятся как в растворенном, так и в коллоидном состоянии. Кроме того, фосфор находится в воде в виде взвесей также неорганического (взвеси, содержащие апатиты, фосфориты и др.) и органического (остатки организмов) происхождения.

Кремний является постоянным компонентом состава природных вод. Этому способствует, в отличие от других компонентов, повсеместная распространенность соединений кремния в горных породах, и только малая растворимость последних объясняет малое содержание кремния в воде. Формы соединений, в которых находится кремний в растворе, еще не совсем ясны, они весьма многообразны и меняются в зависимости от минерализации, состава воды рН. Часть кремния находится в истинно растворенном состоянии в виде кремниевой кислоты и поликремневых кислот.

Режим кремния в поверхностных водах до некоторой степени сходен с режимом соединений азота и фосфора, однако кремний никогда не лимитирует развитие растительности [1].

При изучении годовых показателей азота в р. Томи в створе г. Междуреченска за 1985 г. максимальная концентрация была зафиксирована 15 апреля – 0,95, минимальная – 3 июля (0,15). В период зимней и летней межени наблюдаются повышенные концентрации азота, что связано с малыми расходами воды. Во время половодья концентрации уменьшаются, за счет поступления большого объема воды, происходит разбавление (Прил. А, рис. 2). График зависимости концентрации расхода воды и концентрации азота имеет два хода и представлен на рис. 14. По данному створу был также рассмотрены годовые показатели содержания фосфора в воде. Минимальная концентрация отмечена в апреле, мае – 0,005, максимальная – 1 августа (0,011). Возрастание концентрации фосфора начинается в период половодья, достигает своего пика в начале летней межени и постепенно уменьшается, это можно объяснить залповыми выбросами предприятий (Прил. А, рис. 2).

В створе г. Кемерово (1989 г) наблюдалось содержание суммарного азота. Максимальная концентрация зафиксирована 1 ноября – 3,44 мг/л, минимальная – 16 августа (0,90 мг/л). В период зимней межени наблюдаются сравнительно низкие концентрации суммарного азота, в период половодья концентрация возрастает, что можно объяснить залповыми выбросами предприятий. Во время летней межени концентрации уменьшаются с последующим возрастанием, что связано с малыми расходами воды (Прил. А, Рис. 1). Связь расхода воды и концентраций суммарного азота представлена на рис. 8, приложения В. График имеет два хода, объясняемые антропогенными факторами (сброс бытовых, промышленных сточных вод).