Гидрохимия атмосферных осадков

Гидрохимия рек

 

Можно отметить ряд особенностей рек, от которых зависит химический состав речных вод и гидрохимический режим:

 

  1. Быстрая смена воды в русле, что приводит к ограниченному времени взаимодействия с породами и незначительной испаряемости;
  2. Формирование состава воды в самых поверхностных, хорошо промытых слоях земной коры;
  3. Сильное влияние климатических и погодных условий на водный режим рек;
  4. Хорошее взаимодействие воды с атмосферой;
  5. Интенсивное воздействие на воду растительных и животных организмов.

 

По указанным причинам речные воды характеризуются:

- малой минерализацией,

- быстрой изменчивостью,

- присутствием газов атмосферного происхождения.

 

По величине минерализации речные воды делятся на следующие группы:

- очень малой минерализации (до 100 мг/л)

- малой минерализации (до 200 мг/л),

- средней минерализации (200-500 мг/л),

- повышенной минерализации (500-1000 мг/л),

- высокой (>1000 мг/л).

 

Большинство рек земного шара имеют малую и среднюю минерализацию. Для них более типичен следующий порядок расположения ионов:

НСО3- > SO42- > CI-

И

Ca2+ + Mg2+ > Na+ + K+.

В России такие воды развиты на севере европейской части и на большей территории азиатской части (Восточная Сибирь и Дальний Восток), что обусловлено залеганием почв тундры, бедных солями.

Значительно меньше распространены воды средней минерализации. Они занимают среднюю полосу европейской части зоны лесов и лесостепей РФ.

Еще меньшую площадь занимают бассейны рек с водами повышенной минерализации (в основном на Юге европейской части РФ в зоне лесостепей, они дренируют типичные черноземы, залегающие, как правило, на карбонатных породах).

Реки имеют три типа питания:

- поверхностные воды,

- подземные воды

- атмосферные осадки.

В течение года их удельное значение в водном балансе рек колеблется, поэтому меняется минерализация и химический состав речных вод. Снеговые, дождевые воды, воды горных снежников и ледников в основном маломинерализованы. Воды, вытекающие из болот, так же маломинерализованы, но содержат много органических веществ гумусового происхождения, окрашивающих ее в желтый или даже коричневый цвет. Поэтому при увеличении поверхностного стока минерализация речной воды падает, а при увеличении грунтового питания – возрастает. Минерализация минимальна во время половодья и паводков, а в межпаводковые периоды (зимняя и летняя межень) – максимальна.

Гидрохимический режим рек определяется не только типом питания, но и совокупностью физико-географических факторов, таких как

- рельеф,

- климат,

- выветривание,

- почвенный покров.

Поэтому у рек, находящихся в разных физико-географических условиях, режим неодинаков.

Алекин О.А. провел систематизацию типов гидрохимического режима рек, основанную на двух принципах:

1) характера изменения минерализации воды в течение года;

2) преобладающего вида анионов в составе воды.

По характеру внутригодовых изменений минерализации рек (сумма ионов) Алекин установил 6 типов гидрохимического режима:

1. Восточноевропейский (В)

2. Казахстанский (К)

3. Сибирский (С)

4. Дальневосточный (Д)

5. Черноморский (Ч)

6. Тянь-Шанский (Т)

 

Состав преобладающих ионов (2-ой признак) в течение года определяется

- почвенно-геологической обстановкой

- гидрологическими условиями.

При наличии трех возможных классов (С, S, CI), Алекин О.А. называет 7 возможных случаев комбинаций ионов речных вод:

 

С С, S С, S, CI С, CI S CI S, CI

 

Сочетание шести разновидностей изменения минерализации с семью видами возможных смен классов воды в течение года можно получить 42 типа гидрохимического режима рек.

Тип Класс
Вост.-европ.              
Казахстанстан.              
Сибирск.              
Дальневосточ.              
Черноморск.              
Тянь-Шанск.              

 

 

Наиболее распространены

 

Распространены

 

Маловероятны

Остальные либо возможны, либо малораспространены.

Речные воды характеризуются неоднородностью химического состава. Она наиболее сильно выражена по длине реки, в меньшей степени – по ширине и редко – по глубине. Неоднородность обусловливают следующие факторы:

- впадение притоков

- поступление грунтовых вод

- неодновременная смена вод разного происхождения в русле реки по ее длине.

 

Сглаживают эти факторы:

-турбулентность течения

русловое регулирование.

Неоднородность состава воды по длине водотока хорошо выражена у рек с большой протяженностью, текущих в меридиональном направлении и пересекающих территории с различными физико-географическими условиями. Представителем такой реки является Волга. По химическим особенностям она делится на 3 части:

- Верхняя (до впадения р. Оки)

- Средняя (от устья р. Оки до устья р. Камы)

- Нижняя (от устья р. Камы и ниже).

!. В верховьях Волга имеет небольшую минерализацию и значительное количество органического вещества, так как формируется в условиях избыточного увлажнения.

2. После впадения р. Оки увеличивается минерализация за счет сульфатных ионов, так как

- в нижнем течении р. Ока дренирует пермские гипсоносные отложения;

- питание Волги осуществляется за счет сульфатных подземных вод

- правые притоки Волги (реки Сура и Свияга) более минерализованы.

3. После впадения р. Камы увеличивается содержание хлорида натрия.

Неоднородность состава воды по ширине наблюдается реже, чем по длине. Примером опять является р. Волга. Вследствие значительной ее ширины, небольшой глубины, малой скорости течения вода притоков не успевает перемешиваться. В результате создается неоднородность состава воды у берегов.

Из биогенных компонентов в речных водах присутствуют соединения азота и фосфора. Соединения азота представлены ионом NO3-, так как воды рек хорошо аэрированы и ионы NH4+ и NO2- неустойчивы. Минимальное содержание NO3- в вегетационный период, так как водные растения поглощают ион NO3-. Максимальное содержание NO3- - осенью и зимой в результате разложения органического вещества и перехода азота их органической формы в минеральную.

Режим фосфатов в реках сходен с нитратами. Их концентрация имеет минимум в вегетационный период.

Что касается кремния, те его содержание увеличивается в зимний период при усилении грунтового питания.

Органическое вещество рек представлено в основном гуминовыми соединениями, которые придают воде бурую окраску.

Окисляемость минимальна в зимнее время, когда реки питаются подземными водами, и максимальна весной, так как из болот и почв поступает большая масса органических соединений.

Наибольшая цветность воды в реках таежной зоны, где расположены торфяные болота и заболоченные леса. В лесостепной зоне цветность ниже. Наименьшая цветность – в засушливых степных районах.

От присутствия органического вещества в реках зависит содержание Fe. Например, его много в северных районах, что обусловлено образованием органических комплексов с гумусовыми веществами. Но иногда высокое содержание железа обусловлено грунтовым питанием.

Режим растворенных газов в речных водах зависит от деятельности живых организмов. Наибольшее значение имеют два газа: О2 и СО2. Максимальное содержание кислорода весной и летом при отсутствии ледяного покрова обусловлено фотосинтетической деятельностью водных растений. Минимальное содержание кислорода – зимой, так как он интенсивно расходуется живыми организмами. Кроме того зимой возрастает роль грунтового питания, а грунтовые воды бедны кислородом.

Диоксид углерода ведет себя по-другому. Максимальное содержание СО2 – зимой подо льдом, в результате различных окислительных процессов, в том числе дыхания организмов. Много СО2 дают грунтовые воды. Минимальное содержание – летом, так как СО2 расходуется на фотосинтез.

Ионы Н+ для различных речных вод колеблются в пределах 6,5 и 8,5. В водах Северных рек рН ¯, а в водах Южных рек рН­. Зимой рН¯, так как увеличивается содержание СО2 (Н2СО3). Летом рН­, так как уменьшается содержание СО2.Особенно низкое значение рН у рек с болотным питанием.

 

Гидрохимия атмосферных осадков

 

Формирование поверхностных и подземных вод начинается еще в атмосфере. Но атмосферные воды наименее изучены в химическом отношении, так как отличаются изменчивостью своего состава во времени и пространстве. Поэтому оперируют обычно средне-годовыми значениями компонентов, указывая экстремальные значения.

 

Ион Минимальное Среднее Максимальное
CI- 0,1-0,6 0,8-3,4 5,9-8,5

 

Из всех типов вод самая низкая минерализация у атмосферных осадков. Их средняя минерализация составляет от 10 до 30 мг/л на Севере и увеличивается до 60 мг/л на Юге.

Они отличаются и характером преобладающих ионов:

- чаще, чем другие воды характеризуются соотношением

SO42- > HCO3- > CI-

- обогащены биогенными элементами: К+? NH4+, NO3-.

Минеральный и ионный состав носят зональный характер.

По преобладающим ионам выделяют 6 основных групп атмосферных вод (по преобладающим ионам):

1. CI- и Na+; 2. SO42- и Na+; 3. SO42- и Сa2+;

4. SO42-, HCO3- и Сa2+; 5. HCO3- и Сa2+; 6. HCO3- и Na+;

Значение рН атмосферных осадков всегда меньше 7,0 (5,0-6,0). Но иногда наблюдаются очень низкие значения (4,6). Дело в том, что при рН=5,7 СО2 дистиллированной воды находится в равновесии с СО2 атмосферы. А понижению рН до 4,6 способствует присутствие в атмосфере NO2 и SO2.

Содержание солей в атмосферных осадках находится в прямой зависимости от запыленности и в обратной – от суммы выпадающих осадков.

Химический состав вод облаков изучен мало в связи с трудностью пробоотбора. Но по мере промывания атмосферы осадки по химическому составу приближаются к облачным водам.

Рассмотрим факторы, влияющие на химический состав осадков:

Главным источником минеральных химических веществ атмосферных осадков являются аэрозоли или так называемые ядра конденсации. Аэрозоли – это пылевидные минеральные частицы коры выветривания, высокодисперсные агрегаты растворимых солей, мельчайшие капли газовых растворов (SO2, HCI и т.д.), частицы дыма, органические вещества, мельчайшие организмы и их остатки (споры, микробы и т.д.). Размеры аэрозолей весьма разнообразны, но не превосходят 20 мк (2.10-3 см).

На химических состав атмосферных осадков влияют:

1. Морские акватории. Между сушей и морем происходит солеобмен, в результате чего осадки суши содержат примесь морских солей(например, много хлорид-иона), а осадки над морем содержат примесь континентальных солей. Влияние морей зависит от климатических условий побережья: аридный климат способствует кристаллизации солей из моря и миграции их в сухом виде в глубь континента.

2. Почвы и горные породы (почвенно-геологический фактор). Почва – главный источник обогащения атмосферы аэрозолями. Минерализация, ионный состав, рН атмосферных осадков зависит от типа почв. Торфянисто-тундровые, болотные и подзолистые почвы бедны солями, поэтому обогащают атмосферу органическим веществом. Черноземы и каштановые почвы отдают больше солей. Солончаки и солонцы очень интенсивно снабжают атмосферу растворимыми солями (сульфатами, хлоридами). Влияние горных пород на атмосферу осуществляется через почву, так как минеральный состав почв определяется подстилающими их породами (материнскими). Если горные породы выходят на поверхность, то они подвергаются дефляции (развеванию), в особенности рыхлые отложения: глины, суглинки, лесс.

3. Вулканические извержения.В этом случае вещества поступают в атмосферу из глубинных очагов литосферы. В формировании ядер конденсации участвует. Атмосферные осадки вулканических районов характеризуются низким значением рН и высоким содержанием SO42- - ионов. А если вулкан действующий - то высоким содержанием CI- - ионов.

4. Рельеф (физико-географический фактор). Сумма осадков увеличивается с высотой местности, а содержание компонентов в них, наоборот, уменьшается. Т.к. в верхних слоях атмосферы содержится мало аэрозолей.

5. Гидрографическая сеть.(Наличие рек, озер, прудов, водохранилищ). Чем больше этих объектов, тем меньше уровень конденсации, более интенсивное развитие кучевой облачности и меньше минерализация осадков.

 

Гидрохимия озер

 

Минерализация и химический состав озер определяется степенью их проточности.По этому признаку выделяют три группы озер:

1. Проточные, у которых есть поверхностный или подземный приток и отток. Они характерны для зоны избыточного увлажнения. Это пресные озера. Минерализация озер примерно равна минерализации притоков.

2. Бессточные, у которых есть приток, а отток отсутствует или играет незначительную роль в балансе. Они формируются в засушливых климатических условиях, имеют высокую минерализацию, относятся к соленым озерам. В них происходят процессы минералообразования, отчего состав радикально меняется.

3. Промежуточного типа (временно сточные). У них отток осуществляется лишь в отдельные сезоны года (весной). Распространены в областях недостаточного увлажнения. Их минерализация выше, чем минерализация притоков. Относятся к солоноватым.

О.А. Алекин делит озера по минерализации воды на 3 группы:

- пресные – общая минерализация до 1 о/оо;

- солоноватые - до 25 о/оо;

- соляные - более 25 о/оо.

Пресные озера.

Порядок распределения в них главных ионов зависит от минерализации:

Минерализация, о/оо Распределение анионов Распределение катионов
Менее 1 HCO3- > SO42- > CI- Ca2+ > Mg2+ > Na+ + K+
1 – 3 SO42- > HCO3- > CI- Na+ + K+ > Mg2+ > Ca2+
3 - 5 SO42- > CI-> HCO3-

 

Большинство пресных озер по химическому составу являются гидрокарбонатными кальциевыми (Байкал, Ладожское, Онежское и т.д.). Гидрокарбонаты и сульфаты озер вовлекаются в биологический круговорот.