Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования "Горно-Алтайский государственный университет"

(ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, ГАГУ)

Географический факультет

Кафедра физической географии

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Особенности формирования химического состава и минерализации поверхностных вод высокогорной части бассейна реки Катунь

Климова Оксана Сергеевна

Горно-Алтайск 2011

Содержание

Введение

Глава 1. Физико-химические процессы в гидросфере

1.1 Состав природных вод и ее аномальные свойства

1.2 Основные процессы формирования химического состава природных вод

1.2.1 Процессы растворения газов

1.2.2 Процессы растворения твердых веществ

1.2.3 Жесткость воды

1.2.4 Кислотно-основное равновесие

Глава 2. Природные условия формирования ионного стока и гидрохимическая изученность территории высокогорной зоны бассейна р. Катунь

2.1 Физико-географическое описание бассейна Катуни

2.2. Гидрологические особенности территории бассейна р. Катунь

2.3 Особенности формирования химического и минерального состава речных вод высокогорной зоны

2.3.1 Химический состав и минерализация воды рек высокогорной зоны

2.3.2 Минерализация и химический состав воды рек в период весенне - летнего половодья

2.3.3 Особенности распределения химического состава воды рек в период летней и зимней межени

2.3.4 Антропогенное влияние на химический состав воды рек в высокогорной зоне бассейна р. Катунь

2.3.5 Полевые исследования 2007-2009гг

2.3.6 Прогноз изменений химического состава и минерализации в бассейне р. Катунь

Заключение

Список литературы

Введение

река катунь сток минерализация

Актуальность. Гидрохимический сток служит важным показателем функционирования природно-территориальных комплексов, характеризующим перемещение и трансформацию веществ и энергии в водосборных бассейнах. В связи с этим знание величины гидрохимического стока, общих закономерностей его формирования и пространственно-временных изменений является необходимым условием выявления механизмов и масштабов взаимодействий между компонентами природной среды и объективной оценки геоэкологического состояния территорий. От того, насколько полными и точными будут эти знания, во многом зависит не только эффективность отдельных водоохранных мероприятий, по и направление природоохранной деятельности в целом.

Значительный вклад в решение проблемы определения гидрохимического стока, выявления условий его формирования под воздействием природных и антропогенных факторов внесли О.А. Алекин, Р.А. Бернер, Е.В. Веницианов, В.И. Вернадский, Ю.И. Винокуров, В.В. Гордеев, Р.Г. Джамалов, В.П. Зверев, Г.С. Коновалов, А.П. Лисицын, М. Мейбек, С.Д. Муравейский, A.M. Никаноров, Е.В. Посохов, B.C. Савенко, A.M. Черняев, СЛ. Шварцев и другие. Тем не менее, эта проблема еще далека от решения, в том числе в средней части бассейна р. Обь [Шварцев, Савичев, 1997; Винокуров и др., 2000; Земцов, 2004]. Недостаток достоверной информации о современном гидрохимическом стоке и его природно-аптропогенной трансформации в последние десятилетия негативно сказывается на всем процессе управления водными ресурсами данной территории, а следовательно, и социально-экономическом развитии региона, что определило цель, объект и методы рассматриваемых исследований.

Цель работы состоит в оценке гидрохимического стока рек бассейна Средней Оби, выявлении и анализе его природно-антропогенной трансформации. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи: 1) оценка средиемпоголетнего суммарного водного стока, его подземной составляющей и выявление их долгосрочных изменений; 2) оценка среднемиоголетнего химического состава речных и подземных вод и выявление его пространствен! ю-временпых изменений; 3) оценка нормы суммарного гидрохимического стока, его подземной составляющей и выявление их долгосрочных изменений; 4) анализ условий формирования гидрохимического стока и оценка его природно-аптропогеппой трансформации.

Объект и методы исследований. Объектом исследований является бассейн р. Обь па участке от устья р. Томь, включая водосбор последней, до устья р. Иртыш (преимущественно -- в пределах Томской и Кемеровской областей). Выбор объекта обусловлен напряженной геоэкологической ситуацией на данной территории, отсутствием или дефицитом достоверных сведений о современном химическом составе речных вод, гидрохимическом стоке, условиях его формирования и закономерностях пространственно-временных изменений. Выполненное исследование базируется на бассейновом подходе и широком использовании географо-гидрологического, ландшафтно-геохимического, статистических методов и методов математического моделирования гидрохимических процессов.

Исходные материалы. Использованы данные многолетних гидрометрических (с 1895-1936 гг. по 2003 г.), гидрогеологических (с 1965-1976 гг. по 2003 г.) и гидрохимических (с 1937-1950 гг. по 2005 г.) наблюдений в бассейне р. Обь, проводимых Росгидрометом, Томским политехническим университетом (ТПУ), Томским филиалом Института геологии нефти и газа (ТФ ИГНГ) СО РАН и государственным предприятием Территориальный центр "Томскгеомониторипг" (ТЦ "Том-екгеомониторипг"), включая материалы, полученные в последних трех организациях в течение 1993-2005 гг. при непосредственном участии автора. Кроме того, учитывались опубликованные данные Института водных и экологических проблем (ИВЭП) СО РАН, Томского государственного университета (ТГУ) и ряда других организаций. Помимо гидрохимических и гидрометрических материалов широко использовались водохозяйственные данные территориальных подразделений Министерства природных ресурсов России и Администрации Томской области.

Личный вклад в решение в проблемы. Защищаемые положения разработаны и сформулированы лично автором в процессе работы в ТПУ, ТФ ИГНГ СО РАН и ТЦ "Томскгеомоииторинг" в результате проведения научных исследований в бассейне р. Обь и государственного мониторинга поверхностных водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений на территории Томской области. Ряд результатов, имеющих в данной работе вспомогательный характер и касающихся получения гидрохимической информации, изучения проблем водопользования и колебаний водного стока, получен совместно с д.г.-м.н. С.Л. Шварцевым, д.г.-м.н. Н.М. Рассказовым, к.г.м.н. В.А. Льготиным, к.г.-м.н. Ю.В. Макушиным, д.г.н. В.А. Земцовым, к.г.н. В.В. Паромовым, к.б.н. В.А. Базановым и некоторыми другими специалистами.

Защищаемые положения:

1. На основе данных количественной оценки суммарного и подземного гидрохимического стока в бассейне Средней Оби показано, что распределение по рассматриваемой территории гидрохимического стока и соотношения его поверхностной и подземной составляющих в целом подчиняется зональным закономерностям изменений интенсивности водообмена и условий взаимодействий в системе "вода-порода".

2. В результате совместного анализа многолетних изменений химического состава природных вод, водного стока и уровенного режима грунтовых вод установлено, что с 1970-х гг. до начала 2000-х гг. норма суммарного годового гидрохимического стока в бассейне Средней Оби остается неизменной, а отклонения от нее связаны в основном с колебаниями водности; в то же время, происходит постепенное изменение внутригодового распределения гидрохимического стока за счет увеличения его подземной составляющей.

3. Большая часть гидрохимического стока в бассейне Средней Оби, представленная макрокомпонентами и трудноокисляемыми органическими веществами по величине ХПК, формируется в результате действия природных факторов; главной особенностью его природной трансформации является постепенное увеличение стока органических веществ вследствие прогрессирующего заболачивания водосборной территории.

4. Антропогенная трансформация гидрохимического стока в течение 19702000-х гг. в основном проявляется в поступлении в речную сеть высокотоксичных техногенных органических микропримесей, увеличении выноса углеводородов, легкоокисляемых органических веществ по БПК5, неорганических соединений азота, микроорганизмов и связана, прежде всего, с загрязнением атмосферного воздуха и неорганизованным поступлением веществ с урбанизированных территорий.

5. Любое внешнее воздействие на химический состав речных вод в бассейне Средней Оби, включая сбросы стоков, является нелинейным, а резкое и относительно долгосрочное увеличение концентрации какого-либо вещества в воде возможно только при существенном одновременном увеличении концентраций большинства основных компонентов химического состава вод, что обычно возможно только на локальных участках и/или в течение непродолжительного интервала времени.

Научная новизна. Впервые на основе бассейнового подхода и комплексного анализа обширной гидрохимической, гидрометрической и гидрогеологической информации выполнено определение современного суммарного и подземного гидрохимического стока Средней Оби и ее притоков, выявлены закономерности его пространственно-временных изменений, получена цельная и объективная картина современного эколого-геохимического состояния природных вод на территории с площадью около 500 тыс. км2. На основе предложенного автором комплекса взаимосвязанных методик количественно оценен вклад наиболее важных факторов в формирование гидрохимического стока на рассматриваемой территории, установлены и охарактеризованы основные тенденции и причины его природно-аптропогенной трансформации в 1970-2000-е гг., в значительной мере связанные с протекающими на рассматриваемой территории болотными процессами, долгосрочными изменениями водного режима, неорганизованным антропогенным поступление веществ с урбанизированных территорий и загрязнением атмосферного воздуха. В результате региональных обобщений гидрохимической и водохозяйствепной информации и математического моделирования гидрохимических процессов впервые представлен механизм поддержания относительно стабильного химического состава речных вод и гидрохимического стока. Показано, что сброс сточных вод в Среднюю Обь и ее притоки по сосредоточенным выпускам оказывает заметное влияние на состояние водных объектов обычно на локальных участках и существенно уступает по степени воздействия другим антропогенным и природным факторам. На примере рек региона впервые обоснованы зависимости между гидрохимическими показателями и интенсивностью водообмена, использование которых позволяет объективно оценить "фоновый" уровень содержания веществ в речных водах, сложившийся в конкретных природио-антропогенных условиях.

Практическое значение работы. Материалы исследований использовались при ведении государственного мониторинга состояния водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений на территории Томской области (ТЦ "Том-скгеомониторинг", контракты № 13 от 07.06.2002, №4 от 11.02.2003, № 1/03 от 30.06.2003) и решении вопросов, связанных с оценкой существующего и допустимого антропогенного воздействия на водные объекты, прогнозом изменений состояния водных объектов в процессе выполнения научно-исследовательских работ по 24 проектам, в том числе по 17 темам, где автор являлся ответственным исполнителем. Среди последних необходимо отметить следующие темы: "Доработка федеральной целевой программы "Коренное улучшение водохозяйственной и экологической обстановки в бассейне р. Томи"" (ТФ ИГНГ СО РАН, № 31/96), "Анализ качества поверхностных и подземных вод в бассейне р. Томи. Оценка воздействия строительства Крапивинского гидроузла на подземные воды" (ТФ ИГНГ СО РАН, № 5-2000), "Разработка территориальной программы рационального использования, восстановления и охраны водных объектов Томской области до 2010 года" (ТЦ "Томскгеомониторинг", № 20 от 03.09.2002 г.). Кроме того, результаты работы использовались при разработке "Временных методических указаний по проведению расчетов фоновых концентраций веществ в болотных водах и предельно допустимых сбросов (ПДС) вредных веществ в болота со сточными водами" (введены в действие на территории Томской области приказом по ГУПРиООС № 0533/з от 23.07.2003 г.), а также в процессе ведения учебных занятий в ТПУ.

Апробация работы и публикации. Материалы по диссертационной теме докладывались и обсуждались па 19 международных и российских научных конференциях, проходивших в гг. Томске (1995-1998, 2000, 2001, 2003, 2004 гг.), Новосибирске (1995 г.), Красноярске (1997 г.), Москве (1998 г.), в том числе российской научной конференции "Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов" (г. Томск, 2000 г.), XXVII Пленуме Геоморфологической комиссии РАН (г. Томск, 2003 г.), международной научной конференции "Фундаментальные проблемы современной гидрогеохимии" (г. Томск, 2004 г.). По теме диссертации опубликовано 96 работ, включая одну монографию и два учебных пособия. Основные результаты приведены в 33 работах, в том числе в 20 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК России.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 470 наименований общим объемом 391 страница машинописного текста, содержит 67 рисунков, 100 таблиц и 3 приложения.

Актуальность работы. Химический состав поверхностных и подземных вод является отражением биогеохимической эволюции распределения химических элементов и в качестве первостепенных задач гидрохимических исследований определены: "…- изучение пространственных закономерностей изменения гидрохимических параметров поверхностной гидросферы Земли и влияния антропогенных факторов на гидрохимическую зональность; исследование энергоактивных зон поверхности Земли на гидрохимические процессы" (Никаноров, 2004).

Сохранение качества подземных и поверхностных вод и их рациональное использование без ущерба для окружающей среды является актуальным, особенно в области гидрогеоэкологии. Установлено, что поверхностная вода Катуни, как в Республике Алтай, так и за её пределами, используется для питьевого водоснабжения, поэтому особое значение в решении проблем гидрогеологии принадлежит качеству природных вод и эффективности их использования. Важность этого становится особенно актуальной в последние десятилетия, когда качество вод используемых для водоснабжения, стало ухудшаться, что ведет к ухудшению и всей окружающей среды.

В связи с этим в работе уделено внимание выявление закономерностей геохимического состояния вод региона и особенностям формирования их состава под воздействием различных факторов.

Цель работы заключается в определении особенностей формирования химического состава и минерализации поверхностных вод высокогорной части бассейна реки Катунь.

Задачи:

1. Изучить физико-химические процессы в гидросфере,

2. Описать природные условия формирования ионного стока и гидрохимическая изученность территории высокогорной зоны бассейна р.Катунь,

3. Провести анализ полевых данных.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Алтай (Грант № 09-05-98009) материалы дипломной работы используются в отчёте по Гранту, а также отдельные главы в учебном процессе ГАГУ.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме докладывались на региональных конференциях.

Для исследования качества вод в процессе работы были отобраны пробы воды по высокогорной и среднегорной части территории Республики Алтай.

В качестве оценочных параметров были выбраны: содержание гидрокарбонат-иона, общая минерализация (Ca⁺², Mg⁺², (K ⁺+Na⁺), Cl^-, SO₄^-2) и биогенные элементы.

Отбор и анализ проб воды осуществлялись согласно требованиям НТД. Гидрохимический анализ производился на базе Горно-Алтайского госуниверситета (ГАГУ).

Глава 1. Физико-химические процессы в гидросфере

Вода - самый ценный из всех наших ресурсов. Чтобы выжить, человеку требуется по крайней мере 1,4 л воды в день. Без гидросферы не было бы жизни на Земле.

Гидросфера - прерывистая водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, континентальных вод и ледяных покровов. Их общий объем достигает 1,5 млрд. км³. Это и есть водный потенциал нашей планеты.

Основная масса воды на Земле - соленая (96,4%), пресной воды в жидком и твердом состоянии всего 3,6%. Чаще под водными ресурсами понимают только ресурсы пресной воды. Основная часть пресных вод на суше заключена в зоне многолетней мерзлоты, в покровных и горных ледниках, в подземных водных горизонтах либо находится в атмосфере в виде водяного пара. Поэтому в основном все ориентируются на ту воду, которая находится в озерах, водохранилищах, подземных водоносных горизонтах и в руслах рек.

Эти водные ресурсы могут быть статическими и возобновляемыми. Статические, - та часть, которая практически не меняется от года к году, поэтому ее использование запрещено. Составляют стратегический резерв человечества воды в болотах плохого качества.

Поэтому, можно расходовать только возобновляемые ресурсы пресной воды. К ним относятся частично озера, водохранилища, неглубокие подземные водоносные горизонты и реки. Реки - наиболее привлекательный источник, поскольку возобновляются быстрее всего (вода в реках планеты полностью обновляется в среднем за 16 суток). Но этот ресурс содержит всего лишь 1,8% от всего объема пресной воды гидросферы.

Предпосылки для природного дефицита воды есть т.к. объем речных вод не очень велик. К тому же распределены они по странам и регионам неравномерно. Причем даже при большом их объеме дефицит возможен. Это зависит от площади страны, численности ее населения, географического положения, а также внутригодового распределения стока воды.

Что касается дефицита на конкретном участке суши, то он может быть постоянным или временным. Хотя объем воды на Земле - величина практически постоянная, обмен водными массами между океаном и сушей не всегда сбалансирован.

Водные ресурсы зависят не только от климата, но также от размеров континента и рельефа местности. Постепенно растущее население и его хозяйство создали новый тип дефицита воды - техногенный. Ведь постепенно нарастал объём безвозвратного использования (человек забирал всё больше воды, которая не возвращалась в реку или озеро). Больше становилось сточных вод, которые ухудшали качество воды и ограничивали её использование в дальнейшем или ниже по течению реки. Когда растут население и производство, даже при неизменности местных возобновляемых ресурсов пресной воды постепенно возникает её техногенный дефицит.

Конечно, не везде он одинаково тяжёл - это зависит от плотности населения и экономической специализации регионов. К 2000 году на всей Земле люди использовали 5190 км³ речных вод в год (или 12,4% от ежегодно возобновляемых ресурсов). Главные потребители воды - сельское хозяйство и промышленность. На сельское хозяйство, (по данным И.А.Шикломанова) идёт больше всего воды (60%), причём главные её потери связаны с испарением при орошении. На промышленность уходит 23% всей потребляемой воды, а коммунальное хозяйство забирает не так много - около 11%. Но в абсолютном выражении цифра получается внушительная.

Техногенный дефицит воды можно и нужно преодолевать с помощью разных технологий водосбережения. Этот процесс уже начался. Создавались менее водоемкие производства, внедрялись оборотные и повторные системы использования воды в производственных операциях, капельное орошение в сельском хозяйстве и многое другое. Всё это дало свои плоды - темпы прироста водопотребления уменьшились (при этом в абсолютных цифрах объём ещё нарастает). В сельском хозяйстве эффективные подземные капельные системы орошения также резко снизили расходы воды и получили урожайность с гектара. В России пока что самые высокие затраты воды на производство единицы сельскохозяйственной продукции.

Если смотреть в будущее, то дефицит воды в разных регионах планеты будет зависеть от изменений климата. Специалисты, по сути, сходятся в том, что проблема обострится там, где и сейчас есть трудности с водой и не хватает местных ресурсов. Наоборот, там, где воды в изобилии, её станет ещё больше. Ожидается, что в нашей стране к середине XXI века из-за повышения температуры воздуха (и увеличения испарения) произойдёт довольно сильное изменение водных ресурсов. Оно будет пропорционально изменению коэффициента сухости, то есть отношение максимально возможного слоя испарения к слою осадков. В результате уменьшится водоносность рек, расположенных южнее широты Воронежа. На севере европейской территории, наоборот, водные ресурсы возрастут.

В любом случае проблема нехватки воды в разных регионах будет решаться в зависимости от причин ее возникновения и местных возможностей. Оценка обеспеченности страны водными ресурсами - дело многогранное и сложное. Единого критерия не существует, поскольку степень обеспеченности зависит от многих факторов: природных условий, численности городского и сельского населения, развития промышленности и особенно от масштабов орошаемого земледелия, которое является самой водоемкой отраслью хозяйства.

Что касается природных условий водности, то из сказанного выше и приведенных карт элементов водного баланса, главным образом полного и подземного стока в реки, мы видим, что разных местах суши они колеблются практически от нуля (в пустыне) до нескольких тысяч миллиметров в год.

1.1 Состав природных вод и ее аномальные свойства

С физико-химической точки зрения подземные воды представляют собой водные растворы, состоящие из воды и растворенных веществ. Существует ряд различных представлений о структуре воды и водных растворов.

Структура молекулы воды. С современных позиций форму молекулы воды Н₂О можно представить в виде электронного облака (рис. 1.а.): атом кислорода расположен в его центре, а два атома водорода с положительными зарядами - в противоположных углах нижней грани условного куба. Угол между электронными орбиталями атомов водорода составляет 104,27°. Расстояние между атомами кислорода и водорода равно приблизительно 0,96 нм. Известно, что атом кислорода имеет восемь электронов: два электрона находятся вблизи его ядра, два связываются в молекуле воды с атомами водорода, а две неподеленных пары электронов образуют ветви, протягивающиеся к углам верхней грани куба. Структуру молекулы воды можно представить в виде тетраэдра (рис. 1.б.), в центре которого находится ядро атома кислорода, на двух вершинах - положительно заряженные атомы водорода и на двух других вершинах - по два неподеленных электрона. Молекула воды чрезвычайно устойчива, так как атомы кислорода и водорода связаны между собой ковалентно (Н-О). указанное распределение положительного и отрицательного зарядов в молекуле воды обуславливает больший дипольный момент молекулы воды, что имеет важное значение при взаимодействии молекул между собой и с растворенными веществами.



Рис. 1. Молекула воды

Каждая молекула воды взаимодействует с четырьмя молекулами в вершинах электронных орбиталей (или в вершинах условного тетраэдра) путем электростатического взаимодействия между водородом одной молекулы и неподеленной пары электронов другой молекулы (О-Н - - - О). таким образом возникают водородные связи между молекулами воды, энергия которых составляет ~ 1 кДж/г, а длина связи (расстояние между атомами кислорода двух соседних молекул) - 0,3 нм.

Межмолекулярные структуры воды. Водородные связи между молекулами воды и возникающие пространственные структуры молекул определяют межмолекулярную структуру воды, которая и служит одной из причин ее аномальных свойств. Наиболее простой структурой обладает газообразная вода, состоящая преимущественно из мономеров, т.е. одиночных молекул Н₂О. чтобы превратить воду в газ (пар) при 100 °С, требуется затратить 2,26 кДж/г, при этом разрываются все водородные межмолекулярные связи. Ионную структуру имеет лед. В ней каждый атом кислорода молекулы воды находится в центре тетраэдра, образуемого четырьмя атомами кислорода соседних молекул (рис. 2). При этом каждая молекула воды соединена водородными связями с четырьмя ее ближайшими соседями, находящимися в вершинах тетраэдра: две связи Н-О направлены в сторону неподеленных пар электронов атома кислорода у двух соседних молекул, образуя две водородные связи О - - - Н-О.



Рис. 2. Ионная структура льда

И каждая неподеленная пара электронов атома кислорода направлена к связям Н-О двух других соседних молекул воды, образуя еще две водородные связи. О - - - Н-О. таким образом, структура льда представляет собой тетраэдрическую ажурную решетку. Расстояния между атомами кислорода в этой решетке больше размера единичной молекулы (приблизительно 0,3 и 0,1 нм), что обуславливает наличие пустот и каналов. При таянии льда и последующем повышении температуры такая "льдистая" структура постепенно разрушается и наряду с частично сохранившимся каркасом появляются неупорядоченные молекулы воды, которые могут заполнить пустоты. При этом энергии затрачивается значительно меньше, чем при испарении воды, так как разрушаются не все межмолекулярные связи (не более 20%). Следовательно, в такой воде с температурой около 0 °С в основном сохраняется льдоподобная структура.

Ажурная решетка льда при его плавлении уплотняется за счет заполнения пустот молекулами воды, которые трансляционно (скачкообразно) перемещаются из прежнего положения равновесия в каркасе, вследствие этого плотность жидкой воды увеличивается. Эти взгляды хорошо объясняют аномальное свойство льда - его меньшую плотность по сравнению с жидкой водой. На структуру жидкой воды в настоящее время нет единой точки зрения [Эйзенберг, Кауцман, 1975]. Существуют различные ее модели - модель малых агрегатов молекул воды, модель пустот, смешанные модели разновидностей молекулы воды, модель льдоподобных кластеров, "мерцающих" кластеров и другие. Большое внимание в последние годы привлекает искаженных водородных связей, в соответствии с которой в жидкой воде, как и во льду, сохраняется тетраэдрический порядок в расположении молекул и наблюдается лишь небольшое изменение расстояний между молекулами воды (или их радиуса). Считается, что модели искаженных водородных связей находятся в согласии с большинством известных экспериментальных данных о структуре воды.

1.2 Основные процессы формирования химического состава природных вод

Разнообразие химического состава подземных вод вызывает необходимость их систематизации. С этой целью предложены ряд классификаций и множество способов наглядного изображения химического состава вод (графики, формулы, коэффициенты и т.п.).

В настоящее время наиболее распространено выражение химического состава воды в виде формулы Курлова. Она представляет собой псевдодробь, в числителе которой представлены анионы в порядке убывания их содержания, а в знаменателе - катионы. Слева от дроби даются название характерного газа и его содержание, специфические компоненты и минерализация воды. Формула Курлова была предложена в 1928 г. и после этого претерпела некоторые изменения. Наиболее рациональным является вариант этой формулы, предложенный И.Ю. Соколовым [Резников и др., 1970]. Он заключается в следующем:

1) в левой стороне формулы записываются (в мг/л) содержание газов, а затем микрокомпонентов, если их количество превышает нормы для отнесения подземных вод к минеральным или представляет геохимический интерес;

2) далее записывается минерализация воды (М) в виде дроби: в числителе - в весовой форме (с точностью до одного десятого знака), в знаменателе - в эквивалентной форме;

3) в псевдодробь записываются в нисходящем порядке все катионы (в знаменателе) и анионы (в числителе), содержание которых составляет более 1 экв. % (с точностью до целых процентов);

4) справа от формулы записывают показатели, характеризующие состояние воды (pH и Eh), и температуру, а также перманганатную окисляемость в мг ПО/л. Для сильноминерализованных вод и рассолов в конце формулы проставляют плотность воды.

В качестве примера приведем следующую формулу:

CO₂1080М1,0/18,42pH 6,3; Eh+100mv; O_Mn2; t 40⁰C.

Формула, написана таким образом, позволяет полно отразить все важнейшие химические характеристики исследуемой воды и в случае необходимости рассчитать эквивалентное и весовое содержание выявленных ионов.

Классификации химического состава подземных вод проводят по различным признакам: величине минерализации, характерным солям, соотношению компонентов, специфическим особенностям вод и др. Широко известны графические систематизации и классификации природных вод по химическому составу: диаграмма Роджерса, циклограммы Н.И. Толстихина, классификации В.А. сулина, ьМ.Г. Валяшко, О.А. Алекина, С.А. Щукарева, нумерация Н.И. Толстихина, гидрогеохимическая система А.М. Овчинникова и др. [Кирюхин и др., 1988].

В практике гидрогеохимических исследований часто составляют гидрогеохимические карты и разрезы. При нанесении на них данных химического состава вод часто пользуются колонкой-диаграммой, кругом-диаграммой или другими изображениями химического состава вод. При этом площади, занимаемые каждым ионом, закрашиваются в соответствующие цвета.

При наличии большого количества фактического материала по химическому составу вод используют статистические методы его обработки. Для изучения зависимостей содержания отдельных компонентов от различных природных факторов применяют факторный и другие современные виды анализов.

1.2.1 Процессы растворения газов

Процессы растворения газов в природных водах подчиняются закону Генри:

C_i,p-p = K_Гi · P_i

C_i,p-p - концентрация i-й примеси в растворе моль/л.

K_Гi - константа Генри моль/(л·Па).

P_i - парциальное давление i-й примеси находящейся в газовой фазе Па.

Количество газа, растворенного в данном объеме жидкости, прямо пропорционально давлению газа (или пропорционально давлению в смеси газов). В соответствии с этим законом давление насыщения газа в данном объеме жидкости прямо пропорционально объему растворенного газа P_г = чV (где ч - бунзеновский коэффициент).

Концентрация газов в подземных водах (газонасыщенность) - это количество (приведено к 0 °С и нормальному давлению) газа, растворенного в одном объеме воды. Газонасыщенность выражается: а) в весовых единицах - число граммов или миллиграммов газа, растворенного в 1 л воды (г/л, мг/л); б) в объемных единицах - число миллилитров газа в 1 л воды (мл/л, см³/л) или число кубометров газа на кубометр воды (м³/м³). Для пересчета миллилитров газа в миллиграммы нужно объем газа (приведенный к нормальным условиям) в миллилитрах умножить на коэффициент, равный относительной молекулярной массе газа, разделенной на 22,414.

1.2.2 Процессы растворения твердых веществ

Для большинства процессов растворения твердых соединений в природных условиях изменение молярного объема не превышает 40 см³/моль. Поэтому увеличивают давление до 100 атмосфер.

lg К₁/К₂ ? 0,07

Способность воды перевести твердое вещество в раствор характеризуется показателем агрессивности.

А - показатель агрессивности, К - константа равновесия вещества, ПА - произведение активностей продуктов реакции, ПА - произведение активности реагентов.

Кроме того, показатель агрессивности часто используют для сравнения растворяющей способности природных вод; чем выше показатель агрессивности, тем интенсивнее протекает растворение данного вещества.

Показатель неустойчивости характеризует степень удаленности системы от состояния равновесия. Это показатель используют при сравнении устойчивости различных твердых веществ по отношению к одной и той же природной воде, чем выше значение показателя неустойчивости, тем данное вещество менее устойчиво. Показатель неустойчивости частично равен показателю агрессивности с обратным знаком. J = -A

1.2.3 Жесткость воды

Жесткость воды - свойство воды, обусловленное содержанием в ней ионов Ca и Mg. Единицей жесткости является моль/м³ равное числовому значению жесткости, выражаемому мг-экв/л.

Определяемую жесткость называют общей, так как в воде различают. Карбонатную жесткость - количество ионов Ca и Mg связанные с гидрокарбонат и карбонат ионами. Не карбонатную жесткость - определяется по разности общей и карбонатной жесткости. Устраняемую жесткость - жесткость, удаляемая кипячением (ее определяют экспериментально). Не устраняемую жесткость - определяется по разности общей жесткости и устраняемой жесткости.

1.2.4 Кислотно-основное равновесие

В соответствии с необходимостью соблюдения электронной правильности растворов в природных водах выполняется равенство:

[Na⁺] + [K⁺] + 2[Ca²⁺] +2[Mg²⁺] + [H⁺] = [CI^-] + [HCO₃^-] + 2[CO₃^-2] + 2[SO₄^2-]

Кислотно-основное равновесие будет определяться присутствием [HCO₃^-] и [CO₃^2-]поэтому для природных вод [Н⁺] определяется содержанием HCO₃^- и CO₃^2- при pH = 7 соблюдается равенство:

[Н⁺] = [HCO₃^-] + 2[CO₃^-2] + [ОН^-].

Карбонатное равновесие является наиболее важным в кислотно-основном равновесии.

Неорганические соединения углерода находящиеся в природных водах в виде производных угольной кислоты, тесно взаимосвязаны между собой образуя карбонатную систему в контакте с водой.

Кислотно-щелочное состояние вод. Кислотные свойства любого водного раствора определяются действием водородных ионов (H⁺), а щелочные - гидроксильных (ОН^-). Поэтому количественно степень кислотности водной среды может быть охарактеризована концентрацией или активностью иона Н⁺, а степень его щелочности - концентрацией или активностью иона ОН^-. Общие кислотно-щелочные состояния водного раствора условно характеризуются концентрацией или активностью водородных ионов, выражаемой величиной pH. Эта величина представляет собой отрицательный логарифм (он обозначается p) активности водородных ионов pH= -lga_H⁺. Необходимо подчеркнуть, что за основу количественных определений ионов Н⁺ в растворах приняты потенциометрические методы, поэтому всегда правильнее говорить, что pH - отрицательный логарифм именно активности ионов Н⁺, а не их концентрации, т.е. это величина эффективная. Для маломинерализованных вод разность между концентрацией и активностью водородных ионов не является геохимически существенной, но для минерализованных вод отождествление активности и концентрации ошибочно.

Диссоциация кислот и оснований. Способность кислот и оснований к отдаче ионов Н⁺ и ОН^- характеризуется константами диссоциации этих кислот и оснований. В связи с этим по способности снижать pH подземных вод кислоты составляют следующий ряд:

кислоты H₂SO₄ > HCI > H₃AsO₄ > HF > H₂CO₃ > H₂S > H₃BO₃ > H₄SiO₄

pK_1дис^25° -3,95 -0,71 2,26 3,17 6,34 6,99 9,18 9,58

Первая и вторая константы диссоциации многоосновных кислот обычно различаются на несколько (три-шесть) порядков, поэтому вторая ступень диссоциации гораздо меньше влияет на pH подземных вод.

Аналогично по способности повышать pH подземных вод основания составляют следующий ряд:

основания NaOH > LiOH > Ca(OH)₂ > Mg(OH)₂ > Fe(OH)₂ > NH₄OH

pK_1дис^25° -0,71 0,36 0,36 1,98 2,90 4,75

Гидролиз катионов и анионов. Вначале поясним, что такое гидролиз как химическая реакция. Реакции взаимодействия между составными частями воды Н₂О (Н⁺ и ОН^-) и растворенных веществ называют гидролизом. Геохимическая значимость реакций гидролиза заключается в том, что обменные реакции между Н⁺ и ОН^-, с одной стороны, и компонентами растворенных веществ, с другой, часто завершаются образованием слабодиссоциирующих или труднорастворимых соединений и это изменяет физико-химическую среду растворов. Можно рассматривать реакции гидролиза как:

а) взаимодействие с молекулой Н₂О солей (Na₂CO₃ + 2H₂O = 2NaOH + H₂CO₃) или ионов (СО₃^2- + H₂O = HCO₃^- + OH^-; Fe³⁺ + nH₂O = Fe(OH)_n^3-n + nH⁺);

б) взаимодействие ионов с компонентами диссоциации воды Н⁺ и ОН^-: Fe³⁺ + nOH^- = Fe(OH)_n^3-n; CaF⁺ + H⁺ = Ca²⁺ + HF.

Важность реакций гидролиза определяется тем, что они являются pH-задающими, т.е. образование слабодиссоциирующих и труднорастворимых соединений в результате гидролиза приводит к связыванию иона Н⁺ или ОН^- и их концентрации в растворах изменяются, а в результате изменяется и pH растворов. Реакции гидролиза могут быть химически обратимыми (HS^- + H₂O = H₂S + OH^-) и необратимыми Fe³⁺ + 3H₂O = Fe(OH)_3(тв) + 3Н⁺. Для геохимии подземных вод важно также, что гидролиз усиливается: а) с уменьшением минерализации природных вод и б) с увеличением их температуры.

Рассмотрим изменение pH воды в результате гидролиза анионов. Если в природном растворе присутствуют сильные катионогенные элементы (Na⁺, K⁺) и анионы слабых кислот (HCO₃^-, CO₃^2-, HS^-, H₂BO₃^-, H₃SiO₄^- и др.), то происходит гидролиз этих анионов, который сопровождается разложением воды и связыванием иона Н⁺ в слабодиссоциирующее соединение. В результате активность иона ОН^- становится больше активности Н⁺:

CO₃^2- + H₂O - HCO₃^- + OH^-;

HCO₃^- + H₂O = H₂CO₃ + OH^-;

HS^- + H₂O = H₂S + OH^- и т.д.

Константа гидролиза имеет вид:

отсюда pH в реакциях гидролиза анионов увеличивается с уменьшением константы диссоциации кислоты. Подсчитав константы гидролиза анионов слабых кислот, получим следующий ряд анионов, соответствующий их ОН^- задающей силе: S^2- > CO₃^2- > HS^- > HCO₃^- > SO₄^2-.

Интенсивность увеличения pH в результате гидролиза анионов возрастает с ростом температуры. Этому способствуют разнонаправленные явления - увеличение ионного произведения воды и уменьшение констант диссоциации некоторых кислот (H₂CO₃, H₂S и др.).

Поскольку в обычных условиях среди слабых кислот в подземных водах преобладает ион HCO₃^-, то обычно предполагается, что щелочность подземных вод создается гидролизом карбонатных анионов. На этом основано аналитическое определение концентраций карбонатных ионов в подземных водах, которые рассчитываются, исходя из титруемой щелочности подземных вод. На самом деле щелочность подземных вод обусловлена суммарным действием многих анионов слабых кислот, в том числе органических. В связи с этим можно выделять карбонатную щелочность, силикатную, боратную, сульфидную и т.д. процент карбонатной щелочности в подземных водах обычно составляет 80-90% от общей щелочности. Этот процент изменяется в зависимости от состава и минерализации подземных вод. В маломинерализованных водах, в анионном составе которых значительная доля принадлежит силикатным анионам, существенное значение приобретает силикатная щелочность; в углекислых бороносных водах - боратная; в сероводных водах - сульфидная и т.д. в последнее время установлена также важнейшая роль органических веществ в формировании щелочности подземных вод. Щелочность подземных вод, обусловленная присутствием органических веществ, может достигать 20%.

Аномальные физические свойства воды. Вода в гидрогеохимических системах существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом (лед), газообразном (водяной пар). Особое место в подземной гидросфере (при давлении в n · 100 МПа) занимает вода в надкритическом состоянии (водный флюид). Строением молекулы воды и ее уникальность как растворителя.

Растворенные в воде вещества изменяют ее структуру и свойства, заполняя пространство внутри кристаллической решетки воды. Так, электропроводность растворов обычно возрастает в десятки тысяч раз благодаря появлению в воде ионов. В соленой воде снижается температура ее замерзания: морская вода замерзает при температуре - 1,9 °С, а близкий к насыщению раствор CaCI₂ - при - 36 °С.

С увеличением температуры и давления вязкость воды уменьшается, что обеспечивает ее подвижность в глубоких водоносных горизонтах с высокими пластовыми давлениями.

Глава 2. Природные условия формирования ионного стока и гидрохимическая изученность территории

2.1 Физико-географическое описание бассейна Катуни

Река Катунь - крупнейшая водная артерия Горного - Алтая. Ее длина составляет 688 км, средний годовой расход воды - 630 м. куб./ сек, модуль стока 10,3 л/сек/км, площадь водосбора 60900 кв. км, притоков у Катуни- 6799. [Егоров,1987].

Бассейн Катуни - это преимущественно горная складчато - глыбовая страна с самыми высокими хребтами Алтая, которые поднимаются часто выше снеговой линии и изобилуют ледниками и "вечными" снегами. Относительно равнинными являются лишь нижняя часть бассейна, расположенная в предгорьях, да несколько межгорных котловин в его внутренней зоне (Уймонская, Чуйская и Курайская степи). В большинстве же для него характерна значительная контрастность высот.

В орографическом отношении бассейн Катуни необособленная горная система. Он занимает основную часть Центрального, а также западную часть Восточного Алтая [по Суслову, 1954]. Граница бассейна проходит по водораздельным хребтам, отделяющим системы Иртыша на западе и юге, от рек Китая и Монголии на юге и юго-востоке и от бассейна Бии - на востоке.

Его средняя высота - около 1700м. Большая часть площади расположена в пределах высот 1500 -2000 м. Общий же диапазон высот превышает 4000 м.

Современная морфология бассейна - следствие сложной геологической истории. С конца нижнего силура, когда среди находившегося здесь моря стали подниматься первые участки суши, и до наших дней Алтай претерпевал неоднократные поднятия, образования складок, разломы, а затем пенепленизацию и новые горообразования. В результате возникла складчато - глыбовая горная страна, облик которой потом изменили оледенение четвертого периода и последующий размыв. Вот почему здесь встречаются, наряду с изверженными на поверхность породами, отложения известняков и сланцев, а речные долины и горные склоны часто покрыты мощными слоями разрушенных горных пород. Некоторые участки Горного Алтая, в частности бассейны рек Кадрина, Эликманара, Каменки и других, имеют черты карстового ландшафта.

Почва и растительность в бассейне Катуни, как и в других горных областях, распределяются по вертикальным поясам, из которых выделяются степной, лесной и высокогорный. В зависимости от местных условий пояса имеют различную распространенность. Наблюдаются и сложные переплетения их.

Широко распространена в бассейне степная зона. Начиная от устьевой части Катуни (высоты около 150 - 200м), степной ландшафт прослеживается до высоты 2200 м. Выделяются три вида его: степи северных предгорий, горные (Уймонская, Абайская, Урсульская и другие) и высокогорные (Чуйская, Курайская). Степные почвы (от черноземов в предгорьях до каменистых почв в высокогорье) развиты обычно на хорошо промытых продуктах разрушения горных пород (делювиальные, флювиогляциальные и озерные отложения) с сильной водопроницаемостью.

Лесная зона, представлена на девять десятых хвойными породами, занимает около 40% бассейна. Поднимаясь к востоку и югу (от 350 до 1000 м), она постепенно суживается, а на крайнем юго-востоке исчезает совсем. Ее высотные пределы на севере бассейна от 350 до 2000, а на юге - от 1000 до 2400 м. Такое распределение степной зоны по вертикали усложняется формами рельефа и экспозицией склонов. Леса на ровных возвышенных плато и южных склонах гор обычно нет. Почвы зоны, зачастую крупноскелетные, представлены лесными суглинками, а также темными подзолистыми и болотными почвами. [Комлев,1966]

Горный Алтай - самостоятельная климатическая область. Главным фактором, определяющим его климат, является географическое положение.

Алтай расположен около центра Азиатского материка, в значительном удалении от больших водных пространств. Зимой на его климат влияет близость азиатского антициклона, который формируется уже в сентябре. При раннем образовании антициклона в долинах и на высоких плоскогорьях Алтая усиливается излучение, и развиваются застойные явления, препятствующие прохождению циклонов и тем уменьшающие количество осадков. Кроме того, в течение всего года на Алтай влияют арктические воздушные массы, в теплый же период года, после разрушения антициклона, усиливается циклоническая деятельность. Циклоны полярного и арктического фронтов, затухая над Западной Сибирью, при переходе к горам возрождаются и дают обильные осадки. Увеличению летних осадков способствует также вторжение холодного воздуха. Все это приводит к тому, что на Алтае резко преобладают жидкие осадки над твердыми.

Вторым важным фактором, влияющим на климат Алтая, является рельеф. Близкое соседство высоких хребтов и межгорных долин создает резкие климатические контрасты. Зимой в этих долинах скапливается холодный воздух, а высокогорные районы Алтая являются своеобразным "теплым островом" среди охлажденных низин. Летом межгорные котловины, отгороженные от влагоносных ветров, это жаркие сухие степи с малым количеством осадков. Высокогорные же хребты, покрытые снегом и льдом, - более холодная область. [Зенин. 1988.-245с.]

В пределах бассейна совершенно четко выявляются районы с разным тепловым режимом. Наиболее суровые условия наблюдаются в высокогорных котловинах (Чуйская степь) с типично континентальным климатом. Высокогорные районы характеризуются среднегодовой температурой в 5-7 ниже нуля, а предгорные (более теплой зимой и жарким летом со среднегодовой температурой) - в 1-2выше нуля

В летнюю пору при поднятии в горы наблюдается понижение температуры от 0,3 до 0,6 на каждые 100 м. Зимой же температурный градиент уменьшается, а иногда принимает отрицательное значение.

По сравнению с температурой воздуха атмосферные осадки более сложно распределяются по территории бассейна Катуни. Горный Алтай - это первый на юге Сибири высокий массив конденсатор на пути западных влагоносных ветров. По степени увлажненности его западные склоны - на одном из первых мест в Сибири. Почти также увлажнены верховья бассейна Катуни. Глубинные же районы Алтая относительно сухие, так как окружающие их хребты "перехватывают" много влаги. [Модина,1987;Сухова,2004]

В целом же Горный Алтай относится к районам повышенного увлажнения, и атмосферные осадки выпадают на территории его неравномерно. В распределении их наблюдается вертикальная зональность, т. е увеличение количества осадков с высотой. Максимальное значение нормы осадков по бассейну Катуни составляет в год 1300 - 1500 мм. Неравномерность наблюдается и во внутригодовом распределении осадков: летом их выпадает в 5-10 раз больше, чем зимой. Снежный покров устойчив, но характеризуется, как правило, не значительной мощностью. Наибольшие запасы снега наблюдаются в высокогорной зоне, где они составляют 190 мм и более. [Особо охраняемые природные территории и объекты Республики Алтай и Горных систем центра Евразии, 1998. 160с.]

2.2 Гидрологические особенности территории бассейна р. Катунь

Речная сеть в бассейне сравнительно молодая. Она появилась после того, как третичный пенеплен был нарушен эпейрогеническими движениями, образовавшими повышенные участки суши. При этом возникли два главных притока - северо-западное и широтное. Первое порождено общим уклоном на северо-запад, второе - широтным направлением юных тектонических линий третичного периода. Там, где влияние этих факторов скрещивается, реки круто поворачивают, как, например, Катунь у устья Аргута. По форме своей бассейн асимметричен. Самые крупные притоки - Аргут и Чую - Катунь принимает справа, и поэтому правая половина бассейна почти вдвое обширнее левой половины бассейна. Общая длина учтенных рек в бассейне Катуни составляет более 10 тыс. км. [Комлев,1966]

Реки рассматриваемой территории относятся к бассейну Карского моря и в большинстве своем входят в систему р. Оби. Истоки и притоки, берущие начало в горах Алтая, в верхнем течении имеют типичный горный характер, глубоко врезанные долины, порожистые русла, большие скорости течения. В предгорных районах режим их носит переходный характер, При выходе на равнины долины рек резко расширяются, уклоны русла не превышают 1-2%, течение становится медленным и спокойным. Густота речной сети изменяется от 0,8 км на 1 км² для горных районов, до 0,4-2 км на 1 км² для равнинных районов.

Гидрологические особенности территории определяются геоморфологическим строением и гипсометрическим положением речных бассейнов. С увеличением высоты водосбора увеличивается и общий поверхностный сток. Среднемноголетний модуль стока для Горного Алтая достигает - 20 л/сек км² Питание рек смешанного типа идет в основном за счет весеннего снеготаяния и ледников в Горном Алтае (50-55%). На долю дождевого стока приходится около 30% от годового. В зимний период питание осуществляется только за счет подземных вод. Основная доля стока (50-60%) проходит в период весеннего половодья (апрель - июнь). Подъем уровня на большинстве рек начинается еще подо льдом при наступлении положительных температур, в среднем в первой декаде апреля. Вскрываются реки в конце второй - начале третьей декады апреля, спустя 5-10 дней после начала подъема уровня. Весенний ледоход продолжается 5-10 дней. На малых реках ледоход часто отсутствует. Очищение ото льда происходит в конце апреля - начале мая.

Максимальный уровень воды в реках наблюдается обычно в последние дни ледохода или спустя некоторое время после него. Амплитуда колебания уровня изменяется для разных рек от 1 до 8 м. Половодье продолжается 1-2,5 месяца и на многих реках сопровождается большими разливами. Летне-осенние дождевые паводки обычно непродолжительны с амплитудой колебания уровня для большинства рек 1-2 м, реже более. Первые ледовые явления появляются в конце октября - начале ноября. К концу ноября обычно замерзают почти все реки.