7.3. Общая минерализация

Гидрохимия изучает химический состав природных вод, а также ее изменения под влиянием естественных (химических, физических и гидробиологических) и антропогенных факторов и процессов. Гидрохимия обычно изучает химию атмосферных осадков, льда, озер и водохранилищ, болот, океанов и подземных вод. Гидрохимией озер называется наука, изучающая химически состав озерных вод, а также их изменения под влиянием естественных и антропогенных факторов и процессов.

Минерализация природных вод изменяется от 2 мг/л - 0,3 г/л в атмосферных осадках до 600 г/л в подземных водах. Минерализация вод озер и водохранилищ колеблется в пределах 0,003 – 350,0 г/л, рек от 0,01 до 10,0 г/л.

Все природные воды различными авторами по химическому составу делятся на многочисленные группы. Применительно к озерам наиболее часто используется классификация О.А. Алекина (табл. 7.2).

Таблица 7.2.

Типы природных вод по классификации О.А. Алекина

Типы вод	Соотношение основных ионов по эквивалентам
Первый (I)	HCO3≤ Ca + Mg
Второй (II)	HCO3≤ Ca + Mg≤ HCO3+SO4
Третий (III) Четвертый (IY)	HCO3 + SO4 ≤ Ca + Mg; Cl ≥ Na; IIIa Cl ≤ Na + Mg; IIIb Cl ≥ Na + Мg. HCO3 = 0

Естественным состоянием лимносистемы является наличие в растворенном состоянии минеральных веществ, количество и качество которых зависит от характера горных пород на водосборе, интенсивности биологических процессов, от хозяйственной деятельности в его пределах. Озера занимают промежуточное положение между слабо минерализованными водоемами Европейского Севера и более высоко минерализованными озерами лесостепной и степной зоны. Абсолютное большинство их относится к среденминерализованным, однако влияние азональных факторов обеспечивает заметный диапазон величины минерализации. Последняя колеблется от 30-50 до 350-45- мг/дм³. по составу солей все озера относятся к гидрокарбонатному классу кальциевой группы.

В солевом составе всегда и без исключения доминирует гидрокарбонатные ионы, которые вместе с ионами кальция и магния определяют в общих чертах величину минерализации. Кроме НСО₃^-, Са²⁺, Мg²⁺, истинно растворимые соединения представлены ионами щелочных металловNa^+,, К⁺, сульфатами. Хлоридами. Среди составляющих минерализации и постоянно соотношение: НСО₃>Са²⁺>Мg²⁺>SO₄^2->Сl^-. Увеличение содержания сульфатов и хлоридов. Как правило, отражает влияние хозяйственной деятельности на водосборе.

В лимнологии, как в целом в гидрологии, используют классификацию по химическому составу воды О.А. Алекина, 1946. В основу классификации положены 2 принципа: преобладающих ионов и соотношение между ними (табл. 7.2.).

Все природные воды по преобладающему аниону делятся на три класса: гидрокарбонатных и карбонатных (HCO₃ + CO₃), сульфатных (SO₄), хлоридных (Cl) вод, рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схема классификации природных вод по преобладающему аниону и соотношению между главными ионами (по О.А. Алекину)

В каждом классе по преобладающему катиону выделяются три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. В то же время каждая группа включает три типа.

Во многих озерах общая минерализация не определялась, но, например, замерялась величина электропроводности. По величине электропроводности можно ориентировочно рассчитать содержание ионов и величину общей минерализации по таблице W.Rodhe(1949), табл. 7.3. В. Роде установил для водоемов стандартные комбинации (standartcomposition) основных элементов с коэффициентом корреляции для НСО₃= 0,961 и для общей минерализации – 0,994. Однако эта зависимость и использование ее возможна только для озер гидрокарбонатного класса.

Таблица 7.3.

Электропроводность вод гидрокарбонатного класса и содержание основных ионов в воде.

Электро-проводность	Ca	Mg	Na	K	Cl	SO4	HCO3	Сумма ионов, Мг/л
20	2,5	0,4	0,7	0,3	0,7	1,5	8,9	15
40	5,1	0,9	1,5	0,5	1,5	3,0	18,3	31
60	7,9	1,3	2,2	0,8	2,2	4,7	29,0	47
80	10,8	1,8	3,0	1,1	3,0	6,3	38,0	64
100	13,5	2,3	3,8	1,4	3,8	8,0	48,1	81
120	16,3	2,7	4,6	1,7	4,6	9,7	58,3	98
140	19,2	3,2	5,4	2,0	5,4	11,4	68,4	115
160	22,0	3,7	6,2	2,3	6,2	13,1	78,5	132
180	25,0	4,2	7,1	2,6	7,1	14,9	89,2	150
200	28,0	4,7	7,9	2,9	7,9	16,6	100,0	168
220	31,1	5,2	8,7	3,2	8,7	18,4	110,7	186
240	34,1	5,7	9,6	3,5	9,6	20,2	121,4	204
260	37,1	6,2	10,4	3,8	10,4	22,0	132,1	222
280	40,1	6,7	11,3	4,1	11,3	23,8	148,8	240
300	43,3	7,3	12,2	4,4	12,2	25,6	154,1	259
320	46,4	7,8	13,1	4,7	13,1	27,5	165,4	271
340	49,4	8,3	13,9	5,0	13,9	29,3	176,1	296
360	52,6	8,8	14,8	5,4	14,8	31,2	187,4	315
380	55,8	9,4	15,7	5,7	15,7	33,1	198,7	334
400	59,0	9,9	16,6	6,0	11,0	34,9	210,0	353

Величина минерализации воды свидетельствует о роли подземного питания озер в водном и солевом балансе озер. Как правило, водный баланс и, соответственно приход минеральных веществ, складывается из притока с водосбора почвенно-поверхностных вод, атмосферных осадков на поверхность озера и притока грунтовых вод (порово-пластовых вод рыхлых четвертичных отложений и глубоководных трещинных). Самую низкую минерализацию имеют атмосферные осадки, затем почвенно-поверхностные воды и, наконец, самую высокую минерализацию имеют глубоководные трещинные подземные воды. Высокоминерализованные подземные воды поступают в глубокие котловины озер и тем самым увеличивают минерализацию воды. Величину поступления подземных вод можно определить несколькими методами: методом водного и солевого балансов, электрометрический метод. При расчете балансовыми методами величину невязки баланса относят к поступлению подземных вод в озеро. Мелководные водоемы как правило питаются исключительно поверхностными водами.

Независимо от величины минерализации количество солей увеличивается в зимний период, а также в придонных слоях. Наиболее значительные колебания свойственным мелководным, богатым жизнью озерам.

По степени минерализации водной массы озера Беларуси занимают промежуточное положение между слабоминерализованными водоемами Европейского Севера и более минерализованными озерами лесостепи и степи. В этом отношении они отражают общие законы климатической зональности (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Ионная зависимость в озере Нарочь: а - на поверхности, б – у дна.

Озера Беларуси можно отнести к среднеминерализованным. Однако влияние целого ряда дополнительных азональных факторов обеспечивает довольно значительный диапазон величины минерализации, которая колеблется в пределах от 20— 50 до 400—450 мг/л.

По классификации О. А. Алекина, озера Белоруссии относятся к гидрокарбонатному классу кальциевой группы.

В солевом составе озер везде доминирует гидрокарбонатный ион, который вместе с ионами кальция и магния определяет в общих чертах величину минерализации воды. Кроме НСО₃^-, Са²⁺ и Mg²⁺, истинно растворимые соединения, в небольшом количестве представлены ионами щелочных металлов (Na⁺ составляет 1,8—8, а К⁺ 0,4 — 3 мг/л). Увеличение содержания Na , К отмечается при общей повышенной минерализации озера. Содержание хлоридов (С1^-) колеблется в пределах 1,6—10,5 мг/л. Повышенное содержание хлоридов означает не столько повышенную концентрацию их в породах водосбора, сколько поверхностный привнес за счет растворения калийных удобрений, с атмосферными осадками и бытовым стоком.

Сульфатный ион (SO₄^2-- ) обычно характеризуется более высоким показателем по сравнению с хлоридами и колеблется от 2—3 до 15 —17 мг/л. В отдельных случаях в придонных слоях отмечается увеличение SO₄^2-- до 20 — 25 мг/л, что говорит о разложении органического вещества в донных осадках при дефиците О₂. Восстановленные сое­динения серы концентрируются в условиях ярко выраженной температурной стратификации, устойчивого кислородного дефицита в гиполимнионе, значительного увеличения содержания СО₂ и слабокислой активной реакции среды. В таких озерах нередко накапливается сероводород, а в составе донных отложений-—сульфид железа гидротроилит. В целом же при всем разнообразии концентрации солей среди анионов постоянно соотношение:

HC0₃^->S0₄^2->Сl^--.

Изменение основных составляющих минерализации воды — гидрокарбонатного и кальциевого ионов в озерах разных типов отражает особенности водосборной площади, строение озерной ванны, температурный и газовый режимы водной массы, интенсивность биологических процессов, а в целом характеризует (вместе с другими показателями) генетический тип озера.

Поступление в воду карбонатных солей зависит от поверхностного и подземного притоков, а также от интенсивности минерализации органического вещества, содержащегося в воде. Расходная часть солевого баланса слагается из выноса солей в процессе стока, затрат на питание водных организмов и, наконец, накопления их в донных отложениях.

Увеличение количества Са²⁺ и НСО₃^-- с глубиной, обычное для озер, происходит за счет интенсивности грунтового питания и образования в верхних слоях водной массы иона СOз^2-- летом при активном участии фотосинтеза.

Зимой источником повышения минерализации озер служит не только увеличение роли грунтового подтока, но и растворение монокарбоната донных отложений и переход его в воду при увеличении содержания углекислого газа, особенно в, высокогумусных озерах. Понижение концентрации двуокиси углерода летом приводит к обратному процессу — разложению гидрокарбонатов и высвобождению карбонатов, выпадающих из воды в осадок:

СаСО₃ + С0₂ + Н₂О :Са + 2НСО₃.

Сезонные изменения величины минерализации и солевого состава в разных озерах имеют одинаковую направленность, но разные величины. Амплитуда колебаний солесодержания в годичном цикле озера чаще всего отражает степень развития в нем органической жизни, увеличиваясь одновременно с возрастанием эвтрофных признаков.

Результаты иследований констатируют связь колебаний солености воды со степенью появления фотосинтезирующей деятельности растений. Именно поэтому наболее равномерна величина минерализации в глубоких холодных озерах, для которых эта особенность служит одним из признаков олиготрофии. В озере Долгом, например, в течение трех летних сезонов содержание гидрокарбонатного иона колебалось в поверхностных слоях от 158 до 146мг/м. В озере Кривом за такой же период величина НСОз^-- менялась от 128 до 115 мг/л. В вертикальном же разрезе в первом из них разница в содержании НСО₃^-- между поверхностными и придонными слоями не превысила 3—2, а во втором — 3—5 мг/л (максимально). Зимой в озере Кривом концентрация гидрокарбонатного иона увеличилась всего на 6--8 мг/л по сравнению с летом, а в озере Долгом не превысила 2—3 мг/л.

В типичном эвтрофном озере Черствяты содержание НСО₃^-- в июне 1966 г. колебалось в пределах 134—176 мг/л. Зимой разница в содержании НСО₃^-- между поверхностными и придонными слоями составила 201,5—237,9 мг/л. Та же картина наблюдалась в озере Отолово.

Показатель минерализации очень четко отражает особен­ности водосборной площади озера. При условии преобладания моренных пород и значительной распаханности этот показатель повышается даже в глубоких, бедных жизнью озерах (оз. Долгое). Наиболее низкие показатели минерализации отмечены в озерах с очень малым (<10 км²) удельным водосбором, с преобладанием песков и лесной растительности на всей площади бассейна. В озере Чербомысло, например, при площади 0,50 км² и величине водосбора 2,02 км² сумма минеральных веществ составила всего 26,4 мг/л, а величина НСО₃^-- понизилась до 15,3 мг/л. Такие необычные для полосы смешанных лесов показатели минерализации выразились, кроме того, в кислой реакции воды и очень бедном проявлении жизнедеятельности организмов. Очень низкое содержание минеральных веществ свойственно озерам, имеющим водосбор верхнего болота и питающимся только болотными и атмосферными водами (оз. Ельня).

Подвижность и изменчивость элементов минерализации, зависимость ее от разнозначных причин осложняют выделение групп озер по признаку минерализации. Однако на общем фоне отчетливо выделяются относительно немногочисленные озера с пониженной минерализацией воды в течение года. Это первая группа озер. Сумма гидрокарбонатного и кальциевого ионов летом в них менее 50 мг/л. Чаще всего в питании подобных водоемов большую роль играют болотные воды, богатые гумусовыми веществами, а также атмосферные осадки. Примерами низкоминерализованных озер могут служить Межужол, Ельня, Озерцы, Усая, Чербомысло, Глубокое, Червоное в Полесье.

Во вторую группу, объединяющую большинство водоемов, входят озера средней минерализации. Гидрокарбонатный ион летом в них колеблется от 100 до 200 мг/л, а содержание кальция составляет 20—35 мг/л. Обычно в водном балансе этих озер значительную роль играют атмосферные осадки, поверхностные притоки и грунтовые воды. К таким озерам относятся Мястро, Нарочь, Медзозол, Обстерно, Укля, Лукомльское, Бере­зовое, Паулье, в Полесье — Луковское, Белое и многие цругие. К этой же группе причисляются глубокие про­зрачные водоемы, водная масса которых отличается слегка пониженной минерализацией, обусловленной молодостью озер и ослабленным проявлением фотосинтеза (Гиньково, Волос Южный, Рудакове, Кривое, Женно).

Третья группа озер с повышенной минерализацией, до 400 мг/л (НСОз^-->200 мг/л, Са²⁺ 35—50 мг/л) включает относительно немногочисленные небольшие водоемы, лежащие в глубоких воронкообразных котловинах, а также озера с очень замедленным водообменом. В водном балансе их весьма заметную роль играет грунтовое питание. К числу таких озер относятся, Иодово, Гульбеза, Каймин, Ячменек и др. Минерализация достигает 500-600 мг/л (оз. Ковальки) и связана с антропогенным загрязнением.

Интересным для оценки изменения величины минерализации является оз. Лукомское, подвергшееся тепловому загрязнению. За многолетний период исследования (1932-2008 гг.) озера Лукомского установлена устойчивая и достоверная тенденция роста величины минерализации (рис.7.3.).

Рис. 7.3. Многолетняя динамика суммы ионов в воде Лукомского озера (по З.К. Карташевич, 2007)

По данным группы научных сотрудников кафедры общего землеведения линия тренда свидетельствует о циклическом характере динамики основных ионов. Наименьшие ее величины были зафиксированы в 1932 г., максимальные – в 1989 г. Наиболее низкие концентрации, как правило, соответствуют многоводным годам. Более устойчивый рост суммы ионов начался с 1989 г., когда ее значения начали превышать 250-300 мг/л. Такая общая тенденция увеличения минерализации отмечалась, начиная с 70-х годов, на многих водных объектах и связывалась с общим их загрязнением.

На озере Лукомском увеличение минерализации связано с наращиванием мощности ГРЭС и использование воды не только для охлаждения, но и для рыбного хозяйства, города при неполной ее очистке. Более высокая величина минерализации озер формируется в основном за счет хлоридов, сульфатов, магния, натрия, калия. Источниками поступления служат промышленные и коммунальные стоки, сток из сельскохозяйственных угодий, внесение минеральных удобрений и противогололедных реагентов, недостаточная очистка использованных вод и др.

В последние годы в Беларуси отмечается двукратное увеличение поступления в водоемы хлоридов (Кадацкая, 2005). Химические свойства хлоридов способствуют их быстрому поступлению и накоплению в водных экосистемах. Растворимость всех хлоридных солей очень высокая, что является одной из основных причин их колоссальной миграционной способности. В отличие от других ионов, хлориды практически не поступают в донные отложения, а постепенно накапливаются в воде, увеличивая ее минерализацию. Рост содержания хлоридов практически совпадает с ростом суммы ионов и начинается с 1978 г.

Наиболее высокая концентрация сульфатов в экосистеме регистрируется при поступлении сульфатов в многоводные годы и при использовании мазута электростанцией.

Кальцый и магний определяют жесткость воды и способствуют образовании накипи в котлах. Наиболее интенсивное его осаждение протекает в период максимального фотосинтеза. Когда возникает недостаток диоксида углерода и он извлекается из биокарбонатов. При этом повышается значение рН и образуется слаборастворимый карбонат кальция, который осаждается на дно. При высоких концентрациях фосфора осаждение приобретает настолько интенсивный характер. Что в отдельных высокоэвтрофных и гиперэвтрофных водоемах концентрация кальция снижается до уровня магния.

По содержанию и распространению магний занимает второе место после кальция. Основными источниками поступления являются процессы химического выветривания и растворение горных пород. Среди антропогенных факторов - это сточные воды. В паросиловых установках содержание магния влияет на жесткость воды, что предполагает более жесткие требования к его содержанию. Направленность процесса в многолетнем аспекте свидетельствует об увеличении магния в озере и в целом кривая многолетнего распределения почти соответствует кривой изменения минерализации.

С 1994 г. произошли существенные изменения в ионном составе вод Лукомского озера, которые привели к изменению типа вод из второго в третий, и соответственно к иному соотношению главных ионов: на второе место после гидрокарбонатного иона вышел сульфатный. В настоящее время в озере относительное содержание натрия возросло в 5 раз, хлоридов в 2, калия в 1,1, магния и сульфатов в 1,2 раза.