img-090539

УДК 556.114 (075.8)

Рецензенты: В. Е. Закруткин, д-р геол.-минер, наук, проф. (Ростовский государст­ венный университет); В. И. Минкин, академик РАН, д-р хим. наук, проф. (Научноисследовательский институт физической и органической химии)

А. М. Никаноров. Гидрохимия: Учебник. — 2-е изд., перераб. и доп. — СПб: Гидрометеоиздат, 2001. — 444 с.

Изложены теоретические основы гидрохимии, вопросы общей, региональной и прикладной гидрохимии. Даны представления о строении вещества, закономерно­ стях протекания химических процессов, строении и свойствах воды как растворите­ ля, химическом составе природных вод и формирующих его факторах (естественных и антропогенных).

Освещены особенности химического состава атмосферных осадков, речных, озерных и подземных вод, их гидрохимической зональности и классификации.

Рассмотрены методы химического анализа природных вод, методология прове­ дения гидрохимических исследований иа водных объектах, методы оценки качества (загрязненности) воды по гидрохимическим и гидробиологическим показателям и обобщения гидрохимической информации. Описаны методы расчета баланса хими­ ческих веществ водных объектов, прогнозирования изменений химического состава воды, а также виды наблюдений за состоянием поверхностных вод суши, выполняе­ мых сетевыми подразделениями Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, и другие вопросы.

Для студентов вузов, обучающихся по специальностям „Гидрология”, „Приро­ допользование”, „Общая и прикладная экология”, а также для специалистов, рабо­ тающих в области наук о Земле, мониторинга природных вод, их охраны и исполь­ зования. Рекомендован для учащихся и специалистов стран СНГ.

Учебник издан при финансовой помощи „Федеральной программы поддержки книгоиздания в России”

1805040700-37 © А. М. Никаноров, 2001 069(02)01

ISBN 6-286-01282-5

П Р Е Д И С Л О В И Е

Настоящий учебник является вторым, исправленным и допол­ ненным, изданием учебника „Гидрохимия”, вышедшего в свет в 1989 году; написан в соответствии с программой предмета „Гидро­ химия”, утвержденной для специальности „Гидрология”. В этом учебнике систематизированы сведения о химии природных вод, яв­ лениях и процессах, протекающих в водных объектах и обуслов­ ленных влиянием естественных и антропогенных факторов, а так­ же необычными (аномальными) свойствами воды и водных раство­ ров. Курс „Гидрохимия” дает будущим специалистам-гидрологам основы знаний для решения разнообразных научных и практиче­ ских задач, связанных с проблемами качества воды. Являясь для студентов-гидрологов общенаучной дисциплиной, курс „Гидрохи­ мия” одновременно служит базой для последующего более углуб­ ленного изучения отдельных разделов данного предмета, таких как мониторинг состояния водных объектов, охрана природных вод, химия водоемов и др.

Другая, не менее важная цель данного учебника, продиктован­ ная нарастающим загрязнением окружающей природной среды и обострением во всем мире экологической ситуации, заключается в формировании у студентов XXI века экологического мировоззрения и в пробуждении с этих позиций их интереса к проблемам гидро­ химии.

В основе гидрохимии лежит фундаментальное положение, кото­ рое автор стремился оттенить в настоящей книге: состав природных вод отражает физико-химические условия их происхождения и су­ ществования в окружающей природной среде. Еще Плиний, круп­ нейший натуралист Древнего Рима, автор „Естественной исто­ рии” — самого популярного натурфилософского произведения вплоть до XVI века, писал: „Tales sunt aque, gualis terma per” (свой­ ства вод определяются свойствами пластов, через которые они те­ кут). Это высказывание не подлежит сомнению, однако для при­ родных вод (поверхностных и подземных) оно требует уточнения. Правильнее, по нашему мнению, сказать, что свойства воды опре­ деляются ее геологической историей и окружающей природной средой, в которой вода находилась. При этом под окружающей

средой для подземных вод следует понимать горные породы и тер­ модинамическую обстановку глубоких водоносных горизонтов, в которых вода образовалась и где протекала ее миграция, а для по­ верхностных — физико-географические и почвенно-геологические условия формирования этих вод. Во многих разделах учебника ав­ тор стремился подчеркнуть наличие сложных генетических связей

между химическим составом природных вод и многочисленными факторами, определяющими состав гидросферы Земли.

При написании учебника автором использован многолетний опыт преподавания этой дисциплины в Ростовском государствен­ ном университете, результаты собственных исследований и работы научного коллектива Гидрохимического института Росгидромета, достижения отечественных и зарубежных ученых, а также некото­ рые материалы наблюдений сетевых подразделений Росгидромета. Практически все главы, посвященные традиционным вопросам, входящим в состав теоретических основ гидрохимии, а также об­ щей и региональной гидрохимии, дополнены новыми материалами натурных исследований, теоретических и прикладных разработок.

Значительно переработан и существенно расширен третий раз­ дел „Основы прикладной гидрохимии”, в который включены новые сведения по комплексной оценке загрязненности вод с использова­ нием гидрохимических и гидробиологических показателей, по ос­ новам методов оперативного и долгосрочного прогнозирования из­ менения химического состава поверхностных вод суши в условиях антропогенного воздействия, по методам составления баланса хи­ мических веществ для участков рек и водохранилищ как объектив­ ного способа оценки антропогенного влияния. В этом же разделе дан обзор современных методов аналитического контроля состава и свойств воды, методологии проведения гидрохимических и гидро­ биологических наблюдений за состоянием водных объектов и спе­ циальных видов исследований, технологий сбора, обработки и обобщения информации о состоянии поверхностных вод суши, по­ лучаемой сетевыми подразделениями Росгидромета. Подробно рас­ смотрены различные аспекты охраны природных вод и задачи гид­ рохимии с целью охраны вод, в том числе автоматизация отбора и анализа проб, выдача информации в рамках оперативного звена системы мониторинга, а также перспективы использования резуль­ татов новых исследований внутриводоемных процессов (гидроди­ намических и химико-биологических) на основе применения мето­ дов и средств натурного моделирования и трассерных индикаторов.

Автор выражает большую благодарность JI. В. Бражниковой за помощь при подготовке рукописи к изданию.

5

В в е д е н и е

ГИ ДРО Х И М И Я КАК НАУКА.

КРАТКИЙ И С ТО РИ Ч ЕС К И Й О Ч Е РК .

С О В РЕ М Е Н Н О Е С О С Т О Я Н И Е И ЗА Д А Ч И ГИДРО Х И М И ЧЕСКИ Х И С СЛ ЕД О ВА Н И Й

Самым главным и важным для человека веществом в окру­ жающем материальном мире является природная вода. Древнегре­ ческий философ Фалес Милетский (2600 лет назад) назвал воду первоисточником всего сущего. Наиболее глубокую оценку значе­ ния воды дал академик В. И. Вернадский: „Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов. Нет земного вещества — минерала, гор­ ной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное существо ею проникнуто и охвачено”.

Вода является одним из самых удивительных, еще до конца не изученных и не расшифрованных соединений на Земле. Исследова­ нием этого соединения и занимается гидрохимия — наука о химии природных вод.

В процессе круговорота воды на Земле, связывающего гидро­ сферу с атмосферой, литосферой и биосферой, осуществляется фор­ мирование химического состава вод. Взаимодействуя со всеми ком­ понентами природного ландшафта, испытывая влияние естествен­ ных и искусственных факторов, вода обогащается широким спек­ тром различных веществ в газообразном, твердом и жидком состоя­ нии, что создает огромную вариабильность типов природной воды по химическому составу.

Природные воды представляют собой динамичную химическую систему, содержащую в своем составе сложный комплекс газов, минеральных и органических веществ в виде истинных растворов, а также взвесей и коллоидов, которая зависит не только от условий окружающей среды, но и от различных процессов, протекающих как вне, так и непосредственно в водном объекте.

По определению выдающегося гидрохимика О. А. Алекина, гидрохимией называется наука, изучающая химический состав природных вод (гидросферы), а также его изменения во времени и пространстве в зависимости от химических, физических и биологи­ ческих процессов. К этому следует добавить, что современная гид-

рохимия рассматривает влияние на состав природных вод не только указанных естественных процессов, но и антропогенных факторов, значение которых с каждым годом возрастает. Более точное опре­ деление может быть дано в следующем виде: гидрохимией называ­ ется наука, изучающая химический состав природных вод, а также его изменения под влиянием естественных ( хим иче­ ских, физических и биологических) и антропогенных факторов и процессов. Предметом исследования гидрохимии являются по­

верхностные воды, подземные (в том числе связанные) воды оса­ дочных горных пород, а также сопутствующие этим водам различ­ ные химические осадки (соли), илы и грязи.

Гидрохимия изучает химический состав воды разнообразных природных и искусственных объектов: атмосферных осадков, рек, озер, морей, соляных озер, прудов, водохранилищ, каналов, под­ земных водоносных горизонтов и т. п. Эти же объекты изучаются с других точек зрения гидрологией, гидробиологией, океанологией, галургией, гидрогеологией, геохимией. Перечисленные науки, сле­ довательно, являются смежными по отношению к гидрохимии.

Гидрохимия делится на ряд разделов. Тот раздел гидрохимии, который посвящен изучению химического состава воды рек, озер и водохранилищ, опирается в своих исследованиях на методы геохи­ мии и выводы гидрологии. На формирование состава природных вод оказывает влияние органическая жизнь в воде, а состав воды в свою очередь влияет на жизнедеятельность и экологию населяю­ щих ее организмов. При изучении органической жизни в воде гид­ рохимия использует методы и подходы гидробиологии. Гидрохи­ мия океанов и морей тесно связана с океанологией, всесторонне изучающей Мировой океан и внутренние моря. При изучении соле­ вого состава озерных вод и подземных рассолов методы гидрохимии примыкают к методам исследований, используемых в галургии (га­ лургия — соляное дело, отрасль химической технологии, изучаю­ щая способы получения и переработки солей). По методам исследо­ вания природных вод гидрохимия соприкасается с аналитической химией, заимствуя теорию и богатый опыт этой науки для разра­ ботки специфических методов анализа природных вод. Для реше­ ния гидрохимических задач используются достижения физики, математики, кибернетики, автоматики, аэрокосмические исследо­ вания. Дистанционные методы позволяют определять качество вод по многим показателям с высокой экспрессностью; результаты этих исследований имеют большое значение для оперативного контроля состояния окружающей среды. Математические методы обработки результатов гидрохимических наблюдений применяются для по­ строения математических моделей водных объектов, которые ис­

пользуются для прогнозирования изменений состава вод во времени

ив пространстве.

Всистеме наук гидрохимия, по мнению О. А. Алекина, занима­ ет двойственное положение. С одной стороны, изучая химию гидро­ сферы, гидрохимия является частью более обширной науки о хи­ мии земной коры — геохимии; с другой стороны, гидрохимия должна входить в комплекс дисциплин о гидросфере, то есть в гид­ рологию. Из сказанного следует, что гидрохимию надлежит отно­ сить к геолого-географическим наукам.

Теоретическое и практическое значение гидрохимии очень ве­ лико. По своим физическим, химическим и биологическим свойст­ вам вода занимает исключительное положение в природе. Все явле­ ния в литосфере, биосфере и атмосфере совершаются с участием воды. С различных позиций воду изучают специалисты разнообраз­ ного профиля — физики, астрофизики, химики, гидрохимики, гидрологи, гидрогеологи, биохимики и др. Одной из важнейших проблем гидрохимии является познание происхождения ионного состава воды. С решением этой сложной проблемы связано изуче­ ние разнообразных процессов, происходящих в природных водах, естественных и искусственных факторов, влияющих на минерали­ зацию и состав воды, изучение взаимодействия воды с породами, биотой, установление общих закономерностей формирования хи­ мического состава природных вод и выяснение генезиса различных химических типов вод земной коры. Теоретическое значение гид­ рохимии заключается также в изучении круговорота веществ в природе, в выяснении роли некоторых растворенных в подземных водах компонентов, вобразовании полезных ископаемых.

Знание химического состава природных вод имеет огромное практическое значение для развития различных отраслей экономи­ ки. Химический состав необходимо учитывать при использовании природных вод для всех видов водоснабжения и водопользования (питьевого, хозяйственно-бытового, промышленного, сельскохо­ зяйственного, транспортного), при добыче солей, поиске полезных ископаемых, в бальнеологии. При строительстве гидротехнических сооружений надо знать химический состав воды для того, чтобы предупредить водную коррозию бетона и металла.

Очень важна в условиях быстрого роста масштабов влияния ан­ тропогенных факторов проблема загрязнения природных вод. За­ грязнение биосферы Земли антропогенными токсичными вещест­ вами, в основном ксенобиотиками (чужеродными для нее химиче­ скими соединениями), приобретает угрожающий характер. Обще­ признано, что человечество выбрасывает в биосферу около 5 • 10е на­ именований различных веществ и к этой цифре прибавляется при­ мерно по 3000 новых соединений ежегодно. Особенно интенсивно

идет накопление веществ в водных объектах, так как для многих длительно сохраняющихся в окружающей природной среде (перси­ стентных) соединений именно гидросфера является замыкающим звеном миграции и депонирования. Даже для веществ, не посту­ пающих непосредственно в водные объекты, а сбрасываемых в поч­ ву или в атмосферу, вероятность их последующего попадания в гидросферу весьма высока. В водных объектах, по данным Всемир­ ной организации здравоохранения при ООН (ВОЗ), обнаружено по­ мимо неорганических более 3000 органических загрязняющих ве­ ществ.

Огромный вред наносится водным объектам из-за сложившейся практики их использования в качестве приемников неочищенных сточных вод — естественных „очистных сооружений”. Антропоген­ ные преобразования вод, в частности связанные с созданием каска­ дов водохранилищ на реках, способствуют снижению проточности и накоплению биогенных и органических веществ, поступающих со сточными водами, что в конечном счете приводит к их евтрофированию — крайне неблагоприятному и опасному явлению. Другой актуальной проблемой планеты является закисление поверхност­ ных вод (особенно озер), обусловленное выпадением атмосферных осадков с высоким содержанием кислотообразующих соединений серы и азота в результате сжигания ископаемого топлива и перено­ сом отходов сжигания трансграничными воздушными массами.

Решение проблемы защиты вод от загрязнениятребует всесто­ роннего и комплексного изучения поверхностных вод суши и кон­ троля за состоянием водных объектов на основе применения самых совершенных методов гидрохимических исследований.

* * *

Гидрохимия как наука сформировалась несколько десятилетий назад, но корни ее уходят в глубокую древность. Впервые натурфи­ лософские представления о воде возникли в Древней Греции. Фалес Милетский (624—543 гг. до н. э.) считал, что все вещества возник­ ли из воды и возвращаются в нее. По его мнению, все твердые ве­ щества осаждаются из воды. Он первый обратил внимание на то, что вода является единственным соединением в природе, встре­ чающимся в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газо­ образном. В учении древнегреческого ученого Платона (427— 347 гг. до н. э.) большое внимание было уделено воде как одной из четырех основных стихий: огонь, воздух, вода и земля. Ученик Платона Аристотель (384—322 гг. до н. э.) развил идеи своего учи­ теля и считал воду главной составной частью металлов. Он полагал, что вода входит в состав минералов, однако основным элементом минералов, по его мнению, является огонь. Образование минералов

Аристотель связывал с отвердеванием испарений в земных недрах. Интерес к изучению химического состава природных вод возник в эпоху Римской империи в связи с широким использованием тер­ мальных вод. В трактатах того времени можно встретить образцы классификации минеральных вод по химическому составу (выде­ лялись воды щелочные, железистые, соленые, серные). Натурфило­ софия древних римлян и греков, и прежде всего Аристотеля, впо­ следствии оказала большое влияние на арабских ученых. Напри­ мер, Авиценна (980—1037 гг.) в своей „Книге исцеления” писал, что „воде по ее природе свойственно превращаться в землю благо­ даря преобладанию землистой силы... и земле по ее природе свойст­ венно превращаться в воду благодаря преобладанию в ней водной силы”.

Долгое время, более тысячелетия, ни в Европе, ни в Азии не существовало научных трудов, точнее трактующих процессы и яв­ ления, протекающие в гидросфере. Лишь А. Лавуазье (1743— 1794 гг.), проведя опыты по кипячению воды в стеклянном сосуде и доказав, что образовавшийся осадок представляет собой вещество сосуда как результат разъедания его стенок, опроверг многовековое заблуждение о том, что вода является веществом, из которого могут образовываться все твердые тела. Лавуазье внес существенный вклад в выяснение состава воды. Однако честь открытия состава воды принадлежит Г. Кавендишу, который в 1784 г. установил, что при взрыве смеси водорода и кислорода в соотношении 2 : 1 на стенках сосуда конденсируется туман, представляющий собой обычную воду. Опыты, аналогичные тем, что провел Кавендиш, были примерно в эти же годы поставлены также А. Лавуазье и Дж. Уаттом. Поэтому заслуга в выяснении состава воды, по мнению многих ученых, принадлежит этим трем великим натуралистам. В. И. Вернадский писал об установлении состава воды как о „вели­ ком открытии, фактически создавшем новую химию и перевернув­ шем все наши представления о космосе”.

Творческая мысль крупнейших отечественных естествоиспыта­ телей была направлена на выявление роли воды в разнообразных земных процессах. Углубленное изучение природных вод связано с именем великого русского ученого М. В. Ломоносова, которого можно по праву считать первым русским геохимиком и гидрохи­ миком. В работе „О слоях земных” (1740—1750 гг.) Ломоносов соз­ дал учение о природных водах как о сложном растворе, обязанном своими составом и происхождением окружающей среде, о переносе растворенных солей в процессе круговорота воды, о химическом составе воды как средстве распознавания недр. Исследования Ло­ моносова значительно предвосхитили позднейшие открытия в об­ ласти естественных наук.

С развитием техники в XIX и начале XX в. возникла необходи­ мость изучения химического состава воды, используемой в различ­