img-090539

208

со

CnI

о

S

а

ж

о

у

ж

о

*

С

СЙ t-

с$

п

*-

я

>>

В

I

сб

К

Раздел 2. Общая и региональная гидрохим ия

СО00 CSJо

■Ч*i-H 1—«CSJCDi-H

СЧЗCSJ

СОCSJ о	CD05 00	CSJ
ЮО 00	^	05
1—I CSJ		i—I

СО^ о 00 CDО 00

О оо" cq со N N т-н ч? ч* СОСО CSJ

CD ОCD05 т-t СО CSJ

т? со о id о t>	оГ
CSJ СО	т-Н

t* 00 н СОЮCO05 ID 00 CO00 H н tv

t- CSJCO00 1-H05 05

05 00 CDID 00 О CO COCOCOCOCSJ

Осо 00 Н а со

i-н	ID 05 ID t—CSJСО
ID	tV CSJTt<CSJCSJ -rf

CD i-HH i—IH i-Чi-11

СО0 О со N Cq -Tf со со

00 о ю о ю tv СОCDID05Н 00

00

N 05 н N

CSJ-Tf СО со

ч* COtv ID

cq oo cq

00 CSJО CSJО

H N 00 Tf 05

00 IDCOCO^О

О IDСОСОт-Г СО СОсо СОСО

CSJ CDО 00 CO

o CDCDcq 05 О О ^ CO

N t )i N N

CSJtv н COCDID t- 05

1-HCO

CDО ОCMCOCOCSJ

ID 00 CO00 ID CO»-H

Tj* О rf н H CSJ H ID

0 О CD^ со co Tf

о ID 05 05 (MCD CSJtV 00 05 tv tv CD

CSJ

	О	ID н 00 00
CSJCSJО" ID O* 00
со	со
О	О^	00 l> О 00
00	CDID СО " ID СО
CO ID		^

CD ОCOCDID O^ О

CO CD CC^ i-Г CO CO 00CSJCSJCSJ CSJ1-H

05	ido 05 О		l-н tv
CO tv		CD	tv CO
05	0505	0505	05 05
i-H i-HH i-Hi-H H i-H
00	N00	t>b	S 05

О ОО ОО О О

CSJ об i-н 001Л т-ноб

О ОCSJОCSJ О О

cu	X
о	о	2
X	а
о	Я	«
и	\о
о	к
й	о
cd	о	I
£	«
о	о

CDCD00 ID CO CON СОн H

tv О 00 00 ID oT -rf 00 cq CO

iv cq cq tv о

CSJCOCDi-H05 Tf CDCO

COID O ID

н CDО

CDО tv н CO

со ^ cq co csj

00 CO-Tf CSJCSJ

ID 05 00 00 CD

05 CDЮЬ05 CDСОtv CSJCD 05 05 05 05 05 i-H1-Hi-Hi-Hi-H

00 05 05 tv tv

О О О О О

tv О 00 ID

cq cq т-нт-нт-н

X	о
	х
о	а
а	ш
«	PQ
о
к
о
cd
а

Глава 7. Гидрохимия рек

209

ритории стран СНГ. В составе катионов вод сульфатного класса, так же как и в водах гидрокарбонатного класса, преобладает кальций. Однако ряд рек сульфатного класса относится к группе натрия. Минерализация вод этих рек чаще всего повышенная. В отдельных случаях содержание суммы ионов достигает 4 г/л и даже превыша­ ет 5 г/л (р. Кума).

Реки, воды которых относятся к хлоридному классу, встреча­ ются почти так же редко, как и реки, в водах которых преобладают сульфаты. Территория, занимаемая бассейнами этих рек, составля­ ет около 7 % площади всех бассейнов; она расположена от нижнего течения р. Волги к востоку до верховьев р. Оби — это главным об­ разом степные районы и полупустыни. Преобладающими катиона­ ми в водах хлоридного класса являются, как правило, ионы на­ трия. Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализаци­ ей — свыше 1000 мг/л, реже от 500 до 1000 мг/л.

Г. С. Коновалов и В. И. Коренева в процессе исследования (ме­ тодом пламенной спектрофотометрии) раздельного содержания на­ трия и калия в воде более 50 крупных и малых рек установили, что концентрация натрия очень сильно колеблется во времени и зави­ сит от физико-географических условий бассейна. Концентрация калия в большинстве случаев значительно ниже концентрации на­ трия и характеризуется меньшим диапазоном колебаний. Отноше­ ние эквивалентов натрия и калия в различные гидрологические фа­ зы в реках на территории стран СНГ изменяется в пределах 0,75— 58. В частности, для рек северо-востока России (Индигирка, Колы­ ма, Анадырь) наблюдаются невысокие значения отношения натрия к калию: 0,75—8,0. Реки зоны таежных лесов (Печора, Северная Двина и большая часть бассейна Оби) характеризуются значениями 13—25 (межень) и 1,5—6,8 (паводок). Отношение натрия к калию для больших равнинных рек, пересекающих несколько климатиче­ ских зон (Днепр, Дон, Волга), сильно колеблется в течение года — от 4,5 до 50. Для Енисея отношение варьирует в пределах 1,5—9,5 (в устье 12—26). Горные реки Кавказа отличаются также значи­ тельными колебаниями отношения натрия к калию — от 1,2 до 33.

Из микрокомпонентов в речных водах обнаружены Вг, I, Си, РЬ, Со, Ag, Mn, Ni, Mo, W, Zn и другие в количествах, не превышаю­ щих 10—30 мкг/л. Реки переносят микроэлементы главным обра­ зом в растворенном, коллоидном виде и во взвешенном состоянии. А. Грут и А. Аллерзма в процессе изучения растворенных и взве­ шенных форм микроэлементов в природных водах нашли, что соот­ ношение между этими формами в среднем составляет 1 : 1,8. По данным Г. Д. Супаташвили, для речных вод Грузии основной фор­ мой миграции меди является взвешенная при среднем соотношении CupacTB: Сивзв= 2 : 5. Исследования А. П. Гаранжи, Г. С. Коновалова

210 Раздел 2. Общая и региональная гидрохимия

Таблица 7.7

К онцентрации главны х ионов в водах некоторых крупных рек м ира,

м г/дм 3 (по М. Мейбеку)

Река	Годы	Са2+	Mg2+	Na+	К+	н с о 3	s o	f С1-
М иссисипи	1905	34,0	8,9	11,0	2,8	116	25,5	106,3
	1965 — 1967	39,0	10,7	17,0	2,8	118	50,3	19,3
Св. Лаврен­	1890	30,0	6,0	5,5	1,4	101	14,0	7,5
тия	1968	40,0	8,1	12,6	1,4	113	19,4	27,5
Рейн	1875	50,0	—	5,0	5,0	175	35,0	20,0
	1971 — 1972	100	—	120	8,5	150	96,0	133
Сена	1848	74,0	4,0	7,3	2,2	202	21,8	7,5
	1976	97,0	9,5	39,7	6,9	294	75,0	40,0
Одер	1863— 1907	42,0	6,3	3,8	2,1	—	18,5	4,9
	1971	65,0	7,5	44,0	17,4	—	58,0	61,0

и К. Бриланда показали, что в речных водах с низким значением pH, содержащих малорастворимые органические вещества, до 50 % меди представлено в виде ассоциатов с коллоидными органически­ ми материалами. Данные Т. Флоренца свидетельствуют, что для минеральных форм меди преобладающими в пресных водах явля­ ются Си(ОН)2(до 40 %) и СиС03(до 95 %).

Исследования Е. И. Зубковой показали, что в р. Днестр среднее суммарное содержание во взвеси подвижных форм цинка, меди, марганца, никеля, свинца, ванадия составляет более 70 %, молиб­ дена — 65 % общего количества. На долю поверхностносорбированного комплекса приходится более 60 % марганца, 40 % меди, цинка, свинца, ванадия, около 30 % никеля. На ассоциации с атмосферными гидроксидами железа и марганца приходится 65 % молибдена, более 20 % ванадия, никеля, свинца, цинка, 18 % меди и 7 % марганца.

Для вод большинства рек территории СНГ характерны следую­ щие ряды по убыванию содержания микроэлементов: европейская часть — Pb < Со < Sn < Ag < Mn < V < Zn < Ni < Cu < Mo, азиатская часть — Pb < Ag < Co < Mn < V < Zn < Ni < Cu. Подробнее о форми­ ровании микроэлементного состава природных вод, в том числе речных, сказано в главе 3. Химический состав воды рек в отдель­ ных случаях претерпевает значительные изменения в результате хозяйственной деятельности. О некоторых изменениях в составе главных ионов речных вод можно судить по табл. 7.7 и 7.8.

7.3. Гидрохимический режим главных ионов

Реки имеют три основных источника, или типа, питания: по­ верхностные воды (включая воды почвенно-поверхностного стока), подземные воды и атмосферные осадки. В течение года удельное

3-

CJ

§

<*

а

У* «я

значение этих типов в водном балансе реки сильно колеблется, с чем связаны существенные изменения в минерализации и хими­ ческом составе речных вод. Гидрологический режим каждой реки имеет свои индивидуальные особенности, отражающие климатиче­ ские, геологические и гидрогеологические условия водосборной площади.

Состав воды рек сильно изменяется во времени в связи с быст­ рой сменой погодных условий. От количества выпадающих атмо­ сферных осадков и интенсивности таяния снега зависит характер питания реки, что в свою очередь сказывается на минерализации и составе речных вод.

Р. Гиббс предложил обобщенную диаграмму, на которой представлены основные факторы, влияющие на состав речной воды. Эти факторы определяются источником поступления веществ в во­ ду реки. Выделено три главных фактора: 1 — атмосферные осадки; 2 — поступление веществ из почв и пород; 3 — процессы испарения и выпадения веществ в осадок (рис. 7.5). Из рисунка видно, что для вод с низким содержанием солей (20—30 мг/л и ниже) основным источником является чаще всего их поступление из атмосферы, и поэтому в них преобладают

ионы Na+ и СГ. Воды с очень высоким содержанием солей

(10 0 0 — 2000 мг/л и выше)

испытывают сильное влия­ ние процессов испарения. При этом некоторые соли выпадают в осадок. Посколь­ ку в осадок выпадают карбо­ натные, а затем сульфатные соли кальция, в воде вновь начинают преобладать ионы СГ и Na+. В случае когда пре­ обладающим источником ве­ ществ являются почвы и гор­ ные породы, воды приобрета-

0,2

10

\

/ •Юкон 100 'Преобладание

поступления \ И пород V

/

/Волга.

/

1000

10000 -

мг/л

0,4- 0,6

\

''^оступ/кши \

'^фъмюрерных''

''^Преобладание \

> Ориноко

/

\

*Голе^

• \

/

ри0-fp'ande

•Колораво

/ /

/

Пекос’' М

* /

Джордан ' ф г

/

Морская бода

/

Глав? 7. Гидрохим ия рек

211

\pw-f/eqx) \

\ ч

NS

0,8 1,0

Рис. 7.5. Основные факторы, влияю­		Na/(Na+Ca)
щие на минерализацию речных вод	Ca-HCOj-	• Преобладание ■	f f c r C l
(по Р. Гиббсу)

212Раздел 2. Общая и региональная гидрохимия

Характеристика многолетних изменений (% ) концентраций главных

		СНГ и Балтии (по А . М. Никанорову,
		Период на­						Na2+ + К+
Река — пункт		блюдений,	Са2+			M	g 2 +
		годы
Л ена — с. Кюсюр		1953— 1980	- 1 7 ± 22			-3 1	± 20	-1 1	± 6 0
Обь — г. Салехард		1955— 1980	-9 1	±	19	- 2 7 ± 23		9	± 4 3
Енисей — г. Игарка		1952— 1980	-2 1 ±		12	27 ± 2 3		3	± 26
Северная Двина —		1949— 1975	- 1 5 ± 1 7			-1 1	± 2 4	115	± 5 5
с. Усть— Пинега								77	± 5 5
М езень — д. малонисогор-		1949— 1976	12	± 2 2		- 2 3 ± 55
ская
А м ур —	г. Комсомольск	1950— 1979	- 9	± 9		46 ± 2 5		* 0 ± 4 3
Печора —	с. Усть-Цильма	1948— 1980	3	±	19	-2 1	± 44	129 ±		36
Ю жный Б уг —		1949— 1975	12	± 1 4		17 ± 3 0		14 ± 3 5
с. Александровка
Терек — ст. Каргалинская		1937— 1980	9	± 1 2		49 ± 2 3		81 ± 2 8
Волга — с. Верхнелебяжье		1946— 1980	38	±	12	46 ± 1 9		38	± 2 4
Днестр — г. Бендеры		1955— 1980	5	±	18	54 ± 3 3		122	± 5 7
Онега — с. Порог		1955— 1976	53	± 3 7		27 ± 71		208	± 108
Днепр —	г. Киев	1946— 1975	8	± 1 2		61 ± 2 6		206	± 70
А мударья — с. Кзыл-Джар		1955— 1975	34	± 15		68 ± 4 7		89	± 2 9
Западная Двина —		1946— 1983	17	± 11		30 ± 16		444	± 78
г. Даугавпилс
Дон — г. А ксай		1949— 1980	51 ± 17			129 ± 34		220	±	44
Сырдарья — г. Казалинск		1950— 1974	31	± 1 8		175	± 43	211	± 6 7
Кура — с. Сальяны		1946— 1980	25	± 1 8		164 ± 55		234 ± 51

*Р < 10 — нет оснований говорить об антропогенном воздействии (АВ);

**10 < Р < 35 — незначительное АВ; 35<Р < 60 — АВ средней степени; 60 < Р <

ют гидрокарбонатный кальциевый состав и характеризуются уме­ ренной минерализацией.

Снеговое питание создает малую минерализацию воды с преоб­ ладанием в ее составе ионов НСОз и Са2+, что в значительной мере определяется составом атмосферных осадков. Залегающие под снежным покровом промерзшие почвы являются своеобразным водоупором, и талые воды способны растворять только те соли, кото­ рые заключены в самом верхнем слое почвы. Поэтому минерализа­ ция во время половодья зависит от того, насколько быстро будет стаивать снежный покров, от его мощности и характера погоды пе­ ред выпадением снега. Последнее обстоятельство обусловливает степень промытости почвы и грунтов. Если осень была сухой, то в результате испарения и выветривания у поверхности могут накап-

Глава 7. Гидрохим ия рек

213

Таблица 7.8

ионов,

м инерализации и водного стока некоторы х рек территории стран

В. В. Ц иркунову)

W

Интеграль­

НСО'

soj"

СГ

Ей

ный показа­

тель Р

- 3 3 ± 22

- 5 0

± 31

0 ± 70

- 2 3 ±

26

8 ± 16

- 2 7

- 2

± 1 5

- 8

± 2 8

-74+53**

- 1 6

±

11**

8 ±

18**

- 1 5

- 4 ± 14

19 ± 2 6

- 1 0 ± 22

- 3 ± 13

7 ± 9

- з

- 1 3 ± 2 0

9 ± 25

- 1 7 ± 30

- 6 ± 1 8

- 2 1 ± 19

10

5 ± 2 4

170

±

70

- 5

± 2 5

14+22

- 5

± 1 5

27

- 1

±

12

61 ±36**

117 ± 5 3

3+

12

- 2 8 ± 2 1

31

6 ± 22

103

± 59

25+ 29

19 ± 1 9

- 6 ±

10

33

- 9

±

13

135

± 25

205 ± 59**

22

±

11**

80 ± 37**

42

7 ± 9

61 ±

19**

93 ± 27**

28

±

11**

-3 1

±

13**

49

- 2

± 8

71

±

18

282 ± 41**

291

±

9**

- 4

±

13**

59

13 ±

15

67 ± 30“

150

± 58**

45

±

18**

64 ± 33**

60

30 ± 4 8

115

± 6 7

93

± 7 9

51 ± 4 5

-1 9 + 3 0

60

0 ±

13

217

± 3 4

434

± 122

24 ± 1 5

20 ± 3 3

80

2 ± 1 9

250 ± 49**

191

±49**

151

± 33**

- 1 0 3 ±

22**

96

2 ± 1 2

289

± 46

609 ± 1 1 0

25 ±

12

- 2 1

± 23

112

14 ± 10

215

± 3 3

209

± 54

114 ± 2 0

- 3

± 38

114

- 2 2

±

19

306

± 70

400 ± 70**

166

± 39*’

- 1 4 4 ± 22”

121

- 1

±

10

423

± 47

317

± 9 5

130 ±

18

- 2 0 ± 23

141

90 — сильное АВ; Р > 90— очень сильное АВ. Период наблюдений до 1984 г.

л:таться соли, но при дождливой осени, наоборот, почвы будут бедны солями.

Дождевое питание, если оно достаточно интенсивно для того, чтобы создать поверхностный сток, обусловливает малую минера­ лизацию воды, но обычно более высокую, чем при снеговом пи­ тании. При этом виде поверхностного питания, так же как и при снеговом, большое значение имеет характер погоды в период, предшествующий выпадению дождя, то есть была ли погода доста­ точно сухой в течение продолжительного времени и соли накопи­ лись на поверхности почвы вследствие испарения или, наоборот, проходившие дожди хорошо промыли поверхность почв и грунтов.

Горно-снеговое и ледниковое питание также определяет малую минерализацию. Этот тип питания присущ высокогорным облас­ тям, которые отличаются сильным увлажнением, поэтому грунты и

214 Раздел 2. Общая и региональная гидрохим ия

почвы здесь хорошо промыты и, следовательно, бедны легкораство­

римыми солями.

Подземные воды обычно являются основным источником пита­ ния рек в меженные периоды, когда создаются наиболее благопри­ ятные условия для разгрузки водоносных горизонтов в русла рек.

т/л	Подземные воды обладают
	повышенной минерализацией и
	разнообразным химическим со­
	ставом, определяемым особенно­
	стями геолого-гидрогеологичес-
	ких условий. Влияние различ­
	ных горных пород на формиро­
	вание максимальной минерали­
	зации речных вод 50 малых ре­
	перных водосборов США пред­
	ставлено на рис. 7.6. Из рисунка
	видно, что степень влияния по­
	род меняется в зависимости от
	годового стока рек.

Рис. 7.6. Взаимосвязь между макси­ мальной минерализацией воды и средне­ годовым стоком для реперных водосбо­ ров США (по Д. Бесекеру и Д. Лейфесту)

Своеобразные условия для поверхностного стока создаются на заболоченных пространствах. Воды, вытекающие из болот, маломинерализованы и содержат много органических веществ гумусо­ вого происхождения, вследствие чего вода окрашена в желтый, а иногда даже в коричневый цвет.

Степень минерализации и состав речных вод меняются в зави­ симости от сезона, что обусловлено преобладанием в течение года роли различных видов питания реки (рис. 7.7). При увеличении поверхностного стока минерализация речной воды падает, а при его уменьшении и увели­ чении грунтового пи­ тания она возрастает.

	ЛедниковыеВоВы
Рис. 7.7. Расчленение гид­	______ЯоВгенныеВоды
рографа стока горной реки	Й?^пй|йтЬтпр
по источникам питания
(по А. И. Чеботареву)	X XI XII

Глава 7. Гидрохим ия рек

215

Поэтому во время половодья и паводков минерализация оказывает­ ся минимальной, а в межпаводковые периоды (зимняя или летняя межень) достигает наибольших значений. Самое сильное падение минерализации воды рек равнинной части России обычно бывает весной, в период половодья.

Интересно отметить, что в зоне сухих степей и пустынь минера­ лизация паводковых вод в начальный период паводков может быть более высокой, чем в конечной их стадии. Например, 11 апреля 1950 г. паводковые воды р. Сарысу имели минерализацию 3,03 г/л, а 21 апреля — 1,97 г/л. Аналогичное явление констатировал К. Г. Лазарев на Амударье. Его можно объяснить смыванием и рас­ творением накопившихся за год солей на площади бассейна первы­ ми же массами весенних вод. Это объяснение подтверждается хи­ мическим составом вод: в конце паводков содержание ионов хлора и натрия резко снижается. В дальнейшем минерализация падает, так как воды текут уже по промытым путям.

Гидрохимический режим реки определяется совокупностью фи­ зико-географических факторов. Поэтому режим рек, находящихся в разных физико-географических условиях, неодинаков. Преобла­ дание снегового питания вызывает резкое понижение минерализа­ ции воды реки весной или в первую половину года (рис. 7.8 а), при­ чем понижение может быть весьма различным. Максимальное по­ вышение минерализации наблюдается зимой, а в южных районах оно возможно и летом. Преобладание дождевого питания в течение теплого времени года создает частые понижения минерализации с максимумами в промежутках между подъемами воды. Для воды рек высокогорного снегового и ледникового питания характерна минимальная минерализация во время наибольшего таяния снегов на верхних ярусах гор и ледниках (рис. 7.8 б).

Определить вид питания помогает и изотопный состав вод. На­ пример, реки аридной зоны, питающиеся за счет таяния высоко­ горных ледников и снега, имеют пониженнные значения 5D и 5180. Пересыхающие реки аридной зоны, наоборот, отличаются повы­ шенными концентрациями дейтерия и кислорода-18. Как показано А. М. Никаноровым, М. Г. Тарасовым и Ю. А. Федоровым, изотоп­ ный состав вод рек Северного Кавказа, питающихся за счет ледни­ ков, имеет гораздо более низкие значения 8D и 6180, чем изотопный состав дождевих вод этого же района.

Существенные изменения изотопного состава речных вод за счет испарения можно наблюдать на примере крупных рек, пересекаю­ щих различные климатические зоны. Так, содержание дейтерия в воде р. Нил в период паводка у Хартума 23%о, у Каира — 21%о.

216	Раздел 2. Общая и региональная гидрохимия
В меженный	период эти значения равны соответственно 1,5 и

1,6 %о. По расчетам, на отрезке между Хартумом и Каиром (при­ близительно 3 тыс. км) Нил теряет около 3 % своей воды на испа­ рение.

Рис. 7.8. Изменение минерализации Ей (/) и расхода воды Q (2) в течение года

о — р. Белая (г. Стерлитамак, 1953 г.), б — р. Терек (г. Орджоникидзе, 1942 г.) (по О. А. Алекину)

Многие исследователи изучали связь между расходом воды в реках и содержанием в воде растворенных и взвешенных веществ. Для взвешенных веществ эта связь прямая, а для растворенных — обратная. Примеры приведены на рис. 7.9.

В упрощенном виде связь между концентрацией взвешенных веществ (С) и расходом (Q) выражается следующим уравнением:

C = aQb.

(7.1)

Однако это уравнение часто усложняется в связи с влиянием се­ зонных и гистерезисных явлений.

Уравнение связи концентрации растворенных веществ (Ей) и расхода воды в реке (Q) в упрощенном виде может быть представле­ но как

Глава 7. Гидрохим ия рек	217
Ей = a Q b.	(7.2)

Во многих работах сделаны попытки усложнить эту простую модель и включить более сложные функции связей концентраций с расходами (Ф. Холл, В. В. Фадеев, М. Н. Тарасов, В. JI. Павелко и др.), со значениями отдельных компонентов стока, полученных с учетом баланса масс (К. Грегори, Д. Уоллинг), а также использо­ вать смешанные модели (Н. Джонсон и др.).

а)

ме/л

■о

е 2000

ЮОО

ai

v> 500

$

£ 200
	100
	50
(X 20		0,05 0,1 Ц2 0,5 1 2 И3/С
I	10	Р асход
	5
I	2
	1
	0,5

!5 10 50 100

&мг/л

%аоо

| 200 § ’00

% 50

? 30

0,5 1 5 10 50 ЮО к 5/с

Расход

Рис. 7.9. Взаимосвязь между концентрациями взвешенных и рас­ творенных веществ и расходом воды (по Д. Уоллингу)

а — р. Экс, Торвертон, Англия; б — р. Бек Брук, Восточный Де­

вон, Англия

Зависимость концентраций различных компонентов химиче­ ского состава воды от расхода неоднозначна. Часто содержание Са2+

и Mg2+, а также СГ и SO2* изменяется аналогично изменениям ми­

нерализации (рис. 7.9), но могут отмечаться и другие закономерно­ сти (рис. 7.10).

О. А. Алекин предложил систематизацию типов гидрохимиче­ ского режима рек в соответствии с особенностями их водного ре­ жима. Выделение типов гидрохимического режима рек основано на