Текст книги "Бессточные водоемы Казахстана. Том 1. Гидрохимический режим"

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, МЕТОДЫ И МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ АНТРОПОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО РЕЖИМА И КАЧЕСТВА ВОД ВОДОЕМОВ АРИДНЫХ ЗОН

2.1 Концептуально – методологические основы оценки влияния антропогенных факторов на химический состав воды бессточных водоемов

Теоретические основы гидрохимии – науки о химическом составе природных вод, а также его изменении под влиянием естественных (химических, физических и биологических) и антропогенных факторов и процессов, тесно связаны с изучением, процессов солеобразования и соленакопления, условий формирования, трансформации состава вод под действием различных факторов.

При исследовании этих вопросов мы руководствовались учением школы академика Н.C. Курнакова о физико-химическом анализе применительно к природным водам, рассолам и солям, развитого в дальнейшем его учениками и последователями как в России (А.Г. Бергман, М.Г. Валяшко, А.И. ДзенсЛитовский, А.Б. Здановский, И.Н. Лепешков, А.Н. Николаев, Н.М. Страхов, О.А. Алекин, А.М. Никаноров, М.В. Мартынова и др.), Казахстане (Б.А. Беремжанов, А.И. Мун, З.А. Базилевич, Р.С. Дарер, Р.Е. Жаймина, М.А. Ибрагимова, Л.Г. Бояринова, Р.А. Идрисова, Н.А. Каражанов, Н.Е. Снегирева, А.И. Ибрагимов, В.Я. Пильгук, Ю.К. Увалиев, М.С. Панин, Н.А. Амиргалиев, С.М. Романова и др.), Киргизии (В.К. Кадыров, К. Сулайманкулов, А. Карманчук, К. Казиев, Ж. Асаналиев и др.), Узбекистане (Э.И. Чембарисов, Н.И. Сабитова, Л.З. Шерфединов, Н.Е. Горелкин, К.М. Степанова, Г.А. Толкачева и др.), так и в других странах (В. Витштейн, А. Шпайхер, Н. Шмидеберг, Ш. Лувсандорж, Р. Гарайби)

Природные воды – это по существу растворы природных соединений, поэтому они рассматриваются нами как природные равновесные физикохимические системы, состоящие из воды и растворенных в ней веществ. К ним применимы законы и теории растворов и индивидуальных веществ (законы действующих масс, термодинамики, гетерогенных равновесий, эквивалентов, теории сильных и слабых электролитов, электролитической диссоциации, строения веществ, химической связи).

Состав природных вод аридных и гумидных областей отражает физикохимические условия их происхождения и существования в окружающей среде. Так, для условий Казахстана на примере оз. Балкаш и Прибалкашских озер профессором Б.А. Беремжановым детально изучен генезис природных солей, освещены некоторые вопросы соленакопления и солеобразования в континентальных котловинах, а также обоснованы рациональные пути использования солей сульфатных озер. При этом Б.А. Беремжановым изучены лишь главные ионы состава вод.

Исходя из учения о направленном изменении химического состава вод и рассолов под влиянием процессов метаморфизации (Н.С. Курнаков, С.Ф. Жемчужный, М.Г. Валяшко, Г.К. Пельш, И.К. Жеребцова, В.С. Самарина), Б.А. Беремжановым показаны причины и механизм процессов метаморфизации, протекающих в озерах Балкаш, Алаколь и Сасыкколь, которые в конечном итоге привели к засульфаченности воды этих водоемов. Для объяснения данного явления необходимо было дать характеристику водам выщелачивающим, транспортирующим и аккумулирующим соли Прибалкашья. По мнению Б.А. Беремжанова в оз. Балкаш при смешении вод разных типов и концентраций между собой и с водой озера должны протекать процессы метаморфизации, приводящие к формированию состава воды озера (рисунок 2.1). Используя идеи о катионном обмене, получившие широкое развитие в работах С.А. Щукарева, создавшего совместно с Т.А. Толмачевой коллоиднохимическую теорию соляных озер, удалось объяснить причины снижения содержания кальций ионов в воде озера Балкаш и Сасыкколь. В воде озера протекают, по мнению Б.А. Беремжанова, реакции не только двойного обмена, но и катионного обмена воды озера с донными, береговыми породами и коллоидно-глинистым материалом (содержащими большое количество поглощенного кальция), вносимым в озеро. Все эти процессы способствуют образованию и осаждению карбоната кальция и повышению содержания сульфата натрия. Пользуясь химической диаграммой Н.С. Курнакова, физикохимическим анализом процессов изотермического испарения и политермического охлаждения рассолов озер, а также отличительными особенностями состава балкашской воды был высказан прогноз состава рассолов и твердых отложений соляных озер Прибалкашья.

Рассматривая природные и общественные явления с точки зрения гидроэкологии, как сложные системы, состоящие из взаимосвязанных объектов, профессор А.А. Турсунов отмечает особую роль воды в процессах взаимного массо -, энерго – и информационного обмена между объектами и явлениями этой системы. Философски переосмысливая имеющийся материал по гидроэкологии аридных водоемов Центральной Азии (Аральское море, озёра Балкаш, Алаколь, Эбиноор (КНР) и др.), автор отмечает целый ряд их отличительных особенностей (эмерджентность, морфометрия, ветровые течения, гидрохимия и гидробиология). Благодаря этим свойствам для процессов аридных водоемов оказывается неприменимым большинство закономерностей, выявленных ранее для крупных озер гумидных зон (озёра Байкал, Ладожское, Онежское, Севан и др.). Таким образом, отдельные выводы и разработки по гидроэкологии аридных водоемов профессора А.А Турсунова дополняют и развивают основные теоретические положения континентального солеобразования Б.А. Беремжанова. В частности, А.А. Турсунов утверждает, что вдольбереговое перемещение наносов и взаимодействие воды мелководного водоема с пологими берегами, а также ветровые течения должны оказывать влияние на протекание процессов метаморфизации химического состава воды озер и водохранилищ.

Учеными стран СНГ разработан ряд методологических подходов для познания гидрохимии искусственных водоемов (А.Б. Авакян, Г.В. Воропаев, Ю.М. Матарзин, А.И. Денисова, Е.П. Нахшина, Ю.Г. Майстренко, А.А. Зенин, М.И. Кривенцов, М.Н. Тарасов, Н.А. Амиргалиев, С.И. Абремская и др.).

Однако наряду с успехами имеются и недостатки, имеющие принципиальное значение – недостаточный учет генезиса, специфики и особенностей формирования водохранилищ в условиях интенсивного антропогенного влияния, а водохранилища – охладители на основе соляных озер практически не изучены. Факторы, определяющие гидрохимический режим водохранилищ, в том числе ВО, можно условно разделить на внешние и внутренние. К первой группе относятся: климат, поверхностный сток (притоки), почвы, грунтовое и подземное питание, антропогенный фактор (забор воды и стоки). Причем, значительное влияние из антропогенных факторов оказывает режим подпитки и условия эксплуатации ВО и гидротехнических сооружений, выбросы газов и золы с ГРЭС в атмосферу, сброс нагретых циркуляционных вод в водоемы. В результате действия внешних факторов, как правило, в воде ВО повышается содержание веществ минерального и органического происхождения, отмечается наличие горизонтальной дифференциации и отсутствие вертикальной стратификации минерализации и ионного состава, смещение фазовых равновесий в экосистемах. Вышеперечисленные факторы отличают ВО от естественных озер и водохранилищ.

Важным этапом изучения водохранилищ вообще, а ВО в частности, является период их становления, когда протекают активные процессы в системах «вода-почва», «вода – донные отложения», приводящие за счет диффузии к поступлению растворенных соединений из залитого ложа в воду. Скорость распределения поступающих из почв веществ зависит от ветрового перемешивания водных масс, течений, водообмена, мелководности водоема. В этот же период происходит поступление минеральных и органических веществ за счет процессов микробиологической деструкции донных отложений и затопленных растений. А это, в свою очередь, влияет на формирование гидробиологического режима.

Характер, структура и мощность донных отложений в первую очередь определяют протекание таких внутриводоемных процессов, как продолжающаяся диффузия солей, седиментация, сорбция – десорбция, продукция – деструкция, окисление – восстановление, комплексообразование, катионный обмен, обменные реакции. Эта группа процессов, точнее соотношение скоростей этих процессов, в конечном итоге определяют процессы самоочищения и самоочищающую способность водных масс и возможность вторичного загрязнения вод. Вышеперечисленные процессы могут способствовать проявлению такого нежелательного явления, как накипеобразование и биологическое обрастание конденсаторных трубок турбогенераторов ГРЭС. Протекание различных гидрохимических, гидробиологических процессов должно усиливаться за счет особого термического режима ВО, создаваемого регулярным сбросом нагретых циркуляционных вод с ГРЭС в водоем. На рисунке 2.2 представлены основные, наиболее изученные факторы и процессы, определяющие направленность внутриводоемных процессов в ВО. Какой из этих процессов является преобладающим, определяется морфометрией водоема, характером его питания, водообменном, почвами и донными отложениями залитого ложа и водосборной площади, дополнительным подогревом воды, биологической продуктивностью. Кроме того, режим различных химических соединений зависит от разных факторов: поверхностный сток и продукционно – деструкционные процессы – для биологических и органических веществ; почвы и донные отложения – для металлов и т.п. Антропогенный фактор оказывает действие на протекание практически всех процессов в водоемах.

2.2 Постановка задач исследований

Обычно при исследовании естественных водоемов авторы дают качественную характеристику химического состава вод, но остается не изученной в достаточной мере трансформация их химического состава, гидрохимический режим и качество вод и их изменений под влиянием антропогенных факторов. В настоящее время накоплен достаточно большой объем весьма разнородного материала, характеризующего условия и факторы формирования химического состава озерных вод гумидных областей. В то же время исследование гидрохимии озер и водохранилищ аридных зон едва достигли стадии формирования основных эмпирических закономерностей, а водохранилища-охладители Казахстана практически не изучены. Это обусловлено отсутствием единого методологического подхода к решению данной проблемы, частным либо узко-практическим характером решаемых задач в каждом отдельном случае, а также недостаточно четкими представлениями о механизмах и процессах, приводящих к метаморфизации химического состава вод, солеобразованию и соленакоплению (в частности, карбонатообразованию и карбонатонакоплению), сорбции – десорбции металлов и неметаллов, самоочищению и загрязнению природных вод и др.

Много нерешенных вопросов в протекании процессов, регулирующих потоки веществ в системах «вода – донные отложения», «вода-глина», «водасоль». По–прежнему остаются неясными вопросы, касающиеся динамики химического состава воды континентальных озер при контакте с донными отложениями, содержащими в своем составе соли, оксиды и гидроксиды. Такое исследование представляет большую трудность, поскольку оно сводится к изучению гетерогенных систем, как в естественных, так и модельных условиях, в которых протекают физические, химические и биологические процессы с разной скоростью и направленностью.

Дискуссионными до сих пор остаются вопросы оценки загрязненности токсическими веществами природных вод вообще и объектов водосборных бассейнов, в частности (атмосферные осадки, донные отложения, почвы, притоки, подземные и грунтовые воды).

На стадии разработок ведутся исследования по выявлению и устранению нежелательных процессов, приводящих к накипеобразованию и биологическому обрастанию в системах охлаждения агрегатов ГРЭС, использующих воду аридных водоемов.

Отсутствие исследований, в которых бы процессы, обусловливающие формирование гидрохимического режима и качества воды, континентальных и искусственных водоемов аридных зон под влиянием антропогенных факторов, рассматривались как единое целое, в их взаимосвязи, выявлении особенностей и зависимости от параметров окружающей среды, препятствует получению целостного представления о гидрохимии водоемов. Это вызывает потребность в систематизации фактического материала и определяет характер выбранного исследования.

Для решения поставленных перед автором задач в качестве объектов были выбраны: оз. Балкаш – типичный континентальный бессточный водоем, искусственно созданные действующие ВО ЭГРЭС– 1, 2 с каналом подпитки (канал Ертис-Караганда им. К. Сатпаева, далее КЕК) и ВО проектируемой ЮК ГРЭС на западном берегу оз. Балкаш.

Одновременно с главными солеобразующими ионами в воде названных водоемов изучена динамика и режим биогенных элементов (N, P, Fe, Si) и органических веществ. Большинство из них являются элементами питания водной и наземной растительности, зообентоса; некоторые (Fe) активно участвуют в окислительно-восстановительных и др. процессах. Кремний улучшает усвоение растениями и зообентосом труднодоступного фосфора в илах, донных отложениях и почвах. Биогенные элементы взаимосвязаны между собой, а их содержание в значительной степени определяется жизнедеятельностью водных организмов, фитопланктона и растений, для развития которых в аридных водоемах создаются благоприятные условия в отдельные сезоны года.

Из числа многочисленных микроэлементов изучено пространственновременное распределение бора, фтора, брома, йода, меди, цинка, марганца и других тяжелых металлов в воде водоемов. Их выбор обусловлен не только тем, что они в определенных концентрациях оказывают важное экологическое и физиологическое воздействие на человека, животных и растений, участвуют во многих гидрохимических и биологических процессах, но их содержание необходимо учитывать при оценке качества вод для различных нужд народного хозяйства.

Особое внимание было обращено на процессы карбонатообразования, протекающие в естественных условиях, при изотермическом испарении и охлаждении вод. Способность воды растворять или выделять в осадок СаСО₃ зависит от степени насыщенности им воды. Если вода не насыщена СаСО₃, то она может растворять карбонатосодержащие вещества. Если вода пересыщена СаСО₃, то при определенных условиях СаСО₃ может выделяться в осадок.

Постановка и необходимость исследований таких процессов при изучении гидрохимического режима водохранилищ – охладителей очевидны. Прежде всего, данные расчета насыщенности воды СаСО₃ нужны при составлении солевого баланса водохранилищ, так как возможное химическое выпадение СаСО₃ в осадок является одним из компонентов расходной части уравнения баланса.

Состояние карбонатно-кальциевого равновесия определяет также особенности воздействия воды на строительные сооружения из бетона, то есть дает возможность оценить агрессивные свойства воды. Однако первостепенный интерес представляют данные по карбонатной системе при решении вопросов, связанных с накипеобразующим свойством воды водохранилищ – охладителей. Ответить на вопрос о насыщенности воды СаСО₃ возможно лишь на основе изучения карбонатно-кальциевого равновесия воды.

Изучено также состояние равновесия в воде оз. Балкаш в современных условиях и сопоставлено с данными предыдущих лет. Исследовано равновесие и в воде водохранилищ-охладителей, его изменение по глубине и сезонам года. Для этого на ВО ЭГРЭС выбраны две вертикали, одна из которых находится в центральной части водохранилища, а другая у водозабора. Параллельно исследовалось состояние карбонатно-кальциевого равновесия и агрессивные свойства воды канала подпитки.

Поскольку процессы самоочищения природных вод Казахстана изучены недостаточно, а данных о роли сорбции – десорбции металлов и неметаллов в оз. Балкаш и ВО в самоочищающей способности вообще нет, сочли необходимым провести специальные исследования этой важной проблемы.

Решение вышеперечисленных задач подробно изложено в соответствующих разделах данной диссертации.

2.3 Объем полевых работ

За период исследования было организовано, соответственно, 10; 74; 27 и 23 экспедиционных выездов на оз. Балкаш, ВО ЭГРЭС-1, ЭГРЭС-2 и ЮК ГРЭС (таблицы 2.1-2.4, рисунки 2.3-2.5). При этом осуществлено 5 гидрохимических съемок акватории оз. Балкаш, из них 2 – совместно с ИЗ НАН РК. Из озера были отобраны пробы воды на химический анализ в пунктах по 5-7 километровой сетке.

В первые годы существования ВО пробы воды отбирались ежедекадно, в дальнейшем – посезонно. Для изучения гидрохимического режима водохранилищ-охладителей отбор проб воды и донных отложений производили согласно рекомендациям по комплексным натурным исследованиям гидротермического, химического и биологического режимов ВО ГРЭС [127], а именно: у водозаборных сооружений, в месте сброса теплой воды, по акватории с поверхности и в придонном слое, а также в питающих каналах (рисунки 2.42.6).

Кроме того, в разные годы проведены наблюдения за режимом неустойчивых компонентов химического состава воды водоемов с отбором проб через каждые 2 часа в течение 1-2 суток. Отбор глубинных проб производили батометром Молчанова ГР-18, а дночерпателем ДЧ-0,025 или Петерсена отбирали образцы донных отложений, почвы – прибором для отбора проб основных монолитов грунта.

Таблица 2.1 – Объем полевых работ на оз. Балкаш

Таблица 2.2 – Объем полевых работ на водохранилище-охладителе ЭГРЭС-1

Таблица 2.3 – Объем полевых работ на водохранилище-охладителе ЭГРЭС-2

Таблица 2.4 – Объем полевых работ на водохранилище-охладителе ЮК ГРЭС

Произведен отбор образцов льда по всей акватории оз. Балкаш (на 14 характерных станциях), снежного покрова с прилегающих к ЭГРЭС территорий и льда с водоемов-охладителей: ЭГРЭС-1 (46 образцов), ЭГРЭС-2 (8 образцов), ЮК ГРЭС – 18 образцов, а также дождевых вод. Образцы донных отложений и почв подвергались химическому анализу на засоленность и загрязнение тяжелыми металлами.

2.4 Методы и методология экспериментальных исследований

При рассмотрении пространственного распространения элементов химического состава в воде оз. Балкаш пользовались гидрохимическим районированием акватории озера по Тарасову М.Н. [3]. Для выяснения вертикальной стратификации компонентов химического состава пробы воды отбирались в поверхностных (0,5 м) и придонных слоях.

Согласно рекомендациям [127; 128] определение неустойчивых компонентов воды (рН, НСО^-₃, СО²⁻₃, NO⁻₂, NH⁺₄, окисляемость, О₂, СО₂) проводилось сразу после отбора проб, остальных – в лаборатории после консервирования

Рисунок 2.4 – Схема ВО ЭГРЭС-1 с пунктами отбора проб воды и почв

Рисунок 2.5 – Схема ВО ЭГРЭС-2 с пунктами отбора проб воды и почв

Рисунок 2.6 – Схема ВО ЮКРЭС с пунктами отбора проб воды, донных отложений и почв

Для определения компонентов химического состава воды были применены общепринятые в гидрохимической практике методы (таблица 2.5). Проверка указанных методов показала, что процент ошибок не превышал допустимых значений их погрешности. Все пробы воды и почвы анализировались минимум в трех – четырехкратной повторности. Для получения достоверных выводов применялась математическая обработка [129].

Таблица 2.5 – Применяемые методы химического анализа воды [128, 130, 131]

Анализ донных отложений выполнен по руководству [132]. Предварительно воздушно-сухие образцы илов измельчали и просеивали через сито с отверстиями в 1мм. Рассчитанную навеску заливали бидистиллированной водой в соотношении 1: 5 и взбалтывали в течение трех минут. Затем вытяжку фильтровали через промытый фильтр. Для описания донных отложений и почв использована классификация по степени засоления И.П. Герасимова и Н.И. Базилевич, Е.И. Панковой [133]. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах и донных отложениях определяли по методике Т.Я. Ринькиса [134], а валовое содержание – количественным спектральным анализом.

Расчет компонентов карбонатно-кальциевого равновесия производили по методике и рекомендациям О.А. Алекина, Н.П. Моричевой [135] и автора [136] без учета образования ионных пар и комплексов.

Для более точной количественной оценки кристаллизации солей произведено лабораторное исследование по изотермическому испарению и политермическому охлаждению воды оз. Балкаш. При этом был использован метод, предложенный сотрудниками ВНИИГ и КазНУ им. аль-Фараби [137]. В ходе испарения воды из концентрированного раствора производился отбор проб жидких фаз и отделение выпавших осадков. Жидкая и твердая фаза анализировались на содержание главных ионов.

Методика проведения опытов по сорбции тяжелых металлов и фосфатионов донными отложениями и химически чистыми веществами заимствована из [138]. Навески твердой фазы приводились в контакт с растворами определенной концентрации соответствующего вещества до состояния равновесия, установление которого проверялось по достижении постоянной концентрации ионов в растворе. Опыты проводились в стеклянных сосудах при качании на специальном устройстве в термостатированном шкафу (25⁰С). Равновесный раствор отделялся от осадка, каждая фаза подвергалась химическому анализу по вышеприведенным методикам. Для доказательства факта поглощения элемента применялись методы кристаллооптики, ИКспектроскопии и рентгенофазового анализа.

Для составления баланса карбонатных солей в оз. Балкаш использовали приходные и расходные его части за 1985 г. Поступление и расход солей, в том числе карбонатов, при метаморфизации химического состава воды оз. Балкаш, с почвами береговой зоны рассчитано по данным ГГИ с использованием графиков Г.М. Сечного.

Поступление и расход солей за счет балансового перетока в Восточный Балкаш и из Восточного Балкаша рассчитано по данным водо – и солеобмена в проливе Сары-Есик ИГ НАН РК [38].

Для уточнения характера связи между минерализацией воды озера и главными ионами проработаны и обобщены имеющиеся многолетние (с 1970 г.) сведения по химическому составу воды оз. Балкаш, построены достоверные графики связи. Проработаны и обобщены также сведения по химическому составу воды рек, впадающих в оз. Балкаш за период с 1937 по 1987 гг. Такие графики связи построены и для других водоемов.

Для расчета органического вещества определена перманганатная и бихроматная окисляемость, органический углерод и органический азот в пробах воды, отобранных из озера Балкаш за период 1987-1990 гг.

Для физико-химического исследования процессов метаморфизации воды водохранилища использовалась объединенная химическая диаграмма академика Н.С. Курнакова. Методика расчета фигуративных точек для нанесения на химическую диаграмму дана в работе [140].

Согласно рекомендациям [91] степень поглощения того или иного компонента химического состава воды можно принять за самоочищающую способность или степень самоочищения (СС), выраженную в процентах убыли концентрации загрязняющего вещества относительно первоначальной концентрации.

Как правило, процесс самоочищения воды от загрязняющего вещества описывается уравнением реакции первого порядка. В связи с этим константа скорости К₁ суммарного процесса уменьшения концентрации в воде загрязняющего вещества или показателя загрязнения (сут^-1) выражается в виде: К₁ = (1/τ) ln С_н/С_к, где: τ – время, сутки; С_н – начальная концентрация вещества, мг/л; С_к – конечная концентрация вещества, мг/л.