ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2013, том 40, № 6, с. 583-592
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 556.114:556.5
ГЕОХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ГУМИДНОЙ ЗОНЫ НА ОСНОВЕ ИХ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО РАВНОВЕСИЯ
© 2013 г. П. А. Лозовик
Институт водных проблем Севера КарНЦРАН 185003 Петрозаводск, просп. А. Невского, 50 E-mail: lozovik@nwpi.krc.karelia.ru Поступила в редакцию 24.03.2011 г.
Разработана классификация поверхностных вод гумидной зоны по гумусности, щелочности и трофности, основанная на кислотно-основном равновесии этих вод, обусловленном двумя системами: гумусовой и карбонатной, что позволило более объективно по сравнению с экспертными системами установить геохимические классы вод. Дана интегрированная оценка качества природной воды с использованием баллов качества по отдельным показателям. Для водных объектов, подверженных антропогенному влиянию, указывается степень их загрязнения в соответствии с индексом загрязнения воды, который рассчитывается по важнейшим нормируемым компонентам с учетом их геохимического фона и значений ПДК для рыбохозяйственных водоемов.
Ключевые слова: поверхностные воды, гумидная зона, классификация вод, кислотно-основное равновесие.
DOI: 10.7868/S0321059613060072
Качество природных вод — основная характеристика степени их пригодности для различных видов водопользования. В этом плане существенную помощь могла бы оказать классификация вод, основанная на каком-либо общем свойстве природных вод, связывающем воедино многообразие химических параметров воды. Разработка теоретических основ классификации вод является весьма актуальной задачей.
В настоящее время широко используются классификации вод по преобладающим ионам (для поверхностных вод чаще всего применяется классификация О.А. Алекина) и по уровню трофии (содержанию общего фосфора (Робщ) и хлорофилла "а" (Хл "а")). По остальным параметрам очень мало классификаций для природных вод и достаточно много — для загрязненных. Вопросы загрязнения вод в данной работе не рассматриваются, а основное внимание уделено классификации природных вод. Применительно к поверхностным водам гумидной зоны необходимо выделить экспертные классификации вод по минерализации, косвенным показателям содержания органического вещества (ОВ) и уровню трофности (по Робщ и Хл "а") отечественных исследователей И.В. Баранова [1], Н.С. Харкевич [23], С.П. Кита-
ева [5], В.В. Бульона [3]. Следует также отметить комплексную экологическую классификацию качества вод В.Н. Жукинского, О.М. Оксиюка [18], но она достаточно громоздкая, и выделяемые по ней классы вод зачастую не соответствуют действительности. Автор настоящей статьи в сотрудничестве со своими коллегами также неоднократно делал попытку создания классификации водных объектов Карелии с чисто экспертным подходом, но всякий раз возникали сложности отнесения объектов к тому или иному типу в переходных областях и несоответствие другим экспертным классификациям [14, 15].
В гидрохимии традиционно принято рассматривать гидрохимический режим водного объекта по четырем составляющим: 1) минерализации и ионному составу; 2) органическому веществу; 3) биогенным и литофильным элементам; 4) газовому со-таву, взвешенным веществам и рН воды. Поэтому в классификации вод эти четыре составляющие необходимо рассматривать как отражающие основные характеристики воды, но при этом следует учесть взаимосвязь и взаимообусловленность многих компонентов химического состава воды и на этой основе создать классификации вод по химическим показателям.
ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ГУМИДНОЙ ЗОНЫ
Поверхностные воды гумидной зоны отличаются высокой вариабельностью химического состава воды. Яркий пример этих вод — поверхностные воды Карелии. Анализируя данные по химическому составу воды более чем 800 водных объектов Карелии, можно отметить некоторые особенности вод гумидной зоны [8]. Так, минерализация в поверхностных водах изменяется в широких пределах (2—460 мг/л, среднее медианное значение — 19 мг/л). Среди катионов преобладают ионы Са2+, Mg2+ и редко Na+. В составе анионов наряду с гидрокарбонатами зачастую высока доля анионов органических кислот, а в низкоще-лочностных высокогумусных водах они доминируют. Между макрокомпонентами и минерализацией воды (£и) существует тесная связь. Особенно высокая степень корреляции r наблюдается между Хи и щелочностью воды (Alk), содержанием Са2+, Mg2+, поскольку поступление в воду этих компонентов связано в первую очередь с процессами выщелачивания глинистых силикатных и карбонатных пород под действием CO2 и гумусовых веществ: Еи = 1.5 [Alk] + 6.2, r = 0.98, n = 605; Еи = 6.0[Ca2+] + 4.4, r = 0.97, n = 605; Еи = = 14.7[Mg2+] + 3.6, r = 0.96, n = 605, где n — количество водных объектов (во всех уравнениях концентрация выражена в мг/л).
Вторая особенность вод - высокая вариабельность содержания ОВ — от весьма низкого (~1 мг/л) до очень высокого (>90 мг/л). При этом в большинстве объектов доминируют вещества гумусовой природы, которые дают небольшой вклад в щелочность воды [9]. В то же время в озерах с замедленным водообменном (озера или с малым удельным водосбором, или высокоэвтрофные) доля автохтонного ОВ может достигать 40—60% [12]. В высокогумусных водах наблюдается значительное содержание Fe (до 5 мг/л), тогда как в низ-когумусных — небольшое количество (<0.01— 0.3 мг/л). Между содержанием Fe и гумусностью (Hum) воды существует определенная связь: Fec^= = 0.0143 Hum + 0.08, r = 0.63, n = 756, где
Hum = VЦВ ПО (ЦВ — значение цветности воды, град. шкалы Co; ПО — перманганатная окисляе-мость, мгО/л). Гумусовые вещества являются хорошими комплексообразователями по отношению к ионам многих металлов, в том числе и Fe [4]. Это и обусловливает высокое содержание Fe в гумусных водах. Поскольку растворимость фосфатов Fe невысока, это приводит к тому, что Робщ представлен в основном Fe-связанными форма-
ми при низком содержании гидро- и дигидрофос-фатов. Концентрация Робщ в поверхностных водах Карелии колеблется в широких пределах (2— 204 мкг P/л), но медианная концентрация достаточно низкая (17 мкг P/л). Содержание Рмин составляет в среднем ~10% Робщ.
В связи с тем, что все объекты, за исключением больших стратифицированных озер [10], имеют близкую картину распределения форм азота, нет необходимости учитывать их содержание при классификации вод по уровню трофии. Более важно учитывать содержание Робщ, поскольку основное лимитирование связано с фосфором, а не с азотом.
Для поверхностных вод гумидной зоны характерна большая изменчивость рН: от типично кислых растворов (рН < 4.0) до слабощелочных и даже щелочных (рН > 9.0) (рис. 1в). Щелочные воды, конечно, наблюдаются редко и обычно — при интенсивном цветении воды.
Между рН и Alk воды отмечается весьма тесная связь (рис. 1а):
рН = 0.96lg [Alk] + 7.48, r = 0.87, n = 745 ([Alk] — в ммоль-экв/л).
(1)
Содержание CO2 в поверхностных водах Карелии варьирует в очень широких пределах: от почти полного отсутствия до значений, превышающих 30 мг/л. В большинстве объектов его концентрация изменяется в пределах 3—9 мг/л (рис. 1б).
Анализ кривых распределения содержания всех макрокомпонентов в поверхностных водах Карелии показал, что для большинства из них распределение близко к логнормальному, а для содержания Si и значений рН воды — к нормальному [15]. Поэтому при классификации вод по химическим показателям необходимо учитывать это обстоятельство и для большинства компонентов следует использовать принцип геометрической, а для содержания Si и значений рН — арифметической прогрессии. Понятно, что классификация вод не должна базироваться на большом количестве параметров, чтобы не быть громоздкой, в то же время выбор параметров должен быть таким, чтобы они в полной мере характеризовали качество воды. С учетом особенностей состава поверхностных вод гумидной зоны, а также взаимосвязи и взаимообусловленности многих химических показателей для классификации вод достаточно ограничиться Alk и рН воды, содержанием ОВ и Fe, а для характеристики трофического статуса водных объектов — концентрацией Робщ, ис-
(а)
y = 0.9624х + 7.4818, r = 0.8726
pH
10
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0
lg[Alk]([Alk], ммоль/экв/л)
n, % (б)
4 5 6 7 6
pH
Рис. 1. Зависимость рН воды от 1*[А1к] (а), распределение содержания СО2 (б) и величины рН (в) в водных объектах Карелии по накопленным частотам.
пользуемой для этих целей многими исследователями.
Необходимо отметить, что на сегодня наиболее широко используются косвенные показатели содержания ОВ (ЦВ, ПО, химическое и биохимическое потребление кислорода (ХПК, БПК соответственно) и содержание органического углерода (Сорг)). Хорошо известно, что ЦВ обусловлена, в основном, наличием гумусовых веществ, которые легко окисляются перманганатом. Поэтому было предложено использовать новый показатель - гу-мусность воды (Hum), выражающий в условных единицах содержание гумусовых веществ, как среднегеометрическое значение ЦВ и ПО [12].
Наконец, важно найти принцип классификации: каким образом связать воедино многообразие химических показателей воды. Основу для классификации вод гумидной зоны может составить кислотно-основное равновесие в этих водах.
КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ КАК ОСНОВА КЛАССИФИКАЦИИ ВОД
Кислотно-основное равновесие в поверхностных водах гумидной зоны обусловлено карбонатной и гумусной системами [11]. В таких водах рН определяется содержанием их равновесных компонентов. Поскольку гумусовые кислоты более сильные, чем угольная кислота, то при наличии их в воде устанавливается равновесие типа
НАорГ + [НСО-] о С02 + Н20 + А¡рГ.
Константа равновесия — это соотношение констант диссоциации кислот гумусовых и угольной:
K =
[С02][АРрГ] [НАорГ] [HCO-]'
В таком случае рН можно вычислить по одному из уравнений:
pH - pK + lg
[НС03] pH _ pK , lg [Аорг] (2)
-[COT pH - рКгу" +lgpHQ'®
Кислые Кислые- Слабо- Циркумней-
слабокислые кислые тральные
I I 1 I I I 1
3.4- 4.0- 4.6 - 5.2- 5.8
Очень Кислые Кислые Слабокислые слабо- кислые кислые кислые
Слабощелочные Щелочные
6.4- 7.0- 7.6 - 8.2- 8.8- 9.4
С
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.