5.2. Химизм природной воды

Различают несколько видов природных вод, предназначенных для промышленного применения: поверхностная вода рек и озер, состав которой зависит от типа реки и от химического состава сбросов в эту реку; вода из глубоких скважин (10-50 м), обедненная кислородом, минерализованная, часто железистая и насыщенная диоксидом углерода (CO₂); вода из очень глубоких скважин с повышенной температурой и высоким уровнем минерализации (до - 5 г/л). Вода открытых источников содержит в своем составе примеси. К ним относятся взвешенные вещества, коллоидные системы, вызывающие помутнение растворов, и растворенные органич. соединения. Вода большинства европейских рек содержит взвеси в количестве 40-60 мг/л, но во время паводков и таяния снегов их концентрация становится более 1 г/л. Количество взвесей определяют путем взвешивания осадка, полученного в результате фильтрации определенного объема воды через специальную фильтрующую мембрану с последующей сушкой в термошкафу (Семенова, Хорошилов, 2003).

Природные воды, содержащие до 0,1% растворенных веществ, называются пресными, от 0,1 до 2,5% - минерализованными (солоноватыми), от 2,5 до 5% - водами с морской соленостью, более 5% - рассолами. Из неорганических соединений в воде растворимы большинство солей кислот и оснований. Растворы этих веществ являются электролитами.

К числу главных растворенных минеральных компонентов природных вод принадлежат ионы Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Н⁺, Cl^-, НСО₃^-, СО₃^2-, SO₄^2- и газы O₂, N₂, СО₂ и H₂S. В малых количествах coдepжaтcя ионы Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Br^-, I^-, F-, BO₂^-, HPO₄^2-, SO₃^2-, HSO_4-, S₂O₃^2-, HS^-, HSiO₃^-, HSO₃^- и газы CH₄, Ar, He, Rn. Остальные вещества находятся в воде в крайне малых количествах. По содержанию взвешенных веществ и окрашенных гумусовых соединений различают высокомутные и высокоцветные воды. Кроме окрашенных органических примесей в природных водах присутствуют и бесцветные органические вещества - продукты жизнедеятельности микроорганизмов и соединения, поступающие со сточными водами. В наибольших количествах в природных водах содержатся гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты щелочноземельных и щелочных металлов; в меньших - их нитраты, нитриты, силикаты, фториды, фосфаты и соли других кислот.

Вода - слабый амфолит, и поэтому в ней всегда содержатся в небольших количествах ионы Н⁺ и ОН^-. Активная концентрация водородных ионов в природных и сточных водах обычно характеризуется величиной рН. Результат измерения рН воды очень важен для характеристики ионных равновесий в растворе и биологических факторов среды. В дистиллированной воде, лишенной растворенных солей, в результате растворения CO₂ из воздуха значение рН снижается до 5,7, вода становится слабокислой; наиболее низкое значение рН (около 2,8) наблюдается, если над водой будет находиться лишь CO₂. В отдельных случаях рН природных маломинерализованных (особенно болотных) вод ниже 4 вследствие наличия в них органических кислот в основном гумусового происхождения; значения рН низкие и у железистых вод. рН большинства природных вод находится в пределах 6,5-8,5, что объясняется присутствием в них ионов НСО₃^-. Как правило, рН поверхностных вод вследствие меньшего содержания в них CO₂ выше, чем рН подземных вод. рН вод горных озер ниже 6, так как они маломинерализованы и количество ионов НСО₃^- в них невелико. При летнем интенсивном фотосинтезе, осуществляемом планктоном, в воде открытых водоемов уменьшается и даже исчезает СО₂, а рН при этом возрастает до 9 и выше; в зимний период при ослаблении фотосинтеза и накоплении CO₂ рН воды понижается. Кроме сезонных колебаний рН воды существенные изменения его значения наблюдаются и в течение суток в связи с прекращением фотосинтеза в ночное время; колебания эти невелики из-за буферного действия ионов НСО₃^-. Гидрокарбонатные ионы появляются в природных водах вследствие растворения присутствующей в них углекислотой известняков, содержащихся в осадочных породах. Эти анионы есть во всех водах, кроме мягких вод с рН ниже 4. В пресноводных источниках они доминируют. Значения рН большинства природных вод обусловлены наличием в них именно этих ионов. Содержание гидрокарбонатных ионов в поверхностных водах обычно редко превышает 250 мг/л, а в водах северных водоемов и ряда горных рек концентрация их составляет около 50 мг/л. Такое явление связано с тем, что для устойчивости ионов НСО₃^- в воде необходимо присутствие соответствующих количеств равновесной CO₂, содержание которой лимитируется малым парциальным давлением углекислоты в воздухе. Карбонатные ионы образуются в природных водах из ионов НСО₃^- при потере части равновесной CO₂ или при усилении щелочной реакции среды. Содержание их в пресных водах при наличии ионов Са²⁺, как правило, невелико вследствие малой растворимости СаСО₃. Обычно значительная часть природных вод находится в состоянии насыщения их карбонатом кальция.

Концентрация ионов SO₄^2- в природных водах, содержащих ионы Са²⁺, не превышает 1500 мг/л вследствие малой растворимости CaSO₄, однако в сильноминерализованных водах в результате уменьшения активности ионов концентрации ионов SО₄^2- часто более высокие. Так, в морской воде с содержанием солей 35 г/кг и Са²⁺ - 0,0104 моль/кг концентрация SO₄^2- достигает 2,7 г/кг. Появляются сульфаты в природных водах в основном при растворении гипса (CaSO₄ · 2Н₂О); имеют место также процессы, связанные с окислением самородной серы и сульфидных соединений до сульфатов. В анаэробных условиях сульфатные ионы восстанавливаются сульфатредуцирующими бактериями до сероводорода. Такие явления наблюдаются в морях, а также в водах нефтяных пластов. Галогенидные ионы представлены в природных водах главным образом хлорид-ионом. Остальные галогениды находятся в крайне рассеянном состоянии и обычно присутствуют в воде в незначительных количествах. Содержание хлорид-ионов в воде природных водоемов варьирует в широких пределах. В речных и озерных водах, особенно в северных районах нашей страны, концентрация их невелика. Однако с увеличением минерализации воды абсолютное и относительное количество Сl^- возрастает; в морях и большей части соляных озер он является главным анионом; в морской воде хлорид-ионы составляют 87% массы всех анионов. Объясняется это хорошей растворимостью хлоридов кальция, магния, натрия и малой растворимостью CaSO₄ и CaCO₃. Появление хлорид-ионов в природных водах связано с нымываннем хлоридов из осадочных пород и колоссальных залежей NaCl, а также из продуктов выветривания магматических пород, в которых хлор содержится в виде хлорапатита; попадает в воду и в результате вулканических выбросов. Наконец, широкому рассеянию ионов хлора способствует промышленная и физиологическая деятельность человека: ион Cl^- не усваивается живыми организмами.

Концентрация фтора в поверхностных водах обычно невелика - ниже санитарной нормы (0,7-1,5 мг/л); в подземных водах содержание фтора иногда значительно превышает эти нормы.

Ионы щелочноземельных металлов - магния и кальция,- как известно, определяют общую жесткость воды. Жесткость воды принято выражать в миллиграмм-эквивалентах на литр. Различают карбонатную и некарбонатную жесткость, сумма которых равна общей жесткости воды. Первая обусловлена растворенными в воде карбонатами и гидрокарбонатами Са²⁺ и Mg²⁺, вторая - остальными солями этих катионов (хлоридами, сульфатами и др.). Различают также кальциевую и магниевую жесткость воды.

В других странах жесткость воды выражают в условных градусах: немецкий градус соответствует 10 мг СаО в 1 л воды (1 мг MgO эквивалентен 1,4 мг СаО); французский градус - 10 мг СаСО₃ в 1 л воды; американский градус соответствует 1 мг СаСО₃ в 1 л воды (1 гран в 1 американском галлоне); английский градус - 10 мг СаСО₃ в 0,7 л воды (1 гран в 1 английском галлоне). Ион магния очень распространен в природных водах; по общему содержанию в воде он занимает второе место среди катионов, уступая первое место иону натрия.

Однако, мало встречается вод, где доминирующим катионом является Мg²⁺, - в маломинерализованных водах первое место принадлежит Сa²⁺, в сильноминерализованных - Na⁺. Поступают ионы магния в воду при растворении содержащейся в ней углекислотой доломитов (MgCO₃ + CaCO₃), мергелей и продуктов выветривания таких коренных пород, как биотит, оливин и др.; растворимость MgCO₃ значительно выше растворимости СаСО₃.

В таблице 16 показано, что в гидросфере Земли кальций занимает 12 место среди других химических элементов.

Таблица 16. Распространенность химических элементов в гидросфере Земли

(в воде морей и океанов), в граммах на 1 куб. метр воды

Номер	Элемент	Содержание	Номер	Элемент	Содержание
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40	Кислород Водород Хлор Натрий Магний Сера Калий Бром Углерод Стронций Бор Кальций Фтор Кремний Азот Аргон Литий Рубидий Фосфор Иод Барий Молибден Алюминий Цинк Железо Медь Уран Ванадий Марганец Мышьяк Никель Титан Хром Селен Цезий Криптон Сурьма Вольфрам Неон Серебро	856000 107800 19870 11050 1326 928 416 68 28 8,5 4,5 4,2 1,4 1,0 0,5 -"- 0,2 0,1 0,07 0,06 0,03 0,01 0,005 0,005 0,003 -"- -"- 0,002 -"- -"- -"- 0,001 6·10-4 5·10-4 -"- 2·10-4 -"- 1·10-4 -"- -"-	41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80	Кобальт Германий Золото Кадмий Ртуть Галлий Свинец Висмут Тантал Иттрий Олово Гелий Ксенон Лантан Неодим Цирконий Скандий Ниобий Рений Таллий Церий Диспрозий Эрбий Иттербий Гадолиний Рутений Бериллий Празеодим Самарий Гольмий Тулий Европий Индий Тербий Торий Радий Полоний Радон Протактиний Прометий	8·10-5 6·10-5 5·10-5 -"- -"- 3·10-5 -"- 2·10-5 -"- 1·10-5 -"- 7·10-6 5·10-6 3·10-6 -"- -"- 2·10-6 1·10-7 -"- -"- -"- 9·10-7 -"- 8·10-7 7·10-7 -"- 6·10-7 -"- 5·10-7 2·10-7 -"- 1·10-7 -"- -"- 4·10-8 1·10-10 2·10-14 6·10-16 2·10-19 <1·10-19

Ион кальция - главный катион в маломинерализованнмх водах. Однако, в связи с малой растворимостью СаСО₃ и CaSO₄ концентрация Са²⁺ в природных водах очень редко превышает 1 г/л. Обычно она значительно ниже. В гидрокарбонатных водах с минерализацией до 500 мг/л соотношение Са²⁺/Mg²⁺ находится в пределах от 4/1 до 2/1, что объясняется большим содержанием в осадочных породах кальция, чем магния. С увеличением минерализации воды до 1000 мг/л это соотношение доходит до 1/1, при дальнейшем повышении минерализации содержание Mg²⁺ обычно превышает содержание Са²⁺. Поступают ионы кальция в природные воды при растворении известняков и гипса. Растворение известняков, а также содержащих кальций алюмосиликатов происходит под действием присутствующей в воде углекислоты. Реакция эта обратима, концентрация образующихся гидрокарбонатных ионов зависит, как отмечалось выше, от содержания в воде равновесной углекислоты; при уменьшении ее количества протекает обратный процесс выделения в осадок нерастворимого карбоната кальция. Такие явления наблюдаются при выходе на поверхность богатых Са(НСО₃)₂ подземных вод с образованием туфов. Огромные количества гидрокарбоната кальция выносятся реками в моря и океаны, где в результате частичной потери углекислоты образуются пересыщенные растворы CaCO₃. Карбонат кальция расходуется на построение скелетов морских организмов, которые после отмирания опускаются на дно, образуя мощные отложения известняков.

В природной воде присутствуют растворенные в ней соли кальция, магния, железа, которые вызывают жесткость воды. Различают жесткость временную, обусловленную гидрокарбонатами, например, кальция и постоянную из-за присутствия в ней хлоридов, сульфатов и других растворенных соединений кальция, магния, железа. При кипячении жесткой воды содержащиеся в ней гидрокарбонаты, например Са(НСО₃)₂, распадаются с выделением углекислого газа и образованием нерастворимых в воде солей (СаСО₃). Вода перестает быть жесткой. Жесткость, вызванная присутствием в воде сульфатов кальция или магния, не удаляется кипячением. Большое количество природной воды используется в теплообменных аппаратах (паровые котлы, водонагреватели), растворенные в воде соли вызывают образование на стенках парового котла твердых осадков, называемых котельной накипью или котельным камнем. Например, при нагревании гидрокарбонаты кальция и магния распадаются с образованием нерастворимых солей: Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О + CO₂ .

Таблица 17. Валовой химический состав пахотного слоя черноземных почв,

в % на навеску, высушенную при 105 ^оС (Орел, Романюк, Иванов, Кузнецова, 1998)

Показатели	Черноземы
	выщелоченные	типичные	обыкновенные
Гигроскопическая влага	2,88	3,49	3,80
Потеря от прокаливания	10,46	12,41	11,63
SiO2	68,42	63,72	62,84
Al2O3	10,22	11,46	11,75
Fe2O3	3,98	4,31	5,42
CaO	2,51	2,73	2,28
MgO	1,13	1,61	1,77
TiO2	1,09	1,12	0,98
K2O	2,00	2,20	2,20
Na2O	0,75	0,95	0,95
P2O5	0,14	0,11	0,11
SiO2/R2O3	9,1	7,6	7,0

Химизм поверхностных вод напрямую связан с химическим составом почвенного покрова (табл. 17). Содержание кальция в пахотном слое доминирующих почв Центрального Черноземья занимает после кремния, алюминия и железа четвертое место и колеблется в пределах 2-3%. Наибольшее содержание кальция приходится на черноземы типичные.

Таблица 18. Потери почвы, кальция и других химических элементов в зависимости

от степени смытости по основным подтипам черноземов, т/га (Кузнецова, 1999)

Подтип	Выщелоченный			Типичный			Обыкновенный
Смы-тость	сла-бая	сред-няя	силь-ная	сла-бая	сред-няя	силь-ная	сла-бая	сред-няя	силь-ная
Почвы	880	2760	4800	913	2864	4992	803	2519	4392
SiO2	642	2013	3502	626	1964	3424	542	1700	2963
Al2O3	117	367	638	136	293	745	114	241	421
Fe2O3	45,3	142	247	44,7	140	245	44,7	140	245
CaO	17,8	55,8	97,0	23,9	75,0	131	18,4	57,7	101
MgO	9,7	30,4	52,8	14,2	44,7	77,9	13,3	41,8	72,9
P2O5	2,20	6,90	12,00	1,83	5,73	9,98	1,37	4,28	7,47
K2O	17,6	55,2	96,0	19,4	60,7	106	19,3	60,5	105
Na2O	6,6	20,7	36,0	10,3	32,4	56,4	6,7	20,9	36,5
SO32-	5,54	17,4	30,2	4,93	15,5	27,0	2,65	8,31	14,5
Гумус	59	185	322	69	216	376	45	141	245
С	29,5	92,5	161	34,5	108	188	22,5	70,5	122
N	2,95	9,25	16,1	3,45	10,8	18,8	2,25	7,05	12,2

На химический состав почв и поверхностных вод оказывают значительное влияние водноэрозионные процессы. Потери биогенного кальция за время длительной эксплуатации черноземов и процессов эрозии на пашне составляют до 18-131 т/га (табл. 18; рис. 17). При этом масса смытой почвы с пашни за время их интенсивного использования достигает 803-4992 т/га. Эта богатейшая по уровню своего плодородия почвенная масса, оказавшись в нижней части склонов и в гидрографической сети, существенно влияет на элементный состав, их пространственное перераспределение, на гидрохимию поверхностных вод и в целом на экосистемы.

Рис. 17. Потери кальция и других биогенных элементов в зависимости от степени смытости выщелоченных черноземов (Кузнецова, 1999)

По мнению Б. Б. Полынова (1956) состав природных речных вод обусловливается не простыми абиотическими реакциями действия воды на минералы магматических пород, то есть гидролизом и растворением, а более сложным, хотя и быстро текущим процессом извлечения элементов из минералов организмами и растворением в воде зольной части организмов при их минерализации.

Глубина залегания грунтовых вод в ЦЧО различна и зависит от характера рельефа и материнских пород. На водораздельных достаточно дренированных равнинах глубина залегания грунтовых вод более 7 м. На обширных недренированных междуречьях Окско-Донской равнины грунтовые воды залегают неглубоко (3-5 м), способствуя формированию полугидроморфных почв. Грунтовые воды слабоминерализированные, гидрокарбонатные с рН 7,0-7,8, кальциевого, магниевого и натриевого классов.

Из данных, приведенных различными авторами (Сухарева, 1978; Титов, Семенов, 1986), видно, что в большинстве случаев минерализация грунтовых вод превышает 1 г/л. Наибольшее содержание солей наблюдается в марте, перед снеготаянием. В период снеготаяния и инфильтрации талой воды происходит разбавление минерализованных грунтовых вод талыми водами, количество солей при этом снижается. Исследования химического состава солей грунтовых вод Каменной степи показали, что общая минерализация грунтовых вод колеблется от 1,2 до 3,2 г/л. На водоразделе наблюдаются явления застаивания грунтовых вод и повышение их минерализации до 3,2 г/л. На дренированных склонах, где наблюдается хороший отток грунтовых вод, минерализация их резко снижается до 1 г/л.

Формирование химического состава поверхностных вод происходит под влиянием комплекса природных факторов. Минерализация и химический состав воды определяются в основном зональными факторами - климатом и почвенно-геологическими условиями. Кроме зональных факторов на химический состав поверхностных вод значительное воздействие оказывают факторы азональные: облесенность, заболоченность, овражно-балочная сеть, а также закономерная смена типов питания в течение года, т.е. изменение химического состава поверхностных вод во времени зависит от преобладания в их балансе вод различных генетических категорий (поверхностно-склоновых, почвенно-грунтовых и подземных). Можно предположить, что химический состав поверхностных вод при однотипных условиях среды в течение времени должен оставаться неизменным, но усиление антропогенного воздействия в последнее время доказывает обратное.

Основное количество биогенных элементов попадает в водоемы и водотоки в растворенном виде с поверхностными и дренажными стоками, а в нерастворенном - вместе с частицами почвы в результате ее эрозии. На основании обобщенных литературных, статистических и экспериментальных данных посчитано, что суммарный ионный сток с различных водосборных площадей может достигать концентраций от 86 до 445 мг/л. При поверхностном стоке воды около 50 мм в год потери от эрозии водорастворимых соединений в области будут составлять 43-223 кг/га ежегодно. Поэтому внешнее успокаивающее представление, что с полей стекает чистая (прозрачная) вода, не представляющая угрозы снижения плодородия почв, является на самом деле изначальным иллюзорно-обманчивым впечатлением. Именно здесь, в «невидимой» части потерь биогенных элементов с жидким и твердым стоком, скрыта внутренняя кровоточащая рана снижения плодородия почв от эрозии.

Материалы наблюдений за гидрохимией поверхностных вод Нижнедевицкой водобалансовой станции, Гидрометеорологической обсерватории «Каменная степь» и наши экспериментальные данные приводят к выводу об однородности их химического состава. Сравнительный анализ экспериментальных данных и данных водобалансовых станций (табл. 19 и табл. 20) позволил выявить идентичность ионного состава поверхностных вод за небольшим исключением в содержании сульфат-иона и иона хлора.

Таблица 19. Содержание биогенных элементов в поверхностных, грунтовых водах

и в черноземных почвах Воронежской области

Показатель

Ca2+

Mg2+

Na+ + K+

HCO3-

SO4 2-

Cl-

Концентрация ионов в грунтовых водах по административным

районам Воронежской области, мг/л (Титов, Семенов, ..., 1986)

Нижнедевицкий	81	15	36	330	57	6
Семилукский	86	21	53	384	15	54
Петропавловский	133	35	73	284	228	106
Бутурлиновский	191	60	133	281	206	387
Рамонский	37	6	10	841	29	15
Панинский	174	55	25	477	259	24
Новохоперский	63	22	93	180	191	71
Среднее *	109	31	60	397	141	95

Среднее содержание ионов в стоке талых вод, мг/л

(обобщенные Е.В. Кузнецовой данные водно-балансовых станций)

1961	6,49	9,5	8,15	235	24,9	5,6
1962	66,4	5,7	7,0	213	20,7	4,6
1963	53,7	12,4	7,0	211	14,8	7,2
1972	29,6	1,6	4,3	161	15,6	0,9
1974	45,0	3,6	7,6	140	20,0	8,5
1975	54,6	7,1	24,0	197	26,6	10,8
1976	37,5	5,2	13,4	123	10,6	9,0
1977	36,7	10,9	4,0	80	6,0	7,8
1978	27,9	6,5	5,2	121	55,7	13,7
1979	19,7	2,8	6,8	39	15,0	7,4
1980	12,3	5,0	19,9	47	19,5	15,9
Среднее*	35,4	6,4	9,8	142	20,8	8,3

Содержание водорастворимых элементов в почвах в % (Почвы..., 1981)

Выщелоченный	0,004	0,0	0,004	0,017	0,001	0,002
Типичный	0,003	0,001	0,004	0,016	0,002	0,002
Обыкновенный	0,008	0,02	0,0	0,013	0,02	0,0

* Рассчитаны как средние по числу определений

Ионный ряд содержания биогенных элементов для водоемов, наблюдаемых водобалансовыми станциями в течение 20-ти лет, имеет следующий вид:

HCO₃^- > Са²⁺ > SO₄²⁺ > K⁺ > Cl^- > NO₃^- > Mg²⁺ > NH₄⁺.

Рис. 18. Ионная концентрация грунтовых и поверхностных вод по отношению

к водной вытяжке эталонных черноземов (Кузнецова, 1999)

По наблюдениям 1997-1998 гг. прослеживается тенденция к суммарному возрастанию концентрации ионов в водоемах особенно в отношении гидрокарбонатного кальция, магния и хлора, а ионный ранжированный ряд для данных водоемов имеет несколько другой вид:

HCO₃^- > Са²⁺ > Mg²⁺ > Cl^- > SO₄²⁺ > K⁺ > NO₃^- > NO₂^- > NH₄⁺ > Р₂О₅.

Среднемноголетняя концентрация сульфат-иона в пунктах стационарных наблюдений составила 16 мг/л, суммы ионов калия и натрия - 8 мг/л, а по пунктам временных наблюдений за 1997 год она составила соответственно 2 и 4 мг/л. Содержание кальция и гидрокарбонатов соответственно находилось в пределах 25 и 67 мг/л по многолетним наблюдениям и 81 и 368 мг/л по наблюдениям 1997 года. Опасения вызывает высокая концентрация в водоемах иона хлора (до 38,5 мг/л). Вероятно, это связано с возрастанием его концентрации в атмосфере. Хлор одновременно является индикатором загрязнения почв. К числу наиболее опасных загрязнителей водоемов относятся азот и фосфор почвы и удобрений.

Если сравнить концентрацию основных ионов в поверхностных и грунтовых водах с содержанием этих же ионов в водной вытяжке почв (табл. 19, рис. 18), то бросается в глаза слишком малое содержание водорастворимых элементов в почве, что обусловлено процессами поверхностного смыва и инфильтрации. Содержание кальция и магния в стоке талых вод соответственно в 3 и 4,8 раза меньше по сравнению с грунтовыми водами (табл. 19), а их общие потери при стоке 50 мм талых вод в пределах области составляют 18 и 3 кг/га в год. Потери водорастворимого кальция и магния возрастают за счет стока ливневых вод и ориентировочно составляют 20 и 4 кг/га в год.

Таблица 20. Содержание ионов в водоемах Воронежской области в 1997-98 гг. (мг/л)

(Кузнецова, 1999)

Район, хозяйство, водоем	Ca2+	Mg2+	K+	NН4+	NО3-	HCO3-	SO4 2-	Сl-	Фос- фаты
Верхнехавский, ТОО «Восход», пруд на орошение	68,1	46,2	3,7	н/о	2,1	420	2,4	28	0,04
Верхнехавский, ТОО «Дружба» пруд «Новый»	52,1	48,6	3,3	сл.	2,7	414	1,5	28	0,03
Усманский, АО ЗТ«Усманское», пруд на орошение	96,2	31,6	3,7	н/о	15,5	312	1,2	21	0,04
Ольховатск., АО «Ольховатское» р. Черная калитва	128	15,6	7,0	н/о	2,6	396	3,0	80,5	0,05
Хохольский, оп. станция кукурузы, балочный родник	84,2	55,3	1,4	н/о	6,6	486	0,8	24,5	0,06
Хохольский, к-з им. К. Маркса, пруд «Яманча»	36,1	26,8	3,3	н/о	1,9	270	3,2	17,5	след.
Семилукский, к-з Октяб. Революции, пруд сельхозтехн.	52,1	68,1	2,0	н/о	14,0	228	1,9	17,2	0,11
Воробьевский, к-з «Дружба» р. Толучеевка	152	24,3	4,6	н/о	2,7	366	1,6	14,7	0,08
Воробъевский, к-з «Дружба», пруд «Галкин»	40,1	34,0	7,7	0,2	6,1	372	1,8	21	0,17
№10	104	34,0	5,4	сл.	2,6	414	2,2	70	0,03
Данковский, ТОО «Никольское», р. Дон, исток	72,0	29,3	3,2	н/о	4,9	249	7,3	14,0	0,26
Верхнемамонский, к-з «Победа», пруд на орошение	40,0	61,0	19,7	0,16	1,9	234	27,0	11,2	0,19
Эртильский, АОО «Эртильский», пруд Веселовский	44,0	58,6	-	0,2	1,8	317	18,0	25,2	-
Эртильский, АОО «Эртильский», р. Эртиль	72,0	48,8	6,6	0,08	3,7	439	23,0	25,2	-
Хохольский, с. Стрелица, рДевица	24,0	9,8	8,6	2,86	3,8	146	-	8,4	0,32
Средн. величина	66,6	37	5,1	-	4,6	316	6,3	25,4	0,11

Рис. 19. Ионная концентрация поверхностных вод в 1997 году по сравнению

со средними значениями многолетних наблюдений водобалансовых станций, мг/л (Кузнецова, 1999)

На рис. 19 показана ионная концентрация поверхностных вод в 1997 году по сравнению со средними значениями многолетних наблюдений водобалансовых станций с 1961 по 1980 годы. Здесь прослеживается тенденция к суммарному увеличению концентрации ионов в водоемах области, а в особенности гидрокарбонатного иона и ионов кальция и хлора.

По отношению к содержанию биогенных элементов в 1997 году наблюдается уменьшение содержания сульфат-иона и ионов натрия и калия по сравнению с прежними годами наблюдений, содержание же кальция, магния и гидрокарбонатного иона возрастает. Опасение вызывает все более усиливающаяся концентрация в водоемах иона хлора. Скорее всего, это связано с резким увеличением концентрации его в атмосфере, хотя хлор, являясь одним из самых мобильных элементов ландшафта, может быть также и индикатором загрязнения почв. В атмосферных осадках содержатся сульфаты, соединения азота, гидрокарбонаты и кальций, растворенные аммонийные соли и карбонаты. Резкое увеличение концентрации хлора в водоемах с одновременным уменьшением концентрации некоторых перечисленных выше элементов, содержащихся в атмосфере в больших количествах, чем хлор, наталкивает на мысль о несколько иной природе попадания хлора в воды ландшафта. Это можно сказать и в отношении ионов кальция. Здесь кальций, также как и хлор, выступает в роли индикатора интенсивности водно-эрозионных процессов.

Если судить о потерях кальция и магния на основании поверхностного стока воды (50 мм) и средней концентрации их в поверхностных водах (81,4 мг/л, табл. 14), то суммарные годовые потери их с жидким стоком составят 41 кг/га в год (35 Са⁺⁺ и 6 Mg⁺⁺). Такой подход к определению потерь биогенных элементов приводит к несколько завышенным показателям, поскольку концентрация элементов в водоемах возрастает за счет испарения из них воды и длительного взаимодействия воды с почвогрунтами.

Для природной системы в естественных условиях характерно стремление к сбалансированному состоянию. Однако хозяйственная деятельность человека способна выводить природную систему из равновесного состояния за очень короткое время. Например, в Воронежской области водный баланс долгое время оставался естественным: большая часть атмосферных осадков задерживалась почвенно-растительным покровом и расходовалась на инфильтрацию и питание грунтовых вод, подземный сток составлял основную часть местного стока, а режим рек формировался преимущественно за счет равномерного притока грунтовых вод и отличался отсутствием бурных паводков, что объясняется естественной зарегулированностью весеннего стока на речных водосборах (Смольянинов, 1972, 1996). В последующие годы гидрологические и гидрогеологические условия значительно изменились. Происходило сельскохозяйственное освоение земель, а вместе с тем - сокращение площади лесов и целинных степей, что привело к существенному изменению водного режима, для которого стали характерными интенсивные весенние паводки, связанные с ухудшением водорегулирующей способности речных водосборов; а отсюда следует нарушение водного режима и развитие процессов ускоренной эрозии почв.

Следует заметить, что потери биогенных элементов с жидким стоком зависят от сроков, способов, видов и доз применяемых удобрений, условий прохождения паводка, обработки почвы, состояния поверхности, выращиваемой культуры, гидрометеорологической обстановки и т. д. По данным М.М. Ломакина (1990) удельные потери с жидким стоком с черноземных почв ЦЧО составляют: NH₄⁺ - 9-16; NO₃^- - 18-19; Р₂О₅ - 5-7; К₂О - 9-10; Са⁺⁺ - 76-103; Mg⁺⁺ - 8-11 г/мм. При ранневесенних подкормках озимых азотными удобрениями их потери от стока талых вод составляли 30-50% (Шатилов и др., 1974). Арзыбов Н.А. (1998) отмечает, что подкисление черноземов приводит к вымыванию (вертикальному и горизонтальному) до 300 кг/га в год кальция, к миграции вниз по профилю почвы незащищенного гумуса, к обеднению гумусом верхних слоев черноземов. Это же явление было показано ранее в работе П.Г. Адерихина и В.Д. Иванова (1972) на примере целинных и используемых черноземов в связи с динамикой активности кальция.

Говоря о функциональной роли воды в экосистемах следует отметить, что она и только при ее участии совершаются самые разнообразные процессы превращения веществ в природе, осуществляется связь между живым и неживым, зарождается и поддерживается жизнь на земле. По образному и краткому выражению поэта Егора Исаева «Вода – живая кровь континентов».

Все бесконечное разнообразие объективных явлений живого организма может быть сведено к трем порядкам превращения – превращениям вещества, энергии и формы.

К.А.Тимирязев