Формирование кислотности поверхностных вод

Выпадение кислых атмосферных осадков может привести к серьезным изменениям в состоянии поверхностных водных систем (озер, прудов и т. д.). Можно условно выделить три стадии процесса их закисления. В нормальном водоеме, несмотря на поступление кислых осадков, рН практически не меняется. Гидрокарбонат-ионы, присутствующие в поверхностных водоемах, успевают полностью нейтрализовать поступающие ионы Н⁺:

НСО₃⁻+ Н⁺ ↔ Н₂О + CO₂ .

Однако при нарушении контакта данной воды с карбонатными породами может произойти падение общей щелочности воды. В результате может наступить первая стадия закисления. В этом случае в период наиболее интенсивного поступления кислых вод в водоем (обильные дожди, таяние снега) возможны значительные отклонения в величине рН поверхностных водоемов. Эти отклонения не носят ярко выраженного характера, и с прекращением интенсивного поступления кислых осадков водоем переходит в обычное состояние: рН поднимается до первоначальных значений. Даже эти кратковременные изменения чрезвычайно опасны для водных экосистем: в этом случае изменение рН может привести к нарушению репродуктивных функций отдельных организмов или нарушить процесс воспроизводства для определенных популяций. На первой стадии закисления, например, могут погибнуть все земноводные организмы, икра и молодь, которые особенно чувствительны к изменениям рН.

На второй стадии закисления водоема рН воды обычно не поднимается выше 5,5 в течение всего года (отсутствует контакт с карбонатными породами); о таких водоемах обычно говорят как об умеренно кислых. На этой стадии закисления происходят значительные изменения в видовом составе живых организмов. На третьей стадии закисления рН водоемов стабилизируется на значениях рН < 5 (обычно рН 4,5), даже если атмосферные осадки имеют более высокие значения рН. Это связано с присутствием гумусовых веществ и соединений алюминия в водоемах и почвах. Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие, как двуокись углерода (СО₂), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота:

СО₂ + Н₂О → Н₂СО₃.

Тогда как в идеале рН дождевой воды равняется 5,6–5,7, в реальной жизни показатель кислотности (рН) дождевой воды в одной местности может отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это, прежде всего, зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота. Основной вклад в кислотность осадков (до 80 %) вносят соединения серы, около 15 % приходится на соединения азота и до 5 % кислотности атмосферных осадков связывают с соединениями хлора.

Особенности окислительно-восстановительных процессов в подземных водах

• Содержание кислорода в инфильтрационных водах. Если инфильтрационные воды поступают в водоносный горизонт по трещинам обнаженных пород, то они обогащены кислородом и характеризуются значительной редокс-буферной емкостью и высокими значениями окислительно-восстановительного потенциала ре^–. Когда же фильтрация идет через почвы, богатые органическим веществом, вода может быть анаэробной при поступлении в водоносный горизонт.

• Распределение и реакционная способность органического вещества и других потенциальных восстановителей в водоносном горизонте. Так, органическое вещество осадочных пород трудно утилизируется бактериями. Оно устойчиво, потому что, во-первых, все легкоусвояемые компоненты уже использованы; во-вторых, в процессе формирования эти породы подвергались воздействию повышенных температур и давления, что трансформировало первичные органические соединения в формы, которые бактериями используются с трудом. К примеру, сульфат-редуцирующие бактерии не способны использовать органические соединения, обычные для угольных пластов, поэтому восстановление сульфатов в водах этих пластов протекает медленно.

• Распределение веществ, способных создать редокс-буферность водоносного горизонта. В подземных водах массы веществ, способных потенциально создать редокс-буферность, на единицу объема подземной воды довольно велики, а реакции, имеющие тенденцию снижать ре^–, являются обычно медленными. Поэтому редокс-уровни подземных вод часто соответствуют величинам ре^–, задаваемым редокс-парами Mn₂⁺/MnO₂, Fe₂⁺/Fe(OH) ₃, Fe₂⁺/Fe₂O

• Скорость циркуляции подземных вод. бактериальные реакции, имеющие тенденцию снижать ре^– , протекают медленно, поэтому ре^– зависит от времени пребывания воды в водоносном горизонте (т. е., в конечном счете, от скорости воды и протяженности водоносного горизонта от области питания до области разгрузки). Большинство подземных вод, по-видимому, относится к типу вод, не содержащих свободного кислорода и без заметной сульфат-редукции. Этот редокс-уровень не является препятствием при использовании вод для бытового водоснабжения, хотя высокие концентрации растворимых форм железа или марганца иногда создают проблемы.