Факторы, влияющие на формирование состава природных вод.

В природных водах растворены все известные химические элементы, но большинство из них присутствует в ничтожных количествах, что современные приборы с их невысокой чувствительностью определить их не могут. В таких случаях их определение устанавливается косвенно по содержанию этих элементов в морских организмах, в которых они аккумулируются из внешней водной среды. Например, кобальт, никель, олово обнаружены в крови галатурий, омаров и устриц, что свидетельствует о присутствии их в морской воде, следовательно, в отложениях на морском дне.

Процесс формирования состава природных вод очень сложен и зависит от множества факторов:

1. климат местности;

2. химическое и биологическое выщелачивание различных пород, соприкасающихся с водными системами;

3. залегающие горные породы, почвы, имеющие непосредственный контакт с водной системой;

4. атмосферные воды;

5. антропогенные факторы;

6. водный режим водоема;

7. смешивание вод.

Все приведенные основные факторы, определяющие формирование химического состава природных вод, можно разделить на две большие группы:

1. факторы, непосредственно влияющие на состав вод, т.е. те, которые могут непосредственно обогащать ионами или молекулами воду или выделять их из воды;

2. косвенные факторы, влияющие на химический состав опосредованно. Это климатические, погодные условия, водный режим, деятельность человека, рельеф местности, геологическое строение рельефа, связь с водоемом, растительный покров водосборов, бассейнов и их почвенный покров.

Непосредственные факторы:

Атмосферные осадки являются основным фактором при формировании вод атмосферного генезиса. Еще в атмосфере капли дождя обогащаются различными веществами как естественного, так и антропогенного воздействия: продукты вулканической деятельности, окислы азота (при атмосферных разрядах), загрязнение атмосферного вещества . Общее количество веществ колеблется от 10 – 20 мг/л – это газы (), ионы солей и окислов некоторых металлов (). Средняя минерализация примерно равна 16,2 мг/л, но в отдельных случаях при значительном антропогенном загрязнении, может достигать 200 мг/л.

Атмосферные воды являются первой стадией формирования поверхностных и подземных вод. Они наименее изучены, но можно сказать, что испаряющаяся вода, содержащая незначительное количество примесей, является пресной. Однако, в некоторых случаях, при сильном загрязнении атмосферы дождевая вода подкисляется до рН = 3 – 4 (рН_{естеств} = 5,6). Образующийся таким образом кислотный дождь может резко изменить состав водоемов и подземных резервуаров.

Приведенные реакции показывают механизмы загрязнения дождевой воды оксидами как естественного, так и антропогенного происхождения.

Состав атмосферной воды будет зависеть также и от территории, над которой она образуется. Ветры, дующие с моря, приносят морские соли, в результате чего в атмосферной влаге увеличивается количество хлора, натрия и магния. На расстоянии нескольких десятков километров от берега моря содержание указанных ионов в атмосферной влаге резко снижается. Вдали от моря с влажным климатом, а также высокогорье минерализация осадков низкая до 20 – 30 мг/л. В районах вулканической деятельности возможно образование кислых дождей с рН = 2,2 – 2,5 и минерализацией до 200 мг/л.

Химический состав атмосферной влаги наиболее близок к составу речной воды, в которой, по сравнению с атмосферной, несколько завышены показатели минерализации до 500 мг/л, также преобладают ионы кальция и гидрокарбоната.

Воды атмосферного генезиса формируются в области суши и являются результатом взаимодействия слабоминерализованных атмосферных осадков и вод поверхностного стока с горными породами и содержащимися в них водами.

Формирование вод атмосферного генезиса определяется комплексом различно направленных процессов, протекающих в условиях химического, физического выветривания, а также преобразованию и жизнедеятельности бактерий.

Основными процессами, определяющими химический состав вод атмосферного генезиса, являются: инфильтрация вод (атмосферные воды, прошедшие через почвенный слой и горные породы), растворение и выщелачивание горных пород.

Состав таких вод и теория их происхождения объясняется инфильтрационной теорией, выпадение солей объясняется седиментационной теорией, концентрация вод при испарении – концентрационной теорией.

Влияние почвы на состав вод атмосферного генезиса.

При выпадении на землю атмосферные воды попадают на почву, при этом происходят химические, физические реакции, которые обуславливают состав. А он будет зависеть от характера почвенного покрова. Воды обогащаются солями, которые вымываются из почвенного покрова, которые содержатся в воде в результате растворения диоксида углерода и распада растительных остатков. При просачивании через бедные солями торф и болотные почвы вода будет содержать органические вещества, отличающиеся малой минерализацией. Близкую к этому картину дают супесчаные и подзолистые почвы.

При взаимодействии с почвой меняется содержание растворенных газов, содержание кислорода уменьшается, а углекислого газа, наоборот, увеличивается, т.к. кислород расходуется на окисление органических веществ в почве, а углекислый газ выделяется.

Почвенные воды содержат растворенные минеральные соли кальция, магния и натрия в виде хлоридов, сульфатов и карбонатов, происхождение которых связано с растворением минералов. В почвенных водах всегда большое количество оксида кремния (). В почвенных водах состав воды, прежде образующийся в результате осаждения атмосферных осадков, существенно меняется. Просачиваясь сквозь почву, вода достигает подземного водоносного слоя, при этом ее состав вторично меняется в зависимости от грунта и горных пород, через которые она проникает. Главными растворенными минералами, которые определяют состав природных вод, являются калит (), гипс, кальцид ( ) и далонит (смесь ). Воды, богатые , образуются при протекании через известняки или породы, содержащие известняк, - при протекании через минералы, содержащие гипс, - при выщелачивании каменной соли. Вода, циркулирующая в гранитах, содержит растворенные соли, образующиеся из минералов, из которых состоит гранит (кремнезем, кварц, ортоплазы) – в такой воде будут содержаться коллоидный кремний (),.

Вода, циркулирующая в базальтах, обогащена ионами . В результате растворения осадочных пород в воде появляются ионы и др.

На состав вод атмосферного генезиса, сформировавшихся также под влиянием почвенного состава, влияют живые организмы и продукты их жизнедеятельности. Летом активизируется деятельность живых организмов, особенно растительного происхождения, и в результате фотосинтеза уменьшается содержание углекислого газа, а кислорода – увеличивается, зимой наоборот.

Большая роль в формировании состава вод принадлежит микроорганизмам.

Формирование химического состава воды морского генезиса.

Воды морского генезиса формируются в процессе осадконакопления в океанах, морях, лагунах, диагенеза осадков и их метаморфизации. Воды морского генезиса существенно отличаются от вод атмосферного генезиса (высокая минерализация до 35 г/л, основные компоненты: хлор, натрий, магний и др.).

На формирование состава вод морского генезиса оказывает влияние ряд дополнительных факторов, связанных также как и для вод атмосферного генезиса с биологическим компонентом среды, также с компонентами породообразующих сред на прибрежной зоне. Воды морского генезиса также как и воды атмосферного генезиса подвергаются смешению, в результате образуются сложные по составу водные растворы, состав которых может значительно отличаться по содержанию, в основном, микрокомпонентов.

Формирование подземных вод магматического генезиса. Это в основном ювенильные воды, выделяющиеся из магматического раствора при вулканической деятельности и образующие внедрения в другие породы – интрузии.

Подземные воды метаморфического генезиса. Этот тип вод представлен преимущественно как превращенными водами магматического генезиса, так и возрожденными (дегидратационными) водами (водами, перешедшими из минералов и горных пород).

молекулы в процессе реакции дегидратации не создают самостоятельных зон скопления, а смешиваются с водами другого генезиса.

Смешение вод.

Существенно отметить, что в природных условиях, в очень больших масштабах происходит смешение вод основных генетических типов. В области недавних тектонических движений, где глубоко погруженные породы были выведены на поверхность, начинаются процессы замещения вод морского генезиса атмосферными. Смешанные воды нередко выходят на поверхность в виде источников, родников. Вообще, в природных условиях очень трудно выделить воды какого-либо одного генетического типа, как правило, состав поверхностных вод является результатом смешения.

Косвенные факторы, влияющие на формирование состава природных вод.

Косвенные факторы – это климатические и погодные условия, водный режим, рельеф, геологическое строение, почвенный и растительный покров водосборного бассейна, деятельность человека.

Ионизирующее излучение – это излучение, под воздействием которого….

Климат определяется гидрологическими условиями, соотношением баланса тепла и влаги, от которого зависит водный режим водоемов (увлажнение местности). Преобладание осадков над испарением создает большое увлажнение и, следовательно, малую минерализацию вод. Малое количество осадков при больших температурах вод создает сильное испарение, что приводит к росту минерализации. Кроме того, климатические условия определяют тип почвы, от которого впрямую зависит состав воды объекта. Климат зависит от широты местности, близости моря и морских течений, циркуляции в Мировом океане, рельефа и др. Зависимость химического состава вод от климатических физико-географических условий довольно сложная. Влияние климата на химический состав является зачастую определяющим фактором в формировании…

Важная роль принадлежит водному режиму. Минерализация воды в сильной степени зависит от:

1. морфологических особенностей водоема (размер, глубина, форма и ориентация по широте и долготе и др.);

2. условий питания;

3. характера водообмена (испарение осадков, наличие перемешивания, интенсивность стока);

4. динамики вод (течения (ламинарное, турбулентное, напорное), колебания уровня, наличие волнения).

Поэтому химический состав водоема на всем его протяжении всегда не будет одинаковым (имеют в виду усредненное значение состава, количественные концентрации компонентов определяют состав и изучаются специально).

Деятельность человека кроме прямого влияния оказывает и косвенное воздействие на химический состав природных вод. Косвенное влияние сказывается, главным образом, путем изменения водного режима водоемов в результате гидротехнического строительства, сооружения водохранилищ и каналов, забора воды для промышленных целей и на орошение.

Химический состав природных вод можно разделить:

1. главные ионы;

2. растворенные газы;

3. биогенные вещества;

4. микроэлементы;

5. органические вещества.

Кроме того, в воде водных объектов всегда находится какое-либо количество твердого вещества в виде взвесей неорганического и органического происхождения.

Главные ионы содержатся в речной и морской воде в большом количестве. Относительное их содержание зависит от типа поверхностной воды. Например, в речной воде это В океанической воде, кроме указанных выше, к главным ионам относятся в виде а также стронций. Концентрации этих элементов превышают 0,001‰. Перечисленные элементы в сумме составляют 99,99 всех растворенных в воде веществ. По составу и соотношению главных ионов формируются классы и группы вод.

Например, на Земле реки преимущественно имеют гидрокарбонатный класс под кальциевой группой с малой минерализацией. На территории нашей страны бассейны этих рек занимают 84% от общей площади. Далее следуют реки сульфатного класса, воды которых имеют повышенную минерализацию. У нас эти реки занимают 3 – 4% всей площади речных бассейнов и находятся в степной и полупустынной зонах. Меньше всего рек хлоридного класса натриевой группы с высокой минерализацией.

Растворенные газы. Растворимость разных газов в воде весьма различна и зависит от их химической природы, температуры, плотности и минерализации воды. Среди растворенных газов можно выделить следующие: кислород, метан, сероводород, инертные газы, радо и др. Радон (Rn) является продуктом распада: Наибольшее значение для воды рек имеют . Содержание этих газов в воде определяется взаимодействием с атмосферой и процессами образования и разложения органического вещества . увеличение концентрации кислорода – результат поступления из атмосферы и фотосинтеза растений, уменьшение – результат поглощения его, обусловленный биохимическими и окислительными процессами. Концентрация растворенного кислорода колеблется в определенных пределах и стремится к достижению нормального значения, определенного законом Генри-Дальтона. Режим растворения углекислого газа имеет ряд особенностей.

Биогенные элементы. К биогенным элементам относятся соединения, в состав которых входят азот, фосфор, кремний, углерод и сера. Азот и фосфор присутствуют в природных водах в виде неорганических и органических соединений: фосфор в виде производных фосфорной кислоты, максимальные концентрации приходятся на дигидрофосфаты (). Кремний присутствует в виде оксида кремния () и кремниевой кислоты (). Неорганические соединения азота: Кроме неорганических соединений азот в большом количестве входит в состав белков, липидов, ферментов и др. Это могут быть остатки АТФ, АДФ, АМФ, органических аминов, аминокислот. Содержание невелико (<0,5 мг/л). Нитрид ион является неусвояемым ионом. Концентрация нитрит и нитрат иона не более сотых долей процента, иногда концентрация нитрат иона бывает 0,1%. Поликремневая кислота () концентрация кремния 1 – 5 мг/л.

Органическое вещество в природных водах находится как в растворенном, так и во взвешенном состоянии. Органическое вещество имеет сложный состав, в котором преобладают гуминовые (до 60%) и фульвокислоты, причем содержание фульвокислот на порядок выше гуминовых. Благодаря этим кислотам происходит образование полудисперсных систем с молекулярным весом 200 – 300 тыс. и более. Значительная часть органического вещества в воде – коллоиды, которые состоят из обломков высокомолекулярных полимеров. Органическое вещество в реках зависит от растительного покрова, если река протекает по тундре, то содержание органического вещества 5,7 мг/л, в тайге – 9,7 мг/л, в смешанных лесах – 10,8 мг/л, лесостепи – 5,8 мг/л, степи – 4,5 мг/л, полупустыне – 3,1 мг/л, субтропиках – 1,1 мг/л.

Микроэлементы. Микроэлементы в природных водах делятся на:

1. типичные катионы ();

2. ионы тяжелых металлов ();

3. амфотерные комплексообразователи ();

4. типичны анионы для рек ();

5. радиоактивные элементы.

Микроэлементы составляют 0,001 и меньше долей процента, некоторые из них в морской воде составляют 0,1%.

Химический состав природных взвесей количественно колеблется от долей до десятков тысяч мг/л. Они определяют мутность. Мутность в водах рек различных территорий резко отличается:

Тундра – тайга, <50;

Лесостепь, 50 – 100;

Степи и полупустыни, 150 – 50;

Горные реки, >500.

Содержание взвесей зависит от климатических, морфологических геоморфологических характеристик, характера растительного покрова. В более крупных частицах взвесей содержится кварцит, кварц, реже рудные минералы, силикаты. Мелкие фракции содержат хлор, каолинит.

Концентрации этих элементов во взвешенном веществе рек зависит от минерального состава, гранулометрического состава почв. Речные взвеси, по сравнению с основными породами, значительно обогащены кадмием, свинцом, серебром, цинком, медью, чуть меньше молибденом, железом, марганцем и обеднены стронцием.

По форме нахождения во взвешенном веществе рек элементы делятся на две группы: подвижные и неподвижные. Подвижные формы элементов входят в сорбированный комплекс, гидроксилы, легкорастворимые карбонаты, органические вещества. При изменении условий могут переходить в растворенное состояние. Элементы неподвижной формы находятся в решетках минералов и в раствор практически не переходят при значительной вариации внешних условий.

Распределение элементов в речных осадках. Химический состав речных осадков изучении недостаточно. Содержание в них зависит от гранулометрического состава и вещественно-генетического типа. В реках преобладает кварцевый песок с примесью полевого шпата, раков дейтрита,….минерального. пески с различной зернистостью на быстрых участках, на замедленных участках формируются алевритические структуры и глинистые илы. При изменении размера частицы осадка в ней увеличивается содержание группы элементов меди, свинцы, кобальта, никеля, марганца, хрома, ванадия, бария, титана, галлия и уменьшается доля кремнезема.