img-090539
.pdfА |
. М |
. Н |
и |
к |
а |
н |
о |
р |
о |
=□ K |
I |
1r u |
и |
J |
L |
j |
Второе издание, переработанное и дополненное
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности « Гидрология »
Санкт-Петербург ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ
2001
УДК 556.114 (075.8)
Рецензенты: В. Е. Закруткин, д-р геол.-минер, наук, проф. (Ростовский государст венный университет); В. И. Минкин, академик РАН, д-р хим. наук, проф. (Научноисследовательский институт физической и органической химии)
А. М. Никаноров. Гидрохимия: Учебник. — 2-е изд., перераб. и доп. — СПб: Гидрометеоиздат, 2001. — 444 с.
Изложены теоретические основы гидрохимии, вопросы общей, региональной и прикладной гидрохимии. Даны представления о строении вещества, закономерно стях протекания химических процессов, строении и свойствах воды как растворите ля, химическом составе природных вод и формирующих его факторах (естественных и антропогенных).
Освещены особенности химического состава атмосферных осадков, речных, озерных и подземных вод, их гидрохимической зональности и классификации.
Рассмотрены методы химического анализа природных вод, методология прове дения гидрохимических исследований иа водных объектах, методы оценки качества (загрязненности) воды по гидрохимическим и гидробиологическим показателям и обобщения гидрохимической информации. Описаны методы расчета баланса хими ческих веществ водных объектов, прогнозирования изменений химического состава воды, а также виды наблюдений за состоянием поверхностных вод суши, выполняе мых сетевыми подразделениями Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, и другие вопросы.
Для студентов вузов, обучающихся по специальностям „Гидрология”, „Приро допользование”, „Общая и прикладная экология”, а также для специалистов, рабо тающих в области наук о Земле, мониторинга природных вод, их охраны и исполь зования. Рекомендован для учащихся и специалистов стран СНГ.
Учебник издан при финансовой помощи „Федеральной программы поддержки книгоиздания в России”
1805040700-37 © А. М. Никаноров, 2001 069(02)01
ISBN 6-286-01282-5
П Р Е Д И С Л О В И Е
Настоящий учебник является вторым, исправленным и допол ненным, изданием учебника „Гидрохимия”, вышедшего в свет в 1989 году; написан в соответствии с программой предмета „Гидро химия”, утвержденной для специальности „Гидрология”. В этом учебнике систематизированы сведения о химии природных вод, яв лениях и процессах, протекающих в водных объектах и обуслов ленных влиянием естественных и антропогенных факторов, а так же необычными (аномальными) свойствами воды и водных раство ров. Курс „Гидрохимия” дает будущим специалистам-гидрологам основы знаний для решения разнообразных научных и практиче ских задач, связанных с проблемами качества воды. Являясь для студентов-гидрологов общенаучной дисциплиной, курс „Гидрохи мия” одновременно служит базой для последующего более углуб ленного изучения отдельных разделов данного предмета, таких как мониторинг состояния водных объектов, охрана природных вод, химия водоемов и др.
Другая, не менее важная цель данного учебника, продиктован ная нарастающим загрязнением окружающей природной среды и обострением во всем мире экологической ситуации, заключается в формировании у студентов XXI века экологического мировоззрения и в пробуждении с этих позиций их интереса к проблемам гидро химии.
В основе гидрохимии лежит фундаментальное положение, кото рое автор стремился оттенить в настоящей книге: состав природных вод отражает физико-химические условия их происхождения и су ществования в окружающей природной среде. Еще Плиний, круп нейший натуралист Древнего Рима, автор „Естественной исто рии” — самого популярного натурфилософского произведения вплоть до XVI века, писал: „Tales sunt aque, gualis terma per” (свой ства вод определяются свойствами пластов, через которые они те кут). Это высказывание не подлежит сомнению, однако для при родных вод (поверхностных и подземных) оно требует уточнения. Правильнее, по нашему мнению, сказать, что свойства воды опре деляются ее геологической историей и окружающей природной средой, в которой вода находилась. При этом под окружающей
средой для подземных вод следует понимать горные породы и тер модинамическую обстановку глубоких водоносных горизонтов, в которых вода образовалась и где протекала ее миграция, а для по верхностных — физико-географические и почвенно-геологические условия формирования этих вод. Во многих разделах учебника ав тор стремился подчеркнуть наличие сложных генетических связей
4 |
Предисловие |
между химическим составом природных вод и многочисленными факторами, определяющими состав гидросферы Земли.
При написании учебника автором использован многолетний опыт преподавания этой дисциплины в Ростовском государствен ном университете, результаты собственных исследований и работы научного коллектива Гидрохимического института Росгидромета, достижения отечественных и зарубежных ученых, а также некото рые материалы наблюдений сетевых подразделений Росгидромета. Практически все главы, посвященные традиционным вопросам, входящим в состав теоретических основ гидрохимии, а также об щей и региональной гидрохимии, дополнены новыми материалами натурных исследований, теоретических и прикладных разработок.
Значительно переработан и существенно расширен третий раз дел „Основы прикладной гидрохимии”, в который включены новые сведения по комплексной оценке загрязненности вод с использова нием гидрохимических и гидробиологических показателей, по ос новам методов оперативного и долгосрочного прогнозирования из менения химического состава поверхностных вод суши в условиях антропогенного воздействия, по методам составления баланса хи мических веществ для участков рек и водохранилищ как объектив ного способа оценки антропогенного влияния. В этом же разделе дан обзор современных методов аналитического контроля состава и свойств воды, методологии проведения гидрохимических и гидро биологических наблюдений за состоянием водных объектов и спе циальных видов исследований, технологий сбора, обработки и обобщения информации о состоянии поверхностных вод суши, по лучаемой сетевыми подразделениями Росгидромета. Подробно рас смотрены различные аспекты охраны природных вод и задачи гид рохимии с целью охраны вод, в том числе автоматизация отбора и анализа проб, выдача информации в рамках оперативного звена системы мониторинга, а также перспективы использования резуль татов новых исследований внутриводоемных процессов (гидроди намических и химико-биологических) на основе применения мето дов и средств натурного моделирования и трассерных индикаторов.
Автор выражает большую благодарность JI. В. Бражниковой за помощь при подготовке рукописи к изданию.
5
В в е д е н и е
ГИ ДРО Х И М И Я КАК НАУКА.
КРАТКИЙ И С ТО РИ Ч ЕС К И Й О Ч Е РК .
С О В РЕ М Е Н Н О Е С О С Т О Я Н И Е И ЗА Д А Ч И ГИДРО Х И М И ЧЕСКИ Х И С СЛ ЕД О ВА Н И Й
Самым главным и важным для человека веществом в окру жающем материальном мире является природная вода. Древнегре ческий философ Фалес Милетский (2600 лет назад) назвал воду первоисточником всего сущего. Наиболее глубокую оценку значе ния воды дал академик В. И. Вернадский: „Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов. Нет земного вещества — минерала, гор ной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное существо ею проникнуто и охвачено”.
Вода является одним из самых удивительных, еще до конца не изученных и не расшифрованных соединений на Земле. Исследова нием этого соединения и занимается гидрохимия — наука о химии природных вод.
В процессе круговорота воды на Земле, связывающего гидро сферу с атмосферой, литосферой и биосферой, осуществляется фор мирование химического состава вод. Взаимодействуя со всеми ком понентами природного ландшафта, испытывая влияние естествен ных и искусственных факторов, вода обогащается широким спек тром различных веществ в газообразном, твердом и жидком состоя нии, что создает огромную вариабильность типов природной воды по химическому составу.
Природные воды представляют собой динамичную химическую систему, содержащую в своем составе сложный комплекс газов, минеральных и органических веществ в виде истинных растворов, а также взвесей и коллоидов, которая зависит не только от условий окружающей среды, но и от различных процессов, протекающих как вне, так и непосредственно в водном объекте.
По определению выдающегося гидрохимика О. А. Алекина, гидрохимией называется наука, изучающая химический состав природных вод (гидросферы), а также его изменения во времени и пространстве в зависимости от химических, физических и биологи ческих процессов. К этому следует добавить, что современная гид-
6 |
Введение |
рохимия рассматривает влияние на состав природных вод не только указанных естественных процессов, но и антропогенных факторов, значение которых с каждым годом возрастает. Более точное опре деление может быть дано в следующем виде: гидрохимией называ ется наука, изучающая химический состав природных вод, а также его изменения под влиянием естественных ( хим иче ских, физических и биологических) и антропогенных факторов и процессов. Предметом исследования гидрохимии являются по
верхностные воды, подземные (в том числе связанные) воды оса дочных горных пород, а также сопутствующие этим водам различ ные химические осадки (соли), илы и грязи.
Гидрохимия изучает химический состав воды разнообразных природных и искусственных объектов: атмосферных осадков, рек, озер, морей, соляных озер, прудов, водохранилищ, каналов, под земных водоносных горизонтов и т. п. Эти же объекты изучаются с других точек зрения гидрологией, гидробиологией, океанологией, галургией, гидрогеологией, геохимией. Перечисленные науки, сле довательно, являются смежными по отношению к гидрохимии.
Гидрохимия делится на ряд разделов. Тот раздел гидрохимии, который посвящен изучению химического состава воды рек, озер и водохранилищ, опирается в своих исследованиях на методы геохи мии и выводы гидрологии. На формирование состава природных вод оказывает влияние органическая жизнь в воде, а состав воды в свою очередь влияет на жизнедеятельность и экологию населяю щих ее организмов. При изучении органической жизни в воде гид рохимия использует методы и подходы гидробиологии. Гидрохи мия океанов и морей тесно связана с океанологией, всесторонне изучающей Мировой океан и внутренние моря. При изучении соле вого состава озерных вод и подземных рассолов методы гидрохимии примыкают к методам исследований, используемых в галургии (га лургия — соляное дело, отрасль химической технологии, изучаю щая способы получения и переработки солей). По методам исследо вания природных вод гидрохимия соприкасается с аналитической химией, заимствуя теорию и богатый опыт этой науки для разра ботки специфических методов анализа природных вод. Для реше ния гидрохимических задач используются достижения физики, математики, кибернетики, автоматики, аэрокосмические исследо вания. Дистанционные методы позволяют определять качество вод по многим показателям с высокой экспрессностью; результаты этих исследований имеют большое значение для оперативного контроля состояния окружающей среды. Математические методы обработки результатов гидрохимических наблюдений применяются для по строения математических моделей водных объектов, которые ис
Введение |
7 |
пользуются для прогнозирования изменений состава вод во времени
ив пространстве.
Всистеме наук гидрохимия, по мнению О. А. Алекина, занима ет двойственное положение. С одной стороны, изучая химию гидро сферы, гидрохимия является частью более обширной науки о хи мии земной коры — геохимии; с другой стороны, гидрохимия должна входить в комплекс дисциплин о гидросфере, то есть в гид рологию. Из сказанного следует, что гидрохимию надлежит отно сить к геолого-географическим наукам.
Теоретическое и практическое значение гидрохимии очень ве лико. По своим физическим, химическим и биологическим свойст вам вода занимает исключительное положение в природе. Все явле ния в литосфере, биосфере и атмосфере совершаются с участием воды. С различных позиций воду изучают специалисты разнообраз ного профиля — физики, астрофизики, химики, гидрохимики, гидрологи, гидрогеологи, биохимики и др. Одной из важнейших проблем гидрохимии является познание происхождения ионного состава воды. С решением этой сложной проблемы связано изуче ние разнообразных процессов, происходящих в природных водах, естественных и искусственных факторов, влияющих на минерали зацию и состав воды, изучение взаимодействия воды с породами, биотой, установление общих закономерностей формирования хи мического состава природных вод и выяснение генезиса различных химических типов вод земной коры. Теоретическое значение гид рохимии заключается также в изучении круговорота веществ в природе, в выяснении роли некоторых растворенных в подземных водах компонентов, вобразовании полезных ископаемых.
Знание химического состава природных вод имеет огромное практическое значение для развития различных отраслей экономи ки. Химический состав необходимо учитывать при использовании природных вод для всех видов водоснабжения и водопользования (питьевого, хозяйственно-бытового, промышленного, сельскохо зяйственного, транспортного), при добыче солей, поиске полезных ископаемых, в бальнеологии. При строительстве гидротехнических сооружений надо знать химический состав воды для того, чтобы предупредить водную коррозию бетона и металла.
Очень важна в условиях быстрого роста масштабов влияния ан тропогенных факторов проблема загрязнения природных вод. За грязнение биосферы Земли антропогенными токсичными вещест вами, в основном ксенобиотиками (чужеродными для нее химиче скими соединениями), приобретает угрожающий характер. Обще признано, что человечество выбрасывает в биосферу около 5 • 10е на именований различных веществ и к этой цифре прибавляется при мерно по 3000 новых соединений ежегодно. Особенно интенсивно
8 |
Введение |
идет накопление веществ в водных объектах, так как для многих длительно сохраняющихся в окружающей природной среде (перси стентных) соединений именно гидросфера является замыкающим звеном миграции и депонирования. Даже для веществ, не посту пающих непосредственно в водные объекты, а сбрасываемых в поч ву или в атмосферу, вероятность их последующего попадания в гидросферу весьма высока. В водных объектах, по данным Всемир ной организации здравоохранения при ООН (ВОЗ), обнаружено по мимо неорганических более 3000 органических загрязняющих ве ществ.
Огромный вред наносится водным объектам из-за сложившейся практики их использования в качестве приемников неочищенных сточных вод — естественных „очистных сооружений”. Антропоген ные преобразования вод, в частности связанные с созданием каска дов водохранилищ на реках, способствуют снижению проточности и накоплению биогенных и органических веществ, поступающих со сточными водами, что в конечном счете приводит к их евтрофированию — крайне неблагоприятному и опасному явлению. Другой актуальной проблемой планеты является закисление поверхност ных вод (особенно озер), обусловленное выпадением атмосферных осадков с высоким содержанием кислотообразующих соединений серы и азота в результате сжигания ископаемого топлива и перено сом отходов сжигания трансграничными воздушными массами.
Решение проблемы защиты вод от загрязнениятребует всесто роннего и комплексного изучения поверхностных вод суши и кон троля за состоянием водных объектов на основе применения самых совершенных методов гидрохимических исследований.
* * *
Гидрохимия как наука сформировалась несколько десятилетий назад, но корни ее уходят в глубокую древность. Впервые натурфи лософские представления о воде возникли в Древней Греции. Фалес Милетский (624—543 гг. до н. э.) считал, что все вещества возник ли из воды и возвращаются в нее. По его мнению, все твердые ве щества осаждаются из воды. Он первый обратил внимание на то, что вода является единственным соединением в природе, встре чающимся в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газо образном. В учении древнегреческого ученого Платона (427— 347 гг. до н. э.) большое внимание было уделено воде как одной из четырех основных стихий: огонь, воздух, вода и земля. Ученик Платона Аристотель (384—322 гг. до н. э.) развил идеи своего учи теля и считал воду главной составной частью металлов. Он полагал, что вода входит в состав минералов, однако основным элементом минералов, по его мнению, является огонь. Образование минералов
Введение |
9 |
Аристотель связывал с отвердеванием испарений в земных недрах. Интерес к изучению химического состава природных вод возник в эпоху Римской империи в связи с широким использованием тер мальных вод. В трактатах того времени можно встретить образцы классификации минеральных вод по химическому составу (выде лялись воды щелочные, железистые, соленые, серные). Натурфило софия древних римлян и греков, и прежде всего Аристотеля, впо следствии оказала большое влияние на арабских ученых. Напри мер, Авиценна (980—1037 гг.) в своей „Книге исцеления” писал, что „воде по ее природе свойственно превращаться в землю благо даря преобладанию землистой силы... и земле по ее природе свойст венно превращаться в воду благодаря преобладанию в ней водной силы”.
Долгое время, более тысячелетия, ни в Европе, ни в Азии не существовало научных трудов, точнее трактующих процессы и яв ления, протекающие в гидросфере. Лишь А. Лавуазье (1743— 1794 гг.), проведя опыты по кипячению воды в стеклянном сосуде и доказав, что образовавшийся осадок представляет собой вещество сосуда как результат разъедания его стенок, опроверг многовековое заблуждение о том, что вода является веществом, из которого могут образовываться все твердые тела. Лавуазье внес существенный вклад в выяснение состава воды. Однако честь открытия состава воды принадлежит Г. Кавендишу, который в 1784 г. установил, что при взрыве смеси водорода и кислорода в соотношении 2 : 1 на стенках сосуда конденсируется туман, представляющий собой обычную воду. Опыты, аналогичные тем, что провел Кавендиш, были примерно в эти же годы поставлены также А. Лавуазье и Дж. Уаттом. Поэтому заслуга в выяснении состава воды, по мнению многих ученых, принадлежит этим трем великим натуралистам. В. И. Вернадский писал об установлении состава воды как о „вели ком открытии, фактически создавшем новую химию и перевернув шем все наши представления о космосе”.
Творческая мысль крупнейших отечественных естествоиспыта телей была направлена на выявление роли воды в разнообразных земных процессах. Углубленное изучение природных вод связано с именем великого русского ученого М. В. Ломоносова, которого можно по праву считать первым русским геохимиком и гидрохи миком. В работе „О слоях земных” (1740—1750 гг.) Ломоносов соз дал учение о природных водах как о сложном растворе, обязанном своими составом и происхождением окружающей среде, о переносе растворенных солей в процессе круговорота воды, о химическом составе воды как средстве распознавания недр. Исследования Ло моносова значительно предвосхитили позднейшие открытия в об ласти естественных наук.
С развитием техники в XIX и начале XX в. возникла необходи мость изучения химического состава воды, используемой в различ