Исследование химического состава проб воды озера Байкал и реки Иркут в 2007 году

Для подготовки специалистов в области экологии важным представляется более глубокое знакомство с контрастными по геохимическим условиям и степени техногенного загрязнения водными объектами. Для водоемов Уральского региона с его разнообразными естественными биогеохимическими провинциями и высокой степенью антропогенной трансформации природных систем в качестве такого контраста можно рассматривать более химически однородные и менее загрязненные озеро Байкал и его речную систему.

Озеро Байкал, расположенное в южной части Восточной Сибири, является одним из крупнейших озер планеты и самым глубоким континентальным водоемом. Его площадь составляет 31,5 тыс. км², длина -- 636 км, средняя и наибольшая ширина -- соответственно: 48 км и 79,4 км, средняя и наибольшая глубина -- 730 м и 1642 м.

По разным данным в Байкал впадает от 336 до 400 и более рек и речек, формирующих 82-87 % приходной части водного баланса озера. Наиболее крупные из них: Селенга, Баргузин, Верхняя Ангара, Турка, Снежная. Водосборный бассейн занимает около 557 тыс. км². Объем водной массы -- 23,6 тыс. км³, что составляет около 20 % мировых запасов поверхностной пресной воды [3].

В питании самого Байкала и большинства его притоков значительную долю (1318 %) составляют атмосферные осадки, что определяет крайне низкую минерализацию его вод [8]. В последние десятилетия интенсивное развитие промышленности в Байкальском регионе привело к росту в речных водах концентраций загрязняющих компонентов и увеличению их стока. При этом наибольшее антропогенное влияние испытывают притоки и акватория южной части озера [11].

Река Иркут является левым притоком р. Ангары (Нижней Ангары) -- единственной реки, вытекающей из озера Байкал и обеспечивающей его проточность. Река Иркут берет начало тремя истоками из оз. Ильчир в Восточном Саяне на высоте 1963 м над уровнем моря. Длина реки составляет 500 км или, если считать за начало р. Черный Иркут, -- 488 км; площадь водосбора -- 15 020 км². Половина протяженности реки -- 247 км -- приходится на территорию Тункинского национального парка, расположенного в Тункинской котловине; далее она течет в Зырказунском ущелье. Река Иркут приближается к оз. Байкал на расстояние в 18 км, но далее уходит на север и впадает в р. Ангару в районе г. Иркутска, в 76 км от Байкала. Иркут относится к горным рекам; ее русло в верховье прямое, в среднем и нижнем течении -- извилистое, с порогами.

Питание р. Иркут, как и всех ее притоков, идет за счет таяния высокогорных снегов и дождей. Замерзает она в конце октября -- середине ноября, вскрывается в конце апреля -- начале мая. На период с мая по октябрь приходится 80 % годового стока. Средний годовой расход воды у устья составляет 140 м³/с.

Целью настоящей работы является изучение химического состава вод оз. Байкал и р. Иркут современными химико-аналитическими методами и пополнение собственной базы данных факультета экологии Челябинского государственного университета.

Материал и методы

Исследования в 2007 году поверхностных вод Байкальского региона явились продолжением учебной деятельности и способствовали реализации программы учебных дисциплин факультета экологии ЧелГУ. В ходе летней экспедиции студенты вели наблюдения за изменениями температуры воды в течение суток, цветностью, запахом, вкусовыми качествами и химическим составом.

Для изучения химического состава вод озера Байкал и реки Иркут были отобраны 4 пробы объемом 1,5 л. Места отбора: проба № 1 -- западная часть озера Байкал в 6 км к северу от города Слюдянка из толщи воды в 30 м от берега (04.08.07); проба № 2 -- верхнее течение р. Иркут у пос. Тибельти (06.08.07); проба № 3 -- вблизи устья р. Б. Тибельти -- место ее впадения в р. Иркут (06.08.07); проба № 4 в среднем течении реки в 1 км ниже по течению от пос. Введенщина (03.08.07). Для анализа пробы были переданы в лабораторию Уральского филиала ВНИИ ветеринарной санитарии, гигиены и экологии РАСХН (г. Челябинск).

Концентрация главных ионов (Cl^-, SO₄^2-, K+, Na+, Mg²+, Ca²+), соединений азота и фосфора (NH₄+, NO₂^-, NO₃^-, HPO₄^2-), а также ионов F^-, Li+, Sr²+ и Ba²+ определялась методом капиллярного электрофореза. Его принцип заключается в разделении исследуемой пробы на компоненты в длинном кварцевом капилляре с электролитом. Под действием высокого напряжения в капилляре создается электроосмотический поток, в котором компоненты пробы, двигаясь с различной скоростью, разделяются и детектируются в виде узких пиков, площадь которых пропорциональна концентрации [10]. Анализ выполнен на системе «Капель 103-Р» (НПФ АП «Люмэкс», Россия) по методикам [5, 6]. Сбор данных, анализ полученных электрофореграмм и расчеты по калибровочным кривым выполнены в пакете для обработки хроматографических данных «МультиХром для Windows» (версия 1.52u, ЗАО «Амперсенд»). Для калибровок использовалась нелинейная зависимость площади пика иона S от его концентрации C вида: S = aC² + bC. Концентрацию гидрокарбонат-иона также определяли методом капиллярного электрофореза, но с калибровкой площадей пика по расчетному значению концентрации, полученному из разности эквивалентного содержания катионов и анионов.

Прозрачность воды определялась с помощью цилиндра для измерения прозрачности и текста со стандартным шрифтом [9], водородный показатель -- потенциометрией на иономере И-135М, щелочность -- титрометрией с метиловым оранжевым, минерализацию -- расчетом по сумме ионов, окисляемость -- перманганатным методом Кубеля [7]. Концентрация ионов CO₃²расчитывалась по карбонатному равновесию при известных температуре и щелочности [1].

Подготовка проб воды для определения Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb проводилась согласно инструкции [2] методом сухой минерализации без предварительной фильтрации, анализ -- на пламенном атомно-абсорбционном спектрофотометре «AAS-1» («Karl Zeiss Jena», Германия). Для построения калибровочных кривых использовалась нелинейная зависимость показаний спектрофотометра по шкале процентов поглощения Y от концентрации элемента C вида: Y = (100 +aC) / (1+ bC). Расчеты выполнены с использованием статистического пакета KyPlot (v.2.0 beta 15) и процессора электронных таблиц Calc (OpenOffice.org, v.2.2.0).

Результаты и обсуждение

Байкал. Вода оз. Байкал ультрапресная (минерализация менее 200 мг/дм³), мягкая (жесткость менее 4 мг-экв/дм³) и имеет нейтральную реакцию (см. таблицу). Следует отметить, что величина водородного показателя измерена с высокой точностью, т. к. полученное значение pH = 6,85 практически совпадает с pH стандартного калибровочного фосфатного буферного раствора (pH = 6,86), однако она могла измениться за время, прошедшее с момента отбора проб до анализа.

Химический состав проб воды оз. Байкал и р. Иркут в 2007 г.

За более чем полувековую историю исследований в бассейне озера основные закономерности формирования его химического состава были подробно изучены. Известно, что основным процессом, определяющим ионный состав притоков Байкала, а следовательно, и самого озера, является карбонатное выветривание слабовыщелачиваемых изверженных или метаморфических пород архея и протерозоя. Это определяет сходство гидрохимического состава поверхностных вод бассейна озера и их принадлежность к гидрокарбонатному классу, кальциевой группе, типу I по классификации О.А. Алекина [8].

Ионный состав воды Байкала относительно стабилен в пространстве (по глубине и акватории озера) и во времени, причем как по сезонам года, так и по годам [2]. Такая консервативность свойств связана со сходным характером формирования состава вод притоков, питающих озеро, а также с крайне низким темпом водообмена: смена водного объема Байкала происходит за 332 года. Это позволяет сравнить полученные нами данные для единственной пробы с данными литературных источников.

Как видно из таблицы, по главным ионам наши данные хорошо согласуются как со среднемноголетними значениями [3], так и со средними по 65 пробам значениями 1991 года [12]. Незначительные различия могут быть связаны с особенностями данной конкретной пробы или с отмечающейся некоторыми исследователями, но спорной [4] тенденцией крайне медленного роста минерализации водоема. Из главных ионов наименее точные оценки, полученные с использованием расчетов, имеют карбонати гидрокарбонат-ион. В частности, оценка концентрации HCO₃(73,5 мг/дм³) может быть немного завышена, т. к. в балансе эквивалентных количеств анионов и катионов нами не учитывались силикаты и слабые органические кислоты. О присутствии последних в анионном составе пробы можно судить по двум пикам неидентифицированных веществ, выходящих на электрофореграмме после гидрокарбонат-иона. Вместе с тем использование более грубого расчетного метода -- по общей щелочности [7] -- дает практически такую же оценку для концентрации гидрокарбонатов: 1,22 х 61,02 = 74,4 (мг/дм³).

В отличие от главных ионов, содержание биогенного вещества в оз. Байкал имеет выраженную стратификацию и закономерные сезонные изменения [2], поэтому полученные нами значения являются частными, а также приблизительными, учитывая отсроченный анализ. Можно лишь отметить низкое содержание органического вещества в пробе и наличие фосфатов в заметной концентрации.

По содержанию микроэлементов полученные результаты хорошо согласуются с литературными для Mn и Sr, но значительно расходятся для Ni и Cu. Последнее может отчасти объясняться анализом нефильтрованной воды, безусловно содержащей планктон и взвешенные вещества почвенного происхождения.

Иркут. Вода р. Иркут ультрапресная, мягкая. По показателю рН она приближается к кислым водам атмосферных осадков и имеет слабокислую реакцию (pH < 6,5). Величина минерализации несколько выше, чем в пробе байкальской воды, преимущественно за счет большего содержание сульфат-ионов и ионов кальция. Содержание азота и фосфора в пробах воды р. Иркут было сопоставимым с пробой воды оз. Байкал, однако она имела отчетливо большую окисляемость.

Проба № 3 имела заметные отличия от проб 2 и 4, связанные с влиянием вод впадающей здесь реки Б. Тибельти. Сравнение проб 2 и 4 позволяет увидеть основные тенденции изменения состава воды р.Иркут по мере приближения к Ангаре. В нижнем течении вода имеет несколько более высокие значения рН, щелочности, концентраций Mg, Ca, Mn, Fe. Одновременно в ней содержится меньше главных анионов и F, K, Ni, Sr, Ba, что отражается в общем снижении значения минерализации.

В целом химический состав и качество воды изученных водных объектов существенно отличался от изучавшихся нами ранее более минерализованных и насыщенных микроэлементами вод уральских рек и пресноводных озер. По своим природным условиям озеро Байкал и его речная система по праву являются одной из наиболее интересных зон развития экологических исследований.

гидрохимия вода озеро река

Список литературы

1. Алекин, О.А. Руководство по химическому анализу вод суши / О.А. Алекин, А.Д. Семенов, Б.А. Скопинцев. Л. : Гидрометеоиздат, 1989. 351 с.

2. Байкал : атлас / под ред. Г.И. Галазий. М. : Федер. служба геодезии и картографии, 1993. 160 с.

3. Вотинцев, К.К. Гидрохимия озера Байкал / К.К. Вотинцев. М.: АН СССР, 1961. 311 с.

4. Грачев, М.А. О современном состоянии экологической системы озера Байкал / М.А. Грачев, В.М. Домышева, Т.В. Ходжер и др. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2002. 154 с.

5. Методика выполнения измерения массовой концентрации катионов цезия, калия, натрия, лития, магния, кальция, стронция и бария в пробах природных, питьевых и сточных вод и катионов аммония в пробах сточных вод с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель» М 01-31-99. СПб., 1999. 34 с.

6. Методика выполнения измерения массовых концентраций хлорид-ионов, нитритионов, сульфат-ионов, нитрат-ионов, фторид-ионов и фосфат-ионов в пробах природной, питьевой и сточной вод с применением системы капиллярного электрофореза «Капель» ПНД Ф 14.1:2:4.157-99. М., 1999. 34 с.

7. Новиков, Ю.В. Методы исследования качества воды водоемов / Ю.В. Новиков, К.О. Ласточкина, З.Н. Болдина. М. : Медицина, 1990. 400 с.

8. Проблемы Байкала. Гидрохимия / под ред. Г.И. Галазий, К.К. Вотинцева / Тр. АН СССР, Сиб. отд-ние. Т. 16 (36). Новосибирск : СО АН СССР, 1978. С. 124-144.

9. Ращук, Н.Л. Анализ сточных вод и реагентов / Н.Л. Ращук, В.П. Уфимцева, Е.Ф. Захарова и др. Челябинск : Юж.-Урал. кн. изд-во, 1966. 184 с.

10. Система капиллярного электрофореза «Капель» (Основы метода. Аппаратура. Примеры использования систем капиллярного электрофореза «Капель-103, -104, -105»). СПб. : Люмэкс, 2001. 55 с.

11. Сороковикова, Л.М. Формирование химического состава воды притоков Южного Байкала в современных условиях / Л.М. Сороковокова, В.Н. Синюкович, И.В. Коровякова и др. // География и природные ресурсы. 2002. № 4. С. 52-57.

12. Falkner, K.K. The major and minor element geochemistry of Lake Baikal / K.K. Falkner, C.I. Measures, S.E. Herbelin, J.M. Edmond, R.A. Weiss // Limnology and Ocaenography. 1991. V. 36, № 3. P. 413-423.

Размещено на Allbest.ru