Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 546.212

556.531.4

Физико-химия процессов метаморфизации и солеобразования в континентальных и искусственных водоемах Казахстана

С.М. Романова

Казахский национальный университет им. аль - Фараби

Рассмотрена физико-химия процессов метаморфизации и солеобразования химического состава воды некоторых рек, озер и водохранилищ Казахстана с помощью химических диаграмм. Выявлены особенности этих процессов для отдельных систем.

Реки, озера и водохранилища играют большую роль в экономике и народном хозяйстве Казахстана, которая определяется в первую очередь использованием воды на орошение. В соответствии с долговременной программой мелиорации площадь орошения в Казахстане будет доведена до 3-3,5 млн.га. Рациональное использование речной воды возможно лишь при зарегулировании стока рек. Однако, зарегулирование стока рек и использование воды на орошение приводит к метаморфизации химического состава.

Проведены многолетние систематические исследования химического состава воды крупнейших речных систем Казахстана: Ертыской, Илийской, а также водохранилища - охладителя Экибастузской ГРЭС - 1. С помощью физико-химического анализа, применительно к природным водам, расчета показателей сравнения, коэффициентов метаморфизации, классификации Курнакова - Валяшко и химических диаграмм /1-3/ выявлены особенности процессов метаморфизации химического состава для отдельных систем.

Зайсано - Бухтарминское водохранилище на р. Ертыс является местом смешения разнотипных вод. Здесь аккумулируется вода правобережных притоков малой минерализации карбонатного типа, левобережных притоков, имеющих воду средней и повышенной минерализации сульфатного типа. В формировании химического состава воды водохранилища принимают участие грунтовые воды и атмосферные осадки. Кроме того, в водохранилище происходит накопление взвешенных частиц глины, породы и почв, внесенных реками. Таким образом, здесь создаются благоприятные условия для протекания катионного обмена, биохимических и др. реакций, приводящих к метаморфизации химического состава воды водохранилища.

Если нанести фигуративные точки состава воды Зайсано - Бухтарминского водохранилища и питающих его рек на химическую диаграмму, видно, что они не только значительно удалены друг от друга, но и находятся в разных ее полях карбонатного треугольника и сульфатного квадрата (рис.1). Так, фигуративная точка верхней части водохранилища (ЗБ₁) расположена в поле мирабилита сульфатного квадрата, а нижней части (ЗБ₂) в этом же поле карбонатного треугольника. Эта неоднородность химического состава водохранилища обусловлена особенностями химизма питающих его рек. Фигуративные точки состава одних (Тентек, Каинда и др.) располагаются в карбонатном треугольнике, других (Кулуджун, Нарым и др.) - в мирабилитовом поле сульфатного квадрата. С точки зрения физико-химического анализа, применительно к природным водам, этот переход фигуративных точек свидетельствует об обратной метаморфизации. Минерализация воды р. Ертыс по течению увеличивается незначительно (на 40 мг/л), индекс воды по Алекину постоянно С, значения коэффициентов Mg²⁺/Ca²⁺, Ca²⁺/ SO остаются неизменными, проявляется лишь тенденция к снижению значений показателя SO/Cl^-. Таким образом, на этом участке формирование химического состава практически завершено и процессы метаморфизации не имеют место. Фигуративная точка состава воды р. Ертыс (у г. Усть-Каменогорска, ИР₁) располагается в мирабилитовом поле, а для последующих пунктов по течению (ИР₂, ИР₃) смещаются в астраханитовое поле (рис.1). Анализируя положение фигуративных точек состава воды в системе: р. Черный Ертыс (ЧИ) - Зайсано-Бухтарминское водохранилище (ЗБ₁, ЗБ₂) - р. Ертыс (у г. Усть - Каменогорска и ниже по течению, ИР₁, ИР₂, ИР₃) видно, что в данном случае происходит сложный процесс ступенчатой метаморфизации воды из карбонатного типа (Ч. Ертыс) в сульфатный (верхняя часть Зайсано-Бухтарминского водохранилища), затем обратно в карбонатный (нижняя часть этого водохранилища) и вновь в сульфатный (р.Ертыс). Проведены многолетние исследования процессов метаморфизации химического состава воды на участке «р. Иле - картовый ороситель - чек - картовый водосброс-коллектор-р.Иле (ниже впадания коллекторов)» рисосовхозов «Бакбактинский», «Акдалинский», «50 лет Октября» в низовье р.Иле. На отдельных участках орошаемых массивов выявлены процессы содообразования («вспышка щелочности»), обусловленные особенностью химического состава воды р.Иле, почв, температурным режимом воды рисовых чеков и процессами катионного обмена, протекающих в системе «вода-почва».

Рис.1. Положение фигуративных точек состава рек Ертыс, Зайсано - Бухтарминского бассейна на химической диаграмме.

Усл. обозн: Н-Нарым, Кр- Курчум, Кд - Кальджир, Кл - Кулуджун, Кн - Каинда, Тк - Тентек, Т - Таинты, Б - Бокен, Бх - Бухтарма, Чи - Черный Ертыс, З-Б₁ - Зайсано - Бухтарминское водохранилище у м. Карасуат, З - Б₂ - Зайсано - Бухтарминское водохранилище у г. Серебрянска, Ир₁, Ир₂, Ир₃ - р. Иртыш у пунктов, соответственно, г. Усть-Каменогорск, г. Павлодар, С. Иртышское.

Рис. 2. Положение фигуративных точек состава воды оросительных систем на химической диаграмме.

Усл. обозн.: риссовхоз «50 лет Октября» - а -25 УШ 1974 г., б-10/УI 1977 г., в-до (25/УП) и в период вспышки рН» (26/УП 1979 г.), г-р. Иле и впадающие в нее коллектора, д-р. Иле до (И₁) и после зарегулирования стока (И₂), ниже впадения коллекторных вод (И₄, И₅) е-р. Иле (у ГЭС). Главного коллектора и р.Иле (ниже его впадения) в соответствующие месяцы, ор ороситель, ч-чек, кв - картовый водосброс. Ки-1, Ки-2, Ки-3, Ки-4-коллектора, ГК-главный коллектор.

Рис. 3. Расположение фигуративных точек состава воды водных объектов ЭТЭК на химической диаграмме.

Условные обозначения: - канал Ертыс - Караганда; - Экибастузское резервное водохранилище; - водохранилище - охладитель ЭГРЭС-1; * - оз. Женгельды; х - р. Ертыс.

Изучен гидрохимический режим 16 коллекторов Акдалинского и Тасмурунского массивов с целью выявить процессы метаморфизации химического состава воды, как в конечном звене оросительной системы. Установлено, что в отдельных случаях (рис.2а) на участке «ороситель-чек-водосброс» происходят очень резкие изменения в относительном составе, поэтому фигуративные точки состава воды чеков значительно удалены от фигуративной точки оросителя. Фигуративная точка одного из чеков (чек 1) смещена вниз и влево, что отражает увеличение доли NaCl в составе воды чека. На другом чеке при неизменном относительном составе сульфатов, меняется соотношение натриевых и магниевых солей. Однако, все фигуративные точки остаются в пределах одного поля. В ряде случаев (рис. 2б) разброс фигуративных точек состава воды оросителей, чеков и водосбросов меньший, т.к. изменения в их относительном составе менее значительны.

Рис. 4. Положение фигуративных точек состава воды оз. Женегельды (до и после промывки) и канала Ертыс - Караганда.

Условные обозначения: К - фигуративная точка состава воды канала Ертыс - Караганда; Ж - фигуративная точка состава воды оз. Женгельды (1972-1974 гг.). Ж^/ - фигуративная точка состава воды оз. Женгельды после промывки (1978 г.)

Если до «вспышки щелочности» (24.УП) фигуративные точки оросителя, чека, водосброса близко расположены друг к другу на границе астраханитового и тенардитового полей (рис. 2в), то в момент «вспышки щелочности» (25.УП) для воды чека она переходит в мирабилитовое поле химической диаграммы. Фигуративная точка состава воды водосброса вновь переходит в астраханитовое поле, но смещена вниз к полю NaCl. Фигуративные точки состава воды всех коллекторов (сбрасывающих воду в р. Иле, за исключением коллектора Ки-4) по сравнению с илийской (И₁) смещены в большей или меньшей степени к правому верхнему углу диаграммы, что отражает прямую метаморфизацию их химического состава, обусловленную увеличением доли MgSO₄ (рис.2г).

Фигуративная точка коллектора Ки - 4 смещена в астраханитовом поле к правому нижнему углу диаграммы за счет увеличения MgCl₂ в солевом составе. На рис. 2д показано положение фигуративных точек состава воды р.Иле до (И₁) и после зарегулирования стока (И₂), ниже сброса предпоследнего коллектора Ки-4 (И₄) и главного коллектора (И₅). На основании анализа их положения на химической диаграмме можно сделать вывод, что зарегулирование стока р.Иле приводит к увеличению доли хлорида натрия. Но более существенные изменения в составе воды р.Иле за счет увеличения сульфата магния происходят в вегетационный период в связи с впадением коллекторов Ки-1, Ки-2, Ки-3, Ки-4. Впадение Главного коллектора вновь приводит к некоторому увеличению хлоридных солей.

При всех этих изменениях фигуративные точки состава воды остаются в пределах астраханитового поля. Анализ положения фигуративных точек состава воды р.Иле до впадения Главного коллектора (И), Главного коллектора (К) и р.Иле после его впадения (И) на химической диаграмме показывает, что направление метаморфизации химического состава воды р.Или зависит от сезона года (рис.2е). Так, в мае, июле, когда в Главном коллекторе преобладают сбросные воды, фигуративная точка р.Иле (И^/) смещается к левому верхнему углу и переходит из астраханитового в мирабилитовое поле химической диаграммы. Сопоставляя положение фигуративных точек состава воды И,К,И^/ и чеков становится очевидным, что направление метаморфизации илийской воды под влиянием Главного коллектора в этот период обусловлено изменениями в химическом составе воды на чеках, поскольку в Главном коллекторе преобладает сток поверхностных вод. В январе, марте, октябре, когда в коллекторе преобладает сток грунтовых вод, фигуративные точки илийской воды И, И, И смещаются к правому верхнему или нижнему углу астраханитового поля химической диаграммы, как и в самом коллекторе в это время.

Многолетнее физико-химическое исследование воды водохранилища - охладителя ЭГРЭС -1 и канала Ертыс - Караганда проводилось на основе собственных экспериментальных данных за 1979-1990г.г., что дает возможность выявить процессы метаморфизации ионного состава воды /4/. С этой целью рассчитаны показатели сравнения, определен тип воды по Валяшко, рассчитаны индексы фигуративных точек химического состава воды для нанесения на химическую диаграмму (рис.3).

Значения коэффициента Mg²⁺/Ca²⁺ для канала Ертыс - Караганда колеблются в пределах 0,2-0,8, а для водохранилища в первые годы эксплуатации они в большинстве случаев близки к единице. С 1983 года наблюдается уменьшение коэффициента до 0,7-0,3, что связано с возрастанием доли Са²⁺ в составе воды.

Коэффициент Ca²⁺/SO₄^2- для канала всегда больше единицы (1,3-4,4). Для водохранилища его значения колеблются в пределах 1,7-0,8. Причем со временем наблюдается постепенное уменьшение коэффициента, т.к. в формировании химического состава воды водохранилища возрастает роль SO₄^2- - ионов.

Отношение SO₄^2- / CI^- для канала составляет 0,8-3,1, а для водохранилища этот коэффициент постепенно растет от 0,4 до 1,0 и достигает максимума (2,1) осенью 1986 г, что также свидетельствует о возрастании доли SO₄^2- -ионов в формировании состава водохранилища.

Отношение концентрации ионов натрия и хлора (коэффициент Na⁺/ CI^- ) в воде колеблется в пределах 0,7-2,7, а в воде водохранилища в первые годы его существования был равен 0,8-0,9. Затем коэффициент увеличился до 1,0-1,1 и к концу 1986 г достигает максимального значения 1,5.

Такое изменение двух последних коэффициентов доказывает ранее высказанное предположение, что роль хлоридов (чаще NaCI) в формировании химического состава воды водохранилища уменьшилась, и в настоящее время в воду стали поступать трудно-растворимые соли (сульфаты, карбонаты). На рис.3 представлены химические диаграммы Курнакова, характеризующие солевой состав воды оз. Женгельды, водохранилища-охладителя ГРЭС-1 и канала Ертыс - Караганда.

Озеро Женгельды, на основе которого создано данное водохранилище, было хлоридно-натриевое и точки лежат в галитовом поле. В первые годы существования водохранилище сформировалось как хлоридно-натриевое третьего типа. Подавляющее большинство фигуративных точек состава воды в 1979-1980 годах на химической диаграмме лежат в галитовом поле, но несколько выше точек, отвечающих составу оз. Женгельды.

К 1986 г. наблюдается постепенное смещение точек химического состава в астраханское поле, и лишь несколько точек остаются в поле галита (NaCI). Кроме того, фигуративные точки, хотя и очень медленно, перемещаются в сторону увеличения доли Mg²⁺ -ионов. Аналогичная картина прослеживается и в 1990 г. С точки зрения теоретических положений физико-химического анализа можно сделать вывод о том, что перемещение фигуративных точек состава из одного поля в другое свидетельствует о протекании процессов метаморфизации в воде водохранилища. В результате этих процессов доля хлоридных и натрий - ионов в формировании химического состава воды уменьшилась, а усилилась роль сульфат и магний - ионов. физико-химия метаморфизация солеобразование водоем

Фигуративные точки состава воды КИК в начале наблюдения располагались в тенардитовом (Na₂SO₄) и мирабилитовом (Na₂SO₄ * 10 H₂O) полях сульфатного квадрата, а к концу 1986 г. они смещаются в астраханитовое поле в направлении к углу MgSO₄, что также свидетельствует о процессах метаморфизации с участием ионов Mg²⁺ и SO₄^2- .

Литература

1. Романова С.М. Исследование процессов метаморфизации системы» река-озеро», «река-в-ще» /на примере природных вод Казахстана. - Тез.докл.IX Респ.конф.молодых спец.химиков, А-Ата, 1976.

2. Романова С.М., Беремжанов Б.А. Комплексн.физ.-хим.исследование некоторых природных водоемов Казахстана. - Тез.докл.науч.-теор.конф.,посвящ.50-летию КазГУ А-Ата 1985, с.23-24.

3. Романова С.М. Гидрохимия и гидроэкология оросительных систем РК (бассейн р.Или) (монография). - Алматы: Братство, 2003. - 181 с.

4. Ибрагимова М.А, Романова С.М., Беремжанов Б.А. Формирование гидрохим. режима водохранилища-охладителя ЭГРЭС-I. Гидрохимические материалы. - Л., Гидрометеоиздат, 1986, т.96, с.142-154

Ќазаќстанныњ жасанды жєне континенталды аймаќтары су ќоймаларындаѓы т±з т‰зулу жєне метаморфизациялау процестерініњ физика-химиясы

С.М.Романова

Физикалыќ химиялыќ процестерде химиялыќ диаграмма кµмегімен Ќазаќстан µзендері, кµлдері жєне су ќоймаларыныњ метаморфизациясы, химиялыќ ќ±рамында т±з т‰зілуініњ физикалыќ химиялыќ процестері ќарастырылѓан. Жеке ж‰йелерде осы процестердіњ ерекшеліктері аныќталды.

C.M. Romanova

Physicochemistry of the processes metamorfization and formation

of the salts in continental and artifical reservoirs of Kazakhstan

Inspect physicochemistry of the processes metamorfization and formation of the salts chemical composition of water for some rivers, lakes of Kazakhstan with chemical diagrams. Show specials of this processes for some systems.

Размещено на Allbest.ru