Химический состав поверхностных и подземных вод суши в значительной мере зависит от состояния атмосферы. Активное воздействие атмосферы на наземные экосистемы и гидросферу проявляется через атмосферные осадки в виде дождя и снега, которые в условиях техногенеза очищают атмосферу, но загрязняют компоненты природной среды. Избыточное поступление поллютантов, в том числе фтора, в геосистемы происходит в основном за счет внесения удобрений, сточных вод и атмосферных выпадений от промышленных предприятий. Строительство заводов по производству алюминия ОАО «РУСАЛ» на юге Минусинской котловины вызывает опасение относительно загрязнения водных объектов территории, прежде всего фторидами и алюминатами.
Цель исследования – установить уровни содержания химических элементов в водных объектах юга Минусинской котловины и ее горного обрамления, находящихся вне сферы влияния предприятий ОАО «РУСАЛ».
Материалы и методы исследования
Объект исследования – воды рек и озер (табл. 1), а также атмосферные осадки, грунтовые и глубинные воды территории юга Минусинской котловины.
Таблица 1
Список исследуемых рек и озер
|
Реки |
Озера |
||||
|
№ |
№ |
№ |
|||
|
1 |
Голубая (с. Голубая) |
9 |
Орловка (с. Белозеровка) |
1 |
Красное |
|
2 |
Енисей (ниже Шушенской ГЭС) |
10 |
Шунерчик (с. Шунеры) |
2 |
Поповское |
|
3 |
Сизая (с. Сизая) |
11 |
Шушь (п. Шушенское) |
3 |
Чалпан |
|
4 |
Приток р. Малая Шушь |
12 |
Бея. (п. Бея) |
4 |
Бугаево |
|
5 |
Малая Шушь (п. Ленск) |
13 |
Енисей (с. Монастырка) |
5 |
Черное (с. Дмитриевка) |
|
6 |
Малая Шушь (п. Майский) |
14 |
Калы (с. Калы) |
6 |
Черное (с. Сабинка) |
|
7 |
Средняя Шушь (с. Ср. Шушь ) |
15 |
Сабинка (с. Сабинка) |
7 |
Новотроицкое |
|
8 |
Алтан (с. Ильичево) |
8 |
Трехозерки |
||
Отбор проб воды проводился (2009–2015 гг.) в межень выше населенных пунктов по течению рек в соответствии с [1]. Всего отобрано и проанализировано 98 образцов.
Количественный химический анализ проб воды выполнялся в сертифицированном химико-аналитическом центре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН с использованием приборной базы Байкальского центра коллективного пользования и стандартных методик (РД и ПНДФ). Пробы анализировались на анионно-катионный состав и содержание 20 химических элементов – Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, Ti, Mn, P, Sr, Ba, Zn, Cu, Ni, Cr, Co, Pb, F, V. Содержание фтора выявлялось методом прямой потенциометрии на иономере «Эксперт-001» с помощью фторселективного электрода ЭЛИС 131F.
Результаты исследования и их обсуждение
Химический состав поверхностных вод в значительной степени формируется в соответствии с зональными изменениями климата, почв, растительности. Воды аридной зоны в целом более минерализованы, чем воды гумидных зон. Изменения заметны также и при переходе от ландшафтов горной тайги к лесостепным и степным ландшафтам.
Атмосферные осадки (дождевая вода). В условиях степей юга Минусинской котловины атмосферные осадки мало минерализованы (4,47–26,96 мг/дм3). В среднем это составляет 15 мг/дм3. По данному показателю они очень близки к атмосферным осадкам центральных районов европейской части России с минерализацией 16,9 мг/дм3. Однако химический состав их различен. Если в дождевой воде европейской части территории России преобладают ионы SO42+ и Ca2+ (состав сульфатный кальциевый), то на исследуемой территории среди анионов преобладают HCO3-, Cl-, а среди катионов – Na+, Ca2+ (состав хлоридно-гидрокарбонатный кальциево-натриевый). Указанные различия можно объяснить субаридным климатом степей и присутствием засоленных почв, подверженных дефляции. Это находит отражение также в реакции дождевой воды (pH), которая меняется от 5,74 до 7,17. Средние содержания фтора 0,06 (0,01–0,11), алюминия 0,04 (0,01–0,08) мг/дм3.
Реки. Основное питание поверхностных водотоков исследуемой территории, которые представлены небольшой частью р. Енисей, берущей начало глубоко в горах Западного Саяна, и его притоками, преимущественно снеговое [2], поэтому воды рек в пределах горной тайги имеют малую минерализацию (до 100 мг/дм3) и классифицируются как ультрапресные. Содержание F – составляет 0,07–0,12 мг/дм3, Al3+ – 0,041–0,045. Вследствие того, что горные массивы Западного Саяна часто включают основные породы, дренирующие их реки имеют слабощелочную реакцию, среди катионов преобладают Ca2+ и Mg2+ (табл. 2). Согласно классификации [3, 4], они отнесены к гидрокарбонатному классу, группе кальция и магния.
Таблица 2
Анионно-катионный состав воды рек (мг/дм3)
|
Реки*, № п/п |
pH |
Анионы |
Катионы |
Минера-лизация |
||||||||
|
CO32- |
HCO3- |
Cl- |
SO42- |
F- |
Ca2+ |
Mg2+ |
K+ |
Na+ |
Al3+ |
|||
|
I. Река Енисей и ее притоки в пределах горной тайги 800–1000 м у.м. |
||||||||||||
|
1 |
8,14 |
–** |
67,77 |
2,77 |
0,07 |
0,07 |
17,2 |
3,73 |
0,39 |
0,24 |
0,045 |
92,93 |
|
2 |
8,14 |
– |
69,79 |
1,53 |
0,07 |
0,12 |
16,8 |
3,72 |
0,38 |
0,51 |
0,041 |
77,0 |
|
3 |
8,02 |
– |
58,89 |
0,42 |
0,06 |
0,11 |
12,8 |
3,83 |
0,40 |
0,46 |
0,044 |
92,33 |
|
Среднее |
8,10 |
– |
65,48 |
1,57 |
0,07 |
0,10 |
15,6 |
3,76 |
0,39 |
0,41 |
0,043 |
87,52 |
|
* М0,088 ** HCO391Cl5 / Ca70Mg24 |
||||||||||||
|
II. Притоки р. Енисей низкогорного предгорья 600–800 м у.м. |
||||||||||||
|
4 |
8,17 |
– |
84,18 |
3,5 |
0,07 |
0,34 |
22,4 |
3,601 |
1,564 |
0,37 |
0,060 |
116,09 |
|
5 |
8,18 |
– |
86,00 |
4,34 |
0,07 |
0,14 |
22,82 |
3,766 |
1,955 |
0,842 |
0,059 |
119,99 |
|
6 |
7,79 |
– |
84,41 |
4,90 |
0,06 |
0,18 |
22,45 |
3,915 |
2,346 |
0,448 |
0,057 |
118,77 |
|
7 |
8,1 |
– |
59,02 |
2,11 |
0,06 |
0,12 |
11,92 |
4,733 |
0,391 |
0,803 |
0,028 |
79,19 |
|
Среднее |
8,19 |
– |
78,4 |
3,71 |
0,07 |
0,19 |
19,9 |
4,01 |
1,564 |
0,616 |
0,051 |
108,51 |
|
*М0,109 HCO391Cl8 / Ca72Mg24 |
||||||||||||
|
III. Притоки правобережья р. Енисей предгорной равнины (лесостепь) 300–500 м у.м. |
||||||||||||
|
8 |
9,05 |
8,4 |
233,23 |
5,18 |
0,29 |
0,56 |
31,99 |
25,94 |
0,78 |
9,66 |
0,077 |
316,11 |
|
9 |
9,71 |
14,4 |
300,15 |
10,08 |
0,13 |
0,39 |
48,17 |
30,49 |
1,96 |
15,87 |
0,123 |
421,76 |
|
10 |
9,13 |
6,6 |
210,40 |
8,61 |
0,25 |
0,38 |
43,14 |
15,92 |
1,56 |
9,20 |
0,112 |
296,17 |
|
11 |
8,55 |
– |
189,56 |
5,18 |
0,09 |
0,17 |
43,60 |
11,91 |
0,78 |
1,40 |
0,049 |
252,74 |
|
Среднее |
9,36 |
7,35 |
233,3 |
7,26 |
0,19 |
0,38 |
41,73 |
21,07 |
1,27 |
9,03 |
0,09 |
321,71 |
|
*М0,322 ** HCO395Cl l5 / Ca49Mg41Na9 |
||||||||||||
|
IV. Река Енисей и притоки ее левобережья степной равнины 300–450 м у.м. |
||||||||||||
|
12 |
8,96 |
2,80 |
212,19 |
21,39 |
21,79 |
0,19 |
57,89 |
14,09 |
0,941 |
7,55 |
0,114 |
339,45 |
|
13 |
7,33 |
61,92 |
2,57 |
4,87 |
0,09 |
17,59 |
2,94 |
0,58 |
2,51 |
0,031 |
93,11 |
|
|
14 |
8,29 |
3,00 |
219,67 |
4,679 |
19,2 |
0,21 |
55,91 |
12,45 |
0,94 |
10,66 |
0,078 |
326,51 |
|
15 |
8,14 |
154,29 |
12,24 |
22,57 |
0,23 |
41,05 |
11,25 |
0,99 |
7,25 |
0,157 |
250,04 |
|
|
Среднее |
8,18 |
162,02 |
10,22 |
17,11 |
0,18 |
43,11 |
10,18 |
0,86 |
6,99 |
0,95 |
252,28 |
|
|
*М0,252 ** HCO378SO412 Cl 9 / Ca62Mg26 Na11 |
||||||||||||
Примечание: * формула Курлова, ** – не обнаружено.
При движении от гор к предгорью минерализация воды рек постепенно возрастает с 88 до 108 мг/дм3, но особенно это заметно в лесостепной и степной части Южно-Минусинской котловины (М = 252–322 мг/дм3). По этому показателю они классифицируются как умеренно пресные (0,2–0,5 г/дм3). Повышение минерализации происходит за счет практически всех ингредиентов, в том числе появления нормальных карбонатов. Содержание F – и Al3+ также закономерно повышается, но остается в пределах нормы для вод питьевого и хозяйственного назначения [5]. Однако содержание Al3+, которое составляет 0,08–0,12 мг/дм3, превышает в 2–3 раза ПДК (0,04 мг/дм3), установленную для воды объектов, имеющих рыбохозяйственное значение [6]. Жесткость воды меняется от очень мягкой в горах до умеренно жесткой в степной части. Соответственно, в их анионном составе доминируют ионы HCO3- и CO32-, а в катионном – Ca2+ и Mg2+. Общий состав (табл. 2) – гидрокарбонатный магниево-кальциевый, представленный в виде формулы Курлова.
Интересно то, что на фоне такой трансформации катионно-анионного состава воды притоков р. Енисей состав воды самой реки («Большая вода») мало меняется вплоть до нижнего бьефа Красноярской гидроэлектростанции, где минерализация воды в среднем составляет 84,7 ± 1,4 мг/ дм3 при диапазоне концентраций 59,4–117,0 мг/дм3 [7]. Химический состав – гидрокарбонатный кальциевый, реакция среды характеризуется как слабощелочная и нейтральная (pH = 6,98–8,40), жесткость соответствует категории «мягкая», что близко к данным табл. 2. Содержание фтора практически не изменилось (0,081–0,099 мг/дм3) в нижнем бьефе Енисея и в его воде на территории Южно-Минусинской котловины и ее горном обрамлении (табл. 2). Здесь же нами обнаружены очень низкие концентрации микроэлементов и железа (мкг/дм3 ): Sr – 65–74, Ba – 6–13, Fe – 5–16, Cu – 1–5, Zn – 1–3.
Озера. Происхождение озер связано с тектоническими процессами, а также с карстовыми явлениями в отложениях ямкинской свиты. Для них характерна небольшая глубина и сочетание атмосферного и подземного питания. Наиболее мелководное из них озеро Трехозерки, которое сильно разливается весной, а летом усыхает и делится на несколько более мелких озерков.
Минерализация воды в озерах меняется от пресных менее 0,8 до рассолов 150 г/дм3. Соответственно изменяется и анионно-катионный состав – от гидрокарбонатного кальциевого до хлоридного натриевого (табл. 3). Формирование солевого состава озер в большой мере обусловлено природно-климатическими факторами, когда в условиях степей главная роль отводится испарительной концентрации и осадка солей осуществляется в зависимости от их растворимости. Немаловажное значение при этом имеет подпитка озер подземными водами, их солевым составом и глубина озер, что влияет на разбавление растворов. При испарении концентрация химических элементов в воде повышается, и в первую очередь в осадок выпадают наименее растворимые соли – карбонат кальция и магния (CaCO3, MgCO3), оставаясь в незначительном количестве в растворе, далее осаждаются сульфаты – гипс (CaSO4·2H2O). В растворе остаются хлориды Na+, K+, Mg2+, соли которых при определенных условиях концентрации также могут осаждаться. Галогенез в континентальных озерах детально рассматривается в [8].
Таблица 3
Анионно-катионный состав воды озер (мг/дм3)
|
Озера*, № п/п |
pH |
Анионы |
Катионы |
Минерализация |
||||||||
|
CO32- |
HCO3- |
Cl- |
SO42- |
F- |
Ca2+ |
Mg2+ |
K+ |
Na+ |
Al3+ |
|||
|
I. Пресные |
||||||||||||
|
1 |
7,90 |
– |
113,45 |
13,85 |
15,84 |
0,40 |
16,02 |
4,54 |
1,96 |
31,51 |
0,050 |
197,62 |
|
2 |
7,34 |
– |
250,18 |
17,73 |
22,08 |
0,40 |
52,31 |
15,16 |
5,63 |
23,55 |
0,096 |
387,14 |
|
3 |
8,57 |
4,8 |
273,37 |
58,14 |
230,4 |
0,70 |
41,62 |
31,02 |
2,15 |
146,60 |
0,135 |
788,94 |
|
Среднее |
7,94 |
1,6 |
212,33 |
29,91 |
89,44 |
0,50 |
36,65 |
16,91 |
3,25 |
67,22 |
0,094 |
457,90 |
|
*М0,458 ** HCO357 SO430 / Na47Ca29Mg23 |
||||||||||||
|
II. Солоноватые |
||||||||||||
|
4 |
9,65 |
587,00 |
2371,65 |
3465,11 |
2847,88 |
2,28 |
10,42 |
186,02 |
12,50 |
4392,32 |
0,061 |
13875,24 |
|
5 |
9,28 |
96,00 |
602,71 |
579,95 |
853,28 |
2,38 |
60,14 |
85,69 |
7,43 |
846,77 |
0,072 |
3134,42 |
|
6 |
8,67 |
36,48 |
488,17 |
462,91 |
295,19 |
1,30 |
26,12 |
40,92 |
5,84 |
526,77 |
0,081 |
1883,78 |
|
7 |
9,06 |
130,00 |
800,25 |
521,14 |
548,16 |
4,60 |
32,25 |
32,82 |
11,04 |
844,20 |
0,108 |
2923,87 |
|
Среднее |
9,17 |
212,37 |
1065,70 |
1257,28 |
1136,13 |
2,47 |
32,23 |
86,36 |
9,20 |
1652,52 |
0,081 |
5454,33 |
|
М5,455 ** Cl 42HCO329SO428 / Na89 |
||||||||||||
|
III. Рассолы |
||||||||||||
|
8 |
7,73 |
540 |
5978 |
82360 |
7500 |
0,092 |
390 |
14940 |
243 |
30747,99 |
1,79 |
142699,26 |
|
*М142,699 ** Cl 89SO46 / Na52Mg47 |
||||||||||||
Наибольшее содержание F- обнаружено в солоноватых озерах, которое в отдельные годы (в зависимости от засушливости сезона) может достигать 4,6 мг/дм3 (оз. Новотроицкое). Главной причиной повышенного содержания элемента в минерализованных озерах является щелочная, гидрокарбонатная среда, которая способствует миграции его из водовмещающих пород и удерживанию в подвижной ионной форме. Воды характеризуются щелочной средой и высоким содержанием натрия, относительно низким – кальция. В таких водах количество фтора увеличивается с ростом их минерализации [9]. Еще более высокий уровень концентрации F- отмечен в относительно стабильных и периодически высыхающих озерах Юго-Восточного Забайкалья. Так, в озере Хара-Нур (степи Даурии) содержится 10 мг/дм3 фтора, Зун-Торей – 10,2, Норин-Булик – 4,3.
Уровень концентрации Al3+ в озерах невысокий, меняется в пределах от 0,05 до 0,135 мг/дм3 (при ПДК – 0,5 мг/дм3), и лишь в рассоле озера Трехозерки он повышен и составляет 1,79 мг/дм3. Озера Юго-Восточного Забайкалья менее различаются между собой по данному показателю (0,11–0,13 мг/дм3).
Подземные воды. Подземными являются воды, находящиеся в земной толще ниже поверхности земли. Подземная гидросфера связана с поверхностной вследствие водообмена в течение всей геологической истории Земли. Выделяется два основных типа подземных вод: грунтовые и напорные.
Грунтовые воды формируются в первом водоносном слое и имеют свободную связь с поверхностью, поэтому в них отсутствует напор, а уровень воды находится там, на какой глубине они вскрыты. Грунтовые воды пополняются за счет атмосферных осадков или поверхностных вод (рек, озер, прудов) находясь с ними во взаимосвязи.
Воды, находящиеся ближе к дневной поверхности, отличаются большей минерализацией по сравнению с ниже залегающими слоями (табл. 4). Первые, повышенной минерализации, характеризуются сульфатно-гидрокарбонатным натриевым или кальциево-натриевым составом. Вторые, средней минерализации – гидрокарбонатные кальциево-натриевые.
Таблица 4
Анионно-катионный состав подземных вод (мг/дм3)
|
№ п/п |
pH |
Анионы |
Катионы |
Минерализация |
||||||||
|
CO32- |
HCO3- |
Cl- |
SO42- |
F- |
Ca2+ |
Mg2+ |
K+ |
Na+ |
Al3+ |
|||
|
Грунтовая вода колодцев (4–4,5 м), n = 5 |
||||||||||||
|
1 |
8,14 |
– |
352,31 |
49,84 |
110,33 |
0,81 |
18,65 |
10,73 |
0,89 |
178,85 |
0,038 |
722,45 |
|
*М0,722 ** HCO361SO424 Cl 14 F0,45 / Na81Ca10Mg9 |
||||||||||||
|
Грунтовая вода неглубоких скважин (8–9 м), n = 9 |
||||||||||||
|
2 |
8,05 |
3,6 |
354,95 |
87,29 |
225,01 |
1,16 |
51,60 |
24,28 |
1,745 |
195,74 |
0,086 |
945,46 |
|
*М0,945 ** HCO344SO435 Cl 19 F0,5 / Na65Ca20Mg15 |
||||||||||||
|
Грунтовая вода гравийного карьера (18 м), n = 3 |
||||||||||||
|
3 |
8,58 |
– |
196,27 |
9,59 |
21,47 |
1,10 |
20,87 |
16,56 |
1,41 |
35,09 |
0,053 |
302,33 |
|
*М0,302 ** HCO381SO411 Cl 8F1 / Na65Ca20Mg15Al 0,25 |
||||||||||||
|
Глубинная вода скважин (> 20 м), n = 13 |
||||||||||||
|
5 |
7,63 |
– |
267,85 |
37,88 |
36,13 |
0,30 |
65,08 |
18,5 |
3,14 |
26,13 |
0,11 |
455,12 |
|
*М0,455 ** HCO370 Cl 18 SO413 F0,3 / Ca54Mg25 Na19 Al 0,2 |
||||||||||||
Подземные воды исследовались в скважинах питьевого и хозяйственного использования с. Новоенисейка, расположенного на левом берегу, круто обрывающемся к руслу р. Енисей. Водоносные горизонты представлены аллювиальными отложениями четвертичного периода, которые для всех крупных рек являются основным источником водоснабжения городов Абакана, Черногорска, Саяногорска и ряда других, более мелких, населенных пунктов [10]. Подземные воды, вскрытые скважинами в с. Енисейка, среднеминерализованные, гидрокарбонатные магниево-кальциевые, среднежесткие (4, 77 ммоль/дм3). По содержанию основных ингредиентов исследуемые воды (табл. 4) близки к обобщенным сведениям химического состава водоносных четвертичных отложений территории Хакасии (рН 7,73 у.е.; HCO3 254 мг/дм3; Cl 65,9; SO4 99,1; Ca 56,6; Mg 23 при бщ. Ж 4,79 ммоль/дм3) [10].
Заключение
Установлено, что изменения химического состава водных объектов связаны, прежде всего, с природными особенностями территории. При движении от гор к предгорью минерализация воды рек постепенно возрастает. Содержание F – и Al3+ также закономерно повышается, оставаясь в пределах нормы. Общий состав воды – гидрокарбонатный магниево-кальциевый. Минерализация воды в озерах меняется от пресных до рассолов. Соответственно изменяется и анионно-катионный состав от гидрокарбонатного кальциевого (пресные озера) до хлоридного натриевого (рассолы). Содержание фтора увеличивается соответственно от 1,3 до 4,6 мг/дм3. Глубинные воды средне минерализованные, гидрокарбонатные магниево-кальциевые, средне жесткие (4,77 ммоль/дм3), отличаются стабильно низким содержанием F- (0,20–0,23 мг/дм3).
Содержание фтора в грунтовых водах территории удаленной от заводов ОАО «РУСАЛ Саяногорск» близко к оптимальному уровню. Как правило, это неглубокие колодцы и скважины (до 9 м), с концентрацией элемента от 0,67 до 1,3 мг/дм3.