Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ФОНА ЮЖНО-МИНУСИНСКОЙ КОТЛОВИНЫ

Давыдова Н.Д. 1
1 ИГСО РАН «Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН»
В связи со строительством заводов по производству алюминия ОАО «РУСАЛ» на юге Минусинской котловины (Хакасия) возникло опасение относительно влияния загрязнения атмосферы на водные объекты этой территории. Представленный в работе материал дает представление о природном химическом составе воды атмосферных осадков, рек, озер, грунтовых и глубинных вод, который необходим для использования его в качестве эталона сравнения. Установлено, что изменения химического состава связаны, прежде всего, с природными особенностями территории. При движении от гор к предгорью минерализация воды рек постепенно возрастает с 88 до 108 мг/дм3. Повышение минерализации происходит за счет практически всех ингредиентов, в том числе появления нормальных карбонатов. Содержание F – и Al3+ также закономерно повышается, оставаясь в пределах нормы. Общий состав воды – гидрокарбонатный магниево-кальциевый. Минерализация воды в озерах меняется от пресных менее 0,8 до рассолов 150 г/дм3. 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 среднеминерализованные, гидрокарбонатные магниево-кальциевые, среднежесткие (4,77 ммоль/дм3), отличаются стабильно низким содержанием F- (0,20–0,23 мг/дм3).
химический состав
реки
озера
подземные воды
котловина
горное обрамление
1. РД 52.24.353-94. Отбор проб вод суши и очищенных сточных вод. – 14 с.
2. Антипов А.Н., Корытный Л.М. Географические аспекты гидрологических исследований (на примере речных систем Южно-Минусинской котловины). – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1981. – 177 с.
3. Алекин О.А. Основы гидрохимии. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 442 с.
4. Никаноров А.М. Гидрохимия. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – 351 с.
5. ГН 2.1.5.689-98. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового использования.
6. Приказ Федерального агентства по рыболовству от 18.01.2010 № 20 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения». – М., 2010. – 214 с.
7. Пономарева Ю.А. Химичекий состав и структура фитопланктона в нижнем бьефе Красноярской ГЭС // Вестн. КрасГАУ. – 2013. – № 7. – С. 183–188.
8. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов. – М.: Высш. шк., 1988. – 328 с.
9. Крайнов С.Р., Петрова Н.Г. Фтороносные подземные воды, их геохимические особенности и влияние на биогеохимические процессы // Геохимия. – 1976. – № 10. – С. 15-33.
10. Дутова Е.М., Покровский В.П., Покровский В.Д. Геохимические особенности подземных вод хозяйственно-питьевого назначения республики Хакасия // Вестн. Томского гос. ун-та. – 2015. – № 394. – С. 239–249.

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.


Библиографическая ссылка

Давыдова Н.Д. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ФОНА ЮЖНО-МИНУСИНСКОЙ КОТЛОВИНЫ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 8. – С. 64-69;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36522 (дата обращения: 01.02.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685