Гидрохимическая характеристика рек
В природных условиях вода почти нигде не встречается в чистом виде. Соприкасаясь с горными породами и почвами, она растворяет то или иное количество содержащихся в них веществ и превращается в раствор. Степень минерализации речных вод и состав растворенных в воде веществ зависят от ряда факторов: состава пород и почв, биологических процессов, климатических и многих других условий. Можно, следовательно, сказать, что гидрохимия рек тесно связана с географической средой и изменяется вместе с ее изменением.
Одним из основных факторов, под влиянием которых формируется химизм вод, является климат. Зависимость этого процесса от климатических условий прежде всего проявляется в соотношении элементов водного баланса: осадков, стока и испарения.
В северных районах СССР, в зоне избыточного увлажнения, отличающейся большим количеством атмосферных осадков, малой величиной испарения и высоким поверхностным стоком, грунты, слагающие поверхность речных бассейнов, хорошо промыты; все легко растворимые соли здесь вымыты и унесены в море. Этим объясняется слабая минерализация вод северных районов.
В южных районах недостаточного увлажнения, характеризующихся малым количеством атмосферных осадков, большими потерями на испарение и малым поверхностным стоком, наблюдается засоление вод и почв. Соли здесь не выносятся, а накапливаются в почве и внутренних бессточных водоемах, играющих роль огромных естественных испарителей.
Вымывание химических составных частей горных пород и почв происходит в следующем порядке. Сперва вымываются легко растворимые соли – хлориды магния и натрия, затем более трудно растворимые сульфаты магния и натрия и, наконец, карбонаты кальция и магния; последними из состава почв вымываются кремнезем и окиси железа и алюминия.
В соответствии с этим наблюдается определенная связь химизма с физико-географическими условиями не только в отношении степени минерализации, но и химического состава растворенных в воде веществ. В северных районах, отличающихся относительно большим поверхностным стоком и малой минерализацией вод в составе растворенных веществ преобладают ионы HCО3; по преобладающему иону воды здесь принадлежат к гидрокарбонатному классу. В южных районах, с малым поверхностным стоком и большой минерализацией, в химическом составе преобладают ионы SO4 и Сl; воды принадлежат к сульфатному и хлоридному классам. Преобладающими катионами в мало минерализованных водах является Са, а в сильно минерализованных Na.
На основе обширных материалов гидрохимических наблюдений на реках СССР, выполненных на сети станций гидрометслужбы, О. А. Алекиным в 1948 г. впервые была составлена гидрохимическая карта (рис. 42) рек СССР, на которой показано географическое распространение речных вод по степени их минерализации и по химическому составу растворенных в воде веществ. Основой для химической характеристики рек послужила классификация (предложенная им же), согласно которой природные воды подразделяются по преобладающему аниону на три класса: гидрокарбонатный, сульфатный и хлоридный. Эта карта показывает, что в гидрохимии вод наблюдается определенная зональность; сущность последней заключается в том, что в направлении с севера на юг – от зоны тундры к зоне пустынь – наблюдается: 1) увеличение степени минерализации речных вод, 2) изменение класса вод от гидрокарбонатного к сульфатному и далее к хлоридному. К этому следует еще добавить, что в направлении с севера на юг увеличивается жесткость вод и уменьшается содержание органических веществ в воде.
По степени минерализации О. А. Алекин выделяет следующие четыре группы рек:
реки с водой малой минерализации (до 200 мг/л);
реки с водой средней минерализации (200-500 мг/л);
реки с водой повышенной минерализации (500-1000 мг/л);
реки с водой сильной минерализации ( > 1000 мг/л).
Рис. 42. Схематическая гидрохимическая карта рек СССР (по О. А. Алекину).
А – гидрохимические классы: 1 – воды гидрокарбонатного класса, 2 – воды сульфатного класса, 3 – воды хлоридного класса; Б – степень минерализации: 1 – до 200 мг/л, 2 – oт 200 до 500 мг/л, 3 – от 500 до 1000 мг/л, 4 – свыше 1000 мг/л.
Воды большинства рек СССР принадлежат к гидрокарбонатному классу. Площадь, занимаемая реками этого класса, составляет около 85% всей площади СССР. К этому классу принадлежат почти все реки Европейской части СССР, за исключением засушливых районов юга Украины, Северного Кавказа и Прикаспийской низменности. В Азиатской части СССР к нему относится большинство рек Западной Сибири, все реки Восточной Сибири, Дальнего Востока, горной области Средней Азии.
По катионному составу воды гидрокарбонатного класса относятся почти исключительно к группе кальциевых вод, воды же натриевой группы встречаются сравнительно редко.
Южная климатическая граница распространения вод гидрокарбонатного класса проходит примерно от устья Южного Буга на Сталинград и далее на южную оконечность Уральских гор. В Азиатской части СССР граница поднимается к северу вплоть до Тобольска, откуда идет на восток примерно до Новосибирска. К югу от Новосибирска эта граница уходит за пределы СССР.
К северу от указанной границы воды рек, как правило, относятся к гидрокарбонатному классу. Встречающиеся в бассейнах Онеги, Белой, Бирюсы, а также в верховьях бассейна Колымы воды сульфатного класса связаны с геологическим строением этих бассейнов.
Воды гидрокарбонатного класса в большинстве случаев относятся к слабо минерализованным. Реки Карелии, Кольского полуострова, Северного края Европейской части СССР, северной части Западной Сибири, Восточной Сибири и Дальнего Востока обладают малой минерализацией, не превышающей обычно 200 мг/л. Особенно слабо мицерализованы воды рек Карелии и Кольского полуострова, а также зоны вечной мерзлоты в Сибири, где минерализация большей частью не превышает 50 мг/л.
Значительно менее распространены на территории СССР воды гидрокарбонатного класса средней минерализации. К ним принадлежат реки средней полосы Европейской части СССР (бассейны верхнего Днепра, Западной Двины, Верхней Волги, Камы). В Азиатской части СССР средней минерализацией отличаются воды рек Лено-Вилюйской низменности и Лено-Амгинского междуречья. Еще менее распространены воды гидрокарбонатного класса повышенной минерализации. К ним принадлежат реки лесостепной и части степной зоны Европейской территории СССР (междуречье Днестра, Южного Буга – Днепра, некото рые притоки среднего Дона, Урала, Тобола).
Реки, относящиеся к сульфатному классу, имеют наименьшее распространение и охватывают примерно 3% территории СССР. Они встречаются в засушливых степных районах Европейской части СССР (Приазовье, Донбасс) и Северного Кавказа, а также в полупустынных пространствах Средней Азии и Казахстана (бассейны Сары-Су, Чу, Аягуз, Теджен и некоторых других рек).
К сульфатному классу весьма близки воды больших рек Средней Азии – Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи, в которых содержание сульфатного иона настолько велико, что в некоторые периоды он является преобладающим над другими анионами.
По составу катионов в водах сульфатного класса, так же как и в водах гидрокарбонатного класса, преобладает кальций.
Воды сульфатного класса отличаются значительно более высокой минерализацией по сравнению с водами гидрокарбонатного класса. Сульфатные воды малой и средней минерализации встречаются редко. Обычно минерализация этих вод превышает 1000 мг/л, достигая в отдельных случаях 2000 и даже 4000 мг/л (Теджен, некоторые реки бассейна Аму-Дарьи).
Реки, вода которых относится к хлоридному классу, встречаются редко; площадь, занимаемая ими, составляет 5,9% территории страны. Воды этого класса встречаются в засушливых полупустынных пространствах Прикаспийской низменности, Западно-Сибирской низменности и Казахстана, где развиты преимущественно временные сезонные водотоки.
В отношении состава катионов для вод хлоридного класса характерным является преобладание иона Na над другими катионами. Это обстоятельство стоит в связи с генезисом вод хлоридного класса, обусловленным растворением NaCl.
Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализацией. Так, например, р. Тургай (Центральный Казахстан) имеет общую минерализацию до 19000 мг/л, или 19 г/л в межень. Маломинерализованные воды этого класса встречаются очень редко.
Величина жесткости является функцией общей минерализации: чем выше минерализация, тем больше жесткость. Жесткость измеряется в мг-экв Са и Mg в 1 л воды или в немецких градусах. Для характеристики общей жесткости обычно принимают следующую классификацию вод:
Очень мягкие до 1,5 мг-экв
Мягкие 1,5-3,0
Умеренно жесткие 3,0-6,0
Жесткие 6,0-9,0
Очень жесткие > 9,0
Пользуясь этой классификацией, Н. И. Микей выделяет на территории СССР зоны, показанные на карте (рис. 43).
Рис. 43. Районирование рек СССР по степени жесткости их вод (по Н. И. Микей).
1 – 1-я зона: от 0 до 1,5 мг-экв (до 4,2 нем. град.), 2 – 2-я зона: от 1,5 до З мг-зкв (4,2-8,4 нем. град.), 3 -3-я зона: от 3 до 6 мг-зкв (8,4-16,8 нем. град.), 4 – 4-я зона: от 6 до 9 мг-экв (16,8-25,2 нем. град.), 5 – 5-я зона: свыше 9 мг-экв (свыше 25,2 нем. град.); 6 – горные районы
Зона очень мягких вод охватывает большую часть страны, в частности север Европейской части СССР примерно до 60 с. ш., почти всю Сибирь и Дальний Восток. Наличие здесь хорошо промытых почв, бедных растворимыми солями, создает условия для малой минерализации, а вместе с тем и небольшой жесткости речных вод.
Зона мягких вод, занимающая около 12,3% территории СССР, охватывает бассейны Волхово-Ильменский, Верхней Волги, Камы, Западной Двины, Васюгана, Чулыми, Томи. Ее границы примерно соответствуют распространению смешанных и лиственных лесов; воды – гидрокарбонатного класса с минерализацией до 500 мг/л.
Зона умеренно жестких вод, занимающая около 15,6% территории СССР, охватывает бассейны Немана, верхнего и среднего Днепра, Оки, верхнего Дона.
К зонам жестких и очень жестких вод, охватывающим около 15,4 % площади СССР, относятся области сухих степей, полупустынь и пустынь.