Основные особенности химического состава болотных вод (на примере юго-восточной части Западной Сибири)

Выводы

Предложены новые способы расчета фоновых концентраций веществ в поверхностных водах и их нормативов ПДС в водные объекты со сточными водами. Преимущества данных способов по сравнению с существующими заключаются в наличии теоретического обоснования, отсутствии жесткой привязки к ПДК, простоте расчетов и наглядности

представления материалов. Это позволяет более объективно определять допустимый уровень антропогенного воздействия на реки, озера и болота. Кроме того, сокращается время расчетов и уменьшается срок рассмотрения документов в государственных органах управления водными ресурсами.

Работа выполнена при поддержке интеграционного проекта СО РАН № 167 и гранта Минпромнауки РФ № НШ-1566.2003.05.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания по разработке нормативов предельно допустимых сбросов вредных веществ в поверхностные водные объекты. - М.: МПР РФ, 1999. - 13 с.

2. Веницианов Е.В. Физико-химические процессы в поверхностных водах // Водные проблемы на рубеже веков: Сб. статей под ред. М.Г. Хубларяна. - М.: Наука, 1999. - С. 241-255.

3. Боценюк К.Л., Павелко В.Л. О перспективах развития методов математического моделирования в исследованиях гидрохимических процессов // Гидрохимические материалы. - Л.: Гидро-метеоиздат, 1984. - Т. 92. - С. 46-51.

4. Лапшев Н.Н. Расчеты выпусков сточных вод. - М.: Стройиз-дат, 1977. - 85 с.

5. Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод. - М.: Стройиздат, 1977. -204 с.

6. РД 52.24.622-2001. Методические указания. Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков. - 68 с.

7. Савичев О.Г. О взаимосвязи химического состава природных вод и интенсивности водообмена // Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири: Труды Всерос. научн. конф. - Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2003. - С. 112-114.

8. Савичев О.Г. Математическая модель формирования макро-компонентного состава речных вод в условиях их антропогенного загрязнения // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия: Материалы Междунар. научн. конф. - Томск: Изд-во НТЛ, 2000. -С. 436-440.

9. Савичев О.Г. Реки Томской области: состояние, использование и охрана. - Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2003. -202 с.

УДК 504

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА БОЛОТНЫХ ВОД

Н.М. Рассказов

Томский политехнический университет E-mail: tf@igng.tsc.ru

На основе литературных материалов и оригинальных фактических данных охарактеризованы особенности химического состава болотных вод юго-восточной части Западной Сибири с привлечением сведений по другим заболоченным регионам. Выявлены дополнительные детали процесса формирования состава болотных вод в пределах вертикальных зон низинных типов болот региона. Установлена прямая зависимость содержания щелочноземельных элементов в торфяных водах и торфах.

Химический состав вод заболоченных районов формируется в геохимической обстановке, влияние которой на этот сложный процесс изучено недостаточно. Это относится, в частности, к взаимосвязи между концентрацией основных химических элементов в торфах и болотных водах. При этом рядом авторов [1-3] отмечается определённая взаимосвязь болотного минералообразования с гидрогеохимической средой. Последняя недостаточно изучена в основном в силу своей сложности, обусловленной трудностями исследования процессов обогащения болотных вод различными органическими соединениями под воздействием остатков растений, торфов, атмосферных осадков, почв, горных пород, поверхностных и подземных вод. В этом отношении ин-

формативны материалы, полученные в юго-восточной части Западной Сибири, включающий самый большой в мире заболоченный регион - Васюганье. Вопросы, затрагивающие проблему формирования состава вод его болотных массивов, освещены в ряде публикаций, появляющихся с 30-х годов прошлого столетия. Уже в ранних из них, выполненных, в частности, А. А. Бронзовым [4], подчёркивалась тесная взаимосвязь формирования типов болот и химического состава воды, т.е. тесное переплетение этих процессов. Более детально это положение охарактеризовано в публикациях С.Л. Шварцева и др. [5], Н.М. Рассказова и др. [6] и др.

Природные условия болотных районов юго-восточной части Западной Сибири достаточно раз-

нообразны, прежде всего, по климатическим факторам. Северная часть этого региона, относящаяся к центральным территориям Западно-Сибирской низменности, характеризуется типичным гумид-ным климатом (преобладанием осадков над испарением), плоским рельефом и замедленным стоком. Модуль поверхностного стока составляет здесь порядка 5...6 л/с-км2.

Южные его территории, прилегающие к Западно-Сибирской железнодорожной магистрали, характеризуются аридизацией климата, уменьшением количества осадков (до 250...300 мм в год), ростом величины испарения, снижением стока до десятых долей л/с.км2 и увеличением общей минерализации грунтовых вод. Так, в Барабинской низменности распространены солоноватые воды; для неё характерны также низинные болота, вода которых относится к разряду слабосолоноватых (до 3 г/л).

В соответствии с климатической зональностью в северных районах Васюганья развиты обширные олиготрофные, реже - мезотрофные болота. Для центральных его площадей (верхние течения правых притоков р. Васюгана и р. Иртыша, левых притоков р. Оби) весьма характерными являются типичные долинные низинные болота; распространены здесь также верховые и переходные болотные массивы.

На территориях, переходных от центральных районов Васюганья к его южным окраинам, встречаются нетипичные низинные болота, приуроченные к водораздельным участкам и имеющие пониженные значения общей минерализации воды и величин рН по сравнению с типичными эвтроф-ными торфяниками.

Химический состав природных вод региона, по данным С.Л. Шварцева и др. [5], Л.И. Инишевой и др. [7-9], Н.М. Рассказова [10], характеризуется рядом особенностей (табл. 1). Наблюдается тесная взаимосвязь величины рН болотных вод с их химическим составом, прежде всего с концентрацией НС03-. В кислых водах олиготрофных болот нередко этот ион вообще не обнаруживается, и углерод

содержится в них в виде растворённой двуокиси и органических соединений. В болотных водах региона отмечается низкое содержание свободного кислорода [3], значительно снижающее активность аэробной микрофлоры, что сдерживает окисление органических соединений, способствует их гумификации и образованию гуминовых и фульвовых кислот. Последние в максимальных концентрациях образуются в водах верховых болот, снижая их рН до 3,5. Минерализация этих вод весьма низкая (нередко первые десятки мг/л) при высоком содержании органических соединений: до 50 и более мг/л фульвокислот, много фенольных веществ, обнаружены поли- и моносахариды [5]. Характерны высокие концентрации аммония, достигающие 16 мг/л. Установлены также значительные содержания ионов железа (до 5 мг/л) и других металлов, причём особую роль играют металлоорганические комплексы, недостаточно изученные до настоящего времени, особенно если учесть наличие в этих водах большого количества органического углерода -до 150 мг/л. Отмечается зональное (по вертикали) распределение растворённых в воде газов. В самом верхнем слое воды обнаруживается кислород, причём мощность содержащего его слоя составляет менее 10 см. Большую часть разреза занимает зона азотно-метановых газов, а в нижних частях торфяных залежей она переходит в метановую.

Более минерализованы воды мезотрофных (переходного типа) болот, имеющие смешанное питание - наряду с атмосферными осадками в нём участвуют поверхностные, а на террасах также и грунтовые воды. С этим связано обогащение органической массы торфов минеральными компонентами (песчано-глинистыми и карбонатными частицами). Нередко они перекрыты верховым торфом и характеризуются по сравнению с последним более восстановительной геохимической обстановкой. Величина общей минерализации воды мезотроф-ных болот достигает 100 мг/л, значения рН - до 6,0...6,7; понижено содержание органических соединений: не более 80, нередко до 20 мг/л (табл. 1).

Таблица 1. Химический состав болотных вод юго-восточной части Западной Сибири

Показатели состава и свойств воды Типы болотных массивов

Олиготрофные Мезотрофные Эвтрофные

мин. макс. среднее мин. макс. среднее мин. макс. среднее

рн 3,5 5,6 3,9...4,8 4,6 6,7 5,3 6,0 7,3 6,4...6,7

N8+, мг/л 0,1 1,9 0,6...1,2 0,5 6,3 2,7 1,0 12,0 3,0...4,2

К+, мг/л 0,15 2,45 0,9...1,3 0,1 9,4 8,5 0,2 10,6 4,5

Са2+, мг/л 0,5 10,0 1,9...5,2 4,6 33,0 14,7 14,0 106,0 35,0...44,0

Мд2+, мг/л 0 14,4 1,0...6,3 1,2 18,8 10,0 5,2 52 17,2

NH4+, мг/л 0,2 15,6 0,4...7,4 1,0 10,7 3,6 0,7 7,8 1,1...2,4

СГ, мг/л 3,7 39,0 5,0...29,0 3,2 28,0 11,0 5,7 32,0 6...12

Б042-, мг/л 0 9,2 0,3...5,9 0 8,0 2,6 0,4 31,0 0,5...11,8

N0^, мг/л 0 24,0 (высокий рям) 0,5...5,3 0,3 1,1 0,7 0,9 3,0 1,5...2,0

НС03-, мг/л 0 24,0 3,5...12,0 2,6 55,0 23,2 36,6 230,0 98,0...209,0

Перманганатная окисляемость, мг О2/л 60,0 114,0 106,0 18,0 75,6 58,0 6,0 85,6 27,2

Фульвокислоты, мг/л 15,6 85,8 45,8...60,9 13,6 56,7 33,5 13,6 36,6 25,3

Гуминовые кислоты, мг/л 2,4 13,8 10,1 3,0 16,2 8,6 3,0 11,6 7,1

Минерализация, мг/л 17,2 41,7 24,6...27,0 36,0 98,1 79, 0 52,3 483,0 162,0...274,0

Значительно отличаются от олиготрофных и мез-отрофных болот по условиям питания и составу воды низинные торфяные массивы региона. Приурочены они в основном к его южной и центральной частям. Эвтрофный торф залегает на подстилающих рыхлых отложениях и получает преимущественное питание за счёт поверхностных и подземных вод. Исключением являются нетипичные низинные залежи, развитые на водоразделах на юге характеризуемой территории, имеющие некоторые отличия в составе воды.

Типичные для региона эвтрофные массивы характеризуются повышенной общей минерализацией воды - от первых сотен до 500 мг/л, гидрокарбо-натно-кальциевым её составом и близкой к нейтральной средой (табл. 1). Содержание в воде органических соединений в них несколько снижено по сравнению с верховыми и переходными залежами (менее 100 мг/л). Отмечается значительная концентрация ионов Fe, Мп и некоторых других металлов. Внутри этой (низинной) группы болот отмечается дифференциация по величине общей минерализации, связанная с их геоморфологическим положением. Более минерализованы воды пойменных торфяников, обогащённые также Fe, Мп, Ва, Zn, N1 и другими элементами. Террасовые низинные болота имеют более низкую минерализацию воды (0,2...0,3 г/л) и слабокислую среду. В них отмечаются превышение в составе газов азота над метаном, своеобразный состав микроорганизмов и менее восстановительная среда. Ещё меньшая минерализация воды характерна для водораздельных низинных болот [10].

Различия в климатических условиях и генетические особенности торфяников отражаются также на величинах окислительно-восстановительных потенциалов. Об этом, в частности, свидетельствуют данные за тёплые периоды 1998-2001 гг. о значениях Eh (табл. 2), полученные на площади торфяных массивов в Васюганье [9]. Было установлено, что наиболее восстановительная среда характерна для нижнего торфяного слоя в разрезе высокого ряма.

Сравнение концентраций компонентов в торфах (рисунок) и торфяных водах (табл. 1), прежде всего ионов кальция и натрия свидетельствует об их наиболее интенсивном накоплении в низинных массивах как в торфяной массе, так и в жидкой фазе. Такое совпадение не является случайным и связано в основном с благоприятной для привноса этих элементов водной фазой и последующим их накоплением в растениях и торфах.

Таблица 2. Характер изменения окислительно-восстановительного потенциала (ЕЬ, мВ) в вертикальном разрезе торфяных залежей

Биоценозы Верхний слой

Осоково-сфагновая топь от 176 до 622 от 556 до -78

Низкий рям от 463 до 700 от 608 до -40

Высокий рям от 229 до 585 от 152 до -224

По данным Л.И. Инишевой и др. [9], в торфяных залежах выделяются две этажно расположенные зоны. Верхняя из них небольшой мощности (до 50 см), характеризуется повышенной проницаемостью, окислительной и переходной геохимическими средами. Нижняя более мощная зона (инертный слой) имеет меньшую проницаемость, что обусловливает развитие в ней восстановительной обстановки. Эти зоны гидравлически взаимосвязаны, но интенсивность водообмена в них различна, поскольку скорость перемещения воды в инертном слое значительно меньше. Поэтому основной сток (снеговой и дождевой) происходит по верхнему слою. Здесь отмечается также наиболее интенсивная миграция химических элементов и соединений. Граница между характеризуемыми вертикальными зонами является условной. Мощность верхней зоны определяется положением среднемноголетнего низкого уровня болотных вод и нередко имеет нулевое значение (при половодьях и паводках) при максимальном стоке воды. Начало этого стока определяется подъёмом уровня воды из нижней (инертной) зоны в более проницаемую - верхнюю.

45 40 35 30 -25 "20 15 10 5 О

1.4

1.2

0.8

0.6

0.4

0.2

Условные обозначения

Торф верхрвой

переходный

низинныи

7-22

7-12

7-22

7-22

7-5

ШШВ

7-5

Ю

I

7-5 1

I

а)

7-22

Ш

7-22

7-5

7-12 7-22

Ю

Ж.

7-5

Ю

1

7-5

б)

Рисунок. Содержание кальция (а) и натрия (б) в торфах Ва-сюганского массива. 7-5, 7-12, 7-22 - номера участков и пунктов опробования: 7 - участок № 7; 5, 12, 22 - пункты опробования. Ю - участок «Югинский»

Особенности формирования химического состава болотных вод в характеризуемом регионе определяются сочетанием ряда природных и антропогенных факторов. Среди первых следует от-

метить наличие районов как с типичным гумид-ным климатом, так и переходных к аридному (в зоне, прилегающей к территории вблизи транссибирской магистрали). Своеобразны также геоморфологические условия региона, обусловливающие наличие понижений в рельефе на обширных плоских водоразделах, затрудняющих сток с территории. Кроме этих факторов, внешних по отношению к торфяным массивам, следует отметить охарактеризованное выше двухзональное строение торфяников, создающее различные условия формирования химического состава болотных вод непосредственно в самих залежах.

Всё возрастающее влияние оказывают, к сожалению, антропогенные факторы, прежде всего нефте- и газодобыча, а также несгоревшее топливо и продукты его неполного сгорания падающих в районе ступеней ракет. Они оказывают региональное загрязнение и вносят существенные изменения в болотную среду.

Сравнение концентраций компонентов в торфяных водах (табл. 1) и торфах (рисунок) различных

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нейштадт М.И. Торфяные запасы Азиатской части СССР // Труды Центральной торфяной опытной станции. - М., 1938. -Т. 4. - С. 1-79.

2. Лукашев К.И., Ковалёв В.А., Жуховицкая А.Л. и др. Геохимия озёрно-болотного литогенеза. - Минск: Наука и техника, 1971. - 280 с.

3. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. - М.: Недра, 1998. - 367 с.

4. Бронзов А.Я. Типовые болота на южной окраине Западно-Сибирской равнинной тайги // Почвоведение. - 1936. - № 2. -С. 224-245.

5. Шварцев С.Л., Рассказов Н.М., Сидоренко Т.М., Здвижков М.А. Геохимия природных вод района Большого Васюганского болота // Большое Васюганское болото. Современное состояние и процессы развития / Под ред. М.В. Кабанова. - Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2002. - С. 139-149.

6. Рассказов Н.М., Удодов П.А., Емельянова Т.Я. и др. Основные гидрогеологические и гидрогеохимические особенности торфяных месторождений центральной части Обь-Иртышского междуречья // Подземные воды Сибири и Дальнего Востока / Под ред. Е.В. Пиннекера. - М.: Недра, 1971. - С. 229-232.

генетических типов залежей свидетельствует об их определённой взаимосвязи. Так, например, наибольшие содержания кальция и натрия установлены в низинных торфах [11], как и выявленные их повышенные концентрации в болотных водах низинных торфяных массивов (табл. 1).

Заключение

Анализ данных, характеризующих химический состав вод различных генетических типов болотных массивов, в том числе распространённых в юго-восточных районах Западной Сибири, свидетельствует о закономерной взаимосвязи этого состава с условиями водного питания болот и интенсивностью водообмена на площадях их развития. Особенно наглядно последнее условие проявляется в развитии типов болотных вод и торфов в различных по климатическим условиям ландшафтных зонах юго-восточной части Западной Сибири. Показательно в этом отношении формирование низинных болот, содержащих воды повышенной минерализации, на водораздельных участках в южной части Васюганья.

7. Инишева Л.И. Условия формирования и геохимия болотных вод // Болота и биосфера: Материалы II научной школы. -Томск: Изд-во ТГПУ, 2003. - С. 38-49.

8. Инишева Л.И., Дементьева Т.В., Белова Е.В. и др. Большое Васюганское болото: результаты комплексных исследований тор-фоболотной системы // Большое Васюганское болото. Современное состояние и процессы развития / Под ред. М.В. Кабанова. - Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2002. - С. 165-168.

9. Васюганское болото (природные условия, структура и функционирование) / 2-е изд., под ред. Л.И. Инишевой. - Томск: ЦНТИ, 2003. - 212 с.

10. Рассказов Н.М. Природные условия формирования и химический состав воды водораздельных низинных болот Васюганья (Томская область) // Болота и биосфера: Материалы II научной школы. - Томск: Изд-во ТГПУ, 2003. - С. 62-64.

11. Бернатонис В.К., Архипов В.С., Здвижков М.А. и др. Геохимия растений и торфов Большого Васюганского болота // Большое Васюганское болото. Современное состояние и процессы развития / Под ред. М.В. Кабанова. - Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2002. - С. 204-215.