Речные воды

В руслах рек в любой момент времени содержится в среднем всего около 2,12 тыс. км³ , т.е. около 0,0002% общих запасов влаги на Земле. Это расход Амазонка (с Укаяли) за 4 месяца. Если разлить эту воду по поверхности только континентов, получится слой воды толщиной 14 мм. Большие глубины рек являются следствием неравномерного распределения речных вод и больших скоростей их течения. Существуют обширные территории суши, на которых реки практически отсутствуют. Напротив, в областях с избыточной влажностью реки могут достигать гигантских размеров. Самыми большими по площади водосбора и расходу считается реки Амазонка (с Укаяли), Кого (с Луалабой), Миссисипи (с Миссури), Обь (с Иртышом).

Реки питаются за счет атмосферных осадков и подземного стока. Часть этой воды теряется по пути вследствие испарения или подземного стока, но основная часть выносится в океан или озера. За год по руслам всех рек протекает около 37,4-41,8 тыс. км³ воды, т.е. почти в 3 раза больше, чем влаги в атмосфере и в 14 раз меньше годового количества осадков (7,2%) на Земле. Только через самую полноводную реку Амазонку за год проходит около 6,93 тыс. км³/год, т.е. 16-18% общего речного стока. Все речные воды обновляются в среднем каждые 16 дней.

Изотопный состав речных вод представляет собой обычно усредненный изотопный состав атмосферных осадков площади бассейна за достаточно продолжительный интервал времени. Круговорот влаги на Земле поддерживает относительное постоянство изотопного состава речных вод в пределах, которые зависят от среднегодовой температуры, географической широты и высоты относительно уровня моря. Поэтому изотопный состав влаги речных вод варьирует в более узком диапазоне, чем в метеорных водах.

В зависимости от климатических условий, размеров бассейна и условий его питания изотопный состав речных вод может отражать как среднегодовые, так и сезонные значения изотопного состава местных атмосферных осадков. Поэтому широтные и высотные изменения изотопного состава влаги, характерные для атмосферных осадков, свойственны и речным. Вследствие этого высокоширотные реки имеют более низкие концентрации тяжелых изотопов, чем низкоширотные. Вследствие этого весенние паводковые воды могут быть заметно изотопно легче летних вод в межень. Как показывают исследования, изотопный состав водорода вод бассейна реки Миссиссиппи хорошо коррелируется с мощностью снегового покрова и с соотношением количеств осадков, выпадающих в виде дождя и снега. Чем выше снежный покров и его вклад в общее количество осадков, тем меньше доля тяжелых изотопов водорода и кислорода в составе влаги рек. Заметное влияние может оказывать процесс испарения влаги во время стока. Так, δD в водах Нила в период паводка у Хартума составляет -2,3%, а на 3 тысячи километров ниже по течению, в Каире, - -2,1%. В меженный период в тех же местах эти величины поднимаются до +0,15% и +0,16%. Это свидетельствует, что на расстоянии 3 тыс. км Нил теряет около 3% своей влаги. Реки питающиеся за счет высокогорных ледников и снегов даже в условиях пустынь и полупустынь выделяются пониженным содержанием дейтерия и кислорода 18. Напротив, реки пересыхающие в тех же условиях имеют повышенные концентрации этих тяжелых изотопов.

Минеральный состав рек формируется из трех основных источников: 1 - атмосферные осадки, 2 - породы русла и продукты твердого стока, 3 - подземный сток.

Начальный состав речных вод определяется преимущественно составом метеорных вод. Этот состав был рассмотрен выше.

Значительную роль играет гетерогенный массообмен речной воды с породами и осадками русла рекм, а также с взвешенными в воде минералами. Вес твердых частиц разного состава и размера, которые мигрируют во взвешенном состоянии, представляет собой твердый сток. Общая величина твердого стока оценивается равной 12,7-51,1 млрд. т/год. А.П. Лисицин полагает, что на его долю приходится около 75% всего осадочного материала поступающего в океан. Взвешенные частицы являются важным источником минеральных компонентов речных вод, и эта их роль пропорциональна их количеству. Количество взвешенной суспензии определяется по мутности воды рек. Г.И. Шамов выделяет на территории России и сопредельных стран 7 зон мутности рек, которые отражают природную зональность. Минимальная мутность (менее 50 мг/л) на территории России характерна для рек тундр и тайги. На территории лесостепей и степей реки содержат от 50 до 150 мг/л, а в полупустынных зонах - от 150 до 500 мг/л. В горах реки несут более 500 мг/л мути. Снос твердых частиц разного размера отражает интенсивность механической денудации на поверхности. Наиболее интенсивная денудация имеет место в горах, где во взвешенном состоянии реки несут десятки грамм твердых частиц на литр. В реках Кавказа мутность достигает 22 г/л (река Атрек), в реках Гиндукуша - 90 г/л.

Химический состав воды некоторых рек мира(НиканоровА.М., Гидрохимия, 2001)

Примечание. При расчете содержания ионов в процентах количества вещества эквивалента суммы анионов и катионов принимались за 50 % каждая.

Наконец, посленим важным источником минеральных компонентов служат подземные воды, которые разгружаются в русле реки. Подземные воды часто обладают большой минерализацией и поэтому могут заметно влиять на состав речных вод даже при незначительной величине подземного стока. Особенно велика роль подземного стока в условиях гумидного климата в периоды межени, когда количество атмосферных осадков не велико. При низкой мутности минеральный состав речной воды определяют относительным вкладом вод атмосферных осадков и подземного стока. В таких реках, если минеральный состав атмосферных осадков известен, можно оценить вклад подземного стока.

Если есть компонент, средние содержание которого в водах подземного и поверхностного стока значимо различаются, то по содержанию такого компонента в речной воде можно оценивать относительный вклад подземного питания в общий расход реки, а следовательно и её минеральный состав. Так если речной сток - Q_p формируется как сумма поступления только из атмосферы - Q_c и подземного - Q_пс, и если содержание компонента i в водах поверхностного стока равно C_сi , а в подземных водах - C_псi , то содержание этого же компонента в реке - С_pi будет определяться уравнением:

. ........................................................(0‑2)

Тогда величину подземного стока можно рассчитать по уравнению:

. .............................................................(0‑3)

Вклад подземного стока заисит, как от климатических, так и от геологических условий. На территории России его вклад обычно увеличивает летом. В некоторых равнинных реках наблюдается увеличение минерализации вод с глубиной, что также может отражать подток подземных вод с повышенной минерализацией.

Все большее влияние на солевой состав речной воды оказывает человек. Вследствие этого минерализация отдельеных рек может быть повышена на 12%, а содержание натрия, хлора и сульфата почти на 30%. Самыми загрязненными из важнейших рек мира, с точки зрения экологов, являются Хуанхэ, Амударья, Сырдарья, Колорадо, Нил, Ганг и Волга. Около 42 млн. т токсичных отходов ежегодно попадает в воды бассейна Волги. Только 3% водных ресурсов этого бассейна, в границах которого проживает более 60 млн. россиян, можно считать безопасными с экологической точки зрения для использования в качестве питьевой [i].

Твердый и подземный сток заметно увеличивают минерализацию речных вод. Тем не менее они остаются относительно низко минерализованными. Минерализация речных вод находится в интервале от десятков мг/л (49-55 мг/л в реке Неве) до единиц г/л (11,2 г/л в реке Сагиз при расходе 2 м³/с). Обычно минерализация речных вод находится в интервале от 200 до 500 мг/л. Это объясняется тем, что относительно ограниченное количество пород, окружающих русло рек, многократно промывается почти неограниченным объемом дождевых вод. Породы быстро отдают легко растворимые компоненты, и речные воды взаимодействуют в основным с плохо растворимыми карбонатными и алюмосиликатными породами. В районах с гумидным климатом даже подземный сток формируется в хорошо промытых породах выше базиса эрозии. В районах с аридным климатом, где подземные воды как и грунты часто выделяются повышенной минерализацией, подземный сток практически не участвует в формировании состава речных вод. В таких районах, не подземные воды минерализуют поверхностные, а, напротив, поверхностные опресняют их.

Рисунок 0‑4. Гидрохимическая карта рек бывшего СССР в период низких уровней теплого времени года (Алехин, 1970). I — гидрокарбонатные воды с минерализацией, мг/л: 1 - < 200, 2 – 200-500, 3 – 500-1000, 4 - > 1000; II — сульфатные воды с суммой ионов, мг/л: 5 – 200 -500; 6 – 500 -1000; 7 - > 1000; III - хлоридные воды с суммой ионов, мг/л: 8 -500 - 1000, 9 - > 1000; IV— области, лишенные местной речной сети.

Минерализация речных вод зависит прежде всего от климата и закономерно растет с севера на юг, что проявляется в существовании субширотной гидрохимичесой зональности (Рис. ). На болшей части территории России распространены реки с гидрокарбонатными водами. Минерализация в них уменьшается 40-80 мг/л от севере (реки Нева, Печора) до 200мг/л на юге (Кубань). Лишь на юге Урала и Западной Сибири появляются реки с сульфатными водами и с минерализацией до 500 мг/л (реки Белая и Урал). Рассматриваемая гидрохимическая зональность заметно нарушается только у больших рек, водосборные площади которых охватывают несколько климатических зон. Эти нарушения характерны для больших рек субмеридионального течения, которые сдвигают границы гидрохимических зон в сторону основного течения. Эта зональность нарушается также в присутствии хорошо растворимых пород (карбонатных или галогенных отложений), которые могут заметно влиять на их состав.

Химический состав вод некоторых важнейших рек территории стран СНГ (по О. А. Алекину, с дополнениями) (НиканоровА.М., Гидрохимия, 2001)

Внутри этих гидрохимических зон наблюдается обратная зависимость минерализации от расхода или модуля стока. Согласно этой зависимости при очень больших расходах (более 600 м³/с) или модулях стока (более 10 л/с км² ) минерализация приближается к самым низким значениям иногда характерным для метеорных вод. При очень низких значениях расходов (менее 100 м³·с^-1) и модулей стока (менее 5 л/с×км²) она начинает резко увеличиваться. Эта зависимость особенно хорошо выражена в бассейнах с относительно однородными условиями и небольшими площадями водосбора. Эта зависимость проявляется и для отдельных рек при режимных наблюдениях. В этом случае минерализация воды одной реки оказывается в обратной зависимости от ее расхода. Это хорошо прослеживается у равнинных рек восточной Европы и Сибири. Все эти закономерности свидетельствуют о том, что состава этих речных вод формируется как смесь метеорных и подземных вод. Во время паводков или весеннего половодья, когда уровень воды в реках резко повышается, подземный сток в них может полностью прекратиться или даже поменять знак на отрицательные значения. Вследствие этого минерализация речных вод и содержание минеральных компонентов заметно уменьшается. В межень с понижением уровня воды в реках роль подземного питания увеличивается, и минерализация их вод повышается.

Рисунок 0‑5. Связь минерализации от водностью рек (Алекин, 1970). а — связь среднегодовой (взвешенной по водному стоку) минерализации с мо­дулем стока для 53 крупных и средних рек СССР; б — связь минерализации и расхода воды р. Днепр (г. Смоленск), 1950—1955 гг.

Рисунок 0‑6. Зависимость минерализации от расхода воды (Алекин, 1970). а — р. Луга (ст. Толмачево), 1946 г.; б —р. Ир­тыш, 1945 г.; в—р. Амур (г. Хабаровск), 1955 г. 1 — минерализация; 2 — расход воды.

Среди анионов в составе речных вод преобладает гидрокарбонатный, среди катионов - кальций. М. Мейбек на основании данных по 64 крупнейшим рекам всех континентов пришел к выводу, что 99% случаях всех речных вод преобладает гидрокарбонатный ион. Сульфатный анион преобладает только в 0,9% всех случаев. Речные воды с преобладает хлорного аниона встречаются крайне редко. На территории России распространены реки с гидрокабонатным составом вод. Они распространены на севере Европейского и Азиатского континентов, в частности на Дальнем Востоке и Восточной Сибири. Среди катионов в их составе, как правило, преобладает кальций, и очень редко натрий. Для этих вод характерна самая низкая минерализация, менее 200 мг/л, которая на ограниченных участках черноземной полосы поднимается до 500 мг/л и выше. Сульфатный анион преобладает преимущественно в водах рек степей и полустепей. На территории России эти воды с минерализацией около 500 мг/л обнаружены на юге Урала ( река Белая, Башкиртостан) и в степях Придонья. Среди катионов в этих реках также преобладает кальций. Реки с хлор-натриевыми водами и очень высокой минерализацией (обычно более1000 мг/л) связаны с полупустынями и в России отсутствуют. Такие реки встречаются в Казахстане (реки Эмба и Сагиз).

Микрокомпоненты представлены широким кругом элементов таблицы Д.И. Менделеева. Содержание алюминия, как правило, не превышает 50 мкг/л. Наибольшими концентрациями, до 10-30 мкг/л обладают Br, I, Zn, Cu, Pb, Co, Ag, Mn, Ni, Mo, V.

Содержание биогенных элементов в речных водах находится в зависимости от биохимических процессов. Соединения азота в речных водах, насыщенных кислородом, представлены преимущественно нитратами. Аммоний и нитриты быстро окисляются, и концентрации их измеряются обычно сотыми долями мг/л. В незагрязненных речных водах содержание нитратов не превышает нескольких десятых мг/л и меняется в течение года. Так в Каме среднее содержание нитратов равно 0,5 мг/л, в среднеазиатской реке Кашкадарья - 1,7 мг/л. В вегетативный период, весной и летом, когда азотные соединения активно потребляются растительностью, их содержание минимально, а зимой - максимально. О.А. Алекин принимал среднее содержание неорганического азота в реках России равным 0,3 мг/л, а вынос его в океан - 11,3 млн т (86 кг/км²).

Аномально высокие содержания нитратов связаны с антропогенным загрязнением. Источником такого загрязнения являются азотные удобрения (NH₄ NO₃, KNO₃ и др.), навоз, сточные воды живодноводческих ферм, городов и некоторых промышленных предприятий. В вследствие загрязнения общее содержание азота в реках реках может быть увеличено в 3-4 раза. По этой причине содержание связанного азота в реке Рейн достигало 4 мг/л, а в водах реки Майн - 29 мг/л. По данным Гидрохимического института только за период с 1976 по 1980 год речной сток нитратного азота увеличился в 1,5-2,0 раза.

Очень важный для жизни фосфор присутствует преимущественно в форме аниона . Его содержание измеряется в сотых или даже тысячных долях мг/л и не превышает 0,1-0,5 мг/л. Высокие концентрации фосфора связаны с приносом его соединений с сельскохозяйственных распаханных полей. Наиболее активное поступление Р_общ. происходит в верховьях водосбора. Затем по мере движения вод к замыкающему створу содержание фосфора падает из-за его адсорбции (1). Грунтовые воды умеренной зоны, составляющие значительную часть общего стока рек и ручьев, содержат значительно меньше фосфора, чем поверхностные. Его содержание мало зависит от солености вод. В целом вследствие влияния сельских и промышленных стоков содержание фосфора в речном стоке увеличено почти в 5 раз.

Кремний находится речных водах в виде H₄SiO₄. Его содержание меняется в интервале 1-5 мг/л. Кремний поступает в реки преимущественно с водами подземного стока. Поэтому изменение его концентрации обычно отражает долю подземного стока в общем расходе реки.

Концентрации железа в реках варьируют в широком диапазоне, от долей до первых единиц мг/л. Величина этих концентраций определяется главным образом содержанием гумусовых кислот, с которыми железо образует хорошо растворимые комплексные соединения. Поэтому в северных реках России его значительно больше, чем в южных. Максимальное содержание железа, как правило, наблюдается весной, когда воды рек обогащены этими кислотами. По современным данным среднее содержание растворенного железа обычно не превышает 40 мкг/л.

Минеральные компоненты вместе с водой, в конечном итоге, попадают в океан, моря или озера. Их общее количество, теряемое сушей вместе с речными водами характеризует поверхностный ионный сток. Величина отношения поверхностного ионного стока к водосборной площади называется модулем поверхностного ионного стока. Величины поверхностного ионного стока и его модуля определяются уравнениями:

R= 10^-6 × G_c× C_ср., .........................................................................(0‑4)

, ...............................................................(0‑5)

где R - ионный сток, т год^-1 ; G_c - поверхностный сток, м³·год^-1; C_ср.- средняя минерализация речных вод, мг л^-1 ; m_c - модуль ионного стока, т·км^-2·год^-1 ; S - площадь бассейна, км² ; M_с - модуль поверхностного стока, л×с^-1×км^-2. Аналогичным образом можно определить поверхностный сток или его модуль для любого минерального компонента, подставив его весовую концентрацию вместо C_ср..

Величина общего поверхностного ионного стока с континентов в океан оценивается в настоящее время равной 3,3-4,0 млрд т·год^-1. Этот сток соответствует средней минерализации поверхностных вод 89 мг/л и модулю ионного стока около 33 т·км^-2·год^-1. На территории стран СНГ ионный сток достигает 384 млн т/год при среднем модуле около 18 т·км^-2·год^-1. Значения модуля ионного стока характеризуют величину химической денудации на исследуемой территории, т.е. количество растворённого вещества выносимого реками с каждого квадратного километра территории за год. Величины этого модуля варьируют от десятых долей на территории полупустынь до 200-250 т·км^-2·год^-1 на Кавказе. Для равнинной европейской части России характерно общее увеличение значений модуля ионного стока с севера и юга к центральным районам, где они достигают 30-40 т·км^-2·год^-1. Относительно низкие значения модуля ионного стока (от 10 до 20 т·км^-2·год^-1) имеют сибирские реки, воды которых формируются в условиях многолетней мерзлоты.

Газовый состав речных вод, как и у метеорных, определяется парциальными давлениями газов в атмосфере. Более того, речные воды часто содержат избыток эти газовых компонентов в виде диспергированных мельчайших пузырьков. Это вызывает высокую аэрированность речных вод, и проявляется в высоком содержании кислорода, до 20 мг/л (14 мл/л). Дополнительным источником газовых компонентов являются биохимические процессы. Значительные количества CO₂ образуются вследствие окисления органического вещества и используются гелиоавтотрофами при фотосинтезе. Напротив, дополнительный O₂ образуется при фотосинтезе в воде, и активно поглощается аэробными организмами. Поэтому зимой в замерзших реках содержание кислорода заметно падает, вследствие того, что его расход на окислительные процессы не восполняется ни поступлением из атмосферы, ни фотосинтезом. Содержание CO₂ в речных водах, напротив, максимальное зимой в период ледостава, до 20 мг/л (10 мл/л), вслед­ствие ограниченности газообмена с атмосферой и увеличения роли подземных вод, и минимальное летом. Так, например, в Волге, в районе г. Самары, к моменту вскрытия льда содержание O₂ падает до 4 мг/л (30% насыщения), а CO₂ увеличивается до 9-18 мг/л. Напротив, максимальное содержание кислорода, до 17 мг/л (114% насыщения), и минимальная концентрация CO₂ (около 1 мг/л), наблюдается поздней осенью, к моменту ледостава. Остальные газовые компоненты присутствуют к концентрациях, равновесных с их парциальным давлением в атмосфере. Газовые компоненты неатмосферного происхождения в речных водах практически отсутствуют.

Рис.7.15. Средняя годовая бихроматная окисляемость речных вод на территории стран СНГ и Балтии (по М. П. Смирнову, М. Н. Тарасову) Бихроматная окисляемость (1—7), мг О/л: 1 — очень малая (0—5); 2 — малая (5—10); 3 — сред­няя (10—20); 4 — слабоповышенная (20—30); 5 — повышенная (30—40); 6 — высокая (40—60); 7 — очень высокая (60—100 и выше); 8 — бессточные области и районы, где нет наблюдений; 9 — границы широтных зон и типов высотной поясности; 10 — границы регионов с однородной бихроматной окисляемостью вод. Природные зоны: I — тундра; II — лесотундра; III — тайга северная; IV — тайга средняя; V — тайга южная и смешанные леса; VI — широколиственные леса и лесостепь; VII — степь; VIII — полупустыня; IX — пустыня; Х — субтропики; XI — горные территории с преобладающим проявлением высотной поясности. Типы высотной поясности: а — тундрово-арктический, б — тундрово-таежный; в — лесолуго­вой; г — субтропический и пустынный

Органическое вещество либо поступает в речные воды из почв и болот, либо образуется в них вследствие разложения продуктов биосинтеза. Оно представлено в основном гумусовыми кислотами, которые придают воде коричневый оттенок. Содержание органического вещества характеризуется величинами окисляемости или содержанием С_орг..

Окисляемость речных вод колеблется от единиц до первых десятков (30-50) мг O на литр воды. Окисляемость незагрязненных поверхностных вод проявляет довольно отчетливую физико-географическую зональность. Её величина повышается с севера и юг к центральным районам страны вместе с увеличением поверхностного ионного стока. В реках тундр и лесотундр би­хроматная окисляемость вод находится в интервале от 10 до 40 мг О/л, а на территории тайги и смешанных лесов поднимается до 20-60 мг О/л. Южнее, в реках лиственных лесов, лесостепей и степей, а также пустынь и полупустынь бихроматная окисляемость падает до 20-30 мг О/л, местами ниже 20 мг О/л. Окисляемость минимальна в зимнее время, когда фотосинтез подавлен, и реки питаются преимущественно за счет подземных вод. В тропиках и субтропиках несмотря на высокую биологическую продуктивность, практически все органическое вещество минерализуется до HCO₃^-. Окисляемость подвержена закономерным сезонным колебаниям. Их характер определяется, с одной стороны, гидрологическим режимом и зависящим от него поступлением органических веществ с площади водосбора, с другой, – гидробиологическим режимом.

Таким образом, самое высокое содержание органического вещества в реках наблюдается в условиях холодного гумидного климата. Это содержание уменьшается на юг с повышением среднегодовой температуры. Е.А. Романкевич принимает среднее содержание C_орг. в речной воде равным 5 мг/л (10 мг/л ОВ). По современным оценкам со всех материков в океан в составе речной воды выносится в среднем 170-212 млн т C_орг., или около 360-420 млн т органического вещества в год. В России, по оценкам О.А. Алекина, сток C_орг. составляет 31 млн т (2,2 т/км² год) в азиатской и 6,8 млн т (1,2 т/км² год) в европейской части. Наиболее интенсивный снос органического вещества наблюдается в северные моря, в Балтийское, Белое, Барен­цево, Карское и Лаптевых. На территории бассейнов их рек модуль стока органического вещества варьирует от 4,0 до 8,8 т·км^-2·год^-1. На севере России и в Сибири, на территории распространения многолетней мерзлоты, величины стока органического вещества и ионного стока сопоставимы между собой. Бассейны рек Тихого океана на территории России имеют модули 3,4-3,8 т·км^-2·год^-1. Черное, Каспийское и Аральское моря обеспечиваются органическим веществом при модуле его стока от 0,7 до 1,6 т·км^-2·год^-1. Вследствие этого, если на юге нашей страны химический состав и свойства речных вод определяются преимущественно минеральными компонентами, то на севере - и растворенными в них органическими веществами.

Таким образом, начальный состав речных вод определяют исходные атмосферные осадки. На пути от истоков к устьям эти воды обмениваются с подземными (подземный сток), взаимодействуют с минералами русла и взвеси и частично теряют влагу при испарении. Поэтому главными факторами определяющими состав речных вод являются климатические и географические условия. Роль геологических факторов имеет подчиненное значение, но растет по мере уменьшения количества атмосферных осадков и расхода рек. Реки обладают свойственными им флорой и фауной, которые активно влияет на состав воды. Поэтому роль биологических факторов увеличивается по мере снижения скорости течения и повышения температуры. В условиях холодного климата органическое вещество не успевает минерализоваться до HCO₃^-, что способствует увеличению содержания растворенного органического вещества в речных водах. Все большую роль в формировании состава речной воды играет человек, сбрасывая в нее промышленные отходы, изменяя режим их водного баланса.

Все воды рек насыщены кислородом и поэтому имеют относительно высокий окислительно-восстановительный потенциал, от 0,35 до 0,70 В. Величина pH в реках обычно находится в интервале 6,5-8,5. Величина pH заметно увеличивается с севера на юг, на севере речные воды более кислые. Реки с болотным питанием имеют pH менее 6,0. В южных реках России pH может увеличиться до 8,5 и выше. Вследствие изменения содержания CO₂ величина pH меняет свои значения в течение года. Вследствие этого в одной и той же реке зимой воды более кислые, чем летом.