Особенности гидрохимического режима природных вод. Донные отложения озер

Ледовые явления

Реки. По характеру ледового режима реки делятся на три группы: 1) замерзающие, 2) с неустойчивым ледоставом, 3) незамерзающие. Реки в зоне умеренного климата, как правило, зимой замерза­ют. Выделяют следующие характерные периоды: замерза­ния; ледостава; вскрытия. В субтропиках реки замерзают очень редко. В условиях тропического климата – вообще не замерзают.

Виды льда. После перехода средней суточной температуры воздуха осенью через 0°С охлаждения воды до 0°С начинаются ледовые яв­ления. Ледоставу предшествует период, связанный с образо­ванием внутриводного льда или шуги. Шугою называются отдельные мелкие кристаллики льда, нахо­дящиеся в массе воды во взвешенном со­стоянии. Всплывая, кристаллы шуги соединяются между собой, образуя более крупные массы, приобретающие губчатую структуру и плывущие вниз по течению (рис. 3.54).

Шуга наблюдается, если на реке обра­зуются участки открытой водной поверхности. Появление ее со­ставляет одну из главнейших неприятностей для эксплуатации гид­ротехнических сооружений. Двигаясь внутри потока, она может забивать отверстия входных решеток водоприемников и гидростанций, затрудняя тем самым доступ воды и вызывая дополнительные потери напора. Скопляясь под ледяным покровом, шуга стесняет живое сечение реки, вследствие чего на таком участке создается значительный подпор воды. Такое явление (рис. 3.54) называется зажором.

Для установления правильных мер борьбы с шугой необходимо оценивать ее расход, т.е. массу льда, проходящую через поперечное сечение потока в 1 секунду. Помимо шуги, движущейся внутри водного потока и на его по­верхности, наблюдается также образование внутриводного льда на дне реки. Этот лед, имеющий такое же губчатое строение, как и шуга, получил наименование донного льда, так как он достаточно плотно примерзает к выступающим на дне предметам, являющимся центрами кристаллизации. Когда плаву­честь его, благодаря нарастанию объема, увеличится, донный лед всплывает на поверхность. Это явление особенно часто наблюдается на реках с большими скоростями течения, в суровых климатиче­ских условиях (например, в Сибири). В ряде случаев, когда донный лед весьма прочно спаян с ложем реки, он начинает интенсивно расти снизу вверх, и может достигать поверхности водотока – это явление носит название пятры. По внешнему виду пятра, после того как она покроется твердой коркой льда, напоминает ледяной остров.

На участках реки с повышенными скоростями течения при шероховатом строении ложа (например, на порогах, быстринах) образования поверхност­ного льда не происходит. Такие участки реки называются полыньями (или майнами). Здесь обычно и образуется в боль­ших количествах шуга. Опыт свидетельствует, что полынья обра­зуется в тех случаях, когда скорости течения превышают 0,6– 0,7 м/сек, и обязана своим происхождением появлению волн на поверхности при бурном характере течения, препятствующим об­разованию ледяного покрова на поверхности потока. Существенное значение имеет и выделение тепла трения, наблюдающееся при больших скоростях течения и шероховатом строении дна.

Рнс.3.54. Шуга в живом сечении р.Волхова [15] (по А. В.Огиевскому):

1 – течение сильное; 2– течение очень силь­ное; 3– течение слабое; 4– течения нет

Участки с открытой водной поверхностью возникают также в истоках рек из озер, и в нижних бьефах ГЭС, но здесь причина их образования совсем дру­гая. Как указано выше, под ледяным покровом в озере или водохранилище вода имеет положительную температуру, достигающую на больших глубинах 4°С. Поступление теплой воды не позволяет образоваться поверхностному льду и шуге на достаточно большом протяжении реки. В кон­цевом участке полыньи перед кромкой льда наблюдается появле­ние шуги, которая обычно движется затем подо льдом, постепенно прикрепляясь к его нижней поверхности и наращивая его толщину (рис. 3.55). Существует представ­ление об образовании шуги и донного льда вследствие процессов переохлаждения воды при наличии открытой водной поверхности и турбулентного перемешивания. В. Я. Альтберг произвел специ­альные лабораторные исследования, подтвердившие эту гипотезу.

Благодаря процессам турбулентного перемешивания темпера­тура воды в реке выравнивается, следовательно, процесс переохлаждения воды распространится на все живое сечение, в результате создадутся благоприятные ус­ловия для образования внутриводных мельчайших ледяных кристал­лов. Не малую роль играют в качестве центров кристаллизации взвешенные наносы, структура которых близка к структуре частиц льда, и конечно, сами частицы льда.

Рис. 3.55. Схема движения шуги у кромки льда [15] (по А. М. Естифееву): а – начало задержки шуги; б – на­копление слоя шуги

Озера. Для нагрева воды озер наибольшее значение имеет прямая и рассеянная солнечная радиация. Теряется тепло главным образом на испарение, теплоотдачу в воздух и излучение. Перенос тепла в глубину и распределение его в водной массе осуществляется при волновом перемешивании и течениями.

Лёд озер слоистый, большей частью неровный, торосистый. Торосы – нагромождения смерзшихся льдин, характеризующиеся неровностью поверхности, возникающие в результате подвижек и сжатия ледяного покрова при замерзании озер в ветреную погоду.

Торосы могут возникать и на участках рек, если замерзание их происходило с подвижками, вызванными потеплениями погоды, или сбросами ГЭС.

Замерзание рек. Для характеристики зимнего режима рек существенное значе­ние имеет описание процессов установления ледостава. В самом начале процесса льдообразования, когда поверхность воды еще свободна ото льда, наблюдаются местами, в зависимости от скорости течения, переохлаждение воды и образование шуги и донного льда, которые всплывают на поверхность при относительно малых скоростях течения.

Почти одновременно у берегов, где глубины и скорости течения меньше, образуются забереги – узкие полоски неподвижного тонкого льда.

Всплывший лед и шуга образуют сравнительно небольшие от­дельные массы льда губчатого вида, которые и плывут вниз по реке. На участках с малыми скоростями течения образу­ются отдельные льдинки и плитки льда от смерзания поверхностных кристаллов, особенно при снегопаде. Этот плывущий по реке лед носит название сала. В дальнейшем происходит укрупнение сала за счет смер­зания новых льдинок и плиток. Образуется осенний ледоход, который посте­пенно усиливается, в особенности при понижении температуры воз­духа.

Для полного замерзания реки необходимо, чтобы произошла задержка льдин. Остановка чаще всего наблюдается на поворотах рек у берегов, на расширяющихся участках в районе перекатов, в ме­стах образования водоворотов, перед сооружениями. Тогда льдины весьма быстро смерзаются, и наступает ледостав. Замерзание происходит, как правило, от берегов к середине реки.

Образовавшийся слой льда постепенно растет и до­вольно быстро превращается в плотный кристаллического строе­ния лед, достигающий к концу зимы значительной толщины. В се­верных широтах европейской части России толщина ледяного по­крова достигает 0,6–0,8 м, но на некоторых реках она превосходит эту величину. На юге европейской части страны толщина льда обычно не превышает 20–40 см. На реках Сибири наблюдается лед толщиной 1– 2 м. Малые реки в этом регионе нередко промерзают до дна. Иногда перемерзают и такие крупные реки, как Яна, Индигирка.

На участках реки со значительными скоростями течения, на­пример, на порожистых участках или быстринах, свободная поверх­ность остается непокрытой льдом. Здесь образуется полынья, ко­торая служит источником постоянного переохлаждения воды и генерирует образование шуги и донного льда. Образовавшаяся и плывущая в пределах полыньи шуга, достигнув кромки льда, полностью или частично попадает под лед и затем движется под ним. Постепенно всплывая, она прикрепляется к нижней поверхности льда и способствует росту ледяного покрова с нижней стороны. Всплывающие подо льдом шуга и донный лед сущест­венно уменьшают пропускную способность поперечного сечения русла. На рис. 3.56 показан зажорный подъем уровня на р. Днепр у Лоцманской Каменки. На р. Нева в период осеннего ледохода ежегодно наблюдаются зажорные явления, приводящие к подъему уровня на 2–3 м и к подтоплению ряда крупных промышленных предприятий. При помощи ледоколов мощные скопления шуги и льда разрушаются и зажоры уничтожаются.

На сибирских реках зажоры приводят к еще большему подъему уровней, достигающему 4–6 м. Такие явления наблюдались, например, на р. Иртыш ниже впадения р. Бухтармы, что вызывало большие осложнения в период строительства Бухтарминской гид­ростанции.

Напомним, что из-за поступления относительно теплой воды из глубоководного Красноярского водохранилища, в нижнем бьефе Крнасноярской ГЭС в зимний период образуется полынья. В ходе зимы, по мере нарастания сумм отрицательных температур воздуха, длина полыньи сокращается, и примерно в середине февраля становится минимальной. Далее, в зависимости от погодных условий, положение кромки ледостава на некоторое время стабилизируется, и, по мере ослабления морозов, она начинает удаляться от плотины, а длина полыньи соответственно увеличивается. В наиболее суровые зимы минимальная длина полыньи составляет около 100 км, тогда как в самые теплые зимы она может достигать 315 км Отметим, что, несмотря на суровые зимы, ниже плотины Красноярской ГЭС образуется самая длинная полынья (например, ниже плотин Волжских ГЭС длина полыньи составляет от 1 до 50 км, ниже Ангарских ГЭС - от 3 до 95 км).

Рис 3.56. Ход зимних уровней (Н) и расходов воды (Q) на р. Днепр

Изменения размера полыньи в течение зимы происходят нестабильно. Колебания температуры воздуха и расходов воды, сбрасываемых в нижний бьеф Красноярской ГЭС, обуславливают изменения баланса тепла водной массы, что объясняет неустойчивость положения кромки ледостава, подвижки льда и неравномерный характер перемещения кромки. Движение кромки льда при больших скоростях течения и достаточных объемах ледяного материала (шуги) сопровождается формированием зажоров.

В начальный период ледостава (первые 5 – 10 дней) наблюдаются значительные повышения уровней воды, которые составляют на участке Ярцево–Назимово 4–8 м, у Енисейска 5–9 м, у Казачинское и на вышерасположенном участке 4–6 м. До строительства ГЭС такие подъемы составляли 2–4 м, т.е. примерно вдвое меньше. В начальный период ледостава устанавливаются уровни воды, близкие к максимальным годовым, что особенно выражено на участке Енисея выше устья Ангары. Высокие подъемы уровней воды в периоды подвижек кромки ледяного покрова приводят к затоплению территории населенных пунктов, дорог, нижних складов древесины и т.п., нанося значительные ущербы экономике и населению. Участки реки, на которых зимой наблюдаются зажорные явления, являются очагами образования весенних заторов льда.

Создание искусственного подпора на реке и уменьшение тем самым скоростей течения, при которых река покрывается поверхностным льдом, является весьма эффективным средством прекращения образования шуги. Ярким примером является опыт эксплуатации Волховской гидростанции. В первые годы после ее пуска наблюдались полыньи, служившие источником ин­тенсивного шугохода, забивавшего решетки гидростанции. По предложению профессоров В. В. Болотова и А. М. Естифеева подпор зимой был увеличен посредством деревянных щитов, устанавливаемых на водосливной плотине. В результате, полыньи исчез­ли и шугоход прекратился [15].

Одним из наиболее простых способов оценки нарастания льда на реках служит формула Ф. И. Быдина, устанавливающая эмпирическую связь толщины льда (h_л ,см)с суммой отрицательных среднесуточных температур воздуха (T,°С):

(3.53)

Данная формула учитывает средние условия накопления снега на поверхности ледяного покрова. Снег оказывает заметное влияние на толщину льда: чем высота снега больше, тем меньше толщина льда под снегом.

Речные наледи. В условиях холодного климата под влиянием гидроста­тического напора, вызванного стеснением живого сечения русла при его промерзании или при образовании большого количества шуги, – на поверхность льда через трещины речная вода может излиться и замерзнуть. В результате образуется толстый слой вторичного льда – наледь. В последние десятилетия фундаментальные исследования наледей в Сибири выполнены В.Р. Алексеевым (В.Р. Алексеев. Наледи. Новосибирск, 1987, и др.).

Протяженность наледей может составлять несколько километров. Грандиозные размеры зажорных наледей наблюдал Н.М. Бочков на Урале в 1939 г, когда р. Каква покрылась наледями на расстоянии 80 – 100 км, расход воды упал с 1,5 до 0.12 м³/с, многие предприятия остались без воды.

Иногда наледи, вызванные зимними наводнениями от зажоров льда, приводят к катастрофам. В книге В.Г. Ходакова (Снега и льды Земли, М., 1969) сообщается следующий факт, случившийся на безымянной речке в бассейне р. Камы: «речная вода стала наступать на деревню Шаршада, быстро замерзая. Бллее 10 домов оказались по самые окна закованными в лед. И только благодаря упорной работе взрывников, проведших 500 взрывов, удалось пробить в теле наледи 500-метровый канал для стока воды и спасти деревню от полного погребения…».

Вскрытие рек.С наступлением весны ледяной покров на реках начинает разрушаться под влиянием солнечной радиа­ции, теплообмена с атмосферой при вторжениях теплого воздуха, а также из-за быстрого подъема уровней воды, вызывающего образование трещин и подвижки льда.

Сначала начинает таять снег на льду, сход которого обеспечивает проникновение солнечной радиации непосредственно в ледяной покров и быстрое ослабление прочности льда в результате внутреннего таяния и образования водных пленок на контактах кристаллов. У берегов под влиянием повыше­ния уровня в реке во льду образуются береговые трещины и прибрежные полосы чистой воды – закраины.

Продолжающийся подъем уровня воды в реке вследствие по­ступления талых вод приводит к небольшим смещениям ледяных полей – подвижкам льда. И вот уже ослабленный ледяной покров разбивается на отдельные льдины и начинается весенний ледоход.

На больших реках, текущих с севера на юг, а также на многих малых реках, вскрытие происходит в основном под влиянием теплового разрушения льда, несколько опережая основную волну весеннего поло­водья. Проходит оно относительно спокойно. Вскрытие крупных рек, текущих с севера на юг, начинает­ся с низовьев и распространяется вверх по течению. Продолжи­тельность весеннего ледохода на таких реках обычно составляет 10 – 20 дней.

Более бурно происходит вскрытие на реках, текущих с юга на север. Типичный пример – р. Лена. Здесь главным фактором вскрытия становится механиче­ский – воздействие волны половодья. Быстрый подъем уровня воды взламывает еще прочный лед, вызывая ледоход, который идет очень бурно. Ледоход, продвинувшись на север вниз по реке, где вскрытье запаздывает, останавливается у прочной кромки ледостава, что часто сопровождается заторами льда. Протяженность скоплений льда в местах заторов на средних и крупных реках изменяется от сотен метров до 50 – 100 км, а высота подъема уровня воды во время заторов может превышать зимний уровень на 6 – 20 м и больше.

Заторы льда, вызывая резкий подъем уровня воды и наводнения, представляют грозное явление природы. Они нередки на Северной Двине, Лене, в низовьях Дуная и на многих других реках. Во время известного во всем мире затора льда в районе г. Ленска весной 2001 г. была затоплена почти вся площадь города, разрушено около 3500 домов, имелись человеческие жертвы.

Во время затора, происходящего на подъеме волны половодья, уровень воды на участке реки выше затора повышается, а ниже его – понижается. Прорыв мощного затора приводит к образованию паводочной волны.

На малых реках ледяной покров часто тает на месте, и весеннего ледохода не происходит.

Создание водохранилищ способствует ослаблению или полному прекращению ледохода. В пределах водохранилища лед плывет очень медленно и быстро тает. Отсутствует весенний ледоход и на приплотинных участках нижнего бьефа ГЭС в связи с задержкой льда в водохранилищах и при наличии зимой протяженной полыньи.

Средние за многолетний период сроки замерзания и вскрытья рек меняются по территории и от года к году. Замерзание рек в Вос­точной Сибири и северной части Западной Сибири начинается уже в октябре. В ноябре замерзают реки на юге Западной Сибири, на Северном Кавказе, Дальнем Востоке и на севере Европейской территории России. В декабре замерзают реки юга Европейской России.

Весенний ледоход развивается в обратном порядке: в марте на юге Европейской части России, в апреле – в центральной ее части, в мае – на севере, а также в Западной Сибири и на Дальнем Востоке. На севере Восточной Сибири реки вскры­ваются в июне.

Озера замерзают и вскрываются позже рек, особенно крупные, из-за большего запаса тепла и воздействия волн. Лёд обычно тает в самих озерах и только частью выносится в реки. Воды соляных (высоко минерализованных) озер могут зимой не замерзать при отрицательной температуре, а летом сильно нагреваться под поверхностным слоем пресной воды.

Особенности гидрохимического режима природных вод. Донные отложения озер

Вода, в которой концентрация солей не превышает 1 г/л, называется пресной. Ее запасы на Земле составляют 2,65 % от общего объема вод. Напомним (глава 3), что из общего количества пресной воды на Земле 71 % приходится на твердую фазу – ледники и подземные льды, и только 29 % – на жидкую. Основная масса ресурсов пресной воды – это возобновляемые запасы речного стока. Природные воды полярных областей и умеренных широт в основном пресные. В степной и полупустынной зоне значительная часть озерных и подземных вод – слабоминерализованные (минерализация выше 1 г/л), или соленые (выше 35 г/л).

Природные воды по химическому составу делятся на классы и группы [1, 20, 21]. Классы выделяются по преобладающему содержанию анионов: 1) карбонатный класс (преобладают анионы ^– СО₃ или ^– НСО₃), 2) сульфатный класс (анион ^– SO₄) и 3) хлоридный класс (анион ^– Cl). Группы выделяются по преобладающему содержанию катионов: 1) кальциваевая группа (катион ⁺Ca), 2) магниваевая группа (катион ⁺Mg) и 3) натриваевая группа (катион ⁺Na).

Наименьшей растворимостью обладают карбонаты, а сульфаты и хлориды отличаются более высокой растворимостью. По этой причине в районах устойчивого и высокого увлажнения (лесная зона, тундра) сульфаты и хлориды вымыты дождевыми и талыми водами из почв и грунтов зоны активного водообмена. Здесь преобладают речные и озерные воды карбонатного класса малой (сумма ионов меньше 200 мг/л) или средней (сумма ионов 200–500 мг/л) минерализации.

В степных и полупустынных территориях (зона недостаточного увлажнения) преобладают воды сульфатного и хлоридного класса, повышенной (500 – 1000 мг/л) и высокой (свыше 1000 мг/л) минерализацией. Например, вода р. Эмбы имеет в межень минерализацию более 1500 мг/л.

Реки с водами гидрокарбонатного класса занимают более 85 % территории бывшего СССР. Реки, воды которых относятся к суль­фатному и хлоридному классам, занимают менее 15 % территории.

У большинства вод малой минерализации соотношение главных ионов следующее: ^– НСО₃>^– SO₄>^– Cl и ⁺Ca >⁺Mg > ⁺Na+⁺К. При повышении минерализации растет относительное содержание ионов ^– SO₄ и ^– Cl, а также ⁺Na. Все перечисленные выше закономерности определяют географическую зональность состава природных вод. Но в природе встречаются и аномалии в химическом составе воды, связанные с особенностями геологического строения.

Произведение расхода воды Q на минерализацию М, выражен­ную в кг/м³, дает расход растворенных солей: R_c= MQ, имеющий размерность кг/с.

Содержание в воде растворимых солей кальция и магния харак­теризует ее жесткость. Различают жесткость карбонатную, обус­ловленную присутствием солей СаСО₃, MgC0₃, и некарбонатную – CaSQ₄, MgS0₄, СаС1₂, MgCl₂, Са (NO₃) ₂, Mg (N0₃)₂. «Умягчение» воды достигается путем осаждения соединений кальция и магния с применением, например, гашеной извести Са(ОН)₂.

Растворенные газы: 0₂, С0₂, H₂S и др. Растворимость газов в воде различна и зависит от их химической природы, температуры, давления и минерализации воды. Содержание кислорода в воде определяется поступлением его из воздуха и образованием в резуль­тате фотосинтеза. Растворимость кислорода зависит от температуры воды. Например, при температуре 0⁰С концентрация растворенного кислорода в условиях полного насыщения составляет 14.7 мг/л, а при температуре +30⁰ она падает до 8 мг/л. Допустимая концентрация кислорода зимой для водоемов, используемых в рыбохозяйственных целях, не должна опускаться ниже 4 – 8 мг/л [21]. Дефицит кислорода приводит к летним и зимним заморам рыб, гибели беспозвоночных, растений. При отсутствии кислорода сохраняются лишь бактериальные формы жизни. Водные растения при фотосинтезе выделяют кислород и создают органическое вещество.

С0₂ находится как в растворенном виде, так и в виде углекислоты. Основными источниками С0₂ являются биохимические процессы распада органических веществ.

H₂S бывает органического происхождения (продукт распада), и неорганического (растворение минеральных солей). H₂S придает воде неприятный запах и вызывает коррозию металлов.

Биогенные вещества. К этой группе относятся необходимые для жизнедеятельности водных организмов и образующиеся в процессе обмена веществ соединения азота, кремния и фосфора. Азот и фосфор присутствуют в природных водах в виде органических и неорганических соединений. Неорганические соединения азота представлены в виде ионов аммония NH₄⁺, нитратов NО₃ и нитритов N0₂^–. Неорганический фосфор – в виде производных ортофосфорной кислоты Н₃РО₄ (преимущественно в виде НРО₄^–2). Основными факторами, определяющими концентрации соединений азота и фосфора в природных водах, являются: поглощение их при фотосинтезе, выделение при разложении органического вещества, обмен между органическими и неорганическими формами.

Кремний находится в природных водах частично в истинном растворе в виде кремниевой и поликремниевой кислот, частично в коллоидном состоянии.

Органические вещества в природных водах находятся в рас­творенном и взвешенном состоянии. Органические вещества образуются при разложении рас­тительных остатков и органических соединений. Их концентрация в водоеме зависит от физико-географических условий бассейна. Растворенное органическое вещество имеет сложный состав, в котором преобладают гуминовые и фульвокислоты. Значительная часть органического вещества в воде – коллоиды, состоящие из обломков высокомолекулярных по­лимеров.

Гуминовые кислоты - органические вещества, представляющие сложную смесь соединений разного состава, свойств и строения. Их максимальное количество содержится в черноземах и торфяниках. В реках с болотным питанием, вещества гумусового происхождения являются основной частью. .Гуминовые кислоты влияют на органолептические свойства воды (запах, цвет), ускоряют коррозию металла, оказывают отрицательное влияние на развитие водных микроорганизмов, влияют на химический состав воды (снижают содержание кислорода, влияют на ионные и фазовые равновесия).

Фульвокислоты — наиболее агрессивная фракция гуминовых веществ. Имеет специфический элементный состав, отличный от гуминовых кислот.

Микроэлементы – элементы, содержание которых в воде менее 1 мг/л. Их условно делят на пять групп: типичные катионы (Li⁺, Rb⁺, Cs⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ и др.); ионы тяжелых металлов (ионы Си, Ag, Аи, Pb, Zn, Ni, Со и др.): амфотерные комплексообразователи (Cr, Mo, V); типичные анионы (Вг^–, I^–, F^–, В^–); радиоактивные элементы.

Основными факторами, определяющими содержание микроэле­ментов в речных водах, являются: геохимические свойства и состав пород и почв; климатические условия и растительный покров на водосборе; окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные условия в воде; интенсивность сорбционных процессов и скорость поглощения живыми организмами.

Изменение минерализации речных и озерных вод внутри года зависит от преобладающего вида водного питания. С возрастанием подземного питания, что наблюдается зимой при отрицательной температуре воздуха, и в засушливые периоды лета-осени, общая минерализация вод возрастает. С увеличением поверхностного притока талых и дождевых вод минерализация падает (рис. 3.57).

В зимний период, в речных долинах накапливаются продукты выветривания и антропогенной деятельности, которые смываются талыми водами в фазе подъема весеннего половодья, что ведет к увеличению минерализации в этот период. После «промыва» затопляемых участков долин минерализация резко падает.

Рис. 3.57. Типичные графики изменения минерализации (1) и расхода воды (2) в течение года (а) и связи минерализации с расходом воды (б) (I–XII –месяцы) [1, 19]

Загрязняющие вещества и источники загрязнения поверхностных и грунтовых вод. Под загрязнением водных ресурсов понимают изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах и водотоках в связи с попаданием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые делают воду опасной для использования и наносят экологический вред водному объекту.

К основным источникам загрязнения воды относятся: 1) промыш­ленные, 2) поверхностные, 3) хозяйственно-бытовые и 4) сельскохо­зяйственные стоки; 5) рудничные и шахтные воды; 6) фильтраты от свалок промышленных и бытовых отходов; 7) жидкие радиоак­тивные отходы; 8) загрязненные атмосферные осадки; 9) обработка и сплав лесоматериалов; 10) сбросы водного и железнодорожного транспорта; 11) тепловое загрязнение.

Загрязняющие вещества приводят к изменениям качества воды, которые в основном проявляются в изменении ее химического состава и физических свойств.

Загрязнения сточных вод можно разделить на несколько групп.

По физическому состоянию – нерастворимые (взвеси), коллоидные и растворимые.

По составу – минеральные, органические, бактери­альные и биологические, в том числе:

· минеральные представлены песком, глиной, минеральными соля­ми, растворами кислот, щелочей и другими;

· органические могут быть растительного, животного происхожде­ния, а также содержать нефть и продукты, из нее получаемые, синте­тические поверхностно-активные вещества (СПАВ);

· бактериальное и биологическое загрязнения – стоки предприятий пищевой и легкой промышленности, хозяйственно-бытовые стоки (стоки из туалетов, кухонь, душевых, прачечных, столовых и т.д.).

Водоемы представляют собой сложную экологическую сис­тему, в которой непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, при­ближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклоне­ния от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов и к невозможности возврата к состоянию равновесия. Это приводит к гибели водной экосистемы.

Процессы, связанные с возвращением экосистемы к первоначальному состоя­нию, называются процессами самоочищения. К ним относятся:

· осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных при­месей;

· окисление (минерализация) органических примесей;

· окисление минеральных примесей кислородом;

· нейтрализация кислот и оснований;

· гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию мало растворимых соединений и выпадению их из раствора.

В настоящее время уровень загрязнения водоемов и водотоков во многих районах промышленного и сельскохозяйственного освоения достиг недопустимых значений, при которых вода не может быть использована для питьевых и рыбохозяйственных целей, а также, нередко, и для сельскохозяйственного и промышленного водоснабжения. Более подробно антропогенное загрязнение вод рассматривается в специальной литературе (например, С.Я. Бездина. Экологические основы водопользования. М., 2005, и др.).

Важнейшим показателем интенсивности геохимических и биохимических процессов на водосборах рек является величина выноса водой растворенных веществ. Сток растворенных веществ отражает конечный результат целого комплекса процессов, связанных с миграцией элементов и обменом веществ в природе. Его величина и качественный состав находятся и тесной связи с ландшафтом и природной зональностью. Суммарный годовой сток растворенных веществ достаточно устойчив. Общий сток растворенных веществ с территории России близок к 250 млн. т/год. Среди ионов доля НСО₃ в пересчете на СО₃ составляет 34,7%, доля ионов Са²⁺ – 21,7%, SO^2-₄ – 18,1%, С1 – 11%, Na⁺+K⁺– 9,6 % и Mg²⁺– 4,9%. [1, 19]

Реки Кольского полуострова и Карелии характеризуются модулем ионного стока порядка 10 т/км² в год. Благодаря хорошо промытым ледниковым отложениям и широкому распространению болот, минерализация воды не превышает 100 мг/л.

Несколько большие значения модулей ионного стока наблюдаются на побережье Северного Ледовитого океана (20 т/км² в год).

В большинстве речных бассейнов Сибири, вследствие сурового климата, наличия вечной мерзлоты, широкого распространения болот (Западная Сибирь) модуль стока растворенных веществ не превышает 10-15 т/км² в год. В верхней части бассейна р. Оби (выше Новосибирска) его величина составляет 30, в бассейнах Енисея и Лены – около 20 т/км² в год. Самые низкие модули стока растворенных веществ (примерно 5 т/км³ в год) наблюдаются в бассейнах Яны и Индигирки, проносящих свои воды в зоне вечной мерзлоты, а также в низовьях Амура.

В бассейне Волги, занимающем обширную территорию с большим разнообразием природных условий, модуль растворенных веществ также изменяется в значительных пределах – от 20 т/км² в верхнем течении до 50–80 т/км² в год в бассейне Камы.

Минеральные озёра, солёные (соляные) – это озёра, вода которых сильно минерализована. К этой категории относят озёра с минерализацией воды, превышающей солёность вод Мирового океана (35 г/кг). При содержании солей от 1 ‰ до 35 ‰ озера называются солоноватыми.При высоких концентрациях солей воды представляют собой растворы, близкие к насыщению или полностью насыщенные, в которых происходит кристаллизация солей и их выпадение в осадок на дно. Такие озера называют самосадочными, а их воду – рапой.

Накопление солей в минерализованных озерах происходит за счёт их вноса реками, подземными водами и атмосферными осадками и интенсивного испарения воды с их поверхности

Наиболее распространены минеральные озера в засушливых районах земного шара, где они занимают бессточные котловины или образуются на морских побережьях, в отчленённых от моря заливах и лиманах. Существуют и азональные минеральные озёра, образующиеся в районах выхода на поверхность залежей растворимых солей или высокоминерализованных подземных вод.

Из-за повышенной вязкости соленых вод, распространение тепла от поверхности в глубь озера затруднено, поэтому тонкий поверхностный слой рапы летом может нагреваться до 40 – 50 °С.

Зимой рапа в некоторых озёрах не замерзает при температуре до – 20 °С. Благодаря этому в глубоких минеральных озерах переохлажденные зимой придонные воды даже летом сохраняют отрицательную температуру. В мелких минеральных озерах с прозрачной водой прогрев дна за счёт солнечной радиации может достигать 65 °С.

По химическому составу вод минеральные озера подразделяются на карбонатные (содовые), сульфатные (горько-солёные) и хлоридные (солёные). Минеральные озера являются источником ценного сырья для химической, пищевой и других отраслей промышленности. Из них добываются поваренная соль, сода, мирабилит, хлористый магний, соединения брома, йода, бора и др. Велико значение минеральных сероводородных грязей, используемых в лечебных целях.

Цвет и прозрачность воды зависит от количества минеральных и органических взвесей. Голубой цвет и высокая прозрачность (в оз. Байкал – до 40 м) характерны для озер и рек с чистой водой, большей частью крупных. С увеличением мутности прозрачность воды быстро падает (до 1 м и меньше), а цвет становится зелёным, бурым, коричневым.

Озёрные отложения – образуются на дне озер из минеральных и органических частиц, приносимых стоком и ветром, попадающих в воду в результате разрушения берегов, накапливающихся в результате отмирания растений и животных. При зарастании озёра нередко превращаются в торфяные болота.

Характер озерных отложений изменяется в зависимости от климата следующим образом.

· В областях с холодным климатом отлагается обломочный песчано-глинистый материал.

· В озёрах умеренного пояса вместе с обломочным материалом накапливаются железо, кремнезём (диатомиты), карбонат кальция, торф, сапропель – вязкие глинистые отложения органического происхождения.

· В солоноватых и солёных озёрах засушливых областей отлагаются карбонаты, галит, гипс, а в бессточных озёрах – доломитовые осадки, иногда сода.

· К древним осадочным толщам относятся глины и мергели девонского и пермского возраста, доломиты, соленосные отложения и другие.