CC BY
19
УДК 550.84 (571.53)
ХИМИЧЕСКИЙ БАЛАНС СРЕДНЕГО РЕЗЕРВУАРА ОЗ. БАЙКАЛ
О.Ю. Астраханцева1, К.В. Чудненко2, О.М. Глазунов3
Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, 664033 г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а.
Рассчитан химический баланс и созданы базы данных количества вещества в системах и потоках Среднего резервуара оз. Байкал в г/год, что позволило установить существование больших внутренних нагрузок в резервуаре - потоков из донных отложений и потоков в донные отложения, выявить избирательную утилизацию компонентов в донные отложения, определить, какие компоненты аккумулируются в резервуаре и места их аккумуляции. Установлены пути и формы миграции 33 компонентов в резервуаре. В слабоминерализованных водах резервуара в комплексы не связываются только Ca2+, HCO3-, SO42, Cl-, B, Hg, Sr (являются инертными, в водах резервуара находятся в растворенных формах), тогда как все другие компоненты с разной степенью участия вступают в реакции комплексообразования. Определен круг компонентов, совершающих химические круговороты в водах резервуара. Установлена геохимическая устойчивость экосистемы "Средний резервуар" к химическим элементам и органическому веществу, попадающему в резервуар с техногенным стоком. Ил. 4. Табл. 12. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: средний резервуар; оз. Байкал; мегасистема; потоки; химический баланс; экосистема; геохимическая устойчивость.
CHEMICAL BALANCE OF THE MIDDLE RESERVOIR OF THE LAKE BAIKAL O.Yu. Astrakhantseva, K.V. Chudnenko, O.M. Glazunov
Institute of Geochemistry named after A.P. Vinogradov SB RAS, 1a Favorsky St., Irkutsk, 664033.
The chemical balance is calculated and databases of matter quantity in the systems and flows of the Middle Reservoir of the lake Baikal in g / year are created. This allowed to determine the existence of great internal loads in the reservoir -flows from the bottom sediments and flows into the bottom sediments; to identify selective utilization of components into the bottom sediments; to determine what components are accumulated in the reservoir and the places of their accumulation. Migration paths and migration forms of 33 components in the reservoir are identified. In the brackish waters of the reservoir only Ca2+, HCO3-, SO42, Cl-, B, Hg, Sr do not combine into complexes (they are inert and found in the reservoir waters in dissolved forms), while all other components with varying degrees of participation enter a complexing reaction. The range of components, performing chemical cycles in the reservoir waters is outlined. Geochemical stability of the ecosystem "Middle Reservoir" to the chemical elements and organic matter entering the reservoir with a technogenic flow is determined. 4 figures. 12 tables. 8 sources.
Key words: Middle Reservoir; lake Baikal; megasystem; flows; chemical balance; ecosystem; geochemical stability.
Важнейшая теоретическая проблема гидрогеохимии - изучение механизма процессов формирования химического состава природных вод континентальных водоемов, а также прогнозирование качества вод при различных режимах их эксплуатации. На смену эмпирическому, качественному подходу к анализу геохимических явлений в оз. Байкал необходимы новые средства (компьютерные технологии) и методы (создание количественных моделей процессов формирования химического состава вод озера в естественных и техногенных ситуациях) на основе методов точных фундаментальных наук - химической термодинамики и
физико-химической гидродинамики. Объект нашего исследования - мегасистема "Озеро Байкал - окружающая среда (потоки)", представляющая совокупность геохимических процессов взаимодействия вод озера и входящих и выходящих потоков, приводящих к установлению стационарного состояния мегасистемы в целом в течение исторически значимого интервала времени. Существует средство для исследования -алгоритм физико-химического моделирования эволюции системы локально-равновесных резервуаров, связанных потоками подвижных групп фаз [4, 6], с положенной в его основу теорией стабильных стационар-
1Астраханцева Ольга Юрьевна, младший научный сотрудник лаборатории физико-химического моделирования, тел.: (3952) 425512, е-mail: [email protected]
Astrakhantseva Olga, Junior Research Worker of the Laboratory of Physico-Chemical Modeling, tel.: (3952) 425512, e-mail: [email protected]
2Чудненко Константин Вадимович, доктор геолого-минералогических наук, зав. лабораторией физико-химического моделирования.
Chudnenko Konstantin, Doctor of Geological and Mineralogical sciences, Head of the Laboratory of Physico-Chemical Modeling.
3Глазунов Олег Михайлович, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник лаборатории геохимического и ультраосновного магматизма.
Glazunov Oleg, Doctor of Geological and Mineralogical sciences, Chief Researcher of the Laboratory of Geochemical and Ultrabasic Magmatism.
ных мегасистем [3]. Разработан универсальный инструмент для решения широкого круга задач физико-химического моделирования - программный комплекс "Селектор".
Создание компьютерных физико-химических моделей начинается с начального этапа - геолого-геохимической модели многорезервуарной системы "Озеро Байкал - потоки", формирование которой обуславливает необходимость определения баланса масс - количества вещества в водах резервуаров озера и потоках, поступающих и вытекающих из них, установления форм миграции компонентов в резервуарах, расчёта среднемноголетних годовых аккумуляций и захоронений вещества, поступающего в резервуары с потоками, оценки геохимической устойчивости экосистем при попадании химических элементов и органического вещества в оз. Байкал с техногенным стоком.
На данном этапе исследований необходимо установить количественные характеристики химического баланса Среднего резервуара оз. Байкал.
Модель протекания процесса в глобальной мега-системе "Озеро Байкал - потоки" - модель химически взаимодействующих совокупностей систем (резервуа-
ров), связанных между собой и окружающей средой потоками вещества и энергии. Модельный образ динамики в пространстве задаётся соответствующей нумерацией сопряжённых резервуаров в границах единой мегасистемы (рис. 1-3). Потоки движутся по номерам согласно принятому сценарию процесса [2].
Для расчёта химического баланса потоков, впадающих и вытекающих из резервуара, необходимо знать составляющие приходной и расходной частей. Статью "Приход" в резервуаре составляют: внешние потоки - реки, речная взвесь, подземные воды, минеральные воды, атмосферные осадки, атмосферный аэрозоль, приток озёрных вод из Ушканьеостровского резервуара; внутренняя нагрузка - поток из донных отложений. Статью "Расход" составляют поток в донные отложения и сток озёрных вод в Селенгинский резервуар.
Используя уравнение т = С * V, где т - полная масса элемента, С - средняя (базовая) концентрация, V - объём водной массы озера, определена полная масса каждого из 35 компонентов в 109 г/год в системах (поверхностные, прибрежные, глубинные, придонные воды) Среднего резервуара оз. Байкал (табл. 1).
0 50 100 кт
1_I_I
Рис. 1. Схема геохимического районирования оз. Байкал (на основе гидрологических и климатических характеристик) [2]: 1- Южный резервуар; 2 - Селенгинский резервуар; 3 - Средний резервуар; и 4 - Ушканьеостровский резервуар; 5 - Северный резервуар; 6 - Малое Море; 7 - Баргузинский залив; 8 - Чивыркуйский залив (резервуары 1-5 разделены на прибрежные воды и открытый Байкал)
Рис. 2. Схема взаимодействий в системе "резервуар оз. Байкал - потоки" [2]
Рис. 3. Схема протекания процесса взаимодействия вещества оз. Байкал и вещества впадающих в резервуар и вытекающих из него потоков в мегасистеме "озеро Байкал - потоки" как совокупность последовательно связанных потоками водного раствора реакторов-резервуаров [2]: 1 - Южный; 2 - Селенгинский; 3 - Средний; 4 - Ушканьеостровский; 5 - Северный резервуар
Таблица 1
Количество вещества в системах Среднего резервуара мегасистемы "Озеро Байкал"
Средний резервуар, 109 г/год
Компонент прибрежные поверхностные глубинные придонные все воды
воды воды воды воды
К+ 444,553 4185,3 4069,7 1196,1 9895,647
Na+ 1333,66 8370,6 12209,1 3588,3 25501,65
Са2+ 5866,88 32685,2 53321,3 21330,45 113203,8
Мд2+ 1052,41 6111,87 10963,3 3854,1 21981,64
Л! 25,7659 186,346 310,626 124,2615 646,9986
а 344,755 2106,27 4241,34 1767,57 8459,938
Мп2+ 1,70563 5,36117 3,98664 1,5948 12,64824
Реобщ 16,3305 68,7585 114,616 45,8505 245,5554
ЭО„2" 2195,55 11160,8 13686,8 5714,7 32757,81
И003" 24029,5 132559 220013 87870,01 464471,6
сг 266,732 1993 1661,1 664,5 4585,332
N03" 18,8708 116,353 143,519 59,805 338,548
Р043- 3,47566 19,0879 31,8183 12,72845 67,11024
02 4430,74 24333,1 37208,6 13681,26 79653,7
Лб 0,11076 0,5979 0,99666 0,3987 2,10402
В 3,437252 18,5548 30,9297 12,373 65,2947
Сг 0,215926 1,18584 1,97671 0,790755 4,169224
Си 0,3629 1,97307 3,28898 1,31571 6,940658
Сс1 8,35-10"3 0,045839 7,6411-10"2 0,030567 0,1611633
нд 0,137902 0,49825 0,83055 0,33225 1,798952
РЬ 0,39919 0,926745 1,54482 0,617985 3,488743
Бг 94,354 518,18 863,772 345,54 1821,846
гп 2,68546 12,1573 20,2654 8,239799 43,34798
Со 1,5610"2 0,075734 0,126244 0,049173 0,2667553
и 0,14516 0,7972 1,32888 0,5316 2,80284
V 0,39919 0,89685 1,49499 0,59805 3,38908
Вг 0,14516 0,7972 1,32888 0,5316 2,80284
РЬ 0,116128 0,63776 1,0631 0,42528 2,242272
Мо 0,39919 1,26556 2,1096 0,843915 4,618257
Сорг 785,025 4311,26 7186,58 2325,04 14607,91
^рг 56,4766 414,544 517,02 133,623 1121,664
Рорг 2,8443 26,4494 26,0384 5,976968 61,30905
Борг 10,7783 59,1929 98,6707 31,92246 200,5644
С02 1345,15 5251,56 18405 6808,91 31810,6
Всего 42334,14 234522,6 385143,2 149589,3 811589,3
Таблица 2
Среднемноголетнее годовое содержание химических веществ в потоках (внешняя и внутренняя нагрузка), впадающих в Средний резервуар мегасистемы "Озеро Байкал" (статья "Приход")
Компонент Потоки, впадающие в Средний резервуар озера Байкал, 109 г/год
аэрозоль дождь+ снег малые притоки основные притоки взвесь речных вод подземные воды мине-раль-ные воды приток озерных вод из Ушканье-остр. рез-ра поток из донных отложений суммарный приход
К+ 1,191 0,451 2,188 7,405 1,218 0,376 0,02 20,14 85,02 118
N8+ 0,2 1,354 6,565 22,21 1,347 7,462 0,5278 52,15 55,46 147,3
Са2+ 3,504 2,707 28,67 125,3 5,333 11,31 0,085 242 18,52 437,4
Мд2+ 0,633 0,9 4,045 12,95 2,565 4,321 0,019 50,9 53,49 129,8
Л1 3,282 0,065 0,273 1 7,362 0 0,017 1,42 40,64 54,06
Б1 8,585 0,591 10,29 27,65 98,37 0,448 0,1126 19,38 575,1 740,6
Мп2+ 0,027 0,006 0,039 0,208 1,532 0 0,0001 0,018 4,543 6,373
Ее общ 3,572 0,002 0,427 1,555 20,45 0,017 0,013 0,5241 197,6 224,2
Б042" 10,52 3,008 11,79 43,31 «-»* 3,854 0,6761 70,13 0 143,3
НС03" 0 10,23 113,8 452,1 «-» 58,14 0,4137 1006 0 1641
С1 0,211 1,203 1,544 5,486 «-» 4,601 0,1254 10,14 0 23,31
N03" 2,171 0,587 1,17 4,233 «-» «-» «-» 0,9636 11,67 20,79
NH4+ «-» 0,241 «-» «-» «-» 0,054 0,0018 0 0 0,2962
Р043" 1,842 0,015 0,115 0,206 0,751 «-» 1,6-10-5 0,1621 14,4 17,49
Н 0,039 «-» «-» «-» «-» «-» «-» 0 0 0,039
02 11,01 «-» «-» «-» «-» «-» «-» 102,2 0 113,2
ЛБ 0,004 4,5-10-6 «-» «-» 0,005 «-» 8,1-10-5 0,005 0,08 0,094
В «-» «-» «-» «-» «-» «-» 0,002 0,1414 0,0669 0,2106
Сг 0,003 4,210-5 0,001 0,003 0,009 «-» 4,9-10-5 0,008 0,199 0,2245
Си «-» 0,006 0,002 0,008 0,007 «-» 1,1-10-4 0,05 0,4 0,4758
СС «-» «-» «-» «-» «-» «-» «-» 4,1-10-4 8,2 -10-3 8,6 -10-3
Нд «-» 2,610-4 4,8-10-4 0,002 «-» «-» 5,3 -10-6 0,005 0 0,007
РЬ 0,062 0,002 0,001 0,001 0,007 «-» 5,4 -10-5 0,007 0,023 0,103
Sr
0
5,310
-т-
0,124
0,702
0,062
0,0032
тг
4,163
0,3863
5,44
Zn
0,146
6,5-10
0,002
0,006
0,03
2,7-10
0,09
0
0,278
Co
0,002
9,0-10
i-6
1,1-10
.-4
3,1-10'
-4
5,4-10'
-5
6,4-10-'
0,048
0,05
0,001
1,3-10-5
7,6-10-5
2,2-10
«-»
0,007
0,028
0,036
0,011
0,003
6,9-10-'
0,001
0,002
6,5-10-5
0,007
0,1521
0,178
Br
«-»
3,5-10
-4
0,002
0,005
0,0036
-5
-4
0,0188
0,03008
Rb
0,004
1,3-10
«-»
«-»
-4
2,8-10
0,0058
0,1775
0,1874
Mo
«-»
4,5-10
0,004
0,011
«-»
2,16-10-'
0,011
0
0,0256
■^орг
36,64
4,211
9,401
22,57
0,627
18,08
20,06
111,6
^орг
0,376
0,400
0,887
0,08
2,127
5,124
8,994
орг
0,015
0,008
0,02
0,016
0,1185
1,66
1,839
0,057
0,254
0,31
0,009
0,2466
0,6548
1,532
CO2
1,478
67,98
2,907
72,37
Ti
0,775
8,533
9,308
Всего
83,66
26,03
191,2
728,1
140,6
92,07
2,025
1669
1097
4030,15
*«-» - нет данных.
«-»
«-»
«-»
«-»
U
«-»
«-»
V
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
S
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
0
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
«-»
Динамика изменения количества некоторого химического элемента в Среднем резервуаре озера может быть описана простым дифференциальным уравнением:
dm/dt = (Po + Pa + Pr + Pv + Pu + Pm + Pp) - (Pa + Ps), где составляющими приходной и расходной частей баланса (потоками) являются: Po - поступление элементов с атмосферными осадками на зеркало резервуара; Pa - с атмосферным аэрозолем; Pi-и Pv - с речными водами и речной взвесью; Pu и Pm - c подземными и минеральными водами; Pp - приток озерных вод из Ушканьеостровского резервуара озера; PA -вынос элемента со стоком озёрных вод в Селенгин-ский резервуар; Ps - выведение из водной массы со взвешенным материалом, формирующим донные отложения. Все переменные приходной и расходной частей баланса (правая часть уравнения) измеряются в 109 г/год (тыс. т/год) (табл. 2-5).
Общий химический приход растворённого вещества и взвеси в Средний резервуар составляет 4030 тыс. т/год (см. табл. 2), а из резервуара со стоком озёрных вод и потоком в донные отложения уходит 4007 тыс. т/год растворённого вещества и взвеси (табл. 5). Некоторое расхождение количества компонентов (B, Sr) в статье "Расход" с количеством компонентов в статье "Приход" не выходит за пределы погрешности методов определения компонентов. Количество анионов макрокомпонентов, микроэлементов Hg и Zn в статье "Приход" превышает их количество в статье "Расход". Происходит некоторое накопление этих компонентов в водах резервуара. Однако надо учесть, что водные массы в резервуаре проточны и обновляются, как показал расчёт водного баланса резервуара, в течение 287 лет [1].
В целом ряде потоков, впадающих в резервуар, отсутствуют данные по количеству O2 в единице объёма. Озеро Байкал - открытая система, обменивающаяся с атмосферой веществом и энергией. Основной источник газов, растворённых в байкальской воде -атмосфера. То количество кислорода и углекислого газа, которое участвует в геологическом и биологическом круговоротах вещества в резервуаре, показано в табл. 1.
Расчёт химического баланса Среднего резервуара оз. Байкал кроме внешних прихода и расхода веще-
ства в резервуар и из резервуара также позволил установить существование больших внутренних нагрузок, которые ранее при попытках расчёта химического баланса оз. Байкал не учитывались - потока из донных отложений, приносящего 27% вещества статьи "Приход" резервуара, и потока в донные отложения (уносит 35% вещества статьи "Расход").
Поток из донных отложений является основным поставщиком биогенных элементов, фосфора органического, группы микроэлементов: А1, Мп2+, Лб, Сг, Си, Сс1, Со, и, V, РЬ, И, половины от общего прихода остального органического вещества и катионов основных компонентов, кроме кальция (табл. 3, 6). Поток в донные отложения уносит биогенные элементы, основное количество органического вещества, К+, микроэлементы А1, Мп2+, Лб, Сг, Си, СС, РЬ, Со, и, V, РЬ, Вг, И, половину №+, Мд2+, пятую часть Мо, В и шестую часть Са2+ (табл. 5).
В отличие от качественного состава внешней нагрузки, более 80% которой составляют макрокомпоненты, внутренняя нагрузка (поток из донных отложений и поток в донные отложения) на 80% состоит из биогенных элементов, микроэлементов и органического вещества (табл. 6).
Таким образом, в водах Среднего резервуара большая группа компонентов совершает химические круговороты в резервуаре и находится в растворённой и взвешенной формах. Эти элементы в виде взвеси уходят с потоком в донные отложения. Внутри резервуара с глубиной происходит изменение Т-Р-условий. Часть массы компонентов, пришедших с потоком в донные отложения, захоранивается, остальная часть возвращается с потоком из донных отложений в виде растворённых форм. Из внешних источников эти элементы поступают в малых, ничтожных по сравнению с внутренним потоком количествах в виде растворённых и твёрдых взвешенных частиц.
Известна схема динамических условий вихре- и фронтогенеза в области прибрежных течений на Байкале [7, 8]. Используя эту схему, можно представить, как речная взвесь, попадая в область фронтогенеза, опускается на дно оз. Байкал, где частично захоранивается, а в основном в результате химических преобразований в растворённом состоянии возвращается в водную толщу, откуда растворённые компоненты в
областях апвеллингов поднимаются в поверхностные воды оз. Байкал. Там, претерпевая биогенные или хемогенные, или те и иные преобразования вместе, попадая с вновь поступившей озёрной взвесью в конвергентные зоны (даунвеллинги) - зоны опускания вод или фронты океанического типа, компоненты в твёрдой фазе, в виде взвеси попадают на дно, где частично захораниваются (22% от количества вещества, поступающего с потоком в донные отложения, или 8% от общего прихода (табл. 7)), а в основном переходят в растворённые формы, которые через зоны апвеллинга опять попадают в глубинные и поверхностные воды, т.е. идёт постоянный круговорот этих веществ.
Для оценки вклада каждого из потоков в поступление и расход компонентов в Среднем резервуаре оз. Байкал суммарные (внешний и внутренний) приход и расход каждого компонента приняты за 100%. Это позволяет определить основные источники - потоки вещества в резервуар и из резервуара (табл. 3, 4), а также установить особенности и скорость миграции компонентов в резервуаре. Основные источники вещества (потоки) в Среднем резервуаре: "Поток из донных отложений", "Приток озёрных вод из Ушканье-островского резервуара" (табл. 3). Пункты расхода компонентов: поток в донные отложения, захоронение и сток озёрных вод в Селенгинский резервуар (табл. 4).
Таблица 3
Среднемноголетнее годовое содержание химических веществ в потоках, впадающих в Средний резервуар мегасистемы "Озеро Байкал" (внешняя и внутренняя нагрузка)
Потоки, впадающие в Средний резервуар озера Байкал, %
приток
Компонент аэрозоль дождь+ снег малые притоки основные притоки взвесь подзем- минеральные воды озерных вод поток из суммар-
речных ные во- из Уш- донных ный
вод ды канье- остр. рез-ра отложений приход
К+ 1,01 0,38 1,85 6,27 1,03 0,319 0,02 17,1 72 100
№+ 0,14 0,92 4,46 15,1 0,92 5,07 0,36 35,4 37,7 100
Са2+ 0,801 0,619 6,56 28,6 1,22 2,59 0,02 55,3 4,24 100
Мд2+ 0,49 0,69 3,12 9,98 1,98 3,33 0,015 39,2 41,2 100
А1 6,07 0,12 0,505 1,85 13,6 0 0,03 2,63 75,2 100
а 1,16 0,08 1,39 3,73 13,3 0,06 0,02 2,62 77,7 100
Мп2+ 0,424 0,09 0,61 3,27 24 0 0,002 0,286 71,3 100
Реобщ 1,59 0,0009 0,19 0,693 9,12 0,007 0,006 0,234 88,2 100
БО42- 7,34 2,1 8,23 30,2 0 2,69 0,472 48,9 0 100
НСО3- 0 0,623 6,94 27,6 0 3,54 0,03 61,3 0 100
Сг 0,904 5,16 6,63 23,5 0 19,7 0,538 43,5 0 100
ИО3- 10,4 2,82 5,63 20,4 0 0 0 4,63 56,1 100
М1Н4+ 0 81,2 0 0 0 18,2 0,607 0 0 100
РО43- 10,5 0,086 0,654 1,18 4,29 0 9,2 -10"5 0,927 82,3 100
Н 100 0 0 0 0 0 0 0 0 100
О2 9,73 0 0 0 0 0 0 90,3 0 100
аб 4,61 4,8 -10-3 0 0 5,68 0 0,09 4,83 84,8 100
В 0 0 0 0 0 0 1,02 67,2 31,8 100
Сг 1,36 0,02 0,51 1,42 4,11 0 0,02 3,72 88,8 100
Си 0 1,26 0,384 1,63 1,47 0 0,02 11,2 84 100
Сс1 0 0 0 0 0 0 0 4,76 95,2 100
Нд 0 3,5 6,58 23,3 0 0 0,07 66,5 0 100
РЬ 59,7 1,46 0,975 1,34 7,17 0 0,05 6,79 22,5 100
Бг 0 0,01 2,28 12,9 1,14 0 0,06 76,5 7,1 100
гп 52,4 0,233 0,817 2 10,5 0 0,097 33,9 0 100
Со 4,25 0,018 0,211 0,614 0 0 0,105 1,25 93,6 100
и 3 0,036 0,209 0,607 0 0 0 19,3 76,8 100
V 6,1 1,69 0,385 1,08 1,35 0 0,036 3,93 85,4 100
Вг 0 1,15 0 0 7,36 0 16,85 12,12 62,52 100
РЬ 2,03 0,007 0 0 0 0 0,147 3,11 94,7 100
Мо 0 1,76 14,3 41,7 0 0 0,08 42,1 0 100
Сорг 32,8 3,77 8,42 20,2 0,562 0 0 16,2 18 100
Морг 0 4,18 4,45 9,86 0,891 0 0 23,6 57 100
P рорг 0 0,84 0,46 1,1 0,872 0 0 6,44 90,3 100
Sopr 0 3,78 16,6 20,2 0,562 0 0 16,1 42,8 100
CO2 0 0 0 0 0 2,04 0 93,9 4,02 100
Ti 0 0 0 0 8,33 0 0 0 91,7 100
Всего 2,08 0,65 4,74 18,1 3,49 2,28 0,05 41,41 27,2 100
Таблица 4
Содержание компонентов в пунктах статьи "Расход" для Среднего резервуара _мегасистемы "Озеро Байкал"_
Расход компонентов в Среднем резервуаре
109 г/год %
Компонент потоки компонентов сток озёрных вод суммарный расход потоки компонентов сток озёрных вод суммарный расход
в донные в другие в донные в другие
отложения резервуары отложения резервуары
К+ 86,36 31,64 118 73,2 26,8 100
N8+ 65,76 81,52 147,3 44,7 55,3 100
Са2+ 75,5 361,9 437,4 17,3 82,7 100
Мд2+ 59,54 70,28 129,8 45,9 54,1 100
А1 51,99 2,069 54,06 96,2 3,8 100
Б1 713,5 27,06 740,6 96,4 3,6 100
Мп2+ 6,332 0,04031 6,373 99,4 0,6 100
Реобщ 223,4 0,7846 224,2 99,7 0,3 100
БО42- 6,258 104,7 110,9 5,6 94,4 100
НСОэ" 0 1485 1485 0 100 100
С1" 0,1468 14,66 14,8 0,99 99,01 100
N03" 19,71 1,082 20,79 94,8 5,2 100
Р04э" 17,28 0,2145 17,49 98,8 1,2 100
02 0 254,6 254,6 0 100 100
Лб 0,08756 6,72-10-3 0,09428 92,9 7,1 100
В 0,06696 0,2085 0,2755 24,3 75,7 100
Сг 0,2112 0,01333 0,2245 94,1 5,9 100
Си 0,4536 0,02219 0,4758 95,3 4,7 100
сс 8,213-10"3 5,152-10-4 8,728-10-3 94,1 5.9 100
Нд 1,7-10"4 5,746-10-3 5,916-10-3 2,9 97,1 100
РЬ 0,09184 0,01113 0,103 89,2 10,8 100
Бг 0,3863 5,824 6,21 6,2 93,8 100
гп 3,655-10"3 0,1385 0,1422 2,6 97,4 100
Со 0,05026 8,525-10-4 0,05112 98,3 1,7 100
и 0,02781 8,96-10-3 0,03677 75,6 24,4 100
V 0,1672 0,01081 0,178 93,9 6,1 100
Вг 0,02112 8,96-10-3 0,03008 70,2 29,8 100
РЬ 0,1803 7,168-10-3 0,1874 96,2 3,8 100
Мо 5,666-10"3 0,01474 0,02041 27,8 72,2 100
Сорг 64,9 46,69 111,6 58,2 41,8 100
^рг 5,408 3,586 8,994 60,1 39,9 100
Рорг 1,66 0,196 1,856 89,4 10,6 100
Борг 0,8905 0,6411 1,532 58.1 41,9 100
СО2 2,907 101,7 104,6 2,8 97,2 100
Т1 9,308 0 9,308 100 0 100
Всего 1413 2594 4007 35,2 64,8 100
Макроэлементы поступают с потоками "Поток из донных отложений " и "Приток озерных вод из Ушка-ньеостровского резервуара" (см. табл. 3).
Микроэлементы А1, Мп2+, Лб, Сг, Си, Сс1, Со, и, V,
Вг, РЬ, Т поступают с потоком из донных отложений. В, Нд, Бг и половина гп и Мо - с притоком озёрных вод из Ушканьеостровского резервуара. Кроме того, половина РЬ и гп приносится потоком "Аэрозоль".
Таблица 5
Приход, расход, содержание компонентов в Среднем резервуаре мегасистемы "Озеро Байкал"_
Содержание в водах резервуара Приход Расход
Компонент 109 г/год % от содержания в водах резервуара 109 г/год % от содержания
в водах озера
К+ 9895,647 118 1,2 118 1,2
Na+ 25501,65 147,3 0,6 147,3 0,6
Са2+ 113203,8 437,4 0,4 437,4 0,4
Мд2+ 21981,64 129,8 0,6 129,8 0,6
Л! 646,9986 54,06 8,4 54,06 8,4
а 8459,938 740,6 8,8 740,6 8,8
Мп2+ 12,64824 6,373 50,4 6,373 50,4
Реобщ 245,5554 224,2 91,3 224,2 91,3
SO42" 32757,81 143,3 0,4 110,9 0,3
ИСОэ" 464471,6 1641 0,4 1485 0,3
С!" 4585,332 23,31 0,5 14,8 0,3
N03" 338,548 20,79 6,1 20,79 6,1
N44 + 0 0,2962 0 0 0
Р04э" 67,11024 17,49 26,1 17,49 26,1
02 79653,7 113,2 0,1 254,6 0,3
ЛБ 2,10402 0,09428 4,5 0,09428 4,5
В 65,2947 0,2106 0,3 0,2755 0,4
Сг 4,169224 0,2245 5,4 0,2245 5,4
Си 6,940658 0,4758 6,9 0,4758 6,9
Сс1 0,1611633 8,623-10"3 5,4 8,728-10"3 5,4
нд 1,798952 7,309-10"3 0,4 5,916-10"3 0,3
РЬ 3,488743 0,103 3 0,103 3
Sr 1821,846 5,44 0,3 6,21 0,3
гп 43,34798 0,2776 0,6 0,1422 0,3
Со 0,2667553 0,05112 19,2 0,05112 19,2
и 2,80284 0,0362 1,3 0,03677 1,3
V 3,38908 0,178 5,3 0,178 5,3
Вг 2,80284 0,03008 12,2 0,03008 1,1
РЬ 2,242272 0,1874 8,4 0,1874 8,4
Мо 4,618257 0,0256 0,6 0,02041 0,4
Сорг 14607,91 111,6 0,8 111,6 0,8
^рг 1121,664 8,994 0,8 8,994 0,8
Р Рорг 61,30905 1,839 3 1,856 3
^рг 200,5644 1,532 0,8 1,532 0,8
С02 31810,6 72,37 0,2 104,6 0,3
Ti «-» 9,308 0 9,308 0
Всего 811576,9 4030,15 0,5 4007 0,5
Основное количество биогенных элементов и органических веществ поставляет поток из донных отложений. Велика роль аэрозоля и рек как источников привноса Сорг.
Пункты выноса компонентов в статье "Расход" (табл. 4, 6, 7): утилизация вещества в донные осадки с потоком в донные отложения и сток озёрных вод в соседние резервуары озера. С внутриводоёмными потоками в донные отложения поступают биогенные элементы, органические вещества, часть основных компонентов (катионов) и большая группа микроэлементов. В донных отложениях захоранивается пятая часть от поступившего с потоками в донные отложе-
ния вещества, остальное вещество возвращается с потоком из донных отложений (табл. 7). От всего поступающего в резервуар с внешней и внутренней нагрузками вещества в донных отложениях Среднего резервуара захоранивается около десятой части. Количество захороненного вещества в донных осадках резервуара рассчитывали как разницу между веществами в потоках: "Поток в донные отложения" и "Поток из донных отложений" (табл. 7).
Пункт расхода анионов основных компонентов -сток озёрных вод в другие резервуары озера. Пункты расхода катионов: поток в донные отложения и сток озёрных вод в другие резервуары. Микроэлементы Л!,
Мп, Лб, Сг, Си, Cd, РЬ, Со, и, V, Вг, РЬ, И уходят в донные отложения; В, Нд, Бг, гп, Мо - со стоком озёрных вод в Селенгинский резервуар. Биогенные элементы поступают в донные отложения. Из органических веществ Рорг целиком и половина Сорг, 1Морг, Борг уходят в донные отложения, оставшаяся половина Сорг, Иорг, Борг - в Селенгинский резервуар со стоком озёрных вод.
Среднемноголетняя годовая аккумуляция компо-
нентов в резервуаре рассчитана как разность масс этих компонентов в статьях "Внешний приход" (растворённое вещество и взвесь, приходящие с потоками: реки, речная взвесь, атмосферный аэрозоль, дождь + снег, подземные воды, минеральные воды, приток озёрных вод из Ушканьеостровского резервуара) и "Внешний расход" (растворённое вещество и взвесь, уходящие со стоком озёрных вод в Селенгин-ский резервуар) (табл. 7).
Таблица 6
Содержание основных, микро-, биогенных компонентов и органического вещества во внешних и внутренних потоках прихода и расхода в Среднем резервуаре оз. Байкал, %
Приход Расход
Приход внешний 100 Сток озерных вод 100
макрокомпоненты 88,3 макрокомпоненты 96
микроэлементы 0,8 микроэлементы 0,4
биогенные элементы 7,4 биогенные элементы 1,3
органические вещества 3,5 органические вещества 2,3
поток из донных отложений 100 поток в донные отложения 100
макрокомпоненты 19,4 макрокомпоненты 20,8
микроэлементы 5,1 микроэлементы 4,9
биогенные элементы 73 биогенные элементы 69,1
органические вещества 2,5 органические вещества 5,2
Таблица 7
Среднемноголетние годовые аккумуляция и захоронение количества вещества, _поступающего с потоками в Среднем резервуаре оз. Байкал_
Компонент Приход, 109г/год Аккумуляция в резервуаре Захоронение в донных отложениях резервуара
внешний общий (внешний + внутренний) 109 г/год % от внешнего прихода % от общего прихода 109 г/год % от внешнего прихода % от обще-го при-хода % от потока в донные отложения
К+ 32,99 118 1,342 4,07 1,14 1,342 4,07 1,137 1,554
N8+ 91,82 147,3 10,3 11,2 6,99 10,3 11,22 6,993 15,66
Са2+ 418,9 437,4 56,97 13,6 13 56,97 13,6 13,03 75,46
Мд2+ 76,34 129,8 6,056 7,93 4,66 6,056 7,93 4,664 10,17
А1 13,42 54,06 11,35 84,6 21 11,35 84,58 21 21,83
Б1 165,4 740,6 138,4 83,6 18,7 138,4 83,65 18,69 19,39
Мп2+ 1,83 6,373 1,789 97,8 28,1 1,789 97,8 28,08 28,25
Ре общ 26,55 224,2 25,77 97 11,5 25,77 97,05 11,5 11,54
БО42- 143,3 143,3 38,63 27 27 6,258 4,37 4,367 100
НС03- 1641 1641 155,9 9,5 9,5 0 0 0 0
сг 23,31 23,31 8,656 37,1 37,1 0,1468 0,6 0,6 100
N03" 9,125 20,79 8,043 88,1 38,7 8,043 88,14 38,68 40,81
NH4 + 0,2962 0,2962 0,2962 100 100 0 0 0 0
РО43" 3,091 17,49 2,876 93,1 16,4 2,876 93,06 16,44 16,65
Н 0,039 0 0,039 100 100 0 0 0 0
О2 113,2 113,2 0 0 0 0 0 0 0
ЛБ 0,0143 0,0943 0,0076 53,1 8,08 0,00763 53,14 8,082 8,7
В 0,1436 0,2106 0 0 0 0 0 0 0
Сг 0,025 0,2245 0,0117 46,8 5,22 0,01 46,8 5,223 5,553
Си 0,0759 0,4758 0,0537 70,8 11,3 0,05 70,77 11,29 11,84
Cd 4,10-10"4 8,623 10-3 0 0 0 0 0 0 0
Нд 7,31 -10"3 7,309 10"3 1,6-10"3 21,4 21,4 1,710"4 2,33 2,325 100
РЬ 0,07981 0,103 0,0686 86,1 66,7 0,0686 86,06 66,7 74,78
Бг 5,054 5,44 0 0 0 0 0 0 0
гп 0,2776 0,2776 0,1391 50,1 50,1 3,710"3 1,32 1,317 100
Со 3,3-10"а 0,05112 2,410"3 74,1 4,78 2,410"3 74,13 4,779 4,86
и 8,38-10-3 0,0362 0 0 0 0 0 0 0
V 0,02594 0,178 0,01513 58,3 8,5 0,0151 58,33 8,498 9,047
Вг 0,01127 0,03008 0,00231 20,5 7,7 0,00231 8,9 1,3 10,95
РЬ 9,9210-3 0,1874 2,7510-3 27,7 1,47 2,7510-3 27,73 1,467 1,525
Мо 0,0256 0,0256 0,0109 42,4 42,4 5,666 10-3 22,13 22,13 100
Сорг 91,53 111,6 44,84 49 40,2 44,84 48,99 40,18 69,09
Иорг 3,87 8,994 0,2845 7,35 3,16 0,2845 7,351 3,164 5,26
Рорг 0,1787 1,839 0 0 0 0 0 0 0
^рг 0,8768 1,532 0,2357 26,9 15,4 0,2357 26,88 15,39 26,47
С02 69,46 72,37 0 0 0 0 0 0 0
и 0,775 9,308 0,775 100 8,33 0,775 100 8,326 8,33
Всего 2932,7 4030,15 512,8 17,5 12,7 315,59 10,76 7,831 22,34
В Среднем резервуаре остаётся 513,2 тыс. т/год растворённого вещества и взвеси. Только компоненты B, Cd, Sr, U и Pорг имеют нулевой внешний баланс, остальные накапливаются в резервуаре. Места аккумуляции компонентов - анионы основных компонентов и микроэлементы Hg, Zn, накапливаются в водах. Катионы основных компонентов, биогенные компоненты, органическое вещество и микроэлементы Л1, Mn, As, Сг, Си, Pb, Co, V, Br, Rb, Mo, Ti накапливаются в донных отложениях, уходя с потоком в донные отложения и захораниваясь в них (см. табл. 7). Эти особенности химического баланса Среднего резервуара накладывают отпечаток на формирование донных отложений в резервуаре.
Часть компонентов в резервуаре мигрирует только одним способом - в растворённых формах, и легко выносится из резервуара. Остальные компоненты перемещаются в растворённой и твёрдой фазах с различным для каждого элемента соотношением. Соотношение крупнокластических и тонкодисперсных частиц и растворов в перемещении элемента в природных условиях было предложено Н.М. Страховым называть формой его миграции [5]. Скорость водной миграции компонентов в Среднем резервуаре позволяет определить место каждого элемента в миграционном ряду и разделить их на три группы (см. рис. 1, табл. 3, 4, 8):
- малоподвижные, или связанные компоненты Л1, а, Mn2+, Feобщ, NOз-, РO43-, Лб, Сг, Си, Cd, Pb, Со, и, V, Rb, Т Рорг перемещаются в виде растворённой и твёрдой фаз в пределах резервуара, основные пункты прихода и расхода - внутренняя нагрузка - поток из донных отложений и поток в донные отложения (вертикальная миграция внутри резервуара). Компоненты участвуют в химических круговоротах, переходя из взвешенных форм в растворённые и обратно, перемещаясь в нижние слои с потоками в донные отложения и с потоками из донных отложений в верхние слои вод резервуара. Эти компоненты не уходят за пределы резервуара, т.е. с точки зрения миграции являются практически неподвижными;
- частично выносимые, частично связанные компоненты К+, Са2+, N8+, Мд2+, В, Вг, Мо, Сорг, ^рг, Sорr перемещаются и в растворённой и в твердой фазе, относятся к умеренно подвижным, так как в статье "Расход" только часть их уходит из резервуара в растворённых формах со стоком озёрных вод (частичная горизонтальная миграция). Оставшееся вещество свя-
зывается и остаётся в резервуаре. Эти компоненты делятся на две подгруппы:
1) компоненты К+, N8+, Мд2+, В, Вг, Сорг, ^рг, Sорr, часть которых транзитна (горизонтальная миграция) и перемещается в растворённом виде, а оставшаяся часть участвует в химических круговоротах в резервуаре, т.е. переходит из твёрдых фаз в растворённые и обратно (вертикальное передвижение);
2) компоненты Са2+, Мо, часть массы которых находится в растворённой форме и проточна (горизонтальная миграция), а оставшаяся часть в виде взвеси поступает с потоком в донные отложения и захоранивается (перемещение на дно и захоронение);
- легкоподвижные - "транзитные" компоненты НС03-, SO42-, С1-, Нд, Sr, Zn, приходящие с внешней нагрузкой и уходящие со стоком озёрных вод в другие резервуары озера. Эти компоненты перемещаются в резервуаре только одним способом - в растворённых формах, и являются легко выносимыми из резервуара. Миграция этих элементов горизонтальная: в резервуар и из резервуара.
Все компоненты по скорости водной миграции в резервуаре и из резервуара (от минимальной к максимальной) образуют следующий ряд:
(Л1, а, Мп2+, Feо6щ , Р043-, Со, Rb, Т N0^, Лб, Сг, Си, Cd, РЬ, V, Рорг, и) ^ (К+, Вг, ^рг, Сорг, Sорг, N8+, Мд2+, В) ^ (Мо, Са2+) ^ ^г, S042-, Нд, Zn, С1-, НС0з-)
Вещество вод резервуара и стока озёрных вод в другие резервуары озера представляет собой две фазы - растворённое вещество + тонкодисперсная взвесь, находящиеся в химическом равновесии. В потоках в донные отложения вещество находится в твёрдой фазе, в потоках из донных отложений - в растворе. Вещество вод внешнего прихода находится в растворённом состоянии + тонко- и крупнодисперсная взвесь. При поступлении внешней и внутренней нагрузок в резервуар происходит взаимодействие поступившего вещества и вещества резервуара. Активные в отношении химического взаимодействия в водах резервуара компоненты вступают в реакции комплексо-образования, продукты этих реакций являются источником автохтонной взвеси. Следовательно, можно определить, какая часть из поступившего в резервуар вещества, находящегося в растворённой и твёрдой фазах, уйдет во взвесь и поступит с потоком в донные отложения, а какая останется в растворе, т.е. опреде-
лить соотношение форм миграции поступивших в цу, а компоненты в статье "Приход" - за неизвестное,
Средний резервуар компонентов - в твёрдой фазе или то можно рассчитать это соотношение
в растворе. Если компоненты, находящиеся в твёрдой (табл. 8). фазе, в потоке в донные отложения принять за едини-
Рис. 4. Пространственная миграция компонентов в водах Среднего резервуара: I - слабоподвижные компоненты, находятся в твёрдой и растворённой формах, передвижение "вниз - вверх" в пределах резервуара, связываются и накапливаются в донных отложениях и в водах, участвуют в химических круговоротах; II - умеренно подвижные, находятся в твёрдой и растворённой формах, частично выносятся со стоком озёрных вод из резервуара (частичная горизонтальная миграция), частично связываются и накапливаются: 1 - в донных отложениях и в водах, участвуют в химических круговоротах (передвижение "вниз - вверх");
2 - в донных отложениях, миграция на дно и захоронение; III - легкоподвижные, в резервуаре находятся в растворённой форме, выносятся со стоком озёрных вод из резервуара, горизонтальная миграция
Таблица 8
Способы миграции компонентов и соотношение твёрдых и растворённых фаз _при их перемещении в резервуаре и из резервуара_
Средний резервуар, 109 г/год
общий при-
ход (раство- сток озерных вод в Селенгинский поток из дон- поток в донные отложения (взвесь) вещество потока в донные отложения (взвесь): вещество статьи "Приход"
Компонент ренные вещества + тонко-и крупнодисперсная взвесь) резервуар (растворенные вещества + тонкодисперсная взвесь) ных отложений (растворенные вещества)
K+ 118 31,64 85,02 86,36 1 : 1,4
Na+ 147,3 81,52 55,46 65,76 1 : 2,2
Са2+ 437,4 361,9 18,52 75,5 1 : 5,8
Mg2+ 129,8 70,28 53,49 59,54 1 : 2,2
AI 54,06 2,069 40,64 51,99 1 : 1
Si 740,6 27,06 575,1 713,5 1 : 1
Mn2+ 6,373 0,04031 4,543 6,332 1 : 1
Р^общ 224,2 0,7846 197,6 223,4 1 : 1
SO42- 143,3 104,7 0 6,258 1 : 22,9
HCO3- 1641 1485 0 0 1 :1641
CI- 23,31 14,66 0 0,1468 1 : 159
NO3" 20,79 1,082 11,67 19,71 1 : 1,1
PO43- 17,49 0,2145 14,4 17,28 1 : 1
O2 113,2 254,6 0 0 1 : 113,2
As 0,09428 6,72-10-3 0,07994 0,08756 1 : 1,1
B 0,2106 0,2085 0,06696 0,06696 1 : 3,1
Cr 0,2245 0,01333 0,1994 0,2112 1 : 1,1
0,4758 0,02219 0,3999 0,4536 1 : 1,1
Cd 8,623 10-3 5,152-10-4 8,213-10-3 8,213-10-3 1 : 1,1
Hg 7,309-10-3 5,746-10-3 0 1,7-10-4 1 : 43
Pb 0,103 0,01113 0,02316 0,09184 1 : 1,1
Sr 5,44 5,824 0,3863 0,3863 1 : 14,1
Zn 0,2776 0,1385 0 3,655-10-3 1 : 76
^ 0,05112 8,525-10-4 0,04782 0,05026 1 : 1
U 0,0362 8,96-10-3 0,02781 0,02781 1 1,3
V 0,178 0,01081 0,1521 0,1672 1 1,1
Br 0,03008 8,96-10-3 0,0188 0,02112 1 1,4
Rb 0,1874 7,168-10-3 0,0188 0,1803 1 : 1
Mo 0,0256 0,01474 0 5,666-10-3 1 4,5
^рг 111,6 46,69 20,06 64,9 1 1,7
^рг 8,994 3,586 5,124 5,408 1 1,7
P горг 1,839 0,196 1,66 1,66 1 1,1
^рг 1,532 0,6411 0,6548 0,8905 1 1,7
72,37 101,7 2,907 2,907 1 : 24,9
9,308 0 8,533 9,308 1 : 1
Всего 4029,6 2594 1097 1413 1 : 2,9
2
Cредний резервуар проточен для HCO3-, SO4 -, а-, Hg, Sr, Zn, и является биогеохимическим барьером для части катионов основных компонентов, органического вещества, для биогенных элементов и целой группы микроэлементов.
В слабоминерализованных водах резервуара в комплексы не связываются только HCO3-, SO42-, О-,
Sr, Zn (являются инертными, в водах резервуара находятся в растворённых формах), тогда как все другие компоненты с разной степенью участия вступают в реакции комплексообразования. Поступившие с потоками в воды резервуара Si, Mn2+, Feо6щ , NO3-, РO43-, As, Cr, Cd, Pb, Co, U, V, Rb, Ti, Pорr связываются полностью, U, Br - на 70 %, Na+, Mg2+, Zn, Cорr, Nорr, Sорr - наполовину, B - третья часть, Mo и Ca2+
- связываются пятая и шестая части количества компонента (табл. 9, 10).
Основной источник активных компонентов - ком-плексообразователей - поток из донных отложений, где компоненты находятся в растворённом состоянии. Можно сказать, что эти компоненты задают тон "поведения" для компонентов в водах резервуара, вступая в химические взаимодействия с другими элементами, переходя в твёрдую фазу и способствуя переходу во взвешенную форму других элементов, образуя тем самым автохтонную взвесь, увлекая их в донные отложения, где часть их захоранивается, а оставшаяся часть в результате химических преобразований в растворённом состоянии возвращается в водную толщу, чтобы в очередной раз совершить "круг жизни", т.е. происходит марганцевожелезоалюмосиликатный ^п
- Fe - Al - Si) круговорот.
На основании вышеизложенного можно судить о геохимической устойчивости экосистемы "Средний резервуар" к загрязнению химическими элементами и органическим веществом, т.е. о способности экосистемы к выносу загрязнителей за её пределы или к их утилизации внутри экосистемы. Установлено, какие из элементов, попадающих в озеро с техногенным потоком, будут вынесены с течением времени за его пре-
делы, а какие закрепятся в резервуаре: будут утилизированы в донные осадки или связаны в водах, вызывая негативную реакцию биоты на изменение химического состава вод (табл. 9, 10).
Попавшие в резервуар при техногенном загрязнении инертные компоненты HCO3-, SO42-, О-, Hg, Sr, Zn будут находиться в резервуаре в растворённых формах и с течением времени со стоком озёрных вод уйдут в соседние резервуары. Среднее значение постоянной времени обмена вод для Среднего резервуара составляет около 287 лет [1]. Из-за низкого стока по сравнению с массами вод озера восстановление исходного качества вод будет длительным, но с течением времени система способна к восстановлению. Следовательно, экосистема "Средний резервуар" обладает упругой устойчивостью при техногенном попадании легкоподвижных (проточных) компонентов в воды резервуара. Эти компоненты можно отнести к четвёртому классу экологической опасности (табл. 11).
К третьему классу экологической опасности относятся умеренно подвижные компоненты, частично выносимые и частично уходящие с потоком в донные отложения и захоранивающиеся в них - Ca2+, Mo. Экосистема "Средний резервуар" способна сопротивляться изменению химического состава вод, возникающему вследствие попадания этих компонентов с техногенным стоком, путём утилизации их в донные осадки. Можно сказать, что в отношении этих компонентов экосистема обладает резистентной устойчивостью (табл. 11).
Группа "связанных" компонентов, участвующих в химическом круговороте, т.е. уходящих с потоком в донные отложения и возвращающиеся с потоком из донных отложений, в случае техногенных аварий с этими компонентами не будет утилизирована в донные отложения, как в обычных неглубоких континентальных озёрах, а с потоком из донных отложений, за исключением ничтожной захороненной части, вернётся обратно, вызывая вторичное заражение и накапливаясь в водах. Эти компоненты будут связаны и не
Таблица 9
Группировка компонентов по скорости водной миграции в Среднем резервуаре оз. Байкал
Группа Скорость миграции Компонент
I Слабоподвижные: связываются. Накопление в водах и донных отложениях резервуара А1, Б!, Мп2+, Реобщ , М03", Р043", Дб, Сг, Си, Сс1, Со, и, V, РЬ, И
II Умеренноподвижные: частично выносятся из резервуара со стоком озёрных вод, частично связываются, накопление: в водах и донных отложениях в донных отложениях К+, №+, Мд2, В, Вг , Сорг, IV Борг Са2+, Мо
III Легкоподвижные: выносятся из резервуара со стоком озёрных вод в другие резервуары НС03", бо42", Сг, Нд, Бг, гп
Таблица 10
Группировка компонентов по химической активности - способности к
комплексообразованию в водах Среднего резервуара оз. Байкал_
Группа Химическая активность Компоненты
I Активные А1, Б!, Мп2+, Реобщ , Ы03", Р043", Дб, Сг, Си, РЬ, СС, Со, и, V, РЬ, Рорг, Т!
II Умеренно активные К+, Ыа+, Са2+ , Мд2+, В, ВГ, Сорг, Морг , Борг, Мо
III Инертные НС03", Б042", С1", Нд, Бг, гп
Таблица 11
Группировка компонентов, поступающих в Средний резервуар оз. Байкал
с антропогенной нагрузкой, по классам экологической опасности_
Компонент Класс опасности
А1, Б!, Мп2+, Реобщ, Ы03", Р043", Дб, Сг, Си, СС, Со, и, V, РЬ, Т!, Рорг I
К+, Ыа+, Мд2, В, ВГ, Сорг, Морг, Борг II
Са2+, Мо III
НСО3", БО42", С1", Нд, Бг, гп IV
Таблица 12
Классы экологической опасности компонентов и прогноз их поведения в Среднем
резервуаре в случае воздействия антропогенной нагрузки на оз. Байкал_
Компонент Характеристика (класс экологической опасности и прогноз поведения) Компонент Характеристика (класс экологической опасности и прогноз поведения)
К+ У ВД II сс С ВД I
№+ У ВД II Нд Л IV
Са2+ У Д III РЬ У В II
Мд2+ У ВД II Бг Л IV
А1 С ВД I гп Л IV
Б! С ВД I Со С ВД I
Мп2+ с ВД I и с ВД I
^еобщ с ВД I V с ВД I
Б042" Л IV Вг У ВД II
НС03" Л IV РЬ с ВД I
С1" Л IV Мо У Д III
N03" с ВД I Сорг У ВД II
РО43" с ВД I Морг У ВД II
Дб с ВД I Рорг с ВД I
В У ВД II Борг У ВД II
Сг с ВД I Т! с ВД I
Си с ВД I
Примечание. С - слабоподвижные, накапливаются; У - умеренноподвижные, частично выносятся, частично накапливаются; Л - легкоподвижные, выносятся; В - накапливаются в водах; Д - накапливаются в донных отложениях; ВД - накапливаются в донных отложениях и водах. I, II, Ш, IV - классы экологической опасности.
попадут в другие резервуары, но будучи вовлечёнными в химический круговорот нарушат существующее химическое и биологическое равновесие и вызовут этим катастрофические изменения качества вод в резервуаре. В отношении этих компонентов - А1, Б!, Мп2+, Реобщ , N03", РО43", Дб, Сг, Си, СС, РЬ, Со, и, V, РЬ, Рорг, Т! и К+, Ма+, Мд2+, В, Вг, Сорг, Морг, Борг , экосистема неустойчива (не способна восстановить исходный химический состав вод), поэтому отнесём эти элементы к первому и второму классам экологической опасности (табл. 11).
Компоненты, поступающие в Средний резервуар оз. Байкал с антропогенной нагрузкой, сгруппированы по классам экологической опасности (табл. 11, 12).
Установление количественных характеристик химического баланса Среднего резервуара оз. Байкал позволило сделать следующие выводы.
Основное количество вещества в Средний резервуар поставляют следующие потоки: "Поток из донных отложений", "Приток озёрных вод из Ушканьеостров-ского резервуара".
Кроме внешних прихода и расхода вещества в резервуар и из резервуара также существуют большие внутренние нагрузки - поток из донных отложений (приносит 27% вещества статьи "Приход" резервуара) и поток в донные отложения (уносит 35% вещества статьи "Расход").
Утилизация вещества в донные отложения резервуара избирательная: с потоком в донные отложения поступают и частично в них захораниваются катионы основных компонентов, биогенные компоненты, органическое вещество и микроэлементы А1, Мп2+, Дб, Сг, Си, РЬ, СС, Со, и, V, РЬ, В, Вг, Мо, Т!. Захороненное вещество составляет 8% от вещества, пришедшего в резервуар с внешними и внутренним потоками, и 22% от вещества, поступившего с потоком в донные отложения.
В Среднем резервуаре остаётся 13% от поступившего в резервуар с общим приходом растворённого вещества и взвеси. Аккумулированное вещество составляют компоненты К+, Ма+, Са2+, Мд2+, Б!, Реобщ , N03", РО43", А1, Мп2+, Дб, Сг, Си, РЬ, Со, V, Вг, РЬ, Нд, гп, ВГ, МО, Т!, Сорг, Морг, Рорг, Борг.
В слабоминерализованных водах резервуара в комплексы не связываются только НС03", Б042", С1",
Нд, Бг, гп (являются инертными, в водах резервуара находятся в растворённых формах), тогда как все другие компоненты с разной степенью участия вступают в реакции комплексообразования. Поступившие с потоками в воды резервуара А1, Б!, Мп2+, Реобщ , Ю3", Р043", Дб, Сг, Си, СС, РЬ, Со, и, V, РЬ, Т!, Рорг связываются полностью, К+, и, Вг - около 70%. Ма+, Мд2+, гп, Сорг, Морг, Борг - наполовину, В - третья часть, Мо и Са2+ - пятая и шестая части от количества поступившего компонента.
Определён круг компонентов, совершающих химические круговороты в водах резервуара: К+, Ма+, Мд2+, А1, Б!, Мп2+, Рео6щ, Ю3", Р043", Дб, Сг, Си, СС, РЬ, Со, и, V, РЬ, Т!, В, Сорг, Морг, Рорг, Борг. Из них А1, Б!, Мп2+, Реобщ , Ю3", Р043", Дб, Сг, Си, СС, РЬ, Со, и, V, РЬ, Т!, Рорг, участвуют в химических круговоротах практически целиком, а К+, Ма+, Мд2+, В, Вг, Сорг, Морг, Борг - лишь частично.
Компоненты К+, Ма+, Са2+, Мд2+, А1, Б!, Мп2+, Реобщ , N03", РО43", Дб, Сг, Си, СС, В, Вг, гп, и, РЬ, Со, и, V, Мо, РЬ, Т!, Сорг, Nорг, Борг, Рорг находятся в водах резервуара в растворённой и взвешенной формах, а НС03", Б042", С1", Нд, Бг, гп - только в растворе.
Средний резервуар проточен для анионов основных элементов и микроэлементов Нд, Бг, гп и является биогеохимическим барьером для остальных компонентов.
При попадании химических элементов и органического вещества в озеро Байкал с техногенным стоком экосистема "Средний резервуар" обладает способностью восстанавливать исходный химический состав вод в отношении легкоподвижных выносящихся НС03" , Б042", С1", Нд, Бг, гп (четвёртый класс экологической опасности) и умеренно подвижных (частично выносятся, частично захораниваются) Са2+, Мо (третий класс экологической опасности). Экосистема геохимически неустойчива (не способна восстановить исходный химический состав вод) при попадании с техногенным стоком слабоподвижных, участвующих в биогеохимических круговоротах, накапливающихся в водах и донных отложениях К+, !а+, Мд2, В, Вг, Сорг, !орг, Борг (второй класс экологической опасности) и А1, Б!, Мп2+, Реобщ , Ю3", Р043", Дб, Сг, Си, СС, Со, и, V, РЬ, Т!, Рорг (первый класс экологической опасности).
1. Астраханцева О.Ю., Глазунов О.М. Водный баланс мега-системы «Озеро Байкал» // Вестник ИрГТУ. 2008. № 3 (35). С. 148"154.
2. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Выделение полуавтономных систем в озере Байкал // Вестник ИрГТУ. 2010. № 4 (44). С. 27"37.
3. Карпов И.К. Физико~химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск: Наука. 1981. 247 с.
4. Кулик Д.А., Чудненко К.В., Карпов И.К. Алгоритм физико~ химического моделирования эволюции системы локально~ равновесных резервуаров, связанных потоками подвижных групп фаз // Геохимия. 1992. № 6. С. 858~879.
Библиографический список
5. Страхов Н.М. Избранные труды. Общие проблемы геологии, литологии и геохимии. М.: Наука, 1983. 636 с.
6. Чудненко К.В. Теория и программное обеспечение метода минимизации термодинамических потенциалов для решения геохимических задач: дис. ... д~ра геол."минералог. наук. Иркутский гос. техн. ун~т. Иркутск, 2007. 385 с.
7. Шерстянкин П.П. Оптические структуры и фронты океанического типа на Байкале: дис. ... д~ра физ.~математич. наук (в форме научного доклада). ИО РАН. М., 1993. 37 с.
8. Шерстянкин П.П., Куимова Л.Н. Термобарическая устойчивость и неустойчивость глубоких природных вод озера Байкал // Доклады АН СССР. 2002. Т. 385. № 2. С. 247"251.
