CC BY
25
УДК 550.84 (571.53)
ХИМИЧЕСКИЙ БАЛАНС УШКАНЬЕОСТРОВСКОГО 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 Ушканьеост-ровского 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 растворённых формах), тогда как все другие компоненты с разной степенью участия вступают в реакции комплексообразования. Определён круг компонентов, совершающих химические круговороты в водах резервуара. Установлена геохимическая устойчивость экосистемы «Ушканьеостровский резервуар» к химическим элементам и органическому веществу, попадающему в резервуар с техногенным стоком. Ил. 1. Табл. 12. Библиогр. 14 назв.
Ключевые слова: стационарная система; Ушканьеостровский резервуар; оз. Байкал; мегасистема; потоки; химический баланс; экосистема; геохимическая устойчивость.
CHEMICAL BALANCE OF THE USHKANYEOSTROVSKY 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 Ushkan Islands (Ushkanyeostrovsky) 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 reservoir waters is outlined. Geochemical stability of the ecosystem "Ushkan Islands Reservoir" to the chemical elements and organic matter entering the reservoir with a technogenic flow is determined. 1 figure. 12 tables. 14 sources.
Key words: steady-state system; Ushkan Islands (Ushkanyeostrovsky) Reservoir; lake Baikal; megasystem; flows; chemical balance; ecosystem; geochemical stability.
Важнейшая теоретическая проблема гидрогеохимии - изучение механизма процессов формирования химического состава природных вод континентальных водоёмов, а также прогнозирование качества вод при различных режимах их эксплуатации.
Цель наших исследований - создание имитационных моделей процессов формирования химического состава природных вод оз. Байкал методами компьютерного физико-химического моделирования. Средство для такого исследования существует - алгоритм физико-химического моделирования эволюции систе-
мы локально-равновесных резервуаров, связанных потоками подвижных групп фаз [9, 11] с положенной в его основу теорией стабильных стационарных мегаси-стем [8] и универсальный инструмент для решения широкого круга задач физико-химического моделирования - программный комплекс «Селектор». Учитывая, что исследования физико-химических свойств системы «оз. Байкал - окружающая среда (потоки)» методом компьютерного физико-химического моделирования ещё никем ранее не проводились, перед исследователями была поставлена задача создания
1Астраханцева Ольга Юрьевна, младший научный сотрудник лаборатории физико-химического моделирования, тел.: (3952) 425512, е-mail: astra@igc.irk.ru
Astrakhantseva Olga, Junior Research Worker of the Laboratory of Physico-Chemical Modeling, tel.: (3952) 425512, e-mail: astra@igc.irk.ru
2Чудненко Константин Вадимович, доктор геолого-минералогических наук, заведующий 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.
принципов и методов подхода к формированию компьютерных физико-химических моделей системы «оз. Байкал - окружающая среда (потоки)». В связи с этим были поставлены следующие задачи:
1) провести рациональное районирование - выделить равновесные системы в оз. Байкал, то есть районы (резервуары) со стабильными физико-химическими параметрами (температурой, давлением, химическим составом), обменивающиеся потоками вещества и энергии;
2) создать водную балансовую модель всех потоков и систем мегасистемы «Озеро Байкал»;
3) составить информационную модель для объектов исследования: установить состояние природного фона систем и потоков мегасистемы «Озеро Байкал» в отрезок времени, предшествующий активным антропогенным нагрузкам;
4) рассчитать химические балансы всех резервуаров и потоков мегасистемы «Озеро Байкал»; создать базы данных количества вещества в системах и потоках в г/год и моль/год.
Была разработана блок-схема этапов формирования компьютерной физико-химической модели оз. Байкал [3].
Согласно постулатам химической термодинамики, стабильные свойства внутренней среды системы (температура, давление, химический состав вод, масса) можно определить только в состоянии её химического и термического равновесия [14]. В такой открытой системе, как оз. Байкал, признаком равновесного состояния его вод является их термическое равновесие. Известна модель термодинамической мегасистемы В.И. Верболова с соавторами, которые впервые применили подход к оз. Байкал как к мегасистеме, состоящей из районов - систем с индивидуальными стабильными термическими характеристиками [7]. Эту методологию мы и взяли за основу [3].
Было определено геохимическое состояние внутренней среды систем (поверхностных, прибрежных, глубинных, придонных вод пяти резервуаров озера) мегасистмы «Озеро Байкал» [3]. Определён их равновесный фазовый и компонентный состав. Во взятой за основу многорезервуарной термодинамической модели оз. Байкал, по методу термодинамического анализа водных минеральных систем Р. Гаррелза [14], через физико-химические параметры проведена оценка геохимического состояния систем оз. Байкал. Рассчитанные химические равновесные модели поверхностных, прибрежных, глубинных и придонных вод пяти резервуаров оз. Байкал показали, что характеристики геохимических сред - общая минерализация, характеристики кислотно-основных и окислительно-восстановительных состояний, а также концентрации форм нахождения компонентов - в этих водах являются индивидуальными для каждого резервуара. По физико-химическим условиям формирования новообразованного вторичного вещества и характеру геохимической среды оз. Байкал является многорезервуар-ной системой.
Морфология озера - сложный рельеф дна и, соответственно, перепады глубин - определяет своеоб-
разие и особенности гидродинамических процессов, градиентов температуры, давления, интенсивности водообмена, количества вещества и характер геохимической среды вод в пяти его резервуарах: Южном, Селенгинском, Среднем, Ушканьеостровском, Северном. Сложный рельеф дна является тем фактором, который определяет различие физических и химических процессов в водах и донных отложениях оз. Байкал по его акватории в резервуарах.
Озеро Байкал - динамическая мегасистема, работающая в стационарном режиме (постоянство своего неравновесного состояния), состоящая из равновесных термодинамических систем со стабильными физико-химическими характеристиками. Модель степени протекания процесса в глобальной мегасистеме «оз. Байкал - потоки» представляется как совокупность последовательно связанных потоками водного раствора реакторов - резервуаров [3]. Стабильность мегасистемы обусловлена локальным равновесием в системах (поверхностные, прибрежные, глубинные, придонные воды) пяти резервуаров оз. Байкал. Объект нашего исследования - мегасистема «оз. Байкал -окружающая среда (потоки)» - совокупность геохимических процессов, происходящих в результате обмена энергией при взаимодействии вещества вод резервуаров оз. Байкал и вещества входящих и выходящих потоков (аэрозоль, дождь+снег, реки, речная взвесь, подземные воды, минеральные воды) в открытых системах - участках с локально-временным равновесием. Стационарных систем (параметры которых не менялись бы со временем) в природе не бывает, но можно выбрать интервал времени, в течение которого система может считаться стационарной, т.е. обладающей временной стационарностью. Годичный цикл климатических характеристик окружающей среды, в которой находится объект нашего исследования (оз. Байкал), обуславливает выбор единицы меры времени - 1 год - время периодически повторяющихся процессов. Следовательно, системы «резервуар оз. Байкал - потоки» сохраняют во времени свои среднегодовые физико-химические характеристики стабильными. Самая твёрдая величина - среднемноголетнее содержание компонентов в системах и потоках мегасистемы «оз. Байкал - потоки», является тем самым, нужным нам термодинамическим параметром (химическим составом) данной системы. Для получения среднемноголетних общих количеств компонентов в системах и потоках оз. Байкал разработана методика расчёта среднемноголетнего химического состава независимых компонентов в потоках и системах для физико-химической модели «Озеро Байкал» [3] и созданы базы данных потоков и систем для каждого резервуара [1, 2].
Рассчитаны морфометрические характеристики резервуаров оз. Байкал [4], оценена интенсивность водообмена в резервуарах и водные балансы потоков, впадающих и вытекающих из резервуаров [5], оценена внутренняя нагрузка - потоки из донных отложений и потоки в донные отложения в резервуарах [6].
На данном этапе исследований необходимо установить количественные характеристики химического
баланса Ушканьеостровского резервуара оз. Байкал.
Используя уравнение т = С * V, где m - 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) Ушканьеостровского резервуара оз. Байкал (табл. 1).
Для расчёта химического баланса потоков, впадающих и вытекающих из резервуара, необходимо знать составляющие приходной и расходной частей. Потоки, составляющие статью «Приход» в резервуаре: внешние потоки - подземные воды, минеральные
воды, атмосферные осадки, атмосферный аэрозоль, приток озёрных вод из Северного резервуара озера; внутренняя нагрузка - поток из донных отложений. Статью «Расход» составляют: поток в донные отложения, сток озёрных вод в Средний резервуар озера. 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 Ушканьеостровский резервуар составляет 1971,58 тыс. т/год (см. табл. 2), а из резервуара со стоком озёрных вод и потоком в донные отложения
Количество вещества в системах Ушканьеостровского резервуара мегасистемы «Озеро Байкал»
Таблица 1
Компонент Ушканьеостровский резервуар, 109г/год
поверхностные воды прибрежные воды глубинные воды придонные воды все воды
К+ 1134,54 127,82 1150,5 356,4 2769,256
№+ 2269,08 383,68 3453,47 1069,2 7175,429
Са2+ 9504 1749 15742,6 6296,401 33291,99
Мд2+ 2049,3 379,5 3267,33 1306,8 7002,93
А1 55,539 10,285 92,5744 37,026 195,4244
Б1 757,795 140,333 1263,12 505,197 2666,445
Мп2+ 0,7128 0,132 1,18812 0,4752 2,50812
Реобщ 20,493 3,795 34,1585 13,662 72,10845
Б0„2- 3267 605 4079,01 1702,8 9653,807
НСОз- 39331,8 7283,66 65559,6 26221,17 138396,1
С1- 594 110 495,05 198 1397,05
ИОз- 37,6752 6,97689 62,7983 25,11679 132,5672
Р043- 6,33925 1,17393 10,5665 4,226163 22,30582
02 4478,76 289,85 7465,35 4076,582 16310,55
аб 0,1782 0,033 0,29703 0,1188 0,62703
В 5,53014 1,0241 9,21783 «-»* 15,77207
Сг 0,3267 0,0605 0,544555 0,2178 1,149555
Си 2,079 0,385 3,46535 1,386 7,31535
Сс1 0,016038 0,00297 2,673-10-2 0,010692 0,0564327
Нд 0,19008 0,0352 0,316832 0,12672 0,668832
РЬ 0,27324 0,0506 0,455446 0,18216 0,961446
Бг 162,756 30,14 271,287 108,504 572,6874
гп 3,6828 0,682 6,13862 2,4552 12,95862
Со 0,024948 0,00462 4,158х10-2 0,016632 0,0877842
и 0,27324 0,0506 0,455446 0,18216 0,961446
V 0,27324 0,0506 0,455446 0,18216 0,961446
Вг 0,1426 0,0264 0,2376 0,095 0,5016
РЬ 0,227799 0,042185 0,379703 0,151866 0,8015534
Мо 0,42174 0,0781 0,702971 0,28116 1,483971
Сорг 706,86 130,9 1178,22 471,24 2487,219
Морг 83,16 15,4 138,614 55,44 292,614
Рорг 4,6332 0,858 7,72278 3,0888 16,30278
Борг 9,64062 1,7853 16,0693 6,42708 33,92232
С02 1565,19 407,733 5346,54 2028,84 9348,304
Всего 66052,91 11680,55 109658,5 44492 231883,8
*Здесь и далее «-» - нет данных.
уходит 2035 тыс. т/год растворённого вещества и взвеси (см. табл. 5). Некоторое расхождение количества компонентов в статье «Расход» с количеством компонентов в статье «Приход» не выходит за пределы погрешности методов определения компонентов.
В целом ряде потоков, впадающих в резервуар, отсутствуют данные по количеству 02 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 биологиче-
ском круговоротах вещества в резервуаре, показано в табл. 1.
Расчёт химического баланса Ушканьеостровского резервуара оз. Байкал позволил также установить, кроме внешних прихода и расхода вещества в резервуар и из резервуара, существование больших внутренних нагрузок, которые ранее при попытках расчёта химического баланса оз. Байкал не учитывались -потока из донных отложений, приносящего 17,5% вещества статьи «Приход» резервуара, и потока в донные отложения (уносит 18% вещества статьи «Расход»).
Таблица2
Среднемноголетнее годовое содержание химических веществ в потоках, впадающих в Ушканьеостровский резервуар мегасистемы «Озеро Байкал» (внешняя и внутренняя нагрузка)
Потоки, впадающие в Ушканьеостровский резервуар озера Байкал, 109г/год
Компонент
аэрозоль
дождь+ снег
минеральные воды
приток озерных вод из Северного резервуара
поток из донных отложений
суммарный приход
К+
0,678
0,18
4,1410
15,32
16,6
32,8
№+
0,114
0,585
6,52
10"'
44,7
14,42
59,88
Са
2+
1,26
1,82
10"
225,20
14,45
242,91
Мд
0,36
0,189
4,53
10-'
36,3
10,72
47,56
Л!
1,87
3,87-10"
1,66
10"
0,77
14,67
17,35
а
2+
4,89
0,353
1,15
10"
16,59
204,8
226,62
Мп
1,54-10"
3,42-10"
1,04-10
0,02
1,34
1,38
Ре,
!общ
2,03
1,26-10"
0,51
55,92
58,46
Б04
8,28
1,17
0,039
70,01
79,5
НСО,
4,46
5,49-10"
958,4
962,9
С!-
0,12
0,675
1,86-10"
9,1
0,03
9,95
N03
1,24
0,351
0,87
2,83
5,29
N44
0,144
0
0,14
РО4
1,049
0,009
1,54-10
0,1399
3,197
4,395
2,23-10"
«-»
-»
0
0,022
О2
4,74
114,31
119,05
ЛБ
2,47-10"
3,6-10
7,77-0
0,0045
-4
0,017
0,023
«-»
2,07-10
0,141
0,015
0,156
Сг
1,73-10"
2,52-10"
4,66
10-6
0,0083
0,1282
0,138
Си
«-»
3,6-10"
1,04
10"
0,019
0,177
0,199
Сс1
6,37-10
7,88-10"
7,15-10
нд
«-»
1,53-10
4,09
10"
1,501-10"
3,73-10
1,69-10"
РЬ
0,035
9-10
5,18
10-6
5,50-10"
0,013
0,054
Бг
«-»
-2
3,15-10
6,53
10-'
4,154
0,085
4,24
гп
8,29-0
-3
3,87-10
2,59
10"
0,085
0,067
0,238
Со
1,24-0
5,4-10
5,18
10-6
6,716-10-'
0,0176
0,0195
6,19-10
7,83- 10ч
«-
6,97-10"
5,49-10"
0,013
V
6,19-10"
1,8-10"
6,22
10-6
8,58 - 10"
0,112
0,129
Вг
0
9 - 10"
4,87
10
2,88 - 10"
4,63 - 10"
8,09 -10"
РЬ
2,17-10"
9 - 10-6
3,32
10"
5,91- 10"
0,028
0,036
Мо
2,7x10
2,85
10-6
-3
0,012
0,014
0,027
С
орг
2,52
6,99 10
35,08
58,46
"орг
0,225
2,468
0,564
3,25728
орг
9,23 -10"
0,125
0,274
0,408
-'орг
3,46 -10"
-»
0,482
0,516
С02
31,81
0,638
32,44463
И
3,003
3,003
Всего
48,4
12,22
0,202
1566,657
344,12
1971,579
2
«-»
0
0
0
-»
+
0
0
-»
3
н
0
0
«-»
-»
В
«-»
«-»
«-
»
«-»
и
»
0
-»
-»
0
«-»
-»
«-»
-»
«-»
Поток из донных отложений приносит половину К+, является основным поставщиком биогенных элементов, фосфора органического, группы микроэлементов А1, Mn2+, As, Cr, Си, Co, V, Rb, Ti, и, Br и Mo (табл. 3, 6). Поток в донные отложения уносит биогенные элементы, фосфор органический, треть остального органического вещества, половину К+, микроэлементы А1, Mn2+, As, Сг, Си, Pb, Co, V, Rb, Т около половины Zn, и, Cd и Mo (табл. 5).
В отличие от качественного состава внешней
нагрузки, более 90% которой составляют макрокомпоненты, внутренняя нагрузка - поток из донных отложений и поток в донные отложения - на 85% состоит из биогенных элементов, микроэлементов и органического вещества (см. табл. 6).
Таким образом, в водах Ушканьеостровского резервуара большая группа компонентов совершает биогеохимические круговороты в резервуаре и находится в растворённых и взвешенных формах: К+, Na+,
Таблица 3
Среднемноголетнее годовое содержание химических веществ в потоках, впадающих в Ушканьеостровский резервуар мегасистемы «Озеро Байкал» (внешняя и внутренняя нагрузка)
Компонент Потоки, впадающие в Ушканьеостровский резервуар озера Байкал, %
аэрозоль дождь+ снег минеральные воды приток озерных вод из Северного резервуара поток из донных отложений суммарный приход
К+ 2,07 0,549 1,26-10"3 46,7 50,6 100
Na+ 0,19 0,977 0,109 74,6 24,1 100
Ca2+ 0,821 0,519 7,51 -10"4 92,7 5,95 100
Mg2+ 0,758 0,397 9,53-10"4 76,3 22,5 100
А1 10,7 0,222 9,51 -10"3 4,44 84,6 100
Si 2,15 0,155 5,06-10"3 7,29 90,4 100
Мп2+ 1,11 0,248 7,51 -10"4 1,61 97 100
Реобщ 3,47 2,1510"3 0 0,866 95,7 100
SO42" 10,4 1,47 0,049 88,1 0 100
НС03" 0 0,463 5,7-10"3 99,5 0 100
С1" 1,21 6,78 0,187 91,5 0,324 100
N03" 23,1 6,56 0 16,3 54 100
N44+ 0 100 0 0 0 100
РО43" 23,9 0,2 3,5-10"5 3,2 72,7 100
Н 100 0 0 0 0 100
О2 3,98 0 0 96 0 100
As 10,3 0,015 0,032 18,9 70,8 100
В 0 0 0,133 90,5 9,42 100
Сг 1,25 1,81 • 10"2 3,36-10"3 6 92,7 100
Си 0 1,8 5,19-10"3 9,46 88,7 100
Cd 0 0 0 81,7 18,3 100
Нд 0 9,04 0,024 88,7 2,21 100
РЬ 64,4 1,65 9,52-10"3 10,1 23,8 100
Sr 0 7,43-10"3 0,015 98 2 100
Zn 34,8 0,163 0,0109 35,6 29,4 100
Со 6,34 2,77-10"2 0,0265 3,44 90,2 100
и 4,57 5,79-10"2 0 51,5 43,8 100
V 4,76 1,38 4,78-10"3 6,6 87,3 100
Вг 0 1,11 6,02 35,6 57,3 100
Rb 5,9 2,45-10"2 0,0903 16,1 77,9 100
Мо 0 0,991 0,0105 45,7 53,3 100
Сорг 35,7 4,31 0 60 0 100
Nорг 0 7,4 0 81,2 11,4 100
Рорг 0 2,4 0 32,3 65,3 100
Sорг 0 6,7 0 93,3 0 100
СО2 0 0 0 98 1,97 100
Ti 0 0 0 0 100 100
Всего 2,45 0,619 9,89-10"3 79,5 17,5 100
Мд2+, Л!, а, Мп2+, Реобщ, N0:3-, Р043-, Лб, Сг, Си, СС, РЬ, ¿п, Со, и, V, Вг, РЬ, Мо, И, Рорг, Nорг. 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.
Из поступивших с потоком в донные отложения компонентов целиком захораниваются Сорг, Борг, около половины Р043-, СС, РЬ, ¿п, ^рг, третья часть N0^, остальное поступившее вещество частично захоранивается, а в основном возвращается обратно с потоками из донных отложений (табл. 7).
Известна схема динамических условий вихре- и фронтогенеза в области прибрежных течений на Байкале [12, 13]. Используя эту схему, можно представить, как речная взвесь, попадая в область фронтоге-неза, 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 вместе преобразования, 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 (6% от количества вещества, поступающего с потоком в донные отложения, или 1% от общего прихода (см. табл. 7)), а в основном переходят в растворённые формы, которые через зоны апвеллинга опять попадают в глубинные и поверхностные воды, то есть идёт постоянный круговорот этих веществ.
Для оценки вклада каждого из потоков в поступление и расход компонентов в Ушканьеостровском 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 скорость миграции компонентов в резервуаре. Основные источники вещества (потоки) в Ушканьеостровском резервуаре: поток из донных отложений, приток озёрных вод из Северного резервуара. Пункты расхода компонентов: поток в донные отложения, захоронение и сток озёрных вод в Средний резервуар.
Основное количество анионов и катионов основных компонентов поступает с потоком «Приток озёрных вод из Северного резервуара». Поток из донных отложений приносит половину К+ (см. табл. 3).
Микроэлементы Л!, Мп2+, Лб, Сг, Си, Со, V, РЬ, И, половина и, Вг, Мо и третья часть ¿п, пятая часть СС поступают с потоком из донных отложений; В, Нд, Бг, Вг, больше половины СС, половина и, Вг, Мо и третья часть ¿п - с притоком озёрных вод из Северного ре-
зервуара. Кроме того, половина РЬ и третья часть ¿п приносится потоком «Аэрозоль».
Основное количество биогенных элементов поставляет поток из донных отложений. Велика роль потока «Аэрозоль» в поставке N03 и Р043- (пятая часть от прихода).
Основное количество органического фосфора поступает с потоком из донных отложений. Остальное органическое вещество в основном поступает с потоком «Приток озёрных вод из Северного резервуара». Велика роль аэрозоля как источника привноса Сорг.
Пункты выноса компонентов в статье «Расход» (см. табл. 4): 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 массы основного компонента - К+ и большая группа микроэлементов (Л!, Мп2+, Лб, Сг, Си, СС, РЬ, ¿п, Со, и, V, РЬ, И). В донных отложениях захоранивается 6% от поступившего с потоками в донные отложения вещества, остальное вещество возвращается с потоком из донных отложений (см. табл. 7). От всего поступающего в резервуар с внешней и внутренней нагрузками вещества в донных отложениях Ушканьеостровского резервуара захоранивается 1%. Количество захороненного вещества в донных осадках резервуара рассчитывали как разницу между массами компонентов в потоках: «Поток в донные отложения» и «Поток из донных отложений» (см. табл. 7).
Пункт расхода анионов основных компонентов -сток озёрных вод в другие резервуары озера. Пункты расхода катионов: сток озёрных вод в другие резервуары и поток в донные отложения. Микроэлементы Л!, Мп2+, Лб, Сг, Си, РЬ, Со, и, V, РЬ, И, половина СС, ¿п, и и Мо уходят в донные отложения; В, Нд, Бг, половина СС, ¿п, и и Мо - со стоком озёрных вод в Средний резервуар. Биогенные элементы уходят с потоком в донные отложения. Из органических веществ основная часть Рорг и третья часть остального органического вещества уходят с потоком в донные отложения, оставшееся органическое вещество - со стоком озёрных вод в Средний резервуар оз. Байкал.
Среднемноголетняя годовая аккумуляция компонентов 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 Северного резервуара) и «Внешний расход» (растворённое вещество и взвесь, уходящие со стоком озёрных вод в Средний резервуар) (см. табл. 7).
В Ушканьеостровском резервуаре остаётся около 5% от внешнего годового прихода растворённого вещества и взвеси (см. табл. 7). Основные компоненты, кроме Б042-, и микроэлементы В, Си, Нд, Бг, Вг имеют нулевой внешний баланс, небольшой процент от прихода остальных компонентов - Б042-, Л!, Б1, Мп2+, Реобщ , N0^, Р043-, Лб, Сг, СС, РЬ, ¿п, Со, и, V, РЬ, Мо, Сорг, ^рг, Рорг, Борг - накапливается в резервуаре. Места
аккумуляции: сульфатный анион и половина от при-
резервуара накладывают отпечаток на формирование донных отложений в резервуаре.
Часть компонентов в резервуаре мигрируют только одним способом - в растворённых формах - и выносятся из резервуара со стоком озёрных вод.
Таблица 4
Содержание компонентов в пунктах статьи «Расход» для Ушканьеостровского резервуара мегасистемы «Озеро Байкал»
шедших Сорг, Борг накапливаются в водах, остальные компоненты и половина Сорг, Борг уходят с потоком в донные отложения и захораниваются в них. Эти особенности химического баланса Ушканьеостровского
Компонент Расход компонентов в Ушканьеостровском резервуаре
109 г/год %
потоки компонентов в донные отложения сток озерных вод в другие резервуары суммарный расход потоки компонентов в донные отложения сток озерных вод в другие резервуары суммарный расход
К+ 16,6 20,14 36,73 45,2 54,8 100
№+ 14,42 52,15 66,57 21,7 78,3 100
Са2+ 14,45 242 256,4 5,63 94,4 100
Мд2+ 10,72 50,9 61,62 17,4 82,6 100
А1 15,93 1,42 17,35 91,8 8,19 100
а 207,24 19,38 226,6 91,4 8,55 100
Мп2+ 1,36 1,82 - 10"2 1,38 98,7 1,32 100
Реобщ 57,93 0,5241 58,46 99,1 0,897 100
Б042" 1,37 70,13 71,51 1,92 98,1 100
ИСОэ" 0 1006 1006 0 100 100
С!" 3,22-10"2 10,14 10,17 0,317 99,7 100
N03 4,33 0,9636 5,289 81,8 18,2 100
Р043" 4,23 0,1621 4,395 96,3 3,69 100
02 0 102,2 102,2 0 100 100
аб 1,92-10"2 4,56 - 10"3 2,38 - 10"2 80,8 19,2 100
В 0,0147 0,1414 0,156 9,41 90,6 100
Сг 0,13 8,356- 10"3 0,138 94 6,04 100
Си 0,177 5,317- 10"2 0,2302 76,9 23,1 100
Cd 3,05-10"4 4,102 - 10"4 7,154 - 10"4 42,7 57,3 100
нд 3,73-10"5 4,861- 10"3 4,9 -10"3 0,761 99,2 100
РЬ 4,734-10"2 6,988- 10"3 5,432- 10"2 87,1 12,9 100
Бг 8,478-10"2 4,163 4,247 2 98 100
гп 0,1436 9,419 - 10"2 0,2378 60,4 39,6 100
Со 0,0189 6,381- 10"4 1,954- 10"2 96,7 3,27 100
и 6,104 -10"3 6,988- 10"3 1,309- 10"2 46,6 53,4 100
V 0,1219 6,988- 10"3 0,1289 94,6 5,42 100
Вг 4,635-10"3 0,0036 0,008235 56,3 43,7 100
РЬ 3,052-10"2 5,826- 10"3 3,635- 10"2 84 16 100
Мо 1,639-10"2 1,079- 10"2 2,718 - 10"2 60,3 39,7 100
Сорг 11,3 18,08 29,38 38,5 61,5 100
^рг 1,13 2,127 3,257 34,7 65,3 100
Рорг 0,2892 0,1185 0,4077 70,9 29,1 100
Борг 0,1551 0,2466 0,4017 38,6 61,4 100
С02 0,6381 67,98 68,62 0,93 99,1 100
и 3,003 0 3,003 100 0 100
Всего 366 1669 2035 18 82 100
Таблица 5
Приход, расход, содержание компонентов в Ушканьеостровском резервуаре мегасистемы «Озеро Байкал»_
Компонент Содержание в водах резервуара Приход Расход
109 г/год % от содержания в водах резервуара 109 г/год % от содержания в водах озера
К+ 2769,256 32,8 1,25 36,733 1,33
№+ 7175,429 59,88 0,836 66,573 0,928
Са2+ 33291,99 242,91 0,743 256,43 0,77
Мд2+ 7002,93 47,56 0,784 61,615 0,88
***Д| 195,4244 17,35 8,9 17,353 8,88
а 2666,445 226,62 8,52 226,62 8,5
Мп2+ 2,50812 1,38 55 1,3801 55
Р^общ 72,10845 58,46 81,1 58,457 81,1
бо42- 9653,807 79,5 0,814 71,506 0,741
нсо3- 138396,1 962,9 0,673 1005,9 0,727
С1- 1397,05 9,95 0,703 10,173 0,728
ИОз- 132,5672 5,29 4,01 5,2893 3,99
1ЧН4 + «-» 0,14 0 0 0
РО43- 22,30582 4,395 19,7 4,395 19,7
Н «-» 0,022 0,1 0 0
О2 16310,55 119,05 0,708 102,2 0,626
Лб 0,62703 0,023 3,81 2,377-10-2 3,79
в 15,77207 0,156 0,875 0,1561 0,99
Сг 1,149555 0,138 12,1 0,1384 12
Си 7,31535 0,199 2,71 0,2302 3,15
Cd 0,0564327 7,15-10-4 1,29 7,154-10-4 1,27
Нд 0,668832 1,69-10-3 0,224 4,899-10"3 0,732
РЬ 0,961446 0,054 5,67 5,432-10-2 5,65
Бг 572,6874 4,24 0,718 4,247 0,742
гп 12,95862 0,238 1,86 0,2378 1,83
Со 0,0877842 0,0195 22,3 1,954-10-2 22,3
и 0,961446 0,013 1,39 1,309-10-2 1,36
V 0,961446 0,129 13,4 0,1289 13,4
Вг 0,5016 8,09-10-3 1,6 8,235-10-3 1,6
РЬ 0,8015534 0,036 4,56 3,635-10-2 4,53
Мо 1,483971 0,027 1,85 2,718-10-2 1,83
Сорг 2487,219 58,46 2,37 29,38 1,18
1^орг 292,614 3,25728 1,14 3,257 1,11
Р Рорг 16,30278 0,408 2,52 0,4077 2,5
Борг 33,92232 0,516 1,54 0,4017 1,18
СО2 9348,304 32,44463 0,308 68,62 0,734
и «-» 3,003 0 3,003 0
Всего 231929,3 1971,579 0,839 2035 0,878
Таблица 6
Содержания основных, микро-, биогенных компонентов и органического вещества во внешних и внутренних потоках прихода и расхода в Ушканьеостровском резервуаре оз. Байкал, %
Приход Расход
Приход внешний 100 Сток озерных вод 100
основные компоненты 93,4 основные компоненты 96,8
микроэлементы 0,5 микроэлементы 0,4
биогенные элементы 1,9 биогенные элементы 1,4
органические вещества 4,2 органические вещества 1,37
поток из донных отложений 100 поток в донные отложения 100
основные компоненты 16,4 основные компоненты 15,76
микроэлементы 5,8 микроэлементы 5,7
биогенные элементы 77,6 биогенные элементы 74,93
органические вещества 0,2 органические вещества 3,5
Si, Mn2+, Fe,
Остальные компоненты перемещаются в растворённой и твёрдой фазах с различным для каждого элемента соотношением. Соотношение крупнокласти-ческих и тонкодисперсных частиц и растворов в перемещении элемента в природных условиях было предложено Н.М. Страховым называть формой его миграции [10]. Скорость водной миграции компонентов в Ушканьеостровском резервуаре позволяет определить место каждого элемента в миграционном ряду и разделить их на три группы (рисунок, табл. 3, 4, 8):
- малоподвижные, или связанные, компоненты А1, общ , N03", Р043-, Аб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ,
И, 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, то есть с точки зрения миграции из резервуара являются практически неподвижными;
- частично выносимые, частично связанные компоненты К+, N8+, Мд2+, Сс1, 2п, и, Мо, Сорг, ^рг, Борг перемещаются и в растворённой и в виде твёрдой фазы, относятся к умеренно подвижным, так как в статье «Расход» только часть их уходит из резервуара в растворённых формах со стоком озёрных вод. Оставшееся вещество связывается и остаётся в резервуаре. Эти компоненты делятся на две группы:
1) компоненты К+, N8+, Мд2+, СС, 2п, и, Вг, Мо, ^рг, часть которых транзитна, а оставшаяся часть участвует в химических круговоротах в резервуаре, то есть переходит из твёрдой фазы в растворенную и обратно (вертикальное передвижение);
2+
2) компоненты Сорг, Борг, часть массы которых проточна, а оставшаяся часть в виде взвеси поступает с потоком в донные отложения и захоранивается (перемещение на дно и захоронение);
- легкоподвижные (транзитные) компоненты Са НС03", Б042", С1", В, Нд, Бг, 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 легковыносимыми 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
(Al, Si, Mn, Fe,
As, V, Rb, P0pr)
общ , PO4, Co, Ti, Cr, Pb, Cu, NO3-, (Zn, Br, Mo, K+, Cd, U, N0pr, Na+, 2+ Hg, Sr, SO42",
( S0pr, C0pr) ^ (B, Ca
Cl-,
Мд2+) НС03").
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, уйдёт во взвесь и поступит с потоком в донные
\ УД \ \ F\]\ \ W\| \ \ \ \ \.......\......\
х:
II
17"
III
Пространственная миграция компонентов в водах Ушканьеостровского резервуар а: I - слабоподвижные компоненты, находятся в твёрдой и растворённой формах, передвижение «вниз - вверх» в пределах резервуара, 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 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 7
Среднемноголетние годовые аккумуляция и захоронение количества вещества, поступающего с потоками в Ушканьеостровском резервуаре мегасистемы «озеро Байкал»_
Компонент Приход, 109 г/год Аккумуляция в резервуаре Захоронение в донных отложениях резервуара
внешний общий (внешний + внут-рен-ний) 109 г/год % от внешнего прихода % от общего прихода 109 г/год % от внешнего прихода % от обще-го прихода % от потока в донные отложения
К+ 16,18 32,8 0 0 0 0 0 0 0
№+ 45,45 59,88 0 0 0 0 0 0 0
Са2+ 228,5 242,91 0 0 0 0 0 0 0
Мд2+ 36,85 47,56 0 0 0 0 0 0 0
А1 2,682 17,35 1,26 47 7,27 1,26 47 7,27 7,92
Б1 21,84 226,62 2,46 11,3 1,08 2,46 11,3 1,08 1,19
Мп2+ 4,11 • 10-2 1,38 2,28-10-2 55,6 1,65 2,28-10-2 55,6 1,65 1,68
Реобщ 2,54 58,46 2,02 79,4 3,45 2,02 79,4 3,45 3,48
БО42- 79,5 79,5 9,37 11,8 11,8 1,37 1,73 1,73 100
НСОз- 962,9 962,9 0 0 0 0 0 0 0
С1- 9,92 9,95 0 0 0 0 0 0 0
ИОз- 2,46 5,29 1,49 60,8 28,2 1,49 60,8 28,2 34,5
1МН4 + 0,14 0,14 0,14 100 100 0 0 0 0
РО43- 1,198 4,395 1,036 86,8 23,6 1,036 85,7 23,4 24,5
Н 2,23-10-2 0,022 2,23-10-2 100 100 0 0 0 0
О2 119,1 119,05 16,9 14,2 14,2 0 0 0 0
аб 7,03-10-3 0,023 2,48-10-3 35,2 10,4 2,48-10-3 35,2 10,4 12,9
В 0,1414 0,156 0 0 0 0 0 0 0
Сг 0,0101 0,138 1,75^ 10-3 17,3 1,26 1,75-10-3 17,3 1,26 1,34
Си 2,25-10-2 0,199 0 0 0 0 0 0 0
Cd 6,37-10-4 7,15^ 10-4 2,26-10-4 35,6 31,7 2,26-10-4 35,6 31,7 74,2
Нд 1,6510-3 1,69^ 10-3 0 0 0 0 0 0 0
РЬ 4,14-10-2 0,054 3,44-10-2 83,1 63,4 3,44-10-2 83,1 63,4 72,8
Бг 4,16 4,24 0 0 0 0 0 0 0
гп 0,168 0,238 7,39-10-2 44 31,1 7,39-10-2 44 31,1 51,4
Со 1,9210-3 0,0195 1,28-10-3 66,8 6,56 1,28-10-3 66,8 6,56 6,78
и 7,60-10-3 0,013 6,12-10-4 8,05 4,68 6,12-10-4 8,05 4,68 10
V 1,66-10-2 0,129 9,58-10-3 57,8 7,44 9,58-10-3 57,8 7,44 7,86
Вг 3,46-10-3 8,09-10-3 0 0 0 0 0 0 0
РЬ 8,1210-3 0,036 2,29-10-3 28,3 6,31 2,29-10-3 28,3 6,31 7,52
Мо 1,27-10-2 0,027 1,94-10-3 15,3 7,15 1,94-10-3 15,3 7,15 11,9
Сорг 58,46 58,46 40,4 69,1 69,1 11,3 19,3 19,3 100
Морг 2,69 3,257 0,566 21 17,4 0,566 21 17,4 50,1
Рорг 0,134 0,408 1,53-10-2 11,4 3,74 1,53-10-2 11,4 3,74 5,27
Борг 0,516 0,516 0,27 52,2 52,2 0,155 30 30 100
СО2 31,81 32,45 0 0 0 0 0 0 0
и 0 3,003 0 0 0 0 0 0 0
Всего 1627,5 1971,579 76,07 4,67 3,86 21,83 1,3 1,1 5,9
отложения, а какая останется в растворе, т.е. определить соотношение форм миграции поступивших в Уш-каньеостровский резервуар компонентов - в твёрдой фазе или в растворе. Если компоненты, находящиеся в твёрдой фазе в потоке в донные отложения принять за единицу, а компоненты в статье «Приход» - за неизвестное, то можно рассчитать это соотношение (табл. 8).
Ушканьеостровский резервуар проточен для Са2+,
ИСОз", 3042", С1-, В, Нд, Бг 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 Са2+, НСО3-, БО42-, С1-, В, Нд, Бг (являются инертными, в водах резервуара находятся в растворённых формах), тогда как все другие компоненты с разной степенью участия вступают в реакции
комплексообразования (табл. 9). Поступившие с пото-
ками в воды резервуара А1, Б1, Мп2+, Рео6щ , N0^, Р043-, Дб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, И, Рорг связываются полностью, К+, Cd, гп, и, Вг, Мо - около половины, Ыорг, Борг
- третья часть, Сорг - пятая, и В - связывается десятая часть количества поступившего компонента (см. табл. 8).
Способы миграции компонентов и соотношение твёрдых и растворённых фаз при их перемещении в резервуаре и из резервуара
Таблица 8
Компонент Ушканьеостровский резервуар, 109 г/год
общий приход (растворённые вещества + тонко- и крупнодисперсная взвесь) сток озерных вод в Средний резервуар (растворённые вещества + тонкодисперсная взвесь) поток из донных отложений (растворённые вещества) поток в донные отложения (взвесь) вещество потока в донные отложения (взвесь): вещество статьи «Приход»
К+ 32,8 20,14 16,6 16,6 1 : 2
N8+ 59,88 52,15 14,42 14,42 1 : 4,2
Са2+ 242,91 242 14,45 14,45 1 : 16,8
Мд2+ 47,56 50,9 10,72 10,72 1 4,4
А1 17,35 1,42 14,67 15,93 1 1,1
Б1 226,62 19,38 204,8 207,24 1 1,1
Мп2+ 1,38 1,823-10-2 1,34 1,36 1 : 1
^ео6щ 58,46 0,5241 55,92 57,93 1 : 1
Б042- 79,5 70,13 0 1,37 1 : 57,9
НСОз- 962,9 1006 0 0 1 : 963
С1- 9,95 10,14 0,03 3,2216-10-2 1 : 308,8
N0^ 5,29 0,9636 2,83 4,3257 1 : 1,2
Р043- 4,395 0,1621 3,197 4,233 1 : 1
02 119,05 102,2 0 0 0
Дб 0,023 4,558-10-3 0,017 1,922-10-2 1 : 1,2
В 0,156 0,1414 0,015 0,0147 1 : 10,6
Сг 0,138 8,356-10-3 0,1282 0,13 1 : 1,1
Си 0,199 5,317-10-2 0,177 0,177 1 : 1,1
Cd 7,15-10-4 4,102-10-4 7,88-10-5 3,052-10-4 1 : 2,3
нд 1,6910-3 4,861-10-3 3,73-10-4 3,73-10-5 1 : 45,4
РЬ 0,054 6,988-10-3 0,013 4,734-10-2 1 : 1,1
Бг 4,24 4,163 0,085 8,478-10-2 1 : 50
гп 0,238 9,419-10-2 0,067 0,1436 1 : 1,7
Со 0,0195 6,381 -10-4 0,0176 0,0189 1 : 1
и 0,013 6,988-10-3 5,49-10-3 6,104-10-3 1 : 2
V 0,129 6,988-10-3 0,112 0,1219 1 1,1
Вг 8,09-10-3 0,3342 4,63-0-3 4,635-10-3 1 1,7
РЬ 0,036 5,826-10-3 0,028 3,052-10-2 1 1,2
Мо 0,027 1,079-10-2 0,014 1,639-10-2 1 1,7
Сорг 58,46 18,08 0 11,3 1 5,2
Nорг 3,25728 2,127 0,564 1,13 1 2,9
Рорг 0,408 0,1185 0,274 0,2892 1 1,4
Борг 0,516 0,2466 0 0,1551 1 3,3
С02 32,44463 67,98 0,638 0,6381 1 : 50,9
и 3,003 0 3,003 3,003 1 : 1
Всего 1971,579 1669 343,427 366 1 : 5,4
Таблица 9
Группировка компонентов по химической активности - способности к комплексообразованию в водах Ушканьеостровского резервуара оз. Байкал_
Группа Химическая активность Компонент
I Активные А1, Б1, Мп2+, Рэобщ , 1Ч03-, Р043-, Аб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, И, Р Р орг
II Умеренно активные К+, №+, Мд2+, Сс1, гп, и, Вг, Мо, Сорг, IV, Борг
III Инертные Са2+, НС03-, Б042-, С1-, В, Нд, Бг
Основной источник активных компонентов-комплексообразователей - 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 переводу 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», то есть происходит марганцевожеле-зоалюмосиликатный (Мп—Рэ-А1—Б1) круговорот.
На основании выше изложенного можно судить о геохимической устойчивости экосистемы «Ушканье-островский резервуар» к загрязнению химическими элементами и органическим веществом, то есть 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 течени-
ем времени за его пределы, а какие закрепятся в резервуаре, какие будут утилизированы в донные осадки или связаны в водах, вызывая негативную реакцию биоты на изменение химического состава вод (табл. 10).
Попавшие в резервуар с техногенным стоком проточные компоненты (Са2+, НС03-, Б042-, С1-, В, Нд, Бг) будут находиться в резервуаре в растворённых формах и постепенно со стоком озёрных вод уходить в соседние резервуары. Установлено, что среднее значение постоянной времени обмена вод для Ушканье-островского резервуара составляет около 129 лет [5]. 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 «Ушканьеостровский резервуар» способна восстановить исходное качество вод (обладает упругой устойчивостью) при техногенном попадании легкоподвижных (проточных) компонентов в воды резервуара. Эти компоненты можно отнести к четвёртому классу экологической опасности (табл. 11, 12).
Группировка компонентов по скорости водной миграции в Ушканьеостровском
резервуаре оз. Байкал
Таблица 10
Группа Скорость миграции Компонент
I Слабоподвижные; связываются; локализация в водах и донных отложениях резервуара А1, Б1, Мп2+, Рэобщ , 1103-, Р043-, Аб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, И, Рорг
II Умеренноподвижные; частично выносятся из резервуара, частично связываются; локализация: в водах и донных отложениях резервуара в донных отложениях резервуара К+, №+, Мд2+, СС, гп, и, Вг, Мо, 11орг Сорг, Борг
III Легкоподвижные, выносятся из резервуара со стоком озерных вод Са2+, НС03-, Б042-, С1-, В, Нд, Бг
Таблица 11
Группировка компонентов, поступающих в Ушканьеостровский резервуар оз. Байкал _с антропогенной нагрузкой, по классам экологической опасности_
Компонент Класс опасности
А1, Б1, Мп2+, Рэобщ , Юа", Р043-, Аб, Сг, Си, РЬ, Со, РЬ, V, Рорг, И I
К+, №+, Мд2+, СС, гп, и, Вг, Мо, IV II
Сорг Борг III
Са2+, НС03", Б042-, С1", В, Нд, Бг IV
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, III, IV - классы экологической опасности.
Таблица 12
Классы экологической опасности компонентов и прогноз их поведения в Ушканьеостровском 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)
K+ У ВД II Cd У ВД II
Na+ У ВД II Hg Л IV
Ca2+ Л IV Pb С ВД I
Mg2+ У ВД II Sr Л IV
AI C ВД I Zn У ВД II
Si C ВД I Co С ВД I
Mn2+ C ВД I U У ВД II
F^ C ВД I V с ВД I
SO42" Л IV Вг У ВД II
HCOa" Л IV Rb с ВД I
CI- Л IV Mo У ВД II
NO3" C ВД I ^рг У Д III
PO43" C ВД I ^рг У ВД II
As C ВД I Рорг с ВД I
B Л IV ^рг У Д III
Cr C ВД I Ti с ВД I
Cu C ВД I
К третьему классу экологической опасности относятся умеренно подвижные компоненты, частично выносимые со стоком озёрных вод в соседние резервуары озера и частично уходящие с потоком в донные отложения и захоранивающиеся в них - Сорг, Борг. Экосистема «Ушканьеостровский резервуар» способна сопротивляться изменению химического состава вод, возникающему вследствие попадания этого компонента с техногенным стоком путём утилизации взвешенных форм в донные осадки и вывода растворённых его форм за пределы резервуара со стоком озёрных вод. Можно сказать, что в отношении компонентов Сорг, Борг экосистема обладает резистентной устойчивостью (см. табл. 11, 12).
Группа «связанных» компонентов, участвующих в химическом круговороте, то есть 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 попадут в другие резервуары, но, будучи вовлечёнными в химический круговорот, нарушат существующие химическое и биологическое равновесия и вызовут этим катастрофические изменения качества вод в резервуаре. В отношении этих компонентов - А1, Б1, Мп2+, Рвобщ , N03", РО43", Аб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, И, Рорг и К+, N8+, Мд2+, Сс1, 2п, и, Мо, Вг, ^рг, экосистема неустойчива (не способна восстановить исходный химический состав вод), поэтому отнесём эти элементы
к первому и второму классам экологической опасности (см. табл. 11, 12).
Компоненты, поступающие в Ушканьеостровский резервуар оз. Байкал с антропогенной нагрузкой, сгруппированы по классам экологической опасности (см. табл. 11, 12).
Установление количественных характеристик химического баланса Ушканьеостровского резервуара оз. Байкал позволило сделать следующие выводы:
1. Основные источники вещества в резервуаре -поток из донных отложений, приток озёрных вод из Северного резервуара. Кроме внешних прихода и расхода вещества в резервуар и из резервуара также существуют большие внутренние нагрузки - поток из донных отложений (приносит 17,5 % вещества статьи «Приход» резервуара) и поток в донные отложения (уносит 18% вещества статьи «Расход»).
2. Утилизация вещества в донные отложения резервуара избирательна: с потоком в донные отложения поступают катионы основных компонентов, биогенные компоненты, органическое вещество и микроэлементы - А1, Мп2+, Аб, Сг, Си, РЬ, Со, V, СС, 2п, и, Вг, Мо, Вг, РЬ, И. Из этих компонентов целиком захораниваются Сорг, Борг, около половины Р043", СС, РЬ, 2п, ^рг, третья часть N0^, остальное поступившее вещество частично захоранивается, а в основном возвращается обратно с потоками из донных отложений.
3. Захороненное вещество составляет 1,3% от вещества, пришедшего в резервуар с внешними потоками, 1% от вещества, пришедшего в резервуар с внешними и внутренним потоками, и 6% от вещества, поступившего с потоком в донные отложения.
4. В Ушканьеостровском резервуаре остаётся
4,7% от поступившего в резервуар с внешними потоками вещества. Аккумулированное вещество составляют компоненты: Б04", А1, Б1, Мп2+, Рэобщ , Ы03", Р043-, Аб, Сг, СС, РЬ, гп, Со, и, V, РЬ, Мо, Сорг, Ыорг, Рорг, Борг. Места аккумуляции: Б042- и половина количества Сорг, Борг — в водах, остального вещества — в донных отложениях.
5. Ушканьеостровский резервуар проточен для Са2+, НС03", Б042-, С1", В, Нд, Бг и является биогеохимическим барьером для остальных компонентов.
6. Компоненты Са2+, НС03", Б042-, С1", В, Нд, Бг являются инертными, в комплексы не связываются, в резервуаре мигрируют только одним способом — в растворённых формах — являются легковыносимыми из резервуара. Остальные компоненты перемещаются и в растворённой форме, в виде твёрдой фазы, но с различным для каждого элемента соотношением растворённых и твёрдых фаз. Эти компоненты с разной степенью участия вступают в реакции комплексообра-зования. Поступившие с потоками в воды резервуара А1, Б1, Мп2+, Рэобщ , N03", Р043", Аб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, И, Рорг связываются полностью, К+, СС, гп, и, Вг, Мо — около половины, 1орг, Борг — третья часть, Сорг — пятая чать. и В — связывается десятая часть количества поступившего компонента.
7. Определён круг компонентов, совершающих
биогеохимические круговороты в водах резервуара: К+, 1а+, Мд2+, А1, Б1, Мп2+, Рэобщ, Ю3", Р043-, Аб, Сг, СС, Си, РЬ, гп, Со, и, V, Вг, РЬ, Мо, И, Рорг, 1орг. Из них А1, Б1, Мп2+, Рэо6щ , Ю3", Р043-, Аб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, И, Рорг участвуют в биогеохимических круговоротах практически целиком, а К+, 1а+, Мд2+, СС, гп, и, Мо, Вг, 1орг — лишь частично.
8. При попадании химических элементов и органического вещества в оз. Байкал с техногенным стоком экосистема «Ушканьеостровский резервуар» обладает способностью восстанавливать исходный химический состав вод в отношении легкоподвижных выносящихся со стоком озёрных вод в соседние резервуары озера Са2+, НС03", Б042-, С1", В, Нд, Бг (четвертый класс экологической опасности) и умеренно подвижных (частично выносятся со стоком озерных вод, частично захораниваются) Сорг, Борг (третий класс экологической опасности). Экосистема геохимически неустойчива (не способна восстановить исходный химический состав вод) при попадании с техногенным стоком слабоподвижных, накапливающихся в водах и донных отложениях К+, 1а+, Мд2+, СС, гп, и, Вг, Мо, 1о,рг (второй класс экологической опасности) и А1, Б1, Мп , Рэобщ , Ю3", Р043-, Аб, Сг, Си, Ь, Со, РЬ, V, Рорг, И (первый класс экологической опасности).
Библиографический список
1. Астраханцева О.Ю. Принципы создания модели «Метасистема «Озеро Байкал», база данных // Проблемы земной цивилизации: сб. ст. «Поиск решения проблем выживания и безопасности Земной цивилизации». Вып. 6. Ч. 1. Иркутск: АБРпп^ 2002. С. 72-121.
2. Астраханцева О.Ю. База данных химического состава вод и потоков оз. Байкал // Экосистемы и природные ресурсы горных стран: материалы I междунар. симпозиума «Байкал. Современное состояние поверхностной и подземной гидросферы горных стран». Новосибирск: Наука. 2004. С. 233-260.
3. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Выделение полуавтономных систем в озере Байкал // Вестник ИрГТУ. 2010. № 4 (44). С. 27-37.
4. Астраханцева О.Ю. Расчёт морфометрических характеристик сложной системы «Озеро Байкал» // Вестник ИрГТУ. 2007. № 4 (32). С. 42-49.
5. Астраханцева О.Ю., Глазунов О.М. Водный баланс мега-системы «Озеро Байкал» // Вестник ИрГТУ. 2008. № 3 (35). С. 148-154.
6. Астраханцева О.Ю., Тимофеева С.С., Глазунов О.М. Химические балансы пяти резервуаров озера Байкал // Вестник ИрГТУ. 2009. № 1 (37). С. 11-23.
7. Верболов В.И., Сокольников В.М., Шимараев М.Н. Гидро-
метеорологический режим и тепловой баланс оззера Байкал. М.-Л.: Наука, 1965. 373 с.
8. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск: Наука, 1981. 247с.
9. 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.
10. Страхов Н.М. Общие проблемы геологии, литологии и геохимии. Избранные труды. М.: Наука, 1983. 636 с.
11. Чудненко К.В. Теория и программное обеспечение метода минимизации термодинамических потенциалов для решения геохимических задач: дис. ... д-ра геолог-минералог. наук. ИрГТУ. Иркутск, 2007. 385 с.
12. Шерстянкин П.П. Оптические структуры и фронты океанического типа на Байкале: дис. ... д-ра физ.-мат. наук (в форме научного доклада). ИО РАН. М., 1993. 37 с.
13. 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.
14. Garrels R.M. Mineral equilibria at low temperature and pressure. New York: Harper, 1960. 306 p.
