CC BY
23
УДК 550.84 (571.53)
ХИМИЧЕСКИЙ БАЛАНС ЮЖНОГО 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.
Установлены количественные характеристики химического баланса Южного резервуара оз. Байкал. Выявлены потоки - основные источники вещества в резервуаре. Определены круг компонентов, совершающих химические круговороты в водах резервуара, а также виды и способы их пространственной миграции. Установлены подвижные и инертные с точки зрения химической активности компоненты. Ил. 1. Табл. 12. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: Южный резервуар; оз. Байкал; мегасистема; потоки; химический баланс; миграция; комплек-сообразование; растворенное вещество; взвесь.
CHEMICAL BALANCE OF THE SOUTHERN RESERVOIR OF THE LAKE BAIKALO. Yu. Astrakhantseva, K.V. Chudnenko, O.M. Glazunov
Institute of Geochemistry named after A.P. Vinogradov SB RAS, 1a, Favorsky St., Irkutsk, 664033.
The quantitative characteristics of the chemical balance of the Southern reservoir of the lake Baikal are determined. The streams that are the main sources of substance in the reservoir are identified. The range of components, performing chemical circulations in reservoir waters as well as types and methods of their spatial migration are specified. Chemically movable and chemically inert components are determined. 1 figure. 12 tables. 10 sources.
Key words: Southern reservoir; lake Baikal; megasystem; streams; chemical balance; migration; complexing; solute; suspension
Для прогноза изменений, вызванных антропогенными воздействиями, необходимо глубокое понимание биогенного круговорота ключевых для функционирования экосистем элементов, которое позволит предсказать ее отклик на любые внешние воздействия. Нужны надежные характеристики баланса химических веществ, которые служат основой для оценки экологического благополучия оз. Байкал и контроля его состояния в будущем.
Цель наших исследований - создание имитационных моделей процессов формирования химического состава природных вод оз. Байкал методами компьютерного физико-химического моделирования, а также прогнозирование качества вод при различных режимах его эксплуатации. Формирование физико-химических моделей начинается с разработки геолого-геохимической модели сложной системы "оз. Байкал - потоки", создание которой обуславливает необходимость определения баланса масс - количества вещества в водах озера и потоках, поступающих и уходящих из озера, и установления особенностей миграции и аккумуляции компонентов, поступающих в озеро с потоками.
В данной статье мы покажем балансовую модель Южного резервуара: вещество в резервуаре, все потоки вещества в резервуар и из резервуара будут иметь качественную и количественную характеристики. Балансовая модель резервуара позволяет выявить основные источники вещества и пункты расхода, пути миграции, места накопления компонентов с учетом их химического взаимодействия.
До сих пор химический баланс оз. Байкал рассчитывали как баланс однорезервуарной системы (П.Ф. Бочкарев (1955), К.К. Вотинцев (1961, 1978, 1982), К.К. Вотинцев и др. (1965, 1975), Н.В. Верболова и А.И. Мещерякова (1973), Анохин и др. (1991), Е.Н. Тарасова и А.И. Мещерякова (1992), Collender, Granina
(1997), Leermarkers et. al. (1996), В.И. Синюкович и др.
(1998)). При этом в статье "Приход" не учитывали пункты "Аэрозоль", "Подземные воды", "Термальные воды", "Поток компонентов из донных отложений", "Взвесь речных вод", а в статье "Расход" пункт "Поток компонентов в донные отложения".
Мы рассматриваем мегасистему "Оз. Байкал" как совокупность открытых систем - участков с локально-временным равновесием - Южный, Селенгинский,
1Астраханцева Ольга Юрьевна, младший научный сотрудник лаборатории физико-химического моделирования, тел.: (3952) 425512.
Astrakhantseva Olga, Junior Researcher of the Laboratory of Physico-Chemical Modeling, tel.: (3952) 425512.
2Чудненко Константин Вадимович, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией физико-химического
моделирования, тел.: (3952) 425512.
Chudnenko Konstantin, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Head of the Laboratory of Physico-Chemical Modeling, tel.: (3952) 425512.
3Глазунов Олег Михайлович, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник лаборатории геохимического и ультраосновного магматизма, тел.: (3952) 425512.
Glazunov Oleg, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Chief Researcher of the Laboratory of Geochemical and Ultrabasic Magmatism, tel.: (3952) 425512.
Средний, Ушканьеостровский, Северный резервуары. 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, резервуар - система, сохраняющая во времени свои физико-химические характеристики стабильными. Для получения среднемноголетних общих количеств компонентов в системах и потоках оз. Байкал разработана методика расчета среднемного-летнего химического состава независимых компонентов в потоках и системах для физико-химической модели "Озеро Байкал" [3, 7] и созданы базы данных
потоков и систем для каждого резервуара [1, 2], рассчитаны морфометрические характеристики резервуаров [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].
Модель степени протекания процесса в глобальной мегасистеме "оз. Байкал - потоки" - модель динамической мегасистемы, т.е. химически взаимодействующих совокупностей систем (резервуаров), связанных между собой и окружающей средой потоками вещества и энергии. Модельный образ динамики в пространстве задается соответствующей нумерацией сопряженных резервуаров в границах единой мегасистемы. Потоки движутся по номерам согласно принятому сценарию процесса [7].
Таблица 1
Количество вещества в системах Южного резервуара мегасистемы "Озеро Байкал"
Компонент Южный резервуар, 109г/год
Прибрежные воды Поверхностные воды Глубинные воды Придонные воды Все воды
«+ 297,6 3423,57 2614,82 1006,2 7342,192
Na+ 892,8 6644,03 8520,81 3018,6 19076,24
Ca2+ 4898 26251,3 44896,8 17608,5 93654,58
Mg2+ 1023 5380,73 9226,8 3689,4 19319,93
Л! 18,135 98,1279 9,786 65,403 191,4519
Si 347,2 1938,54 2479,12 1486,94 6251,801
Mn2+ 0,1333 2,26449 3,7746 1,3416 7,51399
^обш 9,61 41,935 69,9 38,571 160,016
SO42" 1498,33 6590,35 11518,9 4807,4 24415,02
HCOз" 21172,5 112763 186202 73919,24 394056,8
а- 172,222 943,538 1398 559 3072,76
NOз" 12,2229 97,4917 265,62 50,31 425,6445
PO43" 7,21857 16,5282 39,8968 10,70761 74,35118
O2 3553,31 20338,5 30145,6 11092,66 65130
As 0,09318 0,50322 0,8388 0,3354 1,7706
B 2,891686 15,6166 26,0308 «-» 44,53904
^ 0,12865 0,696121 1,16034 0,66521 2,650321
^ 0,30225 1,63547 2,7261 1,10682 5,770635
Cd 0,00558 1,929х10"2 0,032154 0,025714 8,2738х10"2
Hg 0,0775 0,41935 0,699 0,2795 1,47535
Pb 0,341 0,67096 1,1184 0,51987 2,65023
Sr 80,6 436,124 309,424 290,68 1116,828
Zn 3,1 12,4128 20,6904 6,9316 43,13476
^ 0,01147 7,968х10"2 0,13281 0,041366 0,2653225
U 0,124 0,67096 1,1184 0,4472 2,36056
V 0,2821 0,676551 1,1184 0,5031 2,580151
Br 0,0682 0,369028 0,61512 0,4472 1,499548
Rb 0,217 1,17418 2,20884 0,35776 3,95778
Mo 0,2883 1,50966 2,5164 0,70993 5,02429
^рг 315,813 2209,98 3033,66 1955,903 7515,351
^рг 22,7203 205,122 218,249 112,4082 558,4995
P горг 1,14425 11,0229 10,9915 5,028028 28,18671
Sорг 4,33606 30,3426 41,6517 26,85426 103,1846
CO2 657,2 3556,09 14539,2 5813,6 24566,09
Всего 34991,98 191015,2 315605,9 125571,1 667184,2
Используя уравнение m = С * v, где m - полная масса элемента, С - среднемноголетняя концентрация, v - объем водной массы озера, определено годовое содержание - полная масса каждого из 35 компонентов в 109г/год в системах (поверхностные, прибрежные, глубинные, придонные воды) Южного резервуара оз. Байкал (табл. 1). Динамика изменения некоторого химического элемента в Байкале может быть описана простым дифференциальным уравнением: dm/dt = (Po + Pa + Pr + Pv + Pm + Pu + Pp) - (PA +
Р3), где составляющими приходной и расходной частей баланса (потоками) являются: Р0 - поступление элементов с атмосферными осадками на зеркало озера; Ра- с атмосферным аэрозолем; Рг и Ру - с речными водами и речной взвесью, Ри и Рт - с подземными и минеральными водами, Рр - приток озерных вод из соседних резервуаров озера, РА - вынос элемента с озерными водами в другие резервуары озера или р. Ангару; Р3 - выведение из водной массы со взвешенным материалом, формирующим донные отложения.
Таблица 2
Среднемноголетнее годовое содержание химических веществ в потоках (внешняя и внутренняя нагрузка), впадающих в Южный резервуар мегасистемы "Озеро Байкал"
Компонент Потоки, впадающие в озеро Байкал, (109г/год)
Южный резервуар
Аэрозоль Дождь+ снег Реки Взвесь речных вод Подземные воды Минеральные воды Приток озерных вод из Селен-гинского резервуара Поток из донных отложений Суммарный приход
Малые притоки Основные прито ки
K+ 1,06 0,729 1,25 2,22 0,351 102 0,631 77,86 0 186,2
Na+ 0,894 1,82 3,73 6,66 0,238 55,8 0,325 208 3,935 281,4
Ca2+ 1,85 3,65 17,6 32,8 1,23 22,5 0,401 850 90,06 1020
Mg2+ 0,953 1,09 3,31 5,18 0,463 7,25 6,85 169,1 69,11 263.3
AI 0,836 0,182 0,201 0,401 0,719 0 0,009 2,552 90,49 95,39
Si 12,6 1,43 8,03 14,6 70,1 0,18 0,06 87,93 873,9 1069
Mn2+ 0,06 0,005 0,02 0,104 0,07 0 5,46x10-5 0,0707 3,324 3,662
F^ 3,41 0,007 0,11 0,232 3,96 0,222 0,004 2,102 170,2 180,2
SO42- 20,1 4,37 9,62 18,2 «-» 128 0,683 253,3 0 434
нсоз- «-» 13,9 71,9 138 «-» 45 1,8 3524 0 3794
Cl- 0,69 2,19 0,423 0,653 «-» 188 0,876 36,5 0 229
NO3- 2,9 1,42 1,03 2,56 «-» «-» «-» 2,74 13,6 24,25
NH4+ «-» 0,583 0 0 «-» 0,014 0,0039 0,0417 0,6434
PO43- 1,81 0,04 0,03 0,06 0,432 «-» 8,11x10"° 0,5356 10,55 13,46
O2 7,53 «-» «-» «-» «-» 0.285 «-» 316 «-» 323,8
As 0,004 3,65x 10-4 «-» «-» 2,55x10-4 «-» 4,1x10-5 0,0158 0,0855 0,1057
B «-» «-» «-» «-» «-» «-» 1,09x10-3 0,4916 0,06713 0,5598
Cr 0,01 1,82x 10-4 7,11x10 -4 1,45x10 -3 8,93x10-4 «-» 2,46x10-5 0,0285 0,1882 0,2325
Cu «-» 1,46x 10-2 1,44x10 -3 3,12x10 -3 2,42x10-3 «-» 5,46x10-5 0,0542 0,4107 0,4865
Cd «-» «-» «-» «-» «-» «-» «-» 0,001 4,303x 10-4 0,0017
Hg «-» 6,93x 10-4 1,04x10 -4 2,21x10 -4 «-» «-» 2,09x10-6 0,0132 1,704x 10-4 0,0143
Pb 0,057 3,65x 10-3 1,17x10 -3 0,003 2,3x10-3 «-» 2,73x10-5 0,0243 0,1275 0,2182
Sr «-» 5,1х10"3 4,18x10 -2 0,09 2,55x10-3 «-» 3,77x10-3 13,56 0 13,7
Zn 0,024 5,83x 10-3 7,34x10 -3 0,008 8,93x10-4 «-» 1,37x10-4 0,3222 0,2977 0,6668
Co 0,014 8,75x 10-5 9,07x10 -5 1,91x10 -4 «-» «-» 2,73x10-5 0,002 0,08867 0,1048
U 0,0037 2,55x 10-5 1,44x10 -4 2,17x10 -4 «-» «-» «-» 0,0206 0,02705 0,0517
V 0,018 3,65x 10-4 5,3x 10"4 1,1x 10-3 1,38x10-3 «-» 3,28x10-5 0,0239 0,2188 0,2643
Br «-» 0,003 «-» «-» 8,93x10-4 «-» 2,57x10-3 0,012 0,016 0,035
Rb 0,009 1,2* 10"4 «-» «-» 0 «-» 3,12* 10-4 0,018 0,1885 0,216
Mo «-» 0,001 0,002 0,005 0 2,11* 10-5 0,034 0,009 0,05
Сорг 49 10,2 6,46 13,3 0,25 «-» 138 0 217
^рг «-» 0,911 0,28 0,609 0,032 «-» 6,44 2,04 10,31
P Рорг «-» 0,037 0,006 0,01 0,006 0,643 0,873 1,577
^рг 0,14 0,006 0,152 0,003 «-» 1,89 0 2,243
CO2 «-» «-» «-» «-» 0,416 251 0 251,8
Ti «-» «-» «-» «-» 2,1 «-» «-» 0 9,135 11,24
Всего 104 42,7 124 236 79,9 549 11,6 5943 1339 8429
«-» - нет данных.
Таблица 3
Среднемноголетнее годовое содержание химических веществ в потоках (внешняя и внутренняя _нагрузка), впадающих в Южный резервуар мегасистемы "Озеро Байкал"_
Компонент Потоки, впадающие в озеро Байкал (внешняя и внутренняя нагрузка), %
Южный резервуар
Аэрозоль Дождь + снег Реки Взвесь речных вод Подземные воды Минеральные воды Приток озерных вод из Се-ленгинского резервуара Поток из донных отложений Суммарный приход
Малые притоки Основные притоки
К+ 0,57 0,39 0,67 1,19 0,19 54,82 0,34 41,83 0 100
Na+ 0,32 0,65 1,33 2,37 0,08 19,84 0,12 73,91 1,398 100
Са2+ 0,18 0,36 1,72 3,21 0,12 2,20 0,04 83,33 8,829 100
Мд2+ 0,36 0,42 1,26 1,97 0,18 2,75 2,60 64,22 26,25 100
Л! 0,88 0,19 0,21 0,42 0,75 0 0,009 2,675 94,86 100
а 1,18 0,13 0,75 1,36 6,56 0,02 0,006 8,227 81,76 100
Мп2+ 1,7 0,13 0,68 2,83 1,96 0 0,002 1,932 90,77 100
Реобщ 1,9 0,004 0,06 0,13 2,2 0,12 0,002 1,167 94,42 100
SO42" 4,6 1,01 2,22 4,19 0 29,42 0,16 58,36 0 100
нсо3" 0 0,37 1,9 3,64 0 1,19 0,05 92,87 0 100
С!" 0,30 0,96 0,18 0,29 0 81,95 0,38 15,94 0 100
N03" 11,98 5,86 4,24 10,55 0 0 0 11,3 56,07 100
NH4+ 0 90,64 0 0 0 2,27 0,61 6,485 0 100
Р043" 13,46 0,27 0,26 0,45 3,21 0 0,00006 3,978 78,37 100
02 2,32 0 0 0 0 0,09 0 97,59 0 100
ЛБ 3,45 0,35 0 0 0,24 0 0,04 14,99 80,93 100
В 0 0 0 0 0 0 0,2 87,81 11,99 100
Сг 5,39 0,08 0,31 0,63 0,38 0 0,01 12,27 80,93 100
Си 0 2,997 0,3 0,64 0,5 0 0,01 11,14 84,42 100
Cd 0 0 0 0 0 0 0 73,92 26,08 100
нд 0 4,8 0,73 1,54 0 0 0 91,7 1,189 100
РЬ 25,99 1,67 0,53 1,19 1,05 0 0,01 11,13 58,42 100
Sг 0 0,04 0,3 0,67 0,02 0 0,03 98,95 0 100
гп 3,66 0,87 1,1 1,24 0,13 0 0,02 48,32 44,64 100
Со 13,05 0,08 0,09 0,18 0 0 0,03 1,93 84,64 100
и 7,05 0,05 0,28 0,42 0 0 0 39,9 52,3 100
V 6,9 0,14 0,20 0,42 0,52 0 0,01 9,058 82,76 100
Вг 0 8,28 0 0 2,53 0 7,29 35,96 45,94 100
Rb 4,1 0,06 0 0 0 0 0,14 8,323 87,42 100
Мо 0 2,15 4,67 10,12 0 0 0,04 66,29 16,74 100
Сорг 22,6 4,70 2,98 6,12 0,12 0 0 63,5 0 100
Nоог 0 8,84 2,72 5,91 0,31 0 0 62,43 19,79 100
Р Рорг 0 2,37 0,38 0,72 0,41 0 0 40,76 55,36 100
Sорг 0 6,25 2,46 6,79 0,15 0 0 84,35 0 100
С02 0 0 0 0 0 0,17 0 99,83 0 100
Ti 0 0 0 0 18,72 0 0 0 81,28 100
Всего 1,23 0,51 1,47 2,8 0,95 6,51 0,14 70,51 15,88 100
Все переменные приходной и расходной частей баланса (правая часть уравнения) измеряются в тоннах в год. Рассчитаны полные годовые массы элементов в каждом потоке, втекающем и вытекающем из Южного резервуара оз. Байкал (внешняя нагрузка), а также внутренний поток (внутренняя нагрузка) (табл. 2), рассчитано общее количество каждого элемента в статьях "Приход" и "Расход", а также процентное количество каждого элемента в этих статьях от содержания этого элемента в водах резервуара (табл. 2-5).
Общий химический приход растворенного вещества и взвеси в Южный резервуар составляет 8429 тыс. т/год, а из резервуара со стоком озерных вод и потоком в донные отложения уходит 8479 тыс. т/год растворенного вещества и взвеси. Некоторое расхождение количества компонентов B, Zn, Rb, Mo) в статье "Расход" с количеством компонентов в статье "Приход" не выходит за пределы погрешности методов определения компонентов. Количество основных компонентов О- и SO42- в статье "Приход" превышает их количество в статье "Расход". Основной источник поступления сульфатного иона в резервуар -приток озерных вод из Селенгинского резервуара. Кроме того, большое количество сульфатного иона поступает с подземными водами. Основной источник поступления иона хлора в резервуар - подземные воды, впадающие в Южный резервуар и имею-
щие самый "пестрый" состав, и в отличие от подземных вод других резервуаров, cреди них имеются воды хлоридно-натриевые, сульфатно-натриевые и суль-фатно-гидрокарбонатно-кальциево-натриевые с минерализацией 1 - 22,2 г/л [1, 2]. Происходит некоторое накопление в водах резервуара и SO42". Однако надо учесть, что водные массы в резервуаре проточны и обновляются, как показал расчет водного баланса резервуара, в течение 96 лет [5].
В целом ряде потоков, впадающих в Южный резервуар, отсутствуют данные по количеству O2 в единице объема. Озеро Байкал - открытая система, обменивающаяся с атмосферой веществом и энергией. Основной источник газов, растворенных в байкальской воде - атмосфера. То количество кислорода и углекислого газа, которое участвует в геологическом и биологическом круговоротах вещества в резервуаре, показано в табл. 1.
Расчет химического баланса Южного резервуара оз. Байкал позволил установить, кроме внешних прихода и расхода вещества в резервуар и из резервуара, также существование больших внутренних нагрузок, которые ранее при попытках расчета химического баланса оз. Байкал не учитывались - потока из донных отложений, приносящего 16 % вещества статьи "Приход" резервуара, и потока в донные отложения (уносит 20 % вещества статьи "Расход").
Таблица 4
Содержание компонентов в пунктах статьи "Расход" для Южного резервуара
мегасистемы "Оз. Байкал"
Компонент Расход компонентов в Южном резервуаре
109 г/год % от содержания компонента в статье "Расход"
Потоки компонентов в донные отложения Сток в р. Ангару Суммарный расход Потоки компонен тов в донные отложения Сток в р. Ангару Суммарный расход
«+ 95,5 73,3 169 56,6 43,4 100
Na+ 88,3 193 281 31,4 68,6 100
Ca2+ 90,1 947 1,04х10+3 8,68 91,3 100
Mg2+ 69,1 195 264 26,1 73,9 100
Л! 93,7 1,73 95,4 98,2 1,82 100
Si 1,01х10+3 60,9 1,07х10+3 94,3 5,7 100
Mn2+ 3,59 7,42х10"2 3,66 98 2,03 100
^общ 179 1,6 180 99,1 0,889 100
SO42" 6,27 248 254 2,47 97,5 100
HCO3" «-» 3,99х10+3 3,99х10+3 0 100 100
а~ 0,147 31,1 31,3 0,471 99,5 100
NOз" 19,8 4,49 24,3 81,5 18,5 100
PO43~ 12,6 0,814 13,5 94 6,04 100
O2 «-» 663 663 0 100 100
As 8,78х10"2 1,79х10"2 0,106 83,1 16,9 100
B 6,71х10"2 0,555 0,622 10,8 89,2 100
^ 0,207 2,57х10"2 0,233 89 11 100
0,428 5,82х10"2 0,486 88 12 100
Cd 8,52х10"4 7,98х10"4 1,65х10"3 51,6 48,4 100
Hg 1,7х10"4 0,015 1,51х10"2 1,13 98,9 100
РЬ 0,19 2,87х10"2 0,218 86,9 13,1 100
Бг 0,387 10,7 11,1 3,48 96,5 100
гп 0,298 0,446 0,744 40 60 100
Со 0,102 2,7* 10-3 0,105 97,4 2,58 100
и 2,79* 10-2 2,38х10"2 5,17х10-2 53,9 46,1 100
V 0,237 2,74х10"2 0,264 89,6 10,4 100
Вг 2,12х10"2 1,41х10"2 3,52х10-2 60,1 39,9 100
РЬ 0,188 4,26х10"2 0,231 81,6 18,4 100
Мо 8,52* 10-3 5,22х10"2 6,07х10-2 14 86 100
Сорг 50,8 71 122 41,7 58,3 100
Морг 4,91 5,4 10,3 47,6 52,4 100
Р Рорг 1,3 0,278 1,58 82,4 17,6 100
Борг 0,696 0,974 1,67 41,7 58,3 100
со2 2,91 243 246 1,19 98,8 100
и 11,2 «-» 11,2 100 0 100
Всего 1,74х10+3 6,74х10+3 8,48* 10+3 20,5 79,5 100
Поток из донных отложений является основным поставщиком биогенных элементов, фосфора органического, группы микроэлементов А1, Мп2+, Лб, Сг, Си, Со, V, РЬ, Т и половины от общего прихода РЬ, гп, и (табл. 3, 6). Поток в донные отложения уносит био-
генные элементы, основное количество фосфора органического и половину от общего расхода остального органического вещества, микроэлементы А1, Мп2+, Лб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, Т практически целиком и половину от общего расхода Сс1, гп, и, Вг (табл. 5).
Таблица 5
"Приход - расход - содержание в водах озера" компонентов в резервуаре "Южный" мегасистемы "Озеро Байкал"
Южный резервуар, 109г/год
Содержание в водах Приход Расход
Компо- резервуара % от содер- % от содержания в водах озера
нент (растворенные элементы +взвесь) 109г/год жания в водах резервуара 109 г/год
К+ 7342,192 186,2 2,53 168,9 2,3
№+ 19076,24 281,4 1,48 281,4 1,48
Са2+ 93654,58 1020 1,09 1037 1,11
Мд2+ 19319,93 263,3 1,36 264,3 1,37
А1 191,4519 95,39 49,82 95,39 49,82
Б1 6251,801 1069 17,1 1069 17,1
Мп2+ 7,51399 3,662 48,73 3,662 48,73
Реобщ 160,016 180,2 112,6 180,2 112,6
Б042- 24415,02 434 1,78 254,2 1,04
нсо3- 394056,8 3794 0,96 3987 1,01
С1- 3072,76 229 7,45 31,27 1,02
N0^ 425,6445 24,25 5,7 24,25 5,7
ж4+ 0 0,6434 0 0 0
Р043- 74,35118 13,46 18,11 13,46 18,11
02 65130 323,8 0,5 662,8 1,02
Лб 1,7706 0,1057 5,97 0,1057 5,97
В 44,53904 0,5598 1,26 0,6219 1,4
Сг 2,650321 0,2325 8,77 0,2325 8,77
Си 5,770635 0,4865 8,43 0,4865 8,43
сс 8,2738x10-2 1,65x10-3 1,99 1,65x10-3 1,99
Нд 1,47535 1,434х10-2 0,97 1,513х10-2 1,03
РЬ 2,65023 0,2182 8,23 0,2182 8,23
Бг 1116,828 13,7 1,23 11,12 1
гп 43,13476 0,6668 1,55 0,7437 1,72
Со 0,2653225 0,1048 39,48 0,1048 39,48
и 2,36056 5,172х10-2 2,19 5,172х10-2 2,19
V 2,580151 0,2643 10,25 0,2643 10,25
Вг 1,499548 3,524х10-2 2,35 3,524х10-2 2,35
Rb 3,95778 0,2156 5,45 0,231 5,84
Mo 5,02429 5,091x10"^ 1,01 0,0607 1,21
^рг 7515,351 217 2,89 121,7 1,62
^рг 558,4995 10,31 1,85 10,31 1,85
P горг 28,18671 1,577 5,59 1,577 5,59
^рг 103,1846 2,243 2,17 1,671 1,62
24566,09 251,8 1,03 245,5 1
«-» 11,24 0 11,24 0
Всего 667184,2 8429 1,26 8479 1,27
В отличие от качественного состава внешней нагрузки, более 90 % которой составляют макрокомпоненты, внутренняя нагрузка - потоки из донных отложений и потоки в донные отложения - более чем на 80 % состоят из биогенных элементов, микроэлементов и органического вещества (табл. 6).
Таким образом, в водах Южного резервуара большая группа компонентов совершает химические круговороты в резервуаре и находится в растворенных и взвешенных формах. Эти элементы в виде взвеси уходят в донные отложения. Внутри резервуара с глубиной происходит изменение Т-Р-условий и захоронение в донных отложениях части массы компонентов, пришедших с потоком в донные отложения, и возвращение остальной части массы этих компонентов с потоком из донных отложений в виде растворенных форм. Из внешних источников эти элементы поступают в малых, ничтожных (по сравнению с внутренним потоком) количествах в виде растворенных и твердых, взвешенных частиц.
взвеси падают на дно, где частично захораниваются (23 % от количества вещества, поступающего с потоком в донные отложения, или 5 % от общего прихода (табл. 7)), а в основном переходят в растворенные формы, которые через зоны даунвеллинга опять попадают в глубинные и поверхностные воды, т.е. идет постоянный круговорот этих веществ.
Для оценки вклада каждого из потоков в поступление и расход компонентов в Южном 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 (см.табл. 3, 4), а также установить особенности и скорость миграции компонентов в Южном резервуаре. Основные источники вещества (потоки) в Южном резервуаре: "Поток из донных отложений", "Приток озерных вод из Селен-гинского резервуара", "Подземные воды". Пункты расхода компонентов: поток в донные отложения, захоронение и сток озерных вод в р. Ангару.
Таблица 6
Содержания основных, микро-, биогенных компонентов и органического вещества во внешних и внутренних потоках прихода и расхода в Южном резервуаре оз. Байкал, %
Резервуар Южный
Приход Расход
Приход внешний 100 Сток озерных вод 100
основные компоненты 92,8 основные компоненты 98,9
микроэлементы 0,34 микроэлементы 0,08
биогенные элементы 3,35 биогенные элементы 0,3
органические вещества 3,5 органические вещества 0,7
поток из донных отложений 100 поток в донные отложения 100
основные компоненты 12,18 основные компоненты 20,3
микроэлементы 7,82 микроэлементы 5,8
биогенные элементы 79,78 биогенные элементы 70,6
органические вещества 0,22 органические вещества 3,3
Известна схема динамических условий вихре- и фронтогенеза в области прибрежных течений на Байкале [9, 10]. Используя эту схему, можно представить себе, как речная взвесь, попадая в область фронтогенеза, опускается на дно оз. Байкал, где частично захоранивается, а в основном в результате химических преобразований в растворенном состоянии возвращается в водную толщу, откуда растворенные 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 озерной взвесью в конвергентные зоны - даунвеллинги - зоны опускания вод, компоненты в твердой фазе в виде
Макроэлементы поступают с потоками "Подземные воды" и "Приток озерных вод из Селенгинского резервуара" (см.табл. 3).
Микроэлементы Mn2+, As, V, Rb, ^
и половина Pb, Zn, U поступают с потоком из донных отложений; B, Cd, Hg, Sr, Br, Mo и половина Zn, U - с притоком озерных вод из Селенгинского резервуара. Кроме того, много Pb приносится потоком "Аэрозоль".
Основное количество биогенных элементов поставляет поток из донных отложений.
Основное количество органических веществ (^г, ^рг, Sорг) приносит приток озерных вод из Селенгинского резервуара; Рорг - поток из донных отложений. Велика роль аэрозоля как источника привноса Сорг.
Таблица 7
Среднемноголетние годовые аккумуляция и захоронение количества вещества, поступающего с по_токами в Южный резервуар оз. Байкал_
Компонент Южный резервуар
Приход, 109г/год Аккумуляция в резервуаре Захоронение в донных отложениях резервуара
внешний внешний + внутренний 109 г/год % от внешнего прихода % от общего ( внеш. + внутр.) прихода 109 г/год % от внеш него прихода % от общего прихода % от потока в донные отложения
К+ 186,2 186,2 112,8 60,6 60,6 95,54 51,32 51,32 100
№+ 277,5 281,4 84,39 30,41 29,99 84,39 30,41 29,99 95,55
Са2+ 929,9 1020 0 0 0 0 0 0 0
Мд2+ 194,2 263,3 0 0 0 0 0 0 0
А1 4,9 95,39 3,167 64,62 3,32 3,167 64,62 3,32 3,38
а 194,9 1069 134 68,75 12,54 134 68,75 12,54 13,29
Мп2+ 0,3378 3,662 0,2636 78,03 7,198 0,2636 78,03 7,2 7,35
Реобщ 10,05 180,2 8,446 84,06 4,687 8,446 84,06 4,69 4,729
во/" 434 434 186 42,87 42,87 6,274 1,45 1,45 100
НСО3- 3794 3794 0 0 0 0 0 0 0
С1" 229 229 197.9 86.41 86.41 0.1472 0.06 0.06 100
N03" 10,65 24.25 6.162 57.85 25.41 6.162 57.85 25.41 31.19
1ЧН4 + 0,6434 0.6434 0.6434 100 100 0 0 0 0
РО43" 2,913 13.46 2.099 72.07 15.59 2.099 72.07 15.59 16.59
О2 323,8 323.8 0 0 0 0 0 0 0
аб 2,02x10"2 0.1057 2.27 x10-3 11.27 2.148 2.27x10^ 11.27 2.15 2.59
В 0,4927 0.5598 0 0 0 0 0 0 0
Сг 4,43x10"2 0.2325 1.87x10-2 42.07 8.021 0.0187 42.07 8.02 9.02
Си 7,58x10"2 0.4865 1.764x10-2 3.26 3.625 0.0176 23.26 3.63 4.12
Сс1 1.22Е-3 1.65x10-3 4.217x10-4 34.58 25.56 4.217x10^ 34.58 25.56 49.49
Нд 1,42x10"2 1.434x10^ 0 0 0 0 0 0 0
РЬ 9,07x10-2 0.2182 6.208x10-2 68.42 28.45 6.208x10^ 68.42 28.45 32.75
вг 13,7 13,7 2,965 21,64 21,64 0,3873 2,83 2,83 100
гп 0,3691 0,6668 0 0 0 0 0 0 0
Со 1,61х10-2 0,1048 1,34х10-2 83,22 12,78 1,339х10-2 83,22 12,78 13,12
и 2,47x10-2 5,172х10-2 8,35х10-4 3,39 1,615 8,352х10-4 3,39 1,62 3
V 4,56х10-2 0,2643 1,817х10-2 39,86 6,874 1,817х10-2 39,86 6,87 7,67
Вг 1,91х10-2 3,52х10-2 4,983х10-3 26,16 14,14 4,983х10-3 26,16 14,14 23,54
РЬ 2,71 х10-2 0,2156 0 0 0 0 0 0 0
Мо 4,24х10-2 5,091 х 10-2 0 0 0 0 0 0 0
Сорг 217 217 146 67,3 67,3 50,76 23,39 23,39 100
^рг 8,268 10,31 2,865 34,65 27,79 2,865 34,65 27,79 58,41
Рорг 0,7038 1,577 0,4258 60,51 27,01 0,4258 60,51 27,01 32,79
ворг 2,243 2,243 1,268 56,56 56,56 0,6965 31,06 31,06 100
С02 251,8 251,8 9,121 3,623 3,623 2,915 1,16 1,16 100
и 2,104 11,24 2,104 100 18,72 2,104 100 18,72 18,72
Всего 7090 8429 900,9 12,71 10,69 400,8 5,65 4,76 23,04
Пункты выноса компонентов в статье "Расход" (см.табл. 4, 6, 7): утилизация вещества в донные осадки и сток озерных вод в р. Ангару. С внутриводоем-ными потоками в донные отложения поступают биогенные элементы, органические вещества, часть основных компонентов (катионов) и группа микроэлементов. В донных отложениях захоранивается 23 % от поступившего с потоками в донные отложения веще-
ства, остальное вещество возвращается с потоком из донных отложений (табл. 7). От всего поступающего в резервуар с внешней и внутренней нагрузками вещества в донных отложениях Южного резервуара захоранивается 5 %. 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 озерных вод в реку Ангару. Пункты расхода катионов: поток в донные отложения, сток озерных вод в реку Ангару. Микроэлементы А1, Мп, Лб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, Т уходят в донные отложения практически целиком. Половина Сс1, 2п, и, Вг уходит в донные отложения, половина - со стоком. Практически полностью уходят со стоком В, Нд, Бг, Мо. Биогенные элементы Рео6щ, Б1, Р043- в статье "Расход" практически целиком (больше 90%) уходят в донные отложения. Из органических веществ половина Сорг, 1Морг, Борг уходит в донные отложения, половина - со стоком. Больше 80% Рорг уходит в донные отложения, оставшаяся часть -со стоком озерных вод в реку Ангару.
Аккумуляция вещества в резервуаре рассчитана как разность между внешним приходом (растворенное вещество и взвесь, приходящие с потоками: реки, речная взвесь, атмосферный аэрозоль, дождь + снег, подземные воды, минеральные воды, приток озерных вод из Селенгинского резервуара) и внешним расходом (растворенное вещество и взвесь, уходящие со стоком озерных вод в реку Ангару) (табл. 7). В Южном резервуаре остается 900,9 тыс. т/год растворенного вещества и взвеси. Аккумулированное вещество составляют компоненты: К+, №+, Б042-, С1-, Б1, Ре общ , 1Ч03-, Р043-, А1, Мп2+, СС, и, Лб, Сг, Си, РЬ, Бг, Со, Вг, V, Т1, Рорг, Сори, 1Морг, Борг. Другая группа компонентов -Са2+, Мд2+, НС03-, В, Нд, 2п, РЬ, Мо - имеет нулевой внешний баланс, следовательно, эти компоненты в резервуаре не накапливаются. Сульфат- и хлорионы накапливаются в водах резервуара, остальные - в водах и в донных отложениях. Следовательно, в донные отложения попадает только часть поступивших в резервуар компонентов (табл. 7). Эти особенности химического баланса Южного резервуара накладывают отпечаток на формирование донных отложений в резервуаре.
Часть компонентов в резервуаре мигрируют только одним способом - в растворенных формах - и легко выносятся из резервуара. Остальные компоненты перемещаются в растворенной и твердой 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 [8]. Скорость водной
миграции компонентов в Южном 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, Б1, Мп2+, Реобщ , N0^, Р043-, Лб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, Рорг, Т1, перемещаются в виде растворенной и твердой фаз внутри 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 растворенные и обратно, перемещаясь вниз 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 из резервуара являются практически неподвижными.
- Частично выносимые, частично связанные компоненты Мд2+, СС, Вг, 2п, Вг, и, К+, №+, Сорг, 1Морг , Борг перемещаются и в растворенной и в виде твердой фазы, относятся к умеренно подвижным, так как в статье "Расход" только часть их уходит из резервуара в растворенных формах со стоком озерных вод. Оставшееся вещество связывается и остается в резервуаре. Эти компоненты делятся на две группы:
1) компоненты Мд2+, СС, 2п, Вг, и, 1Морг, часть которых транзитна (горизонтальная миграция) и перемещается в растворенном виде, а оставшаяся часть участвует в химических круговоротах в резервуаре, т.е. переходит из твердых фаз в растворенные и обратно (вертикальная миграции);
2) компоненты К+, №+, Сорг, Борг, часть массы которых находится в растворенных формах 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 Са2+, НС03-, Б042-, С1-, В, Нд, Бг, Мо, приходящие с внешней нагрузкой и уходящие со стоком озерных вод в реку Ангару. Эти компоненты перемещаются в резервуаре только одним способом - в растворенных формах и являются легко выносимыми из резервуара. Миграция этих элементов горизонтальная: в резервуар и из резервуара.
\\\\\т\\ш\\\\\\\
и
in
i
Пространственная миграция компонентов в водах Южного резервуара: I - слабоподвижные компоненты, вертикальная миграция, накапливаются в донных отложениях и в водах, участвуют в химических круговоротах; II -умеренно подвижные, частично выносятся со стоком озерных вод из резервуара, частично накапливаются: 1 - в донных отложениях и в водах, участвуют в химических круговоротах, вертикальная и горизонтальная миграции, 2 - в донных отложениях, миграция на дно и захоронение; III - легкоподвижные, выносятся со стоком озерных вод из резервуара, горизонтальная миграция
Таблица 8
Группировка компонентов по скорости водной миграции в резервуаре оз. Байкал
Группа элементов Южный резервуар
I Слабоподвижные, накапливаются в резервуаре, миграция в донные отложения резервуара и вертикальная миграция внутри резервуара А1, Б!, Мп2+, Реобщ , N0^, Р043", Аэ, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, Рорг, Т!
II Умеренноподвижные, частично выносятся из резервуара, частично в нем накапливаются: - миграции: горизонтальная из резервуара и вертикальная в резервуаре - миграции: на дно и захоронение и горизон- тальная из резервуара Мд2+, Cd, Вг, гп, и, ^рг К , № , Сорг Борг
III Легкоподвижные, выносятся из резервуара, горизонтальная миграция из резервуара Са2+, НС03", Б042", С1", В, Нд, Бг, Мо
Все компоненты по скорости водной миграции в резервуаре и из резервуара (от минимальной к максимальной) образуют следующий ряд: (А1, Б!, Мп2+, Рео6щ , N03", Р043-, дб, Сг, Си, РЬ, Со, V, 1РЬ, Рорг, Т!) ^ (К+, Na+, Сорг, Борг) ^ (Мд2+, Cd, Вг, гп, и, ^рг) ^ (Са2+, НС03", Б042-, С1", В, Нд, Бг, Мо).
Южный резервуар проточен для Са2+, НС03", Б042", С1", В, Нд, Бг, Мо и является биогеохимическим барьером для части катионов основных компонентов, органического вещества, для биогенных элементов и це-
лой группы микроэлементов.
Вещество вод резервуара и стока озерных вод в другие резервуары озера представляет собой две фазы - растворенное вещество + тонкодисперсная взвесь, находящиеся в химическом равновесии. В потоках в донные отложения вещество находится в твердой фазе, в потоках из донных отложений - в растворе. Вещество вод внешнего прихода находится в растворенном состоянии + тонко- и крупнодисперсная взвесь.
Таблица 9
Способы миграции компонентов и соотношение твердых и растворенных фаз при их перемещении в _резервуаре и из резервуара_
Компонент Южный резервуар, 109г/год
Общий приход (растворенные вещества + тонко- и крупнодисперсная взвесь) Сток озерных вод в другие резервуары озера (растворенные вещества + тонкодисперсная взвесь) Поток из донных отложений (растворенные вещества) Поток в донные отложения (взвесь) Вещество потока в донные отложения (взвесь): вещество статьи "Приход"
К+ 186,2 73,34 0 95,54 1 1,9
Na+ 281,4 193,1 3,935 88,33 1 3,2
Са2+ 1020 947 90,06 90,06 1 11,3
Мд2+ 263,3 195,2 69,11 69,11 1 3,8
А1 95,39 1,734 90,49 93,66 1 1,01
Б! 1069 60,91 873,9 1008 1 1,06
Мп2+ 3,662 7,422х10-2 3,324 3,588 1 1,02
^еобщ 180,2 1,601 170,2 178,6 1 1,01
Б042" 434 247,9 0 6,274 1 69,2
НС03" 3794 3987 0 0 1 3794
С1" 229 31,12 0 0,1472 1 1556
N03" 24,25 4,49 13,6 19,76 1 1,2
Р043" 13,46 0,8136 10,55 12,65 1 1,1
02 323,8 662,8 0 0 1 323,8
дб 0,1057 1,788х10-2 8,551 х10-2 8,778х10-2 1 1,2
В 0,5598 0,5548 6,713х10-2 6,713х10-2 1 8,3
Сг 0,2325 2,569х10-2 0,1882 0,2069 1 1,1
Си 0,4865 5,818х10-2 0,4107 0,4283 1 1,1
Cd 1,65х10-3 7,98х10-4 4,303х10-4 8.52х10-4 1 1,9
Нд 1,434х10-2 1,496х10-2 1,704х10-4 1,704х10-4 1 84,14
РЬ 0,2182 2,865х10-2 0,1275 0,1895 1 1,15
Бг 13,7 10,74 0 0,3873 1 35,4
гп 0,6668 0,4461 0,2977 0,2977 1 2,24
Со 0,1048 2,701 х10"3 8,867х10"2 0,1021 1 1,03
и 5,172х10"2 2,384х10"2 2,705х10"2 2,788х10"2 1 1,9
V 0,2643 2,741 х10"2 0,2188 0,2369 1 1,12
Вг 3,52х10"2 1,407х10"2 1,619х10"2 2,117х10"2 1 1,7
РЬ 0,2156 4,256х10"2 0,1885 0,1885 1 1,1
Мо 5,091 х 10"2 5,218х10"2 8,52х10"3 8,52х10"3 1 6
Сорг 217 70,96 0 50,76 1 4,3
Морг 10,31 5,403 2,04 4,906 1 2,1
Р Рорг 1,577 0,2779 0,8727 1,299 1 1,2
Борг 2,243 0,9743 0 0,6965 1 3,2
С02 251,8 242,6 0 2,915 1 86,4
Т! 11,24 0 9,135 11,24 1 1
Всего 8429 6739 1339 1740 1 4,8
При поступлении внешней и внутреннией нагрузок в резервуар происходит взаимодействие поступившего вещества и вещества резервуара. Активные в отношении химического взаимодействия в водах резервуара компоненты вступают в реакции комплексооб-разования, продукты этих реакций являются источником автохтонной взвеси. Следовательно, можно определить, какая часть из поступившего в резервуар вещества, находящегося в растворенной и твердой фазах, уйдет во взвесь и поступит с потоком в донные отложения, а какая останется в растворе, т.е. определить соотношение форм миграции поступивших в Южный резервуар компонентов - в твердой фазе или в растворе. Если компоненты, находящиеся в твердой фазе в потоке в донные отложения принять за единицу, а компоненты в статье "Приход" за неизвестное, то можно рассчитать это соотношение (табл. 9).
В слабоминерализованных водах резервуара в комплексы не связываются только Са2+, ИС03", Б042", С1-, В, Нд, Бг, Мо (являются инертными, в водах резервуара находятся в растворенных формах), тогда как все другие компоненты с разной степенью участия вступают в реакции комплексообразования. Поступившие с потоками в воды резервуара А1, Б!, Мп +, Рео6щ , МЮ3", Р043-, аб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, Рорг, Т! связываются полностью, К+, Сс1, гп, и, Вг, М1орг, Борг -наполовину, №+ - третья, Мд2+, Сорг - четвертая часть (табл. 9, 10). Основные источники активных компонен-тов-комплексообразователей - поток из донных отложений, приток озерных вод из Селенгинского резервуара и подземные воды, где компоненты находятся в растворенном состоянии и в состоянии тонкодисперсной взвеси. Можно сказать, что эти компоненты задают тон "жизни" для компонентов в водах резервуара, вступая в химические взаимодействия с другими элементами, переходя в твердую фазу, образуя тем самым автохтонную взвесь, увлекая их в донные отложения, где большая их часть захоранивается, а оставшееся в результате химических преобразований в растворенном состоянии возвращаются в водную толщу, чтобы в очередной раз совершить "круг жизни", т.е. происходит марганцевожелезоалюмосиликатный (Мп - Ре - А1 - Б1) круговорот.
Таблица 10
Группировка компонентов по химической активности - способности к комплексообразованию в
На основании вышеизложенного можно судить о геохимической устойчивости экосистемы "Южный резервуар" к загрязнению химическими элементами и органическим веществом, т.е. о способности экосистемы к выносу загрязнителей за ее пределы или к их утилизации внутри экосистемы. Установлено, какие из элементов, попадающих в озеро с техногенным потоком, будут вынесены с течением времени за его пределы, а какие закрепятся в резервуаре: будут утилизированы в донные осадки или связаны в водах, вызывая негативную реакцию биоты на изменение химического состава вод (табл. 8, 10).
Проточные компоненты (Са2+, НС03", Б042-, С1", В, Нд, Бг, Мо) в случае техногенных аварий со стоком озерных вод попадут в соседний резервуар и реку Ангару. Установлено, что среднее значение постоянной времени обмена вод для Южного резервуара составляет около 96 лет [4]. 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 "Южный резервуар" способна восстановить исходное качество вод (обладает упругой устойчивостью) при техногенном попадании легкоподвижных (проточных) компонентов в воды резервуара; эти компоненты можно отнести к четвертому классу экологической опасности (табл. 11).
К третьему классу экологической опасности относятся умеренно подвижные компоненты, частично выносимые и частично уходящие с потоком в донные
водах Южного резервуара оз. Байкал
Группа элементов Компоненты
I Активные А1, Б1, Мп2+, Реобщ , 1Ч03", Р043", Аб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, Рорг, Т!
II Умеренно активные Мд2+, СС, Вг, гп, и, К+, №+, Сорг, Морг , Борг
III Инертные Са2+ , НС03", Б042", С1", В, Нд, Бг, Мо
отложения и захоранивающиеся в них: K , № , Сорг, S0pГ. Экосистема "Южный резервуар" способна сопротивляться изменению химического состава вод, возникающему вследствие попадания этих компонентов с техногенным стоком, путем утилизации этих компонентов в донные осадки и выноса за пределы экосистемы. Можно сказать, что экосистема обладает резистентной устойчивостью к этим компонентам (табл. 11).
Таблица 11
Группировка компонентов, поступающих в Южный резервуар оз. Байкал с антропогенной нагрузкой, по классам экологической опасности
Класс Компоненты
I Л1, Si, Мп2+, Feо6щ , N0^, Р043-, Лб, Сг, Си, РЬ, Со, V, Rb, Рорг, Т
II Мд2+, Cd, гп, и
III К , Na , Cоpr, ^рг
IV Са2+, НС0з-, S042-, С1-, В, Нд, Sr, Мо
Группа "связанных" компонентов, участвующих в химическом круговороте, т.е. уходящих с потоком в донные отложения и возвращающихся с потоком из донных отложений, в случае техногенных аварий с этими компонентами не будет утилизирована, как в обычных неглубоких континентальных озерах, а с потоком из донных отложений, за исключением ничтожной захороненной части, вернется обратно, вызывая вторичное заражение и накапливаясь в водах. Эти компоненты будут связаны и не попадут в другие резервуары и р. Ангару, но, будучи вовлеченными в химический круговорот, нарушат существующие химическое и биологическое равновесия и вызовут этим катастрофические изменения качества вод в резервуаре. В отношении этих компонентов - Л1, Si, Mn2+, Fe06Щ , NO3-, РO43-, Лб, Сг, Си, Pb, Со, V, Rb, Pоpr, Т и Мд, Cd, Вг, гп, и, ^рг экосистема неустойчива (не способна восстановить исходный химический состав вод), поэтому отнесем эти элементы к первому и второму классам экологической опасности (табл. 11).
Компоненты, поступающие в резервуары оз. Байкал с антропогенной нагрузкой, сгруппированы по классам экологической опасности (табл. 11, 12).
Установление количественных характеристик химического баланса Южного резервуара оз. Байкал позволило сделать следующие выводы.
Основные источники вещества в резервуаре - потоки: "Поток из донных отложений", "Приток озерных вод из Селенгинского резервуара", "Подземные воды".
Кроме внешних прихода и расхода вещества в резервуар и из резервуара также существуют большие внутренние нагрузки - поток из донных отложений (приносит 17 % вещества статьи "Приход" резервуара) и поток в донные отложения (уносит 20% вещества статьи "Расход").
Определен круг компонентов, совершающих химические круговороты в водах резервуара: Л1, Si, Мп2+, Feо6щ , N0^, Р04, Лб, Сг, Си, РЬ, Со, V, Rb, Рорг, Т Мд2+, Cd, гп,. и. Из них биогенные элементы Feо6щ, Si, Р043- , микроэлементы Л1, Мп2+, Лб, Сг, Си, РЬ, Со, V,
Rb, Т и Рорг участвуют в химических круговоротах практически целиком, а Мд2+, Cd, гп, и лишь частично.
Таблица 12
Классы экологической опасности компонентов и прогноз их поведения в Южном резервуаре в случае воздействия антропогенной нагрузки на оз. Байкал
Компоненты Южный резервуар
К+ У Д III Cd У ВД II
Na+ У Д III Нд Л IV
Са2+ Л IV РЬ С ВД I
Мд2+ У ВД II Sr Л IV
Л1 С ВД I гп У ВД II
Si С ВД I Со С ВД I
Мп2+ С В I и У ВД II
Feо6щ С ВД I V С ВД I
S042- Л IV Вг У ВД II
НС03- Л IV Rb С ВД I
С1- Л IV Мо Л IV
N0^ С ВД I Сорг У Д III
Р043- С ВД I ^рг У ВД II
ЛБ С ВД I Р Рорг С ВД I
В Л IV ^рг У Д III
Сг С ВД I С ВД I
Си С ВД I
Примечание. С - слабоподвижные накапливаются; У - уме-ренноподвижные, 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.
Установлены компоненты, являющиеся активными (А1, Si, Мп2+, Feо6щ , N0^, Р043-, Лб, Сг, Си, РЬ, Со, V, Rb, Рорг, Т^ с точки зрения химического взаимодействия, присутствующие в водах резервуара во взвешенных и растворенных формах, в растворенных формах приходя с потоком из донных отложений и полностью вступая в реакции комплексообразования; умеренно активные компоненты (Мд2+, Cd, Вг, гп, и, К+, Na+, Сорг, ^рг, Sоpr), приходящие с внешними и внутренним источниками, в разной степени вступающие в реакции комплексообразования; а также инертные компоненты (Са2+, НС03-, S042-, С1-, В, Нд, Sr, Мо), не участвующие в реакциях комплексообразования, находящиеся в растворенных формах в водах резервуара.
В Южном резервуаре остается 900,9 тыс. т/год растворенного вещества и взвеси. Аккумулированное вещество составляют компоненты К+, Na+, S042-, С1-, Si, Fe общ, N0^, РО43-, Л1, Мп2+, Cd, и, Лб, Сг, Си, РЬ, Sr, Со, Вг, V, и Рорг, Сори, ^рг, Sоpг.
Здесь захоранивается 23% вещества, поступившего с потоками в донные отложения, остальное вещество возвращается с потоком из донных отложений. От поступающего в резервуар вещества с внешней и внутренней нагрузками в резервуаре захоранивается 5 %. Утилизация вещества в донные отложения резервуара избирательная: целиком захораниваются калий и натрий, Сорг, Sоpr, остальное поступившее вещество частично захоранивается, а в основном воз-
вращается обратно с потоками из донных отложений.
Южный резервуар проточен для основного количества поступившего в него вещества и является биогеохимическим барьером для части катионов основных компонентов, части органического вещества, для биогенных элементов и группы микроэлементов. Связанное вещество накапливается в водах, и лишь малая часть - в донных отложениях.
Компоненты Са2+, НС03", Б042", С1", В, Нд, Бг, Мо в резервуаре мигрируют только одним способом - в растворенных формах и являются легко выносимыми из резервуара. Остальные компоненты перемещаются и в растворенной, и в виде твердой фазы, но с различным для каждого элемента соотношением растворенных и твердых фаз.
При попадании химических элементов и органиче-
ского вещества в озеро Байкал с техногенным стоком экосистема "Южный резервуар" обладает способностью восстанавливать исходный химический состав вод в отношении легкоподвижных выносящихся Са2+, НС03", Б042", С1", В, Нд, Бг, Мо (четвертый класс экологической опасности) и умеренно подвижных (частично выносятся, частично захораниваются) К+, №+, Сорг, Борг (третий класс экологической опасности). Экосистема "Южный резервуар" геохимически неустойчива (не способна восстановить исходный химический состав вод) при попадании с техногенным стоком слабоподвижных, накапливающихся в водах Мд2+, СС, гп, и (второй класс экологической опасности) и А1, Б!, Мп2+, Реобщ , МЮ3", Р043", Аб, Сг, Си, РЬ, Со, V, РЬ, Рорг, Т! (первый класс экологической опасности).
Библиографический список
1. Астраханцева О.Ю. Принципы создания модели «Метасистема "Оз. Байкал"», база данных // Проблемы земной цивилизации: сб. ст. «Поиск решения проблем выживания и безопасности Земной цивилизации». Иркутск: АБРпп^ 2002. Вып.6, ч. 1. С. 72-121.
2. Астраханцева О.Ю. База данных химического состава вод и потоков оз. Байкал // Экосистемы и природные ресурсы горных стран: материалы Первого Междунар. симпоз. "Байкал. Современное состояние поверхностной и подземной гидросферы горных стран". Новосибирск: Наука, 2004. С. 233-260.
3. Астраханцева О.Ю. Создание физико~химической модели "Метасистема "Оз. Байкал". Выделение полуавтономных подсистем в озере Байкал // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. 2003. №7. С. 124-129.
4. Астраханцева О.Ю. Расчет морфометрических характеристик сложной системы "Оз. Байкал" // Вестник ИрГТУ. 2007. № 4 (32). С.42-49.
5. Астраханцева О.Ю., Глазунов О.М. Водный баланс метасистемы "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. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Выделение полуавтономных систем в озере Байкал // Вестник ИрГТУ. 2010. № 4 (44). С. 6-16.
8. Страхов Н.М. Избранные труды. Общие проблемы геологии, литологии и геохимии. М.: Наука, 1983. 636 с.
9. Шерстянкин П.П. Оптические структуры и фронты океанического типа на Байкале: дис. ... докт. физ.~мат. наук (в форме научного доклада) / ИО РАН. М., 1993. 37 с.
10. Шерстянкин П.П., Куимова Л.Н. Термобарическая устойчивость и неустойчивость глубоких природных вод озера Байкал: докл. АН СССР. 2002. Т. 385, № 2. С.247-251.
УДК 556.38.02
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ РАЗНОСТЕЙ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД В ПЛАСТАХ НА НАКЛОННОМ ВОДОУПОРЕ
Л.И.Аузина1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлен опыт использования метода конечных разностей для решения задач прогноза изменения уровня подземных вод методом математического моделирования анизотропных водоносных горизонтов на наклонном водоупоре с использованием детерминированных моделей, что упрощает математическое описание исходных условий и сам процесс моделирования, а также позволяет использовать стандартный математический аппарат при решении сложных задач в условиях нестационарной фильтрации. Ил.4. Табл.2. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: метод конечных разностей; уровень подземных вод; прогноз; математическое моделирование.
EXPERIENCE OF THE FINITE DIFFERENCE METHOD USE IN MODELING THE GROUNDWATER LEVEL CHANGE IN BEDS ON A SLOPING AQUICLUDE L.I. Auziga
National Research Irkutsk State Technical University,
1Аузина Лариса Ивановна, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры прикладной геологии Института недропользования, тел.: (3952) 995982, e-mail: [email protected]
Auzina Larisa, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Associate Professor of the Department of Applied Ge ology of the institute of Mining, tel.: (3952) 995 982, e-mail: [email protected]
