Органические вещества и минерализация речных вод гор России и сопредельных стран

Полный текст

Введение. Формирование растворенных органических веществ (РОВ) и минерализации речных вод (∑и) гор обусловлено типами вертикальной поясности, фациальностью природной среды, ярусностью рельефа. Определяющую роль, как и на равнинах, играют почвенно-биогеохимические условия, характер и интенсивность антропогенных факторов. По сравнению с равнинами в горах быстро нарастает механическая денудация, часто превалирующая над химической, либо степень их проявления одинакова [1–5, 9–15, 23, 24].

В горах России и стран СНГ на обширных пространствах сформированы типы вертикальной поясности: тундрово-арктические, тундрово-таежные, лесо-луговые, пустынно-субтропические [23]. Степень их ландшафтной и гидрохимической изученности сильно различается, увеличиваясь в южном направлении [1–15, 16–24]. Материалы и методы исследования, факторы формирования химического состава горных речных вод, использованные классификации охарактеризованы в работах [1–3, 11, 16–22]. Большое внимание изучению растворенных органических и минеральных веществ в речных водах уделяется за рубежом [25–29].

В работах [25–29] представлен литературный обзор закономерностей распределения органических веществ в природных водах, рассматриваются основные источники их поступления в водоемы, методы количественной оценки суммарного содержания в воде, анализируются распределение и миграция растворенных и взвешенных форм органического углерода, азота, фосфора в водах рек различных районов мира, даются оценки перспективного формирования ингредиентов в поверхностных водах.

В настоящей работе применены следующие классификации поверхностных вод по значениям pH, минерализации, цветности (Цв), перманганатной (ПО, Оперм) и бихроматной (БО, Обихр) окисляемости, отношению ПО:БО.

По значениям pH: < 4.5 – сильнокислая, 4.5–5.5 – кислая, 5.5–6.5 – слабокислая, 6.5–7.0 – нейтральная, 7.0–7.5 – слабощелочная, 7.5–8.5 – щелочная, > 8.5 – сильнощелочная.

По минерализации (мг/л): < 100 – очень малая, 100–200 – малая, 200–500 – средняя, 500–1000 – повышенная, > 1000 – высокая.

По цветности (градусы платиново-кобальтовой шкалы): 0–10 – очень малая, 10–25 – малая, 25–50 – средняя, 50–75 – слабоповышенная, 75–100 – повышенная, 100–150 – высокая, 150–250 – очень высокая, > 250 – исключительно высокая.

По перманганатной окисляемости (мг О/л): 0–2 – очень малая, 2–5 – малая, 5–10 – средняя, 10–15 – слабоповышенная, 15–20 – повышенная, 20–30 – высокая, 30–50 – очень высокая, > 50 – исключительно высокая.

По бихроматной окисляемости (мг О/л): 0–5 – очень малая, 5–10 – малая, 10–20 – средняя, 20–30 – слабоповышенная, 30–40 – повышенная, 40–60 – высокая, 60–100 – очень высокая, > 100 – исключительно высокая.

По отношению перманганатной окисляемости к бихроматной (%): 0–10 – очень малое, 10–20 – малое, 20–30 – среднее, 30–40 – слабоповышенное, 40–50 – повышенное, 50–60 – высокое, 60–70 – очень высокое, > 70 – исключительно высокое.

На основе этих классификаций дана систематическая гидрохимическая характеристика рек равнин и гор, составлены легенды к картам цветности, перманганатной, бихроматной окисляемости, отношений ПО:БО речных вод в половодье, летнюю, зимнюю межени, годовой период. Факторы формирования химического состава вод рассмотрены в работах [17–22].

Органические вещества и минерализация воды горных рек. В горных реках таежно-лесных ландшафтов выявляется наибольшее количество растворенных органических веществ (РОВ), в реках горных тундровых, луговых, степных ландшафтов содержание их быстро понижается. Максимальные концентрации РОВ и легкоокисляемых ОВ (ЛОВ) находятся в речных водах гор с тундрово-таежными типами вертикальной поясности, за которыми по убывающей следуют реки гор с тундрово-арктическими, лесо-луговыми, пустынно-субтропическими, где они минимальны [16–22]. При этом, всюду наиболее высокое содержание аквагумуса и его фракций обычно характерно для внутриматериковых областей с резко континентальным климатом, интенсивным развитием многолетней мерзлоты. В воде рек приокеанских горных областей, где более мягкий климат и мерзлота ослабевает или отсутствует, количество ОВ снижается.

Основной закономерностью распределения ОВ в речных водах гор является вертикальная поясность. Структура гидрохимической поясности зависит от географического положения, типа ландшафтной поясности, широтной зоны, природной страны, в которых находятся горы, а также от их орографии. Гидрохимические пояса выделяются в горных областях, которые имеют достаточно развитую ландшафтную поясность.

В горах с тундрово-арктическими типами вертикальной поясности ярусность окисляемости вод проявляется лишь фрагментарно на Полярном Урале, хребте Бырранга, Чукотском нагорье [17, 19].

В большинстве гор с тундрово-таежными типами вертикальной поясности из-за незначительной геоморфологической и ландшафтной дифференциации сформирован обычно один гидрохимический пояс. Только в Кольском низкогорье и Восточно-Камчатской провинции выделяются два пояса [18, 19].

В горах с лесо-луговыми типами вертикальной поясности гидрохимическая ярусность развита на Северном Кавказе, в Карпатах, Горном Крыму (западные типы вертикальной поясности); на Среднем и Южном Урале, в Горном Алтае, Саянском, Тувинском, Прибайкальском нагорьях, Приселенгинском среднегорье (центральные типы вертикальной поясности); на Северном и Южном Сихотэ-Алине, Южном Сахалине (дальневосточные типы вертикальной поясности); на Северном Тянь-Шане (среднеазиатские типы вертикальной поясности) [19, 21].

В горах с пустынно-субтропическими типами вертикальной поясности гидрохимическая ярусность характерна для Восточно-Закавказской провинции, Армянского нагорья, Копетдагского среднегорья, высокогорных хребтов Таджикистана, Восточного Памира, Южно-Таджикистанского среднегорья, горных хребтов Южного и Западного Тянь-Шаня [19, 22].

В высоких горах – на Кавказе, Тянь-Шане, Памиро-Алае, Киргизском, Таджикистанском, других хребтах Средней Азии со спектром оптимально развитых орографических и ландшафтных ярусов выделяются три высотных пояса окисляемости (Оперм) речных вод: 0–2, 2–5, 5–10 мг О/л. В средневысотных, реже низких горах – на Карпатах, Урале, Переднеазиатских нагорьях, Алтае, Восточном и Западном Саяне, Сихотэ-Алине, хребтах Камчатском Срединном, Прибайкалья, Забайкалья, Средней Азии выделяются два пояса окисляемости речных вод: 2–5, 5–10 или изредка 5–10, 10–15 мг О/л. Пояса цветности вод в целом аналогичные. Гидрохимические пояса сменяются в указанной последовательности от высокогорного рельефа к низкогорному и предгорному.

Пояс очень малой окисляемости речных вод 0–2 мг О/л приурочен к ландшафтам гольцов, альпийских и субальпийских лугов, местами отчасти к лесо-луговым или горно-степным. Пояс малой окисляемости вод 2–5 мг О/л развит ниже яруса очень малой окисляемости, а при его отсутствии является верхним. Он сопряжен с горным таежно-лесным, в Средней Азии также с горными степным и пустынным поясами. Ниже по рельефу последний сменяется поясом средней окисляемости вод 5–10 мг О/л, развитым в сфере горных лесо-степного, степного, полупустынного поясов.

В табл. 1 представлены усредненные сезонные и годовые по гидрохимическим поясам характеристики речных вод гор с различными типами вертикальной поясности. Щелочно-кислотные показатели речных вод гор России и стран СНГ с различными типами вертикальной поясности многообразны: среднегодовые значения рН изменяются от 6.4 до 7.6. Реакция речных вод гор с тундрово-арктическими типами вертикальной поясности слабокислая (рН 6.4); с тундрово-таежными – нейтральная (рН 6.8); с лесо-луговыми – слабощелочная на грани с нейтральной (рН 7.1); с пустынно-субтропическими – щелочная (рН 7.6). Таким образом, на большей части горных территорий преобладает нейтральная и близкая к нейтральной реакция речных вод [17–22].

Таблица 1. Многолетние средние сезонные и годовые значения рН, минерализации, цветности, окисляемости, гумусовых кислот речных вод гор с различными типами вертикальной поясности России и стран СНГ

Примечание. Приняты следующие сокращения гидрохимических показателей воды рек:∑и – минерализация, Цв – цветность, ПО – перманганатная окисляемость, БО – бихроматная окисляемость, ПО:БО – отношение перманганатной и бихроматной окисляемости, Цв:ПО – коэффициент цветности по перманганатной окисляемости, Цв:БО – коэффициент цветности по бихроматной окисляемости, РОВ – растворенные органические вещества, ЛОВ – легкоокисляемые органические вещества, РОВ:∑и – отношение растворенных органических веществ и суммы главных ионов (минерализации), ГК – гуминовые кислоты, ФК – фульвовые кислоты, Сгк:Сфк – отношение углерода гуминовых и фульвовых кислот.

Минерализация воды горных рек различается на порядок. Речные воды гор северных широт с тундрово-арктическими и тундрово-таежными типами вертикальной поясности очень маломинерализованы: среднегодовая сумма главных ионов составляет соответственно 42 и 74 мг/л. Далее к югу, в горах с лесо-луговыми типами вертикальной поясности минерализация вод возрастает до малой – 140 мг/л, в горах с пустынно-субтропическими – до средней – 450 мг/л. Следовательно, на большей части горных территорий речные воды очень мало и маломинерализованы.

Среднемноголетняя цветность речных вод (Цв) южных гор с пустынно-субтропическими типами вертикальной поясности весьма мала. В горах с тундрово-арктическими типами поясности она возрастает до малой – 20°, в горах с лесо-луговыми и тундрово-таежными – до уровня средней – 30° и 31°.

Распределение значений перманганатной и бихроматной окисляемости воды рек аналогичное величинам цветности. В горах с пустынно-субтропическими типами поясности в среднем они малые – 3 и 7, в горах с остальными тремя типами поясности возрастают до градаций средних – 7–8 и 13–18 мг О/л. При этом, значения Обихр вод в горах с тундрово-арктическими типами поясности в 1.5 раза ниже, чем в горах с тундрово-таежными и лесо-луговыми. В горах бореального пояса с тремя северными типами поясности доминируют геохимические ландшафты кислого и кисло-глеевого классов. Поэтому концентрации ОВ в речных водах здесь сходны и вдвое выше, чем в ксерофитных южных горах суббореального пояса.

Многолетние среднегодовые отношения ПО:БО вод максимальны в горах с тундрово-арктическими типами вертикальной поясности – 62%, в горах с тундрово-таежными и лесо-луговыми – снижаются соответственно до 50 и 41%, в горах с пустынно-субтропическими – до 35%, т.е. почти вдвое по сравнению с крайне северными горами (рис. 1).

Рис. 1. Отношения многолетних средних годовых значений перманганатной и бихроматной окисляемости речных вод гор с различными типами вертикальной поясности (1–4) России и стран СНГ.

Такие же закономерности распределения РОВ и ЛОВ, среднемноголетнее содержание которых в воде рек северных тундрово-арктических и тундрово-таежных гор составляет 17–18 и 9–11 мг/л соответственно, южнее в лесо-луговых горах уменьшается до 14 и 6, в крайне южных пустынно-субтропических горах – до 9 и 3 мг/л, т.е. в 2 и 3 раза.

Коэффициенты Цв:ПО и Цв:БО максимальны в тундрово-таежных и лесо-луговых горах – около 4 и 2, в тундрово-арктических и пустынно-субтропических горах снижаются до 3 и 1.3 соответственно.

Из гидрохимических показателей наиболее контрастны в горных реках отношения РОВ:∑и (рис. 2). В воде рек тундрово-арктических гор они составляют в среднем за год 41%, в тундрово-таежных – 30%, в лесо-луговых – 10%, в пустынно-субтропических – свыше 2%, т.е. на крайнем юге убывают почти в 20 раз по сравнению с крайне северными горными реками. Таким образом, роль ОВ велика в тундрово-арктических и тундрово-таежных горных реках, в лесо-луговых снижается в 3–4 раза, в самых южных безлесных – в два десятка раз.

Рис. 2. Зависимость между содержанием общего растворенного органического вещества и минерализацией речных вод гор с различными типами вертикальной поясности (1–4) России и стран СНГ.

Многолетнее среднегодовое содержание гуминовых и фульвовых кислот в воде рек наиболее высокое в горах с тундрово-таежными и тундрово-арктическими типами вертикальной поясности, в горах с лесо-луговыми – уменьшается втрое, в горах с пустынно-субтропическими – до минимального уровня на горной территории, соответственно в 5 и 17 раз. Отношение Сгк:Сфк наибольшее в тундрово-таежных горных реках – 13%, к северу в тундрово-арктических понижается меньше – в 1.2 раза, к югу в лесо-луговых и пустынно-субтропических – соответственно в 1.3 и 3.7 раза.

Горные реки России и СНГ имеют в среднем за год нейтральную реакцию – рН 6.9, малую минерализацию – 120 мг/л, средние цветность – 27о, Оперм и Обихр – 7 и 17 мг О/л, повышенные отношения ПО:БО – 47%. Коэффициенты цветности равны 3.7 и 1.6. Количество общего ОВ и легкоокисляемых соединений в воде всех горных рек составляет 16 и 8 мг/л, гуминовых и фульвовых кислот – 0.089 и 0.842 мг С/л; отношения РОВ:∑и равны 22%, Сгк:Сфк – 11%.

Внутригодовой гидрохимический режим горных рек более динамичен, но в общем аналогичен режиму рек равнин. Максимальное количество органических веществ содержится в речных водах в периоды половодья и паводков. В летнюю межень содержание РОВ и ЛОВ, значения окисляемости и цветности понижаются, в зимнюю межень становятся минимальными в годовом цикле. Количество минеральных компонентов, напротив, повышается от половодья к летней межени, а зимой достигает максимального уровня.

Гидрохимические характеристики горных и равнинных рек существенно различны. Многолетняя среднегодовая реакция воды горных рек нейтральная, равнинных – слабощелочная. Горные речные воды втрое менее минерализованы, вдвое слабее окрашены. Среднегодовые значения Оперм и Обихр вод горных рек в полтора раза ниже. Горные реки превосходят равнинные по отношению ПО:БО вод, но в такой же мере уступают им по коэффициентам цветности. По концентрациям общего ОВ и легкоокисляемых фракций реки отличаются так же, как по окисляемости вод. Содержание гуминовых и фульвовых кислот в горных реках в 2.5 раза меньше. Вследствие существенно большей минерализации вод отношения РОВ: ∑ и в равнинных реках в 1.5 раза ниже, чем в горных реках.

Выводы.

1. Многолетние среднегодовые значения рН речных вод гор с тундрово-арктическими, тундрово-таежными, лесо-луговыми, пустынно-субтропическими типами вертикальной поясности соответственно равны 6.4, 6.8, 7.1, 7.6. Реакция воды горных рек в южном направлении постепенно переходит от кислой к нейтральной, слабощелочной и щелочной.
2. Среднемноголетняя минерализация воды горных рек различается на порядок. В двух северных типах горной поясности она составляет 42 и 74 мг/л, в двух южных – 140 и 450 мг/л. На основной части горных территорий речные воды очень слабо- и маломинерализованы.
3. Годовые значения цветности воды возрастают от очень малых в пустынно-субтропических до малых в тундрово-арктических (20°) и средних в лесо-луговых и тундрово-таежных горах (30° и 31°).
4. Территориальное распределение величин перманганатной и бихроматной окисляемости аналогичное цветности вод: в среднем за год они малые в ксерофитных горах с пустынно-субтропическими (3 и 7 мг О/л), увеличиваются до средних и слабоповышенных градаций в гумидных горах с остальными типами вертикальной поясности (7–8 и 13–18 мг О/л), в которых господствуют геохимические ландшафты кислого и кисло-глеевого классов.
5. Среднегодовые отношения ПО:БО вод, напротив, максимальны в тундрово-арктических горах (62%), южнее в тундрово-таежных, лесо-луговых и пустынно-субтропических горах убывают соответственно до 50, 41 и 35%, что указывает на снижение содержания легкоокисляемых фракций от северных широт к южным вдвое.
6. Многолетние среднегодовые концентрации общего ОВ и легкоокисляемых форм уменьшаются от тундрово-арктических и тундрово-таежных гор (17–18 и 9–11 мг/л) вдвое и втрое в лесо-луговых и пустынно-субтропических горах, по мере усиления засушливости и аридности.
7. Гидрохимическая роль аквагумуса максимальна в тундрово-арктических и тундрово-таежных горах, где условия для его формирования и миграции наиболее благоприятны; в лесо-луговых и особенно пустынно-субтропических горах многократно падает из-за их ухудшения, о чем свидетельствует снижение отношений РОВ/∑и соответственно от 41% и 30% до 10% и 2%, т.е. в 3–4 и 20 раз. В этих условиях одновременно происходит обратный процесс нарастания минерализации речных вод, прежде всего в связи с усилением аридности и засушливости.
8. В южном направлении в связи с указанными причинами также резко уменьшается содержание гумусовых веществ в воде горных рек. Концентрации гуминовых и фульвовых кислот максимальные в речных водах гор бореального пояса (0.224 и 1.80 мг С/л), резко снижаются в горных реках суббореального пояса – до 0.067 и 0.013, 0.637 и 0.373 мг С/л, т.е. от 5 до 17 раз. Отношения Сгк:Сфк убывают к югу в лесо-луговых и пустынно-субтропических горах в 1.3 и 3.7 раза.
9. Гидрохимические показатели горных и равнинных рек существенно различны. В целом реакция воды горных рек нейтральная, равнинных – слабощелочная. Горные речные воды втрое меньше минерализованы, вдвое слабее окрашены. Среднегодовые величины перманганатной и бихроматной окисляемости, концентрации РОВ и ЛОВ в воде горных рек в 1.5 раза, содержание гумусовых веществ в 2.5 раза ниже, чем в равнинных реках.
10. Ландшафтная поясность является важнейшим фактором, определяющим закономерности распределения органических веществ и минерализации горных речных вод. Вследствие незначительной орографической и ландшафтной дифференциации ярусность цветности и окисляемости вод в горах с тундрово-арктическими и тундрово-таежными типами вертикальной поясности проявляется фрагментарно. В горах с лесо-луговыми и пустынно-субтропическими типами поясности со спектром оптимально развитых геоморфологических и ландшафтных поясов гидрохимическая ярусность сформирована на всей территории. Пояса Оперм вод 0–2, 2–5, 5–10, 10–15 мг О/л последовательно сменяются от высокогорного рельефа к низкогорному и предгорному. Они приурочены к различным ландшафтным поясам: гольцовому, альпийскому, субальпийскому, горным – лесо-луговому, степному, полупустынному, пустынному в зависимости от географического положения гор и развития ярусности рельефа.

Об авторах

М. П. Смирнов

Автор, ответственный за переписку.
Email: andreros2011@gmail.com
Россия, Ростовская обл, г. Ростов-на-Дону, пр-кт Стачки, д. 198

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Отношения многолетних средних годовых значений перманганатной и бихроматной окисляемости речных вод гор с различными типами вертикальной поясности (1–4) России и стран СНГ.

Скачать (1MB)

Метаданные

3. Рис. 2. Зависимость между содержанием общего растворенного органического вещества и минерализацией речных вод гор с различными типами вертикальной поясности (1–4) России и стран СНГ.

Скачать (143KB)

Метаданные