CC BY
25
УДК 550.84 (571.53)
ХИМИЧЕСКИЙ БАЛАНС СЕЛЕНГИНСКОГО 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 Селенгинского резервуара оз. Байкал. Выявлены потоки - основные источники вещества в резервуаре. Выявлены инертные и активные в отношении химического взаимодействия в водах резервуара элементы. Оценена геохимическая устойчивость экосистемы "Се-ленгинский резервуар" при попадании химических элементов и органического вещества в озеро Байкал с техногенным стоком.
Ил. 1. Табл. 12. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: Селенгинский резервуар; оз. Байкал; мегасистема; потоки; химический баланс; экосистема; геохимическая устойчивость.
CHEMICAL BALANCE OF SELENGINSKY RESERVOIR OF THE LAKE BAIKAL O.Y. Astrakhantseva, K.V. Chudnenko, O.M. Glazunov
A.P. Vinogradov's Institute of Geochemistry SB RAS, 1a, Favorsky St., Irkutsk, 664033.
Quantitative characteristics of the chemical balance of the Selenginsky reservoir of the Lake Baikal are determined. The streams that are the main sources of substance in the reservoir are identified. Chemically inert and active elements in reservoir waters are identified. The geochemical stability of the ecosystem "Selenginsky reservoir" is assessed during the ingress of chemical elements and organic substances from anthropogenic drainage into the Lake Baikal. 1 figure. 12 tables. 4 sources.
Key words: Selenginsky reservoir; Lake Baikal; megasystem; flows; chemical balance; ecosystem; geochemical stability.
Изучение химической эволюции резервуаров озера Байкал, формирования их солевой массы, путей концентрации и рассеяния элементов в воде и донных отложениях является одной из теоретических основ решения проблем техногенеза.
Цель наших исследований - создание имитационных моделей процессов формирования химического состава природных вод оз. Байкал методами компьютерного физико-химического моделирования, а также прогнозирование качества вод озера при различных режимах его эксплуатации. В связи с этим были поставлены следующие задачи: 1) в исследуемом водоеме "Озеро Байкал" установить географические границы резервуаров - экологических зон, различающихся физико-химическими состояниями - температурой, давлением, химическим составом, обменивающихся потоками вещества и сохраняющих во времени свои физико-химические характеристики стабильными; 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,
создать среднемноголетние базы данных по содержанию в мг/л и моль/кг макро-, микро-, биогенных элементов и органического вещества (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Al, Si, Mn2+, Рео6щ , SO42-, HCO3-, Cl-, NO3-, PO43-, H+, O2, As, B, Cr, Cu, Cd, Hg, Pb, Sr, Zn, Co, U, V, Br, Rb, Mo, Сорг, N^r, Рорг, S^r, CO2, Ti) в системах и потоках мно-горезервуарной системы "Оз. Байкал"; 4) рассчитать химические балансы всех резервуаров и потоков мегасистемы "Оз. Байкал"; создать базы данных количества вещества в системах и потоках в г/год и моль/год.
В данной статье мы покажем балансовую модель Селенгинского 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
1Астраханцева Ольга Юрьевна, младший научный сотрудник лаборатории физико-химического моделирования, тел.: (3952) 425512, е-mail: [email protected]
Astrakhantseva Olga, Junior Research Worker of the Laboratory of Physico-Chemical Modeling, tel.: (3952) 425512, e-mail: [email protected]
2Чудненко Константин Вадимович, доктор геолого-минералогических наук, зав. лабораторией физико-химического моделирования.
Chudnenko Konstantin, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Head of the Laboratory of Physico-Chemical Modeling.
3Глазунов Олег Михайлович, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник лаборатории геохимического и ультраосновного магматизма.
Glazunov Oleg, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Chief Research Worker of the Laboratory and Geochemical and Ultrabasic Magmatism.
(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, 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 наш выбор единицы меры времени - 1 год - время периодически повторяющихся процессов. Следовательно, резервуар - система, сохраняющая во времени свои физико-химические характеристики стабильными. Модель степени протекания процесса в глобальной мегасистеме "оз. Байкал - потоки" - модель динамической мегасистемы - 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 [2].
Используя уравнение m = С*у, где m - полная масса элемента, С - средняя (базовая) концентрация, v - объем водной массы озера [3], можно определить годовое содержание - полную массу каждого из 35 компонентов в 109 г/год в системах (поверхностные, прибрежные, глубинные, придонные воды) Южного резервуара оз. Байкал (табл. 1). Для расчета химического баланса потоков, впадающих и вытекающих из резервуара, необходимо знать составляющие приходной и расходной частей. Потоки, составляющие статью "Приход" в резервуарах: внешние потоки - реки, речная взвесь, подземные воды, минеральные воды, атмосферные осадки, атмосферный аэрозоль, приток озерных вод из соседних резервуаров озера; внутренняя нагрузка - поток из донных отложений. Статью "Расход" составляют: поток в донные отложения, сток озерных вод в другие резервуары озера или р. Ангару. Динамика изменения некоторого химического элемента в Байкале может быть описана простым дифференциальным уравнением, в котором в качестве переменной выступает количество элемента в водной массе: dm/dt = (Po + Pa + Pr + Pv + Pm + Pu + Pp) - (PA + Ps), где составляющими приходной и расходной частей баланса (потоками) являются: Po - поступление элементов с атмосферными осадками на зеркало озера, Pa - с атмосферным аэрозолем, Pr и Pv - с речными водами и речной взвесью, Pu и Pm - c подземными и минеральными водами; Pp - приток озерных вод из соседних резервуаров озера; PA - вынос элемента c озерными водами в другие резервуары озера или р.
Ангару; Р3 - выведение из водной массы со взвешенным материалом, формирующим донные отложения. 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 Селен-гинского 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 7518 тыс. т/год, а из резервуара со стоком озерных вод и потоком в донные отложения уходит 6734 тыс. т/год растворенного вещества и взвеси. Некоторое расхождение количества компонентов (В, Сd, Бг) в статье "Расход" с количеством компонентов в статье "Приход" не выходит за пределы погрешности методов определения компонентов. Количество вещества в статье "Приход" превышает его количество в статье "Расход" (табл. 5). Однако, учитывая то, что водные массы в резервуаре проточны, при этом время полной смены вод в резервуаре, как показал расчет водного баланса резервуара [1], составляет 25 лет, и большая часть компонентов полностью или наполовину транзитны, при этом оставшаяся часть захоранивается в донных отложениях, ощутимого накопления этих компонентов в водах резервуара не происходит.
В целом ряде потоков, впадающих в Селенгинский резервуар, отсутствуют данные по количеству кислорода в единице объема. Озеро Байкал - открытая система, обменивающаяся с атмосферой веществом и энергией. Основной источник газов, растворенных в байкальской воде - атмосфера. Количество кислорода и углекислого газа, которое участвует в геологическом и биологическом круговоротах вещества в резервуаре, показано в табл. 1.
Расчет химического баланса Селенгинского резервуара оз. Байкал позволил установить кроме внешних прихода и расхода вещества в резервуар и из резервуара существование внутренних нагрузок, которые ранее при попытках расчета химического баланса оз. Байкал не учитывались, - потока из донных отложений, приносящего 1,4% вещества статьи "Приход" резервуара и потока в донные отложения (уносит 11,8% вещества статьи "Расход").
Поток из донных отложений поставляет около трети от количества в статье "Приход" калия и минерального фосфора, около половины железа, марганца, органического фосфора, микроэлементов: Лб, Cd, Со, и, V, РЬ, Мо (табл. 3, 6). Причем эти компоненты находятся в растворенном состоянии - в фазе раствора. Поток в донные отложения уносит практически целиком биогенные элементы, микроэлементы Л1, Мп2+, И, Лб, Сг, Со, V, РЬ и половину от общего расхода и, Вг, Мо и фосфора органического. Эти компоненты находятся в твердой фазе - во взвешенном состоянии.
Таблица 1
Количество вещества в системах Селенгинского резервуара мегасистемы "Озеро Байкал"
Компонент Селенгинский резервуар, 109 г/год
Прибрежные воды Поверхностные воды Глубинные воды Придонные воды Все воды
К+ 56,3125 747,383 864,165 247,855 1915,715
№+ 168,938 1494,77 2592,5 743,5649 4999,763
Са2+ 811,75 6260,8 10370 4200,49 21643,02
Мд2+ 178,5 1349,99 2152,26 782,7 4463,445
А1 2,05417 36,5866 31,523 12,61017 82,77388
а 93,3779 499,201 1245,38 389,6763 2227,633
Мп2+ 0,105188 0,46956 0,78264 0,41744 1,774828
Реобщ 2,00813 13,4999 22,5009 10,436 48,44487
3042" 362,738 2152,15 2686,93 1121,87 6323,686
НС03" 3167,96 25910 43165,8 17450,43 89694,18
С!" 62,6875 391,3 326,1 130,45 910,5375
N03" 1,29246 24,8187 29,926 12,38276 68,41992
Р043" 0,420339 4,176 6,76106 2,430544 13,78795
02 453,441 4559,98 7598,13 2917,569 15529,12
АБ 0,01275 0,11739 0,19566 0,07827 0,40407
В 0,395675 3,643 6,07198 «-» 10,11066
Сг 1,73x10"2 0,215215 0,388059 0,13045 0,7510428
Си 7,31x10"2 1,36955 0,645678 0,258291 2,346576
Сс1 1,06x10"3 1,0565x1с2 1,5001x10"2 0,0060007 0,0326289
нд 0,009775 0,125216 0,16305 0,065225 0,363266
РЬ 1,54x10"2 0,179998 0,303273 0,1213185 0,6199957
Бг 8,2875 107,216 169,572 67,834 352,9097
гп 0,261375 2,42606 3,97842 1,59149 8,257345
Со 0,00187 1,6435x10"2 2,4784x10^ 0,0099142 0,0530024
и 9,24x10"3 0,179998 0,26088 0,10436 0,5544817
V 0,0221 0,179998 0,29349 0,117405 0,612993
Вг 0,0102 8,6086 0,156528 0,062616 8,837944
РЬ 3,05x10"2 0,150064 0,208704 0,083488 0,4727493
Мо 3,05x10"2 0,277823 0,414147 0,1656715 0,8881353
Сорг 163,2 465,647 1887,63 299,3828 2815,86
^Ог 11,741 54,782 79,351 27,61527 173,4893
Р Рорг 0,591304 3,05214 3,42405 4,933382 12,00088
Борг 2,24071 6,3508 25,9169 4,110482 38,61887
С02 210,517 1450,42 3391,44 1356,68 6409,056
Всего 5759,054 45550,05 76663,21 29786,23 157758,5
Таблица 2
Среднемноголетнее годовое содержание химических веществ в потоках (внешняя и внутренняя _нагрузка), впадающих в Селенгинский резервуар мегасистемы "Озеро Байкал"_
Компонент Потоки, впадающие в озеро Байкал, 109 г/год
Селенгинский резервуар
Аэрозоль Дождь+ снег Реки Взвесь речных вод Подземные воды Минеральные воды Приток озерных вод из Среднего резервуара Поток из донных отложений Суммарный приход
малые притоки основные притоки
К+ 0,5554 0,2145 1,106 39,36 19,13 0,6096 0,3819 31,64 41,74 134,7
№+ 0,4667 8,938x1а2 3,938 168,8 15,48 26,71 14,06 81,52 0 311,1
Са2+ 0,9645 1,301 18,27 580,9 15,8 15,86 4,255 361,9 0 999,2
Мд2+ 0,4975 8,938x1а2 5,841 166,6 20,64 1,732 0,2299 70,28 0 265,9
А! 0,4367 3,075x1а2 0,1892 1,078 57,94 0 0,2248 2,069 0 61,97
в1 6,597 0,2807 3,72 157,6 613,5 0 1,557 27,06 0 810,3
Мп2+ 3,24x10"2 2,72x10"' 2,328x1а2 0,1162 1,29 0 1,41x1а3 4,031x1а2 1,283 2,789
Реобщ 1,783 1,07x10"' 6,407x1с"2 1,841 43,64 0 0 0,7846 64,39 112,5
в042" 10,52 0,9474 11,79 338,1 132,9 8,717 11,85 104,7 0 619,5
НС0э 0 4,56 103,7 2741 0 43,66 16,19 1485 0 4394
С!" 0,3605 0,2217 0,9027 56,62 30,63 10,34 14,65 14,66 0 128,4
N03 1,516 0,1695 0,4071 12,56 0 0 0 1,082 0 15,73
N44+ 0 0,1752 0 0 0 0 0 0 0 0,1752
РО43" 0,9464 7,15x10"' 2,071x10^ 1,263 4,377 0 2,085x10"4 0,2145 2,308 9,138
О2 3,93 0 0 0 0 0 0 254,6 0 258,5
Лв 1,90x10-3 5,72x10"5 0 0 0,0258 0 1,054x10"3 6,72x10"' 0,03 6,553x10^
В 0 0 0 0 0 0 0,0281 0,2085 0,038 0,2746
Сг 6,54х10-3 3,575x10"= 3,257x10"4 6,464x10"' 9,244x10^ 0 6,323x10"4 1,333x10"" 6,643x10"' 0,1264
Си 0 1,144x10"' 2,283x10"3 7,147x10^ 1,505x10"2 0 1,405x10"3 2,219x10"2 0 0,1135
Сс1 0 0 0 0 0 0 0 5,152x10"^ 4,092x10"4 9,24x10"^
нд 0 1,216x10"" ^ШМ"4 6,13x10"3 1,182x10"3 0 4,908x10"b 5,746x10"3 0 1,342x10"2
РЬ 2,96x10-2 7,15x10"" 3,115x10"4 7,614x10"3 3,117x10"2 0 7,026x10"4 1,113x10"2 0 8,125x10"'
вг 0 1,073x10"' 0,1062 4,368 0,2848 0 0,162 5,824 0,2192 10,97
гп 1,28x10-2 1,43x10"' 4,673x10"3 0,1806 0,1118 0 3,513x10"3 0,1385 0 0,4533
Со 7,14x10-3 1,859x10"' 3,54x10"э 1,456x10"' 7,524x10"^ 0 7,026x10"4 8,525x10"4 0,0357 4,665x10^
и 1,90x10-3 1,073x10"' 2,478x10"" 1,019x10"3 0 0 0 8,96x10"3 1,579x10"2 0,0277
V 9,52x10-3 1,43x10"3 3,54x10"4 1,716x10"2 6,557x10"' 0 8,431x10"4 1,081x10"2 0,1245 0,1711
Вг 0 5,36x10"'' 0 0 7,52x10"3 0 6,604x10"' 8,96x10"3 0 8,306x10^
РЬ 4,57x10-3 2,50310"5 0 0 0 0 7,367x10"3 7,168x10"3 0,1201 0,1393
Мо 0 2,15x10"* 8,85x10"4 0,0234 8,6x10"^ 0 8,532x10"4 1,474x10"2 3,517x10"2 7,613x10"2
Сорг 25,59 2,002 3,795 154,6 7,374 0 0 46,69 0 240,1
Nорг 0 0,1788 0,1652 7,027 0,9429 0 0 3,586 0 11,9
Рорг 0 7,33x10"3 5,046x10"3 0,3311 0,1886 0 0 0,196 0,6168 1,345
ворг 0 2,75x10"2 0,0521 2,123 0,1012 0 0 0,6411 0 2,945
С02 0 0 0 0 0 0 0 101,7 1,65 103,4
и 0 0 0 0 4,192 0 0 0 2,463 6,656
Всего 54,3 10,31 154,1 4435 968,7 107,6 63,67 2594 115,1 8503
Таблица 3
Среднемноголетнее годовое содержание химических веществ в потоках (внешняя и внутренняя _нагрузка), впадающих в Селенгинский резервуар мегасистемы "Озеро Байкал"_
Компонент Потоки, впадающие в озеро Байкал (внешняя и внутренняя нагрузка), %
Селенгинский резервуар
Аэрозоль Дождь+ снег Реки Взвесь речных вод Подземные воды Минеральные воды Приток озерных вод из Среднего резервуара Поток из донных отложений Суммарный приход
малые притоки основные притоки
К+ 0,4 0,16 0,82 29,21 14,2 0,45 0,28 23,48 30,98 100
N8+ 0,15 0,03 1,27 54,27 4,98 8,57 4,52 26,2 0 100
Са2+ 0,1 0,13 1,83 58,13 1,58 1,59 0,43 36,22 0 100
Мд2+ 0,19 0,03 2,2 62,65 7,76 0,65 0,09 26,43 0 100
Л1 0,7 0,05 0,31 1,74 93,5 0 0,36 3,34 0 100
в1 0,81 0,03 0,46 19,45 75,71 0 0,19 3,34 0 100
Мп2+ 1,16 0,1 0,83 4,17 46,25 0 0,05 1,45 46 100
Рвобщ 1,59 9,5x10"^ 0,06 1,64 38,79 0 0 0,7 57,23 100
в042" 1,67 0,15 1,90 54,58 21,45 1,41 1,91 16,9 0 100
НС03" 0 0,10 2,36 62,38 0 0,99 0,37 33,79 0 100
С1" 0,28 0,17 0,70 44,1 23,86 8,05 11,41 11,42 0 100
N03" 9,64 1,08 2,59 79,82 0 0 0 6,88 0 100
NH4+ 0 100 0 0 0 0 0 0 0 100
Р043" 10,36 0,08 0,23 13,82 47,9 0 0,002 2,35 25,26 100
02 1,52 0 0 0 0 0 0 98,48 0 100
Лв 2,91 0,09 0 0 39,36 0 1,61 10,25 45,78 100
В 0 0 0 0 0 0 10,23 75,93 13,84 100
Сг 5,18 0,03 0,26 5,11 73,13 0 0,50 10,54 5,26 100
Си 0 1,01 2,01 62,95 13,25 0 1,24 19,54 0 100
Сс1 0 0 0 0 0 0 0 55,73 44,27 100
Нд 0 0,91 1,43 45,68 8,81 0 0,37 42,82 0 100
РЬ 36,4 0,88 0,38 9,37 38,36 0 0,86 13,69 0 100
вг 0 0,01 0,97 39,83 2,6 0 1,48 53,11 2 100
гп 2,8 0,32 1,03 39,85 24,66 0 0,78 30,56 0 100
Со 15,3 0,04 0,08 3,12 1,61 0 1,51 1,83 76,52 100
и 6,9 0,04 0,09 3,68 0 0 0 32,34 56,98 100
V 5,6 0,84 0,21 10,03 3,83 0 0,5 6,315 72,73 100
Br 0 0,65 0 0 9,06 0 79,51 10,79 0 100
РЬ 3,28 0,02 0 0 0 0 5,29 5,147 86,26 100
Mo 0 0,28 1,16 30,74 1,13 0 1,12 19,37 46,2 100
Сорг 10,66 0,83 1,58 64,41 3,07 0 0 19,45 0 100
И0рг 0 1,50 1,39 59,05 7,92 0 0 30,14 0 100
Рорг 0 0,55 0,38 24,62 14,02 0 0 14,58 45,86 100
§орг 0 0,93 1,77 72,09 3,44 0 0 21,77 0 100
С02 0 0 0 0 0 0 0 98,4 1,6 100
И 0 0 0 0 62,99 0 0 0 37,01 100
Всего 0,64 0,12 1,813 52,16 11,39 1,266 0,75 30,51 1,35 100
В отличие от качественного состава внешней нагрузки, около 90% которой образуют макрокомпоненты, состав внутренней нагрузки - потоки из донных отложений и потоки в донные отложения - только на треть состоит из макрокомпонентов, остальное количество составляют биогенные элементы - более 50%, микроэлементы и органическое вещество (табл. 7). Таким образом, химические круговороты компонентов в водах Селенгинского резервуара происходят, но участвует в них только часть массы компонентов, и число этих компонентов значительно меньше, чем в других резервуарах. Определена группа компонентов, оставшаяся часть массы которых после выноса или захоронения участвует в химических круговоротах и переходит из взвешенной в растворенную форму и обратно: К+, Feо6щ , Mn2+, PO43-, As, Со, V, Rb, Т Cd, и, Mo, ^рГ .
Для оценки вклада каждого из потоков в поступление и расход компонентов в Селенгинском резервуаре оз. Байкал суммарные (внешний и внутренний) приход и расход каждого компонента приняты за 100%. Это позволило определить основные источники - потоки вещества в резервуар и из резервуара (табл. 2, 3), а также установить особенности и скорость миграции компонентов в резервуаре. Основные источники вещества (потоки) в Селенгинском резервуаре: "Реки -основные притоки", "Приток озерных вод из Среднего резервуара", "Взвесь речных вод", приносящие соответственно 52, 30 и 11% вещества от резервуарной статьи "Приход". Пункты расхода компонентов: поток в донные отложения, захоронение и сток озерных вод в Южный резервуар.
Макроэлементы поступают с потоками "Реки" и "Приток озерных вод из Среднего резервуара" (табл. 3).
Микроэлементы А1, Сг, половина количества Mn2+, As и Pb поступают со взвесью речных вод. Медь, половина от общего прихода ртути, Sr, Zn и треть Mo поставляют реки. Основное количество брома поступает с потоком "Минеральные воды". Около трети от общего прихода свинца приносится потоком "Аэрозоль". Остальное количество микроэлементов приходит с притоком озерных вод и потоком из донных отложений.
Около половины от общего прихода железа поступает с потоком из донных отложений. Остальные биогенные элементы поставляют реки и взвесь речных вод.
Основное количество органического вещества приносят реки и приток озерных вод из Среднего резервуара; около половины фосфора органического поступает с потоком из донных отложений.
Половина железа, основное количество остальных биогенных элементов, микроэлементы А1, Сг, Pb, половина Mn2+, As поступают в воды резервуара в твердой фазе - в виде взвеси, остальные компоненты приходят в резервуар в растворенном состоянии.
Рассмотрим пункты выноса компонентов в статье "Расход" (табл. 4). Взвесь, уходящая с потоком в донные отложения, составляет 12%, а вещество, уходящее со стоком озерных вод в Южный резервуар оз. Байкал - растворенное вещество + тонкодисперсная взвесь, составляет соответственно 88% от резервуарной статьи "Расход". В донных отложениях захоранивается 85,5% от поступившего с потоками в донные отложения вещества, остальное количество возвращается с потоком из донных отложений (табл. 6). От всего поступающего в резервуар с внешней и внутренней нагрузками вещества в донных отложениях Селенгинского резервуара захоранивается 8%. Количество захороненного вещества в донных осадках резервуара рассчитывали как разницу между веществами в потоках "Поток в донные отложения" и "Поток из донных отложений" (табл. 6).
Основной пункт расхода макрокомпонентов, кроме калия, - сток озерных вод в Южный резервуар. Половина всего калия в статье "Расход" уходит с потоком в донные отложения, половина - со стоком озерных вод. Микроэлементы А1, Mn, As, Сг, Со, V, Rb, Т и около половины и, Br, Mo, Pb поступают в донные отложения, а B, Си, Cd, Hg, Sr, Zn, Mo и половина и, Br, Mo, Pb уходят со стоком озерных вод. Основной пункт расхода биогенных элементов - донные отложения. Основное количество органических веществ Сорг, ^рг, Sорг и половина фосфора органического уходят в донные отложения, оставшаяся половина Рорг - со стоком озерных вод в Южный резервуар. Следовательно, с внутриводоемными потоками в донные отложения в виде взвеси поступают биогенные элементы, половина фосфора органического, половина калия, группа микроэлементов: А1, Mn, As, Сг, Со, V, Rb, Т и около половины и, Br, Mo, Pb. Остальное вещество - половина калия и остальные макрокомпоненты, микроэлементы B, Си, Cd, Hg, Sr, Zn, Mo и половина и, Br, Mo, Pb в растворенном состоянии транзитом проходят через резервуар (табл. 4, 7).
Таблица 4
Содержание компонентов в пунктах статьи "Расход" для Селенгинского резервуара мегасистемы _"Озеро Байкал"_
Компонент Расход компонентов в Селенгинском 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+ 56,89 77,86 134,7 42,22 57,78 100
N8+ 46,05 208 254 18,13 81,87 100
Са2+ 45,77 850 895,7 5,11 94,89 100
Мд2+ 37,1 169,1 206,2 17,99 82,01 100
А1 37,93 2,552 40,48 93,7 6,31 100
81 390,4 87,93 478,3 81,62 18,38 100
Мп2+ 2,718 7,074х10-2 2,789 97,46 2,54 100
Реобщ 110,4 2,102 112,5 98,13 1,87 100
8042- 3,552 253,3 256,8 1,38 98,62 100
НС03- 0 3524 3524 0 100 100
С1- 8,331х10-2 36,5 36,58 0,23 99,77 100
N0^ 11,19 2,74 13,93 80,32 19,68 100
NH4 0 4,173х10-2 4,173х10-2 0 100 100
РО43- 8,602 0,5356 9,138 94,14 5,86 100
О2 0 316 316 0 100 100
Дб 4,969х10-2 1,584х10-2 6,553х10-2 75,83 24,17 100
В 0,038 0,4916 0,5296 7,18 92,82 100
Сг 9,788х10-2 2,854х10-2 0,1264 77,42 22,58 100
Си 1,916Е-3 0,0542 5,611х10-2 3,41 96,59 100
СС 4,092Е-4 1,22х10-3 1,629х10-3 25,12 74,88 100
Нд 9,647Е-5 1,315х10-2 1,324х10-2 0,73 99,27 100
РЬ 1,618х10-2 2,428 х10-2 4,046х10-2 39,99 60,01 100
8г 0,2192 13,56 13,78 1,59 98,41 100
гп 1,926х10-3 0,3222 0,3241 0,59 99,41 100
Со 4,463х10-2 2,022х10-3 4,665х10-2 95,67 4,335 100
и 1,579х10-2 2,064 х10-2 3,642х10-2 43,34 56,66 100
V 0,1472 2,394х10-2 0,1711 86,01 13,99 100
Вг 1,199х10-2 1,267х10-2 2,466х10-2 48,61 51,39 100
РЬ 0,1213 1,795х10-2 0,1393 87,11 12,89 100
Мо 4,239х10-2 3,375х10-2 7,613х10-2 55,67 44,33 100
Сорг 27,46 137,8 165,2 16,61 83,39 100
Nорг 2,631 6,435 9,066 29,02 70,98 100
Рорг 0,7024 0,6426 1,345 52,22 47,78 100
8орг 0,3767 1,892 2,269 16,61 83,39 100
С02 1,65 251,3 253 0,65 99,35 100
и 6,656 0 6,656 100 0 100
Всего 791 5943 6734 11,75 88,25 100
Оценка устойчивости резервуаров оз. Байкал к загрязнению химическими элементами и органическим веществом состоит в определении подвижности компонентов, поступающих в резервуары и уходящих из них, оценке степени участия компонентов в химических круговоротах внутри резервуаров и установлении места накопления компонентов - в водах или донных отложениях.
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 Среднего резервуара) и внешним расходом (растворенное вещество и взвесь, уходящие со стоком озерных вод в Южный резервуар (табл. 6)). В Селен-гинском резервуаре остается 2655,2 тыс. т/год растворенного вещества и взвеси. Аккумулированное от внешнего прихода вещество составляют компоненты: К+, N8+, Са2+, Мд2+, НСО3-, 8042-, С1-, Si, Fe общ , N03-, Р043-, А1, Мп2+, дб, Сг, Си, Нд, РЬ, Со, Вг, V, Вг, РЬ, Мо, Д Рорг, Сори, Nорг, Sорг. Другая группа компонентов -В, Сс1, 8г, и - имеет нулевой внешний баланс, следовательно, эти компоненты в резервуаре не накапливаются.
Таблица 5
"Приход - расход - содержание в водах озера" компонентов в резервуаре «Селенгинский» _мегасистемы "Озеро Байкал"_
Компонент Селенгинский резервуар, 109 г/год
Содержание в водах резервуара (растворенные элементы +взвесь) Приход Расход
109 г/год % от содержания в водах резервуара 109г/год % от содержания в водах озера
К+ 1915,715 134,7 7,034 134,7 7,034
№+ 4999,763 311,1 6,222 254 5,081
Са2+ 21643,02 999,2 4,617 895,7 4,139
Мд2+ 4463,445 265,9 5,957 206,2 4,619
А1 82,77388 61,97 74,86 40,48 48,9
а 2227,633 810,3 36,37 478,3 21,47
Мп2+ 1,774828 2,789 157,1 2,789 157,1
реобщ 48,44487 112,5 232,2 112,5 232,2
во/" 6323,686 619,5 9,796 256,8 4,061
ИСОэ" 89694,18 4394 4,899 3524 3,929
С1" 910,5375 128,4 14,1 36,58 4,018
ИОэ" 68,41992 15,73 22,99 13,93 20,35
N44 + «-» 0,1752 0 4,173х10"2 0
Р04э" 13,78795 9,138 66,27 9,138 66,27
02 15529,12 258,5 1,665 316 2,035
аб 0,40407 6,553х10"2 16,22 6,553х10"2 16,22
В 10,11066 0,2746 2,716 0,5296 5,238
Сг 0,7510428 0,1264 16,83 0,1264 16,83
Си 2,346576 0,1135 4,839 5,611х10"2 2,391
Cd 0,0326289 9,244x10-4 2,833 1,629х10"3 4,992
нд 0,363266 1,342х10"2 3,694 1,324х10"2 3,646
РЬ 0,6199957 8,125х10"2 13,11 4,046х10"2 6,526
вг 352,9097 10,97 3,107 13,78 3,903
гп 8,257345 0,4533 5,49 0,3241 3,925
Со 0,0530024 4,665х10"2 88,02 4,665х10"2 88,02
и 0,5544817 0,0277 4,996 3,642х10"2 6,569
V 0,612993 0,1711 27,92 0,1711 27,92
Вг 8,837944 8,306х10"2 0,9399 2,466х10"2 0,279
РЬ 0,4727493 0,1393 29,46 0,1393 29,46
Мо 0,8881353 7,613х10"2 8,572 7,613х10"2 8,572
Сорг 2815,86 240,1 8,526 165,2 5,868
^рг 173,4893 11,9 6,859 9,066 5,226
Рорг 12,00088 1,345 11,21 1,345 11,21
ворг 38,61887 2,945 7,626 2,269 5,874
С02 6409,056 103,4 1,613 253 3,947
и «-» 6,656 0 6,656 0
Всего 157758,5 8503 5,39 6734 4,269
Таблица 6
Среднемноголетние годовые аккумуляция и захоронение количества вещества, поступающего с _потоками в Селенгинский резервуар оз. Байкал_
Селенгинский резервуар
Приход, 109 г/год Аккумуляция в резервуаре Захоронение в донных отложениях резервуара
Компонент Внешний Внешний + внутренний 109 г/год % от внешнего прихода % от общего (внеш. + внутр.) прихода 109 г/год % от внешнего прихода % от общего прихода % от потока в донные отложения
К+ 93,01 134,7 15,15 16,29 11,24 15,15 16,29 11,24 26,6
Na+ 311,1 311,1 103,1 33,14 33,14 46,05 14,8 14,8 100
Са 999,2 999,2 149,3 14,94 14,94 45,77 4,58 4,58 100
Mg2+ 265,9 265,9 96,81 36,41 36,41 37,1 13,95 13,95 100
А1 61,97 61,97 59,41 95,88 95,88 37,93 61,21 61,21 100
Si 810,3 810,3 722,4 89,15 89,15 390,4 48,18 48,18 100
Mn2+ 1,506 2,789 1,435 95,3 51,47 1,435 95,3 51,47 52,8
^общ 48,11 112,5 46,01 95,63 40,9 46,01 95,63 40,9 41,7
SO42- 619,5 619,5 366,2 59,12 59,12 3,552 0,57 0,573 100
НС03- 4394 4394 870,5 19,81 19,81 0 0 0 0
сг 128,4 128,4 91,88 71,57 71,57 8,33x10-2 0,06 0,06 100
N0^ 15,73 15,73 12,99 82,58 82,58 11,19 71,11 71,11 100
NH4 + 0,1752 0,1752 0,1334 76,18 76,18 0 0 0 0
Р043- 6,83 9,138 6,294 92,16 68,88 6,294 92,16 68,88 73,2
O2 258,5 258,5 0 0 0 0 0 0 0
As 3,6x10^ 6,6x10^ 1,97x10-2 55,42 30,05 1,969x10^ 55,42 30,05 39,63
B 0,2366 0,2746 0 0 0 0 0 0 0
Сг 0,1198 0,1264 9,123x10^ 76,17 72,17 9,123x10^ 76,17 72,17 93,21
Си 0,1135 0,1135 5,934x10^ 52,27 52,27 1,916x10^ 1,69 1,69 100
Cd 5,2x10^ 9,2x10^ 0 0 0 0 0 0 0
Hg 1,3x10-2 1,3x10-2 2,722x10^ 2,028 2,028 9,647x10^ 0,72 0,72 100
Pb 8,1x10-2 8,1x10-2 5,697x10-2 70,12 70,12 1,618x10^ 19,92 19,92 100
Sr 10,75 10,97 0 0 0 0 0 0 0
Zn 0,4533 0,4533 0,1311 28,92 28,92 1,926x10^ 0,43 0,43 100
Co 1,1x10-2 4,7x10-2 8,934x10-3 81,54 19,15 8,934x10^ 81,54 19,15 20,02
U 1,2x10-2 0,0277 0 0 0 0 0 0 0
V 4,7x10-2 0,1711 2,272x10-2 48,69 13,28 2,272x10^ 48,69 13,28 15,44
Br 8,3x10-2 8,3x10^ 7,039x10^ 84,74 84,74 1,199x10^ 14,43 14,43 100
Rb 1,9x10-2 0,1393 1, 184x10-3 6,188 0,85 1,184x10^ 6,19 0,85 0,98
Mo 4,1x10-2 7,6x10-2 7,216x10-3 17,62 9,48 7,216x10^ 17,62 9,48 17,02
Cорг 240,1 240,1 102,3 42,61 42,61 27,46 11,44 11,44 100
Nорг 11,9 11,9 5,464 45,92 45,92 2,631 22,11 22,11 100
P горг 0,7282 1,345 8,556x10-2 11,75 6,36 8,556x10^ 11,75 6,36 12,18
Sорг 2,945 2,945 1,053 35,76 35,76 0,3767 12,79 12,79 100
CO2 101,7 103,4 0 0 0 0 0 0 0
Ti 4,192 6,656 4,192 100 62,99 4,192 100 62,99 62,99
Всего 8388,1 8503 2655,2 31,65 31,23 675,9 8,06 7,9 85,45
Из аккумулированного вещества только анионы основных компонентов аккумулируются в водах резервуара, остальные - в водах и донных отложениях. Следовательно, в донные отложения попадает большая часть поступивших в резервуар компонентов (табл. 6). Эти особенности химического баланса Се-ленгинского резервуара накладывают отпечаток на формирование донных отложений в резервуаре.
Часть компонентов в резервуаре (№+, Ca2+, Mg2+, HCO3-, SO42-, а-, Zn, B, Си, Нд, Sr) 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 разных твердых и растворенных фаз. Соотношение крупнокластических и тонкодисперсных частиц и растворов в перемещении элемента в природных условиях было предложено Н.М. Страховым называть формой миграции [4]. Скорость водной миграции компонентов в Селенгинском резервуаре позволяет определить место каждого элемента в миграционном ряду и разделить их на три группы (см. рисунок, табл. 3, 4, 8, 9):
- Малоподвижные, связанные компоненты NO3-, А1, Si,
2+ 3-
Сг, Mn , Feо6щ, РO4 -, Со, V, Rb, Д перемещаются в виде растворенной и твердой фаз внутри резервуара. Основные пункты прихода - внешняя и внутренняя нагрузки и пункт расхода - поток в донные отложения. Эти компоненты не уходят за пределы резервуара и с точки зрения миграции из резервуара являются практически неподвижными. Эти компоненты делятся на две подгруппы:
1) компоненты NO3-, А1, Si, Сг в виде твердой фазы поступают с потоком в донные отложения и захораниваются (миграция в донные отложения резервуара и захоронение);
2) компоненты Mn2+, Feо6щ , РO43-, As, Со, V, Rb, Т в виде взвеси поступают с потоком в донные отложения, часть вещества захоранивается (миграция в донные отложения резервуара и захоронение), остальное количество вещества переходит из взвешенных форм в растворенные, возвращается обратно, опять вступает в реакции комплексообразования, т.е. участвует в химических круговоротах в резервуаре (вертикальная миграция внутри резервуара).
Таблица 7
Содержание основных, микро-, биогенных компонентов и органического вещества во внешних и _внутренних потоках прихода и расхода в Селенгинском резервуаре оз. Байкал, %_
Резе рвуар Селенгинский
Приход Расход
Приход внешний 100 Сток озерных вод 100
Основные компоненты 83,24 Основные компоненты 95,21
Микроэлементы 2,61 Микроэлементы 0,36
Биогенные элементы 10,97 Биогенные элементы 1,7
Органические вещества 3,18 Органические вещества 2,73
Поток из донных отложений 100 Поток в донные отложения 100
Основные компоненты 36,83 Основные компоненты 19,29
Микроэлементы 3,78 Микроэлементы 10,46
Биогенные элементы 58,85 Биогенные элементы 66,3
Органические вещества 0,54 Органические вещества 3,9
- Частично выносимые, частично связанные компоненты К+, Сс1, РЬ, Вг, и, Мо, Рорг, Сори, Ыорг, Борт, перемещаются и в растворенной, и в виде твердой фазы, относятся к умеренно подвижным - часть их уходит из резервуара со стоком озерных вод, оставшаяся часть связывается и остается в резервуаре. Эти компоненты делятся на две подгруппы:
1) компоненты №+, Мд2+, Вг, РЬ, Сори, 1Морг, Борг, часть вещества которых в виде взвеси перемещается на дно и захоранивается (миграция на дно и захоронение), остальное количество вещества находится в растворенных формах и проточно (горизонтальная миграция);
2) компоненты К+, СС, и, Мо, Рорг, часть которых транзитна (горизонтальная миграция), перемещаются в растворенном виде, а оставшаяся часть участвует в химических круговоротах в резервуаре, т.е. переходит из твердых фаз в растворенные и обратно (вертикальная миграция).
- Легкоподвижные, или "транзитные" компоненты Са2+, ИС03", БО,,2", СГ, гп, В, Си, Нд, Бг, приходят с внешней нагрузкой и уходят со стоком озерных вод в Южный резервуар. 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. Все компоненты по скорости водной миграции в резервуаре и из резервуара (от минимальной к максимальной) образуют следующий ряд:
( N03", А1, Б1, Сг) (Мп2+, Рвобщ , РО,3", дб,
Со, V, РЬ, И) (№+, Мд2+, Вг, РЬ, Сори, ^рг,
Борг) (К+, СС, и, Мо, Рорг) (Са2+,
НСОз", БО,2", С1", гп, В, Си, Нд, Бг).
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. 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 растворенной и твердой фазах, уйдет во взвесь и поступит с потоком в донные отложения, а какая останется в растворе, т.е. можно определить соотношение форм миграции поступивших в Селенгинский 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+, НС03", Б042-, С1", гп, Си, В, Нд, Бг (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 Рвобщ, Мп2+, N0^, Р043-, дб, Сг, Со, V, РЬ, Т связываются полностью, К+, А1, Б1, СС, и, Мо, Рорг - наполовину, РЬ, ^рг -связывается пятая часть, Na - шестая, Мд2+, Вг -седьмая, Сорг, Борг - восьмая части (табл. 9, 10). Основные источники активных компонентов - комплексо-образователей - поток из донных отложений и реки, где компоненты находятся в растворенном состоянии, а также речная взвесь, где компоненты находятся в твердой фазе. 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 оставшиеся в результате химических преобразований в растворенном состоянии возвращаются в водную толщу, чтобы в очередной раз совершить "круг жизни", т.е. происходит марганцевожелезоалюмосиликатный (Мп - Рв - А1 - Б1) круговорот._
Таблица 8
Группировка компонентов по скорости водной миграции в резервуаре оз. Байкал
Группа элементов Селенгинский резервуар
Слабоподвижные, накапливаются в резервуаре:
I миграция в донные отложения резервуара и захоронение NO3", Al, Si, Cr
миграция в донные отложения резервуара и захоронение, вертикальная миграция внутри резервуара Рв0бщ , PO43", Mn2+, As, Co, V, Rb, Ti
Умеренно подвижные, частично выносятся из резервуара, частично в нем накапливаются:
II миграция на дно и захоронение, горизонтальная миграция из резервуара Na+, Mg2+, Br, Pb, С0рГ, N^, S^
миграции горизонтальная из резервуара и вертикальная в резервуаре K+, Cd, U, Mo, Рорг
III Легкоподвижные, выносятся из резервуара: горизонтальная миграция из резервуара Ca2+, HCO3-, SO42-, Cl-, Cu, Hg, Sr, Zn, B
Пространственная миграция компонентов в водах Селенгинского резервуара: I - слабоподвижные компоненты, миграция на дно, захоронение и вертикальная миграция накапливаются: 1 - в донных отложениях; 2 - в донных отложениях и в водах, участвуют в химических круговоротах; II - умеренно подвижные, частично выносятся со стоком озерных вод из резервуара, частично накапливаются: 3 - в донных отложениях, миграция на дно и захоронение, 4 - в водах и донных отложениях, участвуют в химических круговоротах, вертикальная и горизонтальная миграции; III - легкоподвижные, выносятся со стоком озерных вод из резервуара,
горизонтальная миграция
Селенгинский резервуар проточен для Са2+, НС03-, SO42-, С1-, Zn, Си, В, Нд, Sr и является биогеохимическим барьером для остальных компонентов.
Можно говорить о геохимической устойчивости экосистемы "Селенгиский 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 "связаны" - утилизированы в донные осадки или накапливаться в водах, вызывая негативную реакцию биоты на изменение химического состава вод (см. табл. 8).
Проточные компоненты Са2+, НС03-, SO42-, С1-, Zn,
В, Си, Нд, Sr в случае техногенных аварий со стоком озерных вод попадут в соседние резервуары. Установлено, что среднее значение постоянной времени обмена вод для Селенгинского резервуара составляет около 25 лет [20]. По сравнению с другими резервуарами озера смена вод в Селенгинском резервуаре достаточно интенсивная, восстановление исходного качества вод будет достаточно быстрым, с течением времени система способна к восстановлению. Следовательно, экосистема "Селенгинский 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, 12).
Таблица 9
Способы миграции компонентов и соотношение твердых и растворенных фаз _при их перемещении в резервуаре и из резервуара_
Компонент Селенгинский резервуар, 109 г/год
Общий приход (растворенные вещества + тонко-и крупно-дисперсная 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+ 134,7 77,86 41,7 56,89 1 : 2.4
N8+ 311,1 208 0 46,05 1 : 6.8
Са2+ 999,2 850 0 45,77 1 : 21.8
Мд2+ 265,9 169,1 0 37,1 1 7.2
А1 61,97 2,552 0 37,93 1 1.6
Б1 810,3 87,93 0 390,4 1 2.1
Мп2+ 2,789 0,07 1,28 2,718 1 1.0
Реобщ 112,5 2,102 64,4 110,4 1 1.0
Б042" 619,5 253,3 0 3,552 1 : 174.4
НС03" 4394 3524 0 0 1 : 4394
СГ 128,4 36,5 0 0,08 1 : 1541
N03" 15,73 2,74 0 11,19 1 : 1.4
Р043" 9,138 0,5356 2,31 8,602 1 : 1.1
02 258,5 316 0 0 1 : 258.5
Аб 6,55x10"2 0,02 0,03 0,05 1 1.3
В 0,2746 0,4916 0,038 0,038 1 7.2
Сг 0,1264 0,03 0,006 0,1 1 1.3
Си 0,1135 0,0542 0 1,916x10^ 1 : 59.3
Cd 9,24 х10"4 0,001 4,1x10"' 4,092x10"" 1 : 2.3
нд 1,34x10"2 0,01 0 9,647x10^ 1 : 139.1
РЬ 8,13x10"2 2,428x10^ 0 1,618x10^ 1 : 5.0
Бг 10,97 13,56 0,219 0,2192 1 : 50.0
гп 0,4533 0,3222 0 1,926x10^ 1 : 235.3
Со 4,67х10"2 2,022x10"3 3,6x10^ 0,04 1 1.0
и 0,0277 2,064x10^ 1,6x10^ 0,015 1 1.8
V 0,1711 2,394x10^ 0,124 0,1472 1 1.2
Вг 8,31x10"2 1,267x10^ 0 0,02 1 6.9
РЬ 0,1393 1,795x10"2 0,12 0,1213 1 1.1
Мо 7,61 x10"2 3,375x10"2 3,5x10^ 0,04 1 1.8
Сорг 240,1 137,8 0 27,46 1 8.7
^рг 11,9 6,435 0 2,631 1 4.5
Рорг 1,345 0,6426 0,617 0,7024 1 1.9
Борг 2,945 1,892 0 0,3767 1 7.8
С02 103,4 251,3 1,65 1,65 1 : 62.7
и 6,656 0 2,46 6,656 1 : 1
Всего 8503 5943 115 791 1 : 10.8
К третьему классу экологической опасности относятся слабоподвижные компоненты, захоранивающиеся в донных отложениях - N0^, А1, Б1, Сг, и умеренно подвижные компоненты, частично выносимые и частично уходящие с потоком в донные отложения и захоранивающиеся в них - №+, Мд2+, Вг, РЬ, Сорг, Ыорг, Борг. Экосистема "Селенгинский резервуар" способна сопротивляться изменению химического состава вод, возникающему вследствие попадания этих компонен тов с техногенным стоком, путем утилизации (захоронения) компонентов в донные осадки. Можно сказать,
что экосистема обладает резистентной устойчивостью к этим компонентам. Компоненты, часть которых после частичного выноса или захоронения участвует в химических круговоротах - Рво6щ , Р043", Мп2+, Аб, Со, V, РЬ, Т - мы отнесем ко второму классу экологической опасности (табл. 11, 12). В отношении этих элементов экосистема неустойчива (неспособна восстановить исходный химический состав вод), так как способна бороться только с частью этих элементов - вынести за пределы системы или утилизировать в дон-
Примечание. С - слабоподвижные, накапливаются; У - умеренно подвижные, частично выносятся, частично накапливаются; Л - легкоподвижные, выносятся; В - накапливаются в водах; Д - накапливаются в донных отложениях; ВД - накапливаются в донных отложениях и водах. II, III, IV - классы экологической опасности.
Таблица 10
Группировка компонентов по химической активности - способности к комплексообразованию в _водах Селенгинского резервуара оз. Байкал_
Группа элементов Селенгинский резервуар
I Активные K+, Fe^, Mn2+, NO3", PO43", As, Cr, Co, V, Rb, Ti, Al, Si, Cd, U, ' Mo, Р0рГ
II Умеренно активные Na+, Mg2+, Br, Pb, С0рШ N^, S^
III Инертные Ca2+, HCO3", SO42", Cl-, Zn, Cu, B, Hg, Sr
Таблица 11
Группировка компонентов, поступающих в Селенгинский резервуар оз. Байкал с антропогенной __нагрузкой, по классам экологической опасности_
Класс Селенгинский резервуар
II K+, As, Cd, U, Mo, Р0рг, Mn2+, Fe^ , PO43", Co, V, Rb, Ti
III Na+, Mg2+, Al, Si, Cr, NO3", Br, Pb, C^, N^, S^,
IV Ca2+, HCO3", SO42", Cl-, Zn, B, Cu, Hg, Sr
Таблица 12
Классы экологической опасности компонентов и прогноз их поведения в Селенгинском резервуаре
Таблица 12
Классы экологической опасности компонентов и прогноз их поведения в Селенгинском резервуаре _в случае воздействия антропогенной нагрузки на оз. Байкал_
Компонент Селенгинский резервуар
K+ У ВД II Cd У ВД II
Na+ У Д III Hg Л IV
Ca2+ Л IV Pb У Д III
Mg2+ У Д III Sr Л IV
Al С Д III Zn Л IV
Si С Д III Co У ВД II
Mn2+ У ВД II U У ВД II
1=еобш У ВД II V У ВД II
SO42- Л IV Br У Д III
HCO3- Л IV Rb У ВД II
Cl- Л IV Mo У ВД II
NO3- У Д III ^рг У Д III
PO43- У ВД II ^рг У Д III
As У ВД II P горг У ВД II
B Л IV ^рг У Д III
Cr С Д III Ti У ВД II
Cu Л IV
ные осадки, остальная часть будет постоянно возвращаться с потоком из донных отложений, вызывая вторичное заражение, нарушать существующие химическое и биологическое равновесия и тем самым вызывать катастрофические изменения качества вод в резервуаре.
Установление количественных характеристик химического баланса Селенгинского резервуара оз. Байкал позволило сделать следующие выводы.
Селенгинский резервуар испытывает большую внешнюю нагрузку и ничтожную внутреннюю - вещество, поставляемое потоком из донных отложений, в Селенгинском резервуаре составляет всего 1,4% от общего прихода. Основное количество вещества в резервуар поступает с реками, речной взвесью, притоком озерных вод из Среднего резервуара, минераль-
ными водами (основной источник брома). При этом поток из донных отложений несет основное количество растворенных химически активных компонентов -комплексообразователей - железо, марганец, калий, минеральный фосфор, кадмий, кобальт, уран, ванадий, рубидий, молибден, мышьяк, фосфор органический, титан.
В Селенгинском резервуаре захоранивается 8% вещества, поступающего в резервуар с внешней и внутренней нагрузкой, и 86% вещества, поступающего с потоками в донные отложения. Вещество, уходящее с потоком в донные отложения, составляет 12% от резервуарной статьи "Расход".
Селенгинский резервуар проточен для кальция, анионов основных элементов и небольшой группы микроэлементов (Си, Нд, Sr, Zn, B) и является биогео-
химическим барьером для остальных компонентов.
В слабоминерализованных водах резервуара в комплексы не связываются только Са2+, НС03", Б042", С1", гп, Си, В, Нд, Бг (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 Рео6щ, Мп +, N0^, Р043", Аб, Сг, Со, V, РЬ, Т связываются полностью, К+, А1, Б1, Cd, и, Мо, Рорг - наполовину, РЬ, Nорг -связывается пятая часть, N8+ - шестая, Мд2+, Вг -седьмая, Сорг, Борг - восьмая части.
Определен круг компонентов, участвующих в химических круговоротах: К+, Аб, Cd, и, Мо, Рорг, Мп2+, Рео6щ , Р043", Со, V, РЬ, П.
При техногенезе экосистема "Селенгинский резервуар" обладает способностью восстанавливать
исходный химический состав вод в отношении легко-
2+ " 2" " подвижных выносящихся Са , НС03", Б04", С1", гп, В,
Си, Нд, Бг, слабоподвижных, захоранивающихся в донных отложениях N0^, А1, Б1, Сг и умеренно подвижных, частично выносимых и частично уходящих с потоком в донные отложения и захоранивающихся в них N8+, Мд2+, Вг, РЬ, Сорг, Nорг, Борг. Экосистема геохимически неустойчива (неспособна восстановить исходный химический состав вод) при попадании с техногенным стоком слабоподвижных Мп2+, Аб, Со, V, РЬ, И, Реобщ. и умеренно подвижных К+, Cd, и, Мо, Рорг, участвующих в химических круговоротах.
Библиографический список
1. Астраханцева О.Ю., Глазунов О.М. Водный баланс мега-системы "Озеро Байкал" // Вестник ИрГТУ. 2008. № 3 (35).
2. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Выделение полуавтономных систем в озере Байкал // Вестник ИрГТУ. 2010. № 4 (44).
3. Ветров В.А., Кузнецова А.И. Микроэлементы в природных средах региона озера Байкал. Новосибирск: СО РАН НИЦ ОИ ГГМ, 1997. 236 с.
4. Страхов Н.М. Избранные труды. Общие проблемы геологии, литологии и геохимии. М.: Наука, 1983. 636 с.
УДК 678.08
БУРОВЫЕ И ТАМПОНАЖНЫЕ РАСТВОРЫ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
1 9
Е.Г. Васенёва1, Л.В. Николаева2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматриваются вопросы рационального использования многотоннажных отходов целлюлозно-бумажной промышленности на примере Байкальского ЦБК в технологических процессах при бурении скважин на нефть и газ и другие полезные ископаемые. Цель исследования - предотвращение загрязнения озера Байкал. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: шлам-лигнин; целлюлозно-бумажное производство; утилизация; карты-осадконакопители; рекультивация; буровые растворы; изоляция зон поглощения.
DRILLING AND PLUGGING FLUIDS BASED ON THE WASTE OF PULP AND PAPER INDUSTRY E.G. Vaseneva, L.V. Nikolaeva
National Research Irkutsk State Technical University,
3 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The issues of rational use of large-tonnage waste of pulp and paper industry are considered on example of the Baikal Pulp and Paper Mill in technological processes under drilling wells for oil, gas and other minerals. The purpose of this research is preventing pollution of the lake Baikal.
4 sources.
Key words: sludge-lignine; pulp and paper production; utilization; maps-accumulators of sediments; recultivation; drilling muds; isolation of absorption zones.
Воздействие человека на биосферу неразрывно связано с всё возрастающими темпами научно-технического прогресса, результаты которого сопровождаются существенным загрязнением окружающей нас природной среды, что обусловливает реальную угрозу самому её существованию и требует безотла-
гательного вмешательства государства в решение проблемы. Среди большого числа видов загрязнителей окружающей среды значительные их объемы приходятся на отходы, выделяющиеся при переработке полезных ископаемых и древесины.
В настоящее время одними из самых крупных от-
1Васенёва Елена Георгиевна, старший преподаватель, тел.: (3952) 405256. VasenevaElena, SeniorLecturer, tel.: (3952) 405256.
2Николаева Людмила Васильевна, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405256.
Nikolaeva Lyudmila, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel. (3952) 405256.
