CC BY
24
УДК 550.84 (571.53)
ХИМИЧЕСКИЙ БАЛАНС СЕВЕРНОГО РЕЗЕРВУАРА ОЗЕРА БАЙКАЛ
© О.Ю. Астраханцева1, К.В. Чудненко2, О.М. Глазунов3
Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а.
Рассчитан химический баланс и созданы базы данных количества вещества в системах и потоках Северного резервуара оз. Байкал в г/год, что позволило установить существование больших внутренних нагрузок в резервуаре - потоков из донных отложений и потоков в донные отложения, выявить избирательную утилизацию компонентов в донные отложения, определить, какие компоненты аккумулируются в резервуаре и места их аккумуляции. Установлены пути и формы миграции 33 компонентов в резервуаре. В слабоминерализованных водах резервуара в комплексы не связываются только HCO3-, SO42-, Cl-, Hg, Sr (являются инертными, в водах резервуара находятся в растворенных формах), тогда как все другие компоненты с разной степенью участия вступают в реакции комплексообразования. Определен круг компонентов, совершающих химические круговороты в водах резервуара. Установлена геохимическая устойчивость экосистемы «Северный резервуар» к химическим элементам и органическому веществу, попадающему в резервуар с техногенным стоком. Ил. 1. Табл. 12. Библиогр. 18 назв.
Ключевые слова: Северный резервуар; оз. Байкал; мегасистема; потоки; химический баланс; экосистема; геохимическая устойчивость.
CHEMICAL BALANCE OF LAKE BAIKAL NORTH RESERVOIR O.Yu. Astrakhantseva, K.V. Chudnenko, O.M. Glazunov
A.P. Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS, 1a Favorsky St., Irkutsk, Russia, 664033.
The authors calculated chemical balance and created databases of substance quantity in grams per year in the systems and flows of the North Reservoir of the lake Baikal. This allowed to establish large internal stresses in the reservoir in the form of bed sediment inflows and outflows, to reveal selective recycling of components into bed sediments, to identify the components being accumulated in the reservoir as well as their accumulation sites. Migration ways and forms of 33 components are determined in the reservoir. In the brackish waters of the reservoir only HCO3-, SO4 -, Cl-, Hg, Sr do not bind into complexes (they are inert and are present in reservoir waters in dissolved forms), whereas all other components enter into a complexing reaction with different degrees of participation. A range of components performing chemical cycles in reservoir waters is specified. The ecosystem "North reservoir" is established to be geochemically stable to the chemical elements and organic substances entering the reservoir with anthropogenic drainage. 1 figure. 12 tables. 18 sources.
Key words: North reservoir; lake Baikal; megasystem; flows; chemical balance; ecosystem; geochemical stability.
В исследовании взаимодействия открытой системы «Оз. Байкал» с окружающей средой, обменивающихся веществом, энергией и информацией, находится ключ к пониманию законов, управляющих процессами самоорганизации и эволюции изучаемой системы.
В.И. Верболов с соавт., исследуя процессы теплообмена оз. Байкал с атмосферой, установил, что Байкал - мегасистема, состоящая из пяти термодинамических систем-резервуаров (Южного, Селенгинского, Среднего, Ушканьеостровского, Северного), с индивидуальными градиентами температуры в каждом резервуаре [14]. В сложном иерархическом объекте - оз.
Байкал - были выделены системы-резервуары термодинамического типа, градиенты температурных характеристик которых индивидуальны и остаются неизменными во времени. Стал возможен междисциплинарный подход в изучении механизма процессов формирования химического состава природных вод оз. Байкал с использованием законов и методов термодинамики.
Один из законов термодинамики - закон термического равновесия - доказывает неравенство внешних условий систем-резервуаров оз. Байкал по различию температурных характеристик вод резервуаров. Причиной, обуславливающей это неравенство, является
1Астраханцева Ольга Юрьевна, младший научный сотрудник лаборатории физико-химического моделирования, тел.: (3952) 425512, e-mail: [email protected]
Astrakhantseva Olga, Junior Researcher of the Laboratory of Physicochemical Modeling, tel.: (3952) 425512, e-mail: [email protected]
2Чудненко Константин Вадимович, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией физико-химического моделирования.
Chudnenko Konstantin, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Head of the Laboratory of Physicochemical Modeling.
3Глазунов Олег Михайлович, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник лаборатории геохимического и ультраосновного магматизма.
Glazunov Oleg, Doctor of Geological and Mineralogical sciences, Chief Researcher of the Laboratory of Geochemical and Ultrabasic Magmatism.
резко расчлененный рельеф дна и, соответственно, перепады глубин, то есть различие морфологических характеристик (координаты дна котловины резко меняются) на протяжении озера [6]. Этот фактор определяет перепады градиентов гравитационного давления на протяжении озера - силы, действующей на мегасистему, что, в свою очередь, обуславливает индивидуальность физических условий (градиенты гидростатического давления, температуры), гидродинамических процессов, интенсивности водообмена в резервуарах. Во взятой за основу многорезервуарной термодинамической модели оз. Байкал [14] , по методу термодинамического анализа водных минеральных систем Р. Гаррелза [18], через физико-химические параметры проведена оценка геохимического состояния внутренней среды систем (поверхностных, прибрежных, глубинных, придонных вод) пяти резервуаров озера [6, 8-10]. Определен их равновесный фазовый и компонентный состав. Рассчитанные химические равновесные модели поверхностных, прибрежных, глубинных и придонных вод пяти резервуаров оз. Байкал показали, что характеристики геохимических сред - общая минерализация, характеристики кислотно-основных и окислительно-восстановительных состояний, а так же концентрации форм нахождения компонентов - в этих водах являются индивидуальными для каждого резервуара. По физико-химическим условиям формирования новообразованного вторичного вещества и характеру геохимической среды оз. Байкал является многорезервуарной системой.
В количество энергии, получаемой резервуарами озера от окружающей среды, кроме теплоты, входит энергия-работа и энергия массы. Энергию массы несет вещество потоков (реки, речная взвесь, подземные воды, минеральные воды, атмосферные осадки, атмосферный аэрозоль, поток из донных отложений), впадающих в резервуары. Необходимо установить характер химического взаимодействия вещества вод резервуаров оз. Байкал и вещества потоков, впадающих в резервуары и вытекающих из них.
Разработана методика расчета среднемноголет-него химического состава компонентов в потоках и системах оз. Байкал [6] и созданы базы данных по их содержанию в потоках и системах для каждого резервуара [1, 2], рассчитаны морфометрические характеристики резервуаров [3], оценена интенсивность водообмена в резервуарах и водные балансы потоков, впадающих и вытекающих из резервуаров [4], оценена внутренняя нагрузка - потоки из донных отложений и потоки в донные отложения в резервуарах [5].
Ранее были установлены количественные характеристики химических балансов Южного, Селенгинско-го, Среднего, Ушканьеостровского резервуаров оз. Байкал [5, 7, 11-13].
В данной статье мы покажем балансовую модель Северного 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.
Используя уравнение, m = С * v, где m - полная масса элемента, С - средняя (базовая) концентрация, v - объем водной массы озера, определено годовое содержание - полная масса каждого из 35 компонентов в 109г/год (тыс. т/год) в поверхностных, прибрежных, глубинных, придонных водах Северного 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 резервуаре, внешние потоки: реки, речная взвесь, подземные воды, минеральные воды, атмосферные осадки, атмосферный аэрозоль; внутренняя нагрузка - поток из донных отложений. Статью «Расход» составляют: поток в донные отложения, сток озерных вод в Ушканьеостровский резервуар озера. Динамика изменения количества некоторого химического элемента в Северном резервуаре озера может быть описана простым дифференциальным уравнением: dm/dt = (Po + Pa + Pr + Pv + Pm + Pu) - (PA + Ps), где составляющими приходной и расходной частей баланса (потоками) являются: Po - поступление элементов с атмосферными осадками на зеркало озера; Pa - с атмосферным аэрозолем; Prи Pv- с речными водами и речной взвесью, Pu и Pm - c подземными и минеральными водами, PA - вынос элемента c озерными водами в Ушканьеостровский резервуар; Ps -выведение из водной массы с потоком в донные отложения. Все переменные приходной и расходной частей баланса (правая часть уравнения) измеряются в 109г/год (тыс. т/год) (табл. 2-5).
Общий химический приход растворенного вещества и взвеси в Северный резервуар составляет 4155,872 1 09г/год или тыс. т/год, а из резервуара со стоком озерных вод и потоком в донные отложения уходит 4475,476 тыс. т/год растворенного вещества и взвеси (табл. 2, 4). Некоторое расхождение количества компонентов в статье «Расход» с количеством компонентов в статье «Приход» не выходит за пределы погрешности методов определения компонентов (табл. 5).
В целом ряде потоков, впадающих в 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 круговороте вещества в резервуаре, показано в табл. 1.
Расчет химического баланса Северного резервуара оз. Байкал позволил установить, что кроме внешнего прихода и расхода вещества в резервуар и из резервуара также существуют мощные внутренние нагрузки, которые ранее при попытках расчета химического баланса оз. Байкал не учитывались, - это поток из донных отложений, приносящий 64,3% вещества (статьи «Приход») резервуара и поток в донные отложения, который уносит 65,1% вещества (статьи «Расход») (табл. 3, 4).
С потоком из донных отложений поступает основное количество биогенных элементов (Рео6щ, Б1, 1МО3~, РО43-), фосфора органического, микроэлементов, кроме ртути, половина Са2+ и основное количество катионов основных элементов (табл. 3, 6). Поток в донные отложения уносит биогенные элементы, основное количество органического вещества, половину Са2+ и основное количество остальных катионов основных элементов, половину В, Мо, шестую часть Бг и основное количество остальных микроэлементов, кроме Нд (табл. 4).
В отличие от качественного состава внешней нагрузки, 80% которой составляют макрокомпоненты, внутренняя нагрузка - поток из донных отложений и поток в донные отложения - более чем на 70% состоит из биогенных элементов, микроэлементов и органического вещества (табл. 6).
Следовательно, в водах Северного резервуара большая группа компонентов (К+, №+, Са2+, Мд
2+
Рео6щ, Б1, 1ЧО3", РО43-, А1, Мп2+, лб, В, Сг, Си, Сс1, РЬ, Бг, гп, Со, и, V, Вг, РЬ, Мо, И, Сорг, Ыорг, Рорг, Борг) совершает биогеохимические круговороты в резервуаре и находится в растворенных и взвешенных формах. Эти элементы в виде взвеси уходят с потоком в донные отложения. Внутри резервуара с глубиной происходит изменение Т-Р-условий. Часть массы компонентов, пришедших с потоком в донные отложения, захоранивается, остальная часть возвращается с потоком из донных отложений в виде растворенных форм. Из внешних источников эти элементы поступают в малых, ничтожных, по сравнению с внутренним потоком, количествах в виде растворенных и твердых, взвешенных частиц.
Из поступивших с потоком в донные отложения компонентов захораниваются около половины А1, Реобщ, Мо, Сорг, Борг, остальное поступившее вещество частично захоранивается, а в основном возвращается обратно с потоками из донных отложений (табл. 7).
Таблица 1
Количество вещества в системах Северного резервуара мегасистемы «Озеро Байкал»
Северный резервуар, 109г/год
Компонент поверхностные воды прибрежные воды глубинные воды придонные воды все воды
К+ 3331,16 355,875 3202,972 1281,15 8171,157
Иа+ 6662,32 1067,63 9608,917 3843,45 21182,32
Са2+ 33114,5 4688,59 51145,72 20457,67 109406,5
Мд2+ 6603,19 460,813 10840,83 2069,55 19974,38
Л1 100,526 18,615 167,5401 67,014 353,6951
Б1 2566,7 448,95 3350,802 1340,28 7706,732
Мп2+ 3,15376 0,413363 5,25616 2,1024 10,92568
^еобщ 58,1475 14,235 96,91045 47,304 216,597
БО42- 11235,3 1996,55 13533,93 5650,2 32415,98
НСО3- 123588 21405,4 205975,8 93940,25 444909,4
С1- 1576,88 292 1642,55 657 4168,43
ИО3- 113,07 20,9377 188,4453 75,37582 397,8288
РО43- 18,1904 3,3684 30,31678 12,12634 64,00192
О2 14862,1 2752,1 24769,65 9907,561 52291,41
Аэ 0,59133 0,1095 0,98553 0,3942 2,08056
В 18,3509 3,39815 30,58428 12,23334 64,56667
Сг 1,08411 0,20075 1,806805 0,7227 3,814365
Си 2,26677 0,5402 3,777865 1,5111 8,095935
СС 7,4902x10-2 0,01387 0,1248338 0,077526 0,2911318
Нд 0,157688 0,0292 0,262808 0,23652 0,686216
РЬ 0,78844 0,09855 1,31404 0,5256 2,72663
Бг 540,081 100,01 900,1174 360,036 1900,244
гп 12,2208 1,752 20,36762 6,7014 41,04182
Со 0,098555 0,01095 0,164255 0,0657 0,33946
и 0,906706 0,1679 1,511146 0,60444 3,190192
V 0,975695 0,2336 1,626125 0,8541 3,68952
Вг 0,374509 0,06935 0,624169 0,24966 1,317688
РЬ 0,768729 0,14235 1,281189 0,51246 2,704728
Мо 1,75428 0,23725 2,923739 1,16946 6,084729
Сорг 5001,86 722,396 8015,644 3206,16 16946,06
^орг 480,948 51,9709 576,6651 184,2621 1293,846
Р Р орг 30,6863 2,61738 29,04219 8,242057 70,58793
Борг 68,6748 9,91839 110,0536 44,0201 232,6669
СО2 3547,98 885,928 5913,18 3189,341 13536,43
Всего 213543,8 35305,34 340171,7 146369 735389,8
Известна схема динамических условий вихре- и фронтогенеза в области прибрежных течений на Байкале [16, 17]. Используя эту схему, можно представить, как речная взвесь, попадая в область фронтогенеза, опускается на дно оз. Байкал, где частично захоранивается, а в основном в результате химических преобразований в растворенном состоянии возвращается в водную толщу, откуда растворенные компоненты в областях апвеллингов поднимаются в поверхностные воды оз. Байкал.
Там они претерпевают биогенные, хемогенные или те и другие вместе преобразования, вступают в
реакции комплексообразования и попадают с вновь поступившей озерной взвесью в конвергентные зоны -даунвеллинги - зоны опускания вод или фронты океанического типа. С этими фронтами компоненты в твердой фазе, в виде взвеси попадают на дно, где частично захораниваются (9% от количества вещества, поступающего с потоком в донные отложения (табл. 7)), а в основном переходят в растворенные формы, которые через зоны апвеллинга опять попадают в глубинные и поверхностные воды. Таким образом, идет постоянный круговорот этих веществ.
Таблица 2
Среднемноголетнее годовое содержание химических веществ в потоках (внешняя и внутренняя нагрузка), впадающих в Северный резервуар мегасистемы «Озеро Байкал»
Потоки, впадающие в озеро Байкал, (109г/год)
Северный резервуар
Компо- взвесь речных вод под- минеральные воды потоки из сум-
нент аэрозоль дождь+ снег малые притоки основные притоки зем ные воды донных отложений марный приход
К+ 0,68 0,668 2,77 7,74 1,12 0,194 3,75-10-2 156,73 169,9
№+ 5,910-2 2 8,32 23,2 0,933 6,18 1,33 147,11 189,2
Са2+ 1,34 3,01 44,7 141 4,29 5,88 0,515 182,43 383
Мд2+ 0,149 0,751 7,22 26 1,74 0,747 0,269 122,17 159,1
А1 1,08 0,144 0,382 1,42 26,5 «-» 2,22-10-2 47,726 77,31
Б1 3,57 1,31 12,1 32 79,9 «-» 0,129 1718 1847
Мп2+ 3,710-3 1,3-10-2 2,5-10-2 7,19-10-2 0,394 «-» 1,39-10-4 13,368 13,88
Реобщ 1,44 3,310-3 0,315 1,43 77,3 «-» «-» 141,66 222,2
Б0„2- 3,09 4,51 16 43,3 «-» 2,57 0,421 13,168 83,09
НСОз- 0 13,4 173 562 «-» 25 5,03 0 778,8
С1- 0,337 2,34 1,27 4,34 «-» 1,97 0,379 0 10,64
ИОз- 0,93 1,3 1,34 2,68 «-» «-» «-» 36,088 42,34
1ЧН4+ «-» 0,534 «-» «-» «-» «-» «-» 0 0,5344
РО43- 0,707 3,3-10-2 8,3-10-2 0,266 0,844 «-» 2,06-10-5 39,483 40,8286
Н 0,128 «-» «-» «-» «-» «-» «-» 0 0,1277
О2 5,5 «-» «-» «-» «-» «-» «-» 0 5,502
аб 1,1 ■ 10-3 1,3-10-5 «-» «-» 2,1-10-2 «-» 1,04-10-4 0,16701 0,1888
В «-» «-» «-» «-» «-» «-» 2,77-10-3 0,14089 0,1437
Сг 2,910-2 9,4-10-5 1,7-10-3 5,8-10-3 6,9-10-2 «-» 6,23-10-5 0,30954 0,4148
Си «-» 1,3-10-2 2,4-10-3 7,57-10-3 1,7-10-2 «-» 1,39-10-4 0,83677 0,8776
Сс1 «-» «-» «-» «-» «-» «-» «-» 3,58-10-3 3,58-10-3
Нд «-» 5,7-10-4 7,8-10-4 1, 82-10-3 «-» «-» 5,67-10"° 0 3,17-10-3
РЬ 2,510-2 3,3-10-3 2,1-10-3 1,16-10-2 1,9-10-2 «-» 6,93-10-5 0,1628 0,2238
Бг «-» 1,9-10-3 0,273 0,319 0,061 «-» 9,31 -10-3 0,81283 1,477
гп 6,810-2 2,7-10-3 1,5-10-2 8,67-10-2 1,3-10-3 «-» 3,46-10-4 0,73385 0,9079
Со 1,810-3 2,4-10-5 1,8-10-4 5,32-10-4 «-» «-» 6,93-10-5 0,12097 0,1236
и 4,410-4 1-10-5 1,2-10-4 3,72-10-4 «-» «-» «-» 5,85-10-2 5,95-10-2
V 4,4-10-3 6,7-10-3 1,1-10-3 3,4-10-3 2,7-10-3 «-» 8,31 -10-5 0,37651 0,3948
Вг «-» 3,3-10-4 «-» «-» 1,5-10-3 «-» 5,79-10-3 3,97-10-2 4,73-10-2
РЬ 4,8-10-3 3,3-10-5 «-» «-» 0 «-» 3,49-10-4 0,32513 0,3303
Мо 0 0,001 5,9-10-3 1,81-10-2 0 «-» 4,93-10-4 4,8-10-3 3,03-10-2
Сорг 16,1 9,35 10,5 33,5 0,537 «-» «-» 24,204 94,14
Морг «-» 0,835 0,605 2,45 6,9-10-2 «-» «-» 7,7168 11,68
Рорг «-» 3,4-10-2 9,5-10-3 3,02-10-2 1,4-10-2 «-» «-» 1,511 1,599
Борг «-» 0,128 0,144 0,645 7,4-10-3 «-» «-» 0,36765 1,292
С02 «-» «-» «-» «-» 0 «-» «-» 6,1174 6,117
и «-» «-» «-» «-» 8,3-10-4 «-» «-» 12,315 12,32
Всего 35,2 40,4 279 883 193,88 42,6 8,15 2674,3 4155,872
Таблица 3
Среднемноголетнее годовое содержание химических веществ в потоках (внешняя и внутренняя _нагрузка) в %, впадающих в Северный резервуар мегасистемы «Озеро Байкал»_
Компонент Потоки. впадающие в озеро Байкал (внешняя и внутренняя нагрузка). %
Северный резервуар
аэрозоль дождь+ снег малые притоки основные притоки взвесь речных вод подземные воды минеральные воды поток из донных отложний суммарный приход
К+ 0,4 0,393 1,63 4,56 0,659 0,114 2,21 Е-2 92,2 100
№+ 3,2-10-2 1,06 4,4 12,3 0,493 3,27 0,703 77,8 100
Са2+ 0,349 0,785 11,7 36,8 1,12 1,53 0,134 47,6 100
Мд2+ 9,4-10-2 0,472 4,54 16,4 1,09 0,47 0,169 76,8 100
А1 1,39 0,186 0,493 1,83 34,3 0 2,87^ 10-2 61,7 100
Б1 0,193 0,071 0,657 1,73 4,32 0 0,007 93 100
Мп2+ 2,7-10-2 9,2-10-2 0,177 0,518 2,84 0 9,98^ 10"4 96,3 100
^еобщ 0,649 1,5-10-3 0,142 0,645 34,8 0 0 63,8 100
Б0„2- 3,72 5,43 19,3 52,2 0 3,09 0,507 15,8 100
НСОз- 0 1,72 22,2 72,2 0 3,21 0,645 0 100
С1- 3,17 22 12 40,8 0 18,5 3,56 0 100
ИОз- 2,2 3,08 3,17 6,33 0 0 0 85,2 100
1ЧН4+ 0 100 0 0 0 0 0 0 100
РО43- 1,71 8,1 ■ 10-2 0,199 0,643 2,04 0 4,96^ 10-5 95,3 100
Н 100 0 0 0 0 0 0 0 100
О2 100 0 0 0 0 0 0 0 100
аб 0,601 7,1 ■Ю-3 0 0 10,9 0 0,055 88,5 100
В 0 0 0 0 0 0 1,93 98,1 100
Сг 6,98 2, -310-2 0,408 1,4 16,5 0 0,015 74,6 100
Си 0 1,52 0,267 0,862 1,98 0 1,58^ 10-2 95,3 100
Сс1 0 0 0 0 0 0 0 100 100
Нд 0 17,9 24,5 57,4 0 0 0,179 0 100
РЬ 11,1 1,49 0,954 5,17 8,52 0 3,09^ 10-2 72,7 100
Бг 0 0,129 18,5 21,6 4,13 0 0,63 55 100
гп 7,51 0,294 1,63 9,55 0,146 0 3,81 ■Ю"2 80,8 100
Со 1,48 1,9 ■ 10-2 0,142 0,43 0 0 0,056 97,9 100
и 0,734 1,7^ 10-2 0,206 0,626 0 0 0 98,4 100
V 1,11 1,69 0,28 0,86 0,683 0 0,021 95,4 100
Вг 0 0,706 0 0 3,07 0 12,2 84 100
РЬ 1,45 1 ■ 10-2 0 0 0 0 0,106 98,4 100
Мо 0 3,3 19,6 59,6 0 0 1,63 15,8 100
Сорг 17,1 9,93 11,1 35,6 0,57 0 0 25,7 100
Морг 0 7,15 5,18 21 0,588 0 0 66,1 100
Рорг 0 2,14 0,595 1,89 0,859 0 0 94,5 100
Борг 0 9,94 11,1 49,9 0,57 0 0 28,5 100
С02 0 0 0 0 0 0 0 100 100
и 0 0 0 0 6,73-10-3 0 0 100 100
Всего 0,847 0,971 6,72 21,2 4,66 1,02 0,196 64,3 100
Для оценки вклада каждого из потоков в поступление и расход компонентов в Северном резервуаре оз. Байкал суммарные (внешний и внутренний) приход и расход каждого компонента приняты за 100%. Это позволяет определить основные потоки вещества в резервуар и из резервуара (табл. 3, 4), а также установить особенности и скорость миграции компонентов в резервуаре. Основное количество вещества в Северном резервуаре приходит с потоком из донных отложений и рек. Пункты расхода компонентов: поток в донные отложения и сток озерных вод в Ушканье-островский резервуар.
Макроэлементы поступают с потоком из донных отложений и с водами рек (табл. 3).
Основное количество микроэлементов поступает с потоком из донных отложений. Около трети А1 и Рео6щ поступает с взвесью речных вод, Нд и половину Бг поставляют реки.
Основное количество биогенных элементов поставляет поток из донных отложений.
Органические вещества поступают с потоком из донных отложений и с реками. Велика роль аэрозоля как источника привноса Сорг.
Таблица 4
Содержание компонентов в пунктах статьи «Расход» для Северного резервуара мегасистемы _«Озеро Байкал»_
Расход компонентов в Северном резервуаре
109 г/год %
потоки потоки
Компонент компонентов в сток озерных вод в суммар- компонентов в дон- сток озерных вод в суммар-
донные отло- другие резервуары расход ные отложения другие резервуары расход
жения
К+ 156,73 15,324 172 91,1 8,91 100
№+ 147,11 44,691 191,8 76,7 23,3 100
Са2+ 182,43 225,21 407,6 44,8 55,2 100
Мд2+ 122,77 36,296 159,1 77,2 22,8 100
А1 76,533 0,77321 77,31 99 1 100
а 1830,5 16,586 1847 99,1 0,898 100
Мп2+ 13,853 2,2238-10-2 13,88 99,8 0,16 100
Реобщ 221,68 0,50702 222,2 99,8 0,228 100
бо42- 13,168 70,011 83,18 15,8 84,2 100
нсо3- 0 958,4 926,6 0 100 100
СГ 0,30888 9,1042 9,413 3,28 96,7 100
ИОз- 41,473 0,86969 42,34 97,9 2,05 100
РО43- 40,583 0,1399 40,72 99,7 0,344 100
О2 0 114,31 114,3 0 100 100
аб 0,18424 4,5483-10-3 0,1888 97,6 2,41 100
В 0,14089 0,14115 0,282 50 50 100
Сг 0,40641 8,3386-10-3 0,4148 98 2,01 100
Си 0,85873 1,8861 -10-2 0,8776 97,9 2,15 100
Сс1 3,583-10-3 6,3661 -10-4 4,219-10-3 84,9 15,1 100
нд 3,577-10-4 1,5009-10-3 1,859-10-3 19,2 80,8 100
РЬ 0,21832 5,5027-10-3 0,2238 97,5 2,46 100
Бг 0,81283 4,1541 4,967 16,4 83,6 100
гп 0,82313 0,08478 0,9079 90,7 9,34 100
Со 0,12293 6,7163-10_ч 0,1236 99,5 0,543 100
и 5,852-10-2 6,9741-10-3 0,0655 89,4 10,6 100
V 0,38626 8,5777-10-3 0,3948 97,8 2,17 100
Вг 4,444-10-2 2,8806-10-3 4,732-10-2 93,9 6,09 100
РЬ 0,32513 5,9128-10-3 0,331 98,2 1,79 100
Мо 1,788-10-2 1,2456-10-2 3,034-10-2 58,9 41,1 100
Сорг 59,066 35,076 94,14 62,7 37,3 100
Морг 9,2121 2,4683 11,68 78,9 21,1 100
Рорг 1,511 0,12452 1,636 92,4 7,61 100
Борг 0,81045 0,48158 1,292 62,7 37,3 100
СО2 6,1174 31,807 37,92 16,1 83,9 100
и 12,316 0 12,32 100 0 100
Всего 2936,5 1567,4 4475,476 65,1 34,8 100
Пункты выноса компонентов в статье «Расход» (табл. 4, 7): утилизация вещества в донные осадки и сток озерных вод в соседние резервуары озера. С внутриводоемными потоками в донные отложения поступают биогенные элементы, органические вещества, катионы основных компонентов и большая группа микроэлементов.
От всего поступающего в резервуар с внешней и внутренней нагрузками вещества в донных отложениях Северного резервуара захоранивается 6,5 %. Количество захороненного вещества в донных осадках резервуара рассчитывали как разницу между веществами в потоках: «Поток в донные отложения» и «Поток из донных отложений» (табл. 2, 4, 7).
Таблица 5
«Приход - расход - содержание в водах озера» компонентов в резервуаре «Северный» мегасистемы «Озеро Байкал»
Северный резервуар, 109г/год
содержание в Приход Расход
Компо- водах резервуара % от содержания в водах озера
ненты (растворенные элементы +взвесь) 109г/год % от содержания в водах резервуара 109г/год
К+ 8171,156 169,9 2,08 172,05 2,11
№+ 21182,31 189,2 0,89 191,8 0,91
Са2+ 109406,5 383 0,35 407,64 0,37
Мд2+ 19974,38 159,1 0,8 159,07 0,8
А1 353,6952 77,31 21,9 77,306 21,9
Б1 7706,733 1847 24 1847,1 24
Мп2+ 10,92568 13,88 127 13,875 127
Реобщ 216,5969 222,2 103 222,19 103
бо42- 32415,95 83,09 0,26 83,179 0,26
НСОз- 444909,5 778,8 0,18 926,65 0,22
С1- 4168,43 10,64 0,26 9,4131 0,23
ИОз- 397,8284 42,34 10,6 42,343 10,6
1ЧН4 + 0 0,5344 0 0 0
РО43- 64,002 40,83 63,8 40,72 63,,6
О2 52291,41 5,502 1,05-10-2 114,31 0,22
аб 2,08056 0,1888 9,07 0,18879 9,07
В 52,33337 0,1437 0,28 0,28204 0,54
Сг 3,81436 0,4148 10,9 0,41475 10,9
Си 8,09593 0,8776 10,8 0,87759 10,8
Сс1 0,2911316 3,583-10-3 1,23 4,2193-10-3 1,45
Нд 0,686216 3,168-10-3 0,46 1,8586x10-3 0,27
РЬ 2,72663 0,2238 8,21 0,22382 8,21
Бг 1900,245 1,477 7,77-10-2 4,9669 0,26
гп 41,04184 0,9079 2,21 0,90791 2,21
Со 0,33946 0,1236 36,4 0,1236 36,4
и 3,190192 5,947-10-2 1,86 6,5498-10-2 2,05
V 3,68952 0,3948 10,7 0,39484 10,7
Вг 1,317688 4,732-10-2 3,59 4,7315-10-2 3,59
РЬ 2,704728 0,3303 12,2 0,33104 12,2
Мо 6,084728 3,034-10-2 0,5 3,0339-10-2 0,5
Сорг 16946,06 94,14 0,56 94,141 0,56
Морг 1293,846 11,68 0,90 11,68 0,90
Р Рорг 70,58791 1,599 2,26 1,6355 2,32
Борг 232,6669 1,292 0,56 1,292 0,56
СО2 13536,43 6,117 4,52-10-2 37,924 0,28
и «-» 12,32 0 12,316 0
Всего 735616,6 4155,87 0,57 4475,48 0,61
Пункт расхода анионов основных компонентов -сток озерных вод в другие резервуары озера. Пункты расхода катионов основных компонентов: половина Са2+ уходит со стоком озерных вод в другие резервуары, остальное количество - с потоком в донные отложения. Биогенные элементы почти полностью поступают в донные отложения. Со стоком озерных вод уходят Нд и около половины В и Мо, основное количество остальных микроэлементов уходит в донные отложения. Основная часть органических веществ по-
ступает в донные отложения. Среднемноголетняя годовая аккумуляция компонентов в резервуаре рассчитана как разность масс этих компонентов в статьях «Внешний приход» (растворенное вещество и взвесь, приходящие с потоками: реки, речная взвесь, атмосферный аэрозоль, дождь + снег, подземные воды, минеральные воды), и «Внешний расход» (растворенное вещество и взвесь, уходящие со стоком озерных вод в Ушканьеостровский резервуар).
Таблица 6
Содержания основных, микро-, биогенных компонентов и органического вещества в потоках прихода и расхода в Северном резервуаре оз. Байкал, %_
Северный резервуар
приход расход
приход внешний 100 сток озерных вод 100
основные компоненты 78,1 основные компоненты 95,7
микроэлементы 2,1 микроэлементы 0,3
биогенные элементы 14,8 биогенные элементы 1,3
органические вещества 5,0 органические вещества 2,7
поток из донных отложений 100 поток в донные отложения 100
основные компоненты 23,3 основные компоненты 21,3
микроэлементы 2,9 микроэлементы 3,3
биогенные элементы 72,5 биогенные элементы 73
органические вещества 1,3 органические вещества 2,4
\\\\.......\W\V\.......\\\\\.....\Л\\
I
II
III
Пространственная миграция компонентов в водах Северного резервуара: I - слабоподвижные компоненты, находятся в твердой и растворенной формах, передвижение «вниз - вверх» в пределах резервуара, связываются и накапливаются в донных отложениях и в водах, участвуют в химических круговоротах; II - умеренно подвижные, находятся в твердой и растворенной формах, частично выносятся со стоком озерных вод из резервуара (частичная горизонтальная миграция), остальная часть связывается и накапливается в донных отложениях и в водах, участвует в химических круговоротах (передвижение «вниз -вверх»); III - легкоподвижные, в резервуаре находятся в растворенной форме, выносятся со стоком озерных вод
из резервуара, горизонтальная миграция.
В Северном резервуаре остается 268 тыс. т/год
растворенного вещества и взвеси (табл. 7). P,
рокомпоненты, кроме С1 и Мд2+, микрокомпоненты В, СС, Бг, и, РЬ имеют нулевой внешний баланс, остальные компоненты накапливаются в резервуаре. Места аккумуляции компонентов: С!" и Нд накапливаются в водах, лишь ничтожная их часть поступает с потоком в донные отложения, остальные компоненты накапливаются (захораниваются) в донных отложениях (табл. 7). Эти особенности химического баланса Северного резервуара накладывают отпечаток на формирование донных отложений в резервуаре.
Часть компонентов в резервуаре мигрирует только одним способом - в растворенных формах - и легко выносится 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 [15]. Скорость водной миграции компонентов в Северном резервуаре позволяет определить место каждого элемента в ми-
орп
мак-
грационном ряду и разделить их на три группы (рис. 1, табл. 3, 4, 8):
I - малоподвижные, или связанные, компоненты К+, А!, Б1, Мп2+, Рео6щ , ЫО3-, РО43-, Аб, Сг, Си, СС, РЬ, гп, Со, и, V, Вг, РЬ, Рорг, Т перемещаются в виде растворенной и твердой фаз в пределах резервуара, основные пункты прихода и расхода - внутренняя нагрузка - поток из донных отложений и поток в донные отложения (вертикальная миграция внутри резервуара). Компоненты участвуют в химических круговоротах, переходя из взвешенных форм в растворенные и обратно, перемещаясь в нижние слои с потоками в донные отложения и с потоками из донных отложений в верхние слои вод резервуара. Эти компоненты не уходят за пределы резервуара, то есть с точки зрения миграции являются практически неподвижными;
II - частично выносимые, частично связанные
,2+
B, Mo, Сорг, IV, Борг
пе-
компоненты №+, Са +, Мд ремещаются в растворенной и в виде твердой фазы, относятся к умеренно подвижным, так как в статье «Расход» часть их количества транзитна и уходит из резервуара в растворенных формах со стоком озерных вод в Ушканьеостровский резервуар (частичная
горизонтальная миграция), а оставшаяся часть связывается, остается в резервуаре и участвует в химических круговоротах, т.е. переходит из твердых фаз в растворенные и обратно (вертикальное передвижение);
III - легкоподвижные - «транзитные» компоненты HCO3-, SO42-, Cl-, Hg, Sr, приходящие с внешней нагрузкой и уходящие со стоком озерных вод в Ушка-ньеостровский резервуар озера. 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: (Мп2+, Ре,
!общ ,
РО43-, Al, Si, Ti, Co, NO3-, As, Cr, Cu, V, Rb
Pb, Br, Рорг K, Zn, U, Cd,) ^ (B, Na+, ^рг, Mg2+, ^ Sорг, Mo, Ca2+) ^ (Hg, SO42-, Sr, Cl-, HCO3-).
Таблица 7
Среднемноголетние годовые аккумуляция и захоронение количества вещества, поступающего
с потоками в Северный резервуар оз. Байкал
Северный резервуар
Приход, 109г/год Аккумуляция в резервуаре Захоронение в донных отложениях резервуара
Ком- % от % от об- % от % от общего прихода % от потока в донные отложения
понент внешний внешний + внутренний 109 г/год внешнего прихо да щего (внеш. + внутр.) прихода 109г/ год внешнего прихода
K+ 13,214 169,9 0 0 0 0 0 0 0
Na+ 42,053 189,2 0 0 0 0 0 0 0
Ca2+ 200,54 383 0 0 0 0 0 0 0
Mg2+ 36,893 159,1 0,597 1,62 0,375 0,5971 1,62 0,375 0,486
Al 29,58 77,31 28,8 97,4 37,3 28,81 97,4 37,3 37,6
Si 129,05 1847 112 87,1 6,09 112,5 87,1 6,09 6,14
Mn2+ 0,50687 13,88 0,485 95,6 3,49 0,4846 95,6 3,49 3,5
F^ 80,526 222,2 80 99,4 36 80,02 99,4 36 36,1
SO42- 69,92 83,09 0 0 0 0 0 0 0
HCO3- 778,84 778,8 0 0 0 0 0 0 0
Cl- 10,643 10,64 1,54 14,5 14,5 0,3089 2,9 2,9 100
NO3- 6,255 42,34 5,39 86,1 12,7 5,385 86,1 12,7 13
NH4 + 0,5344 0,5344 0,534 100 100 0 0 0 0
PO43- 1,939 40,83 1,79 92,8 4,4 1,69 87,6 4,1 4,2
O2 5,5016 5,502 0 0 0 0 0 0 0
As 2,18-10-2 0,1888 1,7-10-2 79,1 9,13 1,7^ 10-2 79,1 9,13 9,35
B 2,77-10-3 0,1437 0 0 0 0 0 0 0
Cr 0,1052 0,4148 9, -710-2 92,1 23,4 9,69^10-2 92,1 23,4 23,8
Cu 4,08 ■Ю-2 0,8776 0,022 53,8 2,5 2,2^ 10-2 53,8 2,5 2,56
Cd 0 3,583 ■Ю-3 0 0 0 0 0 0 0
Hg 3,17-10-3 3,168^10-3 1,7-10-3 52,6 52,6 3,6^10-4 11,3 11,3 100
Pb 6,10-10-2 0,2238 5,6-10-2 91 24,8 5,6^ 10-2 91 24,8 25,4
Sr 0,66436 1,477 0 0 0 0 0 0 0
Zn 0,17406 0,9079 8,9-10-2 51,3 9,83 8,9^ 10-2 51,3 9,83 10,8
Co 2,63-10-3 0,1236 1,96^ 10-3 74,5 1,59 1,96^10-3 74,5 1,59 1,6
U 9,42-10-4 5,947 ■Ю-2 0 0 0 0 0 0 0
V 1,83 ■ 10-2 0,3948 9,75^ 10-3 53,2 2,47 9,75^10-3 53,2 2,47 2,52
Br 7,57 ■Ю-3 4,732-10-2 4,69^ 10-3 62 9,92 4,69^10-3 62 9,92 10,6
Rb 5,19^10-3 0,3303 0 0 0 0 0 0 0
Mo 2,55 ■Ю-2 3,034 ■Ю-2 1,31 ■Ю-2 51,2 43,1 1,31 ■Ю-2 51,2 43,1 73,1
^рг 69,937 94,14 34,9 49,8 37 34,86 49,8 37 59
^рг 3,9635 11,68 1,5 37,7 12,8 1,495 37,7 12,8 16,2
Рорг 8,77^10-2 1,599 0 0 0 0 0 0 0
^рг 0,9244 1,292 0,443 47,9 34,3 0,4428 47,9 34,3 54,6
CO2 0 6,117 0 0 0 0 0 0 0
Ti 8,31 ■Ю-4 12,32 8,29-10-4 99,8 6,73^ 10-3 8,31 ■Ю-4 100 6,7^10-3 6,7^ 10-3
Всего 1482,2 4155,87 268 18,1 6,45 266,905 18,1 6,45 9,13
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 источ-
ником 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, то есть определить соотношение форм миграции поступивших в Северный 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. 8). В слабоминерализованных водах резервуара в комплексы не связываются только НС03-, Б042-, О!-,
Таблица 8
Способы миграции компонентов и соотношение твердых и растворенных фаз при их перемещении в резервуаре и из резервуара
Компонент Северный резервуар, 109г/год
общий приход (растворенные вещества + тонко-и крупнодисперсная взвесь) сток озерных вод в Ушканьеостровский резервуар (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+ 169,9 15,324 156,73 156,73 1 : 1,1
N8+ 189,2 44,691 147,11 147,11 1 : 1,3
Са2+ 383 225,21 182,43 182,43 1 : 2,23
Мд2+ 159,1 36,296 122,17 122,77 1 : 1,3
А! 77,31 0,77321 47,726 76,533 1 : 1,01
Б1 1847 16,586 1718 1830,5 1 : 1,01
Мп2+ 13,88 2,2238-10-2 13,368 13,853 1 : 1
Рвобщ 222,2 0,50702 141,66 221,68 1 : 1
Б042- 83,09 70,011 13,168 13,168 1 : 6,32
НС0з- 778,8 958,4 0 0 1 : 779
С!- 10,64 9,1042 0 0,30888 1 : 30,5
N0^ 42,34 0,86969 36,088 41,473 1 : 1,02
NH4 + 0,5344 0 0 0 0
Р043- 40,83 0,1399 38,88 40,583 1 : 1
02 5,502 114,31 0 0 0
АБ 0,1888 4,5483-10-3 0,16701 0,18424 1 : 1,02
В 0,1437 0,14115 0,14089 0,14089 1 : 2
Сг 0,4148 8,3386-10-3 0,30954 0,40641 1 1,02
Си 0,8776 1,8861-10-2 0,83677 0,85873 1 1,02
СЬ 3,583-10-3 6,3661 -10-4 3,5827-10-3 3,5827х10-3 1 1,18
Нд 3,168-10-3 1,5009-10-3 0 3,5765-10-4 1 : 5,2
РЬ 0,2238 5,5027-10-3 0,1628 0,21832 1 : 1,03
Бг 1,477 4,1541 0,81283 0,81283 1 : 6,11
гп 0,9079 0,08478 0,73385 0,82313 1 : 1,1
Со 0,1236 6,7163-10-4 0,12097 0,12293 1 1,01
и 5,947-10-2 6,9741 -10-3 5,8524-10-2 5,8524-10-2 1 1,12
V 0,3948 8,5777-10-3 0,37651 0,38626 1 1,02
Вг 4,732-10-2 2,8806-10-3 3,9743-10-2 4,4435-10-2 1 1,06
РЬ 0,3303 5,9128-10-3 0,32513 0,32513 1 1,02
Мо 3,034-10-2 1,2456-10-2 4,8051 -10-3 1,7882-10-2 1 : 1,7
Сорг 94,14 35,076 24,204 59,066 1 1,59
^рг 11,68 2,4683 7,7168 9,2121 1 1,27
Рорг 1,599 0,12452 1,511 1,511 1 1,08
Борг 1,292 0,48158 0,36765 0,81045 1 1,59
С02 6,117 31,807 6,1174 6,1174 1 : 6,2
и 12,32 0 12,315 12,316 1 : 1
Всего 4155,83 1567,4 2674,3 2936,5 1 : 1,54
Нд, Sr (являются инертными, в водах резервуара находятся в растворенных формах), тогда как все другие компоненты с разной степенью участия вступают в реакции комплексообразования (табл. 8, 10). Поступившие с потоками в воды резервуара К+, Л1, Si, Mn2+, Feобщ, NOз-, РO43-, Лб, Сг, Cu, Cd, Pb, Zn, Со, U, V, Br, РЬ, Рорг, Ti связываются полностью, N8+, Са2+, Мд2+, В, Мо, Сорг, ^рг, Sорг - более, чем наполовину.
Основной источник активных компонентов - ком-плексообразователей (К+, Л1, Si, Мп2+, Fe0бЩ , NO3-, Р043-, Лб, Сг, Си, Cd, РЬ, Zn, Со, и, V, Вг, РЬ, Рорг, Ti, N8+, Са2+, Мд2+, В, Nорг) - поток из донных отложений, где компоненты находятся в растворенном состоянии. Можно сказать, что эти компоненты задают тон «поведения» для компонентов в водах резервуара, вступая в химические взаимодействия с другими элементами, переходя в твердую фазу и способствуя к переходу во взвешенную форму других элементов, образуя тем самым автохтонную взвесь, увлекая их в донные отложения, где часть их захоранивается, а оставшаяся часть в результате химических преобразований в растворенном состоянии возвращается в водную толщу, чтобы в очередной раз совершить «круг жизни», то есть происходит марганцевожелезоалюмосиликатный (Мп - Fe - Л1 - Si) круговорот.
На основании вышеизложенного можно судить о степени геохимической устойчивости экосистемы
«Северный резервуар» к загрязнению химическими элементами и органическим веществом, то есть 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. 9, 10). Попавшие в резервуар при техногенном загрязнении, инертные компоненты НС03-, SO42-, С1-, Нд, Sr будут находиться в резервуаре в растворенных формах и с течением времени со стоком озерных вод уйдут в соседние резервуары. Установлено, что среднее значение постоянной времени обмена вод для Северного резервуара составляет около 386 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 исходного качества вод. Следовательно, экосистема «Северный резервуар» 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
Группировка компонентов по скорости водной миграции в Северном резервуаре оз. Байкал
Группа элементов Северный резервуар
I Слабоподвижные (связываются, миграция вертикальная - «вниз-вверх», накапливаются в водах и донных отложениях резервуара) К+, А1, Si, Мп2+, Feобщ , N0^, РО43-, Лб, Сг, Си, Cd, РЬ, Zn, Со, и, V, Вг, РЬ, Рорг, Т
II Умеренноподвижные (частично выносятся со стоком озерных вод в Ушканьеостровский резервуар, частично связываются, миграции горизонтальная из резервуара и вертикальная в резервуаре, накапливаются в водах и донных отложениях) N8+, Са2+, Мд2+, В, Мо, Сорг, Sорг
III Легкоподвижные (выносятся со стоком озерных вод в Ушканьеостровский резервуар, горизонтальная миграция из резервуара) НС03-, S042-, С1-, Нд, Sr
Таблица 10
Группировка компонентов по химической активности - способности к комплексообразованию в водах
Среднего резервуара оз. Байкал
Группа элементов Компоненты
I активные К+, Л1, Si, Мп2+, Feобщ , N0^, РО43-, Лб, Сг, Си, Cd, РЬ, Zn, Со, и, V, Вг, РЬ, Рорг, Т
II умеренно активные N8+, Са2+, Мд2+, В, Мо, Сорг, Sорг
III инертные НСО3-, S042-, С1-, Нд, Sr
Таблица 11
Группировка компонентов, поступающих в Северный резервуар оз. Байкал с антропогенной _нагрузкой, по классам экологической опасности_
Класс Северный резервуар
I К+, Л1, Э, Мп2+, Feобщ , N0^, РО43-, Лб, Сг, Си, Cd, РЬ, Zn, Со, и, V, Вг, РЬ, Рорг, Т
II N8+, Са2+, Мд2+, В, Мо, Сорг, Sорг
IV НС03-, S042-, С1-, Нд, Sr
Группа «связанных» компонентов, участвующих в химическом круговороте, то есть уходящих с потоком в донные отложения и возвращающихся с потоком из донных отложений, в случае техногенных аварий с этими компонентами не будет утилизирована в донные отложения, 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, но будучи вовлеченными в химический круговорот, нарушат существующие химическое и биологическое равновесие и вызовут этим катастрофические изменения качества вод в резервуаре. В отношении этих компонентов - К+, А1, Б1, Мп2+, Рео6щ , N03", Р043-, Аб, Сг, Си, Сс1, РЬ, гп, Со, и, V, Вг, РЬ, Рорг Т и N8+, Са2+, Мд2+, СС, Мо, Сорг, ^рг, Борг экосистема неустойчива (не способна восстановить исходный химический состав вод), поэтому отнесем эти элементы к первому и второму классам экологической опасности (табл. 11, 12).
ные отложения (приносит 64,3% вещества статьи «Приход» и уносит 65,1% вещества статьи «Расход» резервуара), несущая основное количество катионов основных компонентов, биогенных элементов, микроэлементов и органического вещества.
2. Основное количество вещества в резервуар поставляется потоком из донных отложений и реками.
3. Макроэлементы поступают с потоком из донных отложений и с водами рек. Основное количество микроэлементов поступает с потоком из донных отложений. Около трети А1 и Реобщ поступает с взвесью речных вод, Нд и половину Бг поставляют реки. Основное количество биогенных элементов поставляет поток из донных отложений. Органические вещества поступают с потоком из донных отложений и с реками. Велика роль аэрозоля как источника привноса Сорг.
4. Утилизация вещества в донные отложения резервуара избирательная: с потоком в донные отложения поступают и частично в них захораниваются биогенные компоненты, катион основного компонента Мд2+, органическое вещество и микроэлементы А1,
Таблица 12
Классы экологической опасности компонентов и прогноз их поведения в Северном резервуаре в случае воздействия антропогенной нагрузки на оз. Байкал
Компонеты Средний резервуар
К+ С ВД I СС С ВД I
N8+ У ВД II Нд Л IV
Са2+ У ВД II РЬ С ВД I
Мд2+ У ВД II Бг Л IV
А1 С ВД I гп С ВД I
Б1 С ВД I Со С ВД I
Мп2+ С ВД I и С ВД I
^еобщ С ВД I V С ВД I
Б042" Л IV Вг С ВД I
НС03" Л IV РЬ С ВД I
С1" Л IV Мо У ВД II
N03" С ВД I Сорг У ВД II
Р043" С ВД I ^рг У ВД II
Аб С ВД I Р Рорг С ВД I
В У В II Борг У ВД II
Сг С ВД I и С ВД I
Си С ВД I
Примечание. С - слабоподвижные накапливаются; У - умеренноподвижные, частично выносятся, частично накапливаются; Л - легкоподвижные выносятся; В - накапливаются в водах; Д - накапливаются в донных отложениях; ВД - накапливаются в донных отложениях и водах; I, II, IV - классы экологической опасности.
К третьему классу экологической опасности в других резервуарах озера мы отнесли умеренно подвижные компоненты, частично выносимые со стоком озерных вод в соседние резервуары озера и частично уходящие с потоком в донные отложения и захоранивающиеся в них [7, 11-13]. В Северном резервуаре компонентов с подобным типом поведения нет, поэтому нет и компонентов третьего класса экологической опасности.
Установление количественных характеристик химического баланса Северного резервуара оз. Байкал позволило сделать следующие выводы:
1. Установлена мощная внутренняя нагрузка в резервуаре - поток из донных отложений и поток в дон-
Мп2+, Аб, Сг, Си, РЬ, гп, Со, V, Вг, Мо, П. Захороненное вещество составляет 6,5% от статьи «Приход» и 9% от вещества расходной статьи «Поток в донные отложения резервуара».
5. В Северном резервуаре остается 6,5% от поступившего в резервуар с общим приходом растворенного вещества и взвеси. Аккумулированное вещество составляют компоненты С1", Мд2+, Б1, Реобщ , N0^, РО43", А1, Мп2+, Аб, Сг, Си, Нд, РЬ, гп, Со, V, Вг, Мо, И,
Сорг 1^орп Борг.
6. В слабоминерализованных водах резервуара в комплексы не связываются только НС03", Б042", С1", 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 K+, Al, Si, Mn2+, Fe,
NO3", PO43", As, Cr, Cu, Cd, Pb, Zn, Co, U, V, Br, Rb, Рорг, Ti связываются полностью, Na+, Ca2+, Mg2+, B, Mo, C^, Nорг, Sорг - более, чем наполовину от количества по-
общ
ступившего компонента. Компоненты K , Na , Ca
июнен 1ы к , N8 , са2+ Мд2+, Si, N0з-, РО43-, Л1, Мп2+, Лб, В, Сг, Си, Cd, РЬ, Sr, Zn, Со, и, V, Вг, РЬ, Мо, Д Сорг, Nорг, Рорг, Sорг - находятся в водах резервуара в растворенной и взвешенной формах, перемещаются в растворенной и в виде твердой фазы, но с различным для каждого элемента соотношением растворенных и твердых фаз. Компоненты НС03-, S042-, С1-, Нд, Sr находятся в водах резервуара только в растворе, мигрируют только одним способом - в растворенных формах и являются легко выносимыми из резервуара.
7. Северный резервуар проточен для поступивших в него анионов основных компонентов и микроэлементов Нд, Sr, и является биогеохимическим барьером для катионов основных компонентов органического вещества, для биогенных элементов и большой группы микроэлементов.
8. Определен круг компонентов, совершающих химические круговороты в водах резервуара: К+, N8+, Са2+, Мд2+, Fe0бЩ, Si, N0^, Р043-, Л1, Мп2+, Лб, В, Сг, Си, Cd, РЬ, Sr, Zn, Со, и, V, Вг, РЬ, Мо, Ti, Сорг, ^рг, Рорг, Sорг. Из них К+, Л1, Si, Мп2+, Fe0бЩ, N03-, Р043-, Лб, Сг, Си, Cd, РЬ, Zn, Со, и, V, Вг, РЬ, Рорг, Ti участвуют в химических круговоротах практически целиком, а N8+,
Са2+, Мд2+, В, Мо, Сорг, Nорг, Sорг - лишь частично.
9. При попадании химических элементов и органического вещества в озеро Байкал с техногенным стоком экосистема «Северный резервуар» обладает способностью восстанавливать исходный химический состав вод в отношении легкоподвижных выносящихся НС03-, S042-, С1-, Нд, Sr (четвертый класс экологической опасности). Экосистема геохимически неустойчива (не способна восстановить исходный химический состав вод) при попадании с техногенным стоком слабоподвижных, участвующих в биогеохимических круговоротах, накапливающихся в водах и донных отложениях N8+, Са2+, Мд2+, В, Мо, Сорг, ^рг, Sорг (второй класс экологической опасности) и К+, Л1, Si, Мп2+, Fe0бЩ , N0^, РО43-, Лб, Сг, Си, Cd, РЬ, Zn, Со, и, V, Вг, РЬ, Рорг, Ti (первый класс экологической опасности).
2+
Библиографический список
1. Астраханцева О.Ю. Принципы создания модели «Метасистема оз. Байкал» // Проблемы земной цивилизации: сб. ст. // Поиск решения проблем выживания и безопасности земной цивилизации. Иркутск, АSPrint, 2002. Вып. 6. Ч. 1. С. 71121.
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. Расчет морфометрических характеристик сложной системы «Озеро Байкал» // Вестник ИрГТУ. 2007. № 4 (32). С. 42-49.
4. Астраханцева О.Ю., Глазунов О.М. Водный баланс мега-системы «Озеро Байкал». // Вестник ИрГТУ. 2008. № 3 (35). С. 14-154.
5. Астраханцева О.Ю., Тимофеева С.С., Глазунов О.М. Химические балансы пяти резервуаров озера Байкал // Вестник ИрГТУ. 2009. № 1 (37). С. 11-23.
6. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Выделение полуавтономных систем в озере Байкал // Вестник ИрГТУ. 2010. № 4 (44). С. 6-16.
7. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Южного резервуара оз. Байкал // Вестник ИрГТУ. 2011. № 8 (55). С. 16-28.
8. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В. Равновесные физико-химические модели прибрежных вод резервуаров оз. Байкал // Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России: материалы 4-й Всерос. конф. молодых ученых (Владивосток. 27 августа - 5 сентября 2012 г.). Владивосток: Дальнаука, 2012. С. 249-258.
9. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В. Равновесные физико-химические модели поверхностных вод резервуаров оз.
Байкал // Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии: тр. Всеросс. науч. конф. с междунар. участием, посвящ. 5-летнему юбилею Ин-та вод. и эколог. проблем СО РАН (Барнаул, 20-24 августа 2012 г.). Барнаул: Ин-т водных и эколог. проблем СО РАН. 2012. Т. 2. С. 25-31.
10. Астраханцева О.Ю., Чудненко К. В. Равновесные физико-химические модели глубинных вод резервуаров оз. Байкал // Современные проблемы геохимии: материалы всерос. совещания (с участием ин. ученых), посвящ. 95-летию со дня рождения акад. Л.В. Таусона (г. Иркутск, 22 - 26 окт. 2012 г.). Иркутск: Изд-во Ин-та географии им. В.В. Сочавы СО РАН, 2012. Т. 3. С. 175-178.
11. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Селенгинского резервуара оз. Байкал // Вестник ИрГТУ. 2012. № 1 (60). C. 20-32.
12. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Среднего резервуара оз. Байкал // Вестник ИрГТУ. 2012. № 3 (62). C. 28-42.
13. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Ушканьеостровского резервуара оз. Байкал // Вестник ИрГТУ. 2012. № 5 (64). C. 36-50.
14. Верболов В.И., Сокольников В.М., Шимараев М.Н. Гидрометеорологический режим и тепловой баланс оз. Байкал. М.-Л.: Наука, 1965. 373 с.
15. Страхов Н.М. Избранные труды. Общие проблемы геологии, литологии и геохимии. М.: Наука, 1983. 636 с.
16. Шерстянкин П.П. Оптические структуры и фронты океанического типа на Байкале. Дис... д-ра физ.-матем. наук (в форме науч. доклада). ИО РАН. М., 1993. 37 с.
17. 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.
18. Garrels R.M. Mineral equilibria at low temperature and pressure. New York: Harper, 1960. 306 p.
