Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 10 )

Упродовж десятків років геохіміки, а потім і гідрохіміки досліджували лише найпростіші прояви цих структур [126], які лише частково можуть характеризувати перебіг хімічних процесів у гідрохімічній системі.

Найбільш вивченими на сьогоднішній день процесно – функціональними структурами гідрохімічної системи є карбонатно-кальцієва, карбонатно-магнієва та інші важливі підсистеми, тому, з метою представлення цих класичних процесно-функціональних структур природних вод або підсистем гідрохімічної системи, нижче подано їх характеристику за літературними даними.

У розділах 4 – 6 розглянуто процесно-функціональні структури гідрохімічних систем деяких водних об’єктів України.

Карбонатно-кальцієва та карбонатно-магнієва підсистеми. Відомо [169], що середня мінералізація води річок нашої планети складає 90 – 100 мг/дм3 , а 99% річок світу мають гідрокарбонатний клас води.

Гідрокарбонатно-кальцієвий склад води забезпечується поведінкою карбонатної системи [ CO2 - HCO3- - CO32-] та іона Са2+ [46, 202].

Збагачення води іонами HCO3- здійснюється двома шляхами:

1) дисоціація вугільної кислоти у воді:

H2CO3 ↔ H+ + HCO3- ↔ 2Н+ + СО32- ;

2) взаємодія вільної вуглекислоти з широко розповсюдженими на Землі карбонатними сполуками:

CO2 + CaCO3 + H2O ↔ Ca2+ + 2HCO3- ;

CO2 + MgCO3 + H2O ↔ Mg2+ + 2HCO3- .

Вміст у воді вугільної кислоти і відповідно HCO3- залежить від наявності у воді вільного двоокису вуглецю CO2 (CO2+ H2O → H2CO3), який знаходиться у рівноважному стані з атмосферним CO2.

Розчинність CO2 у воді залежить від її температури: при 20оС та тиску 1 атм в одному дм3 води може розчинитися 0,88 л CO2 , а при температурі 0 оС – 1,7 л. Звичайний вміст CO2, який характерний для більшості гідрохімічних систем, становить декілька мг/дм3. Лише в у водоймах з послабленим водообміном концентрації CO2 можуть зростати до 20-30 мг/дм3.

Кількісне співвідношення вмісту у природній воді компонентів єдиної карбонатної системи [ CO2 - HCO3- - CO32-] визначається вм істом у ній вільної CO2 та відповідно величиною рН.

В кислих водах домінує вільна CO2. При рН<5 відсутні CO3- , а вміст HCO3- знижується до часток мг/дм3.

В нейтральному та слабо лужному середовищі при рН=7-8, вміст HCO3- у воді зростає і вони стають домінуючою формою.

При рН > 8, тобто в умовах дефіциту вільної CO2, зберігається домінуюча роль HCO3- , але й зявляються слаборозчинені CO32-. Вміст останніх зростає до певної межі, а потім починається їх осадження. В природних умовах взаємодія між розчинними HCO3-, слабо розчинними CO32- та вільною CO2 йде безперервно утримуючи динамічну рівновагу карбонатної системи :

CO2 + СаCO3 + Н2О ↔ Са(HCO3-) ↔ Са2+ + 2НСО3- ↔

↔ 2Н+ 2CO32- ;

CO2 + MgCO3 + Н2О ↔ Mg (HCO3-) ↔ Mg2+ + 2НСО3- ↔

↔ 2Н+ 2CO32- .

Осадження CO32- (коли хід реакції направлений вліво) звичайний процес для теплої пори року, який співпадає з періодом вегетації, коли у воді в процесі фотосинтезу ( 6 CO2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6O2 ↑ ) виникає дефіцит вільної CO2 і її джерелом стають гідрокарбонати. Тому у воді річок та озер літом можна бачити на камінні, листях вапняну кірку (вода має лужну реакцію).

Випаданню в осад Са2+ та Mg2+ поряд з біологічним фактором сприяють хімічні реакції, що протікають у водному розчині та обмінні фізико-хімічні реакції в присутності колоїдів.

Межа розчинності СаCO3 зростає із збільшенням мінералізації води, але лежить нижче порогової величини 150 мг/дм3. Для розчинів, які містять СаSO4, цей поріг знижується до 100 мг/дм3.

Поведінка гідрокарбонатно-кальцієвої та гідрокарбонатно-магнієвої систем, які пов’язані з біогеохімічними екосистемними та міжекосистемними взаємодіями в ландшафтах суходолу, включаючи водойми, є головним механізмом, який підтримує малу і середню мінералізацію води.

Сульфатно-кальцієва підсистема. Стан сульфатно-кальцієвої рівноваги визначає протікання процесів гіпсоутворення у водоймах та водотоках, а також карстоутворення в гіпсах та ангідритах.

Найбільшого розвитку набули дослідження цього питання в роботі В. П.Звєрєва [129], методичні та інженерно-гідрохімічні аспекти розглянуті в роботах єва [126, 127], регіональні – в монографії та В. К.Хільчевського [203].

Гіпс являє собою сірчанокислу сіль кальцію з двома молекулами хімічно зв’язаної води (СаSO4 . 2H2O ), ангідрит являє собою безводну сіль кальцію СаSO4. Розчинність солей кальцію в дистильованій воді в інтервалі температур 0о – 40оС підвищується від 1,759 г/дм3 до 2,093 г/дм3.

Під впливом тиску і температури в природних умовах між гіпсом та ангідритом встановлюється певна рівновага. При температурі водного середовища до 42оС стабільним є гіпс, а при подальшому підвищенні температури та тиску відбувається дегідратація гіпсу і стабілізація ангідриту. Цьому ж сприяє і підвищення солоності води.

Рівновага між твердою фазою СаSO4 та його водним розчином визначається добутком розчинностей сульфату і кальцію ( L СаSO4 ).

У рівноважній системі

СаSO4 ↔ Са2+ + SO42-

величина L СаSO4 є постійною, тобто

ƒ Са2+ [ Са2+] . ƒ SO42-[ SO42-] = L СаSO4 = const, (3.1)

де ƒ Са2+ і ƒ SO42- - коефіцієнти активності іонів, [ Са2+], [SO42-] – концентрації відповідних іонів у молях.

Якщо при підстановці у рівняння 3.1 фактично визначених у природній воді концентрацій кальцію та сульфатів L факт./ L СаSO4> 1, то вода перенасичена цими іонами і рівновага зміщена вліво; якщо L факт./ L СаSO4< 1, то рівновага системи зміщена вправоі це означає, що вода є агресивною до гіпсу.

При рівності фактичного і теоретичного коефіцієнтів система СаSO4 – Н2О знаходиться у рівноважному стані.

Кальцієво-карбонатно-фосфатна підсистема. Вміст кальцію у природних водах є суттєвим регулятором фосфатного обміну гідрохімічних систем. Регулювання вмісту фосфатів здійснюється двома основними шляхами:

1)осадження гідроксилапатиту Ca5(PO4)3 . OH , або 3Ca3(PO4)2 . Ca(OH)2;

2)сумісне осадження молекул фосфату разом з СаСО3.

Проблемою осадження фосфату кальцію займався Б. Хефер [204]. Він запропонував діаграму для розрахунку кількості кальцію та фосфатів, які можуть співіснувать в розчинах з різними значеннями рН.

Залізо – фосфатно - сірчана підсистема. Функціонування даної системиє невідємним елементом процесно-функціональної структури гідрохімічних систем водойм з стоячою водою, чи уповільненим водообміном.

Під час вертикальної температурної та гідрохімічної стратифікації у зоні гіполімніону створюється анаеробне середовище, внаслідок чого окислювально-відновний потенціал води різко знижується. Це сприяє відновленню заліза з донних відкладів.

Відновником може бути сірководень H2S, який утворюється під час відновлення сульфатів анаеробними бактеріями.

Відновлення заліза Fe3+ відбувається в результаті такої реакції:

Fe(OH) 4OH - + 2H2O

S2- + +2H+ → 2Fe2+ +

2FePO4 2HPO42- +S

Fe2+ зявляється у воді та зрівноважується присутністю іонів НСО3- .

При порушенні стратифікації розчинений Fe2+ окислюється киснем. За умови, що рН води у більшості випадків буде перевищувати 6,0, то іони трьохвалентного заліза Fe3+ будуть випадати в осад у формі Fe(HCO3)2 .

Залізо – фосфатно - сірчана підсистема досліджена в роботах B. Айнзелe [205] та K. Мортімера [206]. Ці роботи проводилися для виявлення механізму транспортування та трансформації біогенних речовин у гідрохімічних системах.

2.3. Просторова ієрархічна структура гідрохімічної системи

Використання теоретико-методологічних основ вчення про функціонально-цілісні геосистеми та поєднання їх з концепцією багатофакторності формування хімічного складу та якості води, розробленої в гідрохімії, дозволило вирізнити та обґрунтувати гідрохімічну систему природних вод як динамічний просторово-часовий та специфічний комплекс хімічних речовин та процесів у природних водах, завдяки якому здійснюється обмін речовиною та енергією у природних водних системах [146].

ГХС виділяється за принципом функціонально-цілісної геосистеми як об’єм простору; системоутворюючою основою її є компоненти хімічного складу води з їх специфічним характером форм знаходження та типами зв’язків.

Отже гідрохімічна система це тривимірна структура, що має поширення як в горизонтальному так і в вертикальному напрямках.

Горизонтальна (територіальна ) структура. Вже на перших етапах дослідження гідрохімічних систем виникає питання про структуру та розмір гідрохімічних систем, про ієрархію рівнів їх територіальної розмірності та про методичні підходи до вирішення цих процедур.

Досліджуючи існуючі підходи до виділення територіальних гідрологічних та гідрохімічних структур, можна зробити висновок, що усі вони базуються всього лише на двох основних принципах: зональному (географічному) та басейновому (гідрологічному).

Відкритий ще євим (1898) закон географічної зональності проявляється також в територіальній структурі гідрологічних та гідрохімічних інформаційних полів. Це вперше довів у своїх роботах , який розробив географо-гідрологічний метод дослідження.

Використовуючи цей метод, було виконано цілий ряд робіт, присвячених дослідженню територіальних структур гідрологічних полів. Так, наприклад, Д. І.Кочеріним, В. І.Рутковським, -Тянь-Шанським були створені на основі загальних фізико-географічних ознак схеми гідрологічного районування [207].

Досліджуючи умови формування хімічного складу різних типів природних вод України, В. І.Пелешенко ще в 70-х роках минулого століття запропонував використовувати ландшафтно-генетичний метод для регіональних гідрохімічних досліджень. За одницю районування ним було вибрано фізико-географічну область як “найбільш зручну одиницю районування” з чіткими межами, виділеними за комплексом показників, для отримання найвичерпніших регіональних гідрохімічних характеристик [49].

З точки зору дослідження регіональної гідрохімічної макросистеми поверхневих вод фізико-географічна область ідеально підходить за розміром до категорії регіональних макросистем. Її територія досить добре вивчена в гідрохімічному відношенні. Вона характеризується високою розчленованістю рельєфу і густою гідрографічною мережею, так що територія області може бути легко умовно розділена на безліч елементарних водозборів, які добре характеризують хімічний склад вод місцевого стоку, тобто стоку, який формується під впливом місцевих природних і антропогенних факторів. Вивчення варіаційних просторово-часових рядів гідрохімічних параметрів значної кількості елементарних водозборів за запропонованою нами методикою дозволяє виконати детальний і об’єктивний аналіз регіональної гідрохімічної системи [56, 141, 142].