Глобальный гидрологический цикл и его структура (стр. 8 )

Химия загрязненных подземных вод мало отличается от химии поверхностных вод. Однако процессы разложения, про­исходящие в течение дней или недель в поверхностных водах, могут занимать десятилетия в подземных водах с низкими ско­ростями потока и слабой микробиологической активностью. Это ограничивает возможность природной очистки посредст­вом вымывания или биологического потребления. Однажды загрязненные подземные воды восстановить сложно и дорого, а во многих случаях невозможно. Местоположения старых участ­ков загрязнения могут быть известны не точно или даже вообще неизвестны, а гидрологические условия могут способствовать разгрузке загрязненных подземных вод в виде природных клю­чей в реки и озера, в результате которой загрязнение распрост­раняется на поверхностные воды [4].

2.2. Процессы в дельтах

Океаны, безусловно, являются крупнейшими резервуарами гид­росферы и существуют по меньшей мере уже 3,8 миллиардов лет. Жизнь на Земле, вероятно, возникла в морской воде, и океаны важны для смягчения колебаний глобальной температуры. Речные воды, дренирующие сушу континентов, попадают в океаны через дельты. Здесь пресные воды смеши­ваются с морской водой. Химический состав морской воды сильно отличается от состава пресной, и это различие оказыва­ет влияние на транспорт некоторых растворенных и твердых компонентов. Кроме того, человек часто нарушает природ­ные химические процессы прибрежных областей, как посред­ством загрязнения потока пресной воды, так и за счет хозяй­ственной деятельности, сосредоточенной вблизи дельт и мелких морей [3].

Мы начнем с рассмотрения химии морской воды вблизи континентальных областей - в переходной зоне между средами обитания суши и открытого океана.

Существует много различий между химизмом континентальных поверхностных вод и морской водой. В частности, морская вода обладает гораздо большими концентрациями ионов натрия и  хлора (Na+ и С1-) (табл. 2) в отличие от континентальных вод с преобладанием бикарбоната кальция. Морская вода является настолько концентрированным химическим  раствором, что смешивание только 1 % (по объему) морской воды с речной водой среднего состава дает раствор, где отношение между большинством ионов практически такое же, как в морской воде. Таким образом, химические градиенты в дельтах очень высоки и относятся к ранним стадиям перемешивания [3].

Таблица 2

Состав основных ионов в пресной и морской воде в ммоль·л-1

Ионы	Речная вода	Морская вода
Na+	0,23	470
Mg2+	0,14	53
K+	0,03	10
Ca2+	0,33	10
HCO3-	0,85	2
SO42-	0,09	28
Cl-	0,16	550
Si	0,16	0,1

Кроме высокого градиента по ионной силе, в некоторых дельтах существует также градиент по рН.

Однонаправленный поток в реках заменяется на приливно-отливные (обратные) потоки в дельтах. Во время полной и малой воды скорость течения падает до нуля, что позволяет осаждаться и откладываться более 95% тонкозернистого взвешенного осад­ка (в основном представленного глинистыми минералами и ор­ганическим веществом). Эффективность дельт как ловушек для осадка, вероятно, изменялась в течение достаточно коротких геологических временных масштабов. Например, в течение по­следних 11000 лет, когда уровень моря поднялся вслед за послед­ним оледенением, дельты, по-видимому, наполнились осадком, отработанным с континентальных шельфов. В масштабе геоло­гического времени дельты можно рассматривать как временные явления, но и сегодня это не уменьшает их значения как ловушек для речного взвешенного материала [3].

2.2.1. Агрегация коллоидного материала в дельтах

Высокий градиент ионной силы в воде дельт приводит к де­стабилизации коллоидного материала (т. е. суспензии тонкозер­нистого материала), вызывая его флоккуляцию и выпадение на дно. Лучше можно понять этот процесс на примере глинистых минералов - наиболее распространенных неорганических коллоидов в дельтовых водах. Глинистые минералы несут на по­верхности отрицательный заряд, частично компен­сированный адсорбированными катионами. Если поверхност­ные заряды не нейтрализованы путем адсорбции ионов, глини­стые минералы проявляют тенденцию к сохранению состояния взвеси, поскольку одноименные заряды отталкиваются. Эти силы отталкивания велики по сравнению с силами притяжения Ван-дер-Ваальса и предотвращают аггрегирование и выпадение частиц. Следовательно, какой-либо агент, нейтрализующий поверхностные заряды, будет способствовать флоккуляции частиц. Многие коллоиды флоккулируют в среде электролита, и морская вода - гораздо более сильный электро­лит, чем речная, - выполняет эту роль в дельтах. Катионы морской воды притягиваются к отрицательно заряженным по­верхностям глин. Они формируют в растворе подвижный слой, примыкающий к поверхности глин (рис.10), и образующийся комбинированный «электрический двойной слой» близок к со­стоянию электронейтральности. Соседние частицы могут после этого приближаться друг к другу и агрегировать. В природе та­кое простое объяснение в значительной мере осложняется при­сутствием органических и гидроксидных пленок на частицах[3].

Отложение осадка в дельтах локализовано в областях с низкой соленостью за счет физических и химических эффектов, обсуж­денных выше. Осадок, однако, постоянно возвращается в суспен­дированное состояние вследствие приливно-отливных течений, которые движутся вверх во время прилива и вниз во время отлива. Конечный эффект заключается в образовании областей с высокой концентрацией взвешенного твердого вещества, известных как максимумы мутности. Максимум мутности является важной об­ластью, поскольку многие реакции в химии окружающей среды включают обмен формами между растворенными и твердыми фа­зами. Такие реакции могут оказать существенное влияние на пото­ки речного материала в океаны и поэтому должны быть количест­венно оценены в целях понимания глобального цикла элементов [3].

2.2.2. Процессы перемешивания в дельтах

Поток воды в дельтах не однонаправлен; он подвержен обрат­ным течениям во время приливов. В результате не существует постоянной связи между фиксированной географической точ­кой и свойствами воды (например, концентрацией иона каль­ция, Са2+). По этой причине данные, полученные в дельтах, обычно сравнивают с соленостью, а не местополо­жением. В основе лежит допущение, что соленость в дельте - это просто результат физического перемешивания, а не химиче­ских изменений. Если в дельту впадает только одна река и не существует другого источника, то поведение любого компонен­та можно оценить, построив зависимость его концентрации от солености [3].

Если концентрация измеряемого компонента, как и соле­ность, контролируется простым физическим перемешиванием, их взаимосвязь будет линейной (рис.11). Такое поведение на­зывается консервативным и может иметь место при концентра­циях в речной воде больших или меньших, чем в морской воде (рис.11). В отличие от этого, если добавлен компонент, не имеющий отношения к изменению солености, экспери­ментальные данные будут располагаться выше линии консерва­тивного перемешивания (рис.11). Аналогично, если про­изошло удаление компонента, данные будут располагаться ниже линии консервативного перемешивания (рис.11). В большинстве случаев удаление или привнос компонента происходит при низких значениях солености, и данные приближаются к консервативной линии при высокой солености. Экс­траполяция такой «квазиконсервативной линии» к нулевой со­лености может обеспечить, путем сравнения ее с измеренной концентрацией нулевой солености, оценку степени удаления или высвобождения компонента [3].

2.2.3. Гальморолиз и ионный обмен в дельтах

Электрохимические реакции, которым подвергаются глинистые минералы речного происхождения, привнесенные в морскую воду, не заканчиваются флоккуляцией частиц или осаждением агре­гатов. Способность глинистых минералов к ионному обмену озна­чает, что их транспорт из речной воды с низкой ионной силой и доминированием Са2+ и HCO3- в морские воды с высокой ионной силой и преобладанием хлорида натрия (NaCl) требует протека­ния реакции с новым раствором для восстановления химического равновесия. Процесс, с помощью которого мате­риал суши приводится в соответствие с морскими условиями, был назван «гальморолизом»; термин происходит от греческих корней hali (море) и myros (мазь), буквально, «смазываться с морем». По­нятие гальморолиза определено неточно, однако будем считать, что он включает в себя все те реакции, которые оказывают влия­ние на частицу в океане до захоронения ее в виде осадка [4].

Многочисленные измерения катионного обмена на речных глинах в морской воде показали, что глинистые минералы обменивают адсорбированный Са2+ на ионы натрия (Na+), калия и магния (Mg2+) из морской воды. В целом компоненты, обладающие высоким сродством к твердым фазам, такие, как растворенный фосфор (Р) или железо (Fe), удаляются из раствора. Таким образом, правила поведения ионов, вытекающие из рассмотрения отношений заряд/ион­ный радиус (z/r), полезны в понимании химиче­ского поведения в дельтах, также как и при процессах выветри­вания [4].

2.2.4. Микробиологическая деятельность в дельтах

Как и в большинстве природных сред, биологические, а особен­но, микробиологические процессы имеют большое значение в дельтах. Во многих дельтах высокие концентрации твердых час­тиц делают воду слишком мутной, что не позволяет развиваться фитопланктону. Однако в мелководных дельтах или в дельтах с низкой мутностью, а также у их направленных к морю окраин, где концентрации взвешенных твердых частиц низкие, степень освещения может быть достаточной для поддержания роста фитопланктона. Дельты часто дают защищенные укрытые гава­ни, обычно являющиеся центрами торговли и коммерции. В ре­зультате в развитых и развивающихся странах берега дельт часто служат местом расположения крупных городов. Слив отходов и особенно сточных вод населением этих городов приводит к уве­личению концентрации питательных веществ, и в местах, где достаточно света, имеет место большая первичная продукция. В динамичной среде дельты разбавление ее богатой фитопланктоном воды удаленными от берега водами с низким содержанием фитопланктона происходит с большей скоро­стью, чем могут расти клетки (популяции фитопланктона при оптимальных условиях удваиваются во временном масштабе, равном дню или около того). Таким образом, рост популяций фитопланктона часто ограничивается скорее этим процес­сом разбавления, чем доступностью света или питательных веществ [4].