Бессточные водоемы Казахстана. Том 1. Гидрохимический режим. Глава 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОСБОРНЫХ БАССЕЙНОВ И КОНЕЧНЫХ ВОДОЕМОВ (С. М. Романова, 2008)

1.6.1 Морфометрия

Исключительная мелководность и сложная морфометрия является отличительной особенностью бессточных озер аридных зон, к которым относится и оз. Балкаш. А.А. Турсунов [40] и Н.Б. Казангапова [41] приводят морфометрические характеристики некоторых бессточных озер Центральной Азии (таблица 1.1).

А.А. Турсунов считает, что эта особенность обусловлена общим генезисом озер: почти все они образовались вследствие накопления речного стока на дне больших котловин выдуваний. За время их существования котловины заполнялись твердым стоком впадающих рек. Очень сильные ветровые течения сглаживали дно водоемов, а береговые линии принимали ажурную форму. Кроме того, в середине почти всех озер сформированы острова или серия островов.

В настоящее время оз. Балкаш делится на 8 гидрохимических районов (плесов), проливом Сары-Есик оно делится на западную (4 плеса) мелководную и восточную более глубоководную (4 плеса) части. Второй плес является наиболее крупным со средней глубиной 3,4 м при ширине около 35 км, что на 4 порядка больше глубины. Максимальная глубина 26 м отмечена в Бурлитобинском заливе, куда реки давно не впадают. Пологие склоны котловины и малые глубины озера вызывают относительно быстрое изменение площади зеркала с изменением уровня воды (таблица 1.1, рисунок 1.4).

За счет интенсивного перемешивания и мелководности в озерах аридных зон, в том числе оз. Балкаш, почти нет стратификации скоростей течения воды, температур, компонентов химического состава, не могут проявляться такие явления как апвеллинг, термобар, процессы евтрофикации, сейши, характерные для глубоких озер гумидной зоны. Специальные расчеты показали, что логарифмический декремент затухания свободных колебаний для оз. Балкаш составляет 0,3, а для глубоководного оз. Байкал – на два порядка меньше – 0,006. Иными словами, если воды оз. Балкаш вывести из состояния равновесия, то примерно через три периода колебания уровень воды вернется в равновесное состояние. Для оз. Байкал на это потребуется не менее 170 – ти колебаний [36]. За такой большой срок колебания различных периодов могут накладываться друг на друга и образовывать относительно высокие и опасные волны – сейши.

Таблица 1.1 – Морфометрические характеристики бессточных озер Центральной Азии [1; 3; 38]

1.6.2 Динамика некоторых гидрологических характеристик озера Балкаш и водохранилищ – охладителей

Вследствие изменения климата уровни воды бессточных водоемов аридной зоны, в т.ч. оз. Балкаш, испытывают многолетние и вековые циклические колебания. Как показали исследования различных авторов [1; 24; 42; 43] средний многолетний уровень оз. Балкаш составляет 340,8 м, а за прошедший век – 341,0 м (таблица 1.2).

В 1990 – 2000 гг. горизонт в озере находился выше среднемноголетнего уровня, значит, прошедшее столетие можно считать многоводным. Самые низкие среднегодовые уровни отмечались в 1946 (340,7) и 1987 гг. (340,66 м), а максимальный среднегодовой уровень, 344,47 м, – в 1908 – 1910 гг. Таким образом, в 20 веке амплитуда колебаний среднегодовых уровней озера составила 381 см. Максимальная среднемноголетняя отметка уровня воды, равная 344,70 м абс., была определена [18] по меткам высоких вод 1908 – 1910 гг., а минимальная наблюдалась в 1986 г. (340,45 м абс.).

Абсолютное значение амплитуды колебания уровня (344,70 – 340,45=4,25) превышает 4,0 м.

Если проследить за ежемесячной динамикой уровня воды озера за 1998 – 2002 гг., то вырисовывается следующая картина (таблица 1.3). В 2002 г. уровень воды в оз. Балкаш по сравнению с 1998 г. поднялся на 80 см, что составляет около 20 см в год. Если в 1893 – 1908 гг. темп роста уровня воды составлял более 23 см в год, в 1953 – 1961 гг. – около 22 см, то нынешний темп не отстает, несмотря на водопотребление и водоотведение.

Таблица 1.2 – Изменение основных гидрологических характеристик озера Балкаш за отдельные периоды [19]

Таблица 1.3 – Изменение уровня воды оз. Балкаш за 1998 – 2002гг. (в см над «0» графика, 340 м абс.) [18]

В январе 2002 г. уровень воды равен 341,8 м, а в мае и июне достиг отметки 342,0 м. Такой уровень воды последний раз отмечался в 1975 г., т.е. в пятом году от начала спада. В 2004 г. уровень воды увеличился на 0,8 м и составил 342,6 м. Общий фон векового хода уровня оз. Балкаш определяется фазами подъема и спада внутривековых циклов [44]. Уровень воды оз. Балкаш определяется суммой его годовых приращений за ряд предшествующих лет, т.е. климатическими условиями предшествующего многолетнего периода.

Среднегодовые значения уровня за 1878-1931 гг. были приближенно восстановлены и уточнены А.Н. Жиркевичем и В.В. Голубцовым [45]. Тенденция изменения поверхностного притока и видимого испарения противоположно направлены, при этом коэффициент корреляции за 1937-1969 годы равен 0,59.

Интегрирование запасов воды в озере значительно увеличивает размах внутривековых колебаний уровня по сравнению с малыми тенденциями в изменении общего фона отдельных элементов водного баланса [24].

Авторы [46] считают, что потери стока в дельте р. Иле оказывают существенное влияние на водный баланс и колебания уровня озера. Так, за 59 лет (с 1911 по 1969 гг.) с поверхности дельты испарилось около 200 км³ воды, поэтому уровень озера снизился за эти годы на 133 см.

Следует учесть и тот факт, что динамика дельты р. Иле влияет на величину притока воды в озеро и колебания уровня. Так, с 1911 по 1946 гг. уровень озера снизился на 173 см за счет климатических факторов, а именно вследствие изменения разности между притоком воды и испарением с поверхности озера и осредненными потерями в дельте. В связи с наполнением Капшагайского водохранилища в 1970 г. оз. Балкаш недополучило в среднем 2,7 км³/год воды. Это значит, что из общей величины снижения уровня, 2,28 м, на долю данного водохранилища приходится 1,10 м. В 1937-1983 гг. норма испарения с ЗБ составила 997, для ВБ – 1015 мм/год [47].

Для бессточных озер Центральной Азии вообще, а для оз. Балкаш в частности, большое значение имеют ветровые течения, т.к. они вызывают петлеобразное перемещение частиц воды, которое обычно затухает на глубине. Такое перемещение приближается к нулю на глубине, равной половине длины волны. В результате такого действия ветровых волн в поверхностном слое образуется дрейфовое течение воды, образующее сгоны и нагоны. В глубинных слоях водоема образуется компенсационное противотечение, направленное против ветра. В достаточно глубоких водоемах их скорости пренебрежимо малы, но в мелководных водоемах становятся соизмеримыми с дрейфовыми течениями и играют весомую роль в процессах перемешивания водных масс.

На акватории оз. Балкаш практически ежедневно дуют ветры со скоростью 5 м/с, а наибольшие скорости достигают 7-8 м/с [48]. Такие ветры способствуют образованию волн высотой почти 1,0 м и длиной около 15 м (для внутренних водоемов крутизна ветровых волн, т.е. отношение их высоты к длине, составляет 1:15). Толщина активного слоя для такой волны составит 7,5 м, что значительно больше средней глубины большинства плесов этого озера. Такое же явление наблюдается и на других озерах рассматриваемой аридной зоны, причем здесь почти ежегодно бывают штормы со скоростью ветра 25-35 м/с, которые вызывают волны высотой до 3,0 м и длиной до 50 м.

А- план озера; Б- продольный разрез озера по З-В.

Рисунок 1.4 – Морфологические характеристики оз. Балкаш (по Ж. Достаю, [18])

Например, в оз. Чаны сильные течения в протоках и умеренные в открытых плесах бывают или чисто дрейфовыми, или градиентными, являющимися следствием вторичного проявления влекущего действия ветра. При продолжительном действии таких течений происходит отток воды из одного плеса в другой и интенсивный водообмен между соседними плесами, как это имеет место и в оз. Чаны [49].

По мнению профессора А.А. Турсунова «в случае мелководных водоемов аридной зоны, образуются своеобразные компенсационные ветровые течения, соизмеримые по скорости с дрейфовыми, которые занимают глубоководные части акватории, но направлены против ветра. Чем сильнее ветер, тем мощнее и больше по площади зона компенсационных течений. Дрейфовые и компенсационные течения образуют замкнутые вихревые образования (ринги), в центре которых создаются застойные зоны, где интенсивно происходит осаждение наиболее крупных наносов. Остатков растений и различных видов зообентоса. При устойчивых по направлению ветрах и сильных штормах на месте этих застойных зон могут образоваться осерёдки, острова и подводные мели (например, Досайская коса на оз. Балкаш)» [50].

Достаточно полные исследования ветровых течений на оз. Балкаш были проведены И.М. Мальковским на основании расчетов на двумерной математической модели и крупномасштабной физической модели озера [51]. Так, установлено, что ветровые течения локализованы по наиболее крупным плесам озера. Дрейфовые течения достигают почти во все участки изрезанного берега, создавая активное перемешивание вод большого числа заливов с водами плесов. Компенсационные же течения, направлены против ветра и находятся в середине относительно глубоких частей, обеспечивая водообмен между отдельными плесами озера и увеличивая разрушение дна глубоководных частей. Исследования синоптической ситуации за структурой поля ветровых течений показало, что уже к концу первых суток в Западном Балкаше доминировали поступательные движения воды по оси озера совместно с береговыми дрейфовыми течениями (скорость до 0,21 м/с) и центральным компенсационным течением (скорость до 0,09 м/с). Оказалось, что максимум скорости течения в самом узком месте озера, проливе Сары-Есик наступает через 15 часов и составляет 0,38 м/с. Третий гидрохимический район характеризуется четко выраженной антициклонической циркуляцией, диаметр которой составляет 2/3 ширины озера. В V и VIII гидрохимических районах, относящихся к Восточному Балкашу, выделяются крупномасштабные вихревые течения на фоне общих дрейфовых. Измерения показали, что взаимный обмен водными массами происходит между I и II, II и III, III и IV, VII и VIII гидрохимическими районами, а односторонний переток воды происходит из VI в VII, из V в VI и из IV в V районы озера. Такое явление как нагон отмечается в I, IV, VI и VIII районах озера.

Ветровые течения в оз. Балкаш обычно действуют совместно со стоковыми, плотностными и другими видами течений. Так, по данным [40] ветровые течения в районе острова Тасарал зафиксированы при очень слабых ветрах, возникающих, как правило, после продолжительных штилей. На такие условия приходится порядка 5-15% продолжительности безледоставного периода. Скорости поверхностных течений при этом составляют 1-3% скорости ветра на высоте 10 м над водной поверхностью. Наибольшие измеренные скорости суммарных течений в прибрежных зонах ЗБ достигают 0,55, а в удаленных от берегов участках еще больше, 1,0 м/с.

Сильные ветровые течения оказывают большое влияние на перемещение наносов в водоеме и взаимодействие мелководного водоема с их пологими берегами. Они не только поднимают донные отложения, илы со дна водоема, но и деформируют земляные берега, подвергают разрушению волнами (абразии) высокие скалистые берега, размывают пологие песчано-гравийные берега. Вдольбереговые дрейфовые течения переносят взмученные наносы и продукты разрушения скал в форме донных гряд. В связи с тем, что направления и скорости дрейфовых течений изменчивы, то меняется как ориентация, так и высота этих донных гряд: одни гряды накладываются на ранее отложившиеся гряды и т.п. В береговой зоне мелководного водоема происходит скопление наносов и развивается процесс флотации, приводящий к образованию характерных кос, береговых валов, подводных мелей и других формирований из крупных, промытых ветровыми течениями наносов. Более мелкие фракции (песок, пыль и ил) попадают в глубоководные части водоема с последующим их участием в компенсационных течениях и гидрохимических процессах. В период высокого стояния уровня воды озера в силу вступают не только крупные наносы притоков, но и продукты абразии берегов, и ранее сформировавшиеся береговые дюны. При усыхании и снижении уровня воды озера эти образования выступают из воды. На них оказывают влияние ветер и растительность. Со временем отмечается рост в высоту и в сторону воды, что приводит в конечном итоге к сокращению площади водоема. Например, на Аральском море известен мыс «Тигровый хвост» и Аттепинский архипелаг, а на оз. Балкаш – полуострова Сары-Есик и Кентюбек, острова Ультаракты и Коржун, а также знаменитая Досайская коса. Они в середине 60-х годов только начинали выступать из воды, вступая в первую фазу своего высыхания.

При резком снижении уровня воды в зону действия дрейфовых течений вступают более мелкие наносы, которые сформировались ранее у подошвы береговых форм. Вдольбереговые течения переносят эти наносы на большие расстояния, образуя удлиненные косы и гряды, отделяющие от основной части акватории большинство мелководных заливов, прибрежных озер, болотистых понижений. При второй фазе высыхания, береговое очертание озера обретает более округлую форму, в связи с чем площадь акватории озера и затраты воды на испарение значительно уменьшаются, а миграция солей в береговые отшнуровывающиеся заливы, наоборот, увеличивается. За счет выправления линии берегов и отшнурования излишних заливов озеро, тем не менее, стремится к самосохранению. При дальнейшем понижении уровня водоема в сферу действия ветровых течений вступают донные отложения, которые активно углубляют дно и в силу вступает третья фаза усыхания бессточного водоема – происходит самоуглубление мелководного водоема и его разделение на отдельные части. В результате в жизнь вступает блуждающее в собственных песчаных отложениях озеро, которое заполняется лишь в отдельные многоводные годы [40; 50].

Одним из недостатков водоема округлой формы является большая величина ветрового нагона – сгона из-за сильных ветров и пологих берегов. Образуется эффект смещения зеркала воды, ведущий к увеличению эффективной площади испарения и затраты воды на попеременное увлажнение берегов. Поэтому мелководное озеро на третьей фазе усыхания за счет механизма самоуглубления стремится создать более крутые берега из повторно просеянных частиц песка, сцементированных глинистым материалом и корнями тростника, то есть получается своеобразная «переупаковка» частиц грунта на берегах. При этом также возрастает отток солей в берега, которые после спада уровня высыхают и уносятся на значительные расстояния. Это достаточно большая расходная статья в солевом балансе бессточного водоема, который стремится остаться пресноводным.

Ретроспективный анализ морфометрических характеристик бессточных водоемов (Арал, Балкаш, Алаколь, Тениз и др.) показывает, что в конце 70-х годов они находились в первой фазе развития водоема. Их берега были сильно изрезанными с многочисленными заливами, с прибрежными озерами, низкими болотистыми берегами, где концентрировалась основная масса биоценоза этих водоемов. В настоящее время озера Балкаш, Тениз и Алаколь продолжают сохраняться во второй фазе усыхания.

Приведенные сведения о последовательных фазах усыхания аридных водоемов имеют важное практическое значение. В каждой фазе аридный водоем имеет определенный запас жизненных сил: его морфометрические характеристики, благодаря описанным выше механизмам самосохранения, приведены в соответствии со сложившимся водно-солевым балансом и с оставшимися видами гидробиоценоза. Зная этот баланс, можно продлить период существования водоема в данной фазе или перевести в другую более высокую фазу жизнедеятельности.

На уровне правительства РК принято решение сохранить оз. Балкаш во второй фазе усыхания, в пределах отметок его уровня 340,5 м и 341,5 м [52]. Нижняя отметка соответствует вековому минимуму, который имел место в 1883 г. Если снизить уровень озера ниже этого минимума, то может полностью высохнуть дельта р. Иле и западная, более обжитая часть озера. Если поднять уровень озера выше предлагаемого максимума, то вновь зальются водой отчленившиеся заливы и прибрежные озера, которые за последние 20 – 25 лет превратились в достаточно глубокие котловины выдувания. Следовательно, на заполнение этих котловин будут израсходованы значительные водные ресурсы, которые в регионе ограничены. Поэтому предложено не поднимать уровень озера выше отметки 341,5 м, а в многоводные годы излишки воды собирать в Капшагайском водохранилище.

Для обоснования проектного задания и рабочих чертежей ЭГРЭС-1 НОТЭП были проведены изыскательские работы в течение 1963-1978 гг. по гидрологии озер Жанкельды, Шандаксор и другим источникам: испарение с водной поверхности, уровни воды озер, сток воды по логам, водный и солевой балансы оз. Жанкельды в период промывки грунтов ложа от солей и др.) [53]. Дальнейшие многолетние гидрологические исследования были продолжены отделом гидрологии КазНИИЭ под руководством А.П. Браславского, А.В. Безызвестных и В.А. Корж. Для водохозяйственных расчетов по водохранилищу-охладителю ЭГРЭС-1, согласно материалам изысканий НОТЭП, приняты следующие исходные данные:

1) в средний по водности год: а) осадки на водную поверхность – 231 мм, в том числе за: IV-X месяцы – 180 мм; XI- III – 51 мм; б) годовой сток с площади водосбора – 0,9 . 10⁶ м³; в) годовое испарение с водной поверхности – 85 см, в том числе за IV-X месяцы 62 см.

2) год 95% обеспеченности (маловодный): а) осадки на водную поверхность – 90 мм, в том числе за IV-X – 60 мм; за XI- III – 30 мм; б) годовой сток – 0; в) испарение с водной поверхности – 93 см в год.

3) год 1% обеспеченности (многоводный): а) осадки на водную поверхность – 538 мм, в том числе за IV-X – 416 мм, XI- III -122 мм. Испарение в водной поверхности -22,4 см в год.

Наполнение водохранилища и восполнение безвозвратных потерь возможно осуществлять из КЕК, в водном балансе которого учтены необходимые расходы для ЭТЭК: в летний период расход воды не более 75 м³/с, в зимний около 42 м³/с.

Начиная с 1977 г. ложе оз. Жанкельды было дважды промыто водой КЕК по принципу «наполнение-сброс»: за период с 23 сентября 1977 г. по 12 июня 1979г. произведено поэтапно 5 сбросов воды в оз. Карасор общим объемом 21,29х10⁶ м³, с ним сброшено солей около 467 тыс. т. С 8 октября 1979 г. началось эксплуатационное заполнение водохранилища ЭГРЭС – 1, которое закончилось к 28 ноября 1979 г.

Озеро Шандаксор в 1977 г. было разделено на три основных котловины, годовая амплитуда уровня в которых составила 50-65 см. Амплитуда уровня на оз. Карасор составила 38 см, глубина воды не более 5 см. Сток воды в половодье 1977 г. по логу Актасты наблюдался только с 28 марта по 20 апреля и составил 1,15х10⁶ м³, что близко к среднегодовым величинам. Амплитуда уровня в это время возрастает до 106 см, средняя мутность воды – до 239 г/см³ при среднегодовом расходе наносов 0,009 кг/сек.

С момента ввода в эксплуатацию ВО ЭГРЭС-1 сотрудниками КазНИИЭ проводились измерения уровня воды, объема подпитки и других статей водного баланса. Поскольку для водоемов такого типа впервые применена плановая схема совмещения мест донного забора и поверхностного сброса циркуляционной воды (совмещенная схема) с использованием эффекта температурной стратификации, гидрологические исследования представляют как теоретический, так и практический интерес. Так, за период с сентября 1983г. по август 1984 г. уровень воды поддерживался на отметке 158,17 м БС (по проекту 158,5 м), а средняя величина мощности станции достигла 1500 мВТ (по проекту 400мМВТ). Площадь ВО ЭГРЭС-1 -19,5 км², средняя глубина 4,6м, циркуляционный расход воды на охлаждение конденсаторов турбин при 8 энергоблоках – в среднем 120 м³/с.

Выполнен также расчет слагаемых уравнения водного баланса за период с IX 1983 по VIII 1984 гг. по месячным интервалам времени с невязкой за годовой интервал в среднем 5 % [54; 55]. За это время водохранилище ЭГРЭС-1 пополнило свой объем водой из КЕК на 57,25 млн.м³, за счет выпавших на акватории атмосферных осадков на 5,44 млн.м³ и притока подземным путем на 3,96 млн.м³. Общий приток воды в ВО ЭГРЭС-1 составил 79,28 млн.м³, которым были восполнены потери воды на испарение— 27,96, гидрозолоудаление (ГЗУ) –37,33 и фильтрацию через плотины № 1-3 – 0,07 млн.м³.

ВО ЭГРЭС-2 начало функционировать в 1989 г., мощность станции, как и ГРЭС-1, составляет 4000мВТ. При НПУ 132,5 м БС имеет площадь 42,7 км², средняя глубина 6,1м, длина 8,5 км, ширина 6,5 км, объем около 286 млн.м³.

Гидрологами Главтехуправления ОРГРЭС (Южное отделение) разработана и применена на практике методика составления гидрохимических прогнозов с учетом накипеобразующих свойств охлаждающей воды [56].

1.6.3 Гидробиологические процессы

Прямая связь водного режима водоемов с климатом является хорошо известным фактом. А гидроморфометрические и климатические факторы, в свою очередь, оказывают определенное влияние на развитие и протекание гидробиологических и гидрохимических процессов. Гидробиологическая система аридных озер отличается своей уникальностью и своеобразием от водоемов гумидных зон [1; 57-60]. Основные результаты многолетних трудоемких исследований качественного состава и количественного развития отдельных видов фитопланктона, фитомикробентоза и зоопланктона озер и рек Балкашского бассейна и других бассейнов РК нашли отражение в трудах Н.А. Амиргалиева и его коллег [1; 61-64], С.А. Матмуратова с сотрудниками [65; 66], А.А. Турсунова и его учеников [1; 24; 40; 50]. Одним из главных вопросов в динамике гидробиологических процессов является факт вовлечения в трофическую цепь значительной части привносимых с водосбора в озеро минеральных солей, тем самым, способствуя опреснению его вод. Кроме того, отдельные виды рыб используют в качестве пищи белую глину, насыщенную доломитом и отмершим зоопланктоном. Количественная сторона этого вопроса до настоящего времени не исследована достаточно полно, в связи с чем не учитывается при расчетах солевого баланса озер.

Фитопланктон начинает трофическую цепь, который при своем развитии использует из воды минеральные и органические вещества. Он служит кормовой базой для зоопланктона, которым в свою очередь питаются многочисленные простейшие организмы и моллюски, живущие на дне водоема. Зообентос – кормовая база ихтиофауны, а ихтиофауна – пища для птиц, зверей и людей. Многочисленные водоросли или макрофиты также являются неотъемлемой частью биосистемы любого водоема, они также при развитии используют не только макроэлементы донных отложений, но и микроэлементы химического состава воды (прямое питание через листья).

В силу того, что водные массы аридных водоемов подвергаются частому ветровому перемешиванию и в нем преобладают сильные ветровые течения, многие виды биоценоза не приживаются на средних участках. Они приспосабливаются к жизни и развитию в береговой зоне, как правило, заросшей растительностью. Здесь создаются более благоприятные условия и в отношении солнечной радиации, которая в открытых участках становится проникающей и может убить биоту. Итак, на основании вышеприведенного материала можно выделить несколько отличительных особенностей биосистем аридных водоемов. Во – первых, биомасса по акватории водоема распределена весьма неравномерно: больше всего ее находится в береговой зоне, мелководных заливах, прибрежных озерах и лагунах. Во – вторых, качество и количество биомассы подвержено сезонным колебаниям и обусловлено главным образом климатическими условиями. В пользу этого можно привести следующие данные, полученные Институтом зоологии МОН РК [61; 65; 66]. Весной на акватории озера и в дельте р. Иле число планктона достигает 400 тыс. экз. в 1 м³ воды. В это время они активно развиваются и размножаются. В мелководье идут на нерест промысловые рыбы. Летом из-за нагрева воды и проникающей солнечной радиации большинство видов фито – и зоопланктона, зообентоса отмирает, их число существенно сокращается до нескольких десятков в единице объема воды. Биота продолжает свое существование только у берегов, в тени камышовых кулис, на дне глубоких плесов и в дельтовых озерах, притоков рек.

Осенью многие виды биоценоза вновь развиваются, т.к. температура воды и интенсивность солнечной радиации снижается. Здесь из–за частых штормов водные массы с биотой, донными организмами интенсивно перемешиваются. Тем не менее, численность некоторых видов планктона может достигать нескольких тысяч экземпляров. В зимнее время вода озера сильно охлаждается, акватория покрывается льдом, и жизнь снова замирает, многие виды рыб впадают в анабиоз, находясь в глубоких участках.

В – третьих, приведенная выше сезонность жизни в аридных водоемах обусловливает двукратное за год обновление и отмирание водных растений и животных, поэтому им не свойственен процесс евтрофикации. По этой причине аридные водоемы не зависимо от размера не зарастают водорослями и в прибрежных зонах не образуют болота, как это отмечается в озерах гумидных зон. По удачному выражению профессора А.А. Турсунова «здесь кроется секрет исключительной долговечности крупных бессточных водоемов, таких как: Аральское море, оз. Балкаш, Алаколь, Эбиноор (КНР) и др. В перечисленных выше отличительных особенностях аридных водоемов, вернее, в неучете их, мы видим причины многих «ошибок» и «парадоксов» [24].

Роль гидробиологических процессов в эмерджентности аридных водоемов на примере оз. Балкаш изучалась авторами [67-69]. Изменение биологических показателей озера в многолетнем (1963–1999 гг.) цикле выявлено в монографии [61]. Показано, что ход численности фито – и зоопланктона в течение последних 40 лет хорошо согласуется между собой, за исключением периодов качественных изменений среды, приводящих к перестройке структур водных биоценозов. Такие изменения, согласующиеся с ходом уровня воды, наблюдались в оз. Балкаш в 1974–1975, 1979–1980 гг. В последующие 12 лет биомасса фито – и зоопланктона изменялась относительно синхронно. В 1993–1995 гг. согласованность, не связанная с изменением уровня и минерализации воды, нарушается. С 1994 г. зоопланктон несколько стабилизировался, а в последующие 4 года вновь отмечается некоторое его возрастание. Проявляется заметная тенденция повышения биомассы зоопланктона в озере с середины 70– х годов. С того времени межгодовая средняя биомасса возросла примерно в 3,4 раза, а биомасса фитопланктона снизилась (с середины 90-х годов) в 3 раза. Важно подчеркнуть, что колебания фито – и зоопланктона пока не выходят за пределы среднемноголетних значений.

Бентосные организмы находятся в несколько ином положении. С 1986 по 1995 гг. происходило некоторое снижение их биомассы, обусловленное, вероятно, влиянием повышения солености воды. С 1996 г. биомасса бентоса резко увеличивается, по-видимому, из-за снижения улова рыбы. Как показали исследования КазНИИРХ, рост биомассы бентоса увеличился за счет моллюска гипания. Кроме того, коэффициент использования бентосных организмов рыбами в настоящее время остался на прежнем уровне, а значит, рыбное население в целом уменьшилось несущественно.

В Казахстане гидробиологические исследования водохранилищ – охладителей проводили с 1978 г. только на водоеме-охладителе Ермаковской ГРЭС [70; 71], где система охлаждения является прямоточной. Ввод в эксплуатацию ЭГРЭС-1 с оборотной системой охлаждения дал возможность сотрудникам Института зоологии МОН РК, кафедры неорганической химии КазНУ им. аль-Фараби, лаборатории водной микробиологии и вирусологии АН СССР (1982 г.) провести гидробиологические исследования на уникальных ВО ЭГРЭС-1, 2, КЕК и близлежащем Экибастузском резервном водохранилище [72; 73]. Основные результаты сводятся к следующему.

Численность бактериопланктона в воде ВО ЭГРЭС -1 в мае 1982 г. колебалась в пределах 0,55-1,85 млн.кл/мл, а летом возрастала до 2,1 млн. Максимальное количество бактериопланктона отмечается на участках, прилегающих к району сброса теплых вод. Сапрофитных бактерий летом больше, чем весной. Среднее их число в мае составляло 310 кл/мл, а в августе – 3082 кл/мл. Обычно в придонном слое показатели были выше, чем у поверхности. Количество олигокарбофильных бактерий часто на порядок было больше по сравнению с количеством сапрофитных бактерий. Среднее число их весной составляло 2130 кл/мл, а летом – 8202 кл/мл. Это указывает на то, что большинство микроорганизмов, обитающих в водоеме, способны в процессе жизнедеятельности довольствоваться небольшим количеством органического вещества. Кроме того, здесь в искусственном водоеме отмечены такие же сезонные колебания численности микроорганизмов, которые были выявлены для оз. Балкаш.

В распределении в водоеме бактерий, участвующих в круговороте азота, выявлены следующие закономерности: нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии в большом количестве (10-100 тыс.кл/мл) зафиксированы весной и летом. Отмечено возрастание численности микроорганизмов, участвующих в круговороте азота в зоне влияния теплых вод. Сульфатредуцирующие бактерии в большом количестве отмечены весной, концентрация их приурочена к участкам, густо покрытых водной растительностью, т.е. защищенных от действия ультрафиолетовых лучей Скорость размножения водных бактерий варьирует от 11 до 138 ч и зависит от количества легкоусвояемого ОВ и температуры воды. Суточный РВ– коэффициент в ВО ЭГРЭС-1, характеризующий продукционную способность, колеблется в пределах 0,16-1,43, что позволяет отнести водоем к мезотрофноевтрофному.

Таким образом, результаты микробиологического обследования водной массы ВО ЭГРЭС-1 показали, что бактериальное население этого водоема представлено богатой и разнообразной микрофлорой, которая в процессе своей жизнедеятельности использует и преобразует органическое вещество водоема. Особенностью ВО является усиление развития микроорганизмов в зоне сброса теплых вод ГРЭС, которое будет возрастать по мере повышения температуры и объема сбросных вод.

От таких компонентов биоценоза как фитопланктон и высшая водная растительность зависит охлаждающая способность воды водоема. При чрезмерном зарастании уменьшается площадь акватории, необходимая для охлаждения воды, т.е. «активная зона» охладителя. При «цветении» водоема и обильном развитии нитчаток масса водорослей скапливается на сетках водозаборов, что нарушает нормальную подачу охлаждающей воды и, в конечном счете, понижает выработку электроэнергии.

В фитопланктоне ВО ЭГРЭС-1 с 1979 по 1984 гг. выявлено 174 вида и разновидностей водорослей. Из них самыми богатыми по числу видов оказались диатомовые – 69 форм, зеленые – 53 и синезеленые – 34; видовое разнообразие других групп было гораздо меньше: эвгленовые – 10, профитовые – 7, золотистые – 1 вид.

В процессе формирования альгофлоры водохранилища флористический список менялся по годам. Некоторые виды исчезали совершенно или резко сократили обилие, другие, напротив, стали встречаться в больших количествах. К числу ведущих относится более 30 видов.

Состав доминантных комплексов и соотношение численности отдельных видов в течение года и на протяжении разных лет менялись в связи с изменением солевого, уровенного и температурного режимов водоема. При заполнении водохранилища его альгофлора в основном состояла из солоноватоводных и солелюбивых форм, большинство из которых в дальнейшем отсутствовало в фитопланктоне. Для сезонной динамики видового состава и численности водорослей водохранилища характерно изменение сроков вегетации растений под влиянием теплой воды. Особенно четко влияние теплых вод проявляется в зимний и весенний периоды.

Развитие нитчаток уже в настоящее время нарушает режим работы водозаборных сооружений ГРЭС, в связи с чем приходится прерывать работу водоподающих насосов и производить чистку решеток на водозаборах. В дальнейшем негативная сторона обильного развития нитчатых водорослей может усугубляться. Показатели среднелетней биомассы водорослей возрастали по годам от 1,75 до 8,14 г/м³ (1984 г.). В течение 1981-1983 гг. при стабилизации уровня водохранилища и баланса биогенных веществ «цветения» воды здесь не наблюдалось, но в 1984 г., когда ГРЭС-1 вышла на проектную мощность, и поступление тепла в водоем существенно возросло в летний период, вновь отмечалось «цветение» синезеленых и пирофитовых водорослей.

Итак, поступление дополнительного тепла в водоем благотворно сказывается на развитии водорослей до известных пределов, т.е. когда перегрев воды не превышает 5-6⁰С, а температура воды держится до 30-32⁰С. При увеличении температуры сбросной воды до 35-39⁰С, что отмечалось в отдельные дни в июле 1984 г., в зоне выхода теплых вод наблюдалось ухудшение физиологического состояния и изменения в структуре клеток водорослей. Численность их здесь также снижается по сравнению с участками, где температура воды не превышала 30 ⁰С. Можно полагать, что при постоянной работе станции на полную нагрузку развитие фитопланктона на всем протяжении потока перегретой воды будет угнетаться.

Понижение минерализации воды ВО ЭГРЭС-2 в 1989 г. более чем в 5 раз по сравнению с 1986 г. привело к исчезновению видов, обитавших в исходном водоеме (оз. Шандаксор) при высокой солености воды (до 14,1 г/л). Уже в первый год после заполнения в ВО стал преобладать набор видов, присущих пресной ертисской воде. В перспективе сходство альгофлоры в обоих водохранилищах будет возрастать. В целом альгофлора ВО ЭГРЭС-2 в 1989 г. была представлена 179 таксонами. По флористическому разнообразию главная роль принадлежала диатомовым водорослям (40% от общего числа видов). Зеленые водоросли также являлись насыщенной группой и составляли треть видового разнообразия, синезеленые занимали шестую часть общего списка. Средняя биомасса по водоему – 2,05 г/м³, что несколько выше среднемноголетней для оз. Шандаксор, но ниже, чем в ВО ЭГРЭС – 1 в первый год после затопления.

В конце сентября при низких температурах воды фитопланктон еще разнообразен (151 вид), но количественно беден. Численность водорослей составляет 1292 млн. кл./м³, биомасса 0,335 г/м³. Это свидетельствует о том, что и здесь, в искусственных водоемах, летом большая часть водорослей уничтожается прямыми солнечными лучами. Однако данный вопрос требует специальных исследований.

В целом фитопланктон первого года наполнения имеет более высокие показатели, чем в исходном водоеме, что характерно для водохранилищ и связано с обильным поступлением органического вещества со вновь заливаемых территорий. По показателям биомассы фитопланктона в 1989 г. исследуемый водоем ЭГРЭС-2 характеризуется как среднекормный.

Влияние подогрева воды на интенсивность фотосинтеза фитопланктона изучали многие авторы [74-77] в сбросных водах ГРЭС гумидных областей, но вопрос о зависимости фотосинтеза от температуры до сих пор окончательно не выяснен, особенно в водоемах-охладителях аридных зон.

В условиях ВО ЭГРЭС-1 интенсивность фотосинтеза в вегетационный период колебалась от 0,21 до 2,39 гО₂/м³, деструкция органического вещества – от 0,06 до 1,8 гО₂/м³ [72]. В межгодовом аспекте происходит увеличение количественных показателей валовой и чистой продукции, что говорит об евтрофировании водохранилища. На процесс евтрофикации указывают и большие величины чистой первичной продукции, которая недоиспользуется потребителями фитопланктона и накапливается в водоеме. Это может иметь отрицательные последствия, выражающиеся в понижении самоочистительной способности водоема и способствовать его вторичному загрязнению.

В течение всего периода становления водохранилища ЭГРЭС-1 продукционные процессы преобладали над деструкционными, что говорит о преобладании в толще воды автохтонного ОВ. В первый год после заполнения относительные величины деструкции были довольно высоки, так как в деструкционных процессах участвовало большое количество аллохтонной органики, поступившей с залитых территорий. Максимум фотосинтеза в большинстве случаев наблюдался в поверхностном слое, лишь иногда смещаясь на глубину 0,5-1,0 м. В нижележащих слоях воды интенсивность фотосинтеза составляла лишь десятые доли от поверхностного, и на глубине, утроенной прозрачности, фотосинтез отсутствовал.

В первый год после наполнения ВО ЭГРЭС-1 макрофиты не развивались. Ко второму году на мокрой прибрежной полосе и на мелководьях, благодаря обилию зачатков, развились ценозы рогоза и редкие небольшие куртины тростника, камыша и осоки. Мягкая водная растительность отсутствовала. К третьему году в водохранилище уже вполне сложились сообщества макрофитов, представленные двумя экологическими группировками: гелофитами (10 видов) и гидрофитами (8 видов).

В 1981 г. водохранилище зарастало очень слабо и неравномерно, растительность покрывала не более 15 % его площади. В последующие годы состав макрофитов пополнился новыми видами, а к настоящему времени макрофиты занимают площадь 450,3 га.

Значение зоопланктонных организмов в воде ВО ЭГРЭС – 1 велико, так как они здесь производят биологическую очистку воды от органических примесей (водорослей и микроорганизмов), которые способны оседать на стенках трубок конденсаторов, уменьшая их сечение и снижая теплоотдачу. Кроме того, они составляют основную часть кормовой базы для молоди рыб, обитающих в водоеме-охладителе. В зоопланктоне на протяжении 5 лет исследований зарегистрировано 110 видов и разновидностей, сезонная динамика которых выражена отчетливо.

В межгодовом аспекте отмечается нарастание численности и биомассы зоопланктона от 1980 к 1982 гг., затем численность организмов остается высокой, а показатели биомассы уменьшаются почти в два раза. Это объясняется тем, что в летний период 1982 г. подогрев воды и объем сбрасываемых теплых вод был ещё невелик. Существенную долю в планктоне составляли крупные ветвистоусые рачки – дафнии, которые в последующие годы при перегреве воды утратили свое значение. Кроме отрицательного действия теплового фактора эта группа организмов в последние годы испытывает сильный стресс со стороны молоди рыб, обитающих в водохранилище.

Следует отметить, что при существующем режиме работы ГРЭС подогрев воды угнетающе действует на зоопланктон только в зоне сброса горячей воды, в целом же по водоему до 1985 г. происходило нарастание количественных показателей за счет удлинения вегетационного сезона и повышения темпа размножения животных. Воздействие дополнительного тепла особенно ярко проявляется при сопоставлении данных по зоопланктону в ВО ЭГРЭС-1 и близрасположенном ЭРВ, имеющем сходную морфометрию, минерализацию, состав ихтиофауны и тот же источник питания. Плотность организмов в ВО почти в 15, а биомасса в 10 раз превосходят количественные показатели аналогичного водоема, в котором отсутствует тепловой фактор. В настоящее время по величинам биомассы ВО ЭГРЭС-1 превосходит водохранилища КЕК, где средняя биомасса в летний период составляет 0,31-2,3 г, но в дальнейшем при постоянном поступлении в водоем воды с температурой до 35⁰С может произойти падение продуктивности зоопланктона.

К настоящему времени в ВО ЭГРЭС-1 сформировалось три основных биотопа: черный ил, занявший обширную часть акватории от трехметровой изобаты до максимальных глубин; заиленный песок в зоне литорали; заросли высшей водной растительности. Почти на всем побережье четвертый биотоп в основном безжизненный: это железобетонные плиты, расположенные в месте сброса подогретых вод.

При заполнении водохранилища бентофауна была качественно бедна и представлена лишь 19 видами и формами беспозвоночных. В течение всего периода наблюдений, независимо от сезона и термальных зон, руководящую роль в макрозообентосе играют личинки хирономид. Отмечено нарастание их численности от весны к осени. Несмотря на относительно высокую температуру воды (в отдельные дни до 35⁰С) специфичных термофильных форм зообентоса не выявлено. В зоне сброса термальных вод бентофауна угнетена, и численность бентоса не превышает 220 экз/м². По мере удаления от этой зоны увеличивается видовой состав и возрастает численность бионтов. Можно предполагать, что при стабильной работе всех энергоблоков и увеличении объема сбрасываемой подогретой воды граница влияния термальных вод расширится, что вызовет дальнейшие изменения в биоценозах дна.

Формирование ихтиофауны ВО ЭГРЭС-1 происходит за счет видов, проникших из канала и вселения рыб в целях акклиматизации. В первые годы ведущее место в уловах занимали елец и плотва (58 и 18 %), высока была численность ерша (14,2 %), остальные рыбы составляли в уловах 1-4,5 %. В результате воздействия термальных вод и изменения экологической обстановки в водоеме сроки нереста рыбного стада передвигаются на более ранний период, на 0,5-1,0 месяца раньше, чем в водохранилищах канала ЕртисКараганда.

На основании многолетних гидробиологических исследований авторы [7072] пришли к выводу о том, что химический режим воды ВО ЭГРЭС-1 благоприятен для целей рыборазведения. Однако необходимо сделать водохранилище проточным в силу следующих причин. Формирование водных, донных биоценозов и ихтиофауны ещё не закончилось и протекает под воздействием дополнительного тепла, поступающего с ГРЭС; тепловой фактор благоприятно влиял на развитие всех групп организмов до тех пор, пока температура воды в отепляемой зоне не превышала 28-30⁰С. При стабилизации работы ГРЭС подъем температуры в летний период выше 30⁰С приводил к уменьшению видового разнообразия, численности и продуктивности водных сообществ. Совмещенная схема водозабора в таком мелководном водохранилище, как ВО ЭГРЭС-1, даже при неполной нагрузке не обеспечивает нормального охлаждения сбрасываемой воды, что подтверждается состоянием биоценозов, и нуждается в реконструкции. В 1984 г. перегрев воды (3,3⁰С) превышал санитарную норму для ВО комплексного назначения. Необходимо провести вселение растительноядных рыб для утилизации больших запасов фитопланктона и ограничения зарослей растительности, которые уже сейчас являются существенными биологическими помехами, а в дальнейшем будут значительно снижать эффективность работы станции. Вселение рекомендуется производить двулетками из расчета не менее 100 шт./га, так как в водоеме имеется сильный пресс хищников.

Сезонными наблюдениями в зоопланктоне ВО ЭГРЭС – 2 в 1989 г. выявлено 50 видов и разновидностей. В период максимальных летних температур самые высокие показатели биомассы характерны для центральной части этого водоема, самые низкие – для южной части. По показателям биомассы зоопланктона и видовому составу ВО ЭГРЭС-2 в 1989 г. можно отнести к водоемам с кормностью выше средней.

Проведенный авторами [73] анализ фаунистического сходства зоопланктона четырех изученных водоемов – ВО ЭГРЭС-1,2, оз. Шандаксор и КЕК – 1 (по данным за 1980 г.) показал, что наиболее высокий процент видового сходства выявлен для первых двух водоемов – 40,3%, коэффициент общности видового состава К_с в этом случае равен 0,57. В то же время очень велико влияние фаунистических комплексов канала на формирование зоопланктофауны водохранилища ЭГРЭС-2, фаунистическое сходство в этом случае составляет 37,9% и коэффициент = 0,55. В перспективе под воздействием теплового фактора и при стабилизации солености воды будет возрастать фаунистическое сходство между обоими ВО Э ГРЭС -1, 2.

1.6.4 Отличительные особенности гидрохимических процессов в континентальных водоемах

Озера Балкаш – Алакольской котловины издавна привлекали внимание исследователей, но в гидрохимическом отношении они стали основательно изучаться в 40 – 50 – х годах прошлого столетия. Обобщая результаты эпизодических и многолетних исследований известных ученых и их последователей, Н.М. Страхова [78], Д.Г. Сапожникова [79], В.Д. Коншина [80], М.Н. Тарасова [3], Б.А. Беремжанова [81-83], А.А. Турсунова [24; 40], Н.А. Амиргалиева [61-64] и др. по выявлению различных аспектов региональной и прикладной гидрохимии (солевой баланс, образование и динамика донных осадков, прогноз и др.) применительно к континентальным водоемам, попытаемся показать некоторые отличительные особенности протекающих в них химических процессов и состава вод.

Континентальные бессточные озера Балкаш, Сасыкколь и Алаколь собирают в себе речные, подземные и атмосферные воды. При слиянии их между собой и с водой самих озёр происходит не простой физический процесс смешения, а имеют место химические процессы, которые приводят к формированию современного солевого состава воды озер. Эти процессы объединены в общее понятие метаморфизации. Напомним, что в процессах метаморфизации большую роль могут играть: ветровое перемешивание вод и насыщение их кислородом; вдольбереговое перемещение наносов, их флотация (истирание, сегрегация), а также мутность воды, т.е. насыщение ее коллоидными веществами.

При увеличении общей минерализации воды вышеперечисленных озер с запада на восток концентрация отдельных ионов изменяется своеобразно. Так, подсчётом хлорных коэффициентов для Балкаша показано, что с запада на восток увеличивается содержание карбонат – ионов: в западной части их нет, появляются они в районе от залива Тас – арал до «узости» (Сары – Есик), а в восточной половине происходит интенсивное обогащение воды карбонатами. Хлорные коэффициенты бикарбонат и кальций ионов непрерывно понижаются. Показатели сульфат и магний ионов в крайней западной части имеют низкие значения, в направлении на восток постепенно нарастают, восточнее Тас – арала достигают высокого значения и держатся на этом уровне, на протяжении всего озера, и только в крайнем восточном плесе несколько понижаются. Процессы с участием бикарбонатных и кальциевых ионов, приводящие к садке кальцита, происходят даже в западной части озера с минерализацией воды около 2 г/л. Процессы с участием ещё и магний – иона, способствующие садке магниевого карбоната или доломита, протекают только в крайнем восточном плесе, где минерализация воды не превышает 5 г/л. Такое несоответствие между увеличением концентрации отдельных ионов и ростом общей минерализации может служить лишь указателем наличия процесса метаморфизации и является одной из отличительных особенностей аридных озер.

В настоящее время достаточно хорошо известен факт, что в гумидных озерах садка солей происходит при больших значениях минерализации и концентрации отдельных ионов (свыше 10 г/л). В воде Мирового океана и Каспийского моря с суммой солей около 30 г/л происходит садка солей только, соответственно, в глубоководных частях океана и заливе Карабогазгол с минерализацией значительно превышающей 50 г/л [24; 40]. В озерах же аридных зон происходит садка солей при значительно меньших значениях минерализации и это отличает их от водоемов гумидных зон.

В отшнуровывающихся от Балкаша заливах, где сумма солей достигает 16 г/л, наблюдается садка не только карбонатов, но и сульфатов. А при интенсивном падении уровня воды Аральского моря и резком увеличении солености, стали одновременно осаждаться карбонаты, сульфаты и хлориды. Вместо ожидаемой твердой корки безвредных карбонатов образовались маршевые и корково-пухлые солончаки, легко развеваемые ветром на большие расстояния [84; 85].

Процесс ускоренной садки (самосадки) солей в континентальных озерах обусловлен, по всей вероятности, мелководностью водоема, сильной инсоляцией, аридным климатом, интенсивным перемешиванием водных масс, т.е. прежде всего морфометрическими и климатическими факторами.

Разбирая причины и содержание процессов метаморфизации химического состава вод, необходимо руководствоваться одним из крупных достижений школы Н.С. Курнакова о направленном изменении химического состава вод и рассолов бассейнов под влиянием процессов метаморфизации. Причиной метаморфизации вод рассматриваемых озер служит смешение вод разных типов и различных концентраций, а также появлением в воде озер коллоидного глинистого материала, содержащего поглощающий комплекс. Доказано [3; 24; 81; 83], что на осаждение солей при относительно небольших значениях минерализации большую роль играют суспенгели – мельчайшие частицы наносов, образующиеся из–за постоянного турбулентного перемешивания воды ветровыми волнами, их флотации в прибрежных зонах, взмучивания ила и донных отложений, абразивного износа крупных наносов при их вдольбереговом перемешивании. Кроме того, суспенгели являются хорошими сорбентами различных макро – и микрокомпонентов, газов, катализаторами ряда химических реакций, в частности, карбонатообразования и участниками гидрохимических процессов.

Нельзя не заметить, что в результате такого пути образуются твердые соли и чистая вода, а аридный водоем освобождается от засоления. Иными словами, вступает в силу механизм самосохранения, когда мутная вода аридного водоема и рек, содержащая глинистый коллоидный материал, путем ряда химических реакций и физических процессов очищает воду от растворенных минеральных и органических веществ.

В аридное озеро поступают сульфатные, сульфатно-карбонатные воды рек, (более минерализованные) карбонатные и сульфатные воды подземного питания, а также сульфатные и карбонатные воды атмосферных осадков. Эти воды смешиваются с сульфатной водой озера. При смешении этих вод ведущим является смешение карбонатных и сульфатных вод, в результате чего происходят реакции двойного обмена, приводящие к труднообратимому изменению химического состава, т.е. к метаморфизации вод. В составе карбонатных вод (особенно грунтовых) содержится карбонат натрия. Он образуется в результате процессов осолонения солончаков, а также выветривания полевых шпатов, а затем вымывается грунтовыми водами и реагирует с сульфатами кальция и магния из сульфатных вод, вследствие чего карбонаты кальция и магния оседают, а вода озера Балкаш, так же как и озера Алаколя, обогащается сульфатом натрия:

CaSO₄ + Na₂CO₃ →CaCO₃↓+ Na₂SO₄ (1.1)

CaSO₄ + Na₂CO₃ + nH₂O → Na₂CO₃ . CaCO₃↓. 5H₂O + Na₂SO₄ + (n-5)H₂O (1.2)

MgSO₄ + Na₂CO₃ → MgCO₃↓ + Na₂SO₄ (1.3)

Относительно влияния подземных и грунтовых вод на гидрохимию водоема следует сказать следующее. Специальными гидрохимическими исследованиями установлено, что в береговых участках большинства аридных озер образуются довольно обширные и глубокие депрессии уровня грунтовых вод [11]. Эти депрессии обусловлены «фитилиевым эффектом» [24], более интенсивным испарением воды с поверхности грунтового потока, приближающегося к водоему. Выявлено также, что уровень воды в середине депрессии, площадь которой соизмерима с площадью ЗБ, примерно на 7,0 м ниже уровня воды в оз. Балкаш. Из–за наличия такой депрессии и мощного фильтрационного потока из береговой зоны озера в сторону депрессии устремляется значительная масса солей.

Как полагает профессор А.А. Турсунов, этот фактор является одним из главных расходных статей солевого баланса аридных водоемов. Аналогичные депрессии проявляются у берегов других континентальных озер и водохранилищ Казахстана.

В общем виде путь метаморфизации вод и рассолов всех типов М.Г.

Валяшко изображает следующей схемой: Р₁ + Р₂ Р₃ + твердая фаза, где Р₃– метаморфизованная вода. По мнению Б.А. Беремжанова такие реакции могут иметь место не только в аридном водоеме, но и при возникновении соответствующих условий в реках и подземных водах. Возможно, в маломинерализованных частях озера или водотоках, питающих озеро, эти реакции будут идти гораздо медленнее, но в результате длительности смешения, карбонаты кальция и магния оседают, озёрная вода обогащается сульфатом натрия [81; 82].

В исследуемых водах озер имеется гидрокарбонат кальция. До последнего времени метаморфизующее действие гидрокарбоната кальция связывали с различными реакциями двойного обмена:

Реакция Валяшко:

Специальные исследования [81] показали, что все эти реакции действительно осуществляются, но по количеству образующихся твердых фаз ведущее значение имеет первая реакция. Получающиеся в этой реакции гипс и основной карбонат магния составляют 99% новообразованного осадка. При небольшом содержании сульфата магния в растворе реакция практически не происходит, а идет только разложение гидрокарбоната кальция. Но в основной массе, например, в балкашской воде, из–за высокого содержания гидрокарбонат – и карбонат – ионов при расчёте по условной методике связывания ионов в соли сульфата магния образуется мало; и поэтому здесь должно иметь место простое разложение гидрокарбоната кальция.

Как было отмечено выше, воды, поступающие в озёра, обычно вносят с собой большое количество взвешенных минеральных веществ, в которых содержатся частицы, способные к катионному обмену. Речные и грунтовые воды карбонатного типа несут коллоидно-глинистые частицы, поглощающий комплекс которых характеризуется обилием кальция. Содержащийся в коллоидно-глинистых частицах поглощающий комплекс попадает в смесь вод и может произвести катионный обмен, приводящий к садке труднорастворимых солей и увеличению относительной концентрации сульфатов по одной или нескольким из следующих схем:

Са (п.к.) + Na₂CO₃ 2Na (п.к.) + СаCO₃ (1.8)

Са (п.к.) + Na₂ SO₄ 2Na (п.к.) + Са SO₄ (1.9)

Са SO₄ + Na₂CO₃ Na₂ SO₄ + СаCO₃ (1.10)

Са SO₄ + MgCO₃ Mg SO₄ + СаCO₃ (1.11)

Са (п.к.) + 2NaCl 2Na (п.к.) + СаCl₂ (1.12)

СаCl₂ + Na₂CO₃ 2NaCl + СаCO₃ (1.13)

СаCl₂ + MgCO₃ MgCl₂ + СаCO₃ (1.14)

Таким образом, метаморфизация воды, обусловленная реакциями ионообмена, также приводит к садке карбоната кальция.

Говоря о метаморфизации воды озера, нельзя упускать из вида прибрежную метаморфизацию, имеющую прямое влияние на изменение состава воды в озере (термин «прибрежная» метаморфизация впервые предложен Б.А. Беремжановым [81]). Балкаш в силу большой узрезанности береговой полосы имеет много заливов и шиганов. Вследствие периодического колебания уровня озера при очередном понижении его отделившиеся от Балкаша заливы, лагуны и озёра имеют самостоятельную жизнь. Вода в них быстрее и сильнее прогревается и слой испарения здесь больше, чем в открытом водоеме. В связи с этим озерная вода, являясь по существу раствором солей, постепенно концентрируясь, взаимодействует с углекислым газом воздуха, с береговыми и донными породами и поступающими в них поверхностными и грунтовыми водами. Появляется градиент концентрации, который из-за молекулярных эффектов еще больше усиливает миграцию солей из средних частей акватории озера в береговую зону. При смене направления ветра и сгоне воды большие площади мелководий обсыхают, содержащиеся в них гидрокарбонаты переходят в карбонаты, за счет «фитилиевого» эффекта соли поднимаются к поверхности, обезвоживаются, образуя белый налет. Ветер выполняет свою работу по так называемому «эоловому опреснению». Все эти процессы приводят к метаморфизации воды в отделившихся озерах.

При следующем подъёме уровня в Балкаше отделившиеся озёра затопляются и содержащиеся в них соли растворяются. Но к воде основного озера присоединяются уже не те соли, которые от неё отделились. В зависимости от глубины процессов, которые происходят в отделившихся озёрах, времени, в течение которого они были отделены, и если они успели изменить свой тип, то при воссоединении с балкашской водой они оказывают на неё метаморфизующее действие.

Накопившийся в отделившихся озерах коллоидный глинистый материал и содержащийся в них поглощающий комплекс (ПК) при смешении с балкашской водой также метаморфизует ее путем катионного обмена.

Следует отметить, что кроме многолетних больших циклов имеются более короткие периодические подъёмы и спады уровня внутри этих циклов. Кроме всего этого, на озере наблюдаются ежегодные весенние разливы и отливы. Все эти долговременные и кратковременные отделения части воды озера Балкаш в виде крупных или мелких озер приводят к полной или частичной метаморфизации, которая названа здесь прибрежной метаморфизацией воды озера. Специальными исследованиями 1986 г. автора показало, что в одном из полуотшнурованных заливов длиною около 5 км минерализация возрастала от 4,2 г/л до 9,9 г/л. Минерализация воды отшнурованных от Балкаша заливов в это время достигала 76,1 и 88,3 г/л. Аналогичное явление наблюдается и в другом аридном водоеме оз. Чаны. Здесь соленость воды постепенно возрастает по мере удаления от оз. Малый Чаны (1,17%_о) до Ярославского плеса (7,85%_о) [49]. При таких значениях минерализации в глубоких слоях воды происходит осаждение сульфатных солей. Благодаря подобному явлению многочисленные озера Прибалкашья служили и служат источником природных солей [81]. Перспективность Прибалкашья отмечалась Л.М. Гроховским [86] еще в 1963 г., который подсчитал общий запас мирабилита и тенардита в озерах, составляющий около 10 млн.т.

Такого рода метаморфизацией пренебрегать нельзя, так как до 7% воды или более 2 млн.т. солей оз. Балкаш ежегодно расходуется на отшнурование и инфильтрацию в берега [3].

Выпавшие на дно осадки солей, в частности, карбонаты кальция и магния в аридных и гумидных озерах ведут себя по – разному. В водоемах гумидной зоны, которые относительно глубоки и слой испарения здесь не превышает осадки, в толще воды и у дна накапливается достаточно большая концентрация углекислого газа, продукта жизнедеятельности биоценоза. Осаждающиеся нерастворимые карбонаты по пути ко дну взаимодействуют с диоксидом углерода, превращаясь в растворимые гидрокарбонаты. Концентрация последних постепенно может повышаться.

В водоемах аридной зоны наблюдается иная картина. Зообентос и остальные виды биоценоза здесь скапливаются не у дна, а в мелководьях, которые достаточно защищены от ветра и губительных прямых солнечных лучей. Эти участки воды в своем составе содержат мало углекислого газа. Кроме того, из–за сильного ветрового перемешивания воды происходит дегазация диоксида углерода. В связи с этим карбонаты кальция и магния, другие соли, свободно достигая дна, могут продолжительное время находиться в донных отложениях.

Исследуемые реки и озёра Прибалкашья относятся к общей системе «река – озеро», имеющей большое распространение (например, Волга, Урал – Каспий; Амударья, Сырдарья – Арал; Нура – Тениз; Кулунда, Кучук – Кучук; Бурла – Анжбулат и др.). При этом обращает на себя внимание, что в большинстве случаев в системе «река – озеро» фигуративные точки (то есть точки, отвечающие составу чистой соли) состава воды рек и конечных озер на химической диаграмме Н.С. Курнакова «состав – свойство» значительно удалены друг от друга и почти во всех случаях находятся в разных ее полях (рисунок 1.5). По всей вероятности, это обусловлено метаморфизацией воды.

Фигуративные точки состава воды рек перечисленных систем находятся в сульфатных полях диаграммы и по значению сульфатного индекса располагаются в пределах от 33 до 85%. Точки состава воды водоемов, где сконцентрированы эти речные воды, таких как Каспий, Кучук, Тениз расположены в галитовом (NaCl) поле; содержание сульфата в них значительно меньше, чем в питающих их реках и колеблется от 17 до 31%.

Фигуративная же точка состава Балкаша находится значительно выше, расположена в тенардитовом (Na₂SO₄) поле и соответствует 49% SO²⁻₄, а Алаколь ещё выше, находится в мирабилитовом (Na₂SO₄.10H₂O) поле и соответствует 56 % SO²⁻₄.

По содержанию сульфата все поверхностные воды, очевидно, можно разместить на диаграмме между двумя крайними точками. Одной из них будет океан, содержащий наименьшее количество сульфата – 6%, другой будет богатая сульфатами речная вода (условно принято, что фигуративная точка состава воды р. Урал отвечает 85% SO^2-₄).

В системе «река – озеро» в зависимости от степени и глубины метаморфизации речных вод образующийся водоём занимает место между упомянутыми точками. Бассейны морского типа и смешанные водоёмы (содержащие морские и континентальные воды) располагаются ближе к своим рекам. Например, в смешанных водоемах, как Каспий, в метаморфизующих агентах речных вод этого бассейна превалируют хлоридные воды (остатки исходной морской воды), поэтому метаморфизация здесь прошла глубоко, воды стали сульфатно-магниевыми, и фигуративная точка состава перешла в галитовое поле.

Балкаш и Алаколь – типичные бессточные континентальные водоёмы, в которых происходит скопление, перемешивание, концентрирование поверхностных и грунтовых вод только континентального происхождения. И поэтому в этих водоёмах протекают иные процессы. Вода этих озер по сравнению с водами других водоёмов является наиболее засульфаченной, хотя питающие реки по содержанию сульфатов не отличаются от рек, питающих другие водоёмы. Но здесь в метаморфизующих водах мало хлоридных, а наряду с более концентрированными сульфатными принимают участие и карбонатные воды. Поэтому в континентальных водоемах имеют место реакции, дополнительно засульфачивающие эти озера. В конечном итоге протекающая метаморфизация ненамного уменьшает сульфаты, привнесенные притоками. В результате этого точки состава этих озер по содержанию сульфата располагаются недалеко от точек состава питающих рек.

Из диаграммы видно, что и в других континентальных озерах, как Анжбулат и Тениз, в результате метаморфизации содержание сульфата уменьшается не намного.

Однако следует констатировать факт, имеющий место в природных водах, что во всех случаях систем «река – озеро», даже чисто континентального происхождения, имеет место уменьшение содержания сульфат ионов. Возможно, что одним из объяснений может служить реакция взаимодействия гидрокарбоната кальция с сульфатом магния и биохимические (гидробиологические) процессы.

Вследствие того, что в континентальных водоёмах метаморфизация идет за счёт взаимодействия главным образом карбонатных и сульфатных вод, происходит убыль ионов карбоната магния и кальция. Уменьшение содержания магния хорошо видно на диаграмме на примерах озёр Балкаш, Алаколь, Анжбулат, Кучук (рисунок 1.5).

Из всего этого вытекает, что реки, вне сомнений, хотя и играют ведущую роль в водно – солевом питании водоемов, но ожидать близкого сходства их состава не следует. Атмосферные осадки и особенно подземные воды, имеющие повышенную минерализацию, и окружающая среда оказывают большое влияние на гидрохимию водоема, что приводит к постоянно протекающей метаморфизации химического состава воды. Как следствие метаморфизации изменяется состав солей, внесенных водами. Направление и глубина метаморфизации зависят от состава метаморфизующих агентов, но в водоёмах морского или смешанного происхождения (Каспий) имеет место уменьшение содержания сульфатов, в континентальных водоёмах (Балкаш) это наблюдается в меньшей степени.

Во всех разобранных системах «река – озеро» как следствие метаморфизации наблюдается уменьшение значения магниевого индекса.

В результате процессов взаимодействия сульфатных и карбонатных вод и ионообмена, характерных только для континентальных водоёмов, сформировался солевой состав современной воды озер Балкаш и Алаколь. Из вышесказанного следует, что состав воды этих озёр должен иметь характеризующие их отличительные особенности. Одной из отличительных особенностей состава воды изучаемых озер оказалось сравнительно малое содержание в них поваренной соли. Содержание её в балкашской и алакольской воде по сравнению с каспийской и аральской водой более чем в два раза, а при сравнении с черноморской и океанической водой – почти в 2,5 раза меньше.

Наряду с малым содержанием поваренной соли вода имеет высокое значение сульфат – хлорного коэффициента SO^2-₄/Cl^-. Значение этого показателя для балкашской воды превышает аральскую в 1,5 раза, каспийскую в 2,5, океанскую и черноморскую воду – в 10 раз, а для алакольской воды это значение ещё выше.

Следующей очень интересной особенностью состава воды аридных озер является содержание магний – иона, которого в сумме ионов приблизительно столько же, сколько в воде Каспийского и Аральского морей, но содержание MgSO₄ в балкашской воде в 2, а в алакольской в 8 раз меньше.

У – Урал, С – Сыр – Дарья, Ад – Аму – Дарья, Н – Нура, И – Ертис, Бу – Бурла , Ил – Иле, Кт, Каратал, Л – Лепсы, Ас – Аксу, В – Волга, О – океан, Ч – Черное море, К – Каспийское море, А – Аральское море, Б – Балкаш, Т – Тениз, Аб – Анжбулат, Ку – р.Кулунда, К – р.Кучук, о.К. – оз.Кучук, Ж – Жаманты, Р – Ргайты, То – Тохты, Те – Тентек, Ур – Урджар, Х – Хатынсу, Э – Эмель, Кк – Каракол, (химический состав вод, кроме Прибалкашья, взят из кн.Алекина [188], индексы по Иенеке пересчитаны нами)

Рисунок 1.5 – Положение фигуративных точек состава природных вод в системе «река-озеро»

Ещё одной отличительной особенностью оказалось отсутствие в воде изучаемых озер растворённого сульфата кальция (гипса).

Отмеченные отличительные особенности состава воды в сочетании с другими свойствами должны обусловливать и состав соляных озер, образовавшихся из этой воды.

1.6.5 Исключительная самоочищающая способность природных вод РК

Процессы самоочищения – совокупность всех природных (гидродинамических, химических, микробиологических и гидробиологических) процессов в загрязненных природных водах, направленных на восстановление объектов. В настоящее время в гидрохимии принята следующая формулировка загрязнения природных вод: превышение в рассматриваемый период фоновой средней многолетней (в пределах ее крайних значений) концентрации загрязняющих веществ или значений показателей, приводящее к ухудшению качества воды для водопотребления, обусловленное хозяйственной деятельностью [87]. Сложность и разнообразие процессов естественного самоочищения природных вод, их значимость и сущность обусловливаются большим числом загрязняющих веществ, специфическими (физикогеографическими) условиями водоемов.

Сточные воды, поступая в водоемы, оказывают негативное воздействие, прежде всего на биоценоз, нарушают естественный режим многих компонентов химического состава воды. Одновременно и взаимосвязано с разбавлением и перемешиванием сточных вод с природной водой идут гидробиологические, гидрохимические и другие процессы превращения веществ в водоеме. Процессы трансформации и превращения веществ оказывают решающую роль в самоочищении водных масс. Физико-химические процессы, протекающие в водоемах, тесно связаны с биологическими процессами, в том числе микробиологическими, и порой трудно констатировать, где заканчивается один процесс и начинается второй.

Наиболее изученным вопросом в этой области является превращение органических веществ, способствующее непрерывному смещению ионных и фазовых равновесий в природных водах [88; 89]. Сам процесс превращения органических соединений протекает в несколько стадий, в результате чего промежуточные продукты часто оказываются более токсичными, чем исходные вещества. Последнее обстоятельство приводит к продолжающемуся загрязнению вод. И, тем не менее, вода природных водных объектов имеет способность самоочищаться.

На самоочищающую способность (СС) природных вод оказывают влияние многие факторы, роль которых оценивается учеными по – разному. Одни из них склонны выделять чисто процессы самоочищения (преимущественно отмирание чуждых водоему микроорганизмов, снижение содержания токсикантов за счет физико-химических и биохимических реакций и т.п.) и собственно смешение и разбавление загрязненной воды природной. Другая группа исследователей считает разбавление как один из факторов самоочищения наряду с такими процессами, как действие солнечной радиации, осаждение, поглощение и др.

В настоящее время выделяется пять главных направлений в исследовании процессов разбавления сточных вод природной водой и СС водных объектов. Каждое из этих направлений является предметом самостоятельного изучения:

1) разработка методов расчета разбавления и перемешивания сточных вод в водоемах (водотоках) при различных условиях;

2) изучение химизма превращения токсикантов в воде, илах, донных отложениях, взвесях;

3) выявление роли микроорганизмов;

4) исследование влияния процессов фотосинтеза;

5) изучение механизма миграции загрязняющих веществ (ЗВ) в подземных водах.

Изучение СС водных объектов проводится по – разному: расчетным путем (расчет скоростей превращения ЗВ, их ПДС, моделирование, прогноз) и натурными исследованиями (лабораторные условия или непосредственно на водном объекте) [90; 91] и др.

В настоящем учебном пособии из-за ограниченного объема нереально детально осветить все вопросы, связанные с проблемой самоочищения природных вод. Ниже приведен краткий обзор литературы по выявлению исключительной самоочищающей способности водоемов и водотоков аридных зон в сравнении с водоемами гумидных областей.

Роль сорбционных процессов в снижении концентрации тяжелых металлов, фосфора в воде оз. Балкаш подробно изложена автором в разделе 3.4.

Детальными многолетними исследованиями С.С. Крученко установлено, что при упаривании вод континентального происхождения в твердую фазу выпадают осадки (карбонаты, сульфаты), увлекая за собой такие компоненты, как бром (0,002 – 0,025%), йод (0,0002 – 0,016%), бор (0,0002 – 0,005%), кремний (до 0,02%), фосфор (до 2 . 10^-5%), калий (0,016 – 0,094%) [92]. А.И. Мун доказал, что такие элементы как фтор, бром, йод, бор, литий, калий, рубидий, цезий, кобальт, никель и цинк аккумулируются из воды континентальных водоемов донными отложениями, благодаря адсорбции их различными коллоидами, но геохимическое поведение названных элементов в системе «вода – ил» различное [93].

Для долгосрочного прогнозирования качества природных вод необходимо знание о скорости самоочищения. По данным натурных наблюдений на реках СНГ И.М. Кореновской и др. [94] рассчитаны значения коэффициентов скорости самоочищения речных вод 80 % – ой обеспеченности в весенне-летний период от некоторых загрязняющих веществ (таблица 1.4). Так, наибольшим значением К, равным 1,80 1/сут, характеризуются ионы аммония, наименьшими (0,20 1/сут) – ХПК, НП, Fe, Ni и Cr.

Практически все реки России изучены на предмет загрязнения и самоочищения их вод. Выявлено, что процессы самоочищения от нефтепродуктов протекают более интенсивно при сравнительно высоких температурах в летний период и значительно в меньшей мере зимой. Так, для р.Кубани самоочищающая способность в зимний период колеблется в пределах 7-35%, а летом повышается до 20 – 60%.

Максимальные величины перерабатывающей способности (ПС) р. Кубани от нефтепродуктов (600 – 3040 кг/час) определены при наибольших расходах воды во время паводков. В межень и при низких температурах (0-5 ⁰С) нефтепродукты слабо «перерабатываются» (0,11–5,71 кг/час) [95]. Аналогичное явление наблюдается и в других реках бассейна р. Кубани [96], Донецкой и других областях [97].

Таблица 1.4 – Коэффициенты скорости самоочищения речных вод от некоторых загрязняющих веществ

Сравнительно интенсивно процессы самоочищения речных вод от некоторых веществ протекают на участках протяженностью до 10 км ниже сброса стоков. При этом СС по БПК₅, например, в р. Кальмиус (Донецкая область) составляла 57%, по NH⁺₄ ионам – 60%.

Л.Ф. Носачева и К.Р. Амрин изучали СС некоторых рек Центрального Казахстана от органических веществ [98]. Так, в р. Нуру производится сброс сточных вод предприятий химической, металлургической, энергетической промышленности, а также бытовых сточных вод. Общий объем стоков бассейна р. Нуры составлял в 1975 г. около 120 тыс.м³/сутки, а в 1987 г. уже 477 тыс.м³/сутки [99]. Концентрация фенолов в речной воде в 1975 г. уменьшается до исходной величины (0,001 мг/л) через 3 суток пробега воды от места сброса сточных вод. На участке реки, в 5 км от источника загрязнения, снижение концентрации ОВ (по БПК₅) весной составляло около 88%, летом – 53%. Осенью процессы самоочищения р. Нуры более четко выражены на значительном расстоянии (12 км) от места сброса сточных вод и составляют 55 %. Путем анализа данных по содержанию ОВ за 1987 г. в воде р. Нуры (г. Темиртау) на участках 0,5 км и 5,7 км ниже объединенного сброса сточных вод, автором получены следующие результаты по СС (в %): БО – 11,6; БПК₅ – 20,5; фенолы и СПАВ – 60%; нефтепродукты – 50%. В реки Чурубай Нуру, Сокыр, основных притоков р. Нуры, также осуществляется сброс сточных вод. В малых реках более заметно влияние стоков и самоочищение обычно заканчивается на больших расстояниях (20 – 30 км), чем в крупных реках. Наиболее интенсивно превращение ОВ происходит в летний период, когда уменьшение их содержания (по БП₃К₅) составляет 62%. Если объем₃ стоков в р. Сокыр в 1975 г. составлял 80 тыс.м , то в 1989 г. – около 269 тыс.м. С увеличением расстояния от места сброса стоков содержание растворенного кислорода увеличивалось от 0 до 76% насыщения. В летний период процессы самоочищения в реке начинают проявляться на расстоянии 30 км от источника загрязнения. Весной и осенью за счет процессов самоочищения снижение концентрации загрязняющих веществ колеблется в пределах 36 – 89%.

Естественно ожидать, что большие количества загрязняющих веществ, сбрасываемые в водоемы и водотоки, затрудняют протекание процессов самоочищения. СС воды от металлов, как правило, зависит от абсолютного содержания его в верхнем створе: при более высоких концентрациях СС воды бывает более высокой, чем при сравнительно низких концентрациях. Кроме того, решающую роль в снижении концентраций тяжелых металлов играют процессы сорбции и образования труднорастворимых соединений.

Донные отложения, взвеси оказывают значительное влияние на СС водоемов и водотоков. Изучая роль перемешивания водных масс с донными отложениями на процесс потребления кислорода биохимически нестойкими соединениями, выявлено, что константа скорости этого процесса здесь возрастает в 4,2 раза по сравнению с опытами в статическом режиме [100]. Микроорганизмы, живущие в илах, способны разлагать многие органические соединения или потреблять различные ионы веществ. Так, в мелководных (3,5 – 4,0 м) прудах Ростовской области специальными исследованиями выявлено значительное превышение содержания летучих (ЛОВ) и растворенных органических веществ (РОВ) в иловых вытяжках по сравнению с содержанием их в воде [101]. Образование ЛОВ в илах происходит в основном в результате разложения высокополимерных ОВ микроорганизмами, а также за счет процессов хемосинтеза. Параллельно с образованием ЛОВ в илах наблюдаются и процессы их потребления различными микроорганизмами, что включает новые циклы биохимических превращений.

Е.А. Спонти и соавторы изучали превращение некоторых нефтепродуктов в природных водах и стерильных условиях [102]. Ими установлено, что разрушение тридекана при начальных концентрациях 1,2 и 2,6 мг/л практически заканчивается, соответственно, на 2 и 15 – ые сутки опыта. При увеличении содержания исходного вещества до 4,9 мг/л в течение 15 суток разрушалось около 85% токсиканта. Скорость окисления тридекана в естественных условиях составляла 0,55 – 0,70 мг/сутки, в то время как в стерильных условиях она не превышала 0,03 мг/сутки. Эти цифры свидетельствуют о превалирующей роли биохимического фактора в снижении концентрации тридекана в природной воде.

Дизельные и авиационные масла обладают высокой стабильностью. В течение 50 суток опытов их концентрация в природной воде оставалась практически неизменной. Скорость окисления дизельного топлива при исходной концентрации 3,4 мг/л в среднем составляла 0,13 мг/сутки.

Лабораторные исследования, проводимые [103] по вопросу трансформации лигносульфонатов в природных водах, позволили установить наличие зависимости скорости их биохимической деструкции от присутствия донных отложений. Авторы доказали факт сорбции лигносульфонатов донными осадками и взвешенными веществами.

Изучая роль сорбционных процессов, в снижении концентрации СПАВ в природных водах, В.В. Шлычковой и др. показано, что при отсутствии донных отложений, как правило, идет торможение превращения веществ на начальном этапе (0,5 – 2 суток), связанном с периодом адаптации микроорганизмов к веществу [104]. В присутствии донных отложений в первой половине суток происходит резкое снижение концентрации СПАВ в воде за счет процессов сорбции.

Благодаря разбавлению и биохимическим процессам системы «вода – дно» состав воды водохранилищ (на примере Волгоградского) достигает фоновых (химических и биологических) показателей и отсутствие дефицита кислорода на расстоянии 10 км от сброса стоков. Все это позволило констатировать авторам [105] факт активного процесса самоочищения водоема.

Микроорганизмы донных отложений водоемов и водотоков способны производить детоксикацию даже почвенных гербицидов (пропанид, стам Ф-34, суркопур и др.) [106; 107]. Малопроточные водоемы (озера, водохранилища, пруды) имеют относительно устойчивый уровень воды и незначительные сезонные течения по сравнению с реками, обусловленные режимом работы водохранилища или ветровыми нагонами. Концентрация загрязняющих веществ на отдельных участках малопроточных водоемов, направление и скорость процессов самоочищения обусловливаются в основном действием ветра, аэрацией воды, изменениями температуры, характером русловых процессов. Процессы самоочищения при этом будут определяться преимущественно или физическими и химическими факторами (в условиях горного, расчлененного рельефа), или развитием фито- , зоо- и бактериопланктона (озера, пруды). Если в водоем будет поступать слишком много загрязненных сточных вод, то процесс самоочищения сильно затормозится или совсем прекратится. В летний период, когда создаются наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности живых организмов, водоем самостоятельно способен переработать большие количества токсикантов [108-110]. Зимой при низкой температуре воды рост и активность микроорганизмов уменьшается. К тому же в этот период, образующийся лед ограничивает проникновение кислорода и света, ослабляется фотосинтез и процесс самоочищения водных масс замедляется. Самоочищение водных объектов от консервативных веществ (например, хлориды, сульфаты, натрий, кальций и др.) обусловливается только разбавлением сточной жидкости природной водой, а неконсервативных (например, многие органические вещества) – как разбавлением, так и различными процессами превращения веществ. При загрязнении и самоочищении природных вод изменяются физические свойства и химический состав из-за протекания следующих главных физико-химических процессов: окисление – восстановление; реакций полимеризации и поликонденсации; образования коллоидных растворов; процессов сорбции и десорбции; катионного обмена; образования труднорастворимых соединений; процессов выделения из воды газов и легколетучих соединений; образования комплексных соединений [111-114].

Таким образом, природные воды обладают одним из уникальных свойств – способностью к самоочищению водных масс. Причем, в водоемах и водотоках аридных зон эти процессы усиливаются из-за их мелководности, интенсивного перемешивания воды, способствующих взмучиванию, прогреваемости и активному воздействию солнечной радиации.