Бессточные водоемы Казахстана. Том 2. Качество воды

Для характеристики отклонений данной системы от устойчивого равновесия могут быть использованы две взаимосвязанные величины: содержание СО2, избыточное против равновесного (называемая агрессивным диоксидом углерода), и степень насыщенности воды карбонатом кальция. Для исследования состояния карбонатно-кальциевого равновесия кроме данных об ионном составе и минерализации воды приходится определять: величину рН, температуру воды и расчетным путем находить содержание в воде свободного, равновесного и агрессивного СО2, а также степень насыщенности воды карбонатом кальция. О степени насыщенности судят по отношению наблюдаемого произведения активностей ионов
Са2+ и СО 32 к теоретической величине произведения растворимости СаСО3. При расчетах приходится учитывать температурные изменения всех констант.
От степени насыщенности воды СаСО3 зависит способность воды растворять или выделять в осадок СаСО3, т.е. ее накипе-образующие свойства. О.А. Алекиным и Н.П. Моричевой были выяснены факторы, нарушающие пересыщенность раствора карбонатом кальция. К ним относятся: твердые тела, играющие роль затравки; обломочный карбонат кальция; частицы известковых раковин; остатки растительности. При исследовании оз. Балкаш было показано, что наиболее важными процессами, способствующими пересыщению и возможному осаждению карбоната кальция являются: а) увеличение температуры, уменьшающее растворимость карбоната кальция и диоксида углерода; б) испарение, увеличивающее концентрацию ионов кальция и карбонатную щелочность; в) перемещение пересыщенных карбонатом кальция вод в области, где присут-ствуют центры кристаллизации; г) фотосинтез, который снижает содержание диоксида углерода и, следовательно, увеличивает концентрацию карбонатов; д) бактериальная деятельность, приводящая к увеличению значений рН, вследствие образования ионов аммония и слабых оснований.
Однако в природе обычно образуются растворы, пересыщенные в отношении СаСО3 и наблюдается определенный недостаток СО2 до растворенного количества при данных условиях. Если же в результате каких-либо процессов содержание СО2 в растворе будет увеличиваться (дыхание, разложение органических веществ), то карбонатное равновесие также нарушится, причем пропорционально увеличивается содержание углекислоты и, следовательно, ее диссоциированные формы.
Изучение СО2 в водоемах представляет очевидную важность, однако данных по ее содержанию в водах различных объектов чрезвычайно мало. Эти данные, накопленные в достаточном количестве, позволят перейти к прогнозированию концентрации СО2 в природных водах, находящихся в различных физико-географических зонах и в любые гидрологические сезоны, как это было показано на примере оз. Балкаш.
В связи с изменчивостью факторов, влияющих на карбонатное равновесие, все время создаются условия, сдвигающие его в одну или другую сторону. Влияние этих факторов на карбонатно-кальциевое равновесие изучено на примере водо-хранилищ-охладителей Литовской ГРЭС и Украины.
Сброс подогретых вод в водохранилище Литовской ГРЭС, воздействуя на газовый режим, обуславливает сдвиг карбо-натно-кальциевого равновесия. В зависимости от степени и направления сдвига технические качества воды могут настолько измениться, что она становится непригодной для охлаждения конденсаторов. При подогреве воды и уменьшении растворимости карбоната кальция в трубках конденсаторов появляется возможность образования осадка, что уменьшает эффективность охлаждения, требует очистки сооружений, приводящей к их износу. Г.А. Лаумянскас и Ю.Ю. Снукишкис, исследуя режим ионного состава воды водохранилища-охладителя Литовской ГРЭС, определили, что максимальное количество карбонат-ионов (в заборном канале – 65,9 106, в отводящем – 75,9 106 ммоль/л) содержится в августе при температуре воды 21 и 30 °C. С увеличением концентрации карбонатных ионов изменяется и степень насыщенности воды карбонатом кальция (S/St). Если в заборном канале в период вегетации S/St не превышала 11,6, то в отводящем она достигала 15,9. В летний период в связи с интенсивным поглощением диоксида углерода при фотосинтезе, его концентрация снижается до аналитического нуля. Из-за дефицита диоксида углерода равновесие сдвигается вправо. При таких условиях вода из весеннего относительно устойчивого метастабильного состояния (S/St=1,2-5,3) переходит в нестабильное, начинается выделение твердой фазы, о чем свидетельствует образование слоя осадков карбоната кальция на листьях подводных растений в этой части водоема. В зоне водохранилища с небольшими скоростями течения и малым тепловым взаимодействием с транзитным потоком сезонное изменение карбонатно-кальциевого равновесия зависит в значительной степени от метеорологических факторов.
Летом в поверхностном слое воды концентрация диоксида углерода не превышает 1,5 мг/л, концентрация гидрокарбонатов в стабильной зоне, по сравнению с занятой транзитным потоком, уменьшается (убыль достигает 1,5 %). Это свидетельствует о смещении карбонатно-кальциевого равновесия вправо, вследствие чего концентрация карбонатных ионов увеличивается до 55 106 ммоль/л и величина рН воды достигает 8,60. Вода становится нестабильной с положительным индексом насыщения карбонатом кальция (S/St =10). Часть НСО3 и Са2+ – ионов, как и в искусственно подогретой зоне, выводится из поверхностного слоя в виде СаСО3, который мигрирует в нижние горизонты. С глубиной концентрация растворенного СО2 растет и, когда она достигает величины равновесной концентрации, вода стабилизируется (карбонат кальция из такой воды не выделяется и не растворяется), т.к. концентрация СО 32- ионов соответствует произведению активностей Са2+ и СО 32-. В слое воды ниже температурного скачка концентрация растворенного СО2, достигает 15 мг/л. Это значительно больше равновесной концентрации, которая в глубинных горизонтах водоема составляет 5,4-7,5 мг/л, в результате чего равновесие смещается влево. Концентрация СО 32 – ионов уменьшается до 2,7 106 ммоль/л, что влечет за собой понижение значений рН до 7,40. Вода становится нестабильной с отрицательным индексом насыщения карбонатом кальция: S/St = 0,38. В ней содержится до 8,8 мг/л агрессивного СО2. Такая вода способна растворять мигрирующий с поверхностных горизонтов карбонат кальция. Таким образом, несмотря на пересыщенность поверхностных слоев воды карбонатом кальция, возможность осаждения твердой фазы исключается.
Максимальное влияние искусственного подогрева на карбо-натно-кальциевое равновесие выявляется в зоне сброса циркуляционных вод. Насыщенность воды СаСО3 здесь достигает 14,9. Существование такого неравновесного состояния объясняется стабилизирующим действием органических веществ, а это, в свою очередь исключает опасность углекислотной коррозии гидротехнических сооружений, расположенных ниже сбросов подогретых вод.
Осенью в связи с перемешиванием воды агрессивная СО2 исчезает и для всего водохранилища характерен положительный индекс насыщенности воды СаСО3. В зимний период концентрация растворенного СО2 (до 4,5 мг/л) не достигает уровня равновесной концентрации, в связи с чем S/St колеблется в пределах 1,7-3,6. В стабильной зоне, в условиях устойчивого ледостава в связи со стратификацией компонентов газового состава разница между величинами насыщенности воды в поверхностном и придонном слое достигает единицы. В зоне циркуляции отсутствие или неустойчивость ледостава обуславливает сдвиг равновесия вправо.
Таким образом, в течение всего года компоненты карбонатно-кальциевого равновесия находятся под воздействием сброса подогретых вод, что влияет на аэрацию воды, деструкцию органических веществ и другие факторы, от которых зависит, с одной стороны, потребление диоксида углерода, а следовательно, и изменение насыщенности воды карбонатом кальция, с другой – регенерация диоксида углерода и уменьшение насыщенности воды кислородом. Вот яркий пример влияния антропогенного фактора, а именно искусственного подогрева воды.