Характеристика природных вод Тазовского района и оценка их устойчивости к процессам закисления

В северных районах Западной Сибири одним из основных источников загрязнения водных экосистем являются объекты нефтепромысловой инфраструктуры (поисково-разведочные скважины и кустовые площадки эксплуатационного бурения, магистральные нефте-и газопроводы, объекты нефтепереработки). Уже на стадии бурения скважин в поверхностные водоносные комплексы вместе с буровым раствором и шламом выбуренных пород попадает значительное число химических реагентов: разжижители, термостабилизаторы, эмульгаторы, кислоты, ПАВ, органические растворители, ингибиторы отложений солей и коррозии [1]. Вместе с нефтью извлекаются высокоминерализованные пластовые воды, часть из которых аккумулируется в ближайших водоемах. В результате происходят значительные изменения общего химического состава вод. На современном этапе развития общества проблема загрязнения водоемов осложняется подкислением вод в результате выпадения кислых атмосферных осадков, механизм образования которых связан с вымыванием из атмосферы окислов азота и серы, образующихся в результате сжигания попутных газов, топлива и других видов хозяйственной деятельности человека. Подкисление приводит к изменению ионного состава воды, вымыванию тяжелых металлов, снижению буферной способности природных систем [2]. Районы севера Тюменской области характеризуются особенными климатическими условиями. Низкие среднегодовые температуры воздуха ослабляют процессы водной эрозии, а неразвитость почвенного покрова делает геохимический состав подстилающих пород главным фактором в формировании гидрохимии поверхностных вод. Избыточное увлажнение территорий приводит к низкой минерализации и олиготрофному характеру вод, поэтому любое поступление кислотообразующих веществ способно нарушить ионное равновесие и привести к закислению водоемов [2,3].

В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, направленные на разработку простых и достоверных способов оценки буферных свойств (экологического резерва) пресноводных экосистем по отношению к природному и антропогенному закислениям. Целью данной работы является совершенствование методов количественной оценки буферной емкости природных вод, оценка способности природных объектов к самовосстановлению, сравнение экспериментальных результатов определения буферной емкости природных систем с расчетными данными.

Методы определения буферной ёмкости.

Буферные свойства природных вод обусловлены главным образом содержащимися в них свободными диоксидом углерода и гидрокарбонатными ионами. Кроме того, на них может влиять содержание гумусовых веществ или в отдельных случаях повышенное содержание легкогидролизующих солей, основных карбонатов и гидроксидов, возникающих в результате поглощения диоксида углерода при фотосинтезе. Карбонат-, гидрокарбонат- ионы и анионы гумусовых кислот – основные компоненты природных буферных систем [4].

Экспериментальный метод.

Согласно методике определения буферной емкости фильтрованная природная вода титруется раствором соляной кислоты . Для определения равновесной концентрации ионов водорода в процессе титрования фиксируется значение pH. По результатам титрования определяют буферную емкость, построив график в координатах ∆n/∆pH=f(pH). Значение буферной емкости определяется по максимуму при pH, равном значению рК_а сопряженной кислоты, если учитывается равенство концентраций сопряженных пар.

Расчетный метод . Для оценки буферной емкости расчетным способом необходимо знать равновесные концентрации сопряженных форм компонентов буферной смеси. Если известна концентрация гидрокарбонат-ионов и значение рН природных вод, то равновесные концентрации компонентов буферной смеси можно рассчитать через мольные доли соответствующих форм.

где С ( Н₂СО₃,HCO₃^- ) – общая концентрация минеральных форм углерода, моль-экв/дм ³ , α – мольная доля сопряженной кислоты или основания. Мольные доли ^ан_асо и ^aHCOa рассчитываются по формулам:

[Я4"]          10^“н^с°1 ~ [я+] 4- Ка ~ 10-^4- 4,3- 10"7Ка          4,3-10"7

«жо- - [2^+j _{+ Kq} ~ Ю"^ +4,3 • 10"⁷ где [H ⁺ ] – равновесная концентрация ионов водорода, К а – константа кислотности угольной кислоты.

В качестве расчетного значения буферной емкости принимается значение буферной емкости при pH=6,4 (по аналогии с экспериментальным методом). Так же в работе была рассчитана гидрокарбонатная буферная емкость при начальных значениях рН - πнач.

Объекты исследования.

Пункты отбора проб, используемых в данной работе, были расположены в Тазовском районе Тюменской области. Территория исследований представлена водотоками, относящимися к бассейну Карского моря, а так же озёрами и болотами. Питание рек осуществляется за счёт талых снеговых вод, дождей и грунтовых вод. Талый снег образует до 80%, дождевые воды до 30%, а грунтовые воды до 15% стока. Большая его часть приходится на весеннее половодье (70-80%) [5].

Пробы воды были отобраны сотрудниками ЗСФ ИНГГ СО РАН в апреле 2016 г. и экспедицией ТюмГУ (сотрудниками Института наук о Земле) в августе 2015 г. на территории Тазовского района. Информация по месту и времени отбора проб приведена в табл. 1.

Таблица 1

Данные по отбору проб

В рамках данной работы в пробах были определены: рН, цветность, содержание главных ионов (Ca ²⁺ , Na ⁺ , Mg ²⁺ , K ⁺ , NH₄ ⁺ , Cl ^- , SO₄ ^2- , NO₃ ^- ), щелочность (Alk), а также содержание микроэлементов (Al, Fe, Mn и др.). Результаты определения этих показателей, статистическая обработка данных и классификация объектов исследования приведены в таблице 2.

Согласно классификации по значению минерализации все водные объекты относятся к категории уль-трапресных, преобладающий тип вод по ионному составу – гидрокарбонатные, лишь один природный объект относится к сульфатному классу. Результаты определения буферной емкости природных вод экспериментальным и расчетным способом, природных вод приведены в табл. 3.

Анализируя полученные данные, можно отметить, что разница между расчетным и экспериментальным значениями буферной емкости находятся в пределах погрешности анализа. Следовательно, для оценки буферной емкости водоемов, например, в ходе экологического мониторинга, достаточно использовать данные по рН и содержанию карбонат- и гидрокарбонат-ионов. Методики определения этих показателей достаточно просты для выполнения, относятся к разряду экспрессных, и могут быть поставлены в полевых условиях (не требуют наличия специальных лабораторных помещений).

В целом речные пробы закономерно показывают более высокие значения буферной емкости по сравнению с озерными, т.к. постоянное обновление воды повышает способность к нейтрализации кислот. Озерные системы характеризуются гораздо меньшим водообменом и более уязвимы к закислению. В этом отношении показательны значения буферной емкости в пробе №11, отобранной с отстойника (приток реки Панды-мыяха). Величина начального значения рН меньше 5,5 ед. рН, что затрудняет экспериментальное определение буферной емкости. Объект относится к сульфатному классу, имеет низкое значение цветности, что свидетельствует об антропогенной природе закисления.

Данные по водным объектам и их интегральные характеристики          Таблица 2

Таблица 3

Результаты определения буферной емкости (pH= 6,4 и рН=нач.) природных вод относятся водоемы с преимущественно застойным типом вод. Речные системы не подвержены закислению.