Контролируемая самостоятельная работа 3 (2 часа)

Тема: «Водная миграция химических элементов в ландшафтах»

Цель работы: сформировать навыки расчета коэффициентов водной миграции, оценить интенсивность миграции элементов в водах различных ландшафтов и определить их изменения в условиях техногенного загрязнения водного объекта.

Исходные данные: таблицы содержаний микро – и макрокомпонентов в природных водах различных объектов, таблица рядов водной миграции по А.И.Перельману, таблицы интенсивности техногенного загрязнения поверхностных вод.

Формы и методы проведения: внеаудиторная индивидуальная письменная работа, выполняемая в рабочей тетради

На поверхности Земли происходит непрерывное миграция веществ в системе континенты – океан, в водосборных бассейнах разного порядка, из автономных ландшафтов в подчиненные. Одним из основных факторов, влияющих на дифференциацию вещества в этих системах, является водная миграция химических элементов и соединений, осуществляемая в виде разнообразных растворимых, коллоидных, взвешенных и других форм нахождения. интенсивность этой миграции зависит от внешних - биоклиматических, геолого-геоморфологических, геохимических условий и внутренних – свойств элементов, факторов миграции.

Традиционно сложилось так, что для определения интенсивности миграции химических элементов в подземных и поверхностных водах используется коэффициент водной миграции (К_х), отражающий соотношение содержаний элементов между горными породами и дренирующими их водами.

К_х= М_х ∙ 100 / а ∙ n_х ,

где М_х – содержание элемента в воде, г/дм³ (или г/л); n_х – содержание элемента в водовмещающих породах или кларковое содержание в земной коре, %; а – степень минерализации воды, г/дм³(или г/л). Для оценки интенсивности глобальной дифференциации элементов между литосферой и гидросферой в качестве расчетных параметров можно использовать кларки элементов в этих оболочках.

Так как интенсивность перехода элементов из твердой фазы в раствор в значительной мере определяется характером и составом вторичных продуктов выветривания горных пород, то целесообразно рассчитывать Кх не только к составу коренных пород. но и учитывать состав кор выветривания и почв.

Коэффициенты водной миграции различных элементов изменяются от сотых долей единицы до десятков и сотен, что позволило Б.Б. Полынову и А.И. Перельману все химические элементы по интенсивности водной миграции в растворенном состоянии разделить на пять основных групп – очень сильной, сильной, средней, слабой и очень слабой миграции. интенсивность водной миграции элементов может изменяться в зависимости от ландшафтно-геохимической обстановки. Одни элементы, особенно переменной валентности (молибден, уран, сера и др.), характеризуются контрастной миграцией в разных ландшафтных условиях, другие (алюминий, титан, цирконий и др.) ведут себя более однообразно.

Несмотря на то, что основная масса (более 70-80 %) микроэлементов в речных водах переносится со взвесями, роль растворимых форм элементов также весьма значительна. Так как именно они участвуют в образовании вторичных аккумуляций элементов и их соединений на ландшафтных геохимических барьерах. Кроме того, следует учитывать и суммарный эффект переноса и концентрации растворимых форм элементов в масштабе педологического и геологического времени. Поэтому величина Кх позволяет сравнивать интенсивность миграции в водах ландшафтов различных химических элементов, в том числе растворенных и рассеянных.

Для определения изменения интенсивности миграции, наблюдаемой в результате техногенной нагрузки, используют отношение Кх₂ / Кх₁, где Кх₁ – интенсивность миграции без техногенной нагрузки или фоновая величина; Кх₂ – интенсивность миграции, определяемая в местах техногенного загрязнения в данное время. Сравниваться должны участки, сложенные породами аналогичного состава. При больших размерах участков следует во всех расчетах брать не содержание химического элемента в водовмещающих породах, а его кларковое содержание:

Мх₂ ∙100 Мх₁ ∙100 Мх₂ ∙а₁

Кх₂ / Кх₁ ═ ———— / ———— ═ ———— ,

а₂ n_х а₁ n_х Мх₁ ∙а₂

где Мх₂ – отношение содержания элемента в водах на загрязненном участке, г/дм³; Мх₁ – содержание элемента в пределах регионального фона, г/дм³. В случае подземных вод при определении величины Кх₁ (Кх₂) целесообразно использовать кларковое содержание элемента в этих водах. Для определения величины отношения Кх₂ / Кх₁ необходимо использовать данные приведенные в таблице 1 «Содержание элементов в подземных и поверхностных водах» .

Таблица 1

Содержание элементов в подземных и поверхностных водах

Элемент	Содержание элементов
	в подземных водах, г/дм3	в земной коре	в речных водах, г/дм3
1	2	3	4
Cl	4,7 ∙ 10-2	1,7 ∙ 10-2	0,019
Br	1,83 ∙ 10-4	2,1 ∙ 10-4	7,0 ∙ 10-5
I	1,61 ∙ 10-5	4,0 ∙ 10-5	5,0 ∙ 10-8
Mg	1,86 ∙ 10-2	1,87	1,3 ∙ 10-3
Ca	4,3 ∙ 10-2	2.96	4,1 ∙ 10-4
Na	4,55 ∙ 10-2	2,5	1,035 ∙ 10-2
F	4,5 ∙ 10-4	6,6 ∙ 10-2	1,3 ∙ 10-6
Zn	3,4 ∙ 10-5	8,3 ∙ 10-3	1,0 ∙ 10-6
Sr	1,85 ∙ 10-4	3,4 ∙ 10-2	8,0 ∙ 10-5
Mo	2,06 ∙ 10-6	1,1 ∙ 10-4	1,0 ∙ 10-8
K	4,59 ∙ 10-3	2,5	3,9 ∙ 10-4
P	5,75 ∙ 10-5	9,3 ∙ 10-2	7,0 ∙ 10-5
Mn	4,94 ∙ 10-5	0,1	2,0 ∙ 10-6
Ni	3,31 ∙ 10-6	5,8 ∙ 10-3	2,0 ∙ 10-6
Cu	5,58 ∙ 10-6	4,7 ∙ 10-3	3,0 ∙ 10-6
Fe	5,47 ∙ 10-4	4,65	1,0 ∙ 10-5
Al	2,79 ∙ 10-4	8,05	1,0 ∙ 10-5
Ti	1,07 ∙ 10-5	0,45	1,0 ∙ 10-6
Cr	2,9 ∙ 10-6	8,3 ∙ 10-3	2,0 ∙ 10-8
V	2,06 ∙ 10-6	9.0 ∙ 10-3	3,0 ∙ 10-6
Zr	1,3 ∙ 10-6	1,7 ∙ 10-2	5,0 ∙ 10-8
Th	4,2 ∙ 10-2	1,3 ∙ 10-3	1,0 ∙ 10-8

Средний минеральный остаток для подземных вод равняется 0,43 г/дм³. Для пресных вод большинства рек и озер влажного климата минерализация обычно колеблется от 0,1 до 1, 0 г/дм³.

Интенсивность миграции химических элементов в природных водах можно определить по таблице 2 «Определение интенсивности миграции химических элементов в природных водах».

Таблица 2

Определение интенсивности миграции элементов в природных водах

Интенсивность миграции	Коэффициент водной миграции
Очень сильная	≥10 n
Сильная	(1-10) n
Средняя	(0,1-1,0) n
Слабая	(001-01) n
Очень слабая	≤0,01 n
Примечание: n – целое число от 1 до 10

Задание.

1. Оценить интенсивность миграции элементов в подземных и поверхностных водах. Данные для расчетов представлены в таблицах «Содержание элементов в подземных и поверхностных водах» и «Определение интенсивности миграции элементов в природных водах».

2. Проанализировать полученные результаты по интенсивности миграции химических элементов в поверхностных и подземных водах.

3. Сделать выводы об интенсивности водной миграции выбранных химических элементов в поверхностных и подземных водах.

4. Задание выбрать в соответствии с вариантом, представленном в следующей таблице 3.

Таблица 3

Варианты задания

Вариант	Элемент		Вариант	Элемент
1	Торий	Хлор	16	Кальций	Железо
2	Ванадий	Йод	17	Натрий	Железо
3	Хром	Магний	18	Фтор	Титан
4	Цирконий	Бром	19	Цинк	Хром
5	Титан	Кальций	20	Стронций	Ванадий
6	Алюминий	Натрий	21	Молибден	Цирконий
7	Железо	Фтор	22	Калий	Торий
8	Медь	Цинк	23	Бром	Йод
9	Никель	Стронций	24	Железо	Марганец
10	Марганец	Молибден	25	Алюминий	Никель
11	Фосфор	Калий	26	Хлор	Фтор
12	Бром	Фосфор	27	Стронций	Кальций
13	Йод	Марганец	28	Калий	Натрий
14	Магний	Никель	29	Титан	Цирконий
15	Бром	Йод	30	Хром	Ванадий

5. Определить, как изменится интенсивность миграции компонентов поверхностных вод при условии техногенного загрязнения водного объекта.

6. Проанализировать полученные результаты

7. Сделать вывод об изменении интенсивности миграции компонентов природных вод в условиях техногенного загрязнения.

8. Для расчета использовать данные, приведенные в таблице 4«Интенсивность техногенных изменений компонентов поверхностных вод бассейна реки»

9. Задание выбрать в соответствии с вариантом, представленном в таблице 5 «Показатели техногенного загрязнения водного объекта»

Таблица5

Показатели техногенного загрязнения водного объекта

Вариант	Источник загрязнения	Компонент
1	2	3	4	5	6
1	Средний город (крупный промышленный центр	HCO-3	SO2-4	Cl-	NO-3
2	Средний город (металлообрабатывающие и машиностроительные заводы)	SO2-4	Ci-	NO-3	NO-2
3	Средний город (промышленный центр)	HCO-3	SO2-4	Na+	Ca2+
4	Малый город (химический завод)	HCO-3	Cl-	NO-3	NO-2
5	Малый город (коксохимический завод)	SO2-4	Cl-	NO-3	PO3-4
6	Малый город (научный центр физического направления)	HCO-3	SO2-4	Na+	K+
7	Свалка промышленных и бытовых отходов со стоком в 1 водоток	Cl-	NO-3	Mg2+	K+
8	Свалка промышленных и бытовых отходов со стоком в 2 водоток	HCO-3	Cl-	NO-3	PO3-4
9	Свалка промышленных и бытовых отходов со стоком в 3 водоток	PO3-4	Cl-	NO-3	NO-2
10	Малый город (машиностроительный завод)	Cl-	NO-3	Na+	K+
11	Средний город (крупный промышленный центр	SO2-4	PO3-4	Ca2+	Mg2+
12	Средний город (металлообрабатывающие и машиностроительные заводы)	HCO-3	SO2-4	Cl-	NO-2
13	Средний город (промышленный центр)	NO-3	SO2-4	Cl-	PO3-4
14	Малый город (химический завод)	HCO-3	SO2-4	Ca2+	Mg2+
15	Малый город (коксохимический завод)	NO-3	NO-2	Na+	Ca2+
16	Малый город (научный центр физического направления)	HCO-3	SO2-4	Cl-	PO3-4
17	Свалка промышленных и бытовых отходов со стоком в 1 водоток	SO2-4	Cl-	PO3-4	NO-2
18	Свалка промышленных и бытовых отходов со стоком в 2 водоток	NO-3	NO-2	Ca2+	Mg2+
19	Свалка промышленных и бытовых отходов со стоком в 3 водоток	HCO-3	NO-3	Cl-	PO3-4
20	Малый город (машиностроительный завод)	Na+	Ca2+	Mg2+	K+
21	Средний город (крупный промышленный центр	Cl-	NO-3	Na+	Ca2+
22	Средний город (металлообрабатывающие и машиностроительные заводы)	NO-3	NO-2	Mg2+	K+
23	Средний город (промышленный центр)	HCO-3	SO2-4	NO-3	NO-2
24	Малый город (химический завод)	NO-2	SO2-4	Cl-	PO3-4
25	Малый город (коксохимический завод)	HCO-3	SO2-4	Mg2+	K+
26	Малый город (научный центр физического направления)	NO-3	NO-2	Na+	K+
27	Свалка промышленных и бытовых отходов со стоком в 1 водоток	HCO-3	SO2-4	NO-3	PO3-4
28	Свалка промышленных и бытовых отходов со стоком в 2 водоток	SO2-4	PO3-4	NO-3	NO-2
29	Свалка промышленных и бытовых отходов со стоком в 3 водоток	Cl-	NO-3	Ca2+	Mg2+
30	Малый город (машиностроительный завод)	HCO-3	NO-2	Cl-	PO3-4