Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Комплексное исследование солевого режима замкнутых и полузамкнутых водоемов на примере Аральского моря

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Комплексное исследование солевого режима замкнутых и полузамкнутых водоемов на примере Аральского моря"

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЛОБОВ АЛЕКСАНДР ЛЬВОВИЧ

УДК 551.465

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛЕВОГО РЕЖИМА ЗАМКНУТЫХ И ПОЛУЗАМКНУТЫХ ВОДОЕМОВ НА ПРИМЕРЕ АРАЛЬСКОГО МОРЯ

11.00.08 — океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва — 1994

Работа выполнена в Государственном океанографическом институте.

Научный руководитель - кандидат географических наук, старий научный сотрудник А.Г. Цнцарин

Официальные оппоненты - доктор географических наук, В.В. Сапожников ( ШРО ), кандидат географических наук, старший научный сотрудник В.Н, бортник ( ГОИН ),

Ведущая организация - Кафедра океанологии географического факультета МГУ им. Н.В.Ломоносова.

Защита диссертации состоится "Л-/*" мая 1994 г. в /г час. 00 мин. на заседании специализированного совета совета К.24.02.01 в Государственном океанографическом институте (119838, ГСП, МОСКВА, Г-34, Кропоткинский пер.,6).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного океанографического института.

О (1

автореферат разослан "¿Х " апреля 1934 г.

Нченый секретарь специализированного'совет3

кандидат физико-математических наук

ОБЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТНАЛЬНОСТЬ. Первоочередное наблюдение электропроводимости, солености, плотности воды, наряду с температурой, с высокой точностьв является основой мониторинга морской среды и определяет возможность изучения морей, как природных объектов, в соответствии с современным уровнем развития океанологии,

В настоящее время, качественна и количественные показатели наблюдений над соленостью вод морей невысоки. Ныне сучествую-ре соотноиения хлорности, солености, электропроводимости, плотности и др., лежаре в основе океанологических таблиц для вод морей, не охватывают весь диапазон изменений параметров в камдом из морей, поэтому их применение, особенно, экстраполяция во многих случаях необоснованн. При их получении практически не учитывалось различие в применимости гипотезы о квазипостоянстве состава вод в океане и морях, что не верно.

Кроме того, исследование солевого режима замкнутых и полузамкнутых норей представляет больной научный и практический интерес в связи с возрастающей антропогенной нагрузкой, так как в ряде случаев изменение именно этого компонента гидрометеорологического режима моря в первую очередь оказывает угнетающее влияние на морскую экосистему.

Аральское море, как объект исследования, дает наиболее полную возможность для изучения метаморфизации солевого состава вод в иироком диапозоне соленостей, включающем пресные, солоноватые, морские и рассольные воды. В тоже время, изменения солевого режима Арала представляют яркий пример катастрофических последствий антропогенной нагрузки.

Безвозвратное изъятие стока рек Аму и Сырдарьи на народохо-зяйственнне нужды привело к резкому снижении уровня Аральского моря,- В настоящее время уровень моря понизился на 16 метров по сравнению со среднемноголетней отметкой условно-естественного периода.

На протяжении практически всего периода усыхания моря темпы

снижения уровня возрастали, ливь в последние три года наблюдается относительная стабилизация уровенного режима. Падению уровня моря соответствовало значительное изменение морфоыетрии поря: осуни-осуиилось более 45 У. акватории, более чем на 70 и 45 I, соответственно, уменмились объем и средняя глубина. В конце 1987 года Аральское море разделилось на две практически обособленные части, Катастрофическое падение уровня привело к гибели Аральского моря как природного объекта со специфическими чертами экосистемы.

Наиболее значительные изменения, оказавшие определяющее влияние на деградацию экосистемы Аральского моря, произоили в солевом региме моря. Рост средней солености моря с 10 - 11 о/оо в 1950-е гг до 36 - 37 о/оо в начале 90-х гг. вызвал наружения равновесий в водно-солевых системах моря, воды моря из солоноватых переили в класс морских вод, принципиально изменились солевой баланс и режим солености моря.

ЦЕЛЬ РАБОТА, внполнявиейся в рамках ГНТП "Мировой океан", проекты "Моря России", "Морские устья и геохимические барьеры", ряда тем ЩШ1 Росгидромета "Исследования Арктики и Антарктики, гидрометеорологического режима Мирового океана и морей России", проекта РФФИ "Исследование иерархии водно-солевых систем природных вод и описание их термодинамического состояния", - изучение изменчивости солевого состава, солености и солезапаса Аральского моря под влиянием внешних и внутренних факторов. Конкретно были поставлены следущие задачи:

- разработать методическую основу изучения солевого режима замкнутых и полузамкнутых водоемов;

- изучить поведение компонентов солевого состава аральских вод в условиях антропогенной нагрузки и исследовать интенсивно протекающий в настоящее время процесс кетаморфизации солевого состава;

- рассчитать научно-методически обоснованные параметры уравнений состояния для вод Аральского моря и его отдельных частей;

- количественно оценить солевой запас моря и отдельные статьи солевого баланса, изучить динамику солености аральских вод и дать оценку будурх значений средней солености моря.

- 5 -

НАНЧНЙЯ НОВИЗНА работы определяется следящим:

- предловен научно-методический подход к детальному изучении солевого состава вод замкнутых и полузамкнутых морей, значительные части акваторий которых представлявт собой зоны смевения речных и морских вод;

- исследованы закономерности процесса метаморфизации солевого состава аральских вод при их осолонении, выделены интервалы локальной применимости гипотезы о квазипостоянстве солевого состава морских вод и интервалы неравновесности водно-солевых систем в условиях Аральского моря;

- оценена степень консервативности основных ионов солевого состава аральской воды и численно описаны их соотновения для выделенных интервалов квазипостоянства солевого состава в нироком диапазоне солености;

- впервые получены параметры уравнений состояния вод Аральского моря, сопостовикне с современными требованиями океанологии и учитывавшие влияние процесса иетаморфизации солевого состава аральской воды;

- приведен к единому методически сопостовимому виду массив наблюдений над соленостью аральских вод, выполнен расчет солеза-пасов Аральского моря и его отдельных частей и оценены интегральные потери солей на осуваищейся территории и за счет выпадения в осадок сульфата кальция;

- получены полуэмпирические соотновения, основанные на связи соленость - объем вод Аральского моря, позволяющие дать оценку будущих значений средней солености разделиввихся частей моря.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИШЬ РАБОТЫ. Предложенная в работе методика анализа солевого состава и расчета параметров уравнений состояния пршшима к другим морям, в настоящее время она используется в ГОИНе для изучения солевых составов Каспийского, Черного, Азовского и Карского морей.

Параметры уравнений состояния аральских вод могут рекомендоваться для применения при экспедиционных, экспериментальных и модельных исследованиях Аральского моря.

Полученные оценки расходных составлящих солебаланса Араль-

ского моря могут быть использованы при оценке возможного засоления окрравщей территории в процессе ветрового выноса солей с бывиего дна моря,

Соотновения, полученные при анализе рядов солезапаса Аральского моря и его частей, можно применять для прогностических оценок средней солености моря,

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ, Основйне результаты работы докладывались на семинарах отдела гидрологии морей и морских устьев рек, лаборатории гидрохимии эпиконтинентальных морей, на итоговой сессии Ученого совета ГОИН ( 1992 ), на XU Менделеевском съезде по общей и прикладной химии ( Минск, 1993 ), на IX научной конференции по промысловой океанологии ( Калининград, 1993 ), ка симпозиуме "Ис-, торические изменения гидрологического цикла под влиянием деятельности человека" ( Москва, МГЦ, 1993 ), на международной конференции по проблемам Приаралья С Алма-Ата, 1993 ), на научно-техническом совете Росгидромета ( 1993 ).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заклвчения, списка литературы, прилокениа, Общий объем работы поставляет 217 страниц, включая список литературы из 151 названия (50 - иностранные), 12 таблиц, 39 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность теин, сформулированы цели и задачи работы, приведены основные положения, выносимые на зарту, отражена научная новизна и практическая значимость работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приведен сравнительный обзор исследований солевого реаима Мирового океана и Аральского моря,

В первом параграфе рассматренн исследования метааорфизации аральской воды. Первые лабораторные исследования путей кристаллизации солей при испарении аральской воды проведены З.И.Николаевым и Х.Б.Фрадкиной (1945). И.Н.Лепеяков и Н.В.Бодалева (1952) изучили процесс кристаллизации солей из слабо минерализованных растворов аральской воды, 0 пересыщении вод Аральского моря карбонатом

кальция впервые известно из работа Н.Г.Бродской (1949), обнару-1иввЕй в грунтах моря садочный СаСОз.

Изучением процесса выпадения гипса занимались В.П. Зенкович и А.Ф.Карпевич (1953) полагавшие, что оно будет наблвдаться при солености аральской воды выве 20 о/оо. О.А.Алекин и Н.П.Йоричева (1955) теоретически рассчитали, что выпадение гипса должно происходить при солености около 15 о/оо. Однако, Л.К.Блинов указывает на неизменность относительного содериния сульфатов до 28 о/оо ( 1956).

Следунщим нагом были исследования С.К.Рэвиной (1970), отметившей консервативность ионов Мд и суммы Ка+К до 57 г/л и нарушение консервативности для ионов Са, 50ч и НСОэ при хлорности выше 8 г/л.

В.Н.Бортник и Н.А.Буйневич (1979,1980) установили, что значительное осолонение аральской води, вызвало изменения в ионном составе воды и нарушило соотнояения ыежду основными ионами.

Обобщение большинства работ этого направления, выполненных до 1985 г, приведено в научно-справочной монографии по Аральскому морп ( 1990),

Во втором параграфе рассмотрена трансформация понятия "соленость" морской води и его применимость к внутренним морям. Первые достоверные измерения суммы солей в морской воде выполнены Р.Бойлеи в 70-х годах XUII века. Начало следувчего этапа в изучении солевого состава океанских вод - полный анализ 77 проб океанской воды, результаты которого позволили Диттмару (1882) сформулировать закон постоянства солевого состава морской воды в окончательном виде.

Исследования солевого состава вод Аральского моря относятся к концу XIX века: А.Непель в 1870 г, стобрав пробу аральской воды, определил обцее содержание солей. Полный анализ солевого состава аральской воды и сравнение его с составами других морей впервые опубликованы К. Еарнгорстом (1873), отметившим сходство солевых составов Арала и Каспия.

Наиболее подробное исследование солевого состава, удельного веса, солености аральской воды сделано Л.С.Бергом (1908), который

при исследованиях под соленостью подразумевал количество солей, полученное выпариванием одного килограмма .воды (сухой или плотный остаток). Для Аральского моря из-за влияния речного стока до сих пор проводится определение плотного остатка по методу Н.Н.Ефремова С1926),

Для онеанской воды, в связи с трудностями прямого определения плотного остатка, за соленость принята по предложению Сорен-сена и Кнддсена (1901) условная величина, близкая абсолютной солености, но несколько отличная от нее: "соленость - приведенное к пустоте весовое количество всех твердых растворенных веществ, заключенных в 1000 граммах воды при условии, что бром и иод замещены эквивалентным количеством хлора, все карбонаты переведены в окиси, а все органическое вещество сожжено". Данное определение солености очевидно не подходит к водам эпиконтинентальных морей, так как сосодержание карбонатов здесь значительно выие океанского и перевод их в окиси вызовет значительные погревности.

Кнудсен на основании девяти определений солености и хлор-ности ' морской воды предложили следущуи формулу для расчета солености океанской воды:

$(о/оо)= 0,03 + 1,805 х С1(о/оо)

Связь фактической суммы ионов с хлорностьп воды для океана установлена значительно позднее Дж.Лименом (1959). Формулы Кнддсена, Лимена неприменимы к зпиконтинентальным морям из-за отличия имического состава их вод от океана. Задачу получения аналогичного соотножения для Аральского моря ренил Л.К.Блинов (1956), полу-чивжий формулу связи солености и хлорности аральской воды:

$(о/оо)= 0,264 + 2,791 х СНо/оо)

Л.К.Блинов отметил высокое постоянство солевого состава вод открытого моря и обосновал применение океанографического метода к водам Арала. На основе этих исследований были составлены океанологические таблицы для Аральского моря (1964), но с осолонением

аральских вод данные таблицы уве в семидесятые годы стали приводить к неверным результатам.

В дальнейвем ряд авторов (С.К.Ревина, 1968, 1970, В,Н.Бортник, Н.А.Буйневич, 1979, 1980, В.Н.Бортник, 1990) предпринимали попытки учета выпадения солей в осадок и расширения интервала измерений солености, Однако, отсутствие, или недостаток определений плотности аральской воды не позволяло до настоящего времени получить параметры уравнений состояния для Аральского моря.

В третьем параграфе рассмотрены исследования электропроводимости природных вод. В период 1955 - 59 гг. в нескольких западных океанографических институтах были разработана электросолемеры с термостатически контролируемой температурой. Б качестве результата они давали относительную электропроводимость и температуру, которые пересчитывались в соленость (Томас, 1934). Кокс (1903) показал, что плотность вычисленная по электропроводимости на порядок вше по точности ее определения по хлорности. По результатам Кокса ( 1967, 19159) получены отношения между хлорностью, соле-ностьп, электропроводимость!!, плотность» океанской воды и составлены Иевдународнне Океанографические Таблицы.

Практически в тове время Э.Д.Сопач (1958) проведены исследования электропроводимости вод ряда эпиконтинентальных морей (Азовское, Каспийское, Аральское), Однако, как и в случае с формулой 5линова при осолонении аральских вод, полученные отновения оказались непригодны, С выпуском отечественного солемера исследования электропроводимости вод Арала были продолхены. Но ыногие полояения, принятые для океанических вод, здесь оказались непри-емлимыми (Л.Б.Дррева, 1983, 1984).

С введением Якалы Практической Солености 1978 г связь хлор-ность/соленость заменена отновением соленость/относительная электропроводимость. На основе практической солености получено такае новое Международное уравнение состояния 1980 г.

Икала практической солености и алгоритм расчета практической солености применимы ко всем океаническим водам. Однако, должны использоваться с осторожностью в водах Мирового океана, имеющих отличный пт стандартной морской воды химический состав (Пойс

сон, 1978, 1979, 1980), При изучении влияния концентраций отдельных компонентов ионного состава морской воды на ее физические характеристики Пойссон опирался на работу Миллеро Я974), опреде-ливвего на основе полузмпирической модели ионно-солевого взаимодействия Хеплера (1957) изменения парциальных моляльннх объемов как функцию заряда и радиуса иона и работу Лейндеккерса (1974), наие.двего обре уравнение для. парциальных моляльннх объемов главных ионов в морской воде.

Парциальные эквивалентные проводимости солей в морской воде рассматривались К. Парком (1964), Корови, Фабуссом (1968). Эти исследования стали основой расчетного метода определения плотности и электропроводимости растворов различного ионного состава.

В четвертом параграфе рассмотрен географический парадокс Аральского моря - удивительно низкая соленость его вод в естественных условиях. Основные объяснения которого, сводятся к следующему: периодическая проточность Аральского моря в проилом; осаждение. солей в периоды пересыхания; фильтрация морских солей в берега и дно моря; осолонение морской воды и локальное осаждение солей; осаждение солей в результате биогидрохинических процессов.

Фактически, решение географического парадокса Аральского моря заключается в количественном описании среднегодового и многолетнего баланса еоды и солей моря. При этом для оценки балансового метода и получения средней солености моря, можно воспользоваться соотношением между солезапасом, средней соленостью и объемом моря (А.Г.Цыцарин 1988, А.Г.Цыцарин, А.Л.Лобов).

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ работы приведено описание используемого материала по солевому режиму Аральского моря, дана оценка точности используемых методов химического анализа, рассмотрены методические аспекты способов получения, обработки и научного анализа материалов.

Привлечение больвого количества экспериментальных данных для исследования солевого режима Аральского моря потребовало проведения предварительного анализа и тщательного контроля материала. Дальнейшая обработка данных потребовала привлечения аппарата математической статистики, специфических методов, применяемые в

физической химии, гидрохимии и океанографии. Их совокупность служит методической базой при исследовании изменчивости ионного состава и солезапаса моря, в поиске уравнений состояния аральской воды.

Массив прямых определений солевого состава воды Аральского моря на конец 1992 года содержит 658 единичных измерений. Каждое из этих определений имеет в массиве свой порядковый номер, результаты анализов на Мд, Са, С1. 50ч, НСОз, плотность. Более чем * в 40 У. случаев выполнена также прямые измерения Иа, К.

Массив данных по электропроводимости состоит из пяти частей: нормальная вода, растворы КС 1, КаС1, МдБОч и вода зпиконтинен-тальных морей (Аральское, Каспийское, Азовское), Массив по Аралу вклвчает 63 определения, которые содержат результаты полного солевого анализа воды и измерения плотности и относительной электропроводимости (относительно нормальной воды). Последняя измерялась при следуврх температурах: 15,0; 19,6: 20,0; 25,0; 30,0 и 34,0 градуса Цельсия. Диапазон суммы солей, в котором располагавшей данные составляет 0,1 - 37,0 г/л, при этом данные размерены внутри диапазона равномерно. Массив собственных наблвдений дополнен материалами Сопач З.Д, (1958),

При определении средней солености и солезапаса Аральского моря использованы материалы о распределении солености по глубине и на поверхности Аральского моря, полученные при проведении 136 гидролого-гидрохимических съемок за период с мая 1952 по август 1992 года.

При отсутствии прямых измерений плотности воды в исходном массиве проводилось ее восполнение по следувцей схеме ( Короии, Фабусс,1968):

К 1000,0 + $ В1 х М1

Рв - — - ■---

и Но + * и1 х Ф1

где: В1 - концентрация ¡-той соли в растворе, М1 - атомный

вес i-той соли, Ii = Фо1 + Boi xVT - изменение моляльного объема, I - ионная сила раствора, Фо1 и Boi - эмпирические коэффициенты, зависящие только от температуры раствора, Uo = 1000/D - объем чистой воды, определяемый из формулы для плотности пресной воды.

Перед включением единичной пробы в общий массив проводился многосторонний контроль данных, первый этап которого включал проверку на внутреннее согласование полученных величин.

Восстановление суммарного содержания ионов натрия и калия при отсутствии прямых определений, проводилось по разности между » содержанием катионов и анионов.

Для разделения ионов натрия и калия использовано следующее эмпирическое выражение, полученное в результате обработки проб с прямым определением этих ионов:

2

К = 0,136 + 0,02011 х На - 0,000004 х Na

где К - содержание калия, Na - содержание натрия в мг-зкв/л.

Дополнительно все определения солевого состава, содержащиеся в исходном массиве были разбиты на группы с помощью классификации природных вод, предложенной 0.А, Алекиным (1968) и позволяющей более четко разделить различные классы вод.

При исследованиях электропроводимости аральских вод проводилось ее сравнение с электропроводимостью растворов некоторых солей, полученной по формулам Ведловски (1934) и Чуй (1968).

Солезапас Аральского моря вычислялся по конкретным гидролого-гидрохимическим съемкам. Дальнейвая обработка полученного ряда солезапасов включала оценку анормальности максимальных и мини-минимальных членов, вычисление статистических моментов вплоть до четвертого, оценки близости полученного ряда к нормальному распределению,

Вторая глава завершается описанием базового варианта, созданного специализированного пакета компьютерных программ для осуществления оперативного контроля экспериментов по изучении физхи-мических свойств электролитов и морских вод, исследования процессов метаморфизации солевого состава природных вод, выделения дна-

пазонов квазиравновесности и неустойчивого состояния водно-солевых систем природных вод и расчета параметров уравнений состояния для квазиравновесных диапазонов.

В ТРЕТЬЕЙ Г/lftBE рассмотрены изменения физхимических свойств аральской воды в диапазоне солености от пресных до рассольных вод.

До описания поведения отдельных ионов, необходимо определить границы, в которых возможно локальное применение закона квазипостоянства солевого состава с учетом его метамор'физации. Нижнюю границу (между речной и морской водой) определена по отноие-нил концентрации ионов НСОз или Са к иону С1. Для Аральского моря она располагается в районе 3,5 о/оо.

Природный предел, который используемый как верхняя граница, связан с интенсификацией выпадения в осадок сульфата кальция и находится в районе 55,0 о/оо.

При рассмотрении компонентов солевого состава аральских вод в процессе их осолонения установлено следуюцее:

Ион натрия в солевом составе аральских вод значительно преобладает над другими катионами как в абсолютном так и в относительном содержании. Для Аральского моря отновение иона Na к хлору можно считать консервативным:

На(о/оо) = 0,030 + 0,638 х С1(о/оо)

Вычисляя по приведенному соотноженив содержание натрия для стационарного периода ( до 1960 года ) мы получим точное соответствие данный Л.К. Блинова (1956), Таким образом, можно констатировать', что связь абсолютных концентраций ионов Na и С1 за период активного антропогенного воздействия не изменилась.

Ион калия, по сравнению с другими компонентами, представлен в солевом составе Арала существенно меньшей концентрацией: менее 0,03 г/кг в воде с соленостью 3,5 о/оо и 0,55 г/кг при солености 55,0 о/оо. В интервале суммы солей 3,5 - 55,0 г/кг связь концентрации К с хлорностью также определяется линейным выражением:

КС о/оо J = 0,002 + 0,0279 х С1(о/оо)

В настоящий момент абсолютная и относительная концентрация иона калия в Больвом море примерно равна, а в Малом море несколько ниже океанской.

Ион магния занимает второе место после натрия в катионной части ионного состава. На его доли приходилось 12,77 Z-зкв в стационарный период и 14,0 - 14,4 Z-экв в период антропогенного воздействия на Аральское море. Отножение магния к хлору также консервативно и описывается линейным уравнением регрессии:

Mg(o/oo) = 0,068 + 0,1467 х ClCo/oo)

По сравнению с рассмотренными ионами, изменчивость которых в силу консервативности достаточно невелика, концентрация кальция при одной и той-ie сумме солей испытывает значительные колебания, обусловленные прежде всего изменением растворимости СаСОз и СаБОч и возможностью выпадения их в осадок.

Для нахождения коэффициентов связи Са(о/оо) - f(Cl(o/oo)) необходимо привести содержание кальция к определенной температуре воды и активной реакции ph' так как именно эти параметры определяют уровень насыщения морской воды солями кальция.

Растворимость малорастворимых солей СаСОз и СаБОч обычно принято выражать через величину произведения растворимости ионов с учетом их активности и способности к комплексообразованип.

Величина произведения растворимости для солей кальция по разным исследованиям неодинакова. Для кальцита использована зависимость, предложенная С.С. Заводновым (1965). Для гипса подобная связь определена по данным B.C. Савенко, С. Р. Миронова (1982) и И.Т. Гороновского (1987).

Рост солености аральской воды дменмает степень пересыщения воды СаСОз до 10,0 о/оо, а затем почти не влияет на нее, с ростом рН и температуры она значительно возрастает, причем граничная величина рН, при которой степень пересыщения кальцитом становится больше единицы, составляет 8,0 - 8,3 ед. рН при любых температуре и солености вор. Отметим также сезонный характер процесса выпа-

дения кальцита в осадок.

Для солевого состава вор Аральского моря в современный период более ваяен процесс выпадения в осадок СаИОч, так как он приводит к реньненип концентраций Са и 50ч в воде и метаморфиза-ции солевого состава. Степень пересыщения гипсом имеет ярковыра-яеннцю связь с температурой и соленостьи воды; аральская вода становится насыценной гипсом при температурах яыве 20 градусов Цельсия и солености более 20,0 о/оо.

Увеличение средней солености Аральского моря практически не сказывалось на характере связи СаСо/оо) = ПС1(о/оо)) вплоть до 1983 года, так как седиментация Са$0ч еще не оказывала влияния на абсолютную концентрации кальция. После 1989 года произовло скачкообразное изменение коэффициентов данной связи;

2

СаСо/оо) = 0,182 + 0,0912 х С1<о/оо) - 0,0034 х С1(о/оо) ( для периода до 1989 года )

2

Са(о/оо) = 0,033 + 0,0860 х С1(о/оо) - 0,0025 х СИ о/оо) С для периода 1909 - 1992 гг. )

В результате максимальное содержание кальция ( порядка 0,75 г/кг), набладаввееся при хлорности 11 о/оо, сместилось к 18 о/оо при снижении содержания кальция на 0,1 г/кг.

Консервативность хлор-иска и относительная простота и высокая точность определения его содержания в морской воде позволили во многих случаях рассматривать сложную солевув систему морской воды как двухкомпонентную; состоящую из воды и соли. Сумма солей определялась из соотновения вида 5 = И СП. Когда сумма солей обладала свойством аддитивности ( отсутствие процесса садки солей) соотношение имеет линейный вид. Для Аральского коря, где происходит метаморфизация солевого состава, нужно учитывать влияние данного процесса. Полученная с учетом сказанного связь оказалась пригодной ря океанографических расчетов как в Болыом, так и в Малом море:

- iu - 2

Sío/oo) = 0,265 4- 2,897 x CUo/oo) - 0,0204 x CKo/oo)

Аналогичное соотношение для стационарного периода ( формула Блинова ) при хлорности менее 5,0 о/оо дает практически одинаковые результаты с приводимым соотношением. Расхождение между ними, равное 1,0 о/оо, отмечается при хлорности порядка 10,0 о/оо.

Содержание сульфат-иона в стационарный период, до 1961 г., составляло в водах Аральского моря 19,62 Х-экв. более чем в семь раз превшая относительное содержание 50ч в океанских Водах и связанных с ним морях. Б настоящее время относительное содержание сульфат-иона несколько уменьжилось за счет седиментации гипса: в Налом море до 19,00 Z-экв. и в Больюм - до 17,50 Z-экв.

Поведение сульфат-иона в интервале суммы солей от 3,5 до 55,0 о/оо, с учетом потери части 50ч при седиментации CaS04, можно описать следующим нелинейным выражением:

2

50ч(о/оо) = 0,007 + 0,950 х СКо/со) - 0,015 х СКо/оо)

Гидрокарбонат-ион в аральской воде содержится в небольшом количестве: 2,8 - 3,3 мг-зкв/л. Перестройкой солевой системы моря в 1989 году сопровождалась как и у кальция изменением коэффициентов в соотношении хлорности и концентрации Юз:

2

НС0з(о/оо) = 0,12 + 0,016 х СКо/оо) - 0,0004 х СИ о/оо) ( для периода до 1989 года )

2

НС0зСо/оо) = 0,19 - 0,009 х С1(о/оо) + 0,0007 х С1(о/оо) С для периода 1989 - 1932 гг. )

Для определения плотности аральской воды в диапазоне солености 3,5 - 55,0 о/оо и температуры 0,0 - 35,0 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении использована схема ее расчета из работы Короми и Фабусса (1968):

-1/ - г p(S,t,0) = pu + S х (Ы + Ь2 x t + ЬЗ x t ) +

3/2 2 2 2

S x (cl + c2 x t+сЗ xt ) + Sx(dl + d2xt + d3xt )

где pu-плотность чистой водн.

М = 0,838974 Ь2 =-0,00195 ЬЗ = 0,0000181

cl = 0,0004169 с2 = 0,0000197 сЗ =-0,000000529

dl =-0,0008В72 d2 = 0,00000613 d3 =-0,0000000528

Связь относительной электропроводимости с температурой и соленостью аральской водн с достаточной степенью точности апрок-симируется внрамением:

2 5/2

Sio/oo) = -0,06 + 35,57хК15 + 8,90хК15 - 1,826хК15

где К15 - отноиение электропроводимости морской воды к электропроводимости раствора KCl точно определенной концентрации.

Для расчета солености по относительной электропроводимости Rt, измеренной in situ необходимо ввести поправку dS:

t - 15,0 1/2

dS =--х ( 0,0056 + 0,0005 х Rt -

1,0 + 0,0162 х ( t - 15,0 )

2 2/5

0,0637 x Rt + 0,3797 x Rt - 0,3154 x Rt )

Из сравнения относительной электропроводимости океанской воды с аральской видно, что при низких соленостях они практически совпадают, но с ростом солености относительная электропроводимость аральских вод растет несколько медленнее.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены изменения солевого реяима Аральского моря в результате антропогенной деятельности.

Процесс оса1дения карбонатных солей из аральской воды в результате ее осолонения начался еще в 1960-х гг. По этой причине в солебалансе моря появился новый фактор расхода солей, имеющий ан-

тропогенное происхождение и ставен« значительным в 1380-е гг, когда началось осаждение сульфата кальция.

Средняя соленость Аральского моря рассмотрена с точки зрения оценки поведения его солезапаса. Если солезапас постоянен, то приход - расход солей уравновешены, соленость вод моря есть функция его объема, подчиняющаяся закону бесконечного разбавления;

Szp

S ---

U х Ro

где S - соленость воды ( о/оо ), Szp - солезапас моря, U - объем моря, Ro - плотность воды. Тогда при Szp - const, S6 = Sh = S и Ro6 = Rom = Ro, где S6 и Ro6 - соленость и плотность воды по со-отнонениям Блинова; 5и и Row - соленость и плотность воды с учетом выпадения солей в осадок.

Б последнее время происходит непрерывное уменьвение солевой массы Аральского моря за счет потери солей на осрающихся территориях (Sot), и при выпадении в осадок гипса (Soc). Потеря солей на осужках определена из следующего - в стационарный период солезапас Арала можно считать постоянным, тогда ряд солезапасов, вычисленных по конкретным съемкам не имеет тренда. Наличие тренда при расчете солезапасов по солености Блинова (Sz6) свидетельствует о изъятии солей, т.е.;

Sot = Szp - Sz6 = Uot x Ro x S

Szp - Sot Sz6 Szp

S6 =- = -=--

U x Ro6 Ro6 x U Ro6 x (U - Uot)

где Uot -объем воды, теряющийся при осужении, S6 - средняя соленость.

Потеря солей при выпадении гипса также определяется разницей солезапасов: постоянного (Szp) с учетом поправки Sot и определенного по истинной солености (Szh);

Soc = (Szp - Sot) - Szh = Sz6 - Szh

Истинная соленость воды с учетом этих потерь равна:

Sz6 - Soc Szp - Soc Szh

Sh =-=---= —---

U x Кои Ron x (U - Uot) Ron x (U - Uot)

Полученные соотиоаения позволяют оценить интегральные потери солей в процессе осуяения территории и их выпадения б осадок.

Анализ исследуемого ряда показал, что в период 1952 - 78 гг солевой запас Аральского моря можно считать постоянным, характеризуемым средним значением 11012 млн. тонн и СКО - 23 млн. тонн.

Для солезапасов больюго и Палого морей за тот «е период соответствующие оценки равны: средние значения 10170 и 858 млн. т, СКО - 19,7 и. 36 илн. т;

После 1978 года качество связи соленость - объем моря ухудшается, прослеживается тенденция уменьвения солезапаса всего моря, которая должна быть учтена. Кроме того, при разделении Аральского моря на два замкнутых водоема гидрологический режим их оказался различным.

Связь соленость - объем для двух частей коря в период после 1978 г выражена следующим образом:

10170

Больное' море - S =---

(U + 0,056 x U) x Ro

845

Малое море - S x Ro - - + 0,3 x U - 13,9

U

где 5 и и - соответственно средние солености (о/оо.) и объемы вод (куб. км.) Больжого и Малого морей

Проверка выражения для Малого моря на независимых наблвде-ниях - экпедиционннх съемках Малого моря в 1991 - 92 гг - показала хорожее совпадение расчета и реальности,

Соотношения для средней солености не всегда удобны для практики, удобнее сразу определять составлявшие солевого баланса;

Больное Sot = -5,0 - 40,8x(S6 - 15,0) море,

объем (Sot+Soc) = -1,0 - 72,3х(5и - 15,0) 220 - 650 2

куб. км Szpn = 6702,0 + 10,34 х 0 - 0,0077 х О

2

Малое Sot = -1,0 - 17,2x(S6 - 15,0) + 0,460x(S6 - 15,0)

море, 2

объем (Sot+Soc) = -2,0 - 20,4x(Sh - 15,0) + 0,525x(Sh - 15,0) 20 - 60 2 куб. км Szpn = 491,0 + 8,48 х U - 0,0362 х U

где Szpn = Szp + Sot + Soc.

Оценка изменений солезапасов показала, что при возрастании солености воды до 35 о/оо интегральные потери солей на осужках и при осаждении их в море составили, соответственно, для Больного моря 820 и 600 млн. т, для Малого 170 и 30 млн. т.

Далее был выполнен анализ пространственно-временного распределения солености Аральского хоря, для чего по каждой из экспедиционных съемок рассчитаны средневзвешенные солености для 22 характерных квадратов и их отклонения от средней солености всего моря, В результате анализа рядов этих отклонений за весь период и периоды 1960-69, 1970-79 и 1980-92 гг., была оценена временная изменчивость пространственного распределения солености.

В ЗАКЛЮЧЕНИЙ изложены основные результаты работы и сформулированы следувцие научные выводы:

1. Установлено, что для замкнутых и полузамкнутых водоемов, подвергапцихся интенсивному воздействии речного стока, для ионов Са, НСОз и S04 неприменима линейные уравнения смешения, и как следствие, гипотеза о квазипостоянстве солевого состава.

2. На основании параметризации процесса метаморфизации солевого состава определен диапазон локальной применимости гипотезы о квазипостоянстве солевого состава, равный для Аральского моря 3,5 - 55,0 г/кг суммы солей.

3. Предлоаен метод определения параметров уравнений состояния для замкнутых и полузамкнутых морей, основанный на синтезе теоретических и экспериментальных методов анализа физхимических характеристик воды, с поноцьв которого получены сопоставимые с современными требованиями океанологии соотношения соленость/температура/относительная электропроводимость и плотность/соленость/ температура для аральской воды с учетом метаморфизации солевого состава.

4. Установлены значимые уменьвения солезапасов Большого и Малого моря. Интегральные потери солей Аральского моря с 1978 по 1992 год составили, соответственно: за счет потери солей на осу-иавцейся территории - 1,0 млрд, тонн, за счет выпадения в осадок непосредственно в море - Б00 млн. тонн.

5. Численно описана связь соленость - объем вод Аральского моря и его частей, применимая для прогностических оценок средней солености.

6. В результате анализа отклонений средних соленостей характерных квадратов от средней солености моря получены представления о временной изменчивости пространственного распределения солености Аральского моря.

Результаты диссертации опубликованы в следущих работах: 1. Динамика выноса солей с поверхности льда Аральского моря за

1952-86 гг. Деп. ВИНИТИ 14.10.87, N 7198-В87, 13 с. (в соавторстве с Цнцариным А. Г.),

2. Изменение солевого ремима Аральского мора в условиях антропогенного влияния. Деп. ВИНИТИ 22.01.93, N 135-В93, 21 с. (в соавторстве с Цнцариным А. Г.).

3. Система экспертного анализа ионных составов природных вод. Научное издание. ХО Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. т.2, Н 466, Минск, Наука и техника, 1993, 3 с. (в соавторстве с Цнцариным А. Г.).

4. Изменение ионного состава как фактор антропогенной нагрузки на экосистему морских вод. Научное издание. ХО Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, т.2, Н 856, Минск, Наука и техника, 1993, с. 365 - 366 (в соавторстве с Цнцариным А.Г.).

5. Исследование солености и солевого состава вод Аральского моря. С-П: Гидрохимические материалы вып. 65, 1994, 18 с. (в соавторстве с Цнцариным А.Г.).

6. Антропогенная метаморфизация солевого состава вод Аральского моря. Водные ресурсы, 1993, в печати, 7 с. (в соавторстве с Цыцариннм А.Г., Ли Хун).

7. Проблема Аральского моря на современном этапе. Докл. Меиду-народной конференции "Новые подходы к охране окрмапщей среды". Сессия ЕС01 "Аральское море - Водопользование и ирригационная технология б бассейне Аральского моря". Ал-Ата, 1993, в печати, 15 е., (в соавторстве с А.Г.Цыцариным),

8. Особенности формирования физхимических барьеров в Азовском, Каспийском и Аральском морях. Тез. докл. Всероссийской конференции "Экосистемы морей в условиях антропогенного пресса". Ихтиол, ком-ия, М., 1994. в печати, 2 с.(в соавторстве с А.Г.Цыцариным).

9. Аральская проблема как пример антропогенного вме!ательства в природные системы. Тез. докл. Всероссийской конференции "Экосистемы морей в условиях антропогенного пресса". Ихтиол, ком-ия, М., 1994. в печати, 2 е.,(в соавторстве с А.Г.Цыцариным).

Типография. ЦНИЭИуголь. Тираж ¡00 экз. Заказ № 71