Kontrola složení
přírodních vod
Kontrola složení přírodních vod
Abychom porozuměli možnému vlivu kontaminace na přírodní vody, musíme
nejprve pochopit, čím je utvářeno přirozené složení přírodních vod.
Pro remediaci musíme také definovat zdroje a reaktivní spotřebovávání
kontaminantu v daném prostředí.
Přirozené procesy:
Anorganické
Acidobazické reakce
Rozpouštění minerálů
Rozpouštění/srážení solí
Rozpouštění plynů
Povrchové reakce na pevných částicích
Biologické/organické
Fotosyntéza-dýchání
Komplexace-chelatace org. látek
Redox reakce
Fyzikální
Režim toku
Obsah suspendovaných částic
Velikost rezervoáru
Teplota/tlak
Kontrola složení přírodních vod
Přírodní vody mají tendenci získávat vyšší TDS a proměnlivější složení s delším časem
zdržení v rezervoáru. Složení odráží místní vstupy z přítomných hornin.
Dešťová voda přináší novou vodu do povodí a její složení odráží:
složení čerstvých a zvětralých hornin v povodí
přírodní a nepřirozené částice v atmosféře
lokální toky plynů do atmosféry
oblast doba zdržení TDS
srážky 11 dnů nízké (1–20 mg/l)
řeky dny až měsíce střední (50–200 mg/l)
jezera (sladká) roky střední (150–400 mg/l)
Kontrola složení přírodních vod
Částice a aerosoly vznikají přirozeně mobilizací jemných částic větrem z terigenních
materiálů a vysýcháním a mobilizací mořských aerosolů.
Aerosoly
Děšťové kapky, které vznikly nukleací na povrchu prachových částic (μm), které se v nich
částečně nebo úplně rozpustí.
Zdroje částic ve vzduchu:
přírodní zdroje mořské mořská sůl
terestické prach
půda
vulkanické emise
pyl/další rostlinné materiály
kouř
antropogenní zdroje průmyslové prach/saze
automobilové emise
pekárny/restaurace
zemědělské prach/půda
zemědělská hnojiva
Kontrola složení přírodních vod
Aerosoly a mořské soli jsou mobilizovány do vzduchu při dopadu dešťových kapek na
hladinu a větrem, který vytváří vlny.
Jen malé částice jsou transportovány na
velké vzdálenosti od zdroje.
Pevné částice ovlivňují srážky dvěma procesy:
odstranění částic v průběhu nukleace kapky (vyskytuje se v mracích)
odstranění částic v průběhu cesty dešťových kapek od mraků k zemi
Kontrola složení přírodních vod
Řeky
Transportují materiál v suspendovaném (suspended load – suspendované „zatížení“)
a rozpuštěném stavu (TDS)
Podle: Berner and Berner, Global Environment, 1996. Tg = 106 t = 1012 g
Annual Discharge
River Location Water
(km3/yr)
Dissolved
Solids (Tg/yr)
Suspended
Solids (Tg/yr)
Dissolved/Suspe
nded ratio
Drainage Area
(106 km2)
1. Amazon S. America 6300 275 1200 0.23 6.15
2. Zaire (Congo) Africa 1250 41 43 0.95 3.82
3. Orinoco S. America 1100 32 150 0.21 0.99
4. Yangtze (Chiang) Asia (China) 900 247 478 0.53 1.94
5. Brahmaputra Asia 603 61 540 0.11 0.58
6. Mississippi N. America 580 125 210 (400) 0.6 3.27
7. Yenisei Asia (Russia) 560 68 13 5.2 2.58
8. Lena Asia (Russia) 525 49 18 2.7 2.49
9. Mekong Asia (Vietnam) 470 57 160 0.36 0.79
10. Ganges Asia 450 75 520 0.14 0.975
11. St. Lawrence N. America 447 45 4 11.3 1.03
12. Parana S. America 429 16 79 0.2 2.6
13. lrrawaddy Asia (Burma) 428 92 265 0.35 0.43
15. Mackenzie N. America 306 64 42 1.5 1.81
17. Columbia N. America 251 35 10 (15) 3.5 0.67
20. Indus Asia (India) 238 79 59 (250) 1.3 0.975
21. Red (Hungho) Asia (Vietnam) 123 ? 130 ? 0.12
22. Huanghe (Yellow) Asia (China) 59 22 1100 0.02 0.77
TDS odráží:
anorganické reakce
biologické procesy
různé zdroje vody
srážky
podzemní voda
odtoky jezer
Kontrola složení přírodních vod
Množství suspendovaných látek je téměř nezávislé na rychlosti odtoku. Místo toho odráží:
reliéf povodí (gradient řeky (gradient řeky = ∆výška/∆vzdálenost)
plochu povodí
typ hornin
teplotu
Vliv člověka
zvýšená eroze díky zemědělství
zvýšená eroze díky odlesnění
snížení transportu díky přehradám
snížení transportu díky stabilizaci břehů
Podle: Berner and Berner, Global Environment, 1996.
Kontrola složení přírodních vod
Geochemie povrchových vod
Srážky jsou výchozím bodem vývoje složení vod daném povodí. Složení řek a podzemích
vod naopak odráží zvětrávání a biologické procesy, doprovázené antropogenním vlivem.
Rozpuštěné látky ve srážkách a říční vodě odrážejí rozpustnost přítomných pevných látek,
která je vysoce proměnlivá.
Ve srovnání se srážkami se říční vody vyznačují:
vysokým nárůstem obsahu SiO2 a HCO3
– (v důsledku kongruentního rozpouštění silikátů
a karbonátů)
vysokým nárůstem obsahu Ca (ze stejného důvodu)
relativním deficitem K v důsledku jeho zachycování jílovými minerály
další iony mají také zvýšené koncentrace, ale jejich vzájemné poměry jsou podobné
poměrům ve srážkách
Hlavně mořského původu jsou: Cl– = Na+ > Mg2+
Hlavně kontinentálního původu jsou: K+ > Ca2+ > SO4
2– > NO3
– = NH4
+, Al3+ = SiO2(aq)
Kontrola složení přírodních vod
Identifikace zdrojů složek ve srážkách
Každou složku v dešťových srážkách je možné porovnat se zastoupením Cl– a
zdroj zjištěného nadbytku nebo deficitu je možné identifikovat na základě:
poměru ionů v nadbytku
potenciálních kontinentálních zdrojů částic
rozhodujících reakcí rozpouštění
posouzení antropogenních zdrojů Cl– jako jsou průmysl nebo solení vozovek
[ion] / [Cl]oc. voda × [Cl–]vzorek = [ion]z oc. Vody
[ion]vzorek – [ion]z oc. vody = [ion]další zdroje
Kontrola složení přírodních vod
Kontrola pevných látek v říčních vodách
Závislost na klimatu
T ovlivňuje rychlost zvětrávání, rozpustnost minerálů a stabilitu sek. minerálů
T a H2O ovlivňuje místní biologii (množství biomasy a její typ)
TOC roste s rostoucí biomasou
typ ovlivňuje hloubku fyzikálního zvětrávání (kořeny, nory, provzdušnění)
Říční TDS odráží
místní srážky
klima
rozsah zvětrávání
rozpustnost a jeho závislost na
– T
– pH
– TOC (total organic carbon)
Obsah suspendovaných látek odráží
horninový typ
klima
Suspendované látky se skládají z
– rezistentních minerálů
– málo rozpustných sekundárních minerálů
– částic organických látek
Kontrola složení přírodních vod
Kontrola pevných látek v říčních vodách
Závislost TDS na typu hornin
Sedimentární > vulkanické > krystalické (vyvřelé a metamorfní)
Rychlost chemické denudace je mírou TDS toku za jednotku času z daného povodí. Větší
odtok a vyšší TDS zvyšuje rychlost celkového transportu.
pH a HCO3
– (anorganický uhlík)
pH ovlivňuje chemické reakce a rozpouštění minerálů
pH dešťových srážek je určeno především obsahem CO2 v atmosféře, méně částicemi
CaCO3 a dalšími kyselými složkami SO2, NOX (či bázemi NH3)
Při pCO2 = 350 ppm je pH ~ 5,5 při 25 °C, rozsah se pohybuje mezi 4,3 a 6,5.
pH říčních a podzemních vod určuje v principu stejný proces, ovlivněný DOC/POH a oxidací
pyritu
FeS2 + O2 + H2O → Fe2+ + SO4
2– + H+
Fe2+ + O2 + H2O → Fe(OH)3 + H+
Kontrola složení přírodních vod
Obsah anorganického uhlíku v říčních a podzemních vodách odráží
CO3
2– ze zvětrávaných hornin
Karbonátové horniny
CO2 + CaCO3 + H2O → Ca2+ + 2 HCO3
–
1 HCO3
– z obou zdrojů – atmosféry a horniny
Silikátové horniny (Ureyho reakce)
CO2 + CaSiO3 + H2O → Ca2+ + HCO3
– + SiO2(aq) → CaCO3 + SiO2(aq)
HCO3
– z atmosféry
CO2 z atmosféry
C z biosféry („strávená“ organická hmota)
CH2O + O2 → CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3
– + H+
Kontrola složení přírodních vod
Další anorganické látky v dešťové a říčních vodách
vysoce rozpustné látky (především soli) se okamžitě rozpouštějí při téměř jakémkoliv
pH
rozpuštěné látky z hornin jsou výrazně ovlivněny pH (Si, Al, Fe atd.)
Důležité reakce:
A. Kongruentní: rozpouštění/srážení
CaCO3 + H2O → Ca2+ + HCO3
– + OH–
CaSO4 → Ca2+ + SO4
2–
B. Nekongruentní: například vyluhování a přeměna minerálů
živce → jílové minerály
2 NaAlSi3O8 + 2 H+ + H2O → Al2Si2O5(OH)4 + 2 Na+ + 4 SiO2(aq)
2 KAlSi3O8 + 2 H+ + H2O → Al2Si2O5(OH)4 + 2 K+ + 4 SiO2(aq)
Všimněte si: Σ(Na+ + K+)uvolněné = ½ Σ(SiO2)uvolněné
C. Iontová výměna: komplexace, chelatace a interakce s povrchy anorganických
a organických pevných látek
Geochemická klasifikace vod
Další anorganické látky v dešťové a říčních vodách
Existuje mnoho přístupů ke genetické klasifikaci, 4 faktory hrají nejdůležitější roli
• evaporace, srážení, rozpouštění hornin, typ horniny
• jednoduché indikátory zahrnují TDS a zastoupení ionů
Gibbsovo schéma:
vliv TDS Na+ / (Na+ + Ca2+)
převaha srážek nízké vysoký (Ca2+ ve srážkách je nízké)
převaha hornin střední nízký
převaha evaporace vysoké Vysoký (CaCO3 je jeden z prvních minerálů,
které se vylučují při evaporaci)
Posloupnost vylučování při evaporaci
Fe2O3, CaCO3 → CaSO4, NaCl → MgSO4, MgCl2, NaBr, KCl
Iontové složení ve střední části Gibbsova diagramu ukazuje vstup zvětrávání do složení
mořské soli
Mg2+, K+ a SiO2 roste s růstem Na+ / (Na+ + Ca2+)
Cl– (a méně SO4
2–) klesají s růstem HCO3
– – někteří navrhují užití poměru Cl– / (Cl– +
HCO3
–)
Geochemická klasifikace vod
Gibbsův diagram
Geochemická klasifikace vod
Stallardovo a Edmondovo schéma
uvažuje více ionů a horninové typy, prvky z kongruentního a nekongruentního rozpouštění
celkový náboj
kationů (μeq/l)
TDS
(mg/l)
převažující zdrojová
hornina
charakteristika geochemie
vody
příklady Gibbsova
kategorie
< 200 < 20 Intenzivně zvětrávající
silikátová hornina
a mocný regolit
Si-nabohacená, nízké pH,
Si/(Na+K) = 2
Na/(Na+Ca) = vysoký
přítoky
Amazonky
(Matari,
Tefe,
Negro)
převaha srážek
200–450 20–40 Silikátová vyvřelá
hornina a břidlice
Si-více nabohacená,
Si/(Na+K) = 2
Na/(Na+Ca) = střední
nižší
Amazonka,
Orinoko,
Zaire
mezi převahou
srážek a převahou
hornin
(zvětrávání)
450–3 000 40–250 mořské sedimenty,
vápence, pyrit
Na/Cl = 1,
(Ca+Mg)/(0,5HCO3+SO4) = 1
Na/(Na+Ca) = nízký
většina
hlavních řek
převaha hornin
(zvětrávání)
> 3 000 > 250 evapority Na/Cl = 1,
(Ca+Mg)/(0,5HCO3+SO4) = 1
Na/(Na+Ca) = vysoký
Rio Grande,
Colorado
evaporace-
krystalizace
Antropogenní vliv
Zemědělství – zavlažování, vyšší evapotranspirace a salinnější půdní vody → znovu
vstupují do řek a zvyšují TDS, v extrémním případě zasolení půd
Kontrola složení přírodních vod
Zdroje hlavních ionů v řekách
prvek atmosféra
cykl. soli
zvětrávání znečištění
karbonáty silikáty evapority
Ca 0,1 65 18 8 9
HCO3
– (C) << 1 61 37 0 2
Na 8 0 22 42 28
Cl
S (sulfát)
Mg
K
13
2
2
1
0
0
36
0
0
0
51
87
57
22
<< 2
5
30
54
8
7
SiO2 << 1 0 99+ 0 0
Kontrola složení přírodních vod
Jednotlivé prvky
Na a Cl
přírodní zdroje zdroje znečištění
Většina Cl vstupuje do řek jako NaCl
z dešťových/cyklických mořských solí
a rozpouštění evaporitů v molárním
poměru 1:1. Tohoto poměru je možné
použít pro určení „deficitu“ nebo
nadbytku Na vůči Cl. Na je obvykle
v nadbytku jako důsledek zvětrávání.
Největší část Cl vstupuje opět v poměru
1:1 z komunálního orpadu a solení silnic,
další část už jako samostatně (Cl z pitné
vody, výroby plastů, důlní činnosti). Tyto
vstupy jsou odhadovány ze složení přítoků,
průtoků a záznamů o použití soli na
silnicích.
K
přírodní zdroje zdroje znečištění
Na rozdíl od Na pochází 90 % K ze
zvětrávání silikátových hornin. Většina je
vázána v suspenzi (v plaveninách)
vázána na jílové minerály.
Většina rozpuštěného K pochází z hnojiv
(KNO3). Nadbytek se vyluhuje do lokálních
toků jako „zemědělsky nabohacené soli“.
Často vázán na POC.
Kontrola složení přírodních vod
Jednotlivé prvky
Ca a Mg
přírodní zdroje zdroje znečištění
Ca pochází více z karbonátových hornin,
Mg více ze silkátových hornin. Evaporace
zvyšuje Mg ve srovnání s Ca (CaCO3 je
méně rozpustný). Rozpouštění evaporitů
zvyšuje Ca ve srovnání s Mg.
minimální
Si
přírodní zdroje zdroje znečištění
V postatě všechen ze silikátových hornin.
Nejvyšší v tropických vulkanických
terénech.
minimální
Kontrola složení přírodních vod
Jednotlivé prvky
SO4
přírodní zdroje zdroje znečištění
Většina cyklických mořských solí
a evaporitů (rozpouštění sádrovce
a anhydritu. Kolem 10 % ze zvětrávání
a oxidace sulfidů (grafitické břidlice
s vysokým obsahem pyritu FeS2 jako
důsledkem nízkého pε)
Odhaduje se na 30 % celkového obsahu
– kyselé deště, suchá depozice
v oblastech se spalováním uhlí, těžba
Celkový obsah organického uhlíku (TOC)
přírodní zdroje zdroje znečištění
Všechny organismy produkují rozpuštěné
a nerozpuštěné organické odpady (DOC –
rozpuštěný, POC nerozpuštěný).
Obsahuje jednoduché molekuly a složité
biomolekuly.
Početné zdroje obou forem –
zemědělství, komunátní odpady, výroba
a zpracování potravin, papírny, chemické
výroby atd.