Особенности изучения загрязнения микроэлементами донных отложений водных объектов

Полный текст

Наиболее опасными загрязняющими окружающую среду микроэлементами являются Hg, Cd, Zn, Pb, Cu, Cr, Co, Ni, Fe, Mn, As. Комплексным показателем техногенной нагрузки на водный объект выступает степень загрязнения его донных отложений (ДО). Они несут информацию об интенсивности и направленности инженерно-хозяйственной деятельности на водосборной территории, о качестве работы очистных сооружений, о поверхностном смыве с городских и промышленных зон. При этом водные объекты являются конечным звеном и потенциальным барьером в природно-техногенной ландшафтно-каскадной системе любой водосборной территории. Формальная нормативная база о допустимом содержании микроэлементов в ДО отсутствует. Это часто приводит к появлению существенно различающихся подходов к оценке загрязнения ДО. На всех антропогенно осваиваемых территориях в водных объектах, как конечных звеньях стока, возникают геохимические аномалии. Для изучения состояния ДО водных объектов необходимо проводить мониторинг, поскольку сами отложения аккумулируют и трансформируют последствия техногенного воздействия, являясь при этом индикатором его уровня. Различное содержание тяжелых металлов (ТМ) и их набор в ДО определяется видами хозяйственной деятельности, гидродинамическими характеристиками водного объекта, физико-химическими процессами внутри него, а также минеральным и гранулометрическим составами сорбирующей фазы. От геоэкологического состояния поверхности водосбора зависит и режим водных объектов, прежде всего малых. На основании районирования водных объектов по условиям осадконакопления выбираются места отбора иловатых отложений. При изучении ДО водных объектов существует устоявшийся за четверть века подход в виде учета их гранулометрического состава [1-4]. Объекты и методы исследования Для мониторинга и определения последовательности действий при обследовании водных объектов выделяются участки четырех категорий по природно-техногенным характеристикам [5]. К участкам I категории относятся чаши водохранилищ с сопредельными склонами, на которых расположены промышленные и селитебные зоны, сельхозугодья и прочие техногенные объекты, внутри участка I категории выделяются участки II категории, где фоновые значения элементов существенно превышены (города с промышленными зонами и поселки с сельхозугодьями). Малые реки - это участки III категории [5]. В большинстве исследований, посвященных ТМ в природных водных системах (т.е. металлам, связанным со взвешенными веществами или ДО), рассматривается валовое содержание элементов. При этом, как правило, упускается из рассмотрения их распределение по формам существования. При определении распределения микроэлементов в настоящей работе осуществлялся выбор фракций ДО, на которые могут повлиять различные условия среды. Использовался метод [6], позволяющий определить, с какими компонентами ДО связываются те или иные микроэлементы. Применение последовательных экстракций, хотя и требует значительного времени, предоставляет подробную информацию о происхождении, способе появления, биологической и физико-химической доступности, мобилизации и транспорте микроэлементов. Фракция 1 - микроэлементы в обменном комплексе ДО. Изменения ионного состава природных вод влияют на процессы сорбции-десорбции. Фракция 2 - микроэлементы, связанные с карбонатами. Эта фракция очень восприимчива к изменениям рН среды. Фракция 3 - микроэлементы, связанные с оксидами железа и марганца. Фракция 4 - микроэлементы, связанные с органическим веществом ДО. В условиях окисления в природных водах органическое вещество может разлагаться, что приводит к выделению растворимых микроэлементов. Определение концентрации ТМ в растворе осуществлялось на атомно-абсорбционном спектрометре «KBAHT - Z.ЭTA-Т» (НПО «КОРТЭК», г. Москва). На нем определяются концентрации элементов в анализируемой пробе по селективному поглощению излучения резонансных спектральных линий определяемого элемента атомным паром анализируемой пробы[1]. При использовании адсорбера диапазон линейности концентраций большинства исследованных элементов и аналитического сигнала наблюдается в интервале от 0 до 100 мг/мл. Стандартная ошибка разведения 2 %, стандартная ошибка прибора - 0,3-5 % [7]. Полевые исследования по изучению современного состояния и степени загрязнения водных объектов проводились на примере водных объектов Верхней Волги. Во время обследований пробы на активные формы микроэлементов отбирались из приповерхностной толщи ДО Иваньковского водохранилища. В створе д. Плоски (Волжский плёс) и урочища Корчева в нижней части водохранилища активные формы кадмия, свинца и цинка связаны преимущественно с обменным комплексом и гидроксидами железа и марганца, активные формы меди - с обменным комплексом, гидроксидами железа и марганца и карбонатами, а никеля - с обменным комплексом и карбонатами. Активные формы вышеперечисленных элементов, связанных с органическим веществом ДО, не обнаружены. Результаты этих исследований приведены в табл. 1. Таблица 1. Концентрации Cd, Pb, Zn, Cu, Ni по активным формам существования в ДО, мг/кг Table 1. Concentrations of Cd, Pb, Zn, Cu, Ni by active forms of existence in sediments, mg/kg Пункты отбора Cd Pb Zn Cu Ni 1 2 1 2 1 2 1 2 3 1 3 Дер. Плоски 1,78 - 21,8 55,6 10,0 43,8 35,8 37,2 6,0 21,8 43,8 Ур. Корчева 1,0 1,18 24,0 47,8 12,0 20,4 26,0 32,0 17,4 22,0 40,0 Примечание: 1 - ТМ, сорбированные в обменном комплексе; 2 - ТМ, сорбированные на гидроксидах железа и марганца; 3 - ТМ, сорбированные на карбонатах. Источник: составлено Г.Ю. Толкачевым, Б.И. Корженевским, Н.В. Коломийцевым. Note: 1 - HMs sorbed in an exchange complex; 2 - HMs sorbed on iron and manganese hydroxides; 3 - HMs sorbed on carbonates. Source: compiled by G.Yu. Tolkachev, B.I. Korzhenevskiy, N.V. Kolomiytsev. Отметим, что все подвижные формы существования ТМ в ДО могут участвовать в процессах массопереноса в системе «твёрдая фаза - поровый раствор - вода». Возможный вынос микроэлементов из ДО не будет превышать их суммарные концентрации в подвижных соединениях. Исходя из полученных данных в настоящее время потенциальный вынос ТМ из отложений в водную толщу не является значительным, и опасности вторичного загрязнения водных масс исследуемыми элементами не существует. Валовое накопление микроэлементов в ДО оценивалось с помощью «индекса геоаккумуляции» (I-geo) [8], который характеризует относительную кратность загрязнения ДО относительно естественного фона по [9] либо по [10] во фракциях <0,020 мм. ДО подразделяются на классы качества по каждому ТМ и As. Фоновое значение микроэлемента используется с полуторакратным запасом [8]. Более полувека система классифицирования загрязненности ДО по Г. Мюллеру широко используется в Германии, Чехии и других странах [11]. Индекс геоаккумуляции (I-geo) также успешно используется для оценки степени загрязненности почв ТМ. На основании данной системы была разработана и применена методика оценки техногенной нагрузки на водные экосистемы [3; 12], что позволяет оценить уровень потенциальной и реальной опасности загрязнения водоемов (табл. 2). В настоящее время в России предложена иерархическая структура четырех уровней, разработанная для экосистем [13; 14]. Длительные исследования геоэкологических характеристик водных объектов в бассейнах рек европейской части показывают достаточно высокую корреляцию между техногенной нагрузкой и загрязненностью ДО. Таблица 2. Оценка уровня загрязнения ДО по игео-классам и техногенной нагрузки на водные экосистемы Table 2. Assessment of the level of pollution of sediments by geo-classes and technogenic load on aquatic ecosystems I-geo Уровень загрязнения ТМ по [8] Техногенная нагрузка на водные экосистемы по [11] 0 Незагрязненный I Слабая (малоопасная) 1 Незагрязненный до умеренно загрязненного 2 Умеренно загрязненный II Умеренная (умеренно опасная) 3 Среднезагрязненный 4 Сильно загрязненный III Сильная (опасная) 5 Сильно загрязненный до чрезмерно загрязненного 6 Чрезмерно загрязненный IV Чрезмерная (чрезвычайно опасная) Источник: составлено Г.Ю. Толкачевым, Б.И. Корженевским, Н.В. Коломийцевым. Source: compiled by G.Yu. Tolkachev, B.I. Korzhenevskiy, N.V. Kolomiytsev. Использование комплекта моноэлементных карт для оценки комплексных геохимических аномалий в ДО водных объектов представляется весьма сложным. Для обоснования водоохранных мероприятий необходима интегральная информация о состоянии ДО водных объектов. Для оценки комплексного загрязнения ДО предлагается использовать суммарный показатель токсического загрязнения (СПТЗ), разработанный для оценки загрязнения ТМ снежного покрова и городских почв [15]. СПТЗ проявляет существенную зависимость от числа учитываемых элементов. При обследовании той или иной территории их количество должно быть постоянным. Для оценки техногенной нагрузки по СПТЗ на водные объекты в каждой точке следует учитывать загрязнение ДО семью ТМ (Cd, Pb, Zn, Hg, Cr, Cu, Ni) и мышьяком [1]. Обсуждение результатов Ранжирование территории по различным таксонам позволяет достаточно четко определить участки разного уровня при исследовании загрязнений и определять последовательность действий, необходимых при изучении загрязнений ДО ТМ. Выбор пунктов отбора проб и частота повторяемости отбора позволит минимизировать затраты на эти операции [3; 5]. При обосновании критических нагрузок на водные объекты первым и важнейшим этапом является исследование форм нахождения, физико-химической миграции, трансформации и взаимодействия изучаемых загрязняющих веществ в системе «источник загрязнения - водосбор - водный объект» с учетом природной специфики исследуемой территории [5]. Предыдущими и настоящими исследованиями установлено, что наибольшую информацию о содержании микроэлементов в ДО водоемов предоставляет определение их подвижных форм нахождения, или существования, в означенных отложениях. Информация об именно подвижных формах существования микроэлементов, в свою очередь, позволяет оценить возможности самоочищения и вторичного загрязнения водных масс водоемов. Мы использовали методику А. Тессье, по которой определяются подвижные формы существования ТМ, участвующие в процессах массообмена в системе «вода - ДО». Данный методический подход, в совокупности с определением физико-химических параметров, позволяет достаточно достоверно определять возможность вторичного загрязнения в определенном районе водного объекта. Недостатком подхода является его ресурсо- и трудоемкость, в связи с чем целесообразно применять его точечно в районах с потенциальным либо реальным уровнем загрязнения отложений от среднего и выше. Изначально уровень загрязнения отложений определяется за счет валового содержания в них металлов, и в зависимости от класса загрязнения далее возможно более подробное определение подвижных форм искомых элементов. Комбинирование перечисленных методов - ранжирование территории, ранговая оценочная структура и определение форм существования элементов - позволяет выделять и наносить на карты водоемов три вида загрязнения их районов, определяемых по содержанию ТМ в их отложениях. К первому виду загрязнений могут относиться районы с потенциальной опасностью вторичного загрязнения: это районы с уровнем загрязнения отложений металлами по системе игео-классов и СПТЗ от среднего и выше, с высокой долей подвижных форм существования данных металлов, с неблагоприятной гидрохимической обстановкой - низкое содержание кислорода и рН ниже нейтрального. Даже при незначительном ухудшении гидрохимической обстановки, а также механических процессах взмучивания и перемешивания отложения становятся источником существенного вторичного загрязнения. В приведенном исследовании к такому виду района можно отнести участок реки Клязьмы от г. Щёлково, где расположены очистные сооружения и производится сброс сточных вод, до пос. Лосино-Петровский. При этом, как уже отмечалось, по сравнению с предыдущими исследованиями протяженность района существенно сократилась. К этому же виду можно отнести участок реки Москва от г. Москвы до г. Бронницы с рекой Пахрой. Ко второму виду можно отнести районы с так называемой «равновесной» системой массообмена между водой и ДО - одновременный разнонаправленный процесс, металлы переходят из водной массы в подвижные формы отложений и обратно. Уровень загрязнения любого из элементов не превышает умеренно загрязненного либо среднего. При этом не заметно преимущества одного из этих процессов, однако незначительно преобладает процесс самоочищения, т. е. переход из воды в отложения. При сохраняющейся физико-химической и гидрохимической обстановке данная система не представляет опасности вторичного загрязнения и может функционировать практически неограниченное время. К таким районам можно отнести плёс «Городской» озера Селигер, практически всё Иваньковское и Угличское водохранилища, а также участок реки Клязьмы от г. Ногинска до г. Владимира, река Ока выше и ниже впадения р. Москвы, ряд притоков рек Москвы и Клязьмы. К третьему виду относятся районы, в которых ДО загрязнены слабо либо на фоновом уровне, и способствуют самоочищению водоема - в первую очередь в силу своей удаленности от источников загрязнения, а также в силу значительного количества своей сорбирующей фракции. К таким районам можно отнести участки реки Клязьма, начиная от д. Пенкино (30 км ниже г. Владимир) до устья, и ее притока реки Пекша от г. Кольчугино также до устья. На данных участках в отложениях по мере удаления от источников загрязнения снижаются уровни содержания металлов - происходит нейтрализация техногенной нагрузки. Также к данному виду можно отнести Шошинский плёс Иваньковского водохранилища, который фактически нейтрализует загрязнения от двух автомобильных и железнодорожного мостов, накапливая их в своих отложениях. В соответствии с ранжированием территории по таксонам районы первого вида загрязнений могут быть отнесены к участкам спецнаблюдений или IV категории, на которых проводится регулярный отбор проб как на валовое содержание ТМ, так и на определение их подвижных форм. С целью предупреждения вторичного загрязнения также необходимо регулярно отслеживать и гидрохимическую обстановку - измерение растворенного кислорода и pH в придонном слое воды, pH и Eh в отложениях. По результатам исследований представляется возможным давать рекомендации по снижению техногенной нагрузки на водоем и улучшению геоэкологической ситуации. Вместе с тем данные районы представляют собой интерес для дальнейшего изучения процессов миграции и трансформации ТМ в системе «вода - ДО». Районы второго вида загрязнений могут быть отнесены к участкам I и II категории, на которых исследования валового загрязнения отложений проводятся приблизительно каждые 3-5 лет - в зависимости от близости источников загрязнения и городских застроек. Исследования подвижных форм элементов в отложениях осуществляются приблизительно каждые 10 лет. В первую очередь данный подход применим к водоемам - источникам водоснабжения, таким как Иваньковское водохранилище и озеро Селигер. По результатам исследований составляются карты загрязнения, и в зависимости от результатов могут даваться рекомендации по недопущению увеличения техногенной нагрузки. Районы третьего вида загрязнений могут быть отнесены к участкам III категории, или условно чистым. Исследования целесообразно проводить приблизительно каждые 10 лет на валовые содержания ТМ. Поскольку данные районы способствуют самоочищению водной массы всего остального водоема и нейтрализации техногенной нагрузки, рекомендацией может быть сохранение уже существующего status quo с минимизацией экспансии хозяйственной деятельности человека. На основании подведенных итогов представляется возможным составить соответствующий алгоритм (последовательность действий), выполнение которого позволяет получить результат. Этот термин широко применяется в информатике и цифровых технологиях, где под ним понимают инструкции для решения задачи наиболее эффективным способом. В настоящее время под данным термином подразумеваются любые последовательности действий, которые можно четко описать и разделить на простые шаги и которые приводят к достижению цели. Алгоритм может быть записан в виде текстового описания, блок-схемы, псевдокода или других формализованных представлений, он позволяет исследователю оперативно принимать ситуационные (экспертные) решения. В алгоритме есть место для условий, циклов и других нелинейных действий. На рисунке представлен алгоритм организации полевых и лабораторных исследований, с определением первичной информации - обследование ДО водоемов и ранжирование участков по таксонам. Данный алгоритм позволяет с наименьшими затратами и наибольшей эффективностью проводить мониторинг различных водных систем на загрязнение ТМ. При слабом загрязнении ДО определение активных форм микроэлементов не проводится. Алгоритм полевых и лабораторных исследований и ранжирования участков по таксонам Источник: составлено Г.Ю. Толкачевым, Б.И. Корженевским, Н.В. Коломийцевым. Algorithm for field and laboratory studies and ranking of sites by taxa Source: compiled by G.Yu. Tolkachev, B.I. Korzhenevskiy, N.V. Kolomiytsev. Выводы 1. В соответствии с ранжированием территории по таксонам районы первого вида загрязнений могут быть отнесены к участкам спецнаблюдений, или IV категории, на которых проводится регулярный отбор проб как на валовое содержание ТМ, так и на определение их подвижных форм. С целью предупреждения вторичного загрязнения также необходимо регулярно отслеживать и гидрохимическую обстановку - измерение растворенного кислорода и pH в придонном слое воды, pH и Eh в отложениях. По результатам исследований представляется возможным давать рекомендации по снижению техногенной нагрузки на водоем и улучшению геоэкологической ситуации. Вместе с тем данные районы представляют собой интерес для дальнейшего изучения процессов миграции и трансформации ТМ в системе «вода - ДО». 2. Районы второго вида загрязнений могут быть отнесены к участкам I и II категории, на которых исследования валового загрязнения отложений проводятся приблизительно каждые 3-5 лет - в зависимости от близости источников загрязнения и городских застроек. Исследования подвижных форм элементов в отложениях производятся приблизительно каждые 10 лет. В первую очередь данный подход применим к водоемам - источникам водоснабжения. По результатам исследований составляются карты загрязнения, в зависимости от результатов могут даваться рекомендации по недопущению увеличения техногенной нагрузки. 3. Районы третьего вида загрязнений могут быть отнесены к участкам III категории, или условно чистым. Исследования целесообразно проводить приблизительно каждые 10 лет на валовые содержания ТМ. Поскольку данные районы способствуют самоочищению водной массы всего остального водоема и нейтрализации техногенной нагрузки, единственной рекомендацией может быть сохранение уже существующего порядка вещей, или status quo, с минимизацией экспансии хозяйственно деятельности человека. 4. По итогам проведенных исследований представляется возможным составить алгоритм организации полевых и лабораторных исследований, с определением первичной информации - обследование ДО водоемов и ранжирование участков по таксонам. Данный алгоритм позволяет с наименьшими затратами и наибольшей эффективностью проводить мониторинг различных водных систем на загрязнение ТМ, определять геоэкологическое состояние водных объектов и формировать отчетные материалы.

Об авторах

Глеб Юрьевич Толкачев

Федеральный научный центр гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова

Автор, ответственный за переписку.
Email: k-26@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6983-7106
SPIN-код: 7258-6870

кандидат географических наук, старший научный сотрудник

Российская Федерация, 127434, Москва, ул. Б. Академическая, д. 44, корп. 2

Борис Игоревич Корженевский

Федеральный научный центр гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова

Email: 542609@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-7663-9677
SPIN-код: 4475-8455
Scopus Author ID: 57195526993

кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник

Российская Федерация, 127434, Москва, ул. Б. Академическая, д. 44, корп. 2

Николай Владимирович Коломийцев

Федеральный научный центр гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова

Email: kolomiytsev@vniigim.ru
ORCID iD: 0000-0001-8169-7644
SPIN-код: 6298-6146

кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник

Российская Федерация, 127434, Москва, ул. Б. Академическая, д. 44, корп. 2

Список литературы

Дополнительные файлы