Эколого-химическая оценка состояния реки Десны по донным отложениям на примере Брянской области Нечерноземной зоны РФ

Полный текст

Введение К основным источникам, загрязняющим бассейн реки Десны, относятся предприятия тяжелого машиностроения, строительного комплекса, химического производства, лесной и деревообрабатывающей промышленности, сельского и коммунального хозяйства. Развитие сети экомониторинга позволит создавать прогнозы изменений обширной речной сети в пределах Брянской области и формировать систему сведений по комплексной оценке экологического состояния реки Десны и ее притоков. Объективную информацию об интенсивности загрязнения водотоков можно получить, изучая и анализируя состояние донных сообществ и грунтов. Оценка современного экологического состояния бассейна реки Десны, находящегося под влиянием длительного, интенсивного антропогенного воздействия, - важная задача, позволяющая разработать эффективные природоохранные программы, впервые создать постоянно обновляемую мониторинговую базу. Основные сведения о содержании ионов в речных грунтах весьма актуальны, так как в современном мониторинге поверхностных вод не разработаны критерии оценки качества донных отложений, что не позволяет прогнозировать развитие процессов, изменяющих качество вод, планировать мероприятия по охране, природопользованию и экоконтролю [1; 2; 9]. Цель исследования - выявить современное состояние городского водотока на основе эколого-аналитических показателей донных грунтов для диагностики состояния поверхностных вод реки Десна. Городские реки в староосвоенном регионе - продукт урбанизации как глобального процесса, увеличивающего спрос на пресноводные ресурсы: крупные города получают почти 80 % воды из поверхностных источников [1-3]. Городские поверхностные воды в качестве объекта исследований выступали в отечественных и зарубежных работах, где исследовались показатели качества поверхностных вод рек, количественный состав загрязняющих веществ и их источники, риски, а также негативные последствия для гидробионтов, здоровья человека и окружающей среды в целом. В работе Robert I. McDonald, Katherine Weber и др. провели первое глобальное исследование водных источников крупных городов, показав, что предыдущие глобальные гидрологические модели, которые игнорировали водные инфраструктуры, переоценивали городской водный «стресс» [5]. По их прогнозам, к 2050 г. число городских жителей которые будут нуждаться в воде, увеличится на 2,6 млрд человек. Общий рост спроса на качественную питьевую воду заставляет города искать новые относительно чистые источники воды, что приводит к созданию сложных систем городской водной инфраструктуры. Обзор некоторых факторов, влияющих на качество речной воды в городах, позволил выделить достаточно новое направление работ - исследование химического состава донных отложений, субстрата с долговременной фиксацией ионов загрязняющих веществ, что позволяет проводить экодиагностику во временном разрезе [6-8]. Особенностью донных отложений, как показателя состояния водного объекта, является то, что они являются последним звеном поступления веществ в водоемы и водотоки, в силу чего интегрируют геохимические особенности водосборных площадей, техногенных сбросов и водных объектов [9; 10]. Как сложная многокомпонентная система, донные отложения в зависимости от условий, сложившихся в водном объекте, служат либо источником поступления химических соединений в толщу воды, либо их аккумулятором. К числу приоритетных загрязняющих веществ донных отложений относятся тяжелые металлы, отличающиеся максимальной аккумуляционной способностью и высокой токсичностью [11-12]. Структурный и химический состав донных отложений объединяет геохимические особенности водосборных территорий, техногенных сбросов и эколого-химические показатели поверхностных вод; эти субстраты сами играют значительную роль в формировании качества поверхностных вод, поэтому в рамках государственной системы мониторинга среды в РФ предусмотрено проведение наблюдений за состоянием грунтов, но нет четких алгоритмов оценки депонирующей способности субстратов и единого показателя для сравнения по экологическим показателям. Методы, методики и материалы исследований Отбор проб донных отложений (ДО) проводили общепринятыми методами, которые характеризовали водный объект за конкретный промежуток времени[23]. ДО отбирали в местах с максимальным их развитием (места поступления сточных вод, зона подпора боковых притоков), в местах экстремальных значений загрязняющих веществ (ЗВ) в донных отложениях и водных массах; для оценки динамики содержания ЗВ пробы отбирали на одном и том же участке дна. Отбор проб проводили в период, который обеспечивает возможность оценки степени загрязненности ДО в характерные фазы гидрологического режима. Пробы ДО отбирали с помощью дночерпателя Петерсена Д25 в 10-сантиметровом слое, где наиболее активно протекают все биогеохимические процессы. Ситовым методом выделялась для исследования фракция менее 1 мм[24]. Тяжелые металлы (ТМ) занимают особое место среди прочих нормируемых показателей водной среды. Они способны мигрировать в различных формах и накапливаться в речных экосистемах. Большинство ТМ выступают причиной для нарушения естественных процессов самоочищения водотоков посредством замедления биохимического окисления. В весенне-летний период осуществлены исследования ДО реки Десна на предмет соответствия содержания тяжелых металлов установленным нормам. Точки пробоотбора в створах на р. Десне в пределах г. Брянска / Sampling points in the alignments on the river. Desna within the city of Bryansk Валовое содержание тяжелых металлов в донных отложениях определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа с использованием спектрометра «Спектроскан Макс-GV»[25]. Для расчета показателя удельного комбинаторного индекса загрязненности вод (УКИЗВ) были использованы 18 определенных веществ: растворенный кислород, БПК5, ХПК, Feобщ, N/NH4+, N/NO2-, N/NO3-, F, Cl-, SO42-, HCO3-, Cr3+, Cr6+, SO42-, Mn2+, PO4-, нефтепродукты, фенол и формальдегид[26]. Результаты исследований и их обсуждение Территория Брянской области обладает достаточно густой разветвленной и неравномерно размещенной по территории области речной сетью - 2867 рек с общей протяженностью 12,89 тыс. км. Значительная часть рек, являющихся равнинными, с продолжительным периодом весеннего паводка, расположена на востоке и в центре области, что вызвано неоднородностью рельефа, а также различной глубиной водоносных горизонтов[27]. Большинство рек (99 % территории области) Брянской области принадлежат бассейну реки Днепр с южным или юго-западным направлением, но верховья 1 % рек относятся к бассейну Оки. Река Десна (река второго класса) протекает через всю территорию крупного города, и эколого-химическое и гидробиологическое состояние водного объекта должно оцениваться в ходе экомониторинга в том числе и по аккумулирующей способности грунтов. Был произведен отбор донных образцов в двухкратной повторности из створов на реперных точках (РТ) в черте г. Брянска (рисунок). В качестве фонового водного объекта был выбран створ на правобережье реки Десна в пределах лесопарка «Роща Соловьи». В процессе исследования были определены следующие параметры: цвет, запах, тип, консистенция, включения, pH (табл. 1). Согласно полученным данным, ДО на исследуемых участках реки представляют собой пески, причем на фоновом участке и РТ они заиленные, что свидетельствует о слабой проточности. С увеличением проточности содержание органической фракции уменьшается, при этом увеличивается доля минеральных компонентов. Таблица 1. Физические свойства донных отложений Наименование пробы Время отбора Физические параметры донных отложений Цвет Тип Запах Консистенция Включения рН Правобережье р. Десна, лесопарк (фон) Весна Черно-серый Малкий заиленный песок Землистый Мягкая Мелкие палки, фрагменты ракушек моллюсков 5,92 5,93 Пр. Московский Весна Беловато- серый Мелкий песок Землистый Мягкая Твердые частицы 6,48 6,31 Ул. Речная, Общественный поиск Весна Желтовато-серый Мелкий песок Рыбный Мягкая Твердые частицы 6,09 6,11 Правобережье р. Десна, лесопарк (фон) Лето Черно-серый Мелкий заиленный песок Землистый Мягкая Фрагменты ракушек моллюсков, травы 6,5 Пр. Московский Лето Беловато-серый Мелкий песок Землистый, рыбный Мягкая Мелкие твердые частицы, фрагменты травы 6,82 6,55 Ул. Речная, общественный пляж Лето Желтовато-серый Мелкий песок Рыбный Мягкая Твердые частицы 6,58 6,28 Table 1. Physical properties of bottom sediments Sample name Selection time Physical parameters of bottom sediments color type smell consistency inclusion рН Right bank of the Desna river, forest park, background Spring Black-grey Fine silty sand Earthy smell Soft Small wood, shell fragments of mollusk shells 5.92 5.93 Moskovsky avenue, Desna river Spring Whitish gray Fine sand Earthy smell Soft Solid particles 6.48 6.31 River street, public beach Spring Yellowish gray Fine sand Fishy smell Soft Solid particles 6.09 6.11 Right bank of the Desna river, forest park, background Summer Black-grey Fine silty sand Earthy smell Soft Shell fragments of mollusk shells, herbs 6.5 Moskovsky avenue, Desna river Summer Whitish gray Fine sand Earthy smell Soft Fine solid particles, grass fragments 6.82 6.55 River street, public beach Summer Yellowish gray Fine sand Fishy smell Soft Solid particles 6.58 6.28 Значение pH также не имело резких колебаний и характеризовало донные отложения как близкие к нейтральным, за исключением образцов, отобранных в лесопарке «Роща Соловьи» (фон, грунты слабокислые). Содержание ТМ в донных отложениях представлено в табл. 2. Высокое содержание оксида титана, хрома и кобальта было отмечено в пробах на правобережье реки Десна (фоновая РТ), что указывает на заиленность участка: причина - крупные разливы реки на пойменные луга, где в течение всего весенне-летнего периода происходил процесс гниения травяного покрова при высокой температуре воздуха. В среднем превышение по хрому весной было отмечено в 7,5 раза, а летом - в 8,0 раз. По кобальту превышение показателя по сравнению с предельно допустимым составило 1,1 раза на протяжении всего весенне-летнего периода. У донных отложений р. Десны заметно превышение концентрации в ДО цинка, свинца весной, по сравнению с летним периодом, а концентрация меди выше в летних пробах, по сравнению с весенними. По имеющимся данным, для цинка и меди наиболее значимым является период половодья: концентрации этих ионов выше в весенний период. Для ионов меди с повышением концентрации в летний период можно предположить о существовании недостаточного разбавления вод и поступлении с поверхностным стоком этих ионов. На основе представленных данных можно судить о том, что створ реки на данном участке характеризуется переходным типом грунтов (от песков к илам, количество органических веществ 3-10 %) [13]. Такой тип грунтов указывает на замедленный сток в водотоке. Донные отложения переходного типа содержат большое количество органических веществ разного состава и свойств, которые способны удержать металлы в осадках. Частично это труднорастворимые вещества, которые осаждаются вместе со связанными с ними металлами, например соединение металлов с липидами. Эти комплексы после отмирания клеток хорошо сохраняются и после попадания в илы обогащают их металлами. Содержание валовых форм ТМ в донных отложениях р. Десна соответствует значениям, определенным для некоторых водных объектов: на малых реках притока Камы, для бассейна верхней Оби, рек Нижневартовской области, водных объектах дельты Дона, р. Уй (Урал) и др. [14-19]. Также отмечено превышение содержания кобальта, никеля и других ТМ; в некоторых объектах выявлено превышение марганца как основного загрязнителя, особенно ниже по течению для крупных городов. Для рек дельты Дона отмечены повышенные концентрации цинка и марганца в весенне-летний период. Такие данные объясняются хорошей миграцией марганца как элемента с переменной валентностью в восстановительной среде, стимулируемые низкими скоростями течения [15; 19]. Эти данные, как и полученные для реки Десны, протекающей в черте крупного города, дают возможность рассматривать их как результат возможного вторичного загрязнения. Превышение ПДК для свинца не было зарегистрировано ни в одной из исследуемых рек, так же как и для железа: эти два элемента повторяют ход сезонной динамики друг друга. Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в донных отложениях реки Десны в весенне-летний период Наименование пробы Серия проб TiO2, % V, мг/кг Cr, мг/кг MnO, % Fe2O3, % Co, мг/кг Ni, мг/кг Cu, мг/кг Zn, мг/кг As, мг/кг Rb, мг/кг Sr, мг/кг Zr, мг/кг Pb, мг/кг Правобережье р. Десна, лесопарк (фон) 1-1 весна 0,55 45,76 37,51 0,20 4,60 5,48 13,73 1,04 61,91 6,30 43,62 84,85 595,71 19,27 1-2 весна 0,43 42,29 41,52 0,22 4,97 5,86 15,40 1,47 63,69 5,80 48,93 88,28 500,08 18,05 Пр. Московский 2-1 весна 0,48 21,06 <НПКО 0,02 0,88 3,71 3,52 13,21 15,48 6,69 21,91 43,96 838,02 9,32 2-2 весна 0,22 12,26 <НПКО 0,02 0,81 4,79 3,83 <НПКО 12,78 2,31 17,54 40,72 328,49 10,57 Ул. Речная, Общественный пляж 3-1 весна 0,07 <НПКО <НПКО 0,01 0,59 2,86 4,64 <НПКО 10,58 2,49 20,22 40,09 55,74 8,93 3-2 весна 0,08 1,42 <НПКО 0,01 0,62 2,78 4,47 <НПКО 9,89 0,04 18,64 38,91 81,05 15,79 Правобережье р. Десна, лесопарк (фон) 4-1 лето 0,53 46,78 53,27 0,20 4,59 5,51 15,30 18,41 56,43 3,62 43,51 81,54 493,43 16,63 4-2 лето 0,50 51,07 35,58 0,19 4,62 7,60 15,10 5,47 56,48 10,46 43,52 82,25 777,52 13,80 Пр. Московский 5-1 лето 0,29 10,23 <НПКО 0,02 0,76 4,33 3,46 <НПКО 16,20 5,77 17,52 41,66 545,65 6,18 5-2 лето 0,18 6,54 <НПКО 0,01 0,76 2,66 4,03 <НПКО 14,23 6,30 16,33 47,72 485,94 8,28 Ул. Речная, Общественный пляж 6-1 лето 0,08 <НПКО <НПКО 0,01 0,58 4,60 3,56 <НПКО 9,48 3,33 19,64 43,17 134,95 8,97 6-2 лето 0,11 5,09 <НПКО 0,01 0,59 2,95 4,47 4,50 7,78 3,62 17,21 38,85 107,89 3,94 Table 2. The content of heavy metals in the bottom sediments of the Desna river in the spring-summer period Sample name A series of samples TiO2, % V, mg/kg Cr, mg/kg MnO, % Fe2O3, % Co, mg/kg Ni, mg/kg Cu, mg/kg Zn, mg/kg As, mg/kg Rb, mg/kg Sr, mg/kg Zr, mg/kg Pb, mg/kg Right bank of the Desna river, forest park, background 1-1 spring 0.55 45.76 37.51 0.20 4.60 5.48 13.73 1.04 61.91 6.30 43.62 84.85 595.71 19.27 1-2 spring 0.43 42.29 41.52 0.22 4.97 5.86 15.40 1.47 63.69 5.80 48.93 88.28 500.08 18.05 Moskovsky avenue, Desna river 2-1 spring 0.48 21.06 <NPКO 0.02 0.88 3.71 3.52 13.21 15.48 6.69 21.91 43.96 838.02 9.32 2-2 spring 0.22 12.26 <NPКO 0.02 0.81 4.79 3.83 <NPКO 12.78 2.31 17.54 40.72 328.49 10.57 River street, public beach 3-1 spring 0.07 <NPКO <NPКO 0.01 0.59 2.86 4.64 <NPКO 10.58 2.49 20.22 40.09 55.74 8.93 3-2 spring 0.08 1.42 <NPКO 0.01 0.62 2.78 4.47 <NPКO 9.89 0.04 18.64 38.91 81.05 15.79 right bank of the Desna river, forest park, background 4-1 summer 0.53 46.78 53.27 0.20 4.59 5.51 15.30 18.41 56.43 3.62 43.51 81.54 493.43 16.63 4-2 summer 0.50 51.07 35.58 0.19 4.62 7.60 15.10 5.47 56.48 10.46 43.52 82.25 777.52 13.80 Moskovsky avenue, Desna river 5-1 summer 0.29 10.23 <NPКO 0.02 0.76 4.33 3.46 <NPКO 16.20 5.77 17.52 41.66 545.65 6.18 5-2 summer 0.18 6.54 <NPКO 0.01 0.76 2.66 4.03 <NPКO 14.23 6.30 16.33 47.72 485.94 8.28 River street, public beach 6-1 summer 0.08 <NPКO <NPКO 0.01 0.58 4.60 3.56 <NPКO 9.48 3.33 19.64 43.17 134.95 8.97 6-2 summer 0.11 5.09 <NPКO 0.01 0.59 2.95 4.47 4.50 7.78 3.62 17.21 38.85 107.89 3.94 В воде створов определяли комплексный показатель УКИЗВ, значения которого показали превышение показателей предельно допустимых концентраций (ПДК). В створе р. Десны на ул. Речной было отмечено превышение этих значений по 5 веществам из 18 определяемых. Среди них высокие показатели имели Feобщ, БПК5, ХПК, N/NH4+, N/NO2-. Значение УКИЗВ показывает, что вода в течение исследуемого периода была грязной, что подтверждается высокими показателями загрязнения частных оценочных баллов по повторяемости (Sa > 4). Согласно классификации вод по повторяемости случаев загрязненности, загрязненность воды - «характерная». Низкие показатели были выявлены по N/NO3-, F, Cl-, SO42-, HCO3-, Cr3+, Cr6+, Mn2+, PO4-, нефтепродуктам, фенолам и формальдегидам. Степень загрязненности воды участка реки - грязная (4а). Превышение значений ПДК в створе отбора проб района очистных сооружений (пр. Московский) было отмечено по 7 веществам из 18 определяемых: среди них высокие показатели имели Feобщ, БПК5, ХПК, N/NH4+, N/NO2-, фенолы и нефтепродукты. Значение УКИЗВ на участке реки также показывает, что вода исследуемого периода была грязной, что подтверждается высокими показателями загрязнения частных оценочных баллов по повторяемости (Sa > 4). Согласно классификации вод по повторяемости случаев загрязненности, загрязненность воды - «характерная». Превышение значений ПДК в створе отбора проб в фоновом створе лесопарка «Роща Соловьи» было отмечено по 7 веществам из 18 определяемых. Среди них высокие показатели имели Feобщ, БПК5, ХПК, N/NH4+, N/NO2-, фенолы и нефтепродукты. Значение УКИЗВ показывает, что вода в течение данного периода была грязной, что подтверждается высокими показателями загрязнения частных оценочных баллов по повторяемости (Sa > 4). Согласно классификации вод по повторяемости случаев загрязненности, загрязненность воды - «характерная». Низкие показатели были выявлены по N/NO3-, F, Cl-, SO42-, HCO3-, Cr3+, Cr6+, Mn2+, PO4-, формальдегидам. Степень загрязненности воды на участке реки - грязная (4а). Таким образом, вода во всех трех обследуемых створах по индексу УКИЗВ характеризуется как «грязная», 4а группы. Вероятно, кумулирующая способность донных отложений р. Десны по отношению к спектру загрязняющих агентов средняя и низкая, что снижает самоочищающую способность водного объекта. Также нарушена способность ТМ к миграциям и, соответственно, к накоплению в грунтах реки [19; 20]. Заключение Исследование донных отложений реки Десны на реперных участках (створах) показало, что содержания ТМ находятся в пределах нормы. Исключение составляет участок реки в фоновом районе. Превышение концентраций по кобальту и хрому составляет в 8,0 и 1,1 раза от установленных нормативов. Самое высокое содержание оксида титана, хрома и кобальта было отмечено в пробах на правобережье реки Десна фонового участка, что указывает на заиленность участка. В среднем превышение по хрому весной было отмечено в 7,5 раза, а летом - в 8 раз. По кобальту превышение показателя по сравнению с предельно допустимым составило 1,1 раза на протяжении всего весенне-летнего периода. Вода, отобранная из р. Десны, имеет показатели УКИЗВ, соответствующие классу 4а: наиболее часто встречающимися веществами, превышающими установленные нормы, были железо, ХПК, БПК5, азот аммонийный, азот нитритный и нитратный, фенолы.

Об авторах

Алексей Сергеевич Плахотин

Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского

Автор, ответственный за переписку.
Email: eco_egf@mail.ru
аспирант кафедры географии, экологии и землеустройства Российская Федерация, 241040, Брянск, ул. Бежицкая, д. 14

Лидия Николаевна Анищенко

Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского

Email: eco_egf@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4842-5174
SPIN-код: 6600-6010

профессор кафедры географии, экологии и землеустройства, доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Российская Федерация, 241040, Брянск, ул. Бежицкая, д. 14

Список литературы