Russian Federation
UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.06.01 Сельское хозяйство
BBK 41 Общее растениеводство
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
From the point of view of technogenic preasure on water bodies, the most dangerous pollutants are trace elements Hg, Cd, Zn, Pb, Cu, Cr, Co, Ni, Fe, Mn, As. Studies of sediments of reservoirs make it possible to identify unfavorable areas and identify sources of pollution. The degree of contamination by microelements is determined based on the excess of their content over their background values. The paper presents an assessment of contamination of bottom sediments with the above–mentioned trace elements in a number of areas of the Upper Volga - from the Upper Volga Lakes to the Ivan’kovo reservoir, based on background values in the sediments of the Upper Volga lakes. The results of studies of the contamination of bottom sediments were evaluated by igeo-classes – by the contamination of the sorbing fraction (less than 0.020 mm). A comparative analysis of the regional background values of the Upper Volga sediments with the accepted global values is given. As a result, it was found that for each large water system and for each geographical area, it is necessary to determine its own regional background values. It is necessary to update the data periodically – according to a single methodology. From the available data, it can be concluded that, despite the significant number of pollution sources, there is currently no need to talk about a dangerous load on the studied object.
sediments, heavy metals, pollution, background values, igeo-class, sorbing fraction
Тяжёлые металлы (ТМ) являются широко распространёнными микроэлементами в земной коре и гидросфере. При этом такие металлы как Hg, Cu, Pb, Cd, Zn, Cr, Ni, Co представляют собой серьёзную опасность для живых организмов. Их распределение и миграция в водных системах контролируются в основном характером взаимодействия донных отложений (ДО), водной массы и биоты. При оценке экологического состояния поверхностных водотоков, из-за сильных флуктуаций расходов воды и концентраций взвешенных и растворённых веществ, наиболее целесообразна оценка загрязнённости их ДО. Одним из основных факторов, определяющих распределение и содержание металлов по площади ДО, являются генетический, фракционный состав отложений и содержание в них органических соединений [1, 2]. Комплексная оценка эколого-геохимического состояния территории или водотока состоит из нескольких взаимосвязанных блоков, один из которых – оценка природного геохимического фона территории. Она необходима для расчёта контрастности техногенных геохимических аномалий, в особенности для сред, для которых не разработаны санитарно-гигиенические нормы (в том числе ДО поверхностных водоёмов). Химический состав глобальной экосистемы в различных местах земной поверхности различен и тесно связан с геологическим строением территории, её литологическим составом [3].
Геохимический фон – понятие региональное. По различным данным при выработке экологических нормативов микроэлементного состава почв следует опираться на природные инварианты их содержания. В прикладной геохимии в качестве минимальных показателей содержания практикуется использование показателей глобальной распространённости элементов. Эти значения являются базовыми при подсчете коэффициентов концентрации, по которым можно судить о степени накопления элемента-загрязнителя в какой-либо геохимической системе или ее таксономической части, такие коэффициенты концентрации называются кларками концентрации. За уровень предельно допустимой концентрации микроэлементов в почвах следует принять превышение среднего регионального фонового содержания на три средних квадратичных отклонения, при уровне вероятности Р = 0,99. При этом истинная количественная оценка любого природного или геохимического фона по-прежнему требует тщательного исследования и невозможна без дорогостоящих экспертных знаний [3, 4].
Объекты и методы исследования. Несмотря на многообразие факторов, определяющих состав ДО водных объектов, линейные регрессии между ТМ, определенными во фракциях <2 мкм и <20 мкм имеют высокие коэффициенты (R2ter Pearson) для Cr и Cu (оба 0,94), за которыми следуют Pb (0,90), Cd (0,82), Zn (0,81), Ni (0,76) и Mn (0,72). Низкие и очень низкие коэффициенты найдены для Hg (0,51) и Fe (0,22). Обе «мелкие» фракции (<2 мкм и <20 мкм) способны удовлетворять требованиям мониторинга, инвентаризации и оценки содержания микроэлементов в ДО [5]. Предпочтение следует отдавать быстрому, простому и экономичному отделению <20 мкм путём просеивания. Эта фракция довольно близко соответствует взвешенному веществу в толще водного объекта [5 - 7].
В настоящей работе приведен анализ техногенного загрязнения такими ТМ как Cd, Cu, Pb, Zn, Cr, Co, Ni, Fe, Mn, а также As. В качестве объекта исследований в работе приведён участок реки Верхней Волги – от Верхневолжских озёр Пено и Волго до Иваньковского водохранилища, а также ряд её притоков. Обследование было проведено авторами совместно с сотрудниками Гейдельбергского университета. В качестве фоновых участков были выбраны ДО Верхневолжских озёр Волго и Пено. Их водосборная территория занята смешанным лесом, а сельскохозяйственная освоенность составляет 9% территории [8]. При отборе проб песчаные ДО (особенно русловые фракции аллювия) отбраковываются, преимущество отдается более глинистым пробам. Выделение фракции менее 0,020 мм проводится в химической лаборатории мокрым просеиванием. Определение концентраций ТМ в пробах ДО проводится по методике [5].
Для определения содержания в пробах Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn используется пламенный атомно-адсорбционный спектрометр PERKIN ELMER 4100. Содержание Hg в пробах исследуется на специальных приборах MERCURY ANALYZER с приготовлением отдельного стандарта и реагента. Содержание ТМ на фоновом участке представлено в таблице 1. В этой же таблице приведены фоновые содержания ТМ, принятые по материалам совместных работ 1983 г. институтами ИМГРЭ (Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов) и ИВП (Институт водных проблем) РАН. Также приведены фоновые значения для фракции <0,020 мм, принятые в ФРГ для р. Эльбы [7]. Данные значения используются как универсальные практически для всех пресных водоёмов, в особенности на которых затруднительно или невозможно определение локальных либо региональных фоновых значений.
Таблица 1 – Фоновые значения ТМ в ДО Верхневолжских озёр (мг/кг).
|
|
Для фракции ДО <0,020 мм по [6] |
Для ДО по [8] |
Для фракции ДО <0,020мм по [9] |
|
Mn |
1162,5 |
680,0 |
850,0 |
|
Cd |
0,37 |
0,3 |
0,3 |
|
Zn |
125,6 |
37,0 |
95,0 |
|
Pb |
14,47 |
19,0 |
20,0 |
|
Cu |
18,15 |
35,0 |
45,0 |
|
Ni |
20,57 |
11,0 |
68,0 |
|
Co |
10,67 |
6,3 |
19,0 |
|
Cr |
32,17 |
29,0 |
90,0 |
|
Hg |
0,12 |
- |
0,4 |
В качестве базовой методики оценки степени загрязнения ДО тяжелыми металлами использовалась система классификации ДО по «индексу геоаккумуляции» [6], который характеризует кратность загрязнения ДО относительно природного фона во фракциях менее грунта <0,020 мм:
I-geo, n = log2 (Cn/1,5Bn) (1),
где Cn – измеренная концентрация элемента n в ДО; Bn – геохимическая фоновая концентрация элемента n [10].
Данная система оценки сходна с оценочной шкалой, приведённой в [11]; выражение Cn/1,5Bn по сути представляет собой коэффициент накопления, где фоновое значение даётся с определённым запасом [4, 6]. На основании данного уравнения ДО подразделяются на классы качества по каждому ТМ и мышьяку. Индекс геоаккумуляции также успешно используется для оценки степени загрязненности почв ТМ. На основании данной системы была разработана и применена методика оценки техногенной нагрузки на водные экосистемы, что позволяет оценить уровень потенциальной и реальной опасности загрязнения водоемов [12, 13]. По мнению авторов, данная четырехранговая оценочная структура является оптимальной на современном этапе: слабая (малоопасная), умеренная (умеренно опасная), сильная (опасная) и чрезвычайная (чрезвычайно опасная) техногенная нагрузка. Многолетние исследования экологического состояния водных объектов в бассейнах рек Европы (Германия, Чехия, Сербия и др.) и России показывают хорошую корреляцию техногенной нагрузки, оцененной по составу ДО, с биологическим состоянием водных экосистем.
Обсуждение результатов. По результатам обследований были определены фоновые значения микроэлементов для ДО Верхней Волги (таблица 1). При сравнении полученных фоновых значений с глобальными [10] установлено следующее: региональные значения Mn и Zn превышают глобальные почти в 1,5 раза, значения Cd и Pb достаточно близки, значения остальных элементов значительно ниже в 2-3 раза. Как следует из полученных данных, фоновый уровень большинства микроэлементов ДО Верхней Волги значительно выше такового в европейских реках, что связано с географическими особенностями, составом почв и характером водосбора. Повышенное относительно глобального фоновое значение Mn в ДО озёр Волго и Пено может объясняться болотистыми отложениями водосбора с высоким содержанием Fe и Mn в самих почвах и в поверхностном стоке в озёра с дальнейшей их аккумуляцией.
Понятие глобальный геохимический фон по [5, 10] определяется как среднее для всех типов горных пород: магматических, метаморфических и осадочных. Если один или два типа пород – магматические или метаморфические – отсутствуют на изучаемой территории, что имеет место в бассейнах рек Верхней Волги [8], то региональные фоновые концентрации могут быть существенно ниже, чем их геохимический фон. Для точной оценки техногенного привноса вещества в речные экосистемы необходима постановка специальных исследований, что в частности доказали исследования загрязнения ТМ в бассейне реки Оки – концентрации в ДО ряда элементов (Cr, Ni, Co и Hg) меньше, чем их глобальный геохимический фон [8].
Применение формулы расчёта игео-классов на основании имеющихся региональных фоновых значений позволяет рассчитать загрязнения элементами отложений по игео-классам как для изучаемого региона Верхней Волги с её притоками, так и для всей реки Волги целиком, от озера Волго до её устья. Рассчитанные значения можно использовать также при оценке загрязнения водоёмов и водотоков, расположенных в пределах водосборной территории Верхней Волги [8]. В Таблице 2 представлены уровни загрязнения ДО Верхней Волги в игео-классах как на основе рассчитанных региональных значений, так и на основе игео-классов по данным [6]. Таким образом, проведён сравнительный анализ уровней загрязнения ДО с различными исходными фоновыми значениями. Необходимым является обоснование определения фоновых значений для каждой водной системы.
Таблица 2 – Уровни загрязнения ДО Верхней Волги в игео-классах. Числитель – значения по материалам обследований 2000 г., знаменатель – значения по материалам [6] (Ф – фоновое значение).
|
|
Hg |
Cu |
Zn |
Ni |
Co |
Pb |
Cr |
Mn |
As |
Cd |
Ag |
|
р. Малая Коша |
Ф/Ф |
1/Ф |
0/1 |
1/Ф |
1/1 |
1/1 |
0/Ф |
1/2 |
1/Ф |
Ф/Ф |
Ф/- |
|
4 км выше г. Ржева |
Ф/Ф |
0/Ф |
0/1 |
0/Ф |
0/0 |
0/0 |
0/Ф |
2/3 |
1/Ф |
0/0 |
0/- |
|
г. Ржев мост |
1/0 |
1/0 |
0/1 |
0/Ф |
0/0 |
2/2 |
0/Ф |
0/1 |
0/Ф |
0/0 |
0/- |
|
5 км ниже г. Зубцова |
0/Ф |
0/Ф |
Ф/0 |
0/Ф |
0/Ф |
0/0 |
0/Ф |
0/1 |
0/Ф |
0/0 |
0/- |
|
устье р. Вазузы |
0/Ф |
0/Ф |
0/1 |
0/Ф |
0/0 |
3/2 |
0/Ф |
1/2 |
1/Ф |
0/0 |
Ф/- |
|
г. Старица мост |
0/Ф |
0/Ф |
1/2 |
0/Ф |
0/0 |
1/1 |
0/Ф |
1/2 |
0/Ф |
0/0 |
Ф/- |
|
6 км ниже г. Старицы |
Ф/Ф |
0/Ф |
0/1 |
0/Ф |
0/Ф |
0/0 |
0/Ф |
1/2 |
0/Ф |
0/0 |
Ф/- |
|
Мигалово выше г. Твери |
Ф/Ф |
0/Ф |
Ф/0 |
0/Ф |
0/0 |
Ф/Ф |
0/Ф |
Ф/0 |
0/Ф |
0/0 |
Ф/- |
|
г. Тверь, ниже города |
1/0 |
2/0 |
2/3 |
1/Ф |
0/0 |
1/1 |
1/Ф |
Ф/0 |
1/Ф |
Ф/Ф |
2/- |
|
устье р. Тверцы |
Ф/Ф |
1/0 |
1/2 |
0/Ф |
0/0 |
1/1 |
1/Ф |
2/3 |
1/Ф |
2/2 |
Ф/- |
|
д. Городня |
1/0 |
1/0 |
1/2 |
0/Ф |
0/0 |
0/0 |
0/Ф |
Ф/0 |
0/Ф |
Ф/Ф |
Ф/- |
Как следует из таблицы 2, наибольшие уровни загрязнения ДО отмечены в устьевых зонах рек Вазуза и Тверца. Даже ниже г. Тверь уровень загрязнения ДО р. Волги диагностируется как слабый. Такие элементы как Cu, Zn, Ni, Co, Pb, Cr, As, Cd, Hg находятся в ДО выше их фоновых значений, но коэффициенты их концентрации невелики. Доминирующими показателями загрязнения ДО ниже г. Твери является Cu, Zn, Hg, Ni, Pb, Cr, As. Наиболее значительными загрязняющими элементами являются: Pb в устье р. Вазузы и в г. Ржев, Cd и Mn в устье р. Тверцы, и Zn ниже г. Твери. При этом их максимальные значения не превышают 2-3-го игео-классов по обоим системам и находятся в пределах умеренно и средне загрязнённых уровней, а также умеренной техногенной нагрузки. Сравнение двух расчётных систем загрязнения на основе фоновых значений не выявило существенных различий по оценке уровня загрязнения, что объясняется в основном низким содержанием ТМ. Однако при высоких уровнях загрязнения, начиная со среднего загрязнённого, различия в оценках данных систем будут увеличиваться.
Также целесообразно оценивать фоновые значения водных систем периодически, через определённые промежутки времени. Сравнение фоновых значений двух периодов выявило различие по ряду элементов (таблица 1). В 2000 г. существенно выше значения Mn, Zn, Co, Ni; в то же время существенно ниже значения Pb и Cu; значения Cd и Cr практически одинаковы. При этом техногенная нагрузка на изучаемый участок за этот период осталась практически неизменной, либо незначительно снизилась. Данные расхождения могут быть объяснены разницей в методическом подходе к отбору проб ДО различными организациями. Оба подхода предусматривают получение интегральных значений из значительного количества проб ДО. Вместе с тем методика ИМГРЭ подразумевает отбор проб по площади дна, независимо от фракционного и гранулометрического состава ДО, в то время как доработанная методика ВНИИГиМ оперирует исключительно фракцией ДО < 0,020 мм, что в свою очередь может приводить к разнице в интегральных оценках загрязнения.
Анализ материалов обследований 1983 г. показал, что загрязнение ДО р. Волги выше г. Твери выражено слабо. В черте города и ниже по течению ДО сильно загрязнены [8]. Наблюдается загрязнение устьевых участков притоков Волги – рр. Тверцы и Тьмаки. В загрязнении ДО р. Тверцы доминирующими загрязняющими элементами являлись Zn и Pb. Несмотря на расхождения в фоновых значениях, общий уровень загрязнения ДО Верхней Волги за прошедшее время значительно снизился. Следует отметить, что при периодическом измерении фоновых значений ТМ в ДО любых водных систем для более корректного сравнения и оценки изменений следует использовать единую методику отбора, обработки и анализа проб. Повышение концентраций микроэлементов на фоновых участках свидетельствует о возросшей техногенной нагрузке, что в свою очередь даёт основания для выведения данных участков из разряда фоновых и поиска более подходящих.
По данным загрязнений ТМ ДО Иваньковского водохранилища проведён сравнительный анализ расчёта игео-классов по глобальному и региональному фоновым значениям. Определены максимально загрязнённые участки водохранилища по наиболее значимым загрязняющим элементам (Cr, Zn, Cd, Pb) – районный центр г. Конаково с реками Сучок и Донховка и Мошковский залив. ДО Мошковского залива испытывают серьёзную техногенную нагрузку в результате застройки берегов дачными посёлками, активного использования малого водного транспорта, а также сброса сточных вод с Конаковской ГРЭС. Сравнение игео-классов показало их совпадение практически для всех приведённых элементов, кроме Cr и Zn. В ряде точек отбора игео-класс Zn соответствует 1-му региональному и 2-му глобальному уровню. игео-классы ДО по Cr наоборот, увеличиваются на 1-2 уровня относительно глобального, что составляет довольно существенную разницу. По региональной шкале загрязнений ТМ в ДО представленных районов Иваньковского водохранилища является Cr. Максимальный уровень игео-класса по Cr равен 3-му – средне загрязнённому и умеренно опасной техногенной нагрузке, что свидетельствует о потенциальной опасности вторичного загрязнения и, как следствие, о необходимости наблюдения и недопущении возрастания техногенной нагрузки. В то же время по глобальной шкале содержание Cr в ДО не вызывает опасений.
В отложениях водоёмов в черте г. Конаково, в частности в ДО рек Сучок и Донховка, для всех элементов кроме Cr глобальные и региональные игео-классы совпадают практически повсеместно – ввиду их относительно малых концентраций. Значения региональных игео-классов Cr на 1-2 пункта выше глобальных. Максимальный уровень загрязнения равен 3-му в ДО реки Сучок – средний уровень загрязнения, что в свою очередь свидетельствует об умеренной техногенной нагрузке, потенциальной опасности дальнейшего возрастания уровня загрязнения и необходимости к разработке рекомендаций по снижению нагрузки. По европейской системе уровни загрязнения ДО по Cr не превышают 1-й – незагрязнённый до умеренно загрязнённого – это не совсем соответствует действительному положению дел и может представлять иллюзию отсутствия опасности вторичного загрязнения. Таким образом, региональные либо локальные фоновые значения и основанная на них шкала загрязнений ТМ являются приоритетными для каждой крупной водной системы.
Выводы
- Полученные региональные фоновые значения позволяют рассчитать загрязнения элементами отложений по игео-классам как для изучаемого региона Верхней Волги с её притоками, так и для всей реки Волги. Приведённые значения можно использовать также при оценке загрязнения водных объектов, расположенных в пределах водосборной территории Верхней Волги. Таким образом, региональные либо локальные фоновые значения и основанная на них шкала загрязнений ТМ являются приоритетными для каждой крупной водной системы.
- Сравнение региональной и глобальной систем на данном этапе не выявило существенных различий по оценке уровня загрязнения. Это объясняется низким уровнем содержания ТМ. По региональной шкале загрязнений основным загрязняющим ТМ в ДО приведённых районов Иваньковского водохранилища является Cr – 3-й, средне загрязнённый уровень и умеренно опасная техногенная нагрузка.
- Целесообразно оценивать фоновые значения водных систем периодически, через определённые промежутки времени. При измерении фоновых значений ТМ в ДО любых водных систем, для более корректного сравнения и оценки изменений, следует использовать единую методику отбора, обработки и анализа проб. Значительное повышение концентраций микроэлементов на фоновых участках свидетельствует о возросшей техногенной нагрузке, что в свою очередь даёт основания для выведения данных участков из разряда фоновых и поиска более подходящих.
1. Denisova A.I. Formation of the hydrochemical regime of Dnepr reservoirs and methods for its forecasting. Kyiv: nauk. thought. 1979. 292 p. (in Russ)
2. Dobrovolsky V.V. Geography of microelements. Global dispersion. M.: Thought. 1983. 272 p. (in Russ)
3. Ecological functions of the lithosphere / Ed. by V.T. Trofimov. M.: Moscow State University Publishing House. 2000. 432 p. (in Russ)
4. Savich V.I., Parakhin N.V., Sychev V.G. and al. Soil ecology. Orel: Publishing house of the Orel State Agrarian University. 2002. 546 p. (in Russ)
5. Mueller G., Ottenstein R., Yahya A. Standardized particle size for monitoring, inventory, and assessment of metals and other trace elements in sediments: <20 µM or <2 µM? // Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry. 2001. V. 371. No. 5. P. 637–642.
6. Mueller G. Schwermetalle in den Sedimenten des Rheins – Veraenderungen seit 1971 // Umschau 79, 1979. H.24: 778–783 (in German)
7. Mueller G., Furrer R. Pollution of the River Elbe – Past, Present and Future Water Quality International. 1998. V. 1. P. 15–18.
8. Kocharian A.G., Tolkachev G.Yu., Kolomiytsev N.V. The content of heavy metals in the sediments of the Upper Volga from the source to the entrance of the Ivan’kovo reservoir, Melioration and Water Management. 2006 (5). P. 25–27 (in Russ)
9. Kolomiytsev N.V., Rainin V.E., Il'ina T.A., Zimina-Shaldybina L.B., Muller G. Studies of pollution of bottom sediments as a basis for monitoring the status of watercourses, Melioration and Water Management. 2001. (3). P. 11–15 (in Russ)
10. Turekian K.K., Wedepohl K.H. Distribution of the Elements in Some Major Units of the Earth's Crust // Geological Society of America, Bulletin.
11. Methodological recommendations for geochemical assessment of contamination of surface watercourses with chemical elements // Compiled by: Yu.E. Sayet, L.N. Aleksinskaya, E.P. Ioannina. M: IMGRE. 1982. 73 p. (in Russ)
12. Kolomiytsev, N.V., Korzhenevskiy, B.I., Il’ina, T.A. and Get’man, E.N. Evaluation of anthropogenic load on water bodies by pollution of sediments, Melioration and Water Management. 2015 (6). P. 15–19 (in Russ)
13. Technogenic pollution of river ecosystems / V.N. Novoseltsev (et al.). Ed. by V.E. Rainin, G.N. Vinogradova. M.: Scientific World, 2002. 140 p. ISBN: 5-89176-189-0(in Russ)
