Russian Federation
UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The pollution of sediments of small and large rivers continues to exist, despite the increased requirements for industrial wastewater treatment plants in recent years. The arrival of pollutants into water bodies has significantly decreased during this time, but the presence of heavy metals in some watercourses continues to remain at a fairly high level. Along with pollution from specific sources, there is also diffuse pollution, the sources of which are very difficult to determine. The distribution of pollutants in small and large rivers of the Upper Volga basin from both specific and diffuse sources is considered in temporal and spatial aspects. The figures and tables reflecting these natural and man-made phenomena are given.
water bodies, sediments, heavy metals, man-made pressure, the Upper Volga.
Исследование состава донных отложений (ДО) водных объектов в Российской Федерации с 90-х годов XX века стало важнейшим аспектом в изучении их геоэкологического состояния. Загрязнение ДО наиболее адекватно отражает современное состояние водного объекта и несет информацию о последствиях инженерно-хозяйственной деятельности на водосборной территории. Также при определенных гидрологических и гидрохимических условиях ДО могут являться источниками вторичного загрязнения водных масс. При этом методология нормирования загрязняющих веществ в ДО поверхностных водотоков разработана недостаточно, в первую очередь из-за ограниченной базы эмпирических данных.
Многообразие природных и техногенных факторов, совокупность которых и определяет особенности круговорота загрязняющих веществ в системе «вода – ДО», создаёт значительные трудности при его экспериментальном изучении. Особенно это касается изучения круговорота тяжёлых металлов (ТМ), существующих в природных водах и ДО в различных химических формах. Неоднородность состава ДО, а также малые массы вещества, требуемые для современных методов определения микро- и макроэлементов, обуславливают повышенные требования к усреднению (гомогенизации) пробы. Средняя лабораторная проба должна полностью характеризовать исследуемые ДО. Тем не менее, даже на близких участках реки невозможно отобрать пробы ДО сходного или близкого гранулометрического состава [1], поэтому при лабораторных исследованиях необходимо нормирование образцов ДО.
Одно из ведущих мест занимает комплекс вопросов, связанных с эрозионно-аккумулятивной деятельностью, в том числе и вопросы соотношения между эрозионной и транспортирующей способностью водных потоков и поступлением в реки твердого материала со склонов (продуктов эрозии почвы). Распределение продуктов эрозии почвы на склонах водосборной территории очень важно для биогеохимических циклов в почвах и существенно влияет на круговорот углерода и питательных веществ. Обычно процессы эрозии почвы происходят в разных местах ландшафта в период снеготаяния и кратковременных весенних и летних ливневых осадков [2]. Этим объясняется зависимость режима водного объекта от геоэкологического состояния поверхности водосбора. Сведение и деградация почвенно-растительного покрова на водосборной территории ведет к усилению эрозионных процессов, которые приводят к перегрузке водного объекта наносами, вызывающими заиление русла и нарушение условий его работы, загрязнению ДО, что определяется интенсивностью эрозии почвы и концентрацией в ней загрязняющих веществ [3, 4].
Определение зон повышенного загрязнения в водных объектах. Оценка техногенной нагрузки только на основе данных о составе и концентрациях загрязнителей в воде не может быть корректной без специальных режимных наблюдений из-за сильных флуктуаций расходов воды, концентраций взвешенных и растворенных веществ в течение года. В такой ситуации, когда количество гидропостов мало или они отсутствуют, важнейшей информацией о геоэкологическом состоянии водного объекта становится загрязнённость его ДО. Обследования ДО рек бассейна Оки показало, что основные «болевые» зоны – это река Москва ниже г. Москвы (работы проводятся с 1993 года) и река Клязьма ниже г. Щелково (работы проводятся с 1994 года).
Обе «мелкие» фракции (< 2 мкм и < 20 мкм) способны удовлетворять требованиям мониторинга, инвентаризации и оценки содержания микроэлементов в ДО. Предпочтение следует отдавать быстрому, простому и экономичному отделению < 20 мкм путем мокрого просеивания; эта фракция довольно близко соответствует взвешенному веществу в толще водного объекта [5]. Аккумуляцию ТМ ДО рекомендуется оценивать с помощью «индекса геоаккумуляции» [6], который характеризует относительную кратность загрязнения ДО (против природного фона) во фракциях грунта < 20 мкм.
По мнению авторов [1], оптимальной на современном этапе является четырёхранговая оценочная структура, разработанная для экосистем [7]. Многолетние исследования экологического состояния водных объектов в бассейнах рек Европы и в бассейне р. Оки в России показывают хорошую корреляцию техногенной нагрузки, оцененной по составу ДО, с биологическим состоянием водных экосистем [8]. Пример такой карты приведен на рисунке 1.
Для оценки загрязнения микроэлементами ДО целесообразно использовать суммарный показатель токсического загрязнения – СПТЗ, разработанный для оценки загрязнения ТМ городских почв [9].
СПТЗ = ∑KCKT – (n–1); KC = С/СФ,
где: С – содержание элемента в изучаемой среде; СФ – фоновое содержание (глобальный или региональный фон); KT – коэффициент токсичности химического элемента [9]; n – число учитываемых элементов.
Оценка распространения загрязнения от городских производств. Техногенная нагрузка от городских поселений на малые реки представлена загрязнением ДО реки Пекши. В верховьях реки расположен г. Кольчугино, в 1977 году была построена плотина и создано Кольчугинское водохранилище. Население г. Кольчугино составляет более 40 тыс. чел., промышленность представлена заводами: по обработке цветных металлов, по выпуску кабельно-проводниковой продукции, электротехнического оборудования и др. Промзона г. Кольчугино является весьма серьезным источником техногенной нагрузки на р. Пекша, которая в силу своей маловодности особенно чувствительна к техногенной нагрузке. Русло Пекши интенсивно меандрирует и расположено преимущественно в малонаселенной местности, что определяет снижение загрязнения ДО по мере удаления от г. Кольчугино [10].
Наименьший уровень загрязнения ДО закономерно отмечен на выходе из Кольчугинского водохранилища, поскольку промышленные площадки находятся ниже по течению, ДО самого водохранилища представлены песчаными фракциями. Большинство ТМ находятся в пределах фонового уровня, либо от незагрязненного до умеренно загрязненного класса со слабой техногенной нагрузкой.
Ниже г. Кольчугино уровни загрязнения практически всех элементов и, следовательно, техногенная нагрузка, существенно повышаются. Содержание Zn доходит до сильно загрязненного, что соответствует опасной техногенной нагрузке, Cd и Cu – средне загрязненному уровню и умеренной нагрузке, Pb – умеренно загрязненному уровню. Высокое содержание Cu может быть объяснено, помимо внешнего поступления с местных производств, также высоким содержанием органических соединений в ДО, с которыми Cu активно образует комплексные соединения. Далее в 20-25 км ниже по течению у д. Лаврениха в районе областной автотрассы уровни Zn, Cd, Cu, Pb снижаются каждый на один класс.
Вниз по течению от д. Лаврениха до впадения в р. Клязьму русло р. Пекши отличается извилистостью, река протекает по малозаселенным местам, благодаря чему уровни загрязнения ДО по всем элементам постепенно снижаются (рисунок 2). В устьевой части техногенная нагрузка практически отсутствует. Слабое загрязнение реки в нижнем течении подтверждает наличие пескарей (Gobio gobio) и в некоторых местах раков, обитающих исключительно в незагрязненной воде.
|
|
|
Рисунок 2 - Содержание меди и никеля (мг/кг) в ДО р. Пекши |
Можно констатировать отрицательное влияние и среднюю техногенную нагрузку со стороны г. Кольчугино на р. Пекшу, при этом сама Пекша не привносит загрязнения ТМ в Клязьму. Иными словами, р. Пекша является приёмником загрязняющих веществ г. Кольчугино с «хвостом» загрязнений порядка 20 км, и самоочищается в районе нижележащих деревень [8].
Оценка загрязнения ДО при слиянии рек. В районе г. Коломны, где проводились сопряженные исследования состава речных вод и ДО, были отобраны, обработаны и проанализированы отложения в р. Оке ниже впадения р. Москвы (по три у правого и левого берегов).
В таблице отражено изменение содержания свинца, кадмия, ртути, цинка и меди по результатам мониторинга в ДО р. Оки и р. Москвы выше и ниже слияния. Проведённые исследования позволяют оценить процесс вторичного загрязнения водной среды р. Оки вследствие взмучивания и переноса загрязнённых ДО, которые формируются вблизи устья р. Москвы. Левый берег р. Оки ниже впадения р. Москвы более загрязнён, чем правый, т.к. воды р. Москвы продолжают существовать отдельным потоком внутри р. Оки, прижатые её более скоростным потоком, однако концентрации всех рассмотренных ТМ практически выравниваются по обоим берегам на расстоянии около 12 км после впадения р. Москвы [11].
Таблица - Концентрации (мг/кг) тяжёлых металлов во фракции <0,020 мм донных отложений проблемного участка (слияние рек Оки и Москвы)
|
Pb, мг/кг |
Cd, мг/кг |
Hg, мг/кг |
Zn, мг/кг |
Cu, мг/кг |
|||||
|
р.Мо-сква |
р.Ока |
р.Мо-сква |
р.Ока |
р.Мо-сква |
р.Ока |
р.Мо-сква |
р.Ока |
р.Мо-сква |
р.Ока |
|
81,19 |
27,34 |
3,40 |
1,22 |
0,53 |
0,22 |
460,8 |
157,6 |
108,0 |
41,9 |
|
71,51 |
25,60 |
2,82 |
1,00 |
0,71 |
0,15 |
430,8 |
158,5 |
98,1 |
37,8 |
|
р. Ока после впадения р. Москвы |
|||||||||
|
Левый берег |
Правый берег |
Левый берег |
Правый берег |
Левый берег |
Правый берег |
Левый берег |
Правый берег |
Левый берег |
Правый берег |
|
90,47 |
38,10 |
3,12 |
1,52 |
0,77 |
0,18 |
507,8 |
216,7 |
116,40 |
55,91 |
|
53,81 |
40,99 |
2,40 |
1,59 |
0,39 |
0,30 |
345,3 |
255,3 |
84,67 |
66,07 |
|
46,10 |
41,78 |
2,25 |
1,67 |
0,29 |
0,26 |
282,2 |
262,5 |
76,89 |
65,24 |
Оценка диффузного загрязнения малых рек. В Иваньковское водохранилище впадает 10 рек длиной более 10 км. В качестве объектов исследования были выбраны реки Сучок и Донховка – правые притоки. Река Сучок протекает по территории Конаковского района, ее длина составляет 17 км. Река Донховка впадает несколькими километрами ниже, в черте города Конаково. Выше города на реке стоят деревни Марьино, Дубровки, Сорокопенино, Заречье и село Селихово. Длина реки около 30 км, в нижнем течении берега сильно застроены, обезлесены и распаханы. Ниже села Селихово расположено несколько плотин и низких мостов. Питание рек преимущественно снеговое. Гидропосты на этих реках в настоящее время отсутствуют.
В ДО р. Сучок от Конаковского шоссе до впадения в водохранилище содержание Zn соответствует 2-му игео-классу – умеренно загрязненному, а также умеренной техногенной нагрузке. Содержание Cr не превышает 1-го игео-класса, все остальные элементы находятся на фоновом уровне либо на уровне незагрязненного нулевого игео-класса. В ДО р. Донховки в 200 м выше устья концентрации Zn, Pb и As снижаются соответственно до 2-го, 1-го и нулевого игео-классов; Cr, как и на всем протяжении реки, стабильно остается на уровне 1-го игео-класса, остальные элементы соответствуют незагрязненному уровню. По течению р. Донховка, выше г. Конаково и в его пределах, концентрации элементов, кроме Zn, остаются практически на одном уровне; концентрация Zn повышается с 1-го игео-класса выше города до 2-го игео-класса в его черте. Характеристики загрязнения ДО этих водотоков Zn, Cd, Pb, Cr приведены на рисунке 3.
Выводы
Загрязнение ДО водного объекта отражает его современное состояние и несет информацию об инженерно-хозяйственной деятельности на водосборной территории, что особенно актуально при малом количестве гидропостов или при их полном отсутствии. Фракция ДО < 20 мкм способна удовлетворять требованиям мониторинга водного объекта, инвентаризации и оценки содержания микроэлементов. Их аккумуляцию в ДО рекомендуется оценивать с помощью «индекса геоаккумуляции», который характеризует относительную кратность загрязнения ДО (против природного фона) во фракциях < 20 мкм.
Таким способом «приведенные к общему знаменателю» ДО различного гранулометрического состава позволяют:
- оперативно определять проблемные участки как водного объекта, так и водосборных территорий;
- изучать распространение загрязнений от промзон и предприятий;
- оценивать перераспределение загрязнителей в потоках при слиянии рек;
- оценивать диффузный (поверхностный) сток и смыв загрязнителей с приводораздельных природно-техногенных территорий, что особенно актуально для малых рек, где практически всегда отсутствуют гидропосты.
1. Ecological functions of the lithosphere / Edited by V.T. Trofimov. – Moscow: Publishing House of Moscow State University, 2000. – 432 p .
2. Abakumov V.A. Ivankovskoye reservoir: Current state and problems of protection / V.A. Abakumov, N.P. Akhmetyeva, V.F. Brekhovskikh et al. – Moscow: Nauka. 2000. 344 p.
3. Kiseleva O.E. Kolomiytsev N.V. Antierosion device of sloping lands in basins of small rivers based on GIS technologies // Nature management. 2010. No. 1. pp. 21-27.
4. Kolomiytsev N.V., Korzhenevskiy B.I. The role of modern slope erosion in pollution and purification of small river basins // Scientific Journal of the Russian Research Institute of Problems of Land Reclamation. No. 4 (20). 2015. pp. 278-286.
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. S. 778-783.
7. Vinogradov B.V., Orlov V.A., Snakin V.V. Biotic criteria for the allocation of environmental disaster zones in Russia // IL RAS. Ser. 5. Geografiya, 1993, No. 5, pp. 77-79.
8. Kolomiytsev N.V., Tolkachev G.Yu., Korzhenevskiy B.I., Ilyina T.A. Patterns of pollution sediments of water bodies with heavy metals. – Moscow: Federal State Budgetary Budgetary Institution "VNIIGiM named after A.N. Kostyakov", 2023. – 180 p.
9. Bolshakov V.A. Methodological recommendations for the assessment of pollution of urban soils and snow cover with heavy metals. – Moscow: VNIIP named after Dokuchaev, 1999. – 32 p.
10. Tolkachev G.Yu., Korzhenevskiy B.I. Heavy metal pollution of the Peksha river and assessment of anthropogenic load // Use and protection of natural resources in Russia. 2020. No. 4 (164). pp. 68-71.
11. Kolomiytsev N.V., Korzhenevskiy B.I., Ilyina T.A., Getman E.N. Assessment of anthropogenic load on water bodies by pollution of sediments // Melioration and water management. No. 6. 2015. pp. 15-19.
