ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА КАЧЕСТВО ВОДЫ В РЕКАХ

Мирошниченко Е.П.

Аспирант, Украинский научно-исследовательский институт экологических проблем

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА КАЧЕСТВО ВОДЫ В РЕКАХ

Аннотация

Исследовано содержание тяжелых металлов (Fe, Mn, Cu, Zn, Ni) в воде и донных отложениях в устьевых участках рек Харьковской области. Представлен расчет влияния загрязнения донных отложений на качество водотоков. Определены основные участки рек с вторичным загрязнением вод.

Ключевые слова: донные отложения, реки, тяжелые металлы, миграция, вторичное загрязнение.

Miroshnichenko E.P.

Postgraduate student, Ukrainian Scientific Research Institute of Ecological Problems

ASSESSMENT OF INFLUENCE OF BOTTOM SEDIMENTS CONTAMINATION ON QUALITY OF RIVERS WATER

Abstract

The content of heavy metals (Fe, Mn, Cu, Zn, Ni) in the water and bottom sediments in estuaries of rivers Kharkov region were researched. The impact of bottom sediments pollution on rivers quality were calculated. The main sections of rivers with a secondary water pollution were determined.

Keywords: bottom sediments, river, heavy metals, migration, secondary pollution.

Донные отложения представляют собой сложную многокомпонентную систему, которая в зависимости от внутриводоемных процессов, сорбционных свойств самих отложений, ландшафтных особенностей водосборов, а также свойств веществ, поступающих в реки, могут быть накопителями химических веществ (в частности, тяжелых металлов) и источником вторичного загрязнения водного объекта.

Выявление основных закономерностей миграции тяжелых металлов в системе «водосбор - водная среда - донные отложения» - достаточно сложный вопрос, требующий проведения натурных исследований, анализа большого объема материалов наблюдений и оценки роли миграции тяжелых металлов по трофическим цепям. Таким образом, исследования транспорта тяжелых металлов в системе «водная среда - донные отложения» и получения количественных оценок интенсивности этих миграционных процессов является весьма актуальной задачей. На основе этих характеристик можно судить о наличии и отсутствии опасности вторичного загрязнения водных объектов [1]. А с другой стороны, актуальность определяется тем, что задача определения ландшафтных особенностей формирования донных отложений до сих пор не решена.

На сегодняшний день, исследования формирования донных отложений с учетом ландшафтных особенностей благодаря работам многих ученых и специалистов, интенсивно развиваются. Важные результаты в этом направлении в свое время получены многими исследователями В.А. Алабишевим, Р.С. Бергом, В.Г. Глушковым, М.Д. Гродзинским, С.В. Костриков. На основе пространственных обобщений Н.И.Маккавеев установил неразрывную связь русла реки с ее бассейном и окружающим ландшафтом в целом.

Целью роботы является исследование миграции тяжелых металлов в системе «водная среда – донные отложения», а также выявление основных источников вторичного загрязнения в реках Харьковской области.

Материалы и методы исследования

Исследования миграции тяжелых металлов в системе «водосбор - водная среда - донные отложения» были выполнены для рек Волчья, Уды, Мжа, Балаклейка и Оскол. Отборы проб донных отложений и воды осуществлялись в летний  период 2011 года в устьевых участках рек.

В пробах определяли приоритетный ряд тяжелых металлов – Fe, Mn, Cu, Zn, Ni. Отбор проб речной воды и донных отложений на тяжелые металлы, хранение отобранных проб выполняли в соответствии с требованиями ДСТУ ISO 5667-1-2003 (Качество воды. Отбор проб. Часть 1), ДСТУ ISO 5667-2-2003 (Качество воды. Отбор проб. Часть 2) и ДСТУ ISO 5667-12-2001 (Качество воды. Отбор проб Часть 12) [2-3]. Элементоопределние в пробах воды и донных отложений выполнялись рентгенофлуоресцентным методом на приборе «Спектроскан». Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась с помощью «Microsoft Excel».

Результаты и обсуждения.

Прежде всего, донные отложения – это продукты эрозии, поэтому их образование, перемещение и аккумуляция происходит в результате эрозионно-аккумулятивных процессов. На основании литературных источников установлено, что почвы в летний период также являются основным источником поступления тяжелых металлов в речную сеть. С пахотных земель в регионе выносится ежегодно 10-15 т/га плодородного слоя почвы. С 12,8 млн га эродированных земель это сильносмытые, которые требуют неотложной рекультивации путем облесения и лугов. Больше всех (до 70%) нарушены самые плодородные почвы - украинские черноземы, среди которых часть слабосмытых увеличилась за последние 15 лет на 26%, а средне- и сильносмытых (это земли, которые, по сути, должны быть выведены из интенсивного землепользования) - на 23% [4]. Наиболее подверженные размыву земли, расположенные на высоких и крутых правобережьях рек Мжы, Оскола и Уды [5]. Донные отложения определяют существенные геохимические особенности рек, так как в условиях загрязнения донных отложений, они становятся источниками вторичного загрязнения вод рек, и влияют на процессы самоочищения рек.

Украинским научно-исследовательским институтом экологических проблем был разработан проект «Методики учета влияния донных отложений на качество водотоков». Согласно методики автором было рассчитано влияние донных отложений на качество водотоков с учетом введенного коэффициента миграции тяжелых металлов из донных отложений в воду. Именно учет оценки влияния донных отложений на качество водотоков необходимо для прогнозирования процессов, которые могут привести к вторичному загрязнению водных объектов.

Количественная оценка влияния тяжелых металлов на качество водотоков определяется для каждого металла отдельно, исходя из их содержания в 100 г. донных отложений.

Концентрация ионов тяжелых металлов в воде водотока за счет их поступления из донных отложений рассчитывается по следующей формуле:

, мг/дм³,

где Р –  величина вероятного перехода каждой формы тяжелых металлов в воду из донных отложений, кг;

W – объем воды водотока или его участка, м³.

Все перерасчеты единиц измерения к единой системе выполнено с помощью коэффициента пересчета (Коваленко М.С.)

Величина вероятного перехода каждой формы тяжелых металлов в воду из донных отложений:

, кг

где С – содержание каждой из подвижных форм ионов тяжелых металлов в 100 г донных отложениях, мкг/100г.

h – активный слой донных отложений (обычно 10-ти сантиметровый слой);

d – объемный вес донных отложений, кг/дм³;

S- площадь исследуемой зоны водотока, м²;

K_м – коэффициента миграции тяжелых металлов.

Коэффициент миграции было выведено на основе теоретических данных фазового распределения тяжелых металлов в воде и донных отложениях в зависимости от физико-химических факторов [6]. Интерпретация коэффициента миграции свидетельствует о том, что при уменьшении этого коэффициента переход тяжелых металлов из донных отложений в воду проходит более интенсивно.

Объем воды водотока или его участка рассчитывается согласно формуле:

, м³

где, Q - расход воды водотока, м³/с;

L - протяженность водотока или его участка, м;

U - средняя скорость течения, м/с.

Увеличение концентрации ионов тяжелых металлов в воде водотоков за счет их поступления из донных отложений представлено на рисунке

 

Рис. 1 - Увеличение концентрации ионов тяжелых металлов в воде водотоков за счет их поступления из донных отложений

В зависимости от антропогенных факторов и ландшафтных особенностей водосборной площади выполнен расчет влияния донных отложений на качество водотоков с учетом введенного коэффициента миграции тяжелых металлов. На основании предложенной методики максимальные концентрации тяжелых металлов зафиксированы для р. Уды и Волчья, что свидетельствует о нарушении равновесия в системе «вода - донные отложения» и наличие на этих участках источников вторичного загрязнения водотоков.

Таким образом, на основании приведенной методики оценки влияния загрязнения донных отложений на качество водотоков установили потенциально опасные участки рек с вторичным загрязнением для Харьковского региона. В частности, определение загрязнения донных отложений может быть использовано для обоснования состава водоохранных мероприятий.