ANNUAL DISTRIBUTION OF HEAVY METAL CONCENTRATIONS IN RIVER WATER OF THE TEREK RIVER BASIN
ANNUAL DISTRIBUTION OF HEAVY METAL CONCENTRATIONS IN RIVER WATER OF THE TEREK RIVER BASIN
Abstract
Sufficient attention has been paid to the study of the content of metals Cr, Ni, Mo, Mn, Zn, Pb, Ag, V, Cd and Cu in the water of the rivers of the Terek River basin: Baksan, Malka, Chegem, Urukh. However, their annual distribution in the water of these rivers has not been studied. Therefore, the main objective of this work is to analyse the annual distribution of Cr, Ni, Mo, Mn, Zn, Pb, Ag, V, Cd and Cu compounds in the water of the Terek, Baksan, Malka, Chegem and Urukh rivers of the Terek basin. The obtained results show that for the examined rivers of the Terek basin, the average concentrations of molybdenum, manganese and copper exceed the unified federal water quality standards (MACрх). When reviewing the variability of concentrations by phase of the water regime, not all rivers exceed MACрх, for example, during the peak of the flood period, manganese concentrations in the Terek, Baksan and Urukh rivers and molybdenum concentrations in the Malka, Urukh and Chegem rivers do not go above the MACрх. Therefore, it is important not only to determine the average values of pollutant concentrations, but also their annual distribution in order to improve the effectiveness of water protection measures.
1. Введение
Единые общефедеральные предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в поверхностных водных объектах в настоящее время для всей территории России являются едиными. Территория России характеризуется большим разнообразием ландшафтов, что определяет разнообразие физико-географических условий водосборов и, соответственно, условий формирования химического состава поверхностных вод . То есть природные, физико-географические особенности территорий водосборов приводят к формированию такого химического состава воды, где концентрации некоторых загрязняющих веществ не соответствуют принятым ПДК. Истоки исследуемых нами рек (Малка, Баксан, Терек, Чегем, Урух) сосредоточены в высокогорной зоне и берут начало с ледников Главного Кавказского и Бокового хребтов Большого Кавказа. Горные условия обусловливают высокую интенсивность эрозионных процессов на водосборах, в связи с чем уровень содержания соединений тяжелых металлов в значительной мере определяется степенью взаимодействия воды с дренируемой горной породой . Большинство ионов тяжелых металлов относятся к I-II классу опасности, они отличаются канцерогенными, мутагенными свойствами и обладают кумулятивным эффектом. Для тяжелых металлов не существует надежных механизмов самоочищения. Тяжелые металлы лишь перераспределяются из одного природного источника в другой, взаимодействуя с различными живыми организмами и повсюду оставляя видимые нежелательные последствия этого взаимодействия. Тяжелые металлы накапливаются микpооpганизмами водных объектов, почвы и растениями, попадают затем в корм домашних животных, и по естественной пищевой цепочке в организм человека , , , , .
Для водосборов исследуемых ледниковых рек характерной является ситуация, когда условно фоновая концентрация отдельных соединений тяжелых металлов (вещества двойного генезиса) обусловленная природными факторами, превышает единые общефедеральные нормативы качества воды (ПДК) . Поэтому оценка состояния водных экосистем с учетом геологических особенностей и природных условий является одной из важнейших задач гидроэкологии , . Изучению уровня содержания металлов Cr, Ni, Mo, Mn, Zn, Pb, Ag, V, Cd и Cu в воде рек бассейна р. Терек: Баксан, Малка, Чегем, Урух уделяется достаточное внимание , . Однако внутригодовое распределение их в воде указанных рек не анализировалось. Целью работы является представление результатов анализов по внутригодовому распределению соединений Cr, Ni, Mo, Mn, Zn, Pb, Ag, V, Cd и Cu в поверхностных водах бассейна р. Терек, с учетом природных особенностей водосборов рек.
По итогам выявленных закономерностей внутригодового распределения возможно прогнозирование поведения загрязняющих веществ в водных объектах, подверженных антропогенному воздействию.
2. Методы и принципы исследования
Объектом исследований являются поверхностные воды рек бассейна р. Терек: Малка, Баксан, Урух, Терек, Чегем в нижнем течении. Истоки рек расположены в ледниках Главного Кавказского и Бокового хребтов (рис. 1).
Рисунок 1 - Карта-схема хребтов северного склона Центрального Кавказа
У истоков в летний период эти реки имеют ледниковое питание, вниз по течению тип питания рек меняется. Притоки р. Терек Малка, Баксан, Урух, Чегем рассекают хребты (рис. 1) поперечными долинами, которые в этих местах имеют вид узких ущелий. С 2020 года отбор проводится в постоянных створах 7 раз в год (в зимнюю межень, во время половодья — на подъеме, пике и спаде; во время летней межени — при наименьшем расходе и прохождении дождевого паводка и осенью).
В статье приведены результаты, полученные в нижнем течении рек. Пункты наблюдений приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Перечень створов на реках Малка, Баксан, Чегем, Урух, Терек в нижнем течении рек
Водный объект, (длина) | Расстояние от истока, км | с.ш., в.д. | Пункт отбора | Местоположение створа |
р. Малка (210 км)
| 190 | 43.735917 44.073036 | г. Прохладный | 4 км ниже города |
р. Баксан (169 км) | 169 | 43.728386 44.061449 | г. Прохладный | ж/д мост |
р. Чегем (102 км)
| 87 | 43.576162 43.586777 | г.Чегем-2 | Ниже города |
р. Урух (106 км)
| 105 | 43.472409 44.079697 | ст. Александровская | в лесу |
р. Терек (578 км)
| 230 | 43.681515 44.368029 | с. Хамидие | напротив села |
При отборе проб воды измеряли водородный показатель (рН), минерализацию и электропроводность с использованием кондуктометра рН-метр/кондуктометр HANNA HI 991300 , фиксировали также время и температуру воздуха. Для определения концентраций растворенных форм соединений металлов, пробы воды фильтровали через фильтры с диаметром пор 0,45 мкм. Полученный фильтрат консервировали азотной кислотой (HNO3) из расчета 0,1 мл на 100 мл пробы. Концентрацию измеряли атомно-абсорбционным спектрометром «МГА-915М» . Отборы проб воды и анализы проводятся сотрудниками испытательного лабораторного центра ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» (аттестат аккредитации № RA.RU.21АИ34).
3. Основные результаты
Концентрации соединений хрома, никеля, серебра, ванадия, кадмия за многолетний период наблюдений не превышают уровни ПДКрх. Наиболее распространенными загрязняющими металлами, в воде всех исследуемых рек являются соединения марганца, молибдена и меди (табл. 2), по этим металлам в воде всех исследуемых рек наблюдаются превышение ПДКрх.
Таблица 2 - Среднегодовые уровни содержания металлов за 2021-2023 гг. в нижнем течении рек
Концентрация, мкг/дм3 | Нижнее течение | ПДКрх мкг/дм3 | ||
Хср | Х50 | Хмин-Хмах | ||
р. Терек, с. Хамидие | ||||
Mo | 3,18 | 3,0 | 0,1-9,68 | 1,0 |
Mn | 16,69 | 15,95 | 1,28-48,40 | 10,0 |
Cu | 3,11 | 2,91 | 0,63-5,73 | 1,0 |
р. Малка, г. Прохладный | ||||
Mo | 4,09 | 3,2 | 0,3-12,26 | 1,0 |
Mn | 12,34 | 11,2 | 3,23-25,6 | 10,0 |
Cu | 3,99 | 3,55 | 0,66-7,96 | 1,0 |
р. Баксан, г. Прохладный | ||||
Mo | 5,08 | 3,44 | 0,1-18,19 | 1,0 |
Mn | 15,79 | 9,35 | 3,73-72,80 | 10,0 |
Cu | 4,36 | 3,24 | 0,84-11,70 | 1,0 |
р. Чегем, г. Чегем-2 | ||||
Mo | 1,55 | 1,41 | 0,1-4,15 | 1,0 |
Mn | 11,04 | 8,25 | 3,29-43,6 | 10,0 |
Cu | 4,86 | 4,77 | 0,75- 8,85 | 1,0 |
р. Урух, ст. Александровская | ||||
Mo | 1,63 | 1,3 | 0,1-4,68 | 1,0 |
Mn | 15,24 | 14,85 | 1,77-33,95 | 10,0 |
Cu | 3,37 | 2,91 | 0,01-8,39 | 1,0 |
Поэтому внутригодовое распределение рассматривается по этим трем металлам. В нижнем течении рек средние концентрации по молибдену изменяются от 1,55 до 18,19; по марганцу от 11,04 до 16,69 и по меди от 3,11 до 4,86 мкг/дм3. По соединениям цинка, свинца наблюдаются единичные случаи превышения ПДКрх.
Максимальные значения молибдена (18,19 мкг/дм3) наблюдаются в р. Баксан. В Баксанском ущелье был расположен Тырныаузский горно-обогатительный комбинат, специализировавшийся на добыче и обогащении вольфрамо-молибденовых руд. Наследие Тырныаузского горно-обогатительного комбината в виде гигантского заброшенного хвостохранилища представляет собой большую экологическую угрозу для района, подверженного селям. Данные за апрель 2024 года (табл. 3) показывают, что концентрации молибдена в озере Гижгит и в дренажном ручье, вытекающем из-под хвостохранилища значительно, превышают нормативы как для водных объектов рыбохозяйственного назначения, так и для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового (рекреационного) назначения. На повышенное содержание солей указывает также минерализация воды и электропроводность. Значение минерализации для воды дренажного ручья составляет 744 мг/дм3, электропроводность 1450 мкСм/см. В настоящее время экологическая угроза, связанная с хвостохранилищем сохраняется.
Таблица 3 - Концентрация молибдена
Место отбора | Концентрация Mo, мкг/дм3 | рН, ед. | Электропроводность, мкСм/см | Минерализация, мг/дм3 |
Озеро Гижгит | 326,0 | 8,2 | 600 | 313 |
Дренажный ручей | 14920,0 | 10,0 | 1450 | 744 |
Реки по водному режиму по классификации Б. Д. Зайкова относятся к классу рек с половодьем в теплую часть года – Тянь-Шаньский тип, где половодье связано с таянием ледников. Физико-географические и геологические характеристики бассейна значительно влияют на концентрацию веществ в воде рек и минерализацию. Во время максимального таяния ледников (пик половодья) увеличивается расход и за счет разбавления воды минерализация уменьшается в несколько раз .
Концентрация металлов по фазам водного режима рек изменяется значительно (табл. 4).
Таблица 4 - Медиана и диапазон изменчивости (в скобках) концентраций металлов, в пробах воды исследуемых рек по фазам водного режима в нижнем течении рек за период 2021-2023 гг.
Металл | Терек, мкг/дм3 | Баксан, мкг/дм3 | Малка, мкг/дм3 | Урух, мкг/дм3 | Чегем, мкг/дм3 |
Mo | |||||
Зимняя межень | 0,99 (0,59-4,30) | 4,37 (4,37-18,6) | 1,18 (0,1-5,95) | 0,82 (0,1-2,61) | 2,32 (0,23-3,33) |
Подъем половодья | 1,35(0,1-4,7) | 7,8(3,73-16,0) | 1,9 (0,1-2,95) | 0,89(0,1-4,09) | 0,53(0,1-1,5) |
Пик половодья | 3,58(0,22-4,30) | 7,07(3,52-8,18) | 0,15(0,1-2,69) | 0,2(0,1-0,86) | 0,77(0,1-1,39) |
Осенняя межень
| 2,8(1,41-3,76) | 7,6(5,94-15,97) | 2,8(1,08-3,75) | 0,85(0,72-2,81) | 2,3(1,41-4,13) |
Mn | |||||
Зимняя межень | 17,97(5,44-40,65) | 5,96(4,32-15,55) | 16,2(9,42-17,5) | 9,21(1,1-17,2) | 6,4 (4,38-11,68) |
Подъем половодья | 21,7 (10,61-38,0) | 19,1(6,96-35,15) | 22,5(6,2-33,4) | 20,5(11,7-35,5) | 18,8(4,40-36,95) |
Пик половодья | 5,02(2,01-5,6) | 7,49(3,86-8,67) | 12,11 (10,51-13,45) | 9,45 (9,19-10,06) | 12,2(9,96-15,9) |
Осенняя межень
| 16,1(9,27-35,6) | 8,1(3,64-17,1) | 11,5(7,2-50,13) | 6,05(5,62-23,65) | 7,7(4,19-17,8) |
Cu | |||||
Зимняя межень | 1,86 (1,2-6,3) | 1,79 (1,43-4,78) | 2,3 (1,4-3,1) | 4,42(0,95-6,08) | 3,98(3,14-4,83) |
Подъем половодья | 2,53(1,52-6,43) | 3,3(3,8-7,1) | 3,8(3,44-6,24) | 3,05(2,82-6,8) | 5,45(5,32-5,69) |
Пик половодья | 4,2 (1,0-7,52) | 3,2(1,27-5,3) | 3,8(2,49-7,95) | 6,3(1,11-11,6) | 5,04(3,4-5,44) |
Осенняя межень
| 4,5(2,52-8,95) | 3,6(0,72-4,95) | 4,52(1,09-7,2) | 5,45(1,41-5,67) | 2,1(0,89-3,5) |
Максимальные уровни молибдена (рис. 2) наблюдаются во время подъема половодья (май, июнь), в р. Баксан. В эти месяцы на территории водосборов выпадает наибольшее количество осадков , вероятно склоновыми процессами в воду рек попадает большое количество выветриваемых горных пород, содержащих молибден. Минимальные концентрации отмечаются во время пика половодья в реках Малка, Урух, Чегем, что связано с разбавлением воды рек во время интенсивного таяния ледников. В воде рек Терек и Баксан минимальные концентрации фиксируются в зимнюю межень во время перехода рек на грунтовое питание.
Максимальные концентрации марганца во всех исследуемых реках наблюдаются во время подъема половодья (рис. 3), достигая в среднем 20 мкг/дм3. Минимальные отмечены в пик половодья и осеннюю межень.
Рисунок 2 - Внутригодовое распределение молибдена в воде рек Терек, Малка, Баксан, Урух, Чегем в нижнем течении
Рисунок 3 - Внутригодовое распределение марганца в воде рек Терек, Малка, Баксан, Урух, Чегем в нижнем течении
Рисунок 4 - Внутригодовое распределение меди в воде рек Терек, Малка, Баксан, Урух, Чегем в нижнем течении
4. Заключение
Определены средние значения концентраций молибдена, марганца и меди в нижнем течении рек Малка, Баксан, Урух, Терек, Чегем, диапазоны их изменчивости, и внутригодовое распределение. Установлено, что концентрации указанных металлов в исследуемых реках постоянно превышают значения ПДКрх. Полученные результаты указывают на особенности химического состава природных вод данного водосборного бассейна, по соединениям молибдена, марганца и меди, которые необходимо учитывать при нормировании предельно допустимого вредного воздействия (ПДВВ) на поверхностные водные объекты.
Значительная изменчивость концентраций молибдена, марганца и меди, постоянно превышающие значения ПДКрх в исследованных реках, очевидно, объясняется водным режимом рек и попаданием в воду склоновыми процессами выветриваемых горных пород, содержащих указанные металлы.