LEVELS AND SEASONAL VARIABILITY OF HEAVY METAL COMPOUNDS IN THE RIVERS OF THE CENTRAL CAUCASUS FOOTHILL ZONE

УРОВНИ СОДЕРЖАНИЯ И СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РЕКАХ ПРЕДГОРНОЙ ЗОНЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО КАВКАЗА

Научная статья

Геккиева С.О.^1, *, Атабиева Ф.А.²

^{1, 2} Высокогорный геофизический институт, Нальчик, Россия

* Корреспондирующий автор (sgekkieva[at]list.ru)

Аннотация

В рамках экологического мониторинга проведен ситуационный анализ водных ресурсов КБР на основании многолетних данных (2005-2018 гг). Дана оценка содержания и сезонная изменчивость соединений тяжелых металлов в воде рек предгорной зоны Центрального Кавказа - Терек, Малка, Баксан, Ардон, Черек и Урух. Целью исследования была оценка уровня содержания соединений тяжелых металлов (Cr, Ni, Mo, Mn, Zn, Pb) в воде рек в шести пунктах наблюдений, расположенных в предгорной зоне Центрального Кавказа. При анализе использовали атомно-абсорбционный метод с применением электротермического атомизатора «МГА-915М». Уровень содержания соединений тяжелых металлов в воде рек оценивали по таким характеристикам, как среднемноголетнее и медианное значения концентраций, диапазон колебаний концентраций, частота случаев превышения ПДК_рыб. Анализ многолетних данных показывает, что в большей степени загрязнение воды рек соединениями тяжелых металлов происходит в летний дождевой паводок и имеет природный характер, за исключением реки Баксан. Выявленные уровни содержания соединений тяжелых металлов в воде рек за исследуемый период, а также частота случаев превышения ПДК_рыб иллюстрированы таблицей и графиками.

Ключевые слова: Водные ресурсы КБР, Центральный Кавказ, мониторинг, предгорная зона, речные воды, концентрация, тяжелые металлы, изменчивость, загрязнение, качество воды.

LEVELS AND SEASONAL VARIABILITY OF HEAVY METAL COMPOUNDS IN THE RIVERS OF THE CENTRAL CAUCASUS FOOTHILL ZONE

Research article

Gekkieva S.O.^1, *, Atabieva F.A.²

^{1, 2} High-Mountain Geophysical Institute, Nalchik, Russia

* Corresponding author (sgekkieva[at]list.ru)

Abstract

As part of environmental monitoring, the study conducts a situational analysis of water resources in the Kabardino-Balkarian Republic based on the data obtained in the period from 2005 to 2018. The study estimates the content and seasonal changes of heavy metal compounds in the water of the Terek, Malka, Baksan, Ardon, Cherek and Urukh rivers in the foothill zone of the Central Caucasus. The aim of the study is to assess the level of heavy metal compounds (Cr, Ni, Mo, Mn, Zn, Pb) in river water at six observation points located in the foothill zone of the Central Caucasus. The analysis was performed using the atomic absorption method using the electrothermal atomizer MGA-915M. The estimation of the level of heavy metal compounds in river water was performed according to such characteristics as the long-term average and median values of concentrations, the range of concentration fluctuations, and the rate of cases when the maximum permittable concentration according to the fishery standards (fishery MPC) is exceeded. Analysis of the multiannual data shows that most of the river water pollution with heavy metal compounds occurs during the summer rain flood and is of a natural origin, with the exception of the Baksan river. The table and graphs illustrate the detected levels of heavy metal compounds in river water during the studied period as well as the frequency of cases when the fishery MPC is exceeded.

Keywords: water resources of the Kabardino-Balkarian Republic, Central Caucasus, monitoring, foothill zone, river waters, concentration, heavy metals, variability, pollution, water quality.

Введение

При оценке качества воды в речных системах выделяют так называемые приоритетные загрязняющие вещества, которые обладают высоким токсичным воздействием и представляют особую опасность для различных экосистем. Наряду с установлением концентраций загрязняющих веществ в водных объектах особое значение приобретает изучение общих закономерностей их распределения по отдельным участкам водных объектов в различные фазы водного режима. Кабардино-Балкария (КБР) является одним из водообеспеченных регионов Российской Федерации. Структуру водных ресурсов республики составляют реки, озера, каналы и ледники.

Поверхностные водные объекты республики представлены речной сетью, входящей в бассейн реки Терек. Общая протяженность речной сети республики составляет 5470 км и состоит из 2172 рек и ручьев, в том числе 30 малых и средних рек. Наиболее крупные реки - Терек, Малка, Баксан, Черек, Чегем, Урух, Урвань, Нальчик, Лескен. Реки Кабардино-Балкарии берут начало в ледниках гор. Акватории рек на территории республики относятся к категории горных рек и их русла подвержены боковой и донной эрозии. В горной части реки протекают в узких каньонах, где эрозия русла не отмечается. Характерна высокая скорость водного потока, увлекающего из ледников, снежных лавин, селевых потоков большое количество наносов.

Несмотря на экологические резервы и девственную природу республики, хозяйственная деятельность человека постепенно приводит ее к загрязнению. Недостаточно развитая канализационная сеть (в сельских населенных пунктах ее практически нет) значительная часть стоков сбрасывается в выгребные ямы и на рельеф местности. При очистке стоков в естественных условиях используются так называемые поля орошения, но при этом загрязняются почвы, грунтовые воды и атмосферный воздух. Кроме того, сточные воды, прошедшие очистку через очистные сооружения, не всегда соответствуют нормативам качества (ПДС, ПДК) и в таком недостаточно очищенном виде сбрасываются в реки.

Сельское хозяйство и содержание домашнего скота тоже вносит свою лепту в загрязнение рек. Здесь большая доля воды идет на поливку и содержание животных. Стоки сельского хозяйства являются опасными для человека. Они содержат химические вещества, которые считаются губительными для живого. Также очень опасны сбросы животноводческих и птицеводческих предприятий. Очень часто отходы сливают недоочищенными, либо разбрасывают на полях. Грунт загрязняется, фекалии впитываются в грунтовые воды и дальше уходят в реки и водоемы.

Прогнозные эксплуатационные ресурсы пресных подземных вод составляют 5142,6 тыс. м³/сут (на 01.01.2004г.), что в 18 раз превышает перспективные потребности КБР, а утвержденные запасы по 27 месторождениям достигают более 946 тыс. м³/сут с высокими показателями качества питьевой воды. Однако из указанного количества месторождений пресной воды только 7 надежно защищены с поверхности земли от загрязнения, остальные находятся под угрозой вредного воздействия загрязняющих веществ из-за слабой структуры естественной защитной кровли над водоносными пластами [1], [2].

На фоне целого ряда перегруженных водных объектов страны водные ресурсы КБР находятся в относительно лучшем экологическом состоянии, хотя и не без проблем и недостатков. Целью данной статьи является представление обобщающих исследований, затрагивающих бассейновые особенности распределения соединений тяжелых металлов в речных водах предгорной зоны Центрального Кавказа за период 2005-2018 гг.

Методы и принципы исследования

Объектом исследования являлись реки КБР: Терек, Урух, Малка, Баксан, Черек и Ардон.

• Река Терек. Берёт начало на склоне Главного Кавказского хребта в Трусовском ущелье, из ледника горы Зилга-Хох на высоте 2713 м над уровнем моря. Бассейн Терека относится к Каспийскому водосборному пространству. Длина реки Терек составляет 623 км, площадь водосборного бассейна – 43200 км². Средний уклон реки Терек 4,4 м/км. В низовьях, распадаясь на ряд протоков, река Терек впадает в Каспийское море и Аграханский залив.
• Река Малка - самый большой левобережный приток Терека; длина 200 км, площадь водосбора 10500 км². Река берет начало из ледников северного склона Эльбруса и имеет горный характер течения. Площадь оледенения в бассейне реки достигает 593 км², что составляет около 6% от общей площади водосбора.
• Река Урух. Река берет начало с ледников Дигории, общая площадь которых около 130 км². В верховьях река течет в долине узкого ущелья.
• Река Ардон. Длина 102 км. Берет начало с ледников на северном склоне Кавказского хребта. Площадь всех 65 ледников, дающих начало Ардону, составляет более 70 км².
• Река Баксан. Длина реки – 169 км, площадь её водосборного бассейна - 6800 км². Баксан берёт своё начало из ледников в районе Эльбруса. Имеет множество притоков, наиболее крупными из которых являются реки Черек и Чегем, которые впадают в неё чуть выше слияния с Малкой.
• Река Черек. Образуется от слияния рек Черек Безенгийский и Черек Балкарский, берущих начало на ледниках северного склона Главного Кавказского хребта и их отрогов. Длина реки 79 км, водосборная площадь 3070 км² [3]. Как было указано выше, истоки исследуемых рек сосредоточены в высокогорной зоне и берут начало с ледников Главного Кавказского и Бокового хребтов Большого Кавказа.

Отбор проб воды проводился в постоянных пунктах. При отборе проб воды фиксировались температура воздуха, воды и прозрачность. Для определения уровня содержания растворенных форм тяжелых металлов, пробы воды фильтровали через фильтры с диаметром пор 0,45 мкм. Полученный фильтрат консервировался азотной кислотой HNO₃ из расчета 0,1 мл на 100 мл пробы. Определение растворенных форм металлов проводили методом атомно-абсорбционным спектроскопии с применением атомно-абсорбционного спектрометра с электротермической атомизацией «МГА-915М» [4].

Рис. 1 – Карта-схема пунктов отбора

 

В работе использованы многолетние данные об уровне содержания тяжелых металлов в воде 6 рек, в 6 пунктах наблюдений, расположенных в предгорной зоне Центрального Кавказа, за период с 2005 по 2018 годы. Уровень загрязнения речных вод опасными тяжелыми металлами оценивали по повторяемости превышения ПДК.

При оценке загрязненности поверхностных вод использованы «Нормативы качества водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения» [5]. Для математико-статистической обработки данных применялась программа Excel. «Общая теория статистики» [6]. 

Результаты и их обсуждение

Многолетняя (2005-2018 гг.) изменчивость уровня содержания в воде рек соединений тяжелых металлов показана по таким характеристикам, как среднемноголетнее и медианное значения концентраций, а также по диапазону колебаний концентраций (табл.1).

 

Таблица 1 – Среднемноголетние данные об уровнях содержания соединений металлов в воде исследуемых рек за 2005-2018 годы в основные фазы водного режима

Элемент	Зимняя межень			Дождевой паводок
	Хср	Х50	Хмин-Хмакс	Хср	Х50	Хмин-Хмакс
р. Терек
Mo, мкг/л	0,17	0,10	0,10-0,91	0,32	0,19	0,10-1,10
Mn, мкг/л	5,21	3,30	0,10-19,09	12,42	11,83	0,87-30,66
Zn, мкг/л	10,59	3,96	1,5-70,0	19,8	13,85	1,50-43,48
Pb, мкг/л	1,84	1,06	0,10-6,66	9,46	3,36	0,10-57,01
р. Урух
Mo, мкг/л	0,44	0,23	0,10-2,17	0,43	0,35	0,10-2,01
Mn, мкг/л	1,73	0,40	0,10-7,58	7,26	3,94	1,0-50,43
Zn, мкг/л	3,09	2,76	1,26-8,25	10,93	4,77	1,50-81,19
Pb, мкг/л	0,97	0,21	0,10-5,43	3,31	0,47	0,10-21,54

 

Окончание таблицы 1 – Среднемноголетние данные об уровнях содержания соединений металлов в воде исследуемых рек за 2005-2018 годы в основные фазы водного режима

Элемент	Зимняя межень					Дождевой паводок
	Хср	Х50		Хмин-Хмакс		Хср		Х50	Хмин-Хмакс
р. Ардон
Mo, мкг/л	0,22		0,20		0,07-0,68		0,25	0,20		0,10-0,83
Mn, мкг/л	1,15		0,25		0,10-7,57		10,71	3,52		0,10-35,95
Zn, мкг/л	3,76		3,21		0,20-1,21		10,01	5,31		1,50-57,04
Pb, мкг/л	1,1		0,36		0,10-5,99		3,77	2,58		0,10-10,82
р. Малка
Mo, мкг/л	0,21		0,10		0,10-1,10		0,30	0,27		0,10-0,64
Mn, мкг/л	1,28		0,21		0,10-12,01		7,61	3,69		0,10-47,83
Zn, мкг/л	3,17		1,50		1,16-14,16		4,35	2,93		1,50-11,21
Pb, мкг/л	0,63		0,10		0,10-3,32		1,19	0,33		0,10-4,72
р. Баксан
Mo, мкг/л	1,27		0,85		0,17-5,06		2,59	2,14		0,32-8,30
Mn, мкг/л	1,72		0,31		0,10-14,65		9,15	3,47		0,10-55,90
Zn, мкг/л	2,29		1,50		0,88-7,49		6,47	4,43		1,50-22,54
Pb, мкг/л	1,01		0,18		0,10-8,57		3,31	0,47		0,10-12,66
р. Черек
Mo, мкг/л	0,37		0,10		0,10-2,36		0,39	0,43		0,10-1,04
Mn, мкг/л	2,32		0,10		0,10-29,67		6,37	4,34		1,48-22,83
Zn, мкг/л	2,50		1,75		1,50-6,89		12,70	6,14		1,50-54,57
Pb, мкг/л	0,69		0,31		0,10-4,17		4,24	1,14		0,10-15,54

 

Как видно (табл. 1), диапазон колебаний концентраций соединений металлов в летний дождевой паводок выше, чем в зимнюю межень, исключение составляет диапазон колебаний Mo. В воде рек Малка, Урух и Черек диапазон колебаний концентраций Mo в летний дождевой паводок ниже, чем диапазон колебаний в зимнюю межень. Содержания остальных анализируемых соединений металлов, таких как Cr, Ni и Cd были существенно ниже ПДК_рыб., поэтому они в таблице 1 не представлены. В стационарных условиях во всех отобранных пробах измерялись величина рН, концентрации тяжелых металлов (Cr, Ni, Mo, Pb, Zn, Mn, Cd). В реках в период зимней межени величина pH изменялась от 7,92 до 8,54 ед., в летний дождевой паводок от 8,41 до 8,68 ед.

По соединениям Mn наибольшая повторяемость превышения ПДК_рыб наблюдается в воде реки Терек. В зимнюю межень она составляет 20%, в летний дождевой паводок около 60%. Наибольшая повторяемость случаев превышения ПДК_рыб по соединениям Zn наблюдается в летний дождевой паводок в воде рек Терек, Ардон и Черек (52%, 45% и 40% соответственно); в зимнюю межень повторяемость случаев превышения ПДК_рыб значительно меньше. Для соединений Pb максимальная повторяемость случаев превышения ПДК_рыб (50%) наблюдается в воде реки Терек в летний дождевой паводок. Доля проб, в которых за период исследования наблюдалось превышение ПДК_рыб по соединениям тяжелых металлов, в речных водах предгорной зоны Центрального Кавказа не превышала 34,5%.

Рис. 2 – Уровень соединений металлов в воде р. Терек в зимнюю межень и в дождевой паводок

Рис. 3 – Уровень соединений металлов в воде р.Урух в зимнюю межень и в дождевой паводок

Рис. 4 – Уровень соединений металлов в воде р. Ардон в зимнюю межень и в дождевой паводок

Рис. 5 – Уровень соединений металлов в воде р.Малка в зимнюю межень и в дождевой паводок

Рис. 6 – Уровень соединений металлов в воде р. Баксан в зимнюю межень и в дождевой паводок

Рис. 7 – Уровень соединений металлов в воде р. Черек в зимнюю межень и в дождевой паводок

 

Таким образом, наибольшее загрязнение воды рек предгорной зоны Центрального Кавказа наблюдается в период летних дождевых паводков, когда происходит таяние снежного покрова и смыв обломочного материала с прилегающих территорий. Доля повторяемости превышения ПДК_рыб за исследуемый период в зимнюю межень составляет 10,1%, в летний дождевой паводок – 24,4%.

В естественных условиях ионы металлов поступают в поверхностные воды в основном за счет выветривания, выщелачивания, растворения минералов и пород, слагающих водосборный бассейн, в связи, с чем микроэлементный состав воды исследуемых рек в значительной мере определяется степенью взаимодействия воды с горной породой [7].

Вертикальная зональность территории, многообразие подстилающих горных пород и почв водосборных площадей предопределяют повышенное содержание тяжелых металлов в воде рек Центрального Кавказа ледникового происхождения, т.е. загрязнение воды рек соединениями тяжелых металлов имеет в основном природный характер. В результате проведения мониторинга и анализа полученных данных предполагается в основном природный фактор загрязнения воды исследуемых рек соединениями тяжелых металлов за исключением р. Баксан.

В загрязнении рек Гижгит и Баксан тяжелыми металлами немалую роль играет хвостохранилище ликвидированного ОАО «Тырныаузский горно-обогатительный комбинат». Хвостохранилище расположено на берегах рек Гижгит и Баксан (притоком Малки, впадающей в р. Терек) в Эльбрусском районе КБР на высоте 1210-1234 м над уровнем моря. Этот район считается сейсмоопасным, а объекты находятся в аварийном состоянии. Огромное количество отходов, содержащие не только полезные (недоизвлеченные) компоненты, но и немало токсичных веществ, которые в случае прорыва дамбы хвостохранилища, могут нанести как экологический, так и материальный ущерб в значительных масштабах [8].

Заключение

В работе представлены результаты исследования изменчивости уровня содержания и сезонной изменчивости наиболее приоритетных для данной водосборной территории соединений тяжелых металлов в воде рек предгорной зоны Центрального Кавказа в основные фазы водного режима за многолетний период (2005-2018 гг). Ранее такие исследования практически не проводились.

Результаты исследования показали, что наибольшее загрязнение воды рек предгорной зоны Центрального Кавказа наблюдается в период летних дождевых паводков. Это объясняется тем, что происходит таяние снежного покрова и смыв обломочного материала с прилегающих территорий. Доля повторяемости превышения ПДК_рыб за исследуемый период (2005-2018 гг) в зимнюю межень составляет 10,1%, в летний дождевой паводок – 24,4%.

Загрязнение реки Баксан тяжелыми металлами в дождевой паводок составляет Мо – 8,30 мкг/л, Мn – 55,90 мкг/л, Zn – 22,54 мкг/л, Pb – 12,66 мкг/л. Основным загрязнителем является хвостохранилище ликвидированного ОАО «Тырныаузский горно-обогатительный комбинат».

Принятие бассейновых допустимых концентраций (БДК) по некоторым соединениям тяжелых металлов будет способствовать качественно улучшить решение водохозяйственных проблем с учетом бассейновых особенностей. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Кабардино-Балкарская Республика. – [Электронный ресурс]. –URL: https://water-rf.ru/ Регионы России/2544/ Кабардино-Балкарская Республика (дата обращения 25.08.2020).
2. Ресурсы поверхностных вод суши. Том 8. Северный Кавказ / Под ред. В.В. Куприянова. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 448 с.
3. ПНД Ф 14.1:2.253-09. Методика выполнения измерений массовых концентраций Al, Ba, Be, V, Fe, Cd, Co, Li, Mn, Cu, Mo, As, Ni, Sn, Pb, Se, Sr, Ti, Cr, Zn в природных и сточных водах методом атомно-абсорбционной спектроскопии с использованием атомно-абсорбционного спектрометра с электротермической атомизацией «МГА-915». М., 2009.
4. Перечень нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения / Приказ Росрыболовства от 13 декабря 2016 г. № 552 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно-допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения (с изменениями на 12 октября 2018 года).
5. Елисеева И.И. Общая теория статистики / Елисеева И.И., Юзбашев М.М. М.: Финансы и статистика. 2001. 480 с.
6. Atabieva F. A. Seasonal variability of the content of heavy metal compounds in the water of rivers in the foothills of the Central Caucasus / A. Atabieva, S. O Gekkieva // IOP. [Electronic resource]. – URL: Science.iop.org/artile/10.1088/1757-899x/913/5/052055
7. Реутова Т.В. Природное и антропогенное загрязнение молибденом водных объектов Центрального Кавказа и его биоиндикация / Т.В. Реутова, Ф.Р. Дреева, Н.В. Реутова // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, № 2. С. 51-60.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kabardino-Balkarskaja Respublika [Kabardino-Balkar Republic]. – [Electronic resource]. URL: https://water-rf.ru/ Регионы России/2544/ Кабардино-Балкарская Республика (accessed: 25.08.2020) [in Russian]
2. Resursy poverkhnostnykh vod sushi. Severny Kavkaz [Land Surface Water Resources Volume 8. North Caucasus] / Edited by Ph. D. of Geographic Sciences V. V. Kupriyanova. L.: Gidrometeoizdat, 1973. 448 p. [in Russian]
3. PND F 14.1:2.253-09. Metodika vypolnenija izmerenijj massovykh koncentracijj Al, Ba, Be, V, Fe, Cd, Co, Li, Mn, Cu, Mo, As, Ni, Sn, Pb, Se, Sr, Ti, Cr, Zn v prirodnykh i stochnykh vodakh metodom atomno-absorbcionnojj spektroskopii s ispol'zovaniem atomno-absorbcionnogo spektrometra s ehlektrotermicheskojj atomizaciejj «MGA-915». [PND F 14.1:2.253-09. Method for measuring mass concentrations of Al, Ba, Be, V, Fe, Cd, Co, Li, Mn, Cu, Mo, As, Ni, Sn, Pb, Se, Sr, Ti, Cr, and Zn in natural and wastewater by atomic absorption spectroscopy using an atomic absorption spectrometer with electrothermal atomization "MGA-915".] M., 2009 [in Russian]
4. Perechen' normativov kachestva vody vodnykh ob"ektov rybokhozjajjstvennogo znachenija, v tom chisle normativov predel'no dopustimykh koncentracijj vrednykh veshhestv v vodakh vodnykh ob"ektov rybokhozjajjstvennogo znachenija / Prikaz Rosrybolovstva ot 13 dekabrja 2016 g. № 552 «Ob utverzhdenii normativov kachestva vody vodnykh ob"ektov rybokhozjajjstvennogo znachenija, v tom chisle normativov predel'no-dopustimykh koncentracijj vrednykh veshhestv v vodakh vodnykh ob"ektov rybokhozjajjstvennogo znachenija (s izmenenijami na 12 oktjabrja 2018 goda). [The list of quality standards in water bodies of fishery significance, including maximum permissible concentrations of harmful substances in waters of water objects of commercial fishing importance / the Order of Rosrybolovstva from 13 December 2016 n 552 "About the statement of regulations of water quality of water bodies of fishery significance, including maximum permissible concentrations of harmful substances in waters of water objects of commercial fishing importance (as amended on 12 October 2018)] [in Russian]
5. Eliseeva I. I. Obshhaja teorija statistiki [General Theory of Statistics] / I. I. Eliseeva, M. M. Yuzbashev. M.: Finansy i statistika. 2001. 480 p. [in Russian]
6. Atabieva F. A. Seasonal variability of the content of heavy metal compounds in the water of rivers in the foothills of the Central Caucasus / F. A. Atabieva, S. O Gekkieva // IOP. [Electronic resource]. – URL: Science.iop.org/artile/10.1088/1757-899x/913/5/052055
7. Reutova T. V. Prirodnoe i antropogennoe zagrjaznenie molibdenom vodnykh ob"ektov Central'nogo Kavkaza i ego bioindikacija [Natural and Man-Made Molybdenum Contamination of Water Bodies in the Central Caucasus and Its Bioindication] / T. V. Reutova, F. R. Dreeva, N. V. Reutova // Geoehkologija. Inzhenernaja geologija, gidrogeologija, geokriologija [Geoecology. Engineering Geology, hydrogeology, Geocryology], 2018. No. 2. pp. 51-60 [in Russian]