Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДАХ 7
ГЛАВА 2. РАЙОН, ОБЪЕКТЫ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 27
2.1. Природно-климатические \ словия района исследований 27
2.2. Объекты исследования 41
2.2.1. Характеристика верхнего течения р. Белая 41
2.2.2. Характеристика верхнего течения р. Урал 45
2.3. Методы исследования и объем выполненных работ 49
2.3.1. Полевые исследования 49
2.3.2. Лабораторные исследования 51
2.3.2.1. Анализ проб воды 52
2.3.2.2. Анализ проб донных отложений 53
ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ВОДЕ РЕК 57
3.1. Пространственно - временная изменчивость содержания металлов в воде р. Белая 58
3.2. Пространственно - временная изменчивость содержания металлов в воде р Урал 63
3.3. Оценка влияния хозяйственной деятельности человека на гидрохимический режим рек Белая и Урал 68
ГЛАВА 4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РЕК 71
4.1. Пространственное распределение микроэлементов в донных отложениях р. Белая 75
4.2. Пространственное распределение микроэлементов в донных отложениях р. Урал 85
4.3. Содержание органического вещества в донных отложениях рек . 93
ГЛАВА 5. ЗАВИСИМОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ОТ ИХ КОНЦЕНТРАЦИІ1 В ВОДЕ 99
5.1. Зависимость содержания металлов в донных отложениях от их концентрации в воде р. Белая
5.2. Зависимость содержания металлов в донных отложениях от их концентрации в воде р. Урал
5.3. Расчет порогового содержания металлов в донных отложениях рек 104
ВЫВОДЫ 106
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 108
ПРИЛОЖЕНИЯ 126
- Методы исследования и объем выполненных работ
- Оценка влияния хозяйственной деятельности человека на гидрохимический режим рек Белая и Урал
- Пространственное распределение микроэлементов в донных отложениях р. Урал
Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие Южного Урала как центра металлургической, машиностроительной и горнодобывающей промышленности России привело к значительному загрязнению металлами поверхностных водных объектов, находящихся в зоне воздействия промышленных комплексов данного региона. Исследования содержания микроэлементов в поверхностных водах не всегда дают возможность полноценно охарактеризовать особенность их загрязнения из-за высокой динамичности состава и дискретности поставки загрязнителей техногенными источниками. Данные поллюганты способны активно мигрировать между отдельными звеньями водной экосистемы и накапливаться в наиболее инерционном звене - донных отложениях (ДО), являющихся интегральным показателем уровня её загрязненности (Брукс, 1982; Линник и др., 1986; Мур и др., 1987; Богдановский, 1994; Коломийцев и др., 1997; Лепехин и др., 1999; Косов и др., 2001, 2002; Янин, 2002; Гусакова, 2004; Водяницкий, 2005).
Главными водными артериями Южного Урала, испытывающими значительное антропогенное влияние, являются реки Белая и Урал. Верховья рек зарегулированы, созданы крупные водохранилища для целей водоснабжения промышленных узлов городов черной металлургии России -Белорецк и Магнитогорск. Сточные воды и выбросы предприятий оказывают существенное влияние на качество воды и ДО этих рек и ограничивают их использование для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых нужд населения. В связи с этим, изучение динамики содержания микроэлементов в воде и ДО верховий рек Белая и Урал является актуальной проблемой.
Цель работы - анализ пространственной и временной изменчивости содержания микроэлементов в воде и ДО верховий рек Белая и Урал в зоне влияния предприятий металлургического комплекса.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: 1. Определить содержание микроэлементов в воде и ДО рек Белая и
Урал и их водохранилищах, различающихся по возрасту, режиму эксплуатации, самоочищающей способности, количеству веществ, поступающих с поверхностным и хозяйственным стоками.
2. Провести эколого-геохимическое зонирование рек по уровню загрязнения металлами воды и ДО; выделить элементы, которые могут служить индикаторами напряженности экологической ситуации в районе исследований.
Оценить степень влияния хозяйственной деятельности человека на гидрохимический режим водотоков на основе определения количественных показателей стока исследуемых микроэлементов.
Определить содержание металлов в тонкодисперсной фракции ДО для оценки экологического состояния верховий рек Белая и Урал с учетом международных требований.
Выявить зависимость накопления металлов в ДО от содержания в них органического вещества.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование содержания микроэлементов верховий рек Белая и Урал, изучены закономерности их изменчивости в воде и ДО, установлены металлы -индикаторы неблагоприятной экологической ситуации в зоне промышленного освоения рек. Для объективной оценки экологического состояния рек и водоемов предложено использование содержания металла в тонкодисперсной фракции ДО. Рассчитаны пороговые концентрации металлов в глинистом иле исследуемых рек.
Теоретическое значение. Полученные данные служат теоретической основой для разработки основных направлений природоохранных мероприятий, обеспечивающих экологическую безопасность населения в регионе.
Практическая значимость. Изучение содержания металлов в воде и ДО рек позволяет провести эколого-геохимическое зонирование верховий рек Белая и Урал в условиях воздействия предприятий металлургического комплекса. Результаты исследований могут быть использованы для оценки фонового уровня микроэлементов и установления региональных нормативов их содержания в ДО рек, а также для разработки экологических паспортов изученных водных объектов.
Организация исследований. Исследования проводились в рамках плана научно-исследовательской работы кафедры экологии Сибайского института (филиала) Башкирского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на региональной научно-практической конференции «Технология, автоматизация, оборудование и экология промышленных предприятий» (Стерлитамак, май 2008); на IV Международной научной конференции «Экологические проблемы бассейнов крупных рек - 4» (Тольятти, сентябрь 2008); на региональной научно-практической конференции «Агроэкологические и социально-экономические проблемы и перспективы развития АПК Зауралья» (Сибай, апрель 2009); на научно-практической конференции «Неделя науки - 2009» Сибайского института (филиала) Башкирского государственного университета (Сибай, март 2009); на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы охраны почв, биологического разнообразия и здоровья человека в условиях трансформированной среды обитания» (Оренбург, июнь 2009); на IV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, октябрь 2009); на Международной научно-практической конференции «Чистая вода - 2009» (Кемерово, октябрь 2009); на Всероссийской научно-практической конференции «Устойчивое территориальное развитие: теория и практика» (Сибай, ноябрь 2009).
Личный вклад автора. Автор принимал участие в разработке темы и планировании исследований. Доля участия автора в выполнении полевых и лабораторных исследований - 80%.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности пространственного распределения и временной изменчивости содержания микроэлементов в воде и ДО рек Белая и Урал и их водохранилищах.
Результаты количественной оценки степени интенсивности влияния хозяйственной деятельности человека на гидрохимический режим исследуемых рек.
Оценка техногенного загрязнения рек по насыщенности металлами тонкодисперсной фракции ДО водных экосистем.
Накопление органического вещества в ДО водотоков обуславливает повышенные концентрации металлов на некоторых участках рек Белая и Урал.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 126 страницах печатного текста; состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы и приложения; содержит 25 рисунков и 14 таблиц. Библиографический список включает 198 источников, в том числе 35 на иностранных языках.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору биологических наук, профессору СИ. Янтурину за внимание, ценные советы и помощь в написании работы; инженеру СГА Центральной химической лаборатории обогатительной фабрики Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината Э.М. Сиражетдиновой за помощь в проведении лабораторных работ и предоставление оборудования для отбора проб; доктору биологических наук, профессору Я.Т. Суюндукову, к.б.н., доцентам И.Н. Семеновой, Г.А. Ягафаровой за практические советы и содействие в написании работы.
Методы исследования и объем выполненных работ
Полевые исследования проводились в период с мая 2007 по июнь 2009 гг. и включали в себя:
отбор проб воды рек и водохранилищ - 240 образцов;
отбор проб донных отложений рек и водохранилищ - 48 образцов.
Наблюдательная сеть включала 9 створов, из них три располагались на р. Белая и шесть на р. Урал (рис. 2):
1Б - д. Махмутово, расположенная в 30 км от истока р. Белая - приравнена к местному биогеохимическому фону; 2Б - Белорецкий пруд находится в 136 км от истока; ЗБ - д. Ломовка, расположенная в 10 км ниже Белорецкого пруда. 1У - д. Форштадт, расположенная в 140 км от истока р. Урал и в 35 км выше Верхнеуральского водохранилища - приравнена к местному биогеохимическому фону;
2У - Верхнеуральское водохранилище, нижний створ которого расположен в 238 км от истока реки;
ЗУ - пос. Приморский, расположен в 5 км ниже Верхнеуральского водохранилища и в 25 км выше Магни гогорского водохранилища; 4У - Магнитогорское водохранилище, нижний створ которого находится в 285 км от истока реки;
5У - пос. Янгельский, расположен в 50 км ниже Магнитогорского водохранилища;
6У - с. Кизильское, расположенное в 120 км ниже Магнитогорского водохранилища.
Отбор проб воды осуществляли в период с мая 2007 г. по апрель 2009 г. в соответствии с ГОСТ Р 51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб» с приповерхностного горизонта объемом 500 см в полиэтиленовые бутыли, предварительно обезжиренные растворами синтетически моющих средств, промытые водным раствором азотной кислоты (1:1), обессоленной и анализируемой водой. В каждом створе отбирали 3 пробы воды, которые объединялись и анализировались в день отбора без предварительного концентрирования.
Отбор проб донных отложений проводили в летний период (июнь-июль 2008-2009 гг.) в соответствии с ГОСТ 17.1.5.01. Верхний слой ила мощностью до 10 см отбирали с помощью ковшового дночерпателя вполиэтиленовые пакеты. При этом послойного разделения пробы не осуществлялось. Масса влажной пробы составляла приблизительно 300 г. Во избежание влияния неоднородности грунта на получаемые результаты, в каждом створе отбирали 3-4 образца отложений. Донные осадки высушивались при комнатной температуре и были просеяны через сито d = 0,5 мм для удаления дрейсены и фракции гальки (Шепелева, 2004). Далее образцы грунтов объединялись путем квартования в одну усредненную пробу, с которой проводили лабораторные исследования.
Для определения содержания тяжелых металлов в образцах воды и донных отложений использовался метод атомно-абсорбционной спектрофотомерии (ААС), как один из наиболее селективных, воспроизводимых методов, позволяющих решать задачи экологического мониторинга. Следует отметить, что в настоящее время атомно-абсорбционный анализ является одним из наиболее точных аналитических методов, отличающимся высокой избирательностью и быстротой исполнения (Химическая энциклопедия, 1988; Майстренко и др., 1996).
Метод основан на измерении величины поглощения резонансной линии определенного элемента при прохождении света через облако паров (свободных атомов) данного элемента согласно закону Ламберта-Бугера-Бера. Сущность метода заключается в способности ато?лов каждого элемента поглощать свет той же длины, которые они испускают. Данный метод особенно удобен для анализа растворов, так как в этом случае диссоциация молекул анализируемого вещества на атомы может быть достигнута термически в пламени газовой горелки. В сильно окисленном воздушно-ацетиленовом пламени определение уровня микроэлементов достаточно селективно (Химическая энциклопедия, 1988; Золотов и др., 2004).
Исследования проводились в центральной химической лаборатории обогатительной фабрики Сибайского филиала Учалинского горнообогатительного комбината на аппарате «CONTR АА» (Германия) с пламенным атомизатором "ацетилен-воздух". Пробы анализировались в соответствии с МУ ПНД Ф 14.1:2:4.139-98 (Методика измерений..., 2004) и МУ РД 52.18.685 (Методические указания..., 2006).
Оценка влияния хозяйственной деятельности человека на гидрохимический режим рек Белая и Урал
Для практического использования Белорецкого пруда на р. Белая, Верхнеуральского и Магнитогорского водохранилищ на р. Урал необходимо знать изменения, которые происходят в химическом составе воды в результате вмешательства человека. Для определения действия металлов на гидрохимический режим рек Белая и Урал ниже исследуемых водохранилищ проводили сопоставление величин среднего стока микроэлементов за год. Сток каждого ингредиента определяли по произведению среднегодовой концентрации его на модуль стока за год. Величина аккумуляции стока рассчитывалась как разность стоков выше и ниже водохранилища. Далее сопоставляли величины аккумуляции химического и водного стоков (Кривопалова, 1980).
Величины среднегодовых стоков Си, Zn, Fe за период 2007-2009 гг. в воде верховий рек Белая и Урал представлены в таблице 4.
Следует отметить, что величины аккумуляции стока всех исследуемых ингредиентов на участке реки Форштадт - Приморский по знаку и величине близки к величине аккумуляции воды. Такая согласованность отмечена для водохранилищ, гидрохимический режим которых определяется в основном режимом р. Урал (Кривопалова, 1980; 1998) Следовательно, р. Урал до зоны промышленного освоения, в том числе и Верхнеуральское водохранилище, обладает хорошей самоочищающей способностью. Строительство данного водохранилища не повлияло на гидрохимический режим водотока. По литературным данным, в подобных условиях, вода по химическому составу соответствует данной географической зоне, в которой класс воды гидрокарбонатный, минерализация не превышает 850 мг/дм , высокая прозрачность и низкая цветность, биомасса фитопланктона - не более 1 мг/дм3 и водоем олиготрофный с преобладанием процессов самоочищения (Кривопалова, 1995).
Для меди и цинка, величины аккумуляции их стоков на участке рек Белая и Урал в зоне промышленного освоения, отличаются по знаку от аккумуляции воды. Превышение стока Си, Zn в воде ниже Белорецкого пруда и Магнитогорского водохранилища по сравнению с водными массами до них, по-видимому, связано со значительным влиянием на формирование качества воды промышленных и хозяйственных сточных вод. Можно предположить, что гидрохимический режим рек Белая и Урал ниже исследуемых водохранилищ азонален для данного природного ландшафта (Кривопалова, 1980). В подобных условиях происходит изменение класса воды, повышение минерализации до 1 г/л, изменение соотношения между ионами (преобладание сульфатов и хлоридов), биомасса фитопланктона может достигать десятки и даже сотни мг/л. В отдельных случаях, возможно, появление солелюбивых водорослей и смещение экологического равновесия в сторону превышения первичной продукции либо деструкции. Такие водоемы становятся эвтрофными с преобладанием загрязнения (Кривопалова, 1995). Следовательно, участки рек Белая и Урал в зоне промышленного освоения, в том числе и водохранилища, обладают низкой способностью к самоочищению в отношении меди и цинка.
Таким образом, техногенное загрязнение среды металлами, накладываясь на повышенный геохимический фон исследуемых территорий, приводит к значительным изменениям химического состава воды рек, а также способности рассматриваемых водотоков к самоочищению.
Пространственное распределение микроэлементов в донных отложениях р. Урал
Средние концентрации микроэлементов (Си, Zn, Fe, Mn, Cd, Pb) и пределы их колебания в донных осадках верховья р. Урал отражены в табл. 10, из которой следует, что в распределении металлов ниже по течению водотока также наблюдается неравномерность.
Пространственная изменчивость микроэлементов в отложениях верховья р. Урал показана на рис. 13, 14. В исходных образцах фунтов фонового створа (Форштадт) наблюдалось превышение нормы только для кадмия (1,7 ПДК) и кларка для железа в 1,7 раза.
Согласно классификации (Мюллер, 1997) донные осадки этого створа по содержанию Си и РЬ в тонкодисперсной фракции относятся к 1-му игео-классу (до умеренно загрязненный), а по концентрациям Zn - к 0-му игео-классу (практически незагрязненный). Повышенное содержание Cd в глинистом иле относит состояние грунтов к 4-му игео-классу (сильно загрязненный).
На изменение состава донных отложений р. Урал в зоне умеренной антропогенной нагрузки (Верхнеуральское водохранилище, Приморский) оказывает влияние сельское хозяйство (применение удобрений, использование техники) и стоки животноводческих комплексов. В частности, отмечается увеличение содержания некоторых микроэлементов в исходных грунтах этих створов по сравнению с фоном.
В Верхнеуральском водохранилище показатели накопления составляли для Zn - 20%, Fe - 20%, Mn - 26%, Pb - 22%. Возможно, это связано с резким увеличением русла реки и падением скорости её течения, что способствует интенсификации седиментации и, соответственно, скоростей осаждения взвесей, а значит, и степени аккумуляции металлов в исходных образцах отложений (Косов и др., 2001). В донных осадках этого водохранилища наблюдалось превышение допустимых норм по Мп (1,1 ПДК), Cd (1,5 ПДК)
В створе Приморский показатели накопления Zn и Fe по отношению к фону возросли, соответственно, до 54 и 25%, для Мп незначительно снизился - до 16%. Возможно, повышение содержания данных элементов в исходных образцах, обусловлено выносом их из грунтов Верхнеуральского водохранилища в водную толщу с дальнейшим переосаждением (Шепелева, 2004). Одновременно в осадках этого створа наблюдалось превышение ПДК концентрации кадмия в 1,3 раза, и кларка железа - в 2,1 раза.
По содержанию Си в тонкодисперсной фракции донные осадки Верхнеуральского водохранилища и створа Приморский относятся к 1-му игео-классу (до умеренно загрязненный), по Zn к 0-му игео-классу (практически незагрязненный), по Cd к 4-му игео-классу (сильно загрязненный), по РЬ к 0-му игео-классу (практически незагрязненный) и к 1-му игео-классу (до умеренно загрязненный) соответственно. Грунты створа Приморский загрязнены Мп, содержание которого в глинистом иле превышало значение фона в 2,7 раз. Возможно, это обусловлено с близлежащим расположением Ниязгуловского месторождения марганцевых руд в Абзелиловском районе Республики Башкортостан (Фаткуллин, 1994, 1996)
Донные отложения Магнитогорского водохранилища имеют повышенные концентрации микроэлементов, главным источником которых является сточные воды промышленного узла г. Магнитогорск. Показатели накопления микроэлементов в исходных образцах донных отложений по отношению к фону составили для Zn - 90%, Fe -20%, Мп - 37%, РЬ - 5%. Максимальная концентрация цинка на исследованном участке р. Урал, зафиксированная в исходных грунтах Магнитогорского водохранилища, превышает ПДК в 1,3 раза. Содержание Мп в техногенных илах выше нормы в 1,2 раза, Cd - в 1,3 раз и кларка железа в 2 раза. Известно (Линник и др., 1986; Водяницкий, 2005), что растворимые формы железа (II) и марганца (II), поступают в водохранилище вместе с промышленными стоками металлургического комбината и выпадают в осадок в виде гидроксида железа (III) и оксида марганца.
В исходных образцах отложений створа Янгельский зафиксировано превышение фонового значения только для Мп - 8% и его концентрации оставалось ниже ПДК. Возможно, это обусловлено крупными размерами осадка оксидов марганца (бернессита), составляющего тяжелую фракцию грунтов (Водяницкий, 2005), которые легко выносятся из Магнитогорского водохранилища (Шепелева, 2004). Одновременно в донных осадках этого сгвора наблюдалось превышение допустимых норм по содержанию Cd (1,5 ПДК) и величины кларка железа - в 1,6 раз.
В грунтах створа Кызыльское превышение фона характерно для Cd, где показатель накопления составил 76% (рис. 14Б), что связано не только со снижением скорости течения реки, но и, возможно, обусловлено поставкой взвешенных частиц с водами бокового притока Большой Кизил и абразией берегов реки (Выхристюк и др., 2003). При этом количество металла было выше допустимой нормы в 2,9 раз.
