Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Биогенное и токсическое значение калия (а также Na, Са и Mg) для гидробионтов (литературный обзор) 6
1.1. Геохимическая и токсикологическая характеристика ионов калия, натрия, кальция и магния 6
1.2. Роль ионов калия, натрия, кальция и магния в процессах жизнедеятельности гидробионтов П
1.3. Влияние отходов горнорудного производства на водоемы 34
1.4. Пресноводный зоопланктон водоемов северной Карелии 47
1.5. Исторические пути формирования некоторых групп пресноводного зоопланктона 64
Глава 2. Материалы и методы 78
2.1. Место и сроки исследования 78
2.2. Антропогенная нагрузка 83
2.3. Изучение процессов переноса загрязняющих веществ 91
2.4. Изучение состояния сообществ зоопланктона 93
2.5. Методы экспериментальных исследований .98
Глава 3. Перенос загрязняющих веществ в семи озерах системы р. Кенти в 1983-2001 гг 136
3.1. Актуальность изучения процессов распространения загрязняющих веществ в водоемах системы р. Кенти 136
3.2. Подходы к моделированию процессов распространения загрязняющих веществ в водоемах системы р. Кенти 136
3.3. Структура модели переноса загрязняющих веществ в озерах системы р. Кенти 141
3.4. Результаты расчетов на основе имитационной модели переноса калия 151
3.5. Изменение химического состава воды озер системы р. Кенти в 1992-2001 гг 157
Глава 4. Реакция сообщества зоопланктона водоемов системы р. Кенти на минеральное загрязнение в 1981-2001 гг 161
5.1. Характеристика состояния фитопланктона в водоемах системы р.Кентив 1981-2001 гг 161
5.2. Динамика численности, биомассы и структуры зоопланктонных сообществ водоемов системы р. Кенти в 1981-2001 гг 165
5.3. Динамика численности основных видов зоопланктона в озерах системы р. Кенти в 1981-2001 гг 185
5.4. Факторы воздействия и причины изменения численности различных видов зоопланктона в водоемах системы р. Кенти 214
5.5. Сравнительный анализ толерантности различных видов зоопланктона к нарушению ионного состава воды 217
5.6. Асимметрия границ толерантности 220
Глава 5. Факторы токсичности отходов горнорудного производства для планктонных ракообразных 223
5.1. Токсичность воды хвостохранилища для планктонных ракообразных 223
5.2. Токсичность основных компонентов воды хвостохранилища (калий,
натрий, кальций, магний, литий) для планктонных ракообразных 233
5.3. Комбинированное токсическое действие калия, натрия, магния и кальция на планктонных ракообразных 253
5.4. Особая роль кальция в формировании токсичности воды хвостохранилища 263
5.5. Причины токсичности воды хвостохранилища для планктонных ракообразных 268
Глава 6. Исторические и экологические факторы формирования толерантности планктонных ракообразных к минеральному загрязнению 272
6.1. Толерантность видов планктонных ракообразных к минеральному загрязнению и история формирования их адаптации к условиям пресных водоемов 272
6.2. Эколого-географическая обусловленность резистентности видов к загрязнению 284
6.3. Причины различной толерантности разных видов зоопланктона к минеральному загрязнению 291
Глава 7. Толерантность природных популяций к минеральному загрязнению 294
7.1. Границы толерантности природной популяции к калийному загрязнению , 294
7.2. Оценка суточной смертности в популяции под действием калия 298
7.3. Акклимация планктонных рачков Simocephalus serrulatus к калию..* » 300
7.4. Увеличение резистентности к калию планктонных ракообразных Sida crystallina из водоемов системы р. Кенти 306
7.5. Комбинированное действие ионов калия и кальция в хроническом эксперименте на Simocephalus serrulatus 308
7.6. Механизм формирования толерантности природной популяции к антропогенному загрязнению 314
Заключение 318
Выводы 319
Литература -^21
Приложение 344
- Геохимическая и токсикологическая характеристика ионов калия, натрия, кальция и магния
- Изучение процессов переноса загрязняющих веществ
- Подходы к моделированию процессов распространения загрязняющих веществ в водоемах системы р. Кенти
Введение к работе
Бесконечное разнообразие способов существования пресноводных планктонных организмов, этот многоцветный калейдоскоп жизненных стратегий, казалось бы, не предполагает общности реакций разных видов на действие какого бы то ни было фактора среды. И лишь человек, сбрасывая тысячи тонн загрязнителей в водные экосистемы, ставит всех обитателей в одинаково невыносимые условия. Минеральные загрязнения, на наш взгляд, служат весьма "удобным приемом" сравнительного изучения толерантных стратегий разных видов водных животных. Основной темой такого исследования становится выяснение причин вымирания или сохранения видовых популяций при высоких уровнях загрязнения среды (толерантность к вредному фактору).
В токсикологии под толерантностью к загрязнителю обычно понимается способность организма поддерживать нормальный уровень жизненных процессов в условиях химического загрязнения среды обитания (синонимы - резистентность, устойчивость) (Строганов, 1982). По мнению экологов, толерантность популяций определяется диапазоном значений фактора, в котором выделяются оптимальные условия, при которых численность популяции максимальна, и экстремальные условия, при которых наступает депрессия численности популяций (Одум, 1975; Пианка, 1981). В этой связи, мы различаем устойчивость особей (резистентность) и устойчивость популяций (толерантность) к различным уровням загрязнителей в окружающей среде.
Ответ популяции на загрязнение обеспечивается разными факторами (причинами), относящимися к нескольким уровням организации. Это - и собственно популяционные реакции (территориальное перераспределение, миграции, перестройка половозрастной структуры, рост плодовитости, отбор на повышение резистентности), и реакции организма в целом (резистентность особей, т.е. устойчивость к повреждающим факторам; акклимация, т.е. привыкание к повышенным дозам), и физиолого-биохимические ответы организменных подсистем (адаптивное изменение липидного состава мембран, изменение ионного состава внутренних сред и мембранных потенциалов, гормональные перестройки). В этом смысле под факторами, формирующими толерантность, мы понимаем свойства разных уровней организации экосистемы противостоять загрязнителю. Экологический смысл этим факторам придает выбор в качестве объекта исследования центрального компонента экосистемы -видовой популяции; в нашем случае, - популяций планктонных ракообразных, обитающих в загрязняемых водоемах северной Карелии.
Нами рассматривается случай загрязнения водоемов отходами горнорудного производства, в которых главенствуют ионы калия (концентрации в сотни раз больше фоновых уровней - 150 мг/л), а также ионы натрия, кальция и магния. Прецедентов таких наблюдений нет, потому что массовые сбросы щелочных и щелочноземельных металлов оказываются необычными только для северных регионов и не обретают роли загрязнителей во внутренних водоемах прочих европейских горнорудных провинций. Тем более нам было интересно исследовать реакцию на минеральное загрязнение горнорудного производства со стороны типичных обитателей ультрапресных водоемов Фенноскандии.
Для полноценного отображения картины антропогенной трансформации экосистем необходимо понять причины различной резистентности видов к загрязнителю как отражение специфических адаптации, сложившихся за историю развития вида. В связи с большой сложностью проблемы реконструкции экологических свойств организмов подобные эволюционные силы, ответственные за специфичную судьбу видов, как правило, не рассматриваются (Мейен, 1984). В то же время предполагается, что современные границы толерантности имеют отчетливую историческую обусловленность условиями жизни в прошлом (Пианка, 1981): приобретенные в ходе исторического развития
адаптации обусловили современную картину распространения видов. В этом ключе предпринятый нами зоогеографический анализ выступает необходимым этапом для выяснения текущих преферентных условий и связанным с ними толерантным диапазоном, ограничивающим спектр потенциально переносимых сред. Реконструкция процессов происхождения и распространения пресноводных гидробионтов должна стать ключом к объяснению их современных реакций на минеральное загрязнение (избыточное количество "природных" веществ).
Поставив в центр внимания популяцию, исследование ответа вида на интоксикацию должно проводиться на нескольких уровнях организации: на уровне экосистемы (перенос и трансформация токсиканта), сообщества (видовой состав и структура трофических связей), популяции (динамика половозрастной структуры, репродуктивный потенциал, отбор на увеличение резистентности внутрипопуляционных групп) и организма (резистентность и акклимация на разных стадиях жизненного цикла) (Безель и др., 1994; Моисеенко, 1999; Коросов, 2000). Предпринимая такого рода исследования мы отдавали себе отчет в том, что прецеденты подобных полномасштабных эколого-токси-кологических исследований крайне редки, что потребует разработки ряда новых теоретических подходов и методических алгоритмов наблюдений, экспериментов и анализа данных.
Исходя из вышеизложенного, цель нашего исследования состояла в том, чтобы объяснить различную реакцию популяций гидробионтов на минеральное антропогенное загрязнение с позиций экологической теории.
Для достижения цели решали следующие основные задачи:
изучить геохимические факторы формирования качественного и количественного состава техногенных вод хвостохранилища Костомукшского горнообогатительного комбината;
изучить уровни загрязнения, вызывавшие исчезновение видов зоопланктона из водоемов системы р. Кенти (север Карелии);
изучить резистентность пресноводных ракообразных к разным факторам минерального загрязнения и их комбинациям в эксперименте;
провести эволюционно-экологическое исследование механизмов устойчивости природных популяций пресноводных ракообразных к антропогенным нарушениям.
Благодарности
Выражаю глубокую благодарность за разностороннюю помощь в работе моему мужу и научному консультанту А.В. Коросову. а за всемерную поддержку при выполнении работы - Э. В. Ивантеру. Т.П. Куликовой и Л. И. Власовой я выражаю огромную благодарность за любезно предоставленные данные, интересное сотрудничество на протяжении многих лет, ценные советы и рекомендации при описании проб зоопланктона. Я благодарна А.К. Морозову за ценные советы при анализе гидрохимических данных и любезно предоставленные данные, М.Т. Сярки за предоставленную программу, З.С. Кауфману за советы при теоретическом осмыслении материалов, И.В. Пименовой за плодотворный, интересный совместный труд в лаборатории и экспедиции; А.А. Коросову за помощь при математической обработке и работе с компьютером. Благодарю организаторов и участников экспедиций на водоемы системы р. Кенти, без которых не были бы собраны эти уникальные данные: В.И. Кухарева, А.Р. Хазова, А.В. Рябинкина, М.В. Калмыкова, а также всех моих коллег, у которых я находила добрый совет, помощь и поддержку, без которых трудно бы было выполнить эту работу.
Геохимическая и токсикологическая характеристика ионов калия, натрия, кальция и магния
Нами изучалось влияние отходов горнорудного производства на сообщества зоопланктона водоемов Карелии. Основной фактор, воздействующий на гидробиоценозы водоемов системы р. Кенти - нарушенный ионный состав, а именно -высокие концентрации калия в техногенных водах (до 150 мг/л), и повышенные концентрации натрия, кальция и магния (10-20 мг/л). Эти катионы относятся к главным компонентам природных вод, в состав которых они входят в разных количествах и соотношениях. Для понимания особенностей и механизмов влияния изучаемого фактора (существенное преобладание ионов калия над содержанием кальция, натрия, магния) на организмы важно, во-первых, представлять биогеохимическую роль основных катионов в процессах, протекающих в биосфере, во-вторых, знать их сравнительную токсикологическую характеристику (относительно остальных неорганических веществ, например, микроэлементов); в-третьих, проследить роль этих элементов в основных процессах жизнедеятельности водных организмов в норме и патологии; в-четвертых, представлять биологические и экологические особенности планктонных организмов, которые были подвержены влиянию минеральных компонентов отходов горнорудного производства.
Калий, натрий, кальций и магний относятся к группе наиболее распространенных элементов в составе земной коры, что связано с их биогеохимическими свойствами (Иванов, 1994).
Калий. Один из главных элементов, который необходим всем жизненным формам. В зоне гипергенеза он относится к слабоподвижным компонентам сильного биологического накопления. Вынос калия особенно типичен для кор выветривания и почв влажных тропиков, где калий попадает в группу легко подвижных элементов и удаляется из верхних горизонтов. В лесных ландшафтах умеренного и холодного климата калий мигрирует значительно слабее, однако, характерен его дефицит для растений. Калий - лито- и биофилен, быстро выводится из гидрогеологического цикла миграции и часто дефицитен в биосфере. В поверхностных водоемах поведение калия подчиняется определенным закономерностям. Повышенной калиеносностью отличаются бассейны, питающиеся в основном морской водой. В континентальных водоемах максимальные концентрации калия характерны для содовых вод, промежуточные для сульфатных, низкие для хлоридных. В подземных водах содержание калия значительно выше, чем в поверхностных. Большие количества калия поступают в природную среду при производстве калийных удобрений (более 60% калия от добытого попадают в окружающую среду); выбрасываются с твердыми выбросами металлургических, химико-фармацевтических, стекольных предприятий. Калий поступает в окружающую среду с агрохимическими удобрениями, которые могут серьезно нарушать экологическую обстановку.
Натрий. Один из главных, жизненно необходимых элементов. Для натрия типичны высокая гидро- и биофильность, повышенная атмо- и литофильность. Натрий относится к подвижным катионам биосферы сильного биологического накопления и повышенной биогенности. Геохимический круговорот его в значительной мере идет в растворимой форме и охватывает все экогеохимические системы. Его геохимический цикл тесно связан с эволюцией гидросферы и активностью хлора, серы и кислорода. Натрий во многом определяет экологическое состояние почв и образует крупные природные и антропогенные концентрации, влияющие на жизнедеятельность растений и животных. Самым мощным антропогенным фактором поступления натрия в природную среду является орошение почв, вызывающее вторичное засолонение почв. В последнее столетие много натрия и других солевых компонентов поступает в природную среду при добыче руд, угля, нефти. Большое количество натрия поступает в природные воды с городскими и производственными стоками, выбрасывается при переработке K-Mg-солей, при этом концентрация натрия в природных водах увеличивается до 100-1000 мг/л.
Кальций. Главный элемент биосферы - породообразующий и биологически необходимый металл (имеет высокую биофильность и биогенность). В геохимическом цикле кальций тесно связан с круговоротом углерода. В течение истории Земли миграция кальция приобретала все более биогенный характер. Снижение парциального давления ССЬ в атмосфере, возможно, уменьшило растворимость кальция и магния в океанической воде, что привело к насыщению воды этими элементами и включению их в состав скелетов многих беспозвоночных организмов, которые широко населяли раннекембрийские моря. Кальций относительно легко выщелачивается природными водами из породообразующих минералов (плагиоклаз кальциевый авгит кальциевый амфибол), имеет высокую степень подвижности, главный элемент ионного стока (для материковых вод Ca Na Mg). Некоторые минералы кальция встречаются в живых организмах - кальцит, арагонит, различные Са-фосфаты. Кальций является ведущим компонентом во всех гидрохимических типах природных вод - гидрокарбонатных, сульфатных и хлоридных. В гидросфере кальций является легко подвижным элементом. Самое высокое его содержание характерно для кальциевого хлоридного типа глубинных рассолов (десятки г/л), сульфатных вод - 600 мг/л и более. В реках содержание кальция колеблется в пределах 6.2-186 мг/л (гидрокарбонатные воды), 3-402 мг/л (сульфатные и гидрокарбонатно-сульфатные воды). Кальций широко -используется для известкования почв, что снижает их кислотность. В промышленности большие количества кальция поступают в окружающую среду во всех горнодобывающих отраслях, при производстве стройматериалов, цементной, известковой, химической, стекольной и многих других видов промышленности.
Магний. Один из наиболее распространенных элементов Земли, составляет основу ультраосновных и основных, а также карбонатных (доломиты и магнезиты) и метаморфических (амфиболиты) пород. Главное значение магний имеет в процессах лито- и гидросферы, гораздо меньшую роль играет в биосфере, где он иногда дефицитен Гидрокарбонатные воды рек России содержат в среднем 8.4 мг/л магния. В районах соленосных отложений (р. Кама, пермь) его содержание в речных водах увеличивается до 37 мг/л. В озерных водах содержание магния связано с их соленостью. Поведение магния в воде зависит от концентрации углекислого газа. Для вод, равновесных с СО: атмосферы, концентрация магния составляет 1-40 мг/л. При контакте с магнийсодержащими породами его концентрация увеличивается. Большая растворимость сульфатов и гидрокарбонатов магния по сравнению с кальциевыми аналогами приводит к относительному накоплению магния в океанической воде. В водах с повышенной минерализацией магний преобладает над кальцием. Избыточные нагрузки магния характерны для всех горнодобывающих предприятий, а также перерабатывающей магниевой промышленности. Концентрированным источником поступления техногенного магния являются выбросы магнезитовых заводов и доломитовых производств. Высокие концентрации магния отмечались в выбросах цементных, металлургических, взрывчатых, керамических, текстильных изделий, удобрений.
Изучение процессов переноса загрязняющих веществ
Когда в 1982 г. оз. Костомукшское было отделено от нижележащих озер дамбой, начался подъем уровня воды в этом водоеме с отметки 157. 12 м абс. (Пальшин и др., 1994). В 1982 г. был введен в эксплуатацию южный канал, отводящий часть притоков в оз. Окуневое. С 1989 г. началось строительство северо-западного отводного канала, полностью введенного в строй в 1993 г. В результате строительства водоотводных каналов среднегодовое повышение уровня воды в хвостохранилище уменьшилось. Тем не менее к 1993 г. уровень воды достиг отметки 180. З м абс.
В настоящее время глубина хвостохранилища достигает 27 м, площадь зеркала -34.2 км2, объем воды - 0.43 KMJ. ПО литературным данным, хвостохранилище Костомукшского ГОКа по площади - 3400 га - одно из самых больших в России. Для сравнения: площадь хвостохранилища Михайловского ГОКа - 2212 га, Оленегорского - 1074 га, Ковдорского ГОКа - 869 га (Чайкина, Объедкова, 1995).
С начала строительства хвостохранилища в 1982 г. и до 1992 гг. основным источником загрязнения водоемов системы р. Кенти была фильтрующаяся сквозь плотину вода, которая в объеме около 2 млн. м ежегодно поступала в близлежащее оз. Окуневое, распространяясь вниз по течению в другие озера. Однако, начиная с 1994 г., объем загрязненных вод, поступающий в систему р. Кенти увеличился почти в 10 раз. Причиной этому послужила особенная ситуация, сложившаяся в хвостохранилище, поскольку сказался просчет в его строительстве. Причиной такого быстрого роста объема хвостохранилища стали особенности окружающего рельефа, представляющего собой пологую местность. В результате по мере заполнения отходами площадь поверхности хвостохранилища быстро увеличилась и стала действовать как воронка, -улавливающая атмосферные осадки. Все это привело к тому, что к настоящему времени в хвостохранилище скопился большой объем техногенных вод - OKO.JO 430 млн. м3. Большой объем воды стал давить на стенки дамбы, угрожая прорвать это сооружение. Чтобы предотвратить прорыв дамбы, в 1994-2001 гг. стали производиться регулируемые сбросы воды из хвостохранилища в нижележащие озера. Ежегодные объемы сбросов техногенных вод составляли 10-22 млн. MJ. Вода из хвостохранилища в основном объем поступает через сбросной коллектор в оз. Окуневое и далее распространяется вниз по системе р. Кенти. Примерно десятая часть объема воды, сбрасываемой их хвостохранилища, поступает в оз. Поппалиярви по северо-западному отводному каналу.
Водная система р. Кенти представляет собой 10 последовательно связанных порожистыми участками озер, загрязняемых точечным источником: техногенные воды поступают из хвостохранилища и обводных каналов в два верхних озера (Окуневое и Поппалиярви), далее распространяются вниз по системе и выносятся в оз. Ср. Куйто. Проблема загрязнения водоемов системы р. Кенти детально изучается Институтом водных проблем Севера (ИВПС) Карельского НЦ РАН. Исследования были проведены в 1970 г., 1973-1977 гг., 1981, 1984, а начиная с 1992 г. и по настоящее время наблюдения ведутся ежегодно. На основе опубликованных данных, полученных в лаборатории гидрохимии Института водных проблем Севера, нами были изучены процессы переноса загрязняющих веществ в семи озерах системы р. Кенти за период 1983-2001 гг. Использовали данные по содержанию калия в озерах Окуневое. Куроярви, Поппалиярви, Койвас. Кенто. Юляярви и Алаярви. опубликованные в открытой печати и в отчетах ИВПС (табл. 2.3.1).
Данные по химическому составу воды хвостохранилища и объемах сброса техногенных вод в водоемы системы р. Кенти были заимствованы из работ (Феоктистов, Сало, 1990; Пальшин и др., 1994; Сало и др., 1995; Морозов. 1998; Кухарев и др., 1998; Лозовик и др., 2001; Калинкина, 2002).
Для написания раздела использованы архивные данные ИВПС (за 1981-1987 гг.) и опубликованные данные ИВПС, в том числе, результаты исследований собранные в 1992-2001 гг. в рамках хоздоговорных работ по заданию Министерства экологии Республики Карелия (ответственные исполнители раздела по изучению зоопланктона -Л.И. Власова, А.Р. Хазов, Н.М. Калинкина). Данные опубликованы -з отчетах (Выполнить комплексную гидрологическую, гидрохимическую и гидробиологическую съемку озерно-речной систему Кенти-Кенто и реки Лахна в июле-августе 1994 г., 1994; Исследование устойчивости водных экосистем Карелии к антропогенному воздействию, 1994; Отчет по программе экологического контроля и оценки влияния деятельности Костомукшского ГОКа на состояние водных экосистем Кенти-Кенто -Ср. Куйто, 1996; Геохимические особенности поверхностных вод Карелии и реакция водных экосистем на антропогенное воздействие, 1998; Оценка экологического состояния водоемов озерно-речной системы Кенти-Кенто - Ср. Куйто, обусловленных влиянием техногенных вод ГОКа. 1999; Оценка влияния техногенных вод ГОКа на экологическое состояние водоемов озерно-речной системы Кенти-Кенто - оз. Ср. Куйто, 2000; Формирование химического состава поверхностных и подземных вод Карелии и изменчивость биологического разнообразия под влиянием природных и антропогенных факторов, 2001). Данные по зоопланктону, собранные в рамках проведения мониторинга за состоянием водных объектов Республики Карелия (научный руководитель - зав. лаборатории гидрохимии ИВПС КНЦ РАН П.А. Лозовик, ответственный исполнитель раздела по зоопланктону - ст. научн. сотрудник ИВПС КНЦ РАН Т.П. Куликова), были любезно предоставлены ответственными исполнителями Т.П. Куликовой и Л.И. Власовой. Основная информация о состоянии зоопланктона в водоемах системы р. Кенти представлены автором в работах (Калинкина, 1995; Калинкина, Дубровина, 1995; Калинкина и др., 1996; Kalinkina et al., 1997; Калинкина, Власова, 1998; Кухарев. Калинкина, Дубровина и др.. 1998; Кухарев, Власова, Калинкина, и др., 1998; Калинкина, 1999; Калинкина и др., 1999; Хазов и др., 1999; Калинкина, 2000; Пименова, Калинкина, 2000; Калинкина, Пименова, 2000; Калинкина, Кухарев, 2001; Калинкина, 2002; Калинкина, Кухарев, Горьковец и др., 2002; Калинкина, Кухарев, Коросов и др., 2002; Горьковец и др., 2002; Калинкина, Кухарев, Морозов, Рябинкин, 2003; Калинкина, Кухарев, Морозов, Рябинкин, Власова, 2003; Калинкина, Куликова и др., 2003;). Пробы зоопланктона отбирались в летний период (июль-август) в 1981, 1984, 1987, в 1992-2001 гг. (за исключением 1998 г.) (табл. 2.4.1). Пробы отбирали на пелагических станциях, глубина которых варьировала в пределах 4-11 м.
Для отбора проб использовали количественную сеть Джеди (диаметр 18 см, размер ячеи 99 мкм). Пробы отбирали фракционно по слоям 0-2, 2-5, 5-11 м или 0-2, 2-4, 4-11 м в зависимости от глубины на станции. На некоторых станциях (в отдельные годы) отбирали интегральную пробу, вертикально протягивая сеть от придонного горизонта до поверхностного. Всего на 37 станциях за период 1981-2001 гг. собрана 271 проба (см. табл. 2.4.1). Расположение станций отбора проб зоопланктона представлено на рис. 2.4.1. Для каждого года исследований данные усредняли.
Для анализа состояния сообществ зоопланктона в семи озерах системы р. Кенти за период наблюдений 1981-2001 гг. была создана база данных в пакете MS Access по численности и биомассе рачков. База данных состоит из 3 таблиц. Первая таблица включает описание 128 станций (год, место, орудие отбора); вторая таблица содержит данные по численности и биомассе зоопланктона разных видов; третья -характеристики 69 видов (зоогеографическая, таксономическая и др.). Всего результирующая база данных содержит около 4000 записей по 15 полям.
Подходы к моделированию процессов распространения загрязняющих веществ в водоемах системы р. Кенти
Изучение изменения экологических систем, находящихся в условиях возрастающего загрязнения, предполагает детальное знание картины распространения поллютантов от источника выбросов. На водоемах системы р. Кенти в результате поступления отходов горнорудного производства сложилась следующая экологическая ситуация. На протяжении 20 лет работы комбината, начиная с 1982 г.. антропогенная нагрузка на водоемы все время возрастала: в первое десятилетие в водоемы поступали небольшие количества техногенных вод (около 2 млн. MJ в год), а начиная с 1994 г. их количество увеличилось в 5-Ю раз и варьировало от года к году (Лозовик и др., 2001). В результате картина загрязнения всех озер в различных участках реки менялась во времени. В районе работ нет обычной для крупных водоемов сформировавшейся зоны загрязнения, которая хотя и может постепенно увеличиваться в размерах, но имеет вполне определенные очертания. Такая картина наблюдается, например, на протяжении 70 лет на Кондопожской губе Онежского озера (Онежское озеро, 2001). В озерах системы р. Кенти сложилась принципиально иная ситуация - фронт загрязнения довольно быстро продвигается вниз по течению, захватывая все новые озера, одновременно концентрации загрязняющих веществ в во всех озерах возрастают и тем больше, чем ближе расположено.озеро к источнику загрязнения (Морозов, 1998).
Описать статически наблюдаемый характер загрязнения не представляется возможным. Для изучения картины загрязнения озер системы р. Кенти требуются иные методы," а именно имитационное моделирование, позволяющее дать динамическую картину распространения загрязняющих веществ в этих водоемах (Коросов, 2002). Модель предоставляет также возможность определить, какие химические характеристики среды наблюдались в разных водоемах в разные годы. Последнее тем более важно оценить, что гидрохимические показатели известны не для всех лет и не для всех озер, например, для оз. Куроярви. Это озеро находится в верхнем течении р. Кенти, где на протяжении 1984-2001 гг. произошло вымирание многих видов зоопланктона. Однако, гидрохимические пробы в этом озере отбирались лишь в 1984, 1987, 1993 и 1994 гг. Для построения уравнений зависимости численности зоопланктона от химического состава воды важно восполнить недостающие химические данные. Динамическая модель позволила бы реконструировать процесс загрязнения за весь период во всех водоемах и пользоваться этими данными как первичным материалом.
В настоящей главе эти две задачи (изучение картины распространения загрязняющих веществ и реконструкция гидрохимических данных) решаются путем имитационного камерного моделирования процессов переноса поллютантов в водоемах системы р. Кенти.
Впервые гидрохимические наблюдения на водоемах системы р. Кенти были проведены в 1970 г. (О результатах исследований водоемов района Костомукшского железорудного месторождения, 1971), затем в 1972-1974 гг. (Водные ресурсы района Костомукшского железорудного месторождения, 1976), в 1984 г. (Гидрохимическое исследование хвостохранилища Костомукшского ГОКа и его притоков, 1984).
Ежегодные измерения химического состава воды отдельных озер выполняются, начиная с 1992 г. и по настоящее время (Морозов, 1998; Лозовик и др., 2001). По мере поступления отходов горнообогатительного комбината (с 1982 г.) в озерах системы р. Кенти наблюдается рост всех компонентов ионного состава, но в наибольшей степени возросли концентрации калия - в 300 раз по сравнению с фоновыми показателями для данного региона.
Первая попытка оценить изменение качества воды озер Окуневое и Койвас при поступлении больших количеств техногенных вод относится к 1990 г. (Феоктистов, Сало, 1990). В этой работе с помощью регрессионной степенной модели изучалось изменение суммы ионов и концентрации ионов калия в озерах системы р. Кенти:
где S - средняя концентрация консервативного вещества через время t от начала его поступления в водоем;
5» - предельное значение его концентрации в водоеме;
Sc - средняя концентрация этого вещества в водоеме до начала поступления стоков;
QB.MM - средний расход стока воды из водоема после начала поступления консервативного вещества;
W - средний объем воды в водоеме.
При условии, что начиная с 1994 г. средний ежегодный годовой объем сброса техногенных вод в систему р. Кенти составит 30 млн. м3, а концентрация калия в техногенных водах будет на уровне 150 мг/л, были рассчитаны концентрации калия в озерах Окуневое и Койвас на 1, 2 и 3 год после начала сбросов (т.е. в 1995. 1996 и 1997 гг.). Сейчас мы имеем возможность сравнить данные, рассчитанные в 1990 г., и наблюдаемые в реальности (табл. 3.2.1).
Примечание: средняя концентрация калия для поверхностного и придонного горизонтов (Морозов, 1998; Лозовик и др., 2001).
Расчетные и эмпирические данные не совпадают за исключением одного случая (оз. Окуневое, 1996 г.). Необходимо отметить, что в реальности концентрация калия в сбрасываемых техногенных водах действительно составляла около 150 мг/л, однако ежегодные объемы техногенных вод были существенно меньше - всего 9-22 млн. MJ, тем не менее в оз. Койвас наблюдались значительно большие концентрации калия, чем это предсказывалось на основе модели.
Другая модель прогнозной оценки последствий сброса техногенных вод в водоемы системы р. Кенти, основанная на уравнениях водно-солевого баланса озер, была предложена в 1995 г. (Сало и др., 1995). В модели учитывался сброс техногенной воды двумя путями (через сбросной коллектор в оз. Окуневое и по отводной трубе в северо-западный канал и далее в оз. Поппалиярви). В качестве расчетного шага в модели был выбран один месяц. Расчет среднемесячных концентраций калия в озерах был произведен на основе следующих исходных данных: объемы техногенных вод, концентрация калия в техногенных вод и разбавление техногенной воды в озерах за счет естественного притока с водосбора, задаваемого через месячную норму стока, площадь водосборов озер и фоновой концентрации калия в приточных водах. Данная модель дает общее представление о внутригодовой динамике концентрации калия в озерах в зависимости от разных объемов сброса техногенных вод. С помощью модели было установлено, что верхние небольшие озера системы достаточно быстро реагируют на сбросы техногенных вод, в то время как относительно большее по размерам оз. Койвас вследствие замедленного водообмена продолжает накапливать калий даже при отсутствии сбросов из хвостохранилиша. Однако, модель не учитывает перемешивания и расслаивания вод по плотности, изменения уровней и объемов воды в водоемах, что привело к несовпадению расчетных и эмпирических данных по содержанию калия в озерах: расчетное содержание калия для некоторых месяцев оказалось существенно ниже наблюдаемых в действительности.
