Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. Методы химического анализа и обеспечение аналитической
репрезентативности гидрохимических данных 9
1 Л. Главные ионы (Са2+, Mg2+, Na+, К+, CI", SO42", анионы органических кислот)
и щелочность воды 10
Косвенные показатели содержания органического вещества (БО, ХПК, ПО, цветность, БПК) 22
Биогенные элементы (Робщ, Рмш, NH4+, Шг\ NO3', Noftu) 27
Литофильные элементы (Fe, Mn, Si, F", А1) ' 33
Определение кислорода, углекислого газа, рН воды и взвешенных веществ 39
Микроэлементы и нефтепродукты 47
Организация и проведение химико-аналитического контроля поверхностных вод 51
ГЛАВА 2. Разработка и совершенствование методов аналитического контроля
природных и загрязненных вод 55
2.1. Газохроматографическое определение летучих фенолов в сточных и
загрязненных водах 55
2.2. Спектрофотометрическое определение п - хинонов в природных и
сточных водах 58
Определение лигниновых веществ методом дифференциальной УФ-спектроскопии 64
Определение органического углерода в природных водах с использованием
системы непрерывного газового потока 74
Определение цветности воды по интегральной интенсивности поглощения света 80
Определение гидрокарбонатов в присутствии анионов органических кислот 84
Определение константы диссоциации гумусовых кислот природных вод 92
ГЛАВА 3. Гидрохимическая характеристика поверхностных вод Карельского
гидрографического района 112
Минерализация и ионный состав воды 112
Органическое вещество 124
Биогенные элементы 131
3.3.1.Соединения фосфора 132
3.3.2. Соединения азота 137
3.4. Литофильные элементы и микроэлементы 145
Соединения железа и марганца 145
Кремний, алюминий и фториды 150
3.5. Растворенные газы и рН воды 153
Кислород 153
Углекислый газ 160
Водородный показатель (рН) 162
3.6. Загрязняющие вещества (тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы) 164
ГЛАВА 4. Геохимическая классификация поверхностных вод гумидной зоны 166
Кислотно-основное равновесие поверхностных вод гумлдной зоны 166
Теоретические основы классификации вод 176
Классификация по гумусности воды 177
Классификация по щелочности воды 183
Классификация водных объектов по уровню трофии 191
4.3. Распределение поверхностных вод Карелии по геохимическим классам. 195
Распределение вод по гумусности 196
Распределение вод по щелочности 199
Распределение вод по гумусности и щелочности 202
Распределение химических показателей (Fe06m, Р0бщ, СОг, рН) по
геохимическим классам вод ^ 206
4.3.5. Распределение поверхностных вод по уровню трофии 209
Объединенная классификация по гумусности, щелочности и трофности 214
Интегральная оценка качества поверхностных вод : 221
ГЛАВА 5. Формирование химического состава поверхностных вод 226
5.1. Поступление химических веществ с атмосферными осадками 226
Характеристика химического состава атмосферных осадков 227
Характеристика выпадений с атмосферными осадками 234
Поступление химических веществ с водосборов рек 239
Формирование химического состава озёрных вод 241
Автохтонное и аллохтонное ОВ природных вод гумидной зоны 251
Элементный состав органического вещества природных вод гумидной зоны 267
Влияние температуры, разбавления, содержания кислорода и биогенных
элементов на скорость трансформации органического вещества 274
5.7. Обменные процессы «вода - дно» 281
ГЛАВА 6. Антропогенные нагрузки на водные объекты и их устойчивость
к внешнему воздействию 293
Антропогенная нагрузка на озерные экосистемы от точечных источников загрязнения 294
Антропогенная нагрузка на озерные экосистемы от рассеянных источников
загрязнения 297
'6.2.1. Антропогенная нагрузка на озерные экосистемы от рассеянных источников
загрязнения 298
6.2.2, Антропогенная нагрузка на речные системы от рассеянных источников
загрязнения 304
Буферная емкость поверхностных вод гумидной зоны и их устойчивость к закисленню 314
Влияние ионного состава на устойчивость к калийной нагрузке 344
Оценка степени загрязнения водоемов по химическим показателям 348
Нормирование биогенной и органической нагрузки на водные объекты 353
ГЛАВА 7. Изменение гидрохимического режима водных объектов Карелии
в результате антропогенного влияния 356
Северный район Ладожского озера и его притоки 356
Онежское озеро и его притоки 369
Северное Выгозеро и река Н. Выг 379
Озерно-речная система Кенти 396
Озера Суоярви и Исо-Пюхяярви 407
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 414
Литература 422
Приложение 449
«#
Введение к работе
В связи с продолжающимся антропогенным воздействием на окружающую среду, в том числе и водную, в последние годы крайне назрела потребность в адекватной оценке ее состояния и изменений, а также необходимость нормирования антропогенной нагрузки. Решение этой проблемы возможно только при наличии теоретически и экспериментально обоснованной методологии. Применительно к водной среде она должна базироваться на изучении геохимических особенностей природных территорий с учетом климатических и гидрологических факторов, оценке всех видов антропогенной нагрузки и внутриводоемной трансформации веществ, что позволяет выработать критерии состояния и допустимого воздействия на водные объекты.
Имеющиеся в настоящее время подходы к решению проблемы базируются, как правило, на односторонней оценке отдельных факторов воздействия, без учета всего комплекса процессов, происходящих в водной среде. В данной работе рассмотрены важные и неразработанные на сегодня аналитические и геохимические аспекты, связанные с исследованием функционирования водных экосистем. Анализ и обобщение опубликованных в литературе и собственных теоретических, экспериментальных и натурных данных по многочисленным объектам позволили создать, на наш взгляд, целостную систему гидрохимических исследований в этом направлении. В результате были разработаны гидрогеохимические критерии состояния и устойчивости к антропогенному воздействию поверхностных вод гумидной зоны, большое разнообразие которых имеется в Карелии.
Основными последствиями антропогенного влияния на водные объекты является их евтрофирование, закисление, загрязнение токсичными веществами и изменение физико-химических параметров [Моисеенко, 1997]. Устойчивость водных объектов к антропогенному воздействию зависит от их гидрологического, термического и гидрохимического режимов и определяется природными особенностями как самих водоемов, так и водосборной территорией, и в конечном итоге она отличается для разных климатических зон. К таким зонам относится и обширная северная гумидная. В современный период имеется достаточно много сведений по режиму вод суши, касающихся главным образом отдельных водных объектов, бассейнов, территорий. В работах отечественных классиков-гидрохимиков О.А. Алекина [1970], Б.А. Скопинцева [1950], A.M. Никонорова [1991] рассматриваются общие вопросы формирования и режима вод суши, но в них недостаточно уделено внимания особенностям поверхностных вод различных климатических зон, в том числе и северной гумидной. В настоящей работе предпринята попытка расширения теории для водоемов гумидной зоны. В связи со значительным антропогенным воздействием в настоящее время осталось очень мало неизмененных территорий, а для адекватной оцен-
ки изменений в окружающей среде требуется знание фоновых характеристик. Для этих целей весьма интересными и информативными являются поверхностные воды Карелии в связи с обилием в ней водных ресурсов (более 60 тыс. озер и 10 тыс. рек), относительно мало подверженных антропогенному влиянию, на примере которых можно охарактеризовать основные геохимические черты и особенности природных поверхностных вод гу-мидной зоны.
В основу данной работы были положены сведения, собранные более чем по 800 объектам Карелии, исследования которых были проведены в 1985-2003 гг. на единой методологической основе при непосредственном участии и научном руководстве автора в рамках фундаментальных и прикладных тем Института водных проблем Севера Карельского НЦ РАН, а также дипломные проекты, подготовленные в Карельском педагогическом университете.
Для того, чтобы адекватно оценить состояние природной среды, требуется в первую очередь обеспечение аналитической репрезентативности гидрохимических данных. В представленной работе наряду с разработкой и усовершенствованием многих методов анализа природных и загрязненных вод проведено сопоставление всех методов, которые использовались при анализе поверхностных вод, что позволило установить достоверность информации, полученной в более ранний период. Несмотря на то, что в России введена обязательная государственная аккредитация экоаналитических лабораторий, на сегодня отсутствует современная научная методическая база по химическому анализу природных и сточных вод, необходимая для реализации положений Водного кодекса и других нормативных документов. Ранее такую роль успешно выполнял Гидрохимический институт. Фактически в большинстве аттестованных методиках используется Руководство по химическому анализу природных вод, изданное ГХИ в 1977 г. под редакцией А.Д. Семенова, а также пособие Ю.Ю. Лурье и А.И. Рыбниковой по химическому анализу производственных сточных вод [1974] и методы анализа института ГЕОХИ РАН [1977]. Отсутствие во многих изданиях подтверждения достоверности полученной гидрохимической информации не позволяет широко использовать литературные сведения по другим объектам для сравнения их состояния и обобщения данных.
Другая проблема, с которой сталкиваются многие исследователи, - это отсутствие единой геохимической классификации поверхностных вод различных климатических зон. Огромное количество объектов с разными гидрологическими и гидрохимическими характеристиками затрудняет анализ изменения их режима. Имеющиеся на сегодня подходы в этом направлении [Китаев,1988; БарановД962; Heinonen, 1994; Vuoristo, 1998] касаются формальной градации химических показателей без достаточного на наш взгляд теоретиче-
7 ского обоснования пределов их изменчивости. Такой методологической основой геохимической классификации может быть кислотно-основное равновесие поверхностных вод гу-мидной зоны, учитывающее две системы: гумусную, отражающую наличие ОВ гумусной природы, и карбонатную, обусловленную минеральными компонентами. Данный подход был реализован автором в настоящей работе.
В последнее время накоплен достаточно большой объем информации по закисленню вод суши и по его влиянию на биоту. Обобщающая монография по этой проблеме подготовлена чл. корр. РАН Т.Н. Моисеенко [2003]. При этом оценка степени закислення осуществляется главным образом по модели А. Хенриксена [1992], в которой не учитываются гидрологические особенности озер и очень важный геохимический фактор - буферная емкость. Использование нового методического подхода позволяет выявить устойчивость водных объектов к кислотной нагрузке в зависимости от их удельного водосбора и буферной емкости.
Вопросам формирования химического состава вод уделяется достаточно большое внимание в литературе, но как правило, оно касается характеристики состава вод источников формирования, а внутриводоемную трансформацию учитывают только по удерживающей способности [Vollenweider, 1975], которая не является эквивалентом скорости трансформации вещества в озере. Определение последней представляет наибольший научный и практический интерес. Данную проблему удалось реализовать на основе балансовой модели формирования состава воды в озере и получить уравнение связи скорости трансформации неконсервативного вещества от его средних концентраций в озере, в приточных водах и от времени водообмена. Установлена закономерность, что отношение удельной скорости к внешней нагрузке является постоянной величиной и определяется только временем водообмена озер. Это в свою очередь позволило выявить природные нагрузки на водные объекты, водосборы которых были преобразованы давно.
Важной проблемой, которая требует решения, является оценка допустимого антропогенного воздействия на водные объекты и уровня их загрязнения. По этому вопросу также имеется достаточно много неопределенности. Для нормирования физико-химических параметров водной среды предложен принцип сохранения геохимического класса вод при антропогенном воздействии. Для токсичных веществ в качестве регламентирующего показателя используется региональная величина ПДК, учитывающая как фоновые характеристики поверхностных вод, так и рыбохозяйственную величину ПДК. В этом плане удалось сочетать как принцип геохимического фона, к которому адаптировалась биота, так и принцип токсичности вещества для гидробионтов, в отличие от методик С.А. Патина [1979], Д.Г. Замолодчикова [1993], Г.Т. Фрумина [1998], в которых учитыва-
8 ется только первый принцип, и от методических рекомендаций Гидрометеоцентра [1988], в которых рассматривается исключительно второй.
Научная и практическая значимость работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании гидрогеохимических критериев состояния и устойчивости водных объектов к антропогенному воздействию. Разработана методология гидрохимических исследований, обеспечивающая получение надежных данных по функционированию водных объектов, формированию химического состава их воды и его трансформации под действием внешних физических факторов и внутриводоемных процессов. Полученные результаты были широко использованы для принятия разнообразных решений управленческого характера, в частности, по оптимизации сбросов целлюлозно-бумажных предприятий в водные объекты Карелии, решения вопросов попусков воды из хвостохранилища Костомукшского ГОК'а и при нормировании антропогенного воздействия на водные объекты. Предложены новые высокочувствительные методы анализа природных и загрязненных вод. Разработана геохимическая классификация поверхностных вод гумидной зоны на основе теории кислотно-основного равновесия. Установлены геохимические константы, характеризующие процессы, протекающие в водной среде. Обоснованы критерии оценки допустимой минеральной, биогенной, органической, кислотной и токсической нагрузки на водный объект, на основании которых определены уровни допустимого антропогенного воздействия на водные объекты Карелии.
Разработанная методология оценки состояния поверхностных вод под влиянием внешних факторов и внутриводоемных процессов позволяет использовать ее для нормирования антропогенного воздействия на водные объекты. На основании критериев устойчивости водных объектов к нагрузкам различных видов могут быть разработаны региональные нормативы по сбросу загрязняющих веществ, по сельскохозяйственному использованию земель, их мелиорации, а также по критическим кислотным, биогенным, минеральным и органическим нагрузкам. В конечном итоге это дает возможность осуществлять природоохранную деятельность на научной основе. Предложенная методология является достаточно общей и может быть применена к другим климатическим зонам.
Похожие диссертации на Гидрогеохимические критерии состояния поверхностных вод гумидной зоны и их устойчивости к антропогенному воздействию
