Содержание к диссертации
Введение
1. Общая характеристика и гидрологический режим бассейна реки
1.1. Географическое положение бассейна реки 8
1.2. Характеристика природных и антропогенных факторов, формирующих водный режим реки 12
1.3. Геолого-геоморфологические условия в пределах водосборного бассейна 18
1.4. Гидро - климатические условия формирования поверхностного стока 24
1.5. Характеристика почвенного покрова и растительных сообществ бассейна реки 27
1.6. Питание реки и внутригодовое распределение стока 31
1.7. Речной сток. Фазы водного режима 33
2. Обзор и методы исследования
2.1. Краткая история развития и современное состояние гидрохимических исследований реки 38
2.2. Методы полевых и аналитических исследований 41
2.3. Методы оценки экологического состояния водного объекта 48
3. Факторы формирования и гидрохимический режим реки
3.1. Факторы формирования высоких концентраций тяжелых металлов в почвах бассейна, воде и донных отложениях реки 55
3.2. Пространственно - временные изменения химического состава речных вод 62
3.3. Гидрохимия фоновых участков реки 69
3.4. Гидрохимия техногенных участков реки 73
3.5. Влияние техногенного загрязнения на изменение гидрохимических параметров воды.. 83
4. Химический состав почв бассейна и донных отложений реки
4.1. Пространственное распределение тяжелых металлов в почвах бассейна и донных
отложениях реки 95
4.2. Формы нахождения тяжелых металлов в почвах и донных отложениях 112
4.3. Экологическое состояние донных отложений 121
5. Экологическое состояние бассейна р. Миасс и мероприятия по защите водного объекта 127
Заключение 139
Список использованной литературы 142
Приложения 161
- Характеристика природных и антропогенных факторов, формирующих водный режим реки
- Методы полевых и аналитических исследований
- Пространственно - временные изменения химического состава речных вод
- Формы нахождения тяжелых металлов в почвах и донных отложениях
Введение к работе
Актуальность работы. Проблемы охраны природы и использования водных ресурсов нашей страны с каждым годом приобретают все большее значение. Это связано с рядом причин ясно обозначившимся в последние десятилетия: 1) дефицитом водных ресурсов; 2) ростом промышленного развития; 3) урбанизации территории; 4) сбросом в водные объекты загрязняющих веществ. В частности, Челябинская область является одной из водо-дефицитных в России, где при минимальных природных запасах очень высок уровень питьевого и промышленного водопотребления. Одним из важных источников водоснабжения в области является р. Миасс. Зарегулированная двумя водохранилищами, она пересекает область в широтном направлении. В ее бассейне располагаются не только природные, но и крупные хозяйственные объекты, в результате чего бассейн реки подвергается интенсивной антропогенной нагрузке от деятельности горно-перерабатывающих и металлургических предприятий, с одной стороны, урбанизированных и сельскохозяйственных территорий, с другой. Положение усугубляется тем, что спад промышленного производства наблюдался лишь в 90-е годы, а в последние годы отмечается рост. В бассейн реки поступает все более значительное количество сточных вод, содержащих потенциально токсичные вещества, в т.ч. тяжелые металлы, взвешенные вещества, биогенные элементы, минеральные соли. Наибольшую опасность, из перечисленных представляют тяжелые металлы. Их высокие концентрации наблюдаются в воде и в донных отложениях реки Миасс, тяжелые металлы мигрируют и, при определенных физико-химических условиях, накапливаются в русле. Высокая техногенная нагрузка на бассейн и различия в природных условиях усложняют изучение закономерностей формирования качества вод. Деятельность крупных промышленных предприятий, таких как ЗАО "Карабашмедь"; ОАО "Челябинский металлургический комбинат" оказывает отрицательное влияние на развитие всего природного комплекса бассейна реки. Вопросы, связанные с аэральным загрязнением тяжелыми металлами почвенного покрова в бассейне,
4 попаданием недостаточно очищенных сточных вод в русло реки и накоплением металлов в донных отложениях во многом не разработаны. В соответствии, с чем актуальность приобретают исследования факторов формирующих химический состав вод реки, аккумуляции загрязняющих веществ в т.ч. тяжелых металлов. Установление их места и роли в гидрохимическом режиме реки, а также влияние на экологические условия бассейна, выявление источников загрязнения, исследования распространения загрязняющих веществ во времени и пространстве.
Целью работы является изучение формирования гидрохимического режима реки под влиянием природных и антропогенных факторов.
В соответствии с поставленной целью, решаются следующие задачи:
Изучение особенностей гидрохимического режима системы, "водосбор -водный объект" в условиях ее экологической нагрузки;
Оценка характера и уровней влияния водосбора и водохозяйственной деятельности в бассейне на изменение фоновых показателей;
Выявление типов техногенного влияния на бассейн, изучение проблем связанных с загрязнением тяжелыми металлами почвенного покрова бассейна, воды и донных отложений реки;
Выделение ареалов техногенеза в бассейне реки.
Объект исследования: бассейн р. Миасс в условиях техногенной нагрузки.
Предмет исследования: факторы формирования гидрохимического режима реки Миасс.
Теоретическое значение и научная новизна: На примере бассейна р. Миасс Изучены тенденции изменения и показано пространственно-временное распределение гидрохимических параметров (анионно - катионных, биогенных элементов и тяжелых металлов) с учетом их лимитирующих показателей вредности. Представлен подробный анализ нагрузки тяжелых металлов на водный объект. Их место и значимость в общей характеристике загрязняющих веществ. На основании постадийных экстракций почв и донных отложений
5 определены формы нахождения микроэлементов, что позволяет установить их потенциальную экологическую опасность. Определены пространственные ареалы загрязнения тяжелыми металлами в бассейне реки. Рассчитаны показатели накопления тяжелых металлов и факторы металлоемкости донных отложений, предложены методы защиты водного объекта.
Основные защищаемые положения:
В бассейне р. Миасс поступление кислых и ультракислых техногенных вод в районе Карабашского горнопромышленного узла приводит к формированию экологической обстановки, которая оценивается, как экологическое бедствие, а сброс загрязненных промышленных и бытовых вод в пределах г. Челябинска способствует формированию относительно удовлетворительной ситуации.
Химический состав донных отложений техногенных участков: р. Сак-Елги - участка р. Миасс - Аргазинского водохранилища, определяется химическим составом руд и продуктов их переработки в результате деятельности Карабашского медеплавильного комбината. Высокая доля обменных форм в донных отложениях отмечается для кадмия.
Аэральное загрязнение почв на техногенных участках бассейна реки характеризуется не только аномально высоким количеством тяжелых металлов, накопленных в бассейне р. Миасс, но и формированием потенциально опасных и легкоподвижных форм в почвах.
Практическая значимость работы
Результаты исследования и накопленный материал позволяют выявить территории в пределах бассейна, нуждающиеся в особой охране со стороны экологических организаций. А также могут быть использованы для проведения водоохранных мероприятий в бассейне реки и снижения отрицательного воздействия загрязняющих веществ.
Выявленные закономерности позволяют прогнозировать дальнейшие тенденции изменения качества вод при изменении антропогенной нагрузки.
3) Данные лабораторных и полевых исследований в системе «водосбор -водный объект» помогают осуществлять дальнейшее комплексное изучение бассейна реки с использованием алгоритма предложенных методов.
Фактический материал исследования
В работе были использованы первичные материалы наблюдательной сети Челябинского ЦГМС по гидрохимическому (1994-2004 гг.) и гидрологическому режиму (1947-2004 гг.) р. Миасс по 8 имеющимся постам. Кроме указанных материалов использовались имеющиеся по бассейну р. Миасс данные ДП ФГУП ЮжУралНИИВХ. Помимо фондовых материалов основой для исследования послужили материалы, собранные автором в период 2002-2005гг. в бассейне р. Миасс по 11 постам. Все анализы были выполнены в Южно-Уральском центре коллективного пользования по исследованию минерального сырья Института минералогии УрО РАН (г. Миасс), аттестат аккредитации РОС ш.0001.514.536. . в системе Госстандарта РФ. Общий объем проанализированной гидрохимической информации составил 1500 химических анализов воды, 1053 анализа донных отложений и 2440 анализов почв.
Личный вклад автора:
Автором выполнена оценка роли и места тяжелых металлов в гидрохимическом режиме р. Миасс и их влияния на экологические условия бассейна. В основу работы положены результаты стационарных гидрохимических исследований автора, проводившиеся в 2002-2005 гг. и обобщенные в ряде статей и отчетов. Проведение части химических анализов вод, донных отложений и почв выполнено автором.
Публикации и апробация работы: По результатам научного исследования опубликованы 13 печатных работ. Материалы исследования докладывались на научно-практических конференциях, проводимых в Челябинском государственном педагогическом университете (2002-2004 гг.); 1 и 2 региональных научно-практических конференциях "Природное и культурное наследие Урала" (Челябинск, 2003, 2004 гг.); 2 международной научно-практической конференции "Экология и научно- технический прогресс"
7 (Пермь. 2003); Региональной научно - практической конференции "Проблемы географии Урала и сопредельных территорий" (Челябинск, 2004); 2
Всероссийской научно - практической конференции "Проблемы геоэкологии
Южного Урала" (Оренбург, 2005), межрегиональной научно - практической конференции "Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития
Челябинской области" (Челябинск, 2005).
Финансовая поддержка оказана правительством Челябинской области в рамках программ поддержки молодых ученых и аспирантов (гранты 2003, 2005 гг.,№42 МОЗ/А, №40 М05/А), руководством ГОУ ВПО "ЧГПУ" (гранты 2003, 2004гг.№ УГ/22/03/А, № УГ/26/04/А).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Ее содержание изложено на 160 страницах машинописного текста, проиллюстрировано 54 рисунками и 14 таблицами. Библиографический список включает 183 источника. Общий объем работы 208 страниц.
Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям Андреевой Марии Андреевне, определившей направление научной работы, и Удачину Валерию Николаевичу за консультации по научной работе, проведении полевых - экспедиционных исследований, за ценные советы и предложенные рекомендации. Автор благодарит коллег с кафедры географии и МПГ ЧГПУ к.г.н.- В.В. Дерягина, к.г.н.- С.Г. Захарова, к.г.н,- Е.Ф. Павленко, к.г.-м.н.- Т.И. Таранину за помощь, поддержку и необходимые советы и замечания при выполнении работы. Неоценимая помощь в проведении аналитических работ по воде, донным отложениям и почвам была оказана сотрудниками лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии Л.Г. Удачиной, Г.Ф. Лонщаковой, Н.И. Вализер. Важные рекомендации были даны сотрудником ДП ФГУП ЮжУралНИИВХ к.г.н.- З.Ф. Кривопаловой. За предоставленные материалы по гидрохимическому режиму реки автор благодарит заведующую лабораторией мониторинга поверхностных вод Челябинского ЦГМС - Л.И. Дайнатову.
Характеристика природных и антропогенных факторов, формирующих водный режим реки
Многолетний сток реки зависит, прежде всего, от климатических факторов. Ведущую роль, среди которых занимают осадки (X) и испарение (Z). Количество осадков, просачивающихся через почву, зависит от ее фильтрационных свойств, на испарение же влияют соотношения тепла и влаги в бассейне. Особенности циркуляции атмосферы, в т.ч. циклоническая деятельность в комбинации с подстилающей поверхностью, определяют изменчивость количества осадков на территории бассейна, о чем говорилось выше.
Значения среднего годового слоя испарения на территории бассейна составляют до 450 мм (Зубенок,1974). Выпадение осадков и расходование влаги влияют на количество и пространственное распределение стока реки. Коэффициент испарения ( х) составляет от 0,6 в северо-западных до 1,0 в юго-восточных районах. Высокие значения коэффициентов испарения в южных частях бассейна говорят о большом испарении выпадающих осадков.
Для выявления влияния метеорологического режима на внутригодовое распределение стока реки были выполнены и проанализированы графики внутригодовых среднемесячных расходов воды за каждый год на двух гидрологических постах (в/п. Новоандреевка) с 1985 по 2001 год, (в/п. Костыли) с 1985 по 1996 годы (приложение 3). В данном интервале лет выделяются многоводные, маловодные и средневодные годы.
1990-91 гг. с очень резким весенним подъемом уровня и интенсивным летним спадом. Весенний подъём связан со значительным количеством осадков в зимнее время, а летний спад - с дефицитом осадков в этот период (рис. 2 приложение 3, приложение 4). В 1990 году подъем воды начинается с марта у гидропоста Новоандреевка, и с февраля у гидропоста Костыли. Максимальные расходы воды наблюдались в мае.
Анализируя графики, относящиеся к многоводным годам, можно видеть, что максимальные расходы воды в реке приходятся на половодье, максимум которого в апреле и мае. Вслед за половодьем следует резкое уменьшение расходов воды - межень, нарушаемая невысокими (по сравнению с половодьем) летними паводками, реже осенними (1986,1989,1990,1991 гг. -рис. 1,2 приложение 3). 1988г.- год средней водности с достаточными зимними осадками и недостаточным - летним увлажнением (рис.1 приложение 3). Количество зимних осадков было выше нормы, а летних - ниже, что вызывало соответствующие изменения в уровенном режиме реки, который отличался умеренным подъемом весной и значительным летним спадом. Также к этому типу относятся годы: 1974,1983. 1994 год (рис.2 приложение 3) - для этого года характерен необычный ход расходов воды: невысокое половодье, а паводки превысили его в 1,5-2 раза. Низкая зимняя межень сменилась в марте началом половодья на р. Миасс, достигнув своего пика в апреле уровень воды начал постепенно уменьшаться до мая (в/п. Костыли) и июня (в/п. Новоандреевка). В летний период расходы стали резко увеличиваться и к августу превысили половодье. Кроме этого года картина с паводками, превышающими половодье, наблюдается в 1992-1995 гг. Общая тенденция снижения расходов вслед за низким количеством осадков наблюдается практически во все годы (рис. 1-6 приложение 4).
Для выявления зависимости расходов воды в р. Миасс от количества осадков и их распределения по сезонам на той или иной территории были сопоставлены графики среднемесячных расходов воды в многоводные и маловодные годы (приложение 4) и количества осадков. Рассматривались как среднемесячные количества осадков, так и за периоды с октября (прошлого года) по март, и с апреля по октябрь (текущего года), то есть за гидрологический год. При этом данные об осадках у г. Златоуста сравнивались с расходами воды у в/п.Новондреевка, а у г. Челябинска с расходами у в/п. Костыли.
В годы, предшествующие высокому половодью, выпадали обильные осадки (1990 год). В г. Челябинске их количество было 300-400 мм в период с апреля по октябрь, а обычно в этот период выпадает 200-300 мм. А в городе Златоусте 550-650 мм, тогда как обычно 450-550 мм. Непосредственно в год с высоким половодьем на реке Миасс большое количество осадков регистрировалось с мая-июня по ноябрь.
Таким образом, на режим р. Миасс значительное влияние оказывают выпадающие на территории бассейна атмосферные осадки. Увеличение уровня воды в период половодья происходит не только за счет таяния аккумулированных за зиму снежных запасов, но и за счет аккумулированных рекой осадков прошлых двух -трех лет. Если предыдущие несколько лет были скудны осадками, то уровень воды в реке понижается, и выпадающие осадки тратятся на восполнение воды в реке до среднемноголетнего уровня. Дождевые осадки в теплое время года проявляются в виде паводков в этом же году, высота которых зависит от общего уровня воды в реке и количества выпадающих осадков.
Сложные циркуляционные процессы в атмосфере оказывают влияние на водный режим рек. С восточной циркуляцией связано развитие на Южном Урале антициклонов. В результате этого устанавливается жаркая и сухая погода, а это приводит к спаду водности рек. Высокие весенние подъемы и летние паводки связаны с развитием процессов западной и меридиональной форм циркуляции, вызывающие повышенный температурный фон и избыточное увлажнение. С активизацией в летний период меридиональной циркуляции связаны повышенное увлажнение и подъем уровней, а с активизацией восточной - спад. Меридиональная циркуляция приводит к замедлению схода снега, в результате чего весеннее половодье оказывается небольшим (Румянцева, 1988;Андреева, 1991).
Геологические особенности строения территории бассейна во многом влияют на один из источников питания реки - подземные воды. Горные породы, слагающие бассейн, их химический состав и характер залегания определяют сток реки. Как говорилось выше, литологический состав бассейна р. Миасс достаточно сложен и разнообразен. Горные породы различного возраста и состава дренируются речными водами. В верхней части бассейна, преобладают архейско-протерозойские слабо водопроницаемые породы. В средней и нижней части, в большей степени, девонские породы, сменяющиеся рыхлыми палеоген-неогеновыми отложениями. В результате, русло реки наиболее сильно врезано и меандрирует именно в среднем течении.
Влияние рельефа на формирование речного стока носит опосредованный характер. Поскольку рельеф оказывает влияние на метеорологические элементы: осадки, испарение. В горных районах выпадает большее количество осадков, чем на равнинных, что оказывает влияние на сток.
В бассейне р. Миасс имеют место карстовые явления. Карстующиеся породы обнаружены в горной части севернее г. Миасса, а также в окрестностях г. Челябинска. Но эти явления локальны и не отражаются на величине стока.
Методы полевых и аналитических исследований
Изучение гидрохимических показателей, донных отложений и почвенных образцов в бассейне реки проводилось нами в разные сезоны 2003-2005 гг. Полевой материал отбирался на всем протяжении бассейна. Отбор проб воды осуществлялся в зимний, летне-осенний (меженные) периоды и весенний (половодье). При выборе точек пробоотбора река была разбита на серию створов в зависимости от цели исследования и поставленных задач. При этом учитывалась: удаленность створа от вероятного источника загрязнения, расположение точек "до" и "после" антропогенного влияния, охват русловой части реки. За последние десятилетие количество контрольных створов отбора проб воды наблюдательной сети ЦГМС в бассейне р. Миасс сократилось. Существующие створы в полной мере не характеризуют особенности техногенеза. Поэтому для более полной характеристики гидрохимического состава вод, учета пространственной динамики загрязняющих веществ и особенностей их накопления, автором были выбраны дополнительные точки отбора проб воды.
Донные отложения (ДО) в русле и почвы на водосборе были отобраны в летне-осенний период 2003 года. Донные отложения отбирались локально в виде стратифицированных колонок, в зоне плесов (Водогрецкий и др., 1985), почвы путем закладки почвенных профилей. Местоположение пунктов отбора проб пространственно приближены друг к другу (рис.2.2.1,2.2.2).Все пробы воды - 50 проб, донные отложения - 25 проб (за исключением донных отложений Аргазинского водохранилища - 8 проб) в бассейне были отобраны автором. Кроме того, лично автором было заложено 5 почвенных профилей.
В период гидрохимических съемок отбор проб воды осуществлялся на глубине 1,5 метра от поверхности воды в центральной части русла реки, в пластиковые бутыли. При этом использовался речной батометр марки ГР-17М. В зимнюю межень этим же методом, но уже через подготовленные отверстия во льду. Температура определялась в течении 10 минут после отбора пробы. Донные отложения отбирались с использованием трубки для илов, представляющей собой полый стержень диаметром 8-10 см. Пробы выкладывались на ровную поверхность, не нарушая целостности керна.
Для отбора проб почв изучалась площадь исследуемой территории, при этом субстрат должен быть представительным для данного района. Мощность (глубина) разреза определялась степенью гетерогенности структуры субстрата (Руководство по...,1985). Методы первичной пробоподготовки. Работы по отбору воды в полевых условиях производились согласно ГОСТу Р51592-2000. Забор воды осуществлялся в чистые пластиковые бутыли (емкостью 1 литр), так чтобы под крышкой не оставалось свободного пространства. Пробы доставлялись в лабораторию в течение одних суток для выполнения аналитических работ (Руководство по..., 1977). Пробы донных отложений отбирались в наиболее благоприятный для этого период (летне - осенняя межень). Для анализа тенденций накопления химических элементов за несколько лет в местах скопления илов, отбирали керн с ненарушенной структурой отложений. Керны весом около 500 г. разделялись на равные (по Зсм, 5см) части. Каждая, из которых упаковывалась в пластиковые пакеты, что является главным требованием для определения тяжелых металлов. Затем пробы высушивались в лаборатории с tC = 18-20, после чего одну партию просеивали через сито с диметром пор 0,063 мм и упаковывали в бумажные пакеты для последующего анализа, другую не просеивали для определения валового содержания металлов.
Почвенные образцы высушивали и просеивали через сито диаметром пор 1 мм. Подготовленную таким образом почву хранят в бумажных пакетах (Новосельцев,2002). Методы аналитических исследований Все анализы были проведены в лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии УрО РАН (г. Миасс). Совместно с сотрудниками лаборатории автор принимала участие в анализе проб воды весеннего половодья на анионно - катионный состав и тяжелые металлы, донных отложений на металлы, почвенных образцов(№ 1,7,8,9) на физико-химические параметры.
Некоторые физико-химические показатели воды определялись в нефильтрованных пробах. Затем пробы отфильтровывались через фильтр "синяя лента". Часть отфильтрованной пробы использовалась для определения анионно - катионного состава, другая для определения содержания микроэлементов. Для разделения металлов, находящихся во взвешенной и растворенной формах, было выполнено фильтрование через мембранные фильтры Whatman 0.45цм (Германия). С помощью приборов производилось определение следующих показателей: величина рН, окислительно -восстановительный потенциал (Eh), удельная электрическая проводимость (у). Определение водородного показателя и окислительно-восстановительного потенциала производилось с помощью рН метра Yokogawa 8221-Е"(Япония). Диапазон измерений составляет: рН-0-14; Eh-0-±1999mV. Абсолютная погрешность прибора ±0.01ед. и lmV соответственно.
Для контроля измерений рН прибора применялись стандартные буферные растворы (рН 3.56 и 6.86); для промывки электродов применялась дистиллированная вода. Измерение удельной электрической проводимости производилось кондуктометром "HI-933000" с температурным компенсатором (Германия). Диапазон измерений прибора 0-199.9 мкСм/см, стандартное отклонение ± 2%. При определении анионно - катионного состава вод использовались общепринятые методики (Алекин и др., 1973) (таблица 2.2.1): Приборы, использованные для определения анионно - катионного состава: - фотоколориметр КФК-2; - атомно-абсорбционный спектрометр с пламенным режимом атомизации "Perkin-ЕІтегЗПО".
Пространственно - временные изменения химического состава речных вод
Распределение гидрохимических показателей в воде реки Миасс, подвержено пространственно - временным колебаниям. Исследования в бассейне реки показывают, что при движении от верховьев к среднему и нижнему течению величина минерализации растет (рис. 3.2.1). Это связано с уменьшением количества осадков в бассейне с северо-запада на юго-восток, а также с влиянием техногенного воздействия горно-рудной промышленности и стока с городов. Значения минерализации колеблются от 188 до 954 мг/л в зимний и осенний период, от 179 до 529 мг/л в период весеннего половодья. Причем зимой в горно - лесной части бассейна наблюдается повышенная минерализация в связи с переходом реки на питание подземными минерализованными водами. Весной в половодье она снижается, но в лесостепной зоне остается высокой по сравнению с зимними показателями. В целом, среднемноголетняя минерализация колеблется от 240 до 650 мг/л. Анализ данных с 1994 по 2004 годы показывает общую тенденцию снижения минерализации в среднем течении реки до 300 мг/л с последующим резким повышением в пределах областного центра (рис.3.2.2; табл.1 приложение 8).3а пределами г. Челябинска воды характеризуются повышенной минерализацией. Среди преобладающих анионов - гидрокарбонат ион, среди катионов - кальций. Воды верхней части бассейна относятся к гидрокарбонатному классу с малой (до 179-192 мг/л) и средней (208-518 мг/л) минерализацией по классификации О.А.Алекина и к окислительной обстановке (VIIIo) классу характеризуясь наличием хлоридов кальция и натрия по классификации А.М.Овчинникова. Рассмотрим минеральный состав вод с помощью формул Курлова Створ 5 (номер соответствует перечню приложение 5) Величина рН колеблется от 7,13 до 7,88 за исключением участков реки подверженных техногенному воздействию.
Повышенное содержания кальция в воде створа связано с массивами гранитов и кристаллических сланцев в пределах Челябинска. С вулканическими породами связано распространение натрия и повышенное содержание сульфат - иона.
В период весеннего половодья воды характеризуются как мягкие и умеренно жесткие (1-4 мг-экв/л). Жесткость изменяется от верховьев к среднему течению. В зимний период величина доходит до 7,77 мг-экв/л в верхней и до 10 мг-экв/л в средней частях бассейна. Здесь воды жесткие и очень жесткие (рис.3.2.3).Изменение жесткости в воде р. Миасс (2003-04 гг., по данным автора, номера створов см. приложение 5) Значения водородного показателя (рН) колеблются от 7,13 до 8,24 и изменяются по сезонам (рис.3.2.5). Величина водородного показателя повышается в летний период. Значительных колебаний рН по длине реки не наблюдается. В створе 4 наблюдается сдвиг рН в кислую сторону, до значений рН 3-4,что характерно для зоны промышленного техногенеза.
Концентрации веществ азотной группы значительно повышены на двух участках после гг. Миасса и Челябинска. Здесь максимальное содержание азота аммония, азота нитритов соответственно, составляет 12,2 мг/л; 23,7мг/л (1998г.) и превышает ПДК в 30,5 раз и 1185 раз (рис.1 приложение 9). Высокие значения данных веществ объясняются попаданием в воды реки бытовых сточных вод с территории городов и очистных сооружений.
Количество растворенного кислорода, колеблется в широких пределах (при норме не менее 3 мг/л - зимой и 6 мг/л - летом) его содержание составляет, в отдельные годы, менее 2 мг/л в среднем за год. Во все годы наблюдается снижение концентрации кислорода в районе г. Челябинска (створ 6,7, рис. 3.2.6). Период с 1998 по 2002 гг. характеризуется пониженным содержанием кислорода в воде реки это связано с многоводностью этих лет и значительными расходами в бассейне реки.
Для оценки и анализа антропогенных изменений в водах реки необходимо определить фоновые концентрации для химических компонентов. Разнообразные подходы применяются в определении фоновых концентраций. Для этого различными исследователями используется: кларк содержания элемента в литосфере (Техногенное загрязнение...,2002), нахождение средних концентраций для водоема (Природные...2003), вычленение участков не подверженных антропогенному воздействию (Даувальтер, 2000; Бреховских, 1999; Панин, 2000). Поскольку, р. Миасс с одной стороны, дренирует горные породы палеозойского возраста, а с другой находится под влиянием промышленных предприятий, где формируются аномально высокие концентрации химических веществ, последний подход на наш взгляд является наиболее оптимальным для бассейна реки.
Створы располагаются в разных природных зонах, но оба удалены от крупных промышленных источников загрязнения, не подвержены влиянию сточных вод городов и поселков и поэтому наилучшим образом подходят для сравнения и анализа. Кроме этого, указанные участки будут фоновыми для расположенных ниже по течению створов.
Формы нахождения тяжелых металлов в почвах и донных отложениях
Формы нахождения тяжелых металлов в донных отложениях и почвах являются одной из важных геоэкологических характеристик природных объектов. Их анализ позволит выделить отдельные формы металлов, токсичность которых существенно различается (Линник, 1989). Установить процессы, приводящие к их образованию и условия перехода из одной формы в другую. Физико-химические условия воды определяют формы миграции металлов.
Формы нахождения металлов были определены методом постадийных экстракций (Tessier, 1979), широко используемым в отечественной и иностранной литературе. Он позволяет определить процентное соотношение форм металлов и оценить потенциальную степень эколого-токсикологической опасности.
Анализ на формы нахождения металлов в почвах показал, что в пробах из гумусово-аккумулятивного горизонта почв, независимо от генетического типа почв (серые лесные почвы или серые лесные почвы с признаками оглеения) формы нахождения металлов не изменяются (табл.2 приложение 19).
Как видно на рисунке 4.2.1, большая часть меди, цинка и свинца связана с гидроксидами железа и марганца (49-80%). Кадмий в первую очередь связан с карбонатами (34%), гидроксидами (31%), но присутствует и немалая доля обменного кадмия (25%). На рис 4.2.2; рис. 2, 3 приложение 21, видно увеличение обменной формы кадмия с максимальным значением (до 49%), что также наблюдается в почвах с признаками оглеения. Следовательно, глеевые почвы оказываются наиболее уязвимыми для техногенного загрязнения. Такая ситуация может указывать на потенциально мобильный кадмий в почвах при аэротехногенном загрязнении. Гидроксиды Fe и Мп обладают высокими адсорбционными свойствами, поэтому в большинстве случаев металлы связаны именно с этой формой нахождения. Особенно это характерно для РЬ (до 82%). В ходе проведения исследований было обнаружено, некоторое противоречие.
Формы, связанные с карбонатами составляют от 4 до 34% в исследуемых типах почв, но присутствие карбонатов в почвах с рН 6,5, по крайней мере, теоретически невозможно. Это явление было обнаружено и зарубежными исследователями, но логического объяснения ему пока не найдено. На участке руч. "Рыжего" (проба КА (SD) 4а) обменные формы металлов в донных отложениях, являющиеся наиболее опасными составляют от 15 до 34 % (рис.4.2.3).Большая часть РЬ сорбирована гидроксидами Fe и Мп (до 82%), а, следовательно, не способна активно мигрировать. От 2 до 18% металлов связано с органической матрицей. Таким образом, в кислых водах руч. "Рыжего" максимальное количество обменных форм характерно для Си, Zn,Cd и Мп (табл. 2 приложение 18). Для участка р. Сак-Елги характерно максимальное развитие форм связанных с железо - марганцевыми гидроксидами (рис.4.2.4). 36 % Zn связано с органической матрицей и лишь Cd один из потенциально токсичных элементов находится в обменной форме, что не может не вызывать опасения и необходимость контроля за формами его миграции.
Анализ форм нахождения элементов в верхнем слое 0-2 см донных отложений Аргазинского водохранилища выполнен для проб, характеризующих район распространения сульфидсодержащих "хвостов" (проба KA(SD)330, рис.4.2.5) и район аэрального загрязнением (проба KA(SD)333, рис.4.2.6). Независимо от типа техногенного воздействия и природы накопленных аномальных концентраций, обнаруживается удивительное сходство форм нахождения потенциально токсичных элементов. Для Си основной объем приходится на формы, связанные либо с силикатами, либо с какой-то другой матрицей, которая прочно удерживает медь в своей структуре, обменные формы составляют около 2% от общего объема.
От 82 до 95% составляют формы, связанные с гидроксидами Fe и Мп. Менее всего РЬ связан с карбонатами до 1%. Вопрос о степени устойчивости таких комплексов Fe и Мп остается открытым, т.к. в зависимости от того, с какими именно гидроксидами Fe связан РЬ, степень устойчивости может меняться от слабой до очень сильной. Характер распределения форм нахождения Cd в целом сходен с Си и Zn, но здесь следует отметить появление в Аргазинском водохранилище обменных форм металлов. Для района развития "хвостов" она составляет 5%, а для ареалов с аэральным загрязнением около 3%. В мировой геохимической литературе количество обменных форм для Cd в пределах 4-5% от общего количества является той пороговой границей, при которой эти участки обращают на себя внимание и вызывают беспокойство экологов.
Марганца, связанного с обменными формами 9%, а остаточных форм 59%. Высокая доля обменных форм характерна для такого типичного биофильного элемента, каковым является Мп. Вероятно, процентное соотношение форм Мп, в отличие от других элементов, будет весьма сильно меняться в зависимости от климатических сезонов, когда концентрации кислорода - главного контролирующего для Мп агента, будет минимально зимой и максимально летом.
Итак, анализ форм нахождения тяжелых металлов в донных отложениях свидетельствует об очень высокой доле обменных форм для всех элементов на участке кислых вод и высокой доле Cd в донных отложениях р. Сак-Елги. В почвенном покрове зоны аэротехногенного загрязнения, в большей степени отмечаются формы связанные с гидроксидами, при этом повышенное содержание обменного Cd, указывает на возможность его миграции в русло реки.
