Исследование содержания тяжелых металлов в воде и донных отложениях в устьевых участках рек. Выявление основных источников вторичного загрязнения в реках Харьковской области. Характеристика влияния загрязнения донных отложений на качество водотоков.
Аннотация к работе
Донные отложения представляют собой сложную многокомпонентную систему, которая в зависимости от внутриводоемных процессов, сорбционных свойств самих отложений, ландшафтных особенностей водосборов, а также свойств веществ, поступающих в реки, могут быть накопителями химических веществ (в частности, тяжелых металлов) и источником вторичного загрязнения водного объекта. Выявление основных закономерностей миграции тяжелых металлов в системе «водосбор - водная среда - донные отложения» - достаточно сложный вопрос, требующий проведения натурных исследований, анализа большого объема материалов наблюдений и оценки роли миграции тяжелых металлов по трофическим цепям. Исследования миграции тяжелых металлов в системе «водосбор - водная среда - донные отложения» были выполнены для рек Волчья, Уды, Мжа, Балаклейка и Оскол. Отборы проб донных отложений и воды осуществлялись в летний период 2011 года в устьевых участках рек. Отбор проб речной воды и донных отложений на тяжелые металлы, хранение отобранных проб выполняли в соответствии с требованиями ДСТУ ISO 5667-1-2003 (Качество воды.
Введение
Донные отложения представляют собой сложную многокомпонентную систему, которая в зависимости от внутриводоемных процессов, сорбционных свойств самих отложений, ландшафтных особенностей водосборов, а также свойств веществ, поступающих в реки, могут быть накопителями химических веществ (в частности, тяжелых металлов) и источником вторичного загрязнения водного объекта.
Выявление основных закономерностей миграции тяжелых металлов в системе «водосбор - водная среда - донные отложения» - достаточно сложный вопрос, требующий проведения натурных исследований, анализа большого объема материалов наблюдений и оценки роли миграции тяжелых металлов по трофическим цепям.
Таким образом, исследования транспорта тяжелых металлов в системе «водная среда - донные отложения» и получения количественных оценок интенсивности этих миграционных процессов является весьма актуальной задачей. На основе этих характеристик можно судить о наличии и отсутствии опасности вторичного загрязнения водных объектов [1]. А с другой стороны, актуальность определяется тем, что задача определения ландшафтных особенностей формирования донных отложений до сих пор не решена.
На сегодняшний день, исследования формирования донных отложений с учетом ландшафтных особенностей благодаря работам многих ученых и специалистов, интенсивно развиваются. Важные результаты в этом направлении в свое время получены многими исследователями В.А. Алабишевим, Р.С. Бергом, В.Г. Глушковым, М.Д. Гродзинским, С.В. Костриков.
На основе пространственных обобщений Н.И.Маккавеев установил неразрывную связь русла реки с ее бассейном и окружающим ландшафтом в целом. Целью роботы является исследование миграции тяжелых металлов в системе «водная среда - донные отложения», а также выявление основных источников вторичного загрязнения в реках Харьковской области. Материалы и методы исследования. Исследования миграции тяжелых металлов в системе «водосбор - водная среда - донные отложения» были выполнены для рек Волчья, Уды, Мжа, Балаклейка и Оскол. Отборы проб донных отложений и воды осуществлялись в летний период 2011 года в устьевых участках рек.
В пробах определяли приоритетный ряд тяжелых металлов - Fe, Mn, Cu, Zn, Ni. Отбор проб речной воды и донных отложений на тяжелые металлы, хранение отобранных проб выполняли в соответствии с требованиями ДСТУ ISO 5667-1-2003 (Качество воды. Отбор проб. Часть 1), ДСТУ ISO 5667-2-2003 (Качество воды. Отбор проб. Часть 2) и ДСТУ ISO 5667-12-2001 (Качество воды. Отбор проб Часть 12) [2-3]. Элементоопределние в пробах воды и донных отложений выполнялись рентгенофлуоресцентным методом на приборе «Спектроскан». Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась с помощью «Microsoft Excel». тяжелый металл загрязнение водоток
Результаты и обсуждения
Прежде всего, донные отложения - это продукты эрозии, поэтому их образование, перемещение и аккумуляция происходит в результате эрозионно-аккумулятивных процессов. На основании литературных источников установлено, что почвы в летний период также являются основным источником поступления тяжелых металлов в речную сеть. С пахотных земель в регионе выносится ежегодно 10-15 т/га плодородного слоя почвы. С 12,8 млн га эродированных земель это сильносмытые, которые требуют неотложной рекультивации путем облесения и лугов. Больше всех (до 70%) нарушены самые плодородные почвы - украинские черноземы, среди которых часть слабосмытых увеличилась за последние 15 лет на 26%, а средне- и сильносмытых (это земли, которые, по сути, должны быть выведены из интенсивного землепользования) - на 23% [4]. Наиболее подверженные размыву земли, расположенные на высоких и крутых правобережьях рек Мжы, Оскола и Уды [5]. Донные отложения определяют существенные геохимические особенности рек, так как в условиях загрязнения донных отложений, они становятся источниками вторичного загрязнения вод рек, и влияют на процессы самоочищения рек.
Украинским научно-исследовательским институтом экологических проблем был разработан проект «Методики учета влияния донных отложений на качество водотоков». Согласно методики автором было рассчитано влияние донных отложений на качество водотоков с учетом введенного коэффициента миграции тяжелых металлов из донных отложений в воду. Именно учет оценки влияния донных отложений на качество водотоков необходимо для прогнозирования процессов, которые могут привести к вторичному загрязнению водных объектов.
Количественная оценка влияния тяжелых металлов на качество водотоков определяется для каждого металла отдельно, исходя из их содержания в 100 г. донных отложений.
Концентрация ионов тяжелых металлов в воде водотока за счет их поступления из донных отложений рассчитывается по следующей формуле: , мг/дм3, где Р - величина вероятного перехода каждой формы тяжелых металлов в воду из донных отложений, кг;
W - объем воды водотока или его участка, м3.
Все перерасчеты единиц измерения к единой системе выполнено с помощью коэффициента пересчета (Коваленко М.С.)
Величина вероятного перехода каждой формы тяжелых металлов в воду из донных отложений: , кг где С - содержание каждой из подвижных форм ионов тяжелых металлов в 100 г донных отложениях, мкг/100г. h - активный слой донных отложений (обычно 10-ти сантиметровый слой); d - объемный вес донных отложений, кг/дм3;
S- площадь исследуемой зоны водотока, м2;
Км - коэффициента миграции тяжелых металлов.
Коэффициент миграции было выведено на основе теоретических данных фазового распределения тяжелых металлов в воде и донных отложениях в зависимости от физико-химических факторов [6]. Интерпретация коэффициента миграции свидетельствует о том, что при уменьшении этого коэффициента переход тяжелых металлов из донных отложений в воду проходит более интенсивно. Объем воды водотока или его участка рассчитывается согласно формуле:
, м3 где, Q - расход воды водотока, м3/с;
L - протяженность водотока или его участка, м;
U - средняя скорость течения, м/с.
Увеличение концентрации ионов тяжелых металлов в воде водотоков за счет их поступления из донных отложений представлено на рисунке
Рис. 1 - Увеличение концентрации ионов тяжелых металлов в воде водотоков за счет их поступления из донных отложений
В зависимости от антропогенных факторов и ландшафтных особенностей водосборной площади выполнен расчет влияния донных отложений на качество водотоков с учетом введенного коэффициента миграции тяжелых металлов. На основании предложенной методики максимальные концентрации тяжелых металлов зафиксированы для р. Уды и Волчья, что свидетельствует о нарушении равновесия в системе «вода - донные отложения» и наличие на этих участках источников вторичного загрязнения водотоков.
Таким образом, на основании приведенной методики оценки влияния загрязнения донных отложений на качество водотоков установили потенциально опасные участки рек с вторичным загрязнением для Харьковского региона. В частности, определение загрязнения донных отложений может быть использовано для обоснования состава водоохранных мероприятий.
Список литературы
1. Васенко О.Г., Мірошніченко О.П. Оцінка донних відкладів як можливих джерел забруднення водотоків/ О.Г. Васенко, О.П. Мірошніченко// Проблеми охорони навколишнього природного середовища та екологічної безпеки.-Х.:Райдер, 2011.-Вип.XXXIII.-С.123-129.
2. Якість води. Відбирання проб. Частина 6. Настанови щодо відбирання проб води з річок та інших водоток: ДСТУ ISO 5667-6-2001 - ISO5667-6:1990,IDT.-К.:Держспоживстандарт України, 2003.-12с.
3. Якість води. Відбирання проб. Частина 12. Настанови щодо відбирання проб донних відкладів:ДСТУ ISO 5667-12-2001 - ISO5667-12:1995,IDT.-К.:Держспоживстандарт України, 2003.-35с.
4. Національна доповідь про екологічний стан Харківської області [Интернет ресурс] http://www.menr.gov.ua/content/article/7789.
5. Екологічний атлас Харківської області. Держ.упр.екології та природних ресурсів у Харк.обл.-Х.: УКРНДІЕП, 2005.-80с.
6. Корнеева Т.В. Геохимия взаимодействия рудничного дренажа с природными водоемами как естественными гидрохимическими барьерами: автореф. дис. канд. геол.-мин. наук. / Корнеева Т.В. - Новосибирск 2010. - 16 с.