Трансформация геосистем в условиях урбанизации. I. гидрохимические параметры водотока

ванных ароматических соединений // Химическая промышленность. 1994. № 6. С.24-28.

5. Никольский Б.П. Справочник химика / гл. ред. Б.П. Никольский. Л.: Химия, 1966. Т.2. 1070 с.

6. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности: учеб. пособие. Калуга: Изд-во Н.Ф. Бочкаревой, 2007. 888 с.

7. Патент 2266889 Способ получения изопрена / Бусыгин В.М., Гильманов Х.Х., Трифонов С.В. и др.; заявитель и патентообладатель ОАО «Нижнекамскнефтехим». № 2004128051; заявл. 20.09.04; опубл. 27.12.05; Бюл. № 36. 7 с.

8. Проблемы и перспективы эксплуатации катализаторов в ОАО «Нижнекамскнефтехим». Сообщение 2: Катализаторы производств мономеров и каучуков. Перспективы освоения производства новых продуктов нефтехимического синтеза /

В.М.Бусыгин, Х.Х.Гильманов, С.В.Трифонов [и др.] // Катализ в промышленности. 2005. № 5. С. 36-42.

9. Ульянов Б.А. Поверхность контакта фаз и гидравлическое сопротивление насадочных и тарельчатых ректификационных колонн. Иркутск: Изд-во ИГУ, 1982. 160 с.

10. Ульянов Б.А., Бадеников В.Я., Ликучев В.Г. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие. Ангарск: Изд-во АГТА, 2006. 743 с.

11. Энергосберегающий способ испарения жидких сред / А.В.Бахонин, И.Р.Кузеев, И.Х.Бикбулатов и др. // Сборник материалов Всерос. науч.-практ. конф. Пенза, 2001. С. 7879.

12. Эффективный экологически безопасный способ получения пара / А.В.Бахонин, Р.Р.Даминев, Р.Р.Кадыров, А.Ю.Погорелов // Севергеоэкотех-2001. Ухта, 2001. С. 214215.

УДК 504:502.51(282):543.2

ТРАНСФОРМАЦИЯ ГЕОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ УРБАНИЗАЦИИ. I. ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВОДОТОКА

1 9

Г.И.Сарапулова1, А.Мунхуу2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Получены гидрохимические параметры поверхностной воды р. Туул. Выявлены критерии нарушения естественных свойств водной среды в условиях урбанизации. С использованием методов статистики получена пространственно-временная динамика макрокомпонентного состава воды. Оценены факторы, регулирующие величину Eh в загрязненной воде. Ил. 10. Табл. 1. Библиогр. 11.

Ключевые слова: гидрохимические параметры; водоток; редокс-потенциал.

TRANSFORMATION OF GEOSYSTEMS UNDER URBANIZATION I. HYDROCHEMICAL PARAMETERS OF WATER COURSE G.I. Sarapulova, А. Мunkhuu

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The hydrochemical parameters of the Tuul river surface water are obtained. The disturbance criteria of the natural properties of water environment under urbanization conditions are revealed. By means of statistical methods the authors obtain a spatio-temporal dynamics of water macrocomponent composition. The factors regulating the value Eh in contaminated water are evaluated. 10 figures. 1 table. 11 sources.

Key words: hydrochemical parameters; water course; redox potential

Проблема истощения водных ресурсов и изменения их качественного состава особенно актуальна для крупных городов. Высокая концентрация производств на ограниченной территории приводит к возрастанию масштабов и скорости трансформации природных геосистем. Устаревшие подходы и методы контроля динамически изменяющихся городских ландшафтов и их компонент (почв, воды) не позволяют объективно оценивать их состояние [1].

Необходимы новые критерии отображения параметров качества и экологического состояния урбанизированных территорий, адекватные процессам трансформации их природных свойств. Это достигает-

ся посредством разработки теоретических и методологических основ экологической диагностики [2]. Она направлена на выявление признаков и причинно-следственных связей с целью определения масштабов антропогенных воздействий на геосистемы. Изучение законов и динамики поведения загрязняющих веществ, химических элементов в водной среде, процессов гидрогеохимической аккумуляции и миграции в условиях урбанизации является новым актуальным аспектом геоэкологической науки [3].

Цели и обоснование исследований. Целью проводимых нами систематических геоэкологических исследований является выявление совокупности факто-

1Сарапулова Галина Ибрагимовна, профессор кафедры обогащения полезных ископаемых, тел.: (3952) 405118. Sarapulova Galina, Professor of the Department of Mineral Processing, tel.: (3952) 405118.

2Мунхуу Алтанцэцэг, аспирант. Munkhuu Altantsetseg, Postgraduate.

ров, влияющих на состояние техногенно-измененных сопредельных сред в сопряженном комплексе «почва-вода», изучение основных закономерностей поведения параметров, отражающих их пространственно-временную динамику, взаимообусловленность, аккумуляцию и миграционные процессы в условиях урбанизации [4,5]. Работа проводилась поэтапно, начиная с оценки состояния поверхностных вод и выявления закономерностей поведения основных характеристик в условиях урбанизации. Затем изучались геохимические параметры почвогрунтов городских и аквальных ландшафтов в зоне влияния промышленных объектов. Итоговым результатом являлось обобщение пространственно-временной динамики антропогенно-обусловленных характеристик сопряженного комплекса «почва-вода» на территории города.

В настоящей работе представлен один из ключевых блоков комплексной геоэкологической оценки городской территории - результаты гидрохимического обследования реки Туул, протекающей через г. Улан-Батор (численность населения 1.5 млн чел.). Повышенное внимание к экологическому состоянию водотока обусловлено тем, что малая река Туул образует единую гидрографическую сеть с р. Селенгой, впадающей в оз. Байкал (рис. 1).

Исследование экологического состояния рек этого

дельно допустимого изъятия, качество поверхностных вод низкое [7]. Поэтому охрана водотоков и водоемов, обеспечивающих пресной водой огромные территории Азии, анализ факторов, влияющих на их гидрохимию, весьма важны.

Необходимость создания научно обоснованной методологии экодиагностики и понимание физико-химических закономерностей поведения загрязнителей в поверхностной воде в условиях урбанизации будет способствовать ее сохранению и созданию эффективных способов ее очистки для жизнеобеспечения людей.

Объектом исследований в настоящей работе являлись поверхностные воды р. Туул, которая испытывает мощное техногенное воздействие со стороны большого количества предприятий, расположенных вдоль русла. Гидрохимический блок включает данные, полученные на основании проведенных полевых обследований водотока на протяжении 15-18 км русла в течение 2009-2011 гг. Для сравнения динамики изменения параметров привлечены некоторые ранее полученные результаты из Центральной санитарной лаборатории г. Улан-Батора (ЦСЛ).

Предмет исследования - пространственно-временная динамика гидрохимических характеристик, данные физико-химических методов анализа водных

Рис.1. Блок-схема гидрографической сети со стороны Монголии

региона и получение критериев качества в изменяющихся условиях окружающей среды актуальны с точки зрения охраны природного объекта всемирного наследия под эгидой ЮНЕСКО - оз. Байкал. Состоянию вод трансграничного объекта р. Селенги с притоками, являющейся водосборным бассейном со всей северной части Монголии (около 45-50 % объема суммарного стока), уделяется повышенное внимание России и Монголии [6].

Проблема загрязнения трансграничных водотоков находится также в центре внимания стран Шанхайской организации содружества (ШОС), поскольку в Азии водные ресурсы практически исчерпаны, потребление воды превышает ее доступные запасы и нормы пре-

образцов, критерии нарушения естественных свойств воды, взаимообусловленные закономерности параметров и их аномалии, результаты статистической обработки и корреляционного анализа.

Методология и методы исследования. Полевые обследования и эколого-гидрохимическая оценка воды проводились по 9-11 створам, расположенным в зоне концентрации промышленных производств и мостов. Под эколого-гидрохимической оценкой понимается:

- параметрическое, покомпонентное определение состояния водной среды в соответствии с принятыми в России (используемыми в Монголии) стандартами, методиками и нормативами;

- обнаружение мест наибольшего локального загрязнения русла в привязке к конкретным производствам;

- выявление гидрохимических аномалий качества воды в результате техногенеза;

- анализ пространственно-временной динамики распределения параметров с целью прогноза состояния водотока;

- получение, анализ и статистическая обработка взаимообусловленных эмпирических закономерностей поведения гидрохимических параметров.

Отбор проб и консервирование проводились согласно ГОСТ 17.1.5.01-80, порядок проведения работ определялся ГОСТ 17.1.3.07-82. Химический анализ воды был проведен методами, общепринятыми в гидрохимии пресных вод [8,9]. Катионы определялись атомно-абсорбционным методом, анионы - титримет-рически. Статистическая обработка данных выполнена на основе пакета программ Statistica в Excel. При оценке экологического состояния использовались предельно-допустимые концентрации (ПДКв) для водоемов хозяйственно-питьевого назначения.

Характеристика территории и мест отбора проб. Особенность г. Улан-Батора заключается в том, что он расположен в пойменной террасе р. Туул и вытянут с запада на восток (рис.2).

Это определило концентрацию промышленных предприятий, жилых массивов, автозаправочных станций, центральной автомагистрали и железной дороги вдоль реки. Сформировалось мощное линейное загрязнение аквального ландшафта и поверхностной воды в реке Туул, которая является сбросным каналом очистных сооружений города и предприятий, ливневых вод и неочищенных городских стоков. Этому также способствует бесконтрольное хаотичное размещение специфических юртовых жилых комплексов, что усугубляет экологическую обстановку в городе и на реке. На картосхеме (рис. 2) представлены створы, где в течение 2009-2011 гг. проводился отбор проб воды.

ние растворенного кислорода,- отражающие макро-компонентный химический состав и основные свойства поверхностной воды. На примере анализа, проведенного в весенний период 2011 г., показано, что воды реки Туул относятся преимущественно к гидро-карбонатно-кальциевому типу (таблица). Однако в створе 2 - в месте интенсивного движения грузового автотранспорта через мост Баянзурх - регистрируется сульфатно-гидрокарбонатный тип воды группы кальция. Как правило, наблюдаемые изменения химического баланса связаны с техногенным поступлением ионов SO42", поскольку сульфатный тип природных естественных вод встречается очень редко [10].

Неустойчивый характер химического состава воды под влиянием антропогенных факторов усугубляется низкой минерализаций, не превышающей 170 мг/дм3, и малой величиной общей жесткости.

Присутствующие в воде Ca2+, Mg2+, HCO2" являются природными консервативными ингредиентами, поэтому вариации их содержаний относительно монотонны от створа к створу. В то же время неконсервативные компоненты SO42", Na+ имеют, преимущественно, техногенное происхождение, о чем свидетельствуют значительные амплитуды колебаний их содержаний в створах вдоль русла реки.

Так, распределение концентраций ионов SO42 имеет пульсирующий характер и связано с концентрацией HCO3 обратной зависимостью. Наиболее значимо выделяются ионы Na+, динамика изменений концентраций которого достигает 75%, что объясняется большим поступлением натриевых солей в створы 1,2, 4 и 8. Это район мостов, биокомбината, меховой фабрики и участка сброса вод после очистки из центральных очистных сооружений города.

Показатель БПК5 характеризует способность воды к самоочищению, однако это важное качество поверхностной воды резко ухудшилось в последние годы. Для того чтобы проследить динамику изменений этого параметра, получено временное распределение величин БПК5 в пробах воды в период 1991-2009 гг. с уче-

• -Место отбора пробы воды (Д) Теплоэлектростанции Промышленность

Рис. 2. Картосхема взятия образцов проб воды в р. Туул

Результаты и обсуждение. Для оценки качества воды использовались основные показатели: главные ионы, рН, Е11, минерализация, общая жесткость, БПК5, перманганатная окисляемость, содержа-

том данных ЦСЛ для двух пунктов Зайсан (створ 3) и Сонгино (между створами 8 и 9) (рис. 3).

Как уже выяснилось, уровень техногенного воздействия (загрязнения) на качество воды р. Туул

Рис. 3. Динамика БКП5 в пробах воды реки Туул за многолетний период в пунктах наблюдения: А - Сонгино

и Зайсан

сильно неравномерен вдоль русла. Так, в районе Зайсан показатель биологического потребления кислорода на протяжении многих лет соответствовал санитарно-гигиеническим нормам (БПК5 = 3 мг/дм3). Но в районе Сонгино значение БПК5 , начиная с 1993 года, превышает допустимую концентрацию, а с 2002 года качество воды по этому показателю резко ухудшилось

в 30 раз. Следует отметить, что в период зимних и весенних паводков содержание БПК5 превышает допустимую концентрацию в среднем в 2 раза, при этом содержание растворенного кислорода O2 зимой и весной резко уменьшается. Это обстоятельство является причиной массовой гибели рыбы (замор) в реке Туул в это время года.

Важнейшим и малоизученным параметром воды, особенно загрязненной, является окислительно-восстановительный потенциал (Redox, Eh). Это показатель химико-биологического состояния водоема, окислительных (кислотных) либо восстановительных (щелочных) качеств воды, который в значительной степени обусловливает геохимическую подвижность элементов с переменной валентностью, также формы их миграции [11]. Для питьевой воды Eh практически всегда значительно выше нуля, например, для водопроводной воды его значение составляет от +80 мВ до +300 мВ.

Данные таблицы демонстрируют разброс значений Eh от 1 до 30 мВ для поверхностной воды р. Туул. На основании существующей классификации химиче-

ской обстановки в естественных природных водах, регистрируемые величины Eh характеризуют переходный окислительно-восстановительный тип воды. Это неустойчивый геохимический режим с переменным содержанием кислорода и сероводорода. Обычно в таких условиях протекает как слабое окисление, так и восстановление целого ряда металлов.

Для оценки факторов, влияющих на жизненно важный показатель поверхностной воды в условиях урбанизации, получены зависимости, описывающие поведение Eh от содержания кислорода, от БПК5, перманганатной окисляемости (рис. 4-6). Выявлено, что уравнения, связывающие эти важнейшие взаимообусловленные характеристики воды, не являются линейными, имеют полиномиальный вид, но с достаточно высокими коэффициентами детерминации - до 0.904.

Это означает, что содержание растворенного кислорода в воде отнюдь не определяющий фактор при формировании величины Eh. Уравнения регрессии 2-го порядка свидетельствуют о вкладах других условий и факторов, регулирующих окислительно-восстановительные свойства воды в реке Туул (помимо кислорода, как основного и сильного окислителя). Именно они трансформируют естественные природные гидрохимические процессы и нарушают динамику водной среды в условиях урбанизации и достаточно высокого уровня загрязнения воды. Например, при понижении кислорода (как в нашем случае в отдель-

Гидрохимические параметры р. Туул, май 2011 г.

Номер пробы Eh рН Общая жесткость мг-экв/л 3 Главные ионы, мг/дм Минерализация, мг/дм3

Na+ Ca2+ Mg2+ NH4+ HCO3 Cl- SO42"

1 1 6,91 0,8 20,43 12,01 2,43 0,20 36,6 13,47 34,57 119,71

2 18 6,76 1,2 29,69 16,02 4,86 0,30 36,6 26,95 55,14 169,56

3 22 6,71 1,6 5,27 24,02 4,86 0,40 48,8 26,95 13,99 124,29

4 22 6,72 1,2 12,46 16,02 4,86 0,40 48,8 20,21 18,93 121,68

5 29 6,60 1,6 0,39 24,02 4,86 0,30 36,6 26,95 11,52 103,87

6 30 6,57 1,2 10,65 16,02 4,86 0,40 36,6 26,95 15,64 111,12

7 29 6,58 1,6 0,90 24,02 4,86 0,40 48,8 20,21 13,99 113,19

8 25 6,65 1,2 15,38 16,02 4,86 0,30 48,8 26,95 15,64 127,94

9 8 6,94 1,6 4,48 24,02 4,86 0,40 48,8 26,95 12,35 121,86

ных створах) возникает восстановительная среда. Сульфат-ионы SO42- ,будучи неустойчивыми, могут восстанавливаться до сероводорода H2S. Или при окислении оксида железа Fe2+ в трехвалентное железо Fe3+ в восстановительной водной среде, последний будет обладать более высоким электрическим потенциалом. Эти факторы вполне способны регулировать величину редокс-потенциала.

тверждено систематическое в 2-3 раза превышение нормативов цветности для поверхностной воды реки, что, как правило, обусловлено содержанием растворимых соединений железа и органическими веществами. Поскольку растворенный кислород, очевидно, расходуется на окисление органики и двухвалентного железа, он не является единственным фактором при формировании величины Eh.

со 5 Ч

Ч О о.

о е;

о

ЕИ, мВ

Рис. 4. Зависимость ЕЬ от содержания растворенного кислорода

у = 0,5542х + 17,782

ч

га

.

л

I-

о о

ф ш

ЕИ, мВ

Рис. 7. Зависимость ЕЬ от цветности воды в р.Туул

п

м Ч

Я О

ш

у = 0,0064х2 - 0,0375х + 0,8777

R2 = 0,153

ЕИ, мВ

Рис. 5. Зависимость ЕЬ от величины БПК5

у = 0,0144х2 - 0,3707х + 4,2814

л

ЕИ, мВ

Рис. 6. Зависимость ЕЬ от перманганатной окисляемости

Для подтверждения сделанного предположения проведена математическая обработка всех полученных характеристик в ходе обследования методом регрессионного анализа. Получен набор корреляций (более 30), который позволил выявить наиболее значимые из них. Так, повышенные показатели цветности и содержание сульфат-ионов вполне могут оказывать доминирующее влияние на Eh и формировать его величину.

Двухпараметровые зависимости «^-цветность» и «Eh-SO4» являются прямыми, имеют удовлетворительное качество детерминации R= 0.714-0.790 (что вполне приемлемо для природных сред) и подтверждают сделанный вывод (рис. 7 и 8). По результатам обследований 2009-2011 гг. экспериментально под-

е; ^

5

£ л

£

о

у = -0,6193х + 30,35 R2 = 0,7904

ЕИ, мВ

Рис. 8. Зависимость ЕЬ от содержания ЗО4 в воде р.Туул

На примере 2010 года показаны сезонная динамика цветности и сезонная динамика перманганатной окисляемости (рис. 9 и 10). Видно, что параметры, связанные с органической компонентой водной среды, не соответствуют нормативам и превышают допустимый уровень. Для природной речной воды значение цветности, как правило, составляет 20-30 градусов, а ПДК окисляемости составляет 3-5 мгО2/л.

Таким образом, экспериментально и методами статистики доказана преобладающая роль сульфатов и цветности при формировании окислительно-восстановительных свойств воды (редокс-потенциала) в условиях загрязненной поверхностной воды.

Однако, несмотря на столь важную функцию, которую выполняет окислительно-восстановительный потенциал воды Eh, этот показатель до сих пор не регламентируется современными нормативными документами и недостаточно принимается во внимание при анализе качества воды, при создании и эксплуатации систем водоподготовки.

Заключение. Проведенный анализ поверхностной воды р. Туул в г. Улан-Баторе и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- р. Туул по качеству воды не отвечает требованиям, предъявляемым к водоемам хозяйственно-питьевого назначения;

- гидрохимические данные находятся в обусловленной зависимости от антропогенных факторов;

у

- выявлены критерии нарушения естественных свойств водной среды;

- с использованием методов статистики получена пространственно-временная динамика макрокомпо-нентного состава воды;

- обнаружена определяющая роль сульфатов и цветности при формировании окислительно-восстановительных свойств воды (редокс-потенциала) в условиях загрязненной воды;

- получены доказательства трансформации естественных природных гидрохимических процессов и нарушения их динамики в условиях урбанизации;

- значимость полученных корреляционных зависимостей обусловлена возможностью их использования для целей прогнозирования миграционных потоков и выявления мест локального загрязнения воды;

- очистные сооружения города требуют незамедлительного усовершенствования или полной замены, как устаревшие;

- следует привести в соответствие с нормативами регулирование поверхностного стока с территории, поступающего в водосточную сеть и непосредственно в реку;

- необходим коренной пересмотр контроля качества воды не только в пределах города, но и по всей длине водотока, подверженного интенсивному техногенному воздействию.

- требуется разработка способов экологической реабилитации малой реки в городских условиях.

шш

Рис.9. Сезонная динамика цветности воды р.Туул:  - май, - октябрь

ЫШ1

Рис.10. Сезонная динамика окисляемости воды р Туул:  - май, - октябрь

Невыполнение экологических нормативов приведет к быстрой потере категории р. Туул хозяйственно-питьевого назначения. В условиях маловодности и дефицита чистой пресной воды это будет невосполнимой потерей для населения страны и большого города.

Библиографический список

1. Алексеенко В. А. Эколого-геохимические изменения в биосфере. Развитие, оценка: монография. М.: Университетская книга. Логос, 2006. 520 с.

2. Кочуров Б.И. Экодиагностика и сбалансированное развитие: учеб. пособие. Москва - Смоленск: Маджента, 2003. 384 с.

3. Хабаров В.А. Экологический мониторинг урбанизированных территорий. М.: 2003. 99 с.

4. Сарапулова Г.И., Эрдэнэбаатар С., Салауров В.Н., Давыдова Н.Д. Экологогидрохимическая оценка водной среды р. Хангал-гол (Монголия) // Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых, металлургических производств. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. С. 223-227.

5. Сарапулова Г.И. Новые подходы мониторинга загрязнения геосистем. Успехи современного естествознания // Материалы межд. конференции «Мониторинг окружающей среды». Италия, Рим, 2010. С. 65-67.

6. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов Монголии. Улан-Батор, 2009. 230 с.

7. Сарапулова Г.И. Водно-экологические проблемы малых рек Сибири // Материалы X межд. симпозиума «Экологическая безопасность государств - членов Шанхайской организации сотрудничества - ШОС». Екатеринбург, 2008. С. 446451.

8. Алекин О.А., Семенов А.Д., Скопинцев Б.А. Руководство по химическому анализу вод суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 270 с.

9. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 534 с.

10. Сороковикова Л.М., Синюкович В.Н., Коровякова И.В. и др.// География и природные ресурсы. 2002. №4. С. 54-59.

11. Шульц М.М., Писаревский А.М., Полозова И.П. Окислительный потенциал. Теория и практика. Л.: Химия, 1984. 200 с.