Техногенная трансформация химического состава водных объектов Норильского гидрологического района

ГЕОГРАФИЯ И ЭКОЛОГИЯ

УДК 556.531.4

М.Б. Заславская, Е.С. Лапина

ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ НОРИЛЬСКОГО ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РАЙОНА1

Введение. Водные объекты Норильского гидрологического района являются не только важными источниками водоснабжения этой территории, но и приемниками сточных вод различных производств Норильского горно-металлургического комбината (ОАО "ГМК Норильский никель"). Природные воды — наиболее чуткий индикатор антропогенных изменений природной среды. Комплексный анализ антропогенного воздействия на поверхностные воды позволяет не только выявить основные источники загрязнения водных объектов, но и оценить характер и динамику изменения их состояния. Такого рода исследование осуществлено по материалам многолетних гидрохимических наблюдений за качеством поверхностных вод Норильского гидрологического района по сети Росгидромета, а также по результатам химического анализа поверхностных водных объектов — приемников сточных вод, полученным Испытательным экоаналитическим центром Контрольно-аналитического управления Заполярного филиала ОАО "ГМК Норильский никель" за период 2001— 2003 гг. [3].

Объекты исследований. Норильский гидрологический район расположен в пределах северо-западной части Среднесибирского плоскогорья (южный склон плато Хараелах и северная часть Норильского плато), юго-западной части Северо-Сибирской низменности и частично Норильско-Рыбнинской межгорной впадины. Территория относится к горнотундровой зоне с фрагментами лесотундры и березо-во-лиственничного редколесья.

Основным водным объектом, в который поступает речной сток с этой территории, является оз. Пяси-но, расположенное у подножия северо-западных отрогов плато Путорана. Самый большой его приток — р. Норильская (в верховье — р. Талая), в которую впадает несколько крупных притоков — реки Рыбная, Наледная, Валек, Талнах, Хараелах, Томулах. Гидрологический режим озера в основном зависит от режима р. Норильской. В озеро также впадают реки Амбарная, Коева, Бучеко-Юрэх, Щучья, Самоедская Речка и многие другие. Из северного конца озера вытекает р. Пясина, текущая на север и впадающая в Пясинский залив Карского моря. На территории рассматриваемого района имеется ряд озер и водохранилищ, служащих водоисточниками и приемниками стоков Норильского металлургического

комбината: озера Кыллах-Кюэль, Долгое, Тихое, Подкаменное и др., а также Хараелахское водохранилище.

Химический состав и гидролого-гидрохимический режим водных объектов Норильского гидрологического района определяются как природными особенностями исследуемого района, так и техногенным фактором — воздействием сточных вод различных производств ОАО "ГМК Норильский никель".

Среди природных факторов формирования химического состава и гидролого-гидрохимического режима рек исследуемого района доминируют климатические условия, определяющие основные черты водного режима и направленность почвообразовательных процессов.

Гидрологическое изучение водных объектов в бассейне р. Норильской началось в 1937 г., в период строительства г. Норильска. Работы по изучению гидрологического режима рек и озер в районе Норильска велись преимущественно проектной конторой Норильского горно-металлургического комбината [2]. К числу особенностей гидрологического режима р. Норильской следует отнести:

— значительную водность ее бассейна, обусловленную тем, что он расположен на западных склонах довольно высоких гор, задерживающих влагу (среднее количество осадков равно 860 мм);

— существенную зарегулированность стока из-за наличия в бассейне крупных озер (их общая площадь составляет 10% от всей площади бассейна);

— весьма значительную роль подземного питания в общем стоке реки (15% для р. Норильской и 10— 15% для рек Щучьей, Амбарной и др.).

Гидрохимические наблюдения в бассейне р. Норильской относятся лишь к началу 60-х гг. прошлого столетия, когда началось промышленное освоение Норильского и Талнахского месторождений, что позволяет предполагать незначительное участие антропогенных источников в формировании химического состава природных вод. Следовательно, данные за период гидрохимических наблюдений (1960—1970) для исследуемого района можно считать условно-фоновыми. В этот период в условиях сурового климата и избыточного увлажнения при наличии многолетней мерзлоты и хорошо отмытых почвогрунтов в Норильском гидрологическом районе формировались мало-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 06-05-64099).

и среднеминерализованные воды гидрокарбонатно-кальциевого состава (при слабовыраженном преобладании гидрокарбонатов — от 28 до 25%-экв) с низким содержанием органических и биогенных веществ. Минерализация речных вод во время половодья изменялась от 10 до 75 мг/дм3, в зимнюю межень — 50—150 мг/дм3. В составе катионов повсеместно преобладали ионы кальция (21—47%-экв). Одной из особенностей рек исследуемого района является повышенное содержание сульфатных ионов (табл. 1), особенно для бассейна оз. Пясина (р. Норилка — 18— 25%-экв).

Таблица

Химический состав воды р. Морилки (пос. Валек) по среднемноголетним значениям некоторых характеристик в различные фазы водного режима

Период Едини ць: измерения Содержание гидрохимических показателей

рН 1и нсо3 во4 С1 Са

Пик весеннего половодья мг/дм3 40,3 18,9 9,2 0,9 6,2 0,9 3,8

%-экв 29,3 17,9 2,8 29,3 6,6 14,1

Спад весеннего половодья мг/дм3 7,2 64,9 30,4 17,3 1,1 12,2 2,9 1,0

%-экв 28,1 20,2 1,7 34,3 13,5 2,2

Летне- осенняя межень мг/дм3 7,2 46,1 21,6 11,5 1,3 9,0 1,8 0,8

%-экв 27,8 19,0 3,2 35,7 11,9 2,4

Зимняя межень мг/дм3 7,2 115 43,8 36,0 4,7 20,8 4,4 5,2

%-экв 23,9 23,5 2,6 33,6 11,1 5,3

Таблица 2

Химический состав воды малых рек в период зимней межени в различные фазы водного режима по среднемноголетним значениям некоторых характеристик

Река, пост Единицы измерения Содержание гидрохимических показателей

рН 1и нсо3 во4 С1 Са

Валек, в 34 км от устья мг/дм3 7,8 284 79,3 131 2,8 45,4 19,1 6,8

%-экв 15,9 33,1 1,0 27,6 19,1 3,3

Листвянка, в 15 км от устья мг/дм3 7,5 264 82,4 113 1,8 50,2 13,8 2,5

%-экв 17,8 31,5 0,7 33,3 15,4 1,3

Талнах, в 21,1 км от устья мг/дм3 7,2 44,0 26,0 5,8 0,7 7,0 1,0 3,5

%-экв 37,7 10,5 1,8 30,7 7,0 12,3

Харае-лах, в 13 км от устья мг/дм3 112 73,8 8,2 2,7 18,4 5,0 3,5

%-экв 41,2 5,8 2,7 31,3 13,9 4,8

явлении при наличии гипсоносных пород, многочисленные выходы подземных вод в зимнее время в виде источников и наледей, на что указывает максимальное увеличение доли сульфатов в зимнюю межень, когда в стоке реки преобладают подземные воды (табл. 2).

В условиях интенсивной хозяйственной деятельности в рассматриваемом районе в последние десятилетия существенную роль в общем объеме речного стока играют сточные воды предприятий и жилого сектора ОАО "ГМК Норильский никель" — крупнейшей в России и одной из крупнейших в мире компаний по производству драгоценных и цветных металлов. Горно-металлургический комбинат сбрасывает в окружающие водные объекты неочищенные или недостаточно очищенные сточные воды многочисленных производств, которые не удовлетворяют установленным нормативам. На трансформацию химического состава водных объектов влияют также шахтные угольные воды пос. Кайеркан и сброс твердых отходов производства. В то же время велико воздействие аэротехногенного переноса промышленной пыли, содержащей такие металлы, как никель, медь, свинец и др., а также в больших количествах диоксид серы (побочный продукт при извлечении цветных металлов).

Основной объем фактического сброса сточных вод в поверхностные водные объекты (более 80%) осуществляется примерно через 40—45 выпусков. Распределение объема сброса по водным объектам также весьма неравномерно. Более 95% всего сброса загрязненных стоков приходится на бассейны рек Щучьей, Талнаха, Амбарной и Новой Наледной. Основная масса загрязняющих веществ сточных вод представлена взвешенными веществами, сульфатами, хлоридами, биогенными веществами, нефтепродуктами, СПАВ, железом, никелем и медью.

Методы исследований. Анализ пространственной изменчивости солевого состава водных объектов Норильского района и выпусков сточных вод предприятий и жилого сектора ОАО "ГМК Норильский никель" в период с 2001 по 2003 г. сделан с использованием метода построения роз-диаграмм, которые строятся посредством отложения на шести векторах диаграммы в выбранном масштабе концентрации (в %-экв) трех анионов (НСО, , Б042 , СГ) и четырех ка-

тионов (Са-

2+

,2+'

и [Ыа +К ]). Форма и раз-

Причиной столь значительного увеличения концентрации сульфатов в маломинерализованных поверхностных водах могло быть наличие руд, насыщенных сульфидами, широкое развитие карстовых

мер векторов диаграммы выявляет разную степень трансформации солевого состава воды по сравнению с фоновым периодом.

Для оценки степени загрязненности водных объектов Норильского гидрологического района использована классификация, принятая рабочей группой Совещания руководителей водохозяйственных органов стран — бывших членов СЭВ "Единые критерии качества вод" [1].

Рис. 1. Диаграммы солевого состава речных вод: А

р. Норилка, пос. Валек, 1975 г.; Б р. Щучья, устье

р. Щучья, исток (руч. Угольный); В

Эта классификация предусматривает два вида классификации поверхностных проточных вод: во-первых, с позиции экологического благополучия: во-вторых, пригодности воды для использования в различных хозяйственных целях (в нашем случае, — с позиции обеспечения сохранения ихтиофауны). При классификации первого вида приняты 6 классов качества воды. Второй вид классификации предусматривает три степени пригодности воды для использования.

Оценка и соответственно классификация качества поверхностных проточных вод в контрольных створах проводятся на основе достоверных величин отдельных показателей загрязнения. Для первого вида классификации отнесение к тому или иному классу качества осуществляется по следующему принципу: несоответствие хотя бы одного показателя нормативным величинам дисквалифицирует эту воду и является причиной ее зачисления к более низкому классу. При определении степени пригодности воды для использования для рыбохозяйственных целей принят другой метод: результаты представляют в баллах (вычисление среднего балла) [1].

Результаты и обсуждение. Фоновый солевой состав водных объектов Норильского района представлен диаграммой, составленной для р. Норилки, пос. Валек по данным за 1975 г. (рис. 1, А), где проводились систематические наблюдения в условно-фоновый период. К сожалению, учесть пространственную неоднородность распределения солевого состава воды на территории Норильского района в этот период по имеющимся немногочисленным гидрохимическим данным не представляется возможным.

Анализ формы полученных роз-диаграмм за современный период по сравнению с условно-фоновым позволил разделить их по этому признаку на группы по следующим градациям:

I — слабоизмененный. Форма диаграммы мало отличается от установленной для среднегодового состава воды в условно-фоновый период:

II — измененный. Форма диаграммы изменяется в сторону значительного увеличения вектора 5042_ и незначительного СГ при уменьшении относительного содержания НС03 :

III — сильноизмененный. Форма диаграммы значительно изменяется за счет существенного увеличения векторов анионов S042- или СГ и соотношения ионов в катионном составе воды.

В качестве примера графического изображения видоизменения диаграммы солевого состава воды в современный период по сравнению с фоновым (рис. 1, А) приведены розы-диаграммы по одному из наиболее загрязненных водных объектов района — истоку р. Щучья (рис. 1, Б) и ее устью (рис. 1, В). В обоих створах реки наблюдается значительное изменение формы диаграммы по сравнению с фоновой — уменьшение доли гидрокарбонатов (НС03-) и ионов кальция (Са2+) при резком увеличении доли сульфатов (S042-), ионов натрия (Na+) и хлоридов (СГ), особенно на устьевом участке реки. Таким образом, солевой состав р. Щучья как в истоке, так и на устьевом участке можно охарактеризовать как сильноизмененный. Аналогичные розы-диаграммы приведены на карте (рис. 2) для всех пунктов контроля качества воды на основных водных объектах Норильского района, находящихся в зоне активного загрязняющего воздействия различных производств ОАО "ГМК Норильский никель". Проведенный анализ выявил разную степень трансформации солевого состава водных объектов исследуемого района (табл. 3, рис. 2). Наиболее значительные изменения в солевом составе воды произошли в устьевых участках рек Буровой, Кайеркана, Купеца, Новой Наледной, Щучьей и оз. Кыллах-Кюэль. В наименьшей степени влияние производственно-хозяйственной деятельности Норильского комбината проявилось в изменении солевого состава верховьев рек Амбарной, Далдыкана, Ергалаха и Купеца, а также озер Подкаменного и Тихого.

Таким образом, необходимо констатировать, что на большинстве водных объектов—приемников сточных вод ЗФ ОАО "ГМК Норильский никель" произошла трансформация солевого состава воды, компоненты которого в силу значительного (по сравнению с другими химическими показателями) фонового содержания в природных водах, как правило, наименее подвержены деградации. Отметим, что изменения в соотношении основных ионов не всегда характери-

В качестве примера на рис. 3 показано изменение солевого состава воды р. Дал-дыкан от истока (рис. 3, А, слабоизмененный) к устью (рис. 3, В, измененный) в связи со сбросом в нее сточных вод (рис. 3, Б, сильноиз-мененный в точке 8).

Результаты анализа формы роз-диаграмм 17 исследуемых выпусков показали, что их солевой состав либо не соответствует (измененный), либо в сильной степени не соответствует (силь-ноизмененный) наблюдаемому составу в створе водного объекта — приемника этих сточных вод, расположенного выше основных выпусков (рис. 3).

Загрязненность поверхностных водных объектов, как правило, анализируется по сравнению фактической концентрации химических веществ с установленными в России нормативами их ПДК в воде с учетом целевого назначения водопользования и лимитирующих показателей вредности (ЛПВ). Среди исследуемых 27 створов поверхностных водных объектов в Норильском районе большинство имеет ры-бохозяйственное значение, и только р. Новая Наледная и некоторые озера относятся к водоемам культурно-бытового назначения [3].

Максимальное число

Хараепах

ТАЛНАХ

аз. Уттюе

Валек

чНОРИЛЬС1

КАЙЕРКАН

СТЕПЕНЬ ТРАНСФОРМАЦИИ СОЛЕВОГО СОСТАВА ВОДЫ

КЛАСС КАЧЕСТВА ВОДЫ (ПО КЛАССИФИКАЦИИ ЕККВ):

оО оШ класс - очень незначительно загрязнение:

IV класс - незначительно загрязненная

V класс - сильно загрязненная • VI класс - очень загрязненная

в пунктах контроля качества воды

в месте выпуска сточных вод:

параметров качества воды

Рис. 2. Загрязненность природных и сточных вод в Норильском гидрологическом районе

зуют ухудшение качества воды, так как при этом их концентрации могут не превышать установленных для определенных целей водопользования предельно допустимых концентраций (ПДК). В то же время нарушения в солевом составе воды, как правило, являются индикатором возможного загрязнения водного объекта, что подтверждено дальнейшими исследованиями.

Подобным же образом выявлено влияние выпусков сточных вод на степень трансформации солевого состава водных объектов, в которые осуществляются сбросы.

(8—12), значения которых превышают их ПДК, наблюдается в устьевых областях исследуемых рек, куда и осуществляется основной сброс сточных вод комбината (рис. 2). Для многих из них характерны 50—100-кратные превышения величин ПДК. В верховьях рек (кроме р. Новой Наледной) ПДК превышены по 2—4 показателям от 10 до 50 ПДК, как правило, это ион аммония, общее железо, нефтепродукты и сульфаты. На самых загрязненных водных объектах Норильского района (реки Щучья, Кайеркан, Хараелах) появляются специфические загрязняющие вещества — ди-бутилдитиофосфат и бутилсантогенат. Для озер, в отличие от рек, характерно достаточно высокое содержание марганца, молибдена и алюминия, что может

Рис. 3. Диаграммы солевого состава воды: А — р. Далдыкан, исток; Б — сброс в р. Далдыкан; В — р. Далдыкан, устье

быть связано с их вторичным загрязнением при десорбции из донных отложений, где эти элементы накапливаются в результате внутриводоемных процессов. Критические (КЗ) (51 — 100 ПДК) и экстремально высокие (ЭВЗ) (более 100 ПДК) уровни загрязнения сточных вод отмечены для шести контролируемых ингредиентов и наблюдаются в выпусках, осуществляемых в водные объекты, список которых приведен в табл. 4.

Оценка загрязненности воды водных объектов — приемников сточных вод Норильского комбината осуществлена для среднемноголетних величин контролируемых химических показателей в соответствии с классификацией "Единые критерии качества вод" (табл. 5). Результаты проведенной классификации следующие: вода исследованных водных объектов с позиции экологического благополучия относится к классам от "очень незначительно загрязненной" до "очень загрязненной" (рис. 2). В то же время вода этих водных объектов с позиции пригодности для использования в рыбохозяйственных целях (обеспечения сохранения в них ихтиофауны) классифицируется как непригодная.

Лимитирующими химическими показателями экологического благополучия водных объектов Норильского района являются минерализация воды, содержание сульфатов, иона аммония, нефтепродуктов, нитритов. К числу загрязняющих веществ, лимитирующих возможность сохранения в водных объектах ихтиофауны, относятся ион аммония, общее железо, мець, никель, СПАВ, фосфаты, минерализация и ХПК.

Заключение. Комплексный анализ антропогенного воздействия на поверхностные воды Норильского гидрологического района позволил не только выявить основные источники загрязнения водных объектов, но и оценить характер и динамику произошедших изменений в их состоянии. На большинстве исследуемых водных объектов уже произошла трансформация солевого состава воды. Совместный анализ произошедших нарушений в солевом составе воды (по методу построения роз-диаграмм) и степени загрязненности природных вод специфическими загрязняющими веществами (по классификации "Единые критерии качества вод") показал соответствие полу-

Таблица 3

Степень трансформации солевого состава поверхностных вод Норильского гидрологического района в пунктах контроля качества воды в современный период

Водный объект Градации

оз. Кыллах-Кюэль Сильноизмененный

оз. Подкаменнос Слабоизмененный

оз. Тихое

р. Амбарная, исток

р. Амбарная, устье Измененный

р. Буровая, после хвостохрани-лища НМЗ Сильноизмененный

р. Далдыкан, исток Слабоизмененный

р. Далдыкан, устье Измененный

р. Ергалах, исток

р. Ергалах, устье Слабоизмененный

р. Кайеркан, 500 м до сброса стоков г. Кайеркана Измененный

р. Кайеркан, 500 м после сбро- Сильноизмененный

са стоков г. Кайеркана

р. Купец, исток Слабоизмененный

р. Купец, устье Сильноизмененный

р. Новая Наледная, исток Измененный

р. Новая Наледная, устье Сильноизмененный

р. Талнах, исток Слабоизмененный

р. Талнах, устье Измененный

р. Томулах, исток

р. Томулах, устье

р. Хараелах, исток

р. Хараелах, устье

р. Щучья, исток (руч. Медвежий) Сильноизмененный

р. Щучья, исток (руч. Каскадный) Измененный

р. Щучья, исток (руч. Уголь- Сильноизмененный

ный)

р. Щучья, устье

руч. Южный Угольный, устье Измененный

ченных результатов, что позволяет рекомендовать метод построения роз-диаграмм в качестве индикатора на возможное загрязнение водного объекта. Вода исследованных водных объектов характеризуется в

Таблица 4

Таблица 5

Выпуски сточных вод Норильского горно-металлургического комбината и загрязняющие вещества в их воде с критическим (КЗ) и экстремально высоким (ЭВЗ) уровнем загрязнения

Классы качества поверхностных вод и степень их пригодности для использования в рыбохозяйственных целях, принятые в классификации "Единые критерии качества вод"

Водный объект — Номер Загрязняющие

приемник сточных вод на рис. 3 вещества

р. Щучья и руч. Медвежий 18 Медь, никель, железо общ., цинк, нитриты, фенолы

р. Амбарная 6 Медь, никель, железо общ., нитриты

р. Новая Наледная 9 Никель, нитриты

оз. Кыллах-Кюэль 2 Медь, нитриты

р. Томулах 12 Нитриты, железо общ.

р. Хараелах 14 Нитриты

Хараелахское водохрани- 1 Нитриты

лище

р. Талнах 11 Нитриты

большинстве случаев измененным или сильноизме-ненным солевым составом, а с позиции экологического благополучия относится к классам от "очень незначительно загрязненной" до "очень загрязненной".

С позиции экологического благополучия С позиции пригодности в рыбохозяйственных целях

класс качества описание степень пригодно сти описание

I Вода очень чистая I Вода желательная

II Вода чистая II Вода допустимая при определенных методах обработки

III Вода очень незначительно загрязненная III Вода непригодная

IV Вода незначительно загрязненная

V Вода сильноза-грязненная

VI Вода очень загрязненная

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Единые критерии качества вод. М.. 1982.

2. О роли подземного питания в стоке реки Норильской //Изв. Новосиб. отдела Геогр. общества СССР. Новосибирск, 1958. Вып. 2. С. 14-20.

Кафедра гидрологии суши

3. Расчет нормативов предельно допустимых сбросов (ПДС) загрязняющих веществ в водные объекты со сточными водами Заполярного филиала ОАО "ГМК Норильский никель": В 5 т. Норильск, 2004.

Поступила в редакцию 12.04.2007

M.B. Zaslavskaya, E.S. Lapina

TECIINOGENIC TRANSFORMATION OF THE CHEMICAL COMPOSITION

OF WATER BODIES IN THE NORILSK HYDROLOGICAL REGION

Natural and technogenic factors influencing the chemical composition of water in rivers and lakes of the Norilsk hydrological region are described. These water objects are both the main sources of water supply for the area and the sewage recipients for a number of enterprises within the Norilsk mining and metallurgical industrial complex. Most water objects under study have already experienced transformation of the salt composition of water which is generally the least degradable. The combined analysis of changes in salt composition of water using the diamond-type diagrams and the degree of natural water pollution with specific pollutants (according to the CMEA classification) has been carried out. The results have shown good correlation. Salt composition of water in the objects under study is for the most part "transformed" or "considerably transformed", while in terms of ecological safety their water ranges from "insignificantly polluted" to "heavily polluted".