Химический состав донных отложений реки Васюган и ее притоков

2. Гафуров О.М., Меркулов В.П., Городников М.А., Тищен-ко Г.И., Сысолятин Н.В. Инновационные методы и технологии нефтегазопоисковых работ и возможные пути их реализации в Томской области / Сб. научных статей: Инновационные методы и технологии нефтегазопоисковых работ и возможные пути их реализации в юго-восточных районах Западной Сибири / Под ред. О.М. Гафурова, Э.В. Кривошеева, Г.И. Тищенко, В.Е. Шафтельского, М.А. Городникова, А.И. Беккермана, В.П. Меркулова. - Томск: ООО «ИнформГеоСервис», «Томский ЦНТИ», 2000. - 177 с.

3. Методы нейроинформатики / Под ред. А.Н. Горбаня. - Красноярск: КГТУ, 1998. - 232 с.

4. Тютерев В.В., Новосельцев В.Б. Теория нейронных сетей. -Томск: ТПУ, 2001. - 69 с.

5. Методические рекомендации по подсчету геологических запасов нефти и газа объемным методом / Под ред. В.И. Петер-силье, В.И. Пороскуна, Г.Г. Яценко. - М.-Тверь: ООО «Издательство ГЕРС», ВНИГНИ, НПЦ «Тверьгеофизика», 2003. -256 с.

Введение

Процессы взаимодействия речных вод с донными отложениями играют весьма важную роль в формировании экологического состояния водных объектов, что и определяет необходимость изучения геохимии донных отложений. Особый интерес подобные работы представляют в случае речных систем, испытывающих значительную антропогенную нагрузку, поскольку при этом может происходить как самоочищение вод, так и их вторичное загрязнение. С учетом этого авторами в продолжение и дальнейшее развитие собственных работ и исследований других специалистов [1-3] были выполнены обобщение и анализ имеющейся информации о химическом составе донных отложений реки Ва-сюган Томской области, ее притоков Черталы, Чи-жапки, Елленкулуньяха, Лонтынь-Яха, Махни и ряда малых рек первого и второго порядков (рис.).

Указанные водотоки объединяет характер антропогенного воздействия на их экосистемы, связанного с добычей и транспортировкой нефти и газа. Следствием этого влияния, по данным [1, 3, 4], стало загрязнение речных вод и донных отложений в бассейне р. Васюган нефтепродуктами. Однако его масштабы и реакция водных экосистем до сих пор изучены недостаточно полно. В частности, в настоящее время ощущается дефицит достоверных данных о фоновых содержаниях химических элементов в донных отложениях региона, механизме самоочищения речных вод и донных отложений, трансформации их химического состава по мере изменения порядка водотоков и т.д.

Рисунок. Схема расположения пунктов опробования  донных отложений реки Васюган и ее притоков в 1997-2005 гг.

Методика исследований

В процессе выполненных исследований, в соответствии с требованиями [5], были выполнены полевые работы по отбору проб донных отложений и воды, определение их химического состава в аккредитованных лабораториях Томского политехнического университета (ТПУ), ОАО «Томскгеомонито-ринг», Томской геолого-разведочной экспедиции (микроэлементы - полуколичественный спектраль-

УДК 551.482.212

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ РЕКИ ВАСЮГАН И ЕЕ ПРИТОКОВ

О.Г. Савичев, В.А. Базанов*

Томский политехнический университет E-mail: OSavichev@mail.ru *НИИ биологии и биофизики при Томском государственном университете

Приведены результаты изучения химического состава донных отложений реки Васюган Томской области и ее притоков. Установлен средний за 1997-2005 гг. уровень содержания нефтепродуктов и более 20-и химических элементов. Выявлены взаимосвязи между концентрациями нефтепродуктов и хлорид-иона в донных отложениях и речных водах. Показано, что донные отложения водотоков в среднем по бассейну реки Васюган характеризуются как умеренно загрязненные и загрязненные.

ный анализ, атомно-абсорбционный и инверсион-но-вольтамперометрический методы; нефтепродукты - метод инфракрасной спектрофотометрии) и статистический анализ геохимических данных с использованием средств MS Excel. Исходный материал получен при участии авторов в НИИ биологии и биофизики при Томском государственном университете (НИИ ББ), ТПУ, ОАО «Томскгеомонито-ринг» в 1997-2005 гг. Кроме того, использовались материалы ОАО «Томскгеомониторинг» и Томской геолого-разведочной экспедиции [2], а также сведения химическом составе речных вод региона, полученные в ТПУ, Росгидромете и обобщенные в [3].

Размещение точек опробования проводилось в пределах наиболее типичных для исследуемых рек участков русел с учетом структуры поля загрязнений и особенностей формирования эколого-геохи-мического состояния водных объектов (как выше, так и ниже по течению от потенциальных и реальных источников загрязнения). Пробы речных вод отбирались из слоя 0,5 м от поверхности. Для про-боотбора использовались специально подготовленные и применяемые только для этих целей емкости. Отбор проб донных отложений для изучения содержаний нефтепродуктов и Cl- (в водной вытяжке) осуществлялся после отбора речных вод с помощью дночерпателя в точках, приуроченных к пунктам отбора проб речных вод. При этом концентрации нефтепродуктов и Cl- определялись в обеих средах. В прочих случаях (при изучении содержаний микроэлементов) опробование донных отложений и речных вод проводилось либо авто-

номно друг от друга, либо с определением несовпадающих геохимических показателей.

Результаты исследований и их обсуждение

В донных отложениях изученных рек установлено присутствие более 20-и элементов, максимальные содержания среди которых характерны для Si, А1 и Fe. Наиболее высокие концентрации химических элементов в большинстве случаев выявлены в донных отложениях притоков р. Васюган: р. Чертала - Zn, V, РЬ, Р, №, Мп, Си, Со; р. Еллен-Кулуньях - И, Сг; в р. Махня - Sr, Мо; одновременно в двух и более притоках - Li, К, Si. Непосредственно в донных отложениях р. Васюган обнаружены максимальные (для рассмотренных рек) содержания Са, Ва, Ag. Наиболее высокие концентрации М§, А1, Fe, № отмечены в отложениях и реки Васюган, и ее притоков (табл. 1).

Уровень содержания химических элементов в донных отложениях в бассейне р. Васюган в основном не выходит за пределы, установленные для рек мира, и сопоставим с фоновыми концентрациями, полученными для рек Центрального Казахстана (р. Нура), Московской области (рр. Москва и Пахра), Мордовии (р. Инсар) [6-8]. Наиболее заметное исключение составляют Si, среднее содержание которого заметно превышает показатели для других рек (табл. 2).

В сравнении с почвами и почвообразующими породами Западной Сибири [9] в донных отложениях р. Васюган и ее притоков отмечены более вы-

Таблица 1. Средний химический состав донных отложений реки Васюган и ее притоков, мг/кг

Показатель р. Васюган р. Чертала р. Чижапка р. Елленкулуньях р. Лонтынь-Ях р. Махня Малые реки1

A N A N A N A N A N A N A N

Fe 30000 1 30000 1 20000 1 15000 1 10000 1 20000 1 - -

Mn 500 6 700 5 65 5 300 1 100 1 300 1 - -

Ti 5167 6 4800 5 4000 1 6000 1 4000 1 3000 1 - -

Cr 113 6 108 5 200 1 400 1 200 1 150 1 - -

Cu 28 6 31 5 5 5 20 1 20 1 10 1 6 3

Pb 20 6 21 5 5 5 10 1 8 1 20 1 2 3

Zn 67 6 74 5 16 5 40 1 30 1 40 1 16 3

Ni 36 6 40 5 30 1 15 1 10 1 20 1 37 3

Co 16 6 19 5 10 1 4 1 6 1 6 1 - -

Al 60000 1 60000 1 40000 1 40000 1 40000 1 60000 1 - -

Mg 6000 1 6000 1 4000 1 2000 1 1000 1 2000 1 - -

Ag 0,65 5 0,35 5 0,03 1 0,04 1 0,04 1 0,04 1 - -

Mo 1,0 1 1,0 1 1,0 1 1,5 1 1,0 1 2,0 1 - -

V 85 6 96 5 60 1 50 1 50 1 50 1 - -

Sr 283 6 220 5 300 1 300 1 300 1 400 1 - -

Li 20 1 30 1 30 1 30 1 30 1 20 1 - -

Si 350000 1 350000 1 350000 1 400000 1 400000 1 350000 1 - -

P 1067 3 1567 3 600 1 800 1 800 1 800 1 - -

K 10000 1 15000 1 15000 1 15000 1 15000 1 10000 1 - -

Ca 15000 1 10000 1 10000 1 4000 1 3000 1 6000 1 - -

Na 10000 1 10000 1 10000 1 10000 1 10000 1 8000 1 - -

Ba 683 6 540 5 600 1 600 1 500 1 600 1 - -

Cl-2 25,5 1 - - 30,6 2 - - - - 20,4 1 19,7 4

Нефтепродукты 69,7 5 - - 42,1 4 - - - - 231,8 1 117,4 4

1 Малые реки 1-го и 2-го порядков

2 Содержания хлорид-иона определеныы в водной вытяжке

Таблица 2. Обобщенная геохимическая характеристика донных отложений, почв и почвообразующих пород (мг/кг) и речных вод (мг/дм3) в бассейне реки Васюган и на прилегающих территориях

Компонент Среднее для р. Васюган и ее притоков Диапазон изменения для рек мира [6-8] Почвы и почвообразующие породы Сибири [9] Почвы севера Томской области [10] Речные воды 1 [3]

Почвы Породы

Б1 366 667 2,6...220 000 - - - 4320

А1 50 000 1,0...94 000 - - - 169,1

Ре 20 833 810...68 177 25 104 26 244 - 705

К 13 333 2 375...24 300 - - - 630

№ 9 667 1 603...10 000 - - - 4270

Са 8 000 358...78 000 - - - 23 100

Т 2 4 800 1 900...5 600 3 352 3 293 3 400 -

Мд 3 500 10 000...15 300 - - - 5 700

Р 1 090 40...10 000 679 416 631 72

Ва 2 607 93...2 300 541 512 512 41,5

Мп 442 106...8 320 797 442 748 59,8

Бг 2 273 31...630 209 325 250 241

Сг 145 5...1 780 84 79 445 1,4

V 2 80 35...210 87 85 47 -

7п 49 4,0...24 800 73 62 47 20,4

N1 33 7,6...1 500 42 42 42 0,9

и 2 27 23...35 - - 23 8,1

С1-3 23,2 - - - - 3100

Си 21 1,0...1 020 31 30 26 3,8

РЬ 2 14 17...32 18 16 15 1,9

Со 14 1,3...40 13 11 11 0,3

Мо 1,3 0,2...120 4,3 4,5 3 -

Ад 2 0,37 0,02...154 - - - 0,5

Нефтепродукты 87,0 - - - - 544

1 Приведены средние концентрации Са2+, Мд2+, Nа+, К+, Si, Ре, Р, нефтепродуктов в водах р. Васюган; в прочих случаях - средние концентрации для равнинных притоков р. Обь таежной зоны в целом

2 Данные [6] дополнены сведениями [7, 8]

3 В водной вытяжке донных отложений

сокие содержания И, Сг, Р, Ва и менее значительные - Zn, Си, РЬ, Fe, Мп, V, N1, Мо; концентрации Sг и Со примерно равны. Близкие результаты получены при сравнении средних содержаний химических элементов в донных отложениях рассматриваемых рек и почвах северной части Томской области [10], показавшем, что для донных отложениях рек характерны более высокие концентрации не только И, Р, Ва, но и Sг, V, Zn, Li, Со. Наименьшие концентрации Си, РЬ, Мп, N1 и Мо, как по данным для всей Западной Сибири, так и непосредственно по рассматриваемой территории, характерны для донных отложений рек (табл. 2).

Более сложная картина получена при сопоставлении содержаний химических элементов в донных отложениях рассматриваемой территории с материалами по химическому составу торфов южно-таежной подзоны Западной Сибири, представленными в работах [11-13]. Концентрации многих элементов в донных отложениях рек меньше соответствующих показателей для верховых торфов и больше (или примерно равны) - для низинных торфов. Учитывая, что в речных долинах и на прилегающих к ним территориях расположены преимущественно низинные и переходные болота с преобладанием соответствующих типов торфов,

можно предположить, что, по крайней мере, одним из источником поступления изученных элементов в донные отложения в бассейне р. Васюган являются частицы торфа и почв, вынесенные в реки с поверхностным и подповерхностным стоком с болот и заболоченных территорий.

Особое внимание в процессе исследований было уделено изучению нефтепродуктов как загрязняющего вещества, характерного для рассматриваемой территории. Наиболее высокие содержания нефтепродуктов также были отмечены для донных отложений притоков р. Васюган (в среднем 96,6 мг/кг для притоков и 69,7 мкг/кг непосредственно для р. Васюган). При этом полученные нами оценки оказались близки к данным других авторов по р. Васюган за 2000 г. и целому ряду рек Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО) [1, 14]. Согласно [14, 15], концентрации нефтепродуктов в донных отложениях, превышающие 5,5 мг/кг, свидетельствуют о определенной степени загрязнения последних. В то же время, по данным Н.П. Солнцевой, среднее содержание гексановой фракции битуминозных веществ в незагрязненных торфах северной тайги Западной Сибири составляет 40...60 мг/кг, а в супесях той же территории - от 50 до 1000 мг/кг [16]. В загрязненных торфах и

торфяных почвах северо-таежной зоны Западной Сибири нефтяные компоненты обнаруживаются в концентрациях от 200 мг/кг до 504 г/кг, а непосредственно в бассейне р. Васюган - от 837 мг/кг до 125,2 г/кг [13, 16, 17].

С учетом водного выноса частиц почв и торфа и их последующего накопления в донных отложениях, указанная выше граница выделения так называемых «чистых» и загрязненных донных отложений в бассейне р. Обь представляется чрезмерно заниженной. По крайней мере, на основании имеющихся данных целесообразно говорить о наличии сколько-нибудь значимого загрязнения лишь при обнаружении концентраций нефтепродуктов, превышающих их средние значения для торфов и торфяных почв района исследований, то есть более 40...50 мг/кг. В этом случае, если следовать терминологии [14, 15] и принимать во внимание указанные выше геохимические данные, градация «умеренно загрязненных» донных отложений ориентировочно соответствует концентрациям от 40.50 до 200 мг/кг, а градация «загрязненных» - от 200 до 800 мг/кг. «Грязными» и «очень грязными», на взгляд авторов, следует считать донные отложения, в которых нефтепродукты присутствуют в количестве свыше 800 мг/кг. Исходя из этого, можно охарактеризовать донные отложения реки Васюган и ее притоков в среднем как умеренно загрязненные и загрязненные, что не исключает возможность обнаружения чрезвычайно высоких концентраций нефтепродуктов (в Западной Сибири до 300 г/кг) и соответствующих последствий их воздействия на гидробионтов на участках аварийных разливов нефти [4, 14, 16].

Аналогичный подход к оценке загрязнения можно применить и к рассмотренным выше химическим элементам, что, с учетом нижней границы диапазона изменений их концентраций в донных отложениях рек мира и почах региона, позволяет сделать вывод об отсутствии явно выраженного антропогенного влияния на уровень содержания Си, РЬ, Мп, N1, Мо, Zn, Sc, La, V, Sr. В прочих случаях причиной более высокого, по сравнению с почвами и почвообразующими породами, содержания элементов в донных отложениях региона могут являться как антропогенные факторы, так и протекающие в водных объектах природные процессы, например, сорбция на частицах речных наносов и донных отложений, биоаккумуляция и образование малорастворимых соединений [18]. В качестве подтверждения роли последнего фактора можно привести результаты выполненного О. Г. Савиче-вым расчета насыщенности болотных и речных вод на территории Двуреченского и Западно-Моисеев-ского нефтяных месторождений относительно соединений гуминовых кислот с Са и М§ [17].

Значительный интерес в рамках рассматриваемых исследований представляет сравнение химического состава донных отложений не только с соответствующими показателями почв и горных пород, но и речных вод. По полученным данным, для донных отложений рек региона характерен более высокий уровень содержания большинства изученных элементов.

По данным Д.В. Московченко [14], для рек ХМАО значимая корреляция между содержаниями нефтепродуктов в воде и донных отложениях не обнаружена, что, вероятно, объясняется наличием неучтенных нелинейных связей между этими показателями. Кроме того, можно предположить, что подобная связь будет заметно нарушаться при увеличении водного стока исследуемых рек, поскольку уменьшается относительный вклад взаимодействий между донными отложениями и речными водами в формирование химического состава последних. С учетом этого авторами был проведен регрессионный анализ геохимических данных по средним и малым рекам региона за меженный период, позволивший выявить статистически значимые зависимости для содержаний нефтепродуктов и С1- (табл. 3). В случае С1- эти связи прямые, а в случае нефтепродуктов -обратные. Достоверное объяснение подобного характера зависимостей, подтверждаемое количественными оценками, в настоящее время отсутствует, что обусловливает актуальность дальнейших эко-лого-геохимических исследований рек региона с целью разработки математической модели взаимодействий в системе «вода - донные отложения».

Таблица 3. Взаимосвязи между содержаниями нефтепродуктов и С- в донных отложениях и речных водах бассейна реки Васюган*

Функция Y Аргумент X Уравнение регрессии Квадрат корреляционного отношения №

Нефтепродукты

Содержание в донных отложениях Содержание в речных водах Y=36,121 X0'5136 0,40

Y=162,72-205,12 X 0,40

Y=172,69 ехр(-2,6538 X) 0,35

Содержание в речных водах Содержание в донных отложениях Y=5,4797 X0'7795 0,40

Y=0,4583-0,0019 X 0,40

Y=0,4218 ехр(-0,0084 X) 0,35

Хлорид-ион

Содержание в донных отложениях Содержание в речных водах Y=13,057 X03344 0,42

Y=17,679-1,0034 X 0,20

Y=17,076 ехр(0,0439 X) 0,32

Содержание в речных водах Содержание в донных отложениях Y=0,0999 X2635 0,42

Y=1,5365-0,199 X 0,20

Y=1,9368 ехр(0,0404 X) 0,32

*В соответствии с [19] зависимость принимается удовлетворительной при №>0,36

Заключение

Установлен средний уровень содержания нефтепродуктов и более 20-и химических элементов в донных отложениях реки Васюган Томской области и ее притоков разного порядка. Сопоставление полученных данных с соответствующими показателями почв и почвообразующих пород рассматри-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воробьев Д.С., Попков В.К. Нефтепродукты в воде и донных отложениях бассейна реки Васюган // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. - № 4. -С. 48-50.

2. Эколого-геохимические исследования на территории Карга-сокского района Томской области. Отчет о НИР по договору № 2-гр/97 / Под ред. В.А. Льготина. - Томск: ТЦ «Томскгеомо-ниторинг», 1998. - 69 с.

3. Савичев О.Г. Реки Томской области: состояние, использование и охрана. - Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2003. - 202 с.

4. Рузанова А.И., Воробьев Д.С. Трансформация донных сообществ в условиях нефтяного загрязнения // Экология пойм сибирских рек и Арктики / Под ред. В.В. Зуева. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - С. 71-78.

5. РД 52.24.309-92. Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Ро-скомгидромета. - СПб.: Роскомгидромет, 1992. - 67 с.

6. Никаноров А.М., Жулидов А.В. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 312 с.

7. Янин Е.П. Русловые отложения равнинных рек (геохимические особенности условий формирования и состава). - М.: ИМГРЭ, 2002. - 139 с.

8. Янин Е.П. Техногенные геохимические ассоциации в донных отложениях малых рек (состав, особенности, методы оценки). - М.: ИМГРЭ, 2002. - 52 с.

9. Сысо А.И. Закономерности распределения химических элементов в почвообразующих породах и почвах Западной Сибири: Ав-тореф. дис. ... докт. биол. наук. - Новосибирск, 2004. - 32 с.

10. Рихванов Л.П., Язиков Е.Г., Грязнов С.А. и др. Предварительная оценка уровней накопления тяжелых металлов в почвах бассейна р. Обь // Природокомплекс Томской области. В 2-х т.

ваемой территории позволило охарактеризовать донные отложения изученных водотоков в среднем как умеренно загрязненные и загрязненные. В сравнении с речными водами в донных отложениях отмечаются, как правило, более высокие содержания микроэлементов. Связи между концентрациями веществ в обеих средах в общем случае являются нелинейными (чаще всего степенными).

- Т. 1. Геология и экология / Под ред. А.И. Гончаренко. -Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та, 1995. - С. 249-259.

11. Бернатонис В.К., Архипов В.С., Здвижков М.А. и др. Геохимия растений и торфов Большого Васюганского болота // Большое Васюганское болото. Современное состояние и процессы развития / Под ред. М.В. Кабанова. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН. - С. 204-215.

12. Езупенок Е.Э. Содержание химических элементов в торфах и торфяных почвах южно-таежной подзоны Западной Сибири: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Томск, 2005. - 20 с.

13. Березин А.Е., Базанов В.А., Волостнов Д.В., Шинкаренко В.П. Влияние старых шламовых амбаров на экологическую ситуацию вмещающих территорий // Охрана природы / Под ред. А.Е. Березина. - Томск: Изд-во НТЛ, 2002. - С. 21-43.

14. Московченко Д.В. Нефтепродукты в донных отложениях водных источников Ханты-Мансийского автономного округа // Водные ресурсы. - 2005. - Т. 32. - № 1. - С. 85-89.

15. Брусынина И.Н., Смирнов Ю.Г., Добринская Л.А., Уварова В.И. К изучению нефтяного загрязнения уральских притоков Нижней Оби // Изучение экологии водных организмов Восточного Урала. - Свердловск: УрО РАН, 1992. - С. 3-12.

16. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. - М.: Изд-во МГУ, 1998. - 376 с.

17. Базанов В.А., Савичев О.Г., Волостнов Д.В и др. Влияние шламовых амбаров на геохимическое состояние болотных экосистем в бассейне реки Васюган // Известия Томского политехнического университета. - 2004. - Т. 307. - № 2. - С. 72-75.

18. Веницианов Е.В. Физико-химические процессы в поверхностных водах // Водные проблемы на рубеже веков / Под ред. М.Г. Хубларяна. - М.: Наука, 1999. - С. 241-255.

19. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Гидрологические основы управления водохозяйственными системами. - М.: Наука, 1982. - 271 с.