Оценка экологического состояния речных систем (западная Сибирь, средняя Обь)

УДК 551.579: 541+ 550.47

С.В. Темерев

Оценка экологического состояния речных систем

В верхнем течении Оби Новосибирское водохранилище активно влияет на качество воды в районе Новосибирска. Правые притоки Томь и Чулым ухудшают качество обской воды в среднем течении водотока. Химический сток Оби в ее нижнем течении формируется под влиянием крупных притоков, таких как Кеть, Васюган, Тым и Иртыш. Весьма существенно воздействие Томи, особенно по органическому веществу как антропогенного, так и природного происхождения. Самоочищение экосистемы Томи ослаблено вследствие природных особенностей водотока: малой минерализацией речных вод и отсутствием выраженных мелкодисперсных донных осадков. Русло реки выстлано галечником, причем его интенсивно добывают особенно в районе Томска. Качество воды Томи и ее притоков в 1990-1992 гг. наиболее комплексно изучено сотрудниками институтов СО РАН. Анализ спектра органических загрязнений и величин содержаний интегральных величин показал значительные различия качественного и количественного состава в зависимости от фаз водного режима, а также изменения химической нагрузки на водоток по длине реки.

В формировании антропогенной нагрузки на речную экосистему Томи наибольший вклад вносят крупные промышленные центры: Новокузнецк, Кемерово, Юрга и Томск. Если Новокузнецк формирует нагрузку на водоток по металлам (Западно-Сибирский металлургический завод), Кемерово - по органическим токсикантам и формам азота (объединение «Азот»), то ниже Томска оказывает влияние на экосистему реки Се-верск и его спецпредприятия. Примерно до 40 км по правому берегу Оби в кернах донных осадков установлена повышенная активность радиоцезия до 35-67 Бк/кг [1]. Еще через 20 км (г. Колпашево) активность нуклида снижается до 2-12 Бк/кг. В 1990-е гг. отмечалось крайне неудовлетворительное качество поверхностных вод по фенолам, нефтепродуктам, формам азота как биогенного элемента. При этом устойчивые превышения отмечались в весеннее половодье и осенне-зимнюю межень [2]. Из металлов выделялись железо, медь и цинк [3].

Ртуть не выделялась в числе приоритетных токсичных элементов, так как локализовалась вблизи промышленных центров, а биологиче-

Рис. 1. Распределение мелкодисперсных фракций в осадках, природных водах и почве

ское накопление было отмечено только для щуки, как хищника [4]. Экологические исследования в бассейне Томи, реализованные в 2001 г. [5], подтвердили результаты прошлых лет и расширили представления о спектре органических токсикантов канцерогенного действия: бенз(а)пирен и ПАУ, метилпроизводных фенолов. Методами хроматографии с масс-селективным детектированием в ИОХ СО РАН С.В. Морозовым показано наличие в воде Томи значимых концентраций этих мутагенов. При этом идентифицированы источниками бенз(а)пирена и ПАУ мелкие частицы антропогенных взвесей (1-3 мкм), формирующиеся в снежном покрове и почве из атмосферных выпадений особенно в районе Новокузнецка. Причем опасные концентрации этих органических токсикантов (до 10 ПДКв) в снежном покрове существуют вместе с формальдегидом (до 2 ПДКв) и

Таблица 1

Характеристики контрольных створов Оби

Номер стяора Наименование и привязка на местности Расстояния от устья, км Координаты

1 Выше пос. Красный Яр, Нижнин бьеф Навосибирсквга ншр. 2925 N=55*14' Е=82°5Г

2 Выше устья Томи (с. Брагино) 2690 ^56*’5Г Н=&4°25'

3 Устье То\ш 2677 -

4 Ниже уетьл Томи 2670 Н=56”58' Е=&4°24'

5 Выше усти Чулыма 2550 N=57*40'

6 Устье Чулыш N=57^44'

7 Ниже устыт Чулыма (с. Игреков о) 2535 Ы=57"42' Е=83°4й'

й Выше Н ижиенартовска, ниже устья Бача 1625 N=6049' Е=7б"46'

9 Ниже Нижневартовска 1615 N=60^51' Е=7йл25'

10 Выше усты Иртыша 1195 N=61*10' Е=69Ч1'

11 Устье Иртыша 1155 N=61*4)5' &=68°5Г14"

12 Ниже устм Иртыша 1145 N=61405' Е=бЙв51'1Й"

13 Ниже иис, Карым-Кары 1005 N=62411' &=6Г22'

тяжелыми металлами (рис. 1). Распределение по фракциям представлено по результатам ИХКиГ СО РАН, выполненных В.П. Мальцевым методом проточной сканирующей цитометрии. Вклад в концентрации суглинков по фракциям взят из работы [5]. Повышенная сорбционная активность мелких фракций 1-3 мкм (рис. 1) проявляется для всех консервативных компонентов экосистемы реки: твердой компоненты снежного (почвенного) покрова и речных взвесей. Тяжелые металлы активно взаимодействуют с органическими веществами с образованием прочных комплексных соединений как природного, так и антропогенного происхождения, стабильно ухудшают качество поверхностных вод, осаждаясь в донные отложения в тиховодных участках русла и устье Томи в области подпора от основного водотока. При взаимодействии снеговых вод с поверхностью водосбора в первую очередь вымываются именно легкие фракции с сорбированными на них химическими веществами. В процесс формирования снегового стока в первую очередь вовлекаются антропогенные источники разрезов с открытой добычей угля. Исследования, представленные в отчете [5] по Ерунаковскому и Тал-динскому открытым разрезам, показали, что даже начальная стадия освоения новых месторождений приводит к значительным негативным экологическим последствиям. Ранее в работе [3]

нами на примере снегового стока в бассейне Томи было показано, что при общем вкладе его в речной сток до 20% наиболее значимыми выступают железо, медь и цинк. При этом не учитывалось выщелачивание металлов из почвогрунтов, которое может быть значимым в формировании химического состава поверхностных вод реки в период снегового паводка. Вследствие низких температур снеговой воды в миграцию химических веществ вовлекаются ПАУ, фенолы и их ме-тильные производные, которые в количествах на уровне ПДК обнаружены в тиховодных русловых донных осадках Томи методами хромато-масс-спектрометрии [5].

Наиболее опасные концентрации химических веществ отмечались именно в весеннее половодье, когда происходит обвальный смыв химических веществ, накопленных за зимний период, с водосбора в русло рек в течение короткого времени. В осеннюю межень Обь и ее притоки питаются приповерхностным и поверхностным стоком атмосферных осадков. Поэтому в настоящей работы проведен сравнительный анализ осенних гидрохимических показателей лабильных компонентов экосистемы Оби: воды, взвешенного вещества, поровой воды, а также консервативных ее компонентов: донных осадков, взятых в виде кернов донных отложений в тиховодье и стрежневых (скоростных) вертикалях основ-

Таблица 2

Результаты определения органических поллютантов в Средней и Нижней Оби

Показатель 1 Нефтепродукты, ьиУл Фенолы, мкгАе

№ юонтр. CiBopa 1УУТ г. 2U02 г. 1УУ7 г. 2W2 гь

2 0,12-0:17 (Сорт. = 6,3) 0,15-0,40 (Сорт. = 6,0) ] ,7-3,2 0,9-2,2

3 0,15-0,30 (Спрг. = У,Я) 0,20-0,30 (Спрг. = 7.7) 1,0-4,0 1,0-3,0

4 0,16-0,20 (Сорт. = ЯД) 0,50-1,2 (Спрг. = 4,5) 1,0-1,2 1,0-1,1

10 0,10-0,13 0,06-0,07 (Сорт, - 6,8) 1,0-1,3 1,2-2,2

11 0,10-0.12 0,07-0,0!i (Сорт, = 6,4) 1,0-1,1 1,2-1,8

12 1ЩКв.р. 0,10-0.42 0,1W-0,12 (Сорт, = 6,8) 0,U5 иг/л 1 >0-4,2 1,01 1,0-1,2 •кг/л

Расчет проводили следующим образом:

имитационная концентрация [мкг/л] = фоновая концентрация [мкг/г] • мутность воды [ г/л].

ного водотока - Оби, местах впадения крупных притоков (Томь, Чулым, Иртыш), оценка факторов, влияющих на превращения веществ на окислительно-восстановительном барьере, выяснение роли донных осадков в формировании спектра химического загрязнения основного водотока и качества природной воды в Оби с помощью метода концентрационных коэффициентов (абиотического концентрирования и биологического накопления) на примере тяжелых металлов.

В таблице 1 представлены места организации контрольных створов мониторинга основного водотока. В контрольных створах определялся профиль дна реки с помощью эхолота и гидрометрии (гидрологическая вертушка ГР-21) по трем скоростным вертикалям (левый берег, середина реки, правый берег) и трем горизонтам (0,2 И; 0,6 И; 0,8 И) с одновременным отбором образцов воды, взвешенного вещества и донных отложений. Дополнительно определяли широту и долготу точек отбора с помощью индивидуального навигатора. По величинам скорости течения девятиточечным методом вычисляли мгновенные расходы твердого и жидкого стока. Образцы воды отбирали батометром Молчанова с глубины 0,6 И. Донные осадки отбирали на стрежневой вертикали контрольного створа с помощью дночерпателя ГР-86. В тиховодных, прибрежных и островных участках Оби, в местах контрольных створов, в 1999 и 2001 гг. дополнительно отбирали керны донных отложений на глубину 40-100 см (диаметром 12 см) с помощью трубчатого дночерпателя авторской конструкции ОИГГ и М СО РАН. Непосредственно на месте отбора образцов определяли общие гидрохимические показатели: pH, ЕИ, О - с помо-

щью полевого мультиметра Multilane 4, снабженного соответствующими погружными сенсорами Cell Ox 325, Sen Tix 41-3 (производство Германии), электропроводность - с помощью мультиметра «Анион «(Новосибирск), БПК 5 -титриметрически методом Винклера. Для исключения окисления сульфидов, органического вещества и изменения лабильных гидрохимических показателей до момента анализа образцы донных осадков хранили в охлажденном до 1-4 еС виде в сосуде Дьюара, периодически добавляя жидкий азот.

В лабораторных условиях содержание Cu, Pb, Cd, Zn в природной воде определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией (AAS 30 ETA) или инверсионной вольтамперометрии (компьютерный вольтамперный анализатор ТА-2 фирмы «Техноаналит», ТПУ, г. Томск). Тяжелые металлы (Fe, Mn, Cu, Pb, Cd, Zn) в донных отложениях, кернах (послойный анализ) и взвесях анализировали после мокрого озоления методом атомно-абсорбционной спектрометрии (AAS 1N, FA) с атомизацией жидких аналитических проб в воздушно-ацетиленовом пламени, ртуть -методом холодного пара. Неорганические ионы, органическое вещество, фенолы и нефтяные углеводороды в воде, поровой воде донных отложений рассчитывали по стандартным методикам [8, 9, 10]. Нитрат-, сульфид-ионы количественно определяли прямой потенциометрией с помощью ионоселективных электродов, сульфат-ион - турбидиметрией в виде сульфата бария, ортофосфат-ионы - спектрофотометрией с молибдатным реагентом. В таблицах 2 и 3 представлены данные по водорастворимым органическим веществам и водорастворимым формам

Содержание загрязняющих веществ в водах Оби

Номер створа Концентрация тяжелого металла, ыиУл

С(1 РЪ Си *'е Мл

1 120*35 <0,1 1,и±ЮгЗ 1,8*ЙД 32±5 35±2

2 31±4 <0,1 3,1±Я,В з,з*од 18±3 32±4

3 24+2 <0,1 1,7*0.5 12=Ш,2 142+7 16+2

4 27+3 <0,] 2,5*1,0 6,6*0,3 38+4 14+1,5

5 25,7+1,3 <0,1 1,8±Д,6 2,9+0,2 16+1 26+0,6

6 37±2 <0,1 1.9+0,5 1.8+0,4 32+3 42±2,5

7 41±8 0,8аЛД 2.4+0.3 9.2+0,б 110+8 26+0,8

в 75±б 0,2±ЛД 2.3±Л,4 42±А,4 88±5 32±3

9 54,6±3,2 о.зиод 1.5±АЗ 3,8±Д,4 83±5 32±4

10 Зб±4 <0,1 1.3±Ю,5 2,4±Ю,3 94±4 4-0 ±5

И 87±9 0.4±Л,2 2,0±ЮД 34,5±0,9 120±9 9б±б

12 180*12 0.9+Я,3 б,9+0,9 62,5+0,7 260+10 112±2,5

13 35+10 0,35+0,2 4,3+0,7 3,5+0Д 140+5 90±3

ДЦКш. 10 5 10 1 50 10

ЛДКз 1000 1 т 1000 300 100

Фоп 1-2Й <0,4 <10 <5 10-50 10-100

ТТмтггация фоновой котгцентрадтт по почвам

- 3,5 0,005 0,85 1,5 ш 40

Рис. 2. Результаты анализа донных отложений (0-10 см ), взятых в 1999 г. на скоростных вертикалях Оби. Точка 3.1 - устье Томи; 11.2 - устье Иртыша

Корреляционная матрица тяжелых металлов для донных отложений Средней Оби

Показ ид- лЛм. 1 'лубина, См Щ|, мВ 1*е | Мп РЬ | СМ | Си Ха

г/кг мг/кг

Глу€инн сы 1-00 -0.23 -0,20 -0,41 -0Д1 -0,15 -0,19 -0,31

ЕЬ мВ 1,00 0,09 -0.05 0Д7 0,15 -0,09 -0,22

Тъ г/кг 1,00 0,56 0,46 0,17 0,42. 0Д5

Мп 1,00 0.4Э 0,41 0,63 0,27

РЬ ыг/кг 1.00 -0,13 0,35 0Д7

С<1 1,00 0,04 -0,05

Сп 2п 1,00 0,36 1,00

Средсше 42 54 6,7 0,17 и 1,1 1—1 1—1 С1

СшаДг отел. 37 36 3.5 0,07 0,8 0,7 7,0 13,2

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Градиент концентрации йО =

№ створа 1 4 7 9 12

Скорость течения, м/с 1.0 0,90 0,60 0,70 0,95

Ре 38

Мп 35(0,6) 21(0,4) 34{0,6) 32(0,6) -

Та 100

Си 2,0

РЬ 2,3

Сй 0,1

А pH 1,32 1,05 ио 0,65 0,79

-лад юти 9.3

металлов. По нефтепродуктам и фенолам очень заметное влияние на качество обской воды оказывает Томь (створ 3). По тяжелым металлам влияние Томи меньше, превышение фона по цинку, меди и железу статистически значимо. Для имитационной оценки фоновых концентраций в период летне-осенней межени взяты фоновые концентрации почв Западной Сибири, полученные А.И. Сысо в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН и представленные в работе [6].

Мутность в осеннюю фазу водного режима достаточно стабильна, а река питается поверхностным и приповерхностным стоком атмосферных осадков. Мутность воды в Средней Оби около 0,05 г/л [б]. Для железа учтено процентное содержание его водорастворимых форм в лесных почвах [7], т.е. дополнительно умножали на 0,1.

С поверхности водосбора Томи в основной водоток поступает органическое вещество с территории Кузбасса и Томска. В донных кернах Оби (створ 4, ниже впадения Томи) найдено до 20 г/кг условного органического вещества. На процесс накопления тяжелых металлов влияет не только органическое вещество, но и минерализация, температура, pH (6,77-7,63), БИ (5-370 тУ).

Г идролого-гидрохимические условия в таких участках бассейна похожи на водные экосистемы озер и водохранилищ, при этом в поровых водах донных отложений диффузионный отрицательный градиент концентрации растворенного кислорода приводит к протеканию следующих реакций [12]:

Э042- + 2 О орг.+ 2Н 20 = Н 2Э + 2НОО 3- (концентрации сульфата 7-20 мг/кг, сульфида 1-32 мг/кг, бикарбоната 6-230 мг/кг. Сульфатредуценты типа ОебЫрИоу^по).

С106Н 2630110Ы 16Р1 + 138 0 2 = 10600 2 +

16Ы03- +

+ 122Н20 + Н +

4 (с участием бактерий,

+ НЭ- + э2-

00рг+2Н20 = 002 + ОН гетеротрофов).

Беа, + Н003- + 2е = Бе00

3  . .э  э (термодинамически выгодно образование системы пирит-сидерит по Гаррелсу и Крайсту [14).

Рис. 3. Распределение РЬ, Сс1, Мп, Бе в ДО (0-10 см) в Средней Оби

Меп+ + тНЬ = МеЬ + тН + (хелатооб-

орг. вещество т '

разование комплексов тяжелых металлов).

Заключение. Загрязненность воды Оби после впадения притоков и в местах расположения

промышленных центров заметно увеличивается, что обусловливает существенные изменения в видовом составе гидробионтов, при этом наблюдается повышенное накопление в них и донных отложениях ряда химических элементов, в том числе тяжелых металлов. Среди последних приоритетными являются железо, цинк, медь, свинец и кадмий.

Ведущую роль в процессах трансформации химических веществ, в том числе тяжелых металлов, играет окислительно-восстановительный барьер на границе вода-поровая вода-донные отложения, где формируется отрицательный градиент концентрации растворенного кислорода и положительный градиент концентраций протонов водорода, катионов металлов, которые взаимодействуют с восстановленными формами серы и органическим веществом, подтверждая биогенный механизм трансформации и формирования химического состава речных вод по тяжелым металлам.

Закисление поровых вод донных осадков и восстановительная обстановка приводят к аккумулированию тяжелых металлов, особенно при повышенных температурах и концентрациях

органического вещества, которое комплексует металлы в условиях биохимического потребления кислорода гетеротрофами.

В настоящее время особую тревогу вызывает нефтяное загрязнение рек, ареал которого неуклонно расширяется, охватывая не только Среднюю и Нижнюю Обь, но и многие участки Иртыша и его притоков. Нефтяное загрязнение бассейнов рек в условиях невысоких температур воздуха и воды на севере Западной Сибири, снижающих интенсивность процессов самоочищения вод, является наиболее тяжелым по своим последствиям для речных экосистем. Индикатором таких загрязнений и идентификации их источников могут служить донные отложения.

Дальнейшее выполнение гидролого-гидрохи-мического мониторинга следует направить на изучение наиболее актуальных для современности вопросов, связанных с выявлением отдельных участков р. Обь и ее притоков, характеризующихся повышенной экологической напряженностью. Это позволит принять своевременные решения и разработать мероприятия по предотвращению их кризисного водно-экологического состояния.

Литература

1. Цибульчик В.М., Маликов Ю.И., Аношин Г.Н. 1370в и тяжелые металлы в донных отложениях р. Обь // Экология пойм сибирских рек и Арктики: Тр. II со-вещ. Томск, 2000.

2. Папина Т.С., Третьякова Е.И. Гидрохимическое состояние и качество поверхностных вод бассейна Томи // Обской вестник. 1996. №4.

3. Галахов В.П., Темерев С.В. Антропогенное загрязнение снега в бассейне р. Томи // Изв. РГО. 1993.

Т. 125, вып. 5.

4. Эйрих С.С. Особенности распределения и миграции ртути в водных экосистемах бассейнов рек Катуни и Томи: Автореф. дис. ... канд. хим. наук. Барнаул, 1999.

5. Водохозяйственные и экологические проблемы в бассейне реки Томь. Оценка воздействия строительства Крапивинского гидроузла на качество воды и другие компоненты окружающей среды: Итоговый отчет. Барнаул; Кемерово; Новосибирск, 2001.

6. Сысо А.И. Общие закономерности распределения микроэлементов в покровных отложениях и почвах Западной Сибири // Сибирский экологический журнал. 2004. №3.

7. Индюшкин И.В., Темерев С.В. Оценка объемов снегового стока металлов в водоток в рамках модели «накопление-смыв» для урбанизированных территорий // Химия в интересах устойчивого развития. 2004. №12.

8. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды / Под ред. Л.К. Исаева. СПб., 1998.

9. Фомин Г.С. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам: Энциклопедический справочник. 3-е изд. М., 2000.

10. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / Под ред. А.Д. Семенова. Л., 1977.

11. Темерев С.В, Савкин В.М. Тяжелые металлы -индикаторы состояния реки Оби // Химия в интересах устойчивого развития. 2004. №12.

12. Дривер Дж. Геохимия природных вод: Пер. с англ. М., 1985.

13. Redfield A.C., Ketchum B.J., Richards F.A. The influence of organisms on the composition of sea water. The Sea. N. Y., 1963. V. 2.

14. Garrels R.M., Christ C.L.Solution, Minerals and Equlibria. S. F., 1965.