Опыт анализа загрязнения тяжелыми металлами водохранилищ на реках Белая и Урал (Южный Урал)

О ЗАГРЯЗНЕНИИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ВОДОХРАНИЛИЩ НА РЕКАХ БЕЛАЯ И УРАЛ

ЯНТУРИН

Сафаргали Искандарович,

доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой*

КУЖИНА

Гульнара Шарифовна,

ассистент кафедры экологии*

С развитием металлургической промышленности на территории Южного Урала возникла потребность в интенсификации водного хозяйства. Решение этой проблемы осуществимо путем переброса стока рек и строительства водохранилищ [I]. Создание искус-

ственных водоемов вызвано необходимостью уменьшения последствий вредных явлений природы, регулирования стока рек в интересах гидроэнергетики, водоснабжения, развитием орошаемого земледелия, рыбного промысла, рекреации. Одновременно со строительством водоемов изменяются внутрисе-зонное распределение стока, водный режим рек, сроки половодья, ледостава и т. д. [3]. При этом вовлекаются в хозяйственное использование непродуктивные земли, на которых аккумулируются водные ресурсы [2].

Изучение водных объектов Южного Урала имеет теоретическое и практическое значение, т.к. исследуемый регион испытывает регулярный пресс техногенных нагрузок со стороны металлургических предприятий. Результаты исследований пополнят данные о водных объектах, которые отличаются разнообразием природных условий прилегающих территорий, гидрологическим режимом, количеством поступающих в них загрязняющих ингредиентов, что позволит выявить изменения, происходящие под воздействием различных факторов.

Объектами исследования выбраны реки Белая и Урал, которые в верхнем течении зарегулированы в целях водоснабжения промышленных узлов городов Белорецка и Магнитогорска, являющихся центрами черной металлургии России.

Река Белая берет начало в пределах восточного подножия хребта Аваляк Уральских гор, в 4 км от деревни Ново-Хусаиново Учалинского района Республики Башкортостан. Длина реки 1430 км., она впадает в р. Каму, является одной из крупных ее притоков как по длине, так и по водности [4].

* Сибайский институт (филиал) Башкирского государственного университета

Белорецкое водохранилище построено во второй половине XVIII в. (17S0 - 1760 гг.) на р. Белая для обеспечения потребностей Бе-лорецкого металлургического комбината - старейшего на Урале и единственного в Башкортостане. Водохранилище имеет сезонный характер регулирования, объем которого -

7,4 млн м3, площадь зеркала - 1,48 км2, средняя глубина - 3,5 м (максимальная 8 м) [4]. Эксплуатируется в каскаде с Тирлянским водохранилищем.

Основной исток р. Урал расположен у подножия Круглой Сопки, другие истоки бьют из подножия гор Нажимтау и Уйташ в восточных отрогах хребта Уралтау Учалинского района Башкортостана. По длине река (2428 км.) уступает только Волге и Дунаю, протекает в меридиональном направлении. Река впадает в северную часть Каспийского моря [3].

С целью гарантированного водоснабжения г. Магнитогорска в верхнем течении Урал зарегулирован каскадом водохранилищ - Верхнеуральским и Магнитогорским [5].

Верхнеуральское водохранилище построено в 1966 г. - первое в каскаде, выполняет задачу регулирования стока р. Урал, располагает емкостью, достаточной для обеспечения многолетнего регулирования стока. Объем -601 млн м3, площадь зеркала - 75,5 км2, глубина местами превышает 10 м. Водоем разлился вширь более чем на 3 км и вдоль - почти на 24 км [6]. Организованный сброс загрязняющих веществ в водохранилище отсутствует. По многолетним данным, фиксируется превышение нормативов по меди, цинку и железу, которое обусловлено влиянием природных факторов [3].

Магнитогорское водохранилище введено в эксплуатацию в 1931 г., одновременно со строительством металлургического завода. Водохранилище руслового типа, второе в каскаде, имеет сезонный характер регулирования. Объем - 189 млн км3, площадь зеркала -

33,4 км2, средняя глубина - 6 м [6]. Побережье водоема застроено. Инженерная конструкция водохранилища представляет собой систему продольных и поперечных дамб, левобережная часть которого превращена в пруд-охладитель и отстойник, куда сбрасываются промышленные и бытовые сточные воды. На качество воды в р. Урал оказывает влияние Магнитогорский металлургический комбинат, «Маг-нитострой», трест «Водоканал». Магнитогорское водохранилище - это аккумулирующий бассейн, степень загрязнения воды в котором по меди, цинку, железу превышает параметры относительно удовлетворительной ситуации [3].

Авторами исследованы направленность процессов самоочищения в верховьях Белой и Урала, а также загрязненность тяжелыми металлами (ТМ) (меди, цинка, железа) их водохранилищ за летне-осенний период 2008 г. Они относятся к группе приоритетных загрязняющих веществ гидросферы, источниками которых являются предприятия черной металлургии. Их соединения обладают высокой токсичностью и способностью консервироваться в различных компонентах экосистем.

На р. Урал загрязненность ТМ определялась в шести точках отбора (рис.1): 1 - д. Форштадт (расположена в 25 км выше Верхнеуральского водохранилища); 2 - пос. Спасский (в верхней части Верхнеуральского водохранилища); 3 -плотина Верхнеуральского водохранилища; 4 -

Таблица I

Критерии* высокого (ВЗ) и экстремально-высокого загрязнений (ЭВЗ) поверхностных вод

металл класс опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83) ПДКрыб.ХОЗ; мг/л ВЗ, мг/л ЭВЗ, мг/л (по А.П. Виноградову, 1967), мг/л

медь 3 0,001 0,03- 0,05 >0,05 0,007

цинк 3 0,01 0,1-0,5 >0,5 0,02

железо 4 0,1 3-5 >5 0,67

* Составлены на основании приказа от 31 октября 2000 г. Росгидромета

Рис. I. Карта-схема расположения точек отбора проб в районе исследования

пос. Приморский (в 5 км ниже Верхнеуральского водохранилища и в 10 км выше Магнитогорского водохранилища); 5 - плотина Магнитогорского водохранилища; 6 - пос. Янгельский (в 30 км ниже Магнитогорского водохранилища).

На р. Белая загрязненность ТМ определяли в трех точках (рис.1): 7 - д. Махмутово (в 30 км от истока р. Белая); 8 - Белорецкое водохра-

нилище; 9 - д. Ломовка (в 8 км ниже Белорец-кого водохранилища).

Пробы воды были отобраны согласно методике и проанализированы в день отбора. Содержание ТМ в пробах природных вод определялось атомно-абсорбционным методом на аппарате «СОЫТК АА» с пламенным атомизатором «ацетилен-кислород» [7].

Для экологической оценки вод использовалась кратность превышения предельно допустимых концентраций ТМ для водоемов категории II - рыбохозяйственного назначения (ПДКрыб,03.) (табл.1).

Результаты анализа показывают, что уровень меди в воде в летнее время во всех точках превышает значение ПДК до 16 - 26 раз (рис. 2). Максимальная концентрация элемента наблюдается в районе пос. Янгельский. Осенью содержание меди в реке превышает ПДК в 19 - 36 раз. При этом максимум в точках 2, 3 относится к критерию высокого загрязнения поверхностных вод. Отметим, что содержание Си во всех точках выходит за пределы естественного фона для речных вод в летне-осенний период. Концентрация меди в воде выше осенью, чем летом, за исключением точки 6. Сравнивая уровень элемента в точках 1 и 4, наблюдаем уменьшение его содержания, что дает возможность выдвинуть предположение об интенсивности процессов самоочищения в Верхнеуральском водохранилище. Этого нельзя сказать о реке после Магнитогорского водохранилища, т.к. концентрация меди увеличивается в точке 6. Это связано с большой техногенной нагрузкой на воды этого водохранилища. Сбрасываемые сточные воды промышленного узла города сначала очищаются и разбавляются, поэтому в воде водохранилища отмечается наименьшая концентрация меди и летом, и осенью (точка 5), а затем вода в Урале вновь становится загрязненной под воздействием предприятий, расположенных ниже по течению реки.

Содержание цинка в воде в летний период превышает допустимые нормативы в 3 - 7 раз, при этом максимум - в точке 6 (рис.3). Следует отметить, что концентрация этого элемента во всех точках отбора выходит за пределы естественного уровня цинка в речных водах. В точках 1 и 4 уровень гп в воде одинаков, что говорит о протекающих процессах самоочищения в Верхнеуральском водохранилище. Сравнивая точки 4 и 6, наблюдаем незначительное увеличение содержания цинка. Это доказывает предположение о том, что исследуемый водоем не совсем справляется с самоочищением по данному металлу в летнее время.

В осенний период наблюдается превышение ПДК от 5 до 40 раз. Концентрация металла во всех точках выше фонового уровня гп в

Рис. 2. Изменение концентрации Си в р. Урал, лето - осень 2008 г.

Рис. 3. Изменение концентрации Zn в р. Урал, лето - осень 2008 г.

Рис. 4. Изменение концентрации Fe в р. Урал, лето - осень 2008 г.

воде рек. Кривая имеет скачкообразный вид - максимумы приходятся на точки 2 и 5, относящиеся к уровню высокого загрязнения. Следует отметить, что содержание цинка осенью выше, чем летом, аналогично ситуации по Си, за исключением точки 6. При исследовании концентрации металла в точках 1, 4 и 6 наблюдается небольшой рост уровня цинка в воде, т.е.

точки отбора

лето  осень ПДК, 0,001 мг/л

Рис. 5. Изменение концентрации Си в р. Белая, лето - осень 2008 г.

Рис. 6. Изменение концентрации Zn в р. Белая, лето - осень 2008 г.

водохранилище точки отбора

.лето —и—осень ГЩК, 0,1 мг/л

Рис.7. Изменение концентрации Fe в р. Белая, лето - осень 2008 г.

уменьшение скорости процессов самоочищения в осенний период как Верхнеуральского, так и Магнитогорского водохранилищ.

Из рисунка 4 следует, что содержание железа в летнее время не превышает значения ПДК в точках 3 - 6, при этом минимальная концентрация зарегистрирована в точке S. Однако во всех створах нет отклонения от естественного фона Fe в речной воде. В летний период р. Урал справляется по данному эле-

менту самоочищением за счет активной жизнедеятельности гидробионтов.

В осенний период концентрация Ре повысилась во всех точках с превышением ПДК в

1,4 - 3,6 раза. Максимальный уровень железа находится в точке 3, который относится к высокому загрязнению. Концентрация элемента в воде в точках 1 и 4 незначительно увеличилась. Это свидетельствует об уменьшении интенсивности самоочищения Верхнеуральского водохранилища. Содержание же Ре в точках 4 и 6 одинаково, что является доказательством самоочистки Урала в районе исследования реки.

Содержание меди в воде р. Белая превышает ПДК в 6 - 20 раз летом, осенью же от 4 до 22 раз (рис. 5). Уровень элемента в точке 7 не превышает значений естественного фона в речных водах, в остальных - выше предела фонового уровня в летне-осенний период. В летнюю межень концентрация Си ниже, чем в осеннюю, за исключением точки 7. Максимальный уровень металла наблюдается в водах водохранилища. При сравнении точек 7 и 9 можно отметить увеличение концентрации меди в реке. Это свидетельствует о том, что Бело-рецкое водохранилище и р. Белая за исследуемый период не справляются самоочищением по данному элементу.

Содержание цинка превышает допустимые нормы - летом в 1,6 - 4,2 раза, осенью - в 3,6 -4,6 раза (рис. 6). В летнее время уровень данного элемента в точке 7 не превышает значения естественного фона в речной воде. Максимальное содержание цинка наблюдается в водах Белорецкого водохранилища. По аналогии с медью концентрация гп летом ниже, чем осенью, за исключением точки 9. Сравнивая точки 7 и 9, отметим снижение интенсивности процессов самоочищения исследуемого объекта в летне-осенний период.

Исследования показали, что содержание железа превышает ПДК летом - до 8 - 11 раз, осенью - в 1,4 - 4 раза (рис. 7). В отличие от остальных исследуемых металлов его концентрация в воде в летнее время значительно выше, чем в осеннее. При этом содержание данного элемента осенью не превышает фонового уровня железа в речных водах, а летом выходит за этот предел. Максимум концентрации исследуемого металла характерен для водохранилища. При исследовании содержания железа в точках 7 и 9 наблюдается не-

значительный рост уровня элемента в воде, что свидетельствует об уменьшении скорости процессов самоочищения Белорецкого водохранилища и р. Белая как летом, так и осенью.

Из результатов исследования можно сделать выводы:

1. Содержание исследуемых металлов в воде Урала выше осенью, чем летом. В летний период интенсивный процесс фотосинтеза приводит к уменьшению концентрации растворенного в воде кислорода, а также к снижению скорости окислительных реакций. При этом содержание тяжелых металлов в речных водах уменьшается [8]. Аналогичная ситуация наблюдается по меди и цинку в р. Белая, за исключением железа.

2. Для Верхнеуральского водохранилища характерно загрязнение по меди, цинку и железу в осенний период. При этом их содержание в воде относится к уровню высокого загрязнения. Процессы самоочищения по исследуемым металлам особенно активны в летнее время. Осенью водоем не справляется с очисткой по цинку и железу.

3. В Магнитогорском водохранилище в осенний период выражено загрязнение воды цинком, содержание которого в пределах высокого уровня. Исследуемый объект самоочищается от железа как летом, так и осенью, что не наблюдается по меди и цинку в исследуемый период.

4. В Белорецком водохранилище отсутствуют процессы самоочищения, но ярко выражено загрязнение воды исследуемыми металлами в летне-осенний период.

Литература

1. Кривопалова З.Ф. Антропогенизация водных объектов Южного Урала и пути их реконструкции // Проблемы экологии Южного Урала. 1995. № 1. - С. 21 - 2S.

2. Авакян А.Б. Водохранилища в современном мире // Россия и современный мир. 1998. Вып. 4(21).

3. Чибилёв А.А. Бассейн Урала: история, география, экология. - Екатеринбург: УрО РАН, 2008.

4. Гареев А.М. Реки и озера Башкортостана. -Уфа: Китап, 2001.

5. Кривопалова З.Ф. Оценка направленности гидрохимических процессов в водохранилищах реки Урал // Тез. докл. конф. «Экологические проблемы бассейнов крупных рек-2». - Тольятти, 1998. - С. 144.

6. Балабанова З.М. Уральские водохранилища // Труды Уральского отделения ГосНИИОРХ. - Свердловск. 1964. Т.6. - С. 181 - 200.

7. Методика выполнения измерений массовых концентраций железа, кобальта, марганца, меди, никеля, серебра, хрома и цинка в пробах питьевых, природных и сточных вод методом атомно-абсорбционной спектрометрии. - М., 1998.

8. Царева С.А. Формы миграции и процессы трансформации металлов в поверхностных водах Уводьского водохранилища: Автореф. дис. ... канд. хим. наук. - Иваново, 1998.