Миграционные геохимические потоки как основа экологических исследований системы водосбор водоем

УДК 624.131.41

А.М. Шкаруба, Л.Ю. Дитц, А.Ф. Путилин, А.В. Чичулин ИПА СО РАН, Новосибирск СГГ А, Новосибирск

МИГРАЦИОННЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОТОКИ КАК ОСНОВА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМЫ ВОДОСБОР - ВОДОЕМ

Рассмотрено влияние геохимических потоков на экологическое состояние системы водосбор-водоем. Выявлено, что основными источниками техногенного загрязнения являются вносимые минеральные удобрения, ядохимикаты и тяжелые металлы промышленных объектов. Интегральным экологическим показателем водоемов выступает концентрация и содержание загрязняющих веществ в донных отложениях.

A.M. Shkaruba, L.Yu. Dits, A.F. Putilin, A.V. Chichulin

The Institute of Soil Science and Agrochemistry of the Siberian division of Russian academy of sciences, Novosibirsk SSGA, Novosibirsk

MIGRATION GEOCHEMICAL FLOWS AS THE BASIS FOR ECOLOGICAL RESEARCH OF FLOOD BASIN - RESERVOIR SYSTEM

The effect of geochemical flows on the ecological state of the flood basin - reservoir system is considered. It was revealed that the main sources of technogenic pollution are mineral fertilizers, pest-killers and heavy metals of the industrial projects. The integral ecological indicator of reservoirs is the concentration and the content of contaminants in bottom sediments.

Актуальность данной проблемы вызвана ростом антропогенных воздействий на природную среду, в том числе и на водоемы, являющиеся конечным звеном аккумуляции различных веществ, в том числе и загрязняющих. Водные экосистемы содержат значительную часть минеральных, органических и органо-минеральных соединений, которые поступают в результате поверхностного и почвенно-грунтового стока с водосборов, сброса промышленных, сельскохозяйственных и бытовых стоков. Указанные соединения мигрируют в виде взвесей и растворенных веществ, распределяются и аккумулируются во всех компонентах водных экосистем.

Основную роль в загрязнении водоемов различными веществами играют промышленные предприятия, расположенные вблизи водоемов. Промышленные выбросы оказывают значительную антропогенную нагрузку на систему водосбор-водоем, приводят к изменению природных условий формирования химического состава почв, растительности и водных объектов. Наиболее сильное загрязнение почв, водоемов и растительности обнаруживается вблизи источников загрязнения, которое уменьшается по мере их удаления от промышленных предприятий. Ареалы высоких концентраций загрязнителей, например, тяжелых металлов в озерных водоемах, могут ограничиваться расстояниями от сотен метров до нескольких десятков км, в зависимости от природных условий, вида производства и условий водообмена самого водоема.

За счет техногенных условий формируются ландшафты с несвойственными им химическими элементами и соединениями [1, 2].

Геохимические исследования водных и грунтовых потоков на водосборе и в водах замыкающих водоемов позволяют выявить как источники природных мигрантов, так и источники техногенного загрязнения. Показателями антропогенного воздействия на водные экосистемы являются содержание и концентрация различных загрязняющих веществ (тяжелых металлов, химических веществ, пестицидов, нефтяных загрязнений и т. д.) в воде, фитопланктоне, гидробионтах, рыбах, донных отложениях. Проявление миграционных потоков особенно наглядно фиксируется на естественных геосистемах, одними из представителей которых являются водосборные бассейны. Параметры миграции и аккумуляции химических элементов в системе водосбор-водоем можно рассматривать как интегральную характеристику, отображающую вещественно-энергетический обмен во времени и пространстве [1-3].

Водные объекты, в силу их специфического расположения в ландшафте, являются замыкающим звеном в миграционной аккумуляции веществ, поступающих в результате поверхностного и грунтового стоков с водосборов. В целом процесс миграции химических веществ в ландшафте отображается в двух составляющих - аккумулятивной и собственно миграционной [1]. Аккумулятивную составляющую выполняет в основном растительность, которая удерживает часть химических элементов от дальнейшей

транспортировки. В процессе же водной миграции на водосборных бассейнах осуществляется собственно миграционный вынос элементов с поверхностным и почвенно-грунтовым стоком. Миграция химических элементов и условия ее проявления характеризуют водосборный бассейн как единую ландшафтногеохимическую и техногенную систему (породы, почву, растительность, поверхностные и грунтовые воды). Поэтому изучение миграционных потоков различных элементов и проявление их последствий на водосборной территории необходимо проводить совместно в условиях природного и техногенного функционирования. При таком системном подходе появляется возможность получения и обработки миграционно-аккумулятивной информации о процессах, протекающих в почвенно-грунтовой толще водосборного бассейна и

замыкающем водоеме в качественном и количественном выражениях,

пригодных для весьма широкого спектра разнообразных целей - научных и практических. Например, для более обоснованного использования сельскохозяйственных угодий в соответствии с их агротехническим и экологическим состоянием, а также водных источников с учетом их геохимического состояния, для охраны природной среды и т. п.

На основе ландшафтно-геохимического подхода возможен прогноз природных и антропогенных факторов, вызывающих изменение вещественноэнергетического баланса территории, и ее экологического состояния. Прогноз позволяет выбрать оптимальный (компромиссный) вариант между природоохранными решениями той или иной проблемы и изменениями природной среды под влиянием антропогенных воздействий. Например, по

изменениям показателей почвенно-геохимических свойств водосборного бассейна при проявлении эрозионных процессов (по направлениям миграции химических элементов в поверхностном или грунтовом стоке, в самом водоеме), можно судить о происходящих изменениях экологической обстановки в системе водосбор - водоем.

Среди компонентов водных экосистем значительная роль в аккумуляции различных веществ, в том числе и загрязняющих, принадлежит донным отложениям. Донные отложения являются своеобразным природным продуктом, который возникает и непрерывно накапливается на дне водоемов в результате сложных процессов, протекающих на водосборной поверхности и в водоеме. Это сложная система обладающая, наряду с почвами, памятью прошлых лет ее формирования и функционирования [4, 5].

Содержание и концентрация загрязняющих веществ в донных отложениях является интегрирующими показателями условий круговорота веществ в водоеме, отражают степень антропогенной нагрузки на водоем. Донные отложения водоемов являются конечным пунктом миграции химических элементов и органических веществ с водосборных бассейнов. По донным отложениям можно определить экологическое состояние и историю техногенного загрязнения водного объекта, например, тяжелыми металлами, пестицидами, удобрениями, а также источник и ареал его распространения, влияние на гидробионту, рыбы, фитопланктон и другие компоненты. Донные отложения обладают высокой адсорбционной способностью и поэтому аккумулируют загрязняющие вещества в значительных количествах [2, 6].

Различное поведение загрязняющих веществ в водных экосистемах обусловлено их индивидуальными химическими свойствами, формами нахождения и миграцией на водосборе, ландшафтными условиями в системе водосбор-водоем. Многообразный состав загрязняющих веществ в водных экосистемах формируется под влиянием механических, физических, химических, физико-химических и биологических процессов, протекающих на водосборной поверхности и в водоеме. Например, тяжелые металлы накапливаются в донных отложениях за счет их прочной связи с глинистыми минералами, гидроокисями железа и марганца, а также образующимися труднорастворимыми соединениями металлов с органическими и неорганическими соединениями, в результате ионного обмена, биологического поглощения с участием гидробионтов. В результате донные отложения накапливают в своей толще подавляющие количества загрязнителей, в результате чего происходит самоочищение водоемов. Процесс самоочищения водоемов от токсикантов может происходить и за счет увеличения биомассы фитопланктона [7].

Вместе с тем, наряду с сорбцией загрязняющих веществ донными отложениями, возможно вторичное загрязнение водных объектов за счет их десорбции из донных отложений в водную среду - при изменении ОВ-условий, величины рН придонных водных слоев, уплотнении осадка, под влиянием бактериальной флоры и при химико-деградационной трансформации самого

загрязняющего вещества. Причем десорбция для некоторых металлов может быть избирательной [5, 6].

Однако процесс вторичного загрязнения водной среды за счет десорбции загрязнителей из донных отложений значительно уступает процессу их аккумуляции донными отложениями. Более того, процесс десорбции металлов из донных отложений в целом носит кратковременный характер, и в количественном отношении диффузионный поток в данном направлении незначительный и поэтому сорбция металлов преобладает над десорбцией. Так, некоторые исследователи речных и озерных систем отмечают, что содержание в донных отложениях тяжелых металлов, нефтяных загрязнений, накопившихся за достаточно длительный период времени, не представляют серьезной экологической опасности для вод, так как степень их загрязнения не превышает, во многих случаях, средних региональных фоновых показателей. Поэтому вторичное загрязнение придонных водных горизонтов из донных отложений не может значительно повлиять на экологическое состояние водоема [7]. Загрязнения водной среды вызывают нарушение функций у рыб и развитие эндемических патологий их органов. Тяжелые металлы способны проникать в ткани живых организмов и накапливаться в них в более высоких концентрациях, чем в окружающей водной среде. Ответом живых организмов на загрязнения среды их обитания является изменение структуры и численности популяций, нарушение видового разнообразия, исчезновение отдельных видов и др. последствия [6].

Техногенное загрязнение приводит к резкому изменению биохимических циклов в водных экосистемах. Химические элементы распределяются в водном потоке в зависимости от скорости осаждения взвеси, сорбции из раствора и процесса обмена между органическим веществом, живыми организмами и донными отложениями. В донных отложениях, гидробионтах, фитопланктоне, в рыбах наиболее полно отражаются масштабы и интенсивность техногенного воздействия на компоненты водных экосистем. Отражение геохимических особенностей водосборов в компонентах водной среды позволяет выделять по их химическому составу техногенные потоки и оценивать степень техногенной нагрузки на водные экосистемы. По результатам геохимических исследований можно дифференцировать территории по степени техногенного геохимического загрязнения (техногенной опасности) и определить пути его нейтрализации.

Процесс вещественной миграции элементов можно выразить как через коэффициент водной миграции, так и через кодово-цифровые характеристики (информационные слои) с использованием ГИС-технологий. Географические информационные системы (ГИС), позволяют моделировать природные процессы, изучать их механизм, связи и взаимодействия, получать новую количественную и качественную информацию. Они позволяют, на основе базы данных (информационных слоев), построить информационную модель водосборного бассейна, определить источники образования и распределение потоков мигрирующих веществ. Для выявления полной картины водной миграции химических элементов, исследуются природные компоненты -порода, почва, речные, болотные и грунтовые воды, донные отложения,

гидробионты, рыбы. В зависимости от детальности изучения миграционных потоков веществ, их формирования на водосборах, исследуются водотоки различных порядков водосборного бассейна. Результаты могут быть представлены в виде соответствующих информационных слоев по каждому природному компоненту водосборного бассейна и его мигрирующему элементу.

Таким образом, на основе исследования миграционных геохимических потоков растворенных и органических веществ, взвесей, коллоидов, тяжелых металлов и их аккумуляции в воде и донных отложениях возможна оценка общего экологического состояния компонентов водных экосистем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ковда, В.А. Биогеохимия почвенного покрова [Текст] / В.А.Ковда. - М.: Наука, 1985. - 263 с.

2. Даувальтер, В.А. Факторы формирования химического состава донных отложений [Текст] / В.А. Даувальтер. - Мурманск: Издательство МГТУ, 2002. - 75 с.

3. Перельман, А.И. Геохимия ландшафта [Текст] / А.И. Перельман. - М.: Высшая шк., 1966. - 392 с.

4. Таргульян, В.О. Развитие почв во времени [Текст] / В.О. Таргульян // Проблемы почвоведения. М.: Наука, 1982. - С. 108-113.

5. Тарновский, А.А. Геохимия донных отложений современных озер (на примере озер Карельского перешейка). [Текст] / А.А. Тарновский. - Л.: Изд-во ЛУ. - 1980. - 126 с.

6. Моисеенко, Т.И., Кудрявцева, Л.П., Гашкина, Н.А. Рассеянные элементы в окружающей среде: технофильность, аккумуляция и экотоксикация. [Текст] / Т.И. Моисеенко, Л.П. Кудрявцева, Н.А. Гашкина, М.: Наука, 2006. - 261 с.

7. Кочарян, А.Г., Толкачев, Г.Ю. Формы существования тяжелых металлов в донных отложениях Иваньковского водохранилища [Текст] / А.Г. Кочарян, Г. Ю. Толкачев // Мелиорация и водное хозяйство. - 2009. - № 1. - С. 20-24.

© А.М. Шкаруба, Л.Ю. Дитц, А.Ф. Путилин, А.В. Чичулин, 2010