CC BY
129
УДК [550.8:528]:551.462.32
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2012. Вып. 2
А. Ю. Опекунов, С. Ф. Мануйлов, В. А. Шахвердов, А. В. Чураков, Н. А. Куринный
СОСТАВ И СВОЙСТВА ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Р. МОЙКИ И ОБВОДНОГО КАНАЛА (САНКТ-ПЕТЕРБУРГ)
Введение
Городские реки и каналы в черте Санкт-Петербурга в последние несколько десятков лет характеризовались постепенной сменой природных условий осадконакопле-ния техноседиментогенезом, что вызвано ростом численности населения города и развитием промышленного производства. В настоящее время для большинства городских водотоков типичен техногенный режим развития, который определяется, в первую очередь, превышением уровня химического воздействия над самоочищающей способностью водотоков, накоплением техногенных илов и деградацией биоценозов водных объектов.
Система рек и каналов определяет архитектурный облик города. Доказано, что качество природной среды Санкт-Петербурга во многом зависит от состояния водотоков, особенно в его исторической части [1]. Одновременно р. Нева обеспечивает питьевые, коммунально-бытовые и промышленные нужды города и является приемником сточных вод. По Санкт-Петербургу на государственном учете на 2009 г. состояло 311 объектов-водопользователей. Общий забор свежей воды из водных объектов города в год измерялся величиной 1267,7 млн м3, а сброс (без учета ливневых стоков) составил 1232,3 млн м3, из них загрязненных вод (без очистки и недостаточно очищенных) — 1105,7 млн м3. Сброс ливневых вод достигал 219,6 млн м3 [2].
Существенную экологическую проблему на водотоках создают техногенные илы, скопившиеся на дне за период их интенсивного загрязнения. Системно состояние донных осадков рек и каналов города изучается с конца 80-х годов прошлого века силами специалистов ВСЕГЕИ, ЛенморНИИпроекта, ВНИИОкеангеология и других научно-производственных организаций. В практическом отношении периодически на водных объектах проводятся дноочистные работы с вывозом поднятых донных отложений в подводные отвалы Невской губы, а в последнее время — в восточную часть Финского залива. Однако это мало меняет экологическое состояние водотоков, так как осуществляемые работы не приводят к полному извлечению техногенных осадков.
Объект и методика исследований
В данной работе объектами изучения стали р. Мойка и Обводный канал, на которых в 2008 г. по заказу ОАО «Ленводхоз» были выполнены инженерно-экологические изыскания с целью оценки состава и качества донных осадков. Общей особенностью водотоков является насыщенность прилегающих территорий жилыми застройками, промышленными предприятиями и развитой транспортной инфраструктурой.
© А. Ю. Опекунов, С. Ф. Мануйлов, В. А. Шахвердов, А. В. Чураков, Н. А. Куринный, 2012
Обводный канал был построен в 1835 г. Он расположен в промышленной части города. В течение всего времени в него производился сброс промышленных, коммунально-бытовых и ливневых стоков. В конце прошлого столетия степень разбавления сточных вод составляла всего 20,4 раза (табл. 1). Река Мойка в верхнем и среднем течении пересекает центральную часть города, где основными источниками загрязнения выступают коммунально-бытовой сектор и ливневые стоки с прилегающих улиц. Только в нижнем течении водоток принимает большой объем промышленных вод (в основном ГП «Адмиралтейские верфи»). Степень разбавления сточных вод по сравнению с Обводным каналом существенно выше — 738. Таким образом, в Обводном канале объем сточных вод составляет 4,9% от естественных показателей стока, а в р. Мойке — 0,14%, что указывает на существенные различия в качественных и количественных показателях загрязнения этих водотоков.
Таблица 1. Гидролого-экологическая характеристика Обводного канала и р. Мойка
Реки и каналы Морфометрические характеристики, м Средне-многолетний расход Ю), млн м3/год Объем сточных вод (V), тыс. м3/ год Степень разбавления Ю^) Скорости осадко-накопления, см/год
длина ширина глубина
Мойка 4670 20-40 2,1-3,2 346,9 470,0 738,1 1,9
Обводный 8080 20-70 1,8-3,8 473,0 23170,0 20,4 2,8
Донный пробоотбор на водотоках выполнялся легким буровым станком $11Ы ВТ-120С и проводился колонковым способом. Образцы грунта с заданных интервалов отбирались желонкой диаметром 73 мм. Дополнительно для изучения верхнего горизонта (0-0,8 м) использовался сапропелевый бур. Изыскания выполнялись по профилю, расположенному вдоль оси канала. Репрезентативность исследований обеспечивалась схемой заложения станций, исходя из масштаба изысканий 1:25000. Расстояние между станциями пробоотбора по профилю составляло 200-300 м (рис. 1, 2). В верхнем течении канала, где его ширина превосходит 50 м, закладывалось по две станции на профиле. Все они располагались на подводном береговом склоне и у его подножья в интервале глубин от 1,0 до 2,4 метра.
Классификационные испытания физико-механических свойств грунтов проведены в стационарной лаборатории с определением гранулометрического состава, пределов пластичности, плотности влажного грунта и естественной влажности. Определение кислоторастворимых форм тяжелых металлов выполнено на атомно-абсорбционном спектрофотометре АА-6300 в соответствии с М-02-902-125-2005. Содержание ртути получено на анализаторе РА-915 по ПНД Ф 16.1:2.23-2000. Определение массовой доли нефтепродуктов производилось на приборе «ФЛЮОРАТ-02-2М» флуориметрическим методом (ПНД Ф 16.1:2.21-98). Анализ бенз/а/пирена выполнен на жидкостном хроматографе «Люмахром» по ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.39-03. Изомеры полихлорбифенилов (ПХБ) анализировались на газовом хроматографе «Кристалл-2000М» методом газовой хроматографии.
Рис. 1. Схема станций пробоотбора в Обводном канале
в 1 сантиметре 280 метров м 560 280 0 560 1120
Результаты и их обсуждение
Общая поздненеоплейстоценовая и голоценовая история формирования осадочных пород района, который дренируется исследуемыми водотоками, а также однотипность современных условий образования донных отложений обусловили близость фациально-генетических типов осадочного чехла р. Мойки и Обводного канала. Опорный разрез осадков водотоков характеризуется следующим строением.
Выделяется три литолого-стратиграфических комплекса (ЛСК) отложений. Первый комплекс (ЛСК 1) сложен суглинками мягко пластичными озерно-ледникового происхождения, представляющими поздненеоплейстоценовый этап формирования территории. Второй комплекс (ЛСК 2), образованный преимущественно гравийными средне- и мелкозернистыми песками с включениями алеврито-пелитовых фракций и ракуши, отвечает собственно аллювиальному периоду развития при отсутствии или низком уровне техногенных нагрузок. Третий комплекс, состоящий из текучих илов черного или темно-серого цвета с растительным детритом, запахом нефти и различных продуктов химических реакций, формировался в последние десятилетия в условиях техногенеза. Максимальная установленная мощность этих отложений составляет 1,5 м.
ЛСК 1 и ЛСК 2 в Обводном канале и р. Мойке имеют близкие физико-механические свойства (табл. 2). В большей мере видны различия в осадках ЛСК 3, сформиро-
Табпица 2. Физико-механические свойства донных осадков Обводного канала и р. Мойки
Водоток ЛСК Описание осадков Вскрытая мощность, м Физико-механические свойства осадков
Объемный вес, г/см3 Природная влажность, % Предел текучести, % Предел пластичности, %
Обводный канал 3-2 tQIV Алевро-пелито-песчаные миктиты темно-серого цвета, текучие 0,05-0,60 1,29 (1,18-1,39) 240 (189-301) 63 (56-69) 35 (27-39)
3-1 tQIV Песчаные поли-миктиты черного цвета, насыщенные нефтепродуктами, текучие 0,0-1,50 1,57 (1,36-1,82) 77 (42-155) 25 (16-36) 20 (11-30)
2 aQIV Разнозернистые пески, гравийные пески 0,0-1,50 1,93 (1,73-2,10) 32 (18-54) - -
1 №11 Алевро-песчано-пелитовые мик-титы серого цвета, пластичные 0,0-1,20 2,0 (1,91-2,11) 38 (31-44) 27 (22-30) 17 (13-21)
Мойка 3 tQIV Пелито-алевро-песчаные миктиты темно-серого цвета, текучие 0,10-1,30 1,51 (1,38-1,57) 91 (64-165) 37 (22-69) 28 (18-39)
2 aQIV Гравийные пески 0,0-0,50 1,87 (1,80-1,97) 27 (22-38) — —
1 Песчано-алеврито-пелитовые мик-титы серого цвета, пластичные 0,0-0,40 1,81 49 29 15
вавшихся на современном этапе развития. В Обводном канале по сравнению с рекой данный комплекс характеризуется высокой влажностью, текучестью и меньшим объемным весом. Это обусловлено более высокими скоростями осадконакопления в канале, что привело к снижению уровня дифференцированности материала, меньшему уплотнению и слабо выраженной дегидратации отложений.
В Обводном канале в современном комплексе осадков выделено два слоя: ЛСК 3-1 преимущественно песчаного состава (песчаные полимиктиты) и ЛСК 3-2, залегающий на поверхности, мощностью 0,2-0,3 м и состоящий из темно-серых текучих алевро-пе-лито-песчаных миктитов. Выделение этих слоев в Обводном канале определяется выраженным изменением условий осадконакопления за последние 20 лет в связи с сокращением промышленного производства. В р. Мойке характер осадконакопления в этот период изменился мало, т. к. объемы коммунально-бытовых стоков и особенно воздействие автотранспорта за последние годы не снизились, а производство ГП «Адмиралтейские верфи» оставалось все эти годы относительно стабильным. Кроме того следует учитывать перемешивание осадков при проводившихся на реке дноочистных работах. В связи с вышесказанным заметно выражены пространственные различия в составе осадков: верхний и средний участок реки находится под воздействием коммунально-бытовых и ливневых сбросов, нижний — под влиянием промышленных сточных вод.
Результаты лабораторного определения кислоторастворимых форм тяжелых металлов и Аз (5М раствор HNO3), а также содержания нефтяных углеводородов, 3,4-бенз/а/пирена и значение зольности (ППП) приведены в табл. 3. Применение кис-лоторастворимой вытяжки предположительно позволяет извлекать из отложений все формы металлов за исключением силикатных, входящих в состав кристаллических решеток обломочных и глинистых минералов. Детальное изучение форм микроэлементов в донных осадках проведено с помощью фазового анализа, заключавшегося в последовательном экстрагировании проб отложений и количественном определении содержания металлов в выделенных экстрактах методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии. При обработке результатов фазового анализа была использована шкала подвижности металлов в донных осадках, предложенная Е. П. Яниным (табл. 4).
Из реки Мойки проанализировано две пробы: пр. 4 и 14, представляющие ЛСК 3 (рис. 3). Металлы в осадках сосредоточены в основном в формах, связанных с гидро-ксидами железа и марганца (Со, М, Fe и РЬ) и органическим веществом (Мп, Си, 7п, №, Cd). Карбонатные и обменные формы имеют значение лишь для Cd и Мп. В пробе 4 абсолютные содержания металлов выше, чем в пробе 14, но при этом отмечается почти идентичное соотношение форм. Ряд металлов по потенциальной подвижности (биодоступности) можно представить таким образом: Cd > Мп > 7п > РЬ > Си > № ~ Fe ~ Со. Ряд закомплексованности металлов с органическими лигандами имеет вид: Си > 7п > №~ Cd > Мп > Со > Fe > РЬ.
Из Обводного канала фазовый анализ проведен в пробах 30 (ЛСК 3-2) и 31-2 (ЛСК 3-1) (рис. 4). Металлы встречаются преимущественно в органоминеральных комплексах (Си, Со, М, Мп, 7п), с гидроксидами Fe и Мп (РЬ, Fe) и в карбонатной форме (Cd). При разных абсолютных содержаниях металлов в отложениях отмечается очень близкое соотношение форм микроэлементов. Исключение представляют обменные формы, которые имеют большое значение в осадках ЛСК 3-1 для Мп, Cd, Со, №, 7п. Ряд подвижности металлов имеет следующую последовательность: Cd > Мп > 7п > № > Со > Си > Fe > РЬ, что свидетельствует о росте подвижности сидерофилов по сравнению
Таблица 3. Статистические показатели содержания загрязняющих веществ в отложениях в Обводном канале и р. Мойке
Загрязняющее вещество* ЛСК Обводного канала ЛСК р. Мойки
ЛСК 1 (п=1) ЛСК 2 (п=3) ЛСК 3-1 (п=9) ЛСК 3-2 (п=26) ЛСК 2 (п=4) ЛСКЗ (п=18)
РЬ, мг/кг 11 10-34 26/14 46-489 202 / 160 25 — 256 90/58 10-34 20/11 17-110 50/24
Си, мг/кг 23 16-37 28/11 41-370 187/113 30-347 108 / 72 16-34 22/8 22-190 58/43
Ъп, мг/кг 58 27-97 58/36 104-897 544 / 324 74-551 251 / 109 50-135 80/38 83- 409 201 / 100,7
Сг, мг/кг 23 3,5-9 5,4/3,1 22-137 63/40 7,2-118 40/28 3,5-14 7,1/4,7 6,7- 39 16,7/10,6
№, мг/кг 24 2,3-7,0 4,5 / 2,4 13-260 63/87 6,3-35 19/8 2,9-12 5,8 / 4,3 5,1-21 11,5/5,4
Сй, мг/кг <0,01 <0,01-0,36 0,16/0,18 0,04-9,32 2,53 /2,81 0,05-2,58 1,22 / 0,73 0,09-0,44 0,22/0,16 0,23- 7,1 1,42 / 2,07
Со, мг/кг 9,2 0,86-1,1 1,0/0,14 1,3-5,7 3,14/1,56 0,2-6 2,8/1,33 1,8-4,5 3,2/1,2 2,1-6,6 4,0/1,1,37
Нд, мг/кг 0,02 0,04-0,18 0,10/0,07 0,17-1,34 0,53 / 0,36 0,12-0,61 0,32/0,13 0,08-0,27 0,19/0,09 0,07-1,13 0,41 / 0,30
Ав, мг/кг 2,5 1,5-2,6 2,2/0,6 0,8-5,4 3,3/1,9 0,9-5,9 3,5/1,7 <0,2-1,8 0,6/0,8 <0,2-1,0 0,3/0,27
Мп, мг/кг 386 21/104 57/43 72-179 106/33 22-556 144/110 52-152 95/45 69-217 141/49
НХ мг/кг <5 <5-333 115/189 <5-4880 2186/ 1653 <5-6167 1286/ 1510 62-175 122 / 62 100-1529 586/ 369
3,4 бенз/а/-пирен, мг/кг <0,005 <0,005-0,211 0,132/0,112 <0,005-1,117 0,39 / 0,47 <0,005-1,1 0,26 / 0,25 <0,005-0,077 0,041 / 0,030 <0,005-0,187 0,082 / 0,050
ППП, % 3,0 0,8-4,8 2,1/2,3 4,4-14 9,4 / 3,8 2,9-32,4 13,9 / 8,8 1,7-5,0 3,1/1,4 1,7-10,5 5,3/2,3
Примечание. * Для всех микроэлементов (за исключением Нд) приведено содержание кислоторастворимых форм; для Нд — валовое.
Таблица 4. Схема фазового анализа и шкала подвижности химических элементов в донных осадках
Фаза Экстрагент Определяемая форма нахождения металлов Относительная подвижность [3]
1 Раствор MgCl2 (0,25 моль/л) Поверхностно-сорбированные обменные формы Высокоподвижные
2 Ацетатный буферный раствор (раствор уксусной кислоты СН3СООН и ацетата натрия ШСНзСОО) с pH=4,8 Формы, связанные с карбонатными минералами и легко разлагаемым органическим веществом То же
3 Раствор (1 моль/л) уксусной кислоты (CH3COOH) после пятикратной обработки 30% раствором перекиси водорода (H2O2) Формы, связанные с органическим веществом Подвижные
4 Раствор (0,1 моль/л) солянокислого гидроксиламина (NH2OH-HCl) в 0,01 м растворе HNO3, pH=2 Формы, связанные с оксидами марганца и частично аморфного гидроксида железа (сорбированные на них частицы) То же
5 Раствор HCl (0,3 моль/л), pH=1 Формы, связанные с гидроксидом железа (крист.) Относительно устойчивые
Мп Со Ре № Ъп Си РЬ С<1
Рис. 3. Соотношение форм металлов в донных осадках р. Мойки а — пр. 4; б — пр. 14). Условные обозначения. Формы металлов: I — поверхностно-сорбированные; II — карбонатные; III -нические; IV — с аморфными гидроксидами Fe и Мп; V — связанные с кристаллическими гидроксидами.
орга-
Рис. 4. Соотношение форм металлов в донных осадках Обводного канала (а — пр. 30; б — пр. 31-2). Условные обозначения см. рис. 3.
с отложениями р. Мойки. Ряд закомплексованности микроэлементов во многом идентичен речным осадкам: Си > Со > № > 7п ~ Мп > Cd > Fe > РЬ.
Основные различия в фазовом состоянии металлов в донных осадках р. Мойки и Обводного канала заключаются в увеличении доли высокоподвижных форм (см. табл. 4) в осадках канала (в среднем 17-27%) по сравнению с рекой (11-14%) за счет снижения количества относительно устойчивых фаз (соответственно 30-32% и 39-43%). Это можно объяснить более высоким уровнем техногенности процессов формирования геохимического поля осадков Обводного канала. Стабильно высокий процент гидрок-сидных форм Fe, РЬ и Со обусловлен гидролизом этих металлов в окислительной среде поверхностного слоя осадков и их раскристаллизацией на начальном этапе диагенеза.
Анализ структуры распределения элементов в отложениях Обводного канала методом главных компонент (рис. 5) позволил выявить два ведущих фактора дифференциации, фиксирующих 77% общей изменчивости системы. Первый фактор описывает 56% дисперсии исходных признаков. Наиболее тесная связь с ним в порядке ослабле-
0,5 -
II (21%)
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2
0 о|г ОД о|б
Мп
-0,5 -С(1
N.
-1,0 Ъп РЬ
Си
- 1
2
3
Рис. 5. Диаграмма факторных нагрузок I и II факторов распределения концентраций элементов в донных отложениях Обводного канала.
Условные обозначения. Связи: 1 — слабые (0,3-0,5); 2 — средние (0,510,75); 3 — сильные (более 0,76).
ния отмечена у 7п, РЬ, Си, Сг, № и Cd. Очевидно, что настоящий фактор имеет техногенную природу и обусловлен, в первую очередь, сбросами промышленных сточных вод. Вторая компонента (вклад в дисперсию — 21%) характеризуется значительными нагрузками Со и Мп. Учитывая фоновый уровень концентрации последних и их связь с тонкодисперсной фракцией (коэффициент парной корреляции — 0,63), а также опираясь на классификацию элементов по особенностям миграции [4], можно интерпретировать фактор как природный (техногенно-природный), вызванный процессами дифференциации осадочного материала. Согласно геохимической классификации Со и Мп, наряду с Fe, относятся к группе катионогенных элементов, подвижных в глеевой и сероводородной обстановках и инертных в окислительной. Таким образом, предполагается, что ассоциация Со-Мп в донных осадках р. Мойки отчасти имеет вещественно-генетическую природу.
Анализ значений компонент, позволяющий оценить пространственно-временной аспект факторов, показал, что средняя величина значений I и II факторов для ЛСК 2
составляет соответственно 3,93 и 0,82; для ЛСК 3-1--1,53 и 0,48; для ЛСК 3-2 — 0,00
и -0,14. Таким образом, аллювиальный комплекс (ЛСК 2) не ассоциируется с выделенными парагенезисами металлов. Химическая структура осадков, сформировавшихся в период максимального уровня загрязнения (ЛСК 3-1), определяется ассоциацией халькофилов, типичной для техногенных илов. В поверхностном комплексе отложений (ЛСК 3-2) геохимическая структура определяется ассоциацией Со-Мп, которая отражает техногенно-природный генезис этих отложений.
В р. Мойке уровень корреляционных связей между содержаниями металлов в донных осадках выше (рис. 6), чем в донных отложениях Обводного канала, что говорит в пользу естественных механизмов дифференциации осадочного материала [5]. Результаты факторного анализа содержания металлов в осадках р. Мойки показали (см. рис. 6), что существующие взаимосвязи между элементами могут быть объяснены
0,4 0,2 I (79%) II (13%)
-1,0 -0,5 0 -0,2 -0,4 -0,6 0,5 1,0 1 Сг N1
-------1 -2 -3
Рис. 6. Диаграмма факторных нагрузок I и II факторов распределения концентраций элементов в донных отложениях р. Мойки. Условные обозначения см. рис. 5.
влиянием двух основных факторов, фиксирующих 92% общей изменчивости системы, очень близких по своей структуре к рассмотренным выше. Первый фактор описывает 80% дисперсии исходных признаков. Наиболее тесную связь с ним в порядке ослабления имеют Сг, Cd, М, Мп, 7п, Си и РЬ. Максимальные нагрузки на фактор отмечены для осадков нижнего течения реки, испытывающих наибольшее техногенное воздействие со стороны промышленных предприятий. Вторая компонента (вклад в дисперсию — 13%) характеризуется значительными нагрузками Со и, в меньшей степени, Мп (нагрузка — 0,35). Таким образом, здесь ассоциация Со-Мп, отражающая техногенно-природную составляющую процесса осадконакопления, менее проявлена, чем в отложениях канала.
Пространственно-временной анализ значений компонент показал отсутствие связи аллювиального комплекса (ЛСК 2) реки с выделенными выше ассоциациями (средние величины значений I и II факторов равны соответственно 2,8 и 0,52). Средние величины компонент отложений ЛСК 3 составляют -0,62 и -0,12, что свидетельствует о приуроченности выделенных ассоциаций металлов к современным отложениям. Однако по течению реки (сверху вниз) отмечается выраженная перестройка геохимической структуры осадков, которая проявляется в переходе от положительных к отрицательным нагрузкам на I фактор, а также в постепенной замене ассоциации Со-Мп парагенезисом халькофилов. Последний становится ведущим в осадках нижнего течения реки.
Таким образом, по результатам факторного анализа концентраций тяжелых металлов в донных осадках исследованных водотоков выявлено два типа дифференциации вещества — техногенный и техногенно-природный. Первый ответственен за формирование интенсивной техногенной аномалии элементов, преимущественно представленных халькофилами — Pb-Zn-Cr-Cu-Ni-Cd. Природная ассоциативность проявлена во взаимной согласованности распределения концентраций Со и Мп.
Более детальное изучение техногенной ассоциативности металлов, выполненное на основе кластерного анализа (рис. 7), обнаруживает наличие двух устойчивых па-
Евклидово расстояние
№ РЬ Си гп Сй Сг <2мкм Мп Со
Евклидово расстояние
гп <2мкм М
Рис. 7. Дендрограмма содержаний металлов и тонкодисперсной фракции осадков в донных отложениях Обводного канала (а) и р. Мойки (б).
рагенезисов — РЬ-Си-7п и Сё-Сг. Ассоциация типичных халькофильных элементов РЬ, Си и 7п является типоморфной практически для всех крупных городов с развитой промышленностью и густой транспортной сетью. Основными поставщиками Сё и Сг в водные объекты являются сточные воды предприятий металлургической, химической и машиностроительной промышленности. В данном случае эта ассоциация может отражать сбросы гальванических производств. Обсуждаемые парагенезисы имеют определяющее значение в формировании геохимического поля осадков Обводного канала. Ассоциацией металлов-халькофилов трассируются участки водотоков с накоплением техногенных илов, приуроченных к основным потокам антропогенного вещества.
Парагенезис Со-Мп характеризует процессы техногенно-природного осадконакопле-ния, продуктом которого являются донные осадки с высоким уровнем загрязнения. В р. Мойке эти отложения представлены ЛСК 3 практически на всем протяжении реки, за исключением нижнего течения, где они сменяются техногенными илами с ассоциацией халькофилов.
В качестве критерия оценки уровня загрязненности металлами донных отложений исследованных водотоков использован суммарный показатель загрязнения осадков Хс (табл. 5):
Ъ =ХК -(п-1),
где п — число металлов, содержания которых превышают фоновые значения, Кс - отношение содержания г-го элемента к фону.
Таблица 5. Ориентировочная шкала оценки степени загрязнения водных объектов по концентрациям химических элементов в донных отложениях по [6]
Уровень техногенного загрязнения Содержание токсичных элементов в воде
< 10 Низкий Большинство в пределах фона
10-30 Средний Многие повышены относительно фона; некоторые эпизодически достигают ПДК
30-100 Высокий Многие элементы выше фона; некоторые превышают ПДК
100-300 Очень высокий Многие во много раз выше фона; некоторые стабильно превышают ПДК
> 300 Чрезвычайно высокий Большинство во много раз выше фона; многие стабильно превышают ПДК
Учитывая, что речь идет о кислоторастворимых формах металлов, в качестве фоновых значений приняты содержания этих форм в близких по гранулометрическому составу озерно-ледниковых отложениях, поднятых со дна Обводного канала.
В Обводном канале суммарное загрязнение донных отложений металлами определяется аномальными содержаниями в ЛСК 3-2 Cd, РЬ, 7п, Си. В подстилающем комплексе (ЛСК 3-1) к этой группе металлов добавляются Сг и №, отражая, видимо, влияние гальванических производств на этапе развития промышленного производства. При этом уровень загрязнения отложений ЛСК 3-1 (средняя величина = 89 в два раза выше, чем в вышележащем горизонте Хс = 44). Пространственное распределение (рис. 8) показывает, что в основном поверхностные осадки канала имеют уровень высокого загрязнения (Хс = 30 4- 100). В максимальной степени техногенная геохимическая аномалия выражена в верховьях канала и на нескольких локальных участках ниже по течению. Один из них расположен между Краснооктябрьским и Ново-Калин-киным мостами, где сосредоточен целый ряд крупных предприятий, включая бывший ПО «Красный треугольник».
Аномалия в восточной части канала от устья р. Монастырки до Предтеченского моста имеет пик на участке впадения р. Волковки. Вся эта область характеризуется высоким уровнем загрязнения ассоциацией халькофилов (Hg-Cd-Pb-Cu-Zn): концен-
гс
0 1 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 15 17 18 20 21 22 23 25 29 31 32 35 Номера станций пробоотбора
Рис. 8. Показатели суммарного загрязнения донных осадков в поверхностном слое отложений Обводного канала.
трации Cd, Н и РЬ более чем в десять раз превышают фон. Очевидна роль р. Волковки как поставщика указанных загрязняющих веществ в Обводный канал на рассматриваемом участке. Она относится к наиболее загрязненным водотокам Санкт-Петербурга. Одним из основных источников воздействия является Волковская водопроводная станция, которая ежесуточно сбрасывает в реку около 24000 м3 неочищенных промывных вод. Кроме того, р. Волковка принимает сточные воды трех аварийных выпусков городской канализации. Определенный вклад в загрязнение канала на этом участке дают промышленные предприятия, расположенные по берегам (см. рис. 1). Следует также сказать, что в верховьях максимальное загрязнение осадков ЛСК 3-1 соответствует очень высокому (Хс = 100 4 300) и высокому (Хс = 30 4 100) уровням загрязнения.
В р. Мойке загрязнение поверхностных осадков (ЛСК 3) обусловлено, в первую очередь, высокими концентрациями Cd, РЬ, Ъп, а также Си. Средняя величина Хс составляет 43,0 (высокий уровень загрязнения). Пространственное распределение металлов иллюстрирует рис. 9. Наиболее интенсивная техногенная геохимическая
гс 160
140
120
100
о ■ ■ ■ ■ ■
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17
Номера станций пробоотбора
Рис. 9. Показатели суммарного загрязнения донных осадков в поверхностном слое отложений р. Мойки.
аномалия приурочена к о-вам Новая Голландия и Ново-Адмиралтейский, расположенным в нижнем течении. Данная область характеризуется высоким уровнем загрязнения, а в устье р. Пряжка — очень высоким (Хс = 147) с широкой ассоциацией элементов: концентрации Н и Cd в десятки раз превышают фон. Основной причиной этого являются ГП «Адмиралтейские верфи» и воинская часть, базировавшаяся ранее на о. Новая Голландия. Выше по течению в зоне ливневых и коммунально-бытовых стоков ситуация менее критична, и осадки имеют низкий и средний уровень загрязнения, за исключением участка вблизи Зимней канавки, где наблюдается увеличение концентраций Н и РЬ. Отмечается снижение концентраций поллютантов при удалении от мостовых переходов, что подчеркивает ведущее значение в загрязнении реки автотранспорта.
Донные осадки изученных водотоков имеют высокий уровень загрязнения пол-лютантами органического происхождения. В р. Мойке максимальные содержания нефтяных углеводородов (до 1528 мг/кг при среднем содержании 501 мг/кг) установлены в нижней части водотока на участке промышленного загрязнения осадков. Выше по течению концентрации углеводородов составляют от 100 до 700 мг/кг. Максимальные содержания 3,4-бенз/а/пирена, достигающие 187 мкг/кг (при среднем значении 74 мг/кг), обнаружены в среднем течении реки, что, вероятно, обусловлено интенсивным движением автомобильного и водного транспорта. Распределение ПХБ (сумма изомеров) не связано с выделенными источниками загрязнения. В 16 из 22 проанализированных проб содержания бифенилов находятся ниже порога обнаружения метода (0,5 мг/кг). Ураганные концентрации этого ксенобиотика установлены в поверхностном слое осадков выше Зеленого моста (5479 мг/кг) и вблизи Первого Инженерного моста (10759 мг/кг) в самом верховье реки. И в том и в другом случае ПХБ представлены низкомолекулярными изомерами (ПХБ 28, 29, 52). Локальный характер ураганных концентраций вещества при невысоком фоновом уровне загрязнения можно объяснить сбросом (возможно разовым) в эти места трансформаторного масла типа «Совол», содержащего в своем составе легкие изомеры ПХБ.
В Обводном канале очень высокие концентрации нефтяных углеводородов зафиксированы на участке максимального загрязнения в верхнем течении водотока (до 6167 мг/кг), а также западнее в районе Ново-Калинкина моста (более 4000 мг/ кг). Средние содержания НУ в Обводном канале (1408 мг/кг) почти в три раза превышают подобный показатель для отложений р. Мойки. Концентрации 3,4-бенз/а/ пирена при очень высоком уровне загрязнения осадков канала имеют несколько выраженных пиков. Это упомянутый выше район в истоках водотока, а также участки в районе Петергофского и Ново-Московского мостов. Максимальные концентрации в верховьях канала характеризуются значениями, превышающими 1100 мкг/кг, что более чем в 50 раз выше ПДК, установленной для почв. Загрязнение донных отложений полихлорбифенилами в Обводном канале носит более устойчивый характер, чем в р. Мойке: из 39 проб, только в 14 содержания находятся ниже порога обнаружения метода. При высоком среднем содержании бифенилов — 328 мкг/кг — на двух участках установлены ураганные концентрации в основном за счет ПХБ 52 и 101, входящих в состав «Совола»: выше Рузовского моста (3817 мг/кг) и ниже устья р. Монастырки (до 2795 мг/кг).
Выводы
Выполненные исследования позволили определить физико-механические, геохимические и геоэкологические характеристики донных отложений р. Мойки и Обводного канала, а также установить особенности пространственного распределения изученных показателей.
1. В разрезе донных отложений водотоков канала выделено два литолого-страти-графических комплекса (ЛСК), которые залегают на поздненеоплейстоценовых озер-но-ледниковых отложениях (ЛСК 1): ЛСК 2 — аллювиальные осадки доиндустриаль-ного периода развития водотоков и ЛСК 3 — техногенные (природно-техногенные) отложения, сформировавшиеся приблизительно за 60 лет. В Обводном канале в ЛСК 3 выделено два слоя: ЛСК 3-1, образовавшийся в период максимального уровня техногенного воздействия («советский» период), и ЛСК 3-2, который возник в новейший «постсоветский» этап развития, характеризующийся снижением объемов производства и соответственно антропогенной нагрузки на канал. Техногенные осадки представлены алевро-пелито-песчаными миктитами (или песчаными полимиктитами), характеризуются низким объемным весом (менее 1,20 г/см3) и высокой природной влажностью (до 300%). Современные скорости осадконакопления достигают 3-4 см/год.
2. Осадки характеризуются высоким содержанием кислоторастворимых форм тяжелых металлов, превышающих фоновые показатели от п (Ъп, Си, №, Сг) до п • 10 (Cd, РЬ, раз — в Обводном канале; от п (Ъп, Си, РЬ) до п • 10 (Cd, раз — в р. Мойке. На основе фазового анализа в Обводном канале выявлено большое количество высокоподвижных сорбционно-карбонатных (Cd, Мп, Со, Ъп, №) и подвижных органоми-неральных комплексов (Си, Со, Ъп, М), что относится к фундаментальным свойствам техногенных илов. В техногенно-природных отложениях р. Мойки доля высокоподвижных форм металлов, за исключением Мп и Cd, незначительна.
3. В геохимической структуре современных осадков выделяются два парагенезиса: ассоциация металлов-халькофилов, типоморфная комплексному загрязнению природной среды, присущему крупным промышленным городам. Этот парагенезис трассирует накопление органоминеральных техногенных осадков в Обводном канале и нижнем течении р. Мойки. Вторая ассоциация Со-Мп в данной геохимической структуре может быть отражением естественных процессов дифференциации осадочного материала, что характерно для отложений верхнего и среднего течения р. Мойки и локальных участков Обводного канала. Современные отложения водотоков отличаются высокими концентрациями токсичных органических соединений (нефтяные углеводороды, 3,4-бенз/а/пирен), включая ксенобиотики (ПХБ).
4. Максимальный уровень загрязнения донных осадков указанных водотоков, рассчитанный по индексу суммарного загрязнения, показал, что в Обводном канале уровень загрязнения отложений ЛСК 3-1 (средняя величина Ъс = 89, максимальная — 181) в два раза выше, чем в вышележащем горизонте (Ъс = 44). В основном содержания металлов в поверхностных осадках канала соответствуют уровню высокого загрязнения (Ъс = 30 4 100). В наибольшей степени техногенная геохимическая аномалия выражена в верховьях канала и на нескольких локальных участках ниже по течению. В р. Мойке поверхностные осадки (ЛСК 3) характеризуются высоким уровнем загрязнения. Средняя величина Ъс составляет 43,0. Наиболее интенсивная техногенная геохимическая аномалия в нижнем течении водотока приурочена к островам Новая Голландия
и Ново-Адмиралтейский. Здесь отмечен высокий уровень загрязнения, а в устье р. Пряжка — очень высокий = 147).
5. Вертикальная неоднородность распределения металлов в толще донных осадков водотоков свидетельствует о снижении масштабов техноседиментогенеза, явившегося результатом уменьшения объемов сброса промышленных сточных вод в водные объекты, и постепенным восстановлением природных механизмов дифференциации осадочного материала. Причинами стали закрытие предприятий, снижение объемов производства и ликвидация прямых выпусков сточных вод. При условии проведения тотальных дноочистных работ и других водоохранных мероприятий это позволяет надеяться на постепенную стабилизацию гидроэкологической ситуации в городских водотоках.
Литература
1. Водные объекты Санкт-Петербурга / под ред. С. А. Кондратьева, Г. Т. Фрумина. СПб., 2002. 348 с.
2. Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 2009 году / под ред. Д. А. Голубева, Н. Д. Сорокина, СПб., 2009. 440 с.
3. Янин Е. П. Формы нахождения тяжелых металлов в техногенных илах реки Пахры. В сб. «Геохимия биосферы». Доклады междунар. конференции. Москва 15-18 ноября, 2006. Смоленск: Ойкумена. С. 395-396.
4. Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 768 с.
5. Опекунов А. Ю. Аквальный техноседиментогенез. Труды ВНИИОкеангеология. Т. 208. СПб.: «Наука», 2005. 278 с.
6. Янин Е. П. Техногенные геохимические ассоциации в донных отложениях малых рек (состав, особенности, методы оценки). М.: ИМГРЭ, 2002. 52 с.
Статья поступила в редакцию 23 декабря 2011 г.
