CC BY
18
УДК 556.555.6 : 504.4.054
В.С. Валиев, Д.В. Иванов, И.И. Зиганшин, А.А. Марасов, В.В. Маланин, Э.Е. Паймикина
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, water-rf@mail.ru
АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗИ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ С ПОКАЗАТЕЛЯМИ СОСТАВА И СВОЙСТВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
Рассматриваются количественные показатели связи величины естественной влажности донных отложений водных объектов с их гранулометрическим составом, объемным весом и содержанием органического вещества. Показана необходимость учета влажности при оценке качества донных отложений и возможность использования ее величины для количественной характеристики состава и свойств осадков.
Ключевые слова: донные отложения; влажность; плотность; органическое вещество; статистические связи.
Введение
Величина естественной влажности представляет собой чрезвычайно важный физический показатель состояния донных отложений рек, озер и водохранилищ, агрегирующий вариабельность их свойств на уровне структурных изменений. Указанный показатель рассматривается как обязательный при проведении мониторинга и контроле качества донных отложений поверхностных водных объектов (Методические ..., 2014; РД 52.24.609-98).
Наиболее часто прибегают к определению «весовой» влажности отложений как отношения массы воды к массе сухого вещества, однако в целом ряде случаев предпочтительно устанавливать и величину «объемной» влажности, учитывающей отношение объемов воды и твердого скелета осадка (ГОСТ 5180-2015).
Влажность является косвенной характеристикой сорбционной емкости озерных и речных се-диментов, которая, в свою очередь, обусловлена содержанием в них тонкодисперсной органо-ми-неральной составляющей, способной обменно и необменно поглощать из среды находящиеся в ней элементы и соединения.
С экологических позиций представляется актуальным практический аспект, касающийся определения величины влажности, который связан с работами по извлечению донных отложений при производстве дноуглубительных работ, проектами экореабилитации водоемов, а также с различного рода гидротехническими мероприятиями, когда необходимо не только оценить фактические объемы отложений в их естественном сложении, но и спрогнозировать последствия высушивания осадка.
Следует также отметить, что влажность донных отложений - достаточно динамичный показатель. В частности, в водохранилищах ее величина меняется при колебании уровня воды, достигая наибольших значений в условиях минимальных отметок. Это связано с изменением гидростатической нагрузки, в результате которой при высоких уровнях воды происходит уплотнение частиц с выдавливанием порового раствора (Мартынова, 2003). По мере погребения ранее образованных слоев отложений новыми порциями осадка, что хорошо выражено в озерах и водохранилищах, содержание в них влаги закономерно уменьшается на фоне возрастания плотности.
Таким образом, влажность донных отложений является показателем, реагирующим на целый ряд важнейших параметров функционирования гидрологических систем, а анализ взаимосвязи влажности с другими показателями позволяет лучше понять механизм распределения в донных отложениях минерального и органического вещества.
Материалы и методы исследования
С целью определения количественных показателей связи между величиной влажности, гранулометрическим составом, содержанием органического вещества и объемным весом донных отложений было проведено исследование 510 образцов разнотипных отложений рек, озер и водохранилищ Республики Татарстан, полученных в ходе грунтовых съемок с 2000 по 2017 гг.
Отбор поверхностных проб осуществляли дночерпателями различной конструкции, отбор кернов донных отложений - трубками ГОИН. Непосредственно после отбора керны разделяли на
3/2018
53
слои мощностью по 5 см. В пробах определяли объемный вес и естественную влажность (ГОСТ 5180-2015), гранулометрический состав (ГОСТ 12536-2014), содержание органического вещества мокрым озолением и по величине потерь при прокаливании (ГОСТ 26213-91). Статистическую обработку проводили с помощью программного комплекса «STATISTICA» v.6.0.
Результаты и их обсуждение
Распределение коэффициентов корреляции между значениями естественной влажности образцов и долей той или иной фракции имеет общую закономерность. На рисунке 1 показана динамика этой основной тенденции - увеличение величины влажности отложений при возрастании в них доли мелкодисперсных частиц. Обладая большей удельной поверхностью, мелкодисперсные фракции удерживают и большее количество воды. Вместе с этим, эти фракции активно фиксируют на поверхности своих частиц гидратные комплексы (Jordan, Rippey, Anderson, 2002), не разрушаемые в процессе термического высушивания при 105°С при определении естественной влажности. Однако эти комплексы разрушаются при определении потерь при прокаливании (ППП), которые рассчитывают после выдерживания образцов при 550°С, что и обусловливает, по нашему мнению, основную долю изменчивости этого показателя (рис.1).
Следует особо подчеркнуть, что, по нашим данным, отмечается тесная прямая взаимосвязь между влажностью образцов донных отложений и значениями ППП. Коэффициент корреляции r, в зависимости от гранулометрического состава образцов, достигает 0.6 (p<0.001). Особенно наглядно эта взаимосвязь наблюдается при логарифмическом отображении оси значений влажности (рис. 2).
Весьма информативен в этом отношении другой важный показатель - объемный вес отложений, который принято рассчитывать как на влажный, так и на высушенный при 1050С образец. Этот показатель является прямой характеристикой рыхлости структуры осадков, отражая плотность прилегания частиц донных отложений друг к другу и объем пустот между ними. Низкий объемный вес свидетельствует о рыхлой структуре и небольшой плотности образца, соответственно, свободный объем в таких отложениях заполнен водой.
Величина влажности исследуемой выборки отложений находится со значениями объемного веса в обратном экспоненциальном отношении, резко убывая при его увеличении (рис. 3). Об-
Рис.1. Соотношение коэффициентов корреляции между влажностью донных отложений, объемным весом, ППП и долей различных фракций
О 0°
о
_I о о о
о #
о о о о О о 0 ° о
о О О о О О О о
О ° о <*> 0 <z> ^ О о о о
о о
оо <? 1 <ХВ о о о о
Э О О ООО о оос Сч <Г) «Т <й <Б г- со о>с о < ! с ч с и < ' с ' ¡»отс
Впажностъ. %
Рис. 2. Взаимосвязь величин ППП и влажности донных отложений
Рис. 3. Взаимосвязь влажности и объемного веса донных отложений
ращает на себя внимание то обстоятельство, что график зависимости ППП от объемного веса донных отложений практически повторяет график, построенный для влажности (рис. 4, 5).
54
российский журннл им! экологии
Рис. 4. Взаимосвязь ППП и объемного веса донных отложений
Рис. 5. Сравнительное соотношение ППП и влажности при увеличении объемного веса донных отложений
Коэффициент корреляции г между значениями влажности донных отложений и их объемным весом составляет 0.66 (р<0.001) и также зависит от гранулометрического состава (см. рис. 1).
Снижение объемного веса осадка сопровождается ростом значений органического вещества (углерода), определяемого мокрым озолением (г=-0.5).0дновременно наблюдается резкое повышение значений ППП. Однако при дифференцированной оценке разных типов донных отложений нами отмечено, что эта динамика обусловлена соотношением мелкодисперсных фракций. Так, содержание органического углерода растет прямо пропорционально увеличению доли частиц <0.01 мм и, особенно, <0.001 мм, а значения ППП в этих же условиях статистически значимо не изменяются, демонстрируя лишь тесную взаимосвязь
с влажностью (рис. 5).
При сопоставлении динамики двух показателей, используемых для оценки содержания органического вещества,- значений потерь при прокаливании и содержания органического углерода по Тюрину, в зависимости от изменчивости доли частиц пелитовой размерности <0.01 мм, в которой органическое вещество представлено наиболее полно, отмечено отсутствие между ними корреляционных взаимосвязей.
Заключение
Результаты исследования подтверждают, что значения ППП находятся в тесной связи с величиной влажности донных отложений и в значительной степени обусловлены именно наличием в образцах связанных гидратных комплексов, не удаляемых в процессе высушивания образца при 105 °С. Это, в том числе, обусловливает тот факт, что величина потерь при прокаливании обычно в разы выше, чем содержание органических веществ, определяемых мокрым озолением проб.
Изменчивость значений потерь при прокаливании и влажности при их сочетанной оценке с объемным весом донных отложений в значительной степени коллинеарны, что, при учете направленности корреляционных связей, позволяет использовать для обобщающих рекогносцировочных оценок и при построении моделей множественной регрессии вместо трех только один показатель - влажность донных отложений.
Список литературы
1. ГОСТ 12536-2014. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава.
2. ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества.
3. ГОСТ 5180-2015. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.
4. Мартынова М.В. Внутригодовые колебания влажности серых илов водохранилища // Водные ресурсы. 2003. Т. 30. №5. С. 582-585.
5. Методические указания по осуществлению государственного мониторинга водных объектов в части организации и проведения наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях водных объектов. Утв. Приказом Минприроды России от 24.02.2014 г. №112.
6. РД 52.24.609-98. МУ. Организация и проведение наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях.
7. Jordan P., Rippey B., Anderson N.J. The 20th century whole-basin trophic history of an inter-drumlin lake in an agricultural catchment // Sci. Total Environ. 2002. 7;297(1-3). Р. 161-173.
3/2118
55
Valiev V.S., Ivanov D.V., Ziganshin I.I., Marasov A.A., Malanin V.V., Paimikina E.E. Analysis of the relationship of natural moisture with indicators and properties of sediments.
Quantitative indicators of the relationship between the natural moisture content of bottom sediments of water bodies and their grain size composition, bulk density and organic matter content are considered. The need to take into account humidity in assessing the quality of bottom sediments and the possibility of using its value as an indirect indicator of the composition and properties of sediments is shown.
Keywords: sediments; humidity; density; organic matter; statistical relations.
Информация об авторах
Валиев Всеволод Сергеевич, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: podrost@mail.ru.
Иванов Дмитрий Владимирович, кандидат биологических наук, зам. директора по научной работе, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ,Россия, 420087, г Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: water-rf@mail.ru.
Зиганшин Ирек Ильгизарович, кандидат географических наук, доцент, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: irek_ziganshin@mail.ru.
Марасов Антон Александрович, младший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: OwlTravolta@yandex.ru.
Маланин Виталий Викторович, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: wizzle13@yandex.ru.
Паймикина Эльвина Евгеньевна, младший научный сотрудник, Институт проблем экологии инедропользования АН РТ,Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: elvinapaimikina@ yandex.ru.
Informationabouttheauthors
Vsevolod S. Valiev, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: podrost@mail.ru.
Dmitrii V. Ivanov, Ph.D. in Biology, Deputy Director, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: water-rf@mail.ru.
Irek I. Ziganshin, Ph.D. in Geography, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: irek_ziganshin@mail.ru.
Anton A. Marasov, Junior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, E-mail: OwlTravolta@yandex.ru.
Vitalii V. Malanin, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: wizzle13@yandex.ru.
Elvina E. Paimikina, Junior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: elvinapaimikina@yandex.ru.
российский журннл ииой экологии
