CC BY
69
УДК 550.42:577.4(571.1)
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОД ОБСКОГО БОЛОТА (ЗАПАДНАЯ СИБИРЬ)
И ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ СБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
О.Г. Савичев, Н.В. Гусева, Е.А. Куприянов, А.А. Скороходова, К.В. Ахмед-Оглы
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Проведен анализ химического состава вод Обского болота (Западная Сибирь). Получены данные о средних концентрациях главных ионов, микроэлементов, биогенных и органических веществ в естественных и загрязнённых болотных водах, подземных и речных водах в районе Обского болота. Установлены критерии загрязнения болотных вод. Выявлены три группы веществ с различным характером изменения концентраций по мере удаления от выпуска хозяйственно-бытовых сточных вод. Показано, что снижение минерализации, содержаний органических и биогенных веществ вплоть до фоновых значений происходит в полосе шириной до 600 м от границы болота.
Ключевые слова:
Болотные воды, химический состав, Обское болото, антропогенное влияние, Западная Сибирь.
Key words:
Bog waters, chemical composition, Obskoe bog, anthropogenous influence, Western Siberia.
Введение
Особенностью бассейна реки Оби на участке её среднего течения, примерно соответствующего подзонам южной и средней тайги, является значительная заболоченность, составляющая в пределах Томской области 37 % (рис. 1, а), а по центральной части южнотаёжной подзоны Западной Сибири -47 % [1, 2]. Уже столь широкое распространение болот предопределяет актуальность их постоянного изучения, важность которого еще более возрастает при решении целого спектра фундаментальных и прикладных задач в области геохимии, гидрохимии, гидрологии, геоэкологии, геоботаники. В частности, понимание биогеохимической, гидрохимической и гидрологической роли болот является совершенно необходимым при прогнозе долгосрочных изменений окружающей среды в Западной Сибири и определении допустимого антропогенного воздействия на экосистемы, в том числе и болотные.
Особое значение при этом имеют исследования крупных болот, возникновение и эволюция которых, как правило, являются индикатором каких-либо существенных региональных изменений окружающей среды и климата. Наиболее известный подобный объект в таёжной зоне Западной Сибири - Васюганское болото площадью более 50 тыс. км2 [3]. Но есть ещё одно крупное болото, внимание к которому пока незаслуженно незначительное.
Это - Обское (евтрофное) болото, протянувшееся в левобережной части долины реки Оби, от с. Кожевниково на юге до с. Иштан на севере, полосой шириной от 1,5 до 7 км и длиной 104 км. Торфяная залежь - низинного типа, со средней мощностью 3,2 м при максимуме до 6 м. Участок, расположенный южнее с. Мельниково (соответствует торфяному месторождению «Обское I»), характеризуется средними значениями: зольности торфа
28,7 %, степени разложения - 34 %; влажности -
83,7 %; рН - от 5,5 до 7,3. Средние значения северного участка (торфяное месторождение «Обское II») составляют: степень разложения торфа - 34 %; зольность - 28,7 % [4].
Объект и методика исследования
В данной статье представлены результаты первого этапа исследований, в рамках которого основное внимание было уделено изучению пространственно-временных изменений химического состава вод Обского болота на участке сброса сточных вод жилищно-коммунального хозяйства с. Мельниково (муниципальное унитарное предприятие МУП «Комхоз») - административного центра Шегарского района Томской области. На исследуемом участке распространён берёзовотростниковый тип биогеоценозов с полосами, занятыми преимущественно тростником. Его положение показано на рис. 1, а его место в поперечном профиле долины реки Оби - на рис. 2.
С целью выявления пространственно-временных изменений химического состава болотных вод и изучения факторов его формирования проводился: 1) отбор болотных вод, сточных вод жилищнокоммунального хозяйства и подземных вод эксплуатируемого водоносного горизонта в с. Мельнико-во (отложения палеогенового возраста) согласно [6, 7]; 2) определение химического состава болотных, сточных и подземных вод в стационарных аккредитованных лабораториях Томского политехнического университета (ТПУ) и ОАО «Томскгеомо-ниторинг»; 3) обобщение и статистический анализ данных ТПУ и ОАО «Томскгеомониторинг» о химическом составе болотных, сточных, подземных и речных вод в соответствии с [8].
Отбор проб болотных вод выполнен из деятельного горизонта торфяной залежи (0,2...0,5 м от поверхности растительного покрова). Одновременно с отбором проб воды проводилось определение рН, ЕЬ, удельной электропроводности и темпера-
Рис. 1. Схема размещения пунктов наблюдений за химическим составом вод Обского болота у с. Мельниково: а) типы болот: 1 - евтрофные; 2 - мезотрофные; 3 - олиготрофные; б) пункты гидрохимических наблюдений: 1 - сточные воды МУП «Комхоз» с. Мельниково; 2 - фоновый участок; 3 - участок загрязнённого болота (I - створ выпуска сточных вод; II -створ вдоль дороги Мельниково - Старая Шегарка)
туры воды и атмосферного воздуха. Пункты отбора проб болотных вод расположены в границах трёх профилей (рис. 1): 1) профиль I, размещённый перпендикулярно границе суходола (с. Мельниково) и болота у выпуска сточных вод жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) с. Мельниково; 2) профиль II, размещённый в 50 м выше дороги с. Мельниково - с. Старая Шегарка перпендикулярно границе суходола (с. Мельниково) и болота; 3) фоновый участок Обского болота 0,5 км вы-
ше дороги г. Томск - с. Мельниково, пункт пробо-отбора в 2012 г., - в 90 м от границы болота и суходола (окраина с. Нащёково). Средний продольный уклон долины р. Обь составляет 0,085 %о (расчёт по средним уровням воды р. Обь у п. Победа и с. Никольское), уклон поверхности грунтовых и болотных вод по поперечному профилю долины -ориентировочно 0,49 % (по разнице отметки поверхности границы болота и суходола и среднего уровня воды в р. Обь).
о
рс
-ъ
в
I
»II
Расстояние от условной точки на правом берегу, м
Рис. 2. Профиль долины р. Оби и Обского болота у с Мель-никово: Z - высотная отметка твёрдой поверхности [5]; В - оценочное положение минерального дна Обского болота (расчёт по средней толщине торфяной залежи); I - средний уровень водыы в р. Оби у с. Победа [2]; II - средний уровень подземных вод в режимной скважине 63р (2аQ+ РМ) в с. Мельниково [2]
При определении гидрохимических и геохимических показателей использовались следующие методы: удельная электропроводность % - кондукто-метрический; pH и ЕЬ - потенциометрический; 8042-, С1- - ионная хроматография; Са2+, НС03-, бихроматная окисляемость (Б.О.), фульво- (ФК) и гуминовые (ГК) кислоты, перманганатная окисляемость (П.О.), растворённый углекислый газ - ти-триметрический; КН4+, N0^, N0^, Р043-, 81 - фотометрический; №+, К+, А1, Li - атомная абсорбция и атомно-эмиссионная спектрометрия; Zn, РЬ, Сё, Си - инверсионная вольтамперометрия и атомно-эмиссионная спектрометрия [9]. Анализ гидрохимических данных на наличие экстремальных значений проведён согласно [8].
Результаты исследования и их обсуждение
Наиболее подробное исследование химического состава вод Обского болота, его пространственной изменчивости в районе с. Мельниково выполнено в ноябре 2012 г., когда были отобраны пробы из деятельного горизонта Обского болота на незагрязнённом (фоновом) участке у с. Нащёково, в створе выпуска сточных вод ЖКХ с. Мельниково и вдоль дороги с. Мельниково - с. Старая Шегарка, а также точные воды ЖКХ с. Мельниково (табл. 1). Болотные воды фонового участка Обского болота в этот период характеризовались как пресные с повышенной минерализацией, гидрокарбонатные кальциевые, жёсткие, нейтральные, с окислительной обстановкой (по классификациям О.А. Алёки-на [10], требованиям [11, 12]), сточные воды и болотные воды в зоне влияния выпуска сточных вод - как солоноватые, гидрокарбонатные натриевые, жёсткие, слабощелочные и нейтральные, с преимущественно восстановительной обстановкой (в створе II - с переходной или окислительной). Во всех случаях болотные и сточные воды содержат значительное количество органических и биогенных веществ, железа (табл. 1), что позволяет их отнести к поли- и гиперсапробным, гипер-трофным.
По характеру изменения по мере удаления от выпуска и границы болота и суходола выделяются три основные группы веществ: 1) хорошо выраженное изменение в обоих створах (Б.О., П.О., БПК5, нефтепродукты - уменьшение; Li, Са2+, М§2+ - увеличение); 2) однозначное изменение в одном из створов и скачкообразное - в другом (сумма главных ионов, 81, NH4+, НС03-, С1-, №+, Р043-, Си, ГК, ФК - уменьшение; А1 - увеличение в створе выпуска сточных вод); 3) скачкообразное изменение в обоих створах (рН, Fe, С02, К+, 8042-, N0^, N0^, F-, Zn, РЬ).
При этом необходимо отметить, что, во-первых, наиболее заметное уменьшение значений физикохимических и гидрохимических показателей в большинстве случаев отмечено в створе II, расположенном в 400 м ниже (по уклону долины р. Обь) выпуска хозяйственно-бытовых сточных вод (МУП «Ком-хоз»). Во-вторых, более или менее резкие колебания веществ из второй и третьей групп отмечаются на границе тростникового и берёзово-тростникового биогеоценозов или в пограничной полосе с преимущественно древесной растительностью. В-третьих, анализ регрессионных моделей изменения ряда гидрохимических показателей в створе II показал, что самоочищение загрязнённых болотных вод до фоновых значений, определённых на незагрязнённом участке Обского болота в это же время, ориентировочно достигается на расстоянии: нефтепродукты -220.250 м; БПК5, Р043-, NH4+ - 300.320 м; минерализация и бихроматная окисляемость - 550.600 м.
Обобщение данных, полученных в 2012 г., с материалами ранее выполненных исследований [2, 13, 14] показало, что воды низинного Обского болота по химическому составу и минерализации на незагрязнённых участках занимают промежуточное положение между подземными и речными водами (с учётом значительно более высокого уровня содержания органических веществ и продуктов их трансформации), а болотные воды на загрязнённых участках - между подземными, сточными и незагрязнёнными водами (табл. 2). Критерием явного загрязнения болотных вод могут считаться: сумма главных ионов Еш>1000...1100 мг/дм3; Ш+>170...180 мг/дм3; С1->120...140 мг/дм3; МН4+>5...7 мг/дм3; Р043->0,5 мг/дм3; БПК5>5..8 мгО^дм3; Б.О.>190...200 мг0/дм3; П.О.>40 мг0/дм3; нефтепродукты^^ мг/дм3; фенолы>0,03 мг/дм3.
Сравнение данных о химическом составе болотных вод вдоль дороги Мельниково-Старая Шегарка 29.09.2002 г. [2, 13, 14] и 16.11.2012 г. позволило сделать вывод о существенной временной изменчивости как содержаний ряда веществ в стоках, так и характера их трансформации в болотных водах (рис. 3), что, возможно, связано с различным водным и термическим режимом Обского болота. В частности, летний период 2012 г. был значительно более засушливым и отличался пониженными уровнями болотных и речных вод в регионе. Тем не менее, эффективное самоочищение болотных вод в полосе шириной около 200 м от границы болота и
Таблица 1. Физико-химические и гидрохимические показатели вод Обского болота и хозяйственно-бытовых сточных вод, поступающих в Обское болото в с. Мельниково в ноябре 2012 г.
Показатель Единицы измерения Стоки ЖКХ с. Мельниково Обское болото у с. Мельниково (расстояние от суходола в сторону р. Обь, м) Обское болото с. Нащёково (фон)
створ выпуска стоков ЖКХ с. Мельниково вдоль дороги Мельниково-Старая Шегарка
110 220 300 120 200 300
рн - 7,54 7,48 7,68 7,63 7,4 7,7 7,6 7,3
С02 мг/дм3 17,6 20,24 26,4 22 52,8 35,2 22 30,8
^ги мг/дм3 1418,9 1425,4 1461,7 1477,2 1486,2 1361,0 1103,0 580,5
Са2+ мг/дм3 80,0 76,0 102,0 104,0 90,0 106,0 123,0 108,0
Мд2+ мг/дм3 26,8 26,8 25,6 24,4 26,1 29,9 32,3 21,2
№+ мг/дм3 218,0 237,0 218,0 216,0 244,8 219,6 152,6 11,1
К+ мг/дм3 20,9 21,1 21,1 25,8 23,6 21,0 12,8 1,6
НС03- мг/дм3 920,0 854,0 888,0 950,0 927,0 793,0 622,0 433,0
СІ- мг/дм3 142,0 160,0 156,0 149,0 167,0 177,5 150,9 3,5
5042- мг/дм3 11,2 50,5 51,0 8,0 7,7 14,0 9,3 2,1
|\|Н4+ мг/дм3 78,00 62,40 46,80 63,18 74,00 37,00 1,05 0,10
1\Ю2- мг/дм3 0,005 0,005 0,060 0,055 0,005 0,005 0,025 0,012
1\Ю3- мг/дм3 0,41 0,40 0,26 0,29 0,31 0,20 3,67 0,19
Р043- мг/дм3 28,00 18,20 24,50 36,40 30,80 7,70 0,46 0,154
БІ мг/дм3 23,45 20,97 16,69 18,79 21,54 18,59 13,33 8,17
БПК5 мгО2/дм3 8,35 8,38 8,13 7,66 7,99 7,84 0,84 1,08
Б.О. мгО/дм3 204,0 104,1 101,6 82,7 102,9 68,8 56,6 13,8
П.О. мгО/дм3 31,30 34,40 17,60 16,70 12,56 8,48 4,88 1,92
ГК мг/дм3 6,99 9,37 0,34 0,02 2,19 0,54 0,17 0,34
ФК мг/дм3 38,65 73,26 10,95 28,97 28,8 17,78 5,02 20,79
Нефтепродукты мг/дм3 3,080 2,950 1,280 0,330 0,080 0,032 0,014 0,028
Г- мг/дм3 0,22 0,24 0,24 0,21 0,25 0,21 0,22 0,28
АІ мг/дм3 0,083 0,111 0,256 0,312 0,071 1,020 0,022 0,099
Гвобщ мг/дм3 2,89 0,65 8,72 2,01 0,62 5,78 0,27 1,13
и мкг/дм3 6,0 6,0 6,5 8,0 0,5 4,5 6,2 4,0
Си мкг/дм3 3,4 3,1 1,4 1,1 0,6 2,0 1,0 1,0
Zn мкг/дм3 30,0 45,0 7,5 7,3 2,1 12,0 2,0 2,3
РЬ мкг/дм3 0,92 0,98 0,22 0,38 0,22 2,30 0,10 0,39
Примечание: % - удельная электропроводность; Еги - сумма главных ионов; Б.О. - бихроматная окисляемость; П.О. - перман-ганатная окисляемость; БПК5 - биохимическое потребление кислорода за пять суток; ГК - гуминовые кислоты; ФК - фульвоки-слотыы.
суходола отмечено и в 2002, и в 2012 г., причём в пределах первых 100.150 м возможно даже некоторое увеличение минерализации и концентраций некоторых веществ (по сравнению со сточными водами на момент обследования).
2002 г. -2012 г.
Расстояние от суходола, м
Рис. 3. Изменение концентраций ЫН4+ в болотных водах в створе II (вдоль дороги Мельниково~Старая Шегар-ка) 29.09.2002 г. и 16.11.2012 г.
Заключение
Установлены средние уровни содержания главных ионов, микроэлементов, органических и биогенных веществ в водах Обского болота на его естественных и загрязнённых участках (в районе выпуска хозяйственно-бытовых сточных вод административного центра Шегарского района Томской области - с. Мельниково). Наиболее типичными загрязняющими веществами, сбрасываемыми в Обское болото, являются растворённые соли, нефтепродукты, NH4+, Р043-, органические вещества по Б.О., П.О. и величине БПК5.
В пределах загрязнённых участков: 1) выделены группы гидрохимических и физико-химических показателей с различными тенденциями пространственных изменений (или их отсутствием); 2) по мере удаления от выпуска сточных вод отмечено снижение минерализации, Б.О., П.О, БПК5, концентраций соединений азота фосфора, нефтепродуктов, 81, металлов; различия в изменении гидро-
Таблица 2. Средние многолетние значения физикохимических и гидрохимических показателей болотных и речных вод у с. Мельниково, подземных вод в южном Приобье Томской области (с. Мельниково, Кожевниковский район)
Показатель Ед. измерения Обское болото с. , о .о m ^ О ок m s 1 Ü о 2 р. Обь - п. Победа Подземные воды в южном Приобье (палеогеновый водоносный горизонт)
незагрязнённые участки загрязнённые участки
рн ед. рН 7,24 7,41 7,71 7,97 7,31
1 мкС/см 170,3 1810,8 1977,0 205,6 -
ги мг/дм3 552,9 1198,5 1372,8 185,0 638,2
Са2+ мг/дм3 94,0 118,3 106,8 32,8 89,9
Мд2+ мг/дм3 18,3 30,0 40,3 6,2 20,6
№+ мг/дм3 18,0 107,3 72,7 6,7 44,7
К+ мг/дм3 2,6 10,5 7,0 1,1 1,9
НС03- мг/дм3 405,4 771,3 1056,7 121,4 450,2
С1- мг/дм3 8,3 140,4 125,7 3,3 18,8
Б042- мг/дм3 1,6 20,8 20,4 13,5 6,2
1\1Н4+ мг/дм3 3,01 45,26 66,11 0,26 0,57
1\Ю2- мг/дм3 0,014 0,144 0,011 0,022 0,022
\103- мг/дм3 0,40 2,95 0,45 0,75 0,624
Р043- мг/дм3 0,15 18,89 15,22 0,04 0,315
Б1 м^/дм3 8,17 18,32 23,45 2,56 19,39
БПК5 мгО2/дм3 1,08 76,74 125,45 2,82 -
Б.О. мгО/дм3 99,6 306,2 332,6 12,0 <4,0
П.О. мгО/дм3 25,93 15,77 31,30 3,85 2,17
ГК мг/дм3 0,34 2,11 6,99 0,68 -
ФК мг/дм3 20,79 27,46 38,65 3,74 -
Нефтепро- дукты мг/дм3 0,03 0,47 1,03 0,04 0,05
Фенолы мг/дм3 - 0,0175 0,0470 0,0009 0,0090
СПАВ мг/дм3 - 0,22 0,38 0,01 -
мг/дм3 0,28 0,23 0,14 0,24 0,26
А1 мг/дм3 0,099 0,299 0,083 0,056 -
^общ мг/дм3 0,616 3,036 4,120 0,326 1,990
и мкг/дм3 4,0 5,3 6,0 7,0 -
Си мкг/дм3 1,0 1,5 3,4 7,0 7,7
Zn мкг/дм3 2,3 12,7 30,0 1,9 24,3
РЬ мкг/дм3 0,4 0,7 0,9 0,4 0,8
Количество проб - 3...4 12 4 15.22 6.9
Примечание: СПАВ - синтетические поверхностно-активные вещества.
химических показателей по территории болота, выявленные в сентябре 2002 и ноябре 2012 гг., возможно, связаны с замедлением биохимических и гидрохимических процессов при отрицательной температуре атмосферного воздуха; 3) зафиксировано увеличение концентраций Са2+, М§2+, А1 и изменение гидрохимического типа вод (с гидрокарбонатного натриевого на гидрокарбонатный кальциевый) по мере удаления от выпуска сточных вод.
В целом и загрязнённые, и незагрязнённые воды Обского болота характеризуются нарушением предельно допустимых значений (для объектов хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного назначения) по величине бихроматной и пермангана-тной окисляемости, содержанию Fe, NH4+, PO43-, нефтепродуктов. Самоочищение загрязнённых болотных вод до фоновых значений достигается на расстоянии от выпуска сточных вод: 400 м и более вниз по течению р. Обь (по продольному профилю) и от 220 до 600 м и более от границы болота и суходола по поперечному профилю долины р. Обь.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 11-05-93112-НЦНИЛ_а и ГК № 11.519.11.6044 ГК № 11.519.11.6044), Госзадания «Наука» № 5.4573.2011.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bazanov V.Á., Berezin A.E, Savichev O.G., Skugarev A.A. The phytoindication method for mapping peatlands in the taiga zone of the West-Siberian Plain // International Journal of Environmental Studies. - 2009. - V. 66. - № 4. - P. 473-484.
2. Савичев О.Г. Водные ресурсы Томской области. - Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2010. - 248 с.
3. Львов Ю.А. Болотные ресурсы // в кн.: Природные ресурсы Томской области / под ред. И.М. Гаджиева и А.А. Земцова. -Новосибирск: Наука, 1991. - С. 67-75.
4. Торфяные месторождения Томской области / под ред. Я.Н. За-дуницкого, И.И. Казакова, В.Д. Маркова. - М.: Геолторфраз-ведка, 1971. - 306 с.
5. Льготин В.А., Савичев О.Г. Проблемы определения границ водоохранных зон водных объектов // Вода: химия и экология. -2008. - № 9. - C. 3-6.
6. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 8. Гидрометеорологические наблюдения на болотах / под ред. С.М. Новикова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 360 с.
7. Вода. Общие требования к отбору проб. ГОСТ Р 51592-2000. -Госстандарт России, 2000. - 31 с.
8. РД 52.24.622-2001. Методические указания. Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков. - М.: Федер. служба России по гидрометеор. и монитор. окруж. среды, 2001. - 68 с.
9. Зарубина Р.Ф., Копылова Ю.Г., Зарубин А.Г Анализ и улучшение качества природных вод: в 2-х ч. Ч. 1. Анализ и оценка качества природных вод. - Томск: Изд-во Томск. политехн. унта, 2007. - 168 с.
10. Алёкин О.А. Основы гидрохимии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 444 с.
11. Показатели состояния и правила таксации рыбохозяйственных водных объектов. ГОСТ 17.1.2.04-77. - М.: Изд-во стандартов, 1977. - 17 с.
12. Молчанова Я.П., Заика Е.А., Бабкина Э.И., Сурнин В.А. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды / под ред. ТВ. Гусевой. - М.: Изд-во «ФОРУМ», 2007. - 192 с.
13. Льготин В.А., Савичев О.Г. Оценка допустимых сбросов загрязняющих веществ в болота Томской области // Водоснабжение и санитарная техника. - 2007. - № 5. - С. 33-38.
14. Савичев О.Г. Химический состав болотных вод на территории Томской области (Западная Сибирь) и их взаимодействие с минеральными и органоминеральными соединениями // Известия Томского политехнического университета. - 2009. -Т. 314. - №1. - С. 72-77.
Поступила 25.01.2013 г.
