CC BY
10УДК 556.182
ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ИСЕТСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
© 2014 г. О.С. Ушакова, А.Н. Третьякова
ФГУП «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», г. Екатеринбург
Ключевые слова: Исетское водохранилище, качество воды, донные отложения, биогенные вещества, соединения металлов.
О.С. Ушакова А.Н. Третьякова
Представлены результаты определения содержания биогенных веществ и соединений металлов в донных отложениях Исетс-кого водохранилища. Выявлены отличия химического состава донных отложений прогреваемой области и области с естественным тепловым режимом. Обнаружены изменения химического состава донных отложений по сравнению с 1983-1986 гг.
В настоящее время Исетское водохранилище испытывает большую антропогенную нагрузку. На берегах водоема расположено несколько населенных пунктов: г. Среднеуральск, пос. Мурзинка, Коптяки, Исеть. По берегам юго-западной и юго-восточной частей водоема размещено несколько детских оздоровительных лагерей и баз отдыха с капитальными строениями и пирсами для катеров и лодок. Большую часть территории западного берега занимает гранитный карьер. По водосборной территории проходят крупная автомобильная трасса - Серовский тракт и железнодорожная северная ветка. Главное назначение Исетского водохранилища - прием и охлаждение теплых вод, поступающих из теплообменников Среднеуральской гидроэлектро станции (Среднеуральская ГРЭС). Вдоль канала, по которому сбрасываются теплые воды на охлаждение, расположен старый рекультивированный золоотвал. В самом канале - садковое рыбное хозяйство. В настоящее время водоем также активно используется местным населением для рекреационных целей.
Вещества, поступающие в водоем с водосборной территории, осаждаясь, участвуют совместно с другими факторами в формировании донных отложений, которые являются составной частью водной экосистемы и нахо-
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
дятся в непрерывной взаимосвязи с водной толщей. Они представляют собой сложную многокомпонентную систему, которая в зависимости от складывающихся в водоеме условий, от сорбционных свойств самих отложений и от свойств поступающих в воду веществ может быть аккумулятором химических соединений и источником их вторичного поступления в воду.
Цель исследования - оценка влияния донных отложений на формирование качества воды Исетского водохранилища. В данном сообщении представлены результаты исследования химического состава донных отложений водоема, позволяющие в перспективе планировать лабораторные эксперименты по оценке поступления ингредиентов из них в водное тело водоема. Проведен сравнительный анализ химического состава донных отложений, отобранных из водохранилища в 1983-1986 и 2011 гг.
Объект и методы исследования
Материалом для исследования послужили донные отложения из Исетского водохранилища. Места отбора проб донных отложений (5 точек) выбраны с учетом различной закономерности их распределения и перемещения по водоему (рис. 1, табл. 1).
Участки 3 и 5 наиболее подвержены тепловому воздействию Средне-уральской ГРЭС. Донные отложения со всех участков были отобраны дно-черпателем Петерсона (поверхностный, наиболее активный слой) методом «конверта». Отобранные пробы донных отложений анализировали на содержание компонентов, по которым возможно вторичное загрязнение в конкретных условиях исследуемого водоема. Содержание компонентов определяли по методикам, указанным в табл. 2.
Выявленные закономерности сравнивали с данными 1986 г., опубликованными в отчете [1]. Определение концентрации азота общего, фосфора общего в 1986 г. проводили по методикам, аналогичным вышеприведенным, содержание минеральных веществ, валовое содержание соединений
Таблица 1. Расположение точек отбора донных отложений Исетского водохранилища
Участок Описание Координаты
1 Предплотинный участок к северу от о. Красненький N 56.972492° Е 60.395179°
2 Центр водохранилища напротив г. Среднеуральск N 56.991807° Е 60.413375°
3 Участок напротив водозабора Среднеуральской ГРЭС N 57.001765° Е 60.44805°
4 Участок за Соловецкими островами N 57.001532° Е 60.403075°
5 Участок возле мыса Еловый напротив водосбросного канала ГРЭС N 57.024757° Е 60.42419°
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
Рис. 1. Схема расположения точек отбора донных отложений Исетского водохранилища.
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
Таблица 2. Методики измерений компонентов донных отложений Исетского озера
Компонент Методика измерений
Содержание минерального вещества* ПНД Ф 16.2.2:2.3:3.29-02
Азот общий ГОСТ 26107-84
Азот аммонийный ПНД Ф 16.2.2:2.3:3.30-02
Фосфор общий ГОСТ 26261-84
Валовое содержание соединений железа, марганца, кальция, магния, натрия РД 52.18.685-2006
Валовая и водорастворимая формы соединений меди, цинка, кадмия, свинца, ртути ПНД Ф 16.1:2.2:2.3.48-06
* Примечание: содержание органических веществ определялось по разнице общего содержания солей и концентрации минеральных веществ.
Таблица 3. Содержание компонентов в донных отложениях Исетского озера по данным 1986 г., в мг/кг
Участок Органическое вещество, % Фосфор общ. Азот общ. Валовое содержание соединений
железа марганца меди цинка кадмия
1 35,20 640 9630 22 750 570 70 210 7
2 15,44 440 2190 20 210 560 50 140 4
3 31,54 580 5780 24 550 590 60 140 10
4 29,72 1000 7040 46 280 600 80 110 10
5 17,47 1360 9600 24 810 560 130 160 10
железа, марганца, меди, цинка, кадмия и свинца выявляли в идентичных условиях, описанных в соответствующих методиках. Концентрации ингредиентов, определяемых в 1986 г., приведены в табл. 3.
Химический состав донных отложений Исетского водохранилища
Донные отложения Исетского водохранилища имеют илистую тонкодисперсную структуру. В точке 1 (приплотинный участок) - сапропеле-подобную структуру и запах сероводорода. В других точках отложения подобных свойств не имели, были илистыми с примесью песка, цвет во всех точках отбора темно-серый.
Отобранные пробы донных отложений характеризуются высоким содержанием органического вещества (30-40 %) и сравнительно низкой
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
%
100 а
90 80 70 60
50
40
30
20
10
1 2 3 4 5 Точка отбора
%
100 б
90 80 70 60
50
40
30
20
10
2 3 4 5 Точка отбора
Рис. 2. Массовая доля органического вещества (а) и золы (б) в донных отложениях в различных точках Исетского водохранилища.
минерализацией (содержанием золы). Максимальное содержание органического вещества (37,5 %) характерно для донных отложений, отобранных в точке 1. Минимальное (31,3 %) - для отложений в точке 3, приближенной к г. Среднеуральску (рис. 2). По данным 1983-1986 гг. прослеживалась аналогичная тенденция: на участках водоема, подверженных влиянию теплых вод, в донных отложениях наблюдалось меньше органических веществ, чем на участках с естественным режимом. Однако содержание органических веществ в донных отложениях 30 лет назад было заметно ниже - от 15,44 до 33,84 % [1].
Максимальное содержание азота общего характерно для донных отложений, отобранных в точках 1 и 3 (2500 мг/кг), минимальное 1500 мг/кг - в точке 5 (рис. 3а). В исследованиях 1983-1986 гг. прослеживалась аналогичная тенденция: в илах с естественным режимом концентрация азота выше, чем в тепловодных участках. Концентрация общего азота в 1983-1986 гг. в донных отложениях значительно выше - 9000 мг/кг [1].
В настоящее время содержание аммонийного азота составляет 0,4-2,2 % от концентрации общего (рис. 3б).
В донных отложениях Исетского водохранилища отмечены высокие концентрации валового фосфора (20 000-31 000 мг/кг) (рис. 4а). В исследованиях 1983-1986 гг. концентрации валового фосфора значительно ниже
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
0
0
1
мг/кг мг/кг
3000 а 40 б
2500
2000
1500
1000
500
35 30 25 20
10
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Точка отбора Точка отбора
Рис. 3. Содержание азота общего (а) и азота аммонийного (б) в донных отложениях в различных точках Исетского водохранилища.
0
440-2920 мг/кг. Максимальные значения концентраций валового фосфора в 2011 г. характерны для зоны теплового воздействия, что также отмечено в исследованиях 1983 - 1986 гг. [1].
Согласно данным отчета ФГБУ Государственного гидрологического института [2], содержание валового фосфора выше кларкового значения для осадочных пород (0,077 % от их сухого веса) говорит о процессе накопления соединений фосфора в донных отложениях.
Многие исследователи указывают на тесную взаимосвязь обмена соединений фосфора и железа в водоемах [3, 4]. При высоких рН железо выпадает в виде гидроокиси и депонируется в донных отложениях. Гидроксиды железа обладают сорбционными свойствами и играют важную роль в самоочищении водоемов. С фосфором железо образует в аэробных условиях нерастворимый фосфат железа. Железо обладает высокой комплексообра-зующей способностью с органическими лигандами, но основные формы присутствия железа в водах - взвешенные и коллоидные [5]. Валовое содержание соединений железа в исследуемых донных отложениях составляет 10 000-28 025 мг/кг (рис. 4б). Максимальные концентрации соединений железа обнаружены в прогреваемой части водоема - точки 3 и 5. В точках на непрогреваемой части водоема по сравнению с 1986 г. концентрация соединений железа снизилась, в точках прогреваемого участка концентрация этого компонента незначительно выросла либо осталась на прежнем уровне.
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
мг/кг
35 ООО а
30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5000
Точка отбора
мг/кг 30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5000
Точка отбора
Рис. 4. Валовое содержание общего фосфора (а) и соединений железа (б) в донных отложениях, взятых в различных точках Исетского водохранилища.
б
0
0
Другим распространенным сорбентом веществ в донных отложениях является гидроскид марганца. Процессы круговорота ряда элементов воды и донных отложений связаны с гидроксидами железа и марганца, являющимися хорошими адсорбентами элементов из водных растворов вследствие высоких отрицательных значений заряда, большой удельной поверхности частиц и высокой емкости катионного обмена.
Прослеживается тенденция повышения валового содержания соединений марганца в донных отложениях в прогреваемых частях водоема (рис. 5а). Содержание его в донных отложениях Исетского водохранилища в настоящее время в точках 3 и 5 (680-700 мг/кг) выше, чем в непрогре-ваемой части водоема (200-450 мг/кг). Согласно данным 1986 г., валовая концентрация соединений этого компонента колебалась от 560 до 640 мг/кг, существенной разницы между прогреваемым участком и участком с естественным режимом выявлено не было [1]. В настоящее время в непрогре-ваемых частях водоема концентрация соединений марганца в седиментах снизилась, а в прогреваемых - повысилась (по сравнению с 1986 г.).
Донные отложения Исетского водохранилища характеризуются высокими валовыми концентрациями соединений меди. Содержание валовой формы соединений меди превышает ориентировочно допустимую концентрацию (ОДК) в почвах (132 мг/кг) [6] в три раза в точке 1; в 3,3 раза в точках 2 и 4; в пять раз в точках 3 и 5 (рис. 5б). Водорастворимых форм соединений
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
мг/кг 800
700
600
500
400
300
200
100
0
I
мг/кг 700
600
500
400
300
200
100
0
1 2 3 4 5 Точка отбора
1 2 3 4 5 Точка отбора
мг/кг 800 700 600 500 400 300 200 100 0
1 2 3 4 5 Точка отбора
Рис. 5. Валовое содержание соединений марганца (а), меди (б) и цинка (в) в донных отложениях в различных точках Исетского водохранилища.
меди в донных отложениях не обнаружено, следовательно, этот металл находился в основном в связанном состоянии.
В 1986 г. концентрация соединений меди в донных отложениях в целом была намного ниже: до 130 мг/кг в прогреваемой части, 50-70 мг/кг в не-прогреваемой части.
Прочность связей ионов цинка с донными отложениями меньше, чем у меди, что характеризует цинк как более подвижный элемент [5]. В 2011 г. валовое содержание соединений цинка в донных отложениях превышает ПДК в почвах (220 мг/кг) [7] в два раза в точках 1 и 2; в шесть раз в точках 3 и 5 (рис. 5в). Водорастворимых форм соединений цинка в донных отложениях не обнаружено, следовательно, этот ион находился в основном в связанном состоянии. В 1986 г. валовая концентрация соединений цинка в донных отложениях Исетского водохранилища была ниже 110-200 мг/кг. Определенных закономерностей в распределении соединений этого металла по акватории в 1986 г. выявлено не было.
В донных отложениях водоема также были обнаружены соединения кадмия, ртути и свинца (рис. 6). Валовое содержание соединений кадмия превышало ОДК (2 мг/кг для почв) [6] в отложениях, отобранных в точках 1 и 5. Водорастворимых форм соединений кадмия не обнаружено. По данным 1986 г. валовая концентрация соединений кадмия в седиментах была значительно выше современного уровня: 4-10 мг/кг, максимальные концентрации были приурочены к прогреваемым участкам.
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
в
а
мг/кг 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
1 2 3 4 5 Точка отбора
мг/кг 1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2
2 3 4 5 Точка отбора
мг/кг 70
60
50
40
30
20
10
0
1 2 3 4 5 Точка отбора
Рис. 6. Содержание соединений кадмия ( а), ртути ( б) и свинца ( в) в донных отложениях в различных точках Исетского водохранилища.
Валовое содержание соединений ртути было повышенным только в седиментах, отобранных в точках 1 и 5, но не превышало ПДК (2,1 мг/кг) в почвах [7] (рис. 6б). Валовое содержание соединений свинца не превышало ОДК во всех точках (130 мг/кг для почв) [6]. Водорастворимые формы соединений свинца не обнаружены. В 1986 г. соединения свинца в донных отложениях Исетского водохранилища также не были отмечены.
мг/кг а 30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5000
0
1 2 3 4 5 Точка отбора
мг/кг б 14 000 12 000 10 000 8000 6000 4000 2000 0
1 2 3 4 5 Точка отбора
мг/кг 25 000
20 000
15 000
10 000
5000
0
1 2 3 4 5 Точка отбора
Рис. 7. Валовое содержание кальция (а), магния (б) и натрия (в) в донных отложениях в различных точках Исетского водохранилища.
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
б
Магний, кальций и натрий являются одними из основных компонентов ионного состава природных вод. Вследствие слабой растворимости солей кальция они выпадают в осадок. Их осаждению способствует высокая температура воды [5]. В зоне теплового воздействия в донных отложениях обнаружены высокие валовые концентрации соединений кальция (рис. 7а) и магния (рис. 7 б). В этой же зоне отмечено высокое содержание ионов натрия в донных отложениях (рис. 7в).
Заключение
Как показали исследования, донные отложения Исетского водохранилища характеризуются высоким содержанием органического вещества, соединений азота, фосфора, железа и марганца. Отмечено превышение ПДК тяжелых металлов для почв (медь, цинк, кадмий, свинец). Однако эти металлы находятся в связанном состоянии, концентрация их водорастворимых форм ниже предела обнаружения. В соответствии с [8] донные отложения Исетского водохранилища во всех точках принадлежат к IV классу, а именно - считаются опасно загрязненными соединениями меди. В соответствии с [9] донные отложения классифицируются по суммарному показателю (СПЗ) как умеренно-опасные в точках 1-4 и опасные в точке 5. Основная доля загрязнения вносится соединениями меди, кадмия и цинка.
Химический состав донных отложений в зоне, подверженной тепловому воздействию (точки 3 и 5), отличается от донных отложений, взятых в зоне нормального теплового режима (точки 1, 2 и 4). В точках 3 и 5 обнаружены повышенные концентрации фосфора общего, соединений железа, тяжелых металлов, а также кальция и магния.
По сравнению с данными 1983-1986 гг. также обнаружено изменение химического состава отложений. Концентрация азота общего в настоящее время ниже, чем в 1980-е годы, а концентрация общего фосфора, напротив, значительно повысилась. Также произошло повышение валовой концентрации соединений натрия, магния, кальция, меди и цинка. Повышение валовой концентрации соединений железа и марганца отмечено только в прогреваемой зоне (точки 3 и 5), в остальных исследованных точках обнаружено снижение содержания соединений этих компонентов по сравнению в 1986 г.
По данным 1986 г. закономерностей в распределении тяжелых металлов в донных осадках Исетского водохранилища не отмечено. В представленных исследованиях выявлено, что в прогреваемой зоне повышены валовые концентрации соединений железа, марганца, цинка, меди, а также кальция, магния и натрия.
Донные отложения имеют слабощелочную реакцию, что снижает подвижность ионов тяжелых металлов, они характеризуются высоким содер-
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
жанием органического вещества, фосфора, соединений железа и марганца. Это указывает на высокую способность донных отложений к сорбированию соединений металлов и снижает вероятность вторичного загрязнения водной толщи при отсутствии резких изменений состава воды. Высокое содержание соединений железа и кальция приводит к удержанию соединений фосфора в донных отложениях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разработка прогноза качества воды водохранилищ-охладителей системы Свердловэнерго
и рекомендации о предельно допустимых площадях на них садковых рыбных хозяйств (заключительный том 2) // Отчет по НИР / УралНИИВХ, рук. А.Н. Попов. Свердловск. 1986. С. 81.
2. Механизмы выделения и накопления азота и фосфора в донных грунтах эфтрофирующе-
гося водоема, испытывающего высокую внешнюю нагрузку // Отчет по НИР (информационный) / ГГИ, рук. Б.Г. Скакальский. Ленинград. 1991. С. 54.
3. Мартынова М.В. Донные отложения как составляющая лимнических экосистем. М.:
Наука, 2010. 243 с.
4. НахшинаЕ.П. Тяжелые металлы в системе «вода - донные отложения» водоемов // Гидро-
биологический журнал. 1985. Т. 21. № 2. С. 80-90.
5. Даувальтер В.А. Оценка токсичности металлов, накопленных в донных отложениях озер
// Водные ресурсы. 2000. Т. 27. № 4. С. 469-476.
6. ГН 2.1.7.2042-06. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ
в почве. Рег. номер 7456 от 7 февраля 2006 г.
7. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ
в почве. Рег. 7470 от 7 февраля 2006 г.
8. Нормы и критерии оценки загрязненности донных отложений в водных объектах Санкт-
Петербурга. Региональный норматив: утв. Главным государственным санитарным врачом по Санкт-Петербургу 17.06.1996 и Комитетом по охране окружающей среды и природных ресурсов Санкт-Петербурга и Ленинградской области 22.07.1996.
9. Стандарт организации СТО ФГБУ «ГГИ» 52.08.31-2012 Добыча нерудных строительных
материалов в водных объектах. Учет руслового процесса и рекомендации по проектированию и эксплуатации русловых карьеров. СПб.: Глобус, 2012. 140 с.
Сведения об авторах:
Ушакова Ольга Сергеевна, инженер, ФГУП «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов» (ФГУП РосНИИВХ), 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23; e-mail: [email protected]
Третьякова Алла Николаевна, младший научный сотрудник, сектор технического регулирования водопользования, ФГУП «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов» (ФГУП РосНИИВХ), 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23; e-mail: [email protected]
Водное хозяйство России № 5, 2014
Водное хозяйство России
