CC BY
25УДК 551.481:549.755 (571.56)
Поступление фосфатов в озера Якутска
В.Н. Макаров, А.Л. Чижук
Рассматривается распределение фосфатов в озерных водах г. Якутска. Концентрация фосфатов в городских озерах колеблется в пределах 0,042 - 3,865 мг/л. В большинстве озер содержание фосфатов превышает санитарные нормы, иногда в десятки раз. Ежегодное поступление фосфора в озера с осадками составляет от 0,24 до 2,9% всего объёма Р в озерных водах. Атмосферное поступление фосфора в озера, как правило, находится в пределах экологически допустимых нагрузок. Основной путь поступления фосфатов в озерные системы связан с поверхностным и подземным стоком.
Ключевые слова: город, озера, атмосфера, фосфаты, мерзлые породы, загрязнение.
This study examines the distribution ofphosphates in lake water in the city of Yakutsk. Phosphate concentrations in the urban lakes vary from 0.042 to 3.865 mg/L. Phosphate levels exceed the allowable limits, sometimes by tens of times, in most of the lakes. Annual atmospheric inputs of phosphorus to the lakes contribute 0.24 to 2.9% of the total P in lake water and are generally within the allowable loads. Surface and subsurface runoff is the main pathway for phosphate input into the lake systems.
Key words: city, lakes, atmospheric, phosphates, permafrost, contamination.
Фосфор - жизненно необходимый, но и сильно токсичный элемент, экологическая роль которого различна. Большое экологическое значение представляет избыточный приток подвижных и легко усваиваемых растительностью соединений фосфора в гидросферу. С одной стороны, они способствуют развитию водорослей, которые служат пищей, с другой - являются главными компонентами, ухудшающими состояние пресных озерных водоёмов, вызывающих их эвтрофирование (снижение содержания кислорода, увеличение хлорофилла, цветение) и «умирание» водоёмов, сокращение запасов пресных вод [1].
В г. Якутске и его пригородах насчитывается несколько десятков озер. Наиболее крупные из них: Сайсары (площадь 1,2 км2, глубина до 6 м), Белое (2,6 км2, глубина до 6,5 м), Ытык-Кюель (2,75 км2, глубина до 2,6 м) и др. Котловины озер в основном имеют плоское дно и слабовыраженные склоны, заросшие камышом и осокой. Наполнение озер водой происходит за счет таяния снега и частично летне-осенних дождей. В многоводные годы эти озера пополняются водами небольших рек Шестаковки и Мархинки. В гидрологическом режиме озер четко прослеживается весенний подъ-
МАКАРОВ Владимир Николаевич - д.г.-м.н., зав. лаб. ИМЗ СО РАН, mpi@ysn.ru; ЧИЖУК Алена Леонидовна -аспирант ИМЗ СО РАН, 8(4112) 39-08-77.
ем уровня со второй декады мая, наступающий на 10-15 суток позже половодья на реках.
Примерно с конца 60-х годов ХХ века, когда началось активное строительство в районе г.Якутска, проточные озерные системы были нарушены. За счет техногенного вмешательства (строительства дорог, дамб, насыпей и перепланировки территории) изменился водный и гидрохимический режим городских водоёмов.
Практически все озера, расположенные на территории г. Якутска, испытывают сильную техногенную нагрузку. Пути поступления химических элементов в водоемы города включают: выпадение из атмосферы, непосредственный сбросв водотоки и водоемы сточных вод разной степени очистки (бытовых, промышленных), подток минерализованных надмерзлотных вод. Сочетание неблагоприятных климатических факторов и относительно высокого техногенного давления на окружающую среду приводит к накоплению в природных водах большого спектра элементов загрязнителей [2].
Антропогенное влияние определило большое разнообразие химического состава воды озер города: от маломинерализованных гидрокарбонатных смешанных по составу катионов до солоноватых и соленых, преимущественно гидрокарбонатно-хлоридных. Величина общей минерализации озерных вод колеблется от 178 до 8698 мг/л. Как
правило, озерные воды щелочные, водородный показатель изменяется в пределах 7,2-9,6 рН. Величина окислительно-восстановительного потенциала озерных вод колеблется от -114 до 401 мВ, при средних значениях - около 300 мВ.
Определение фосфатов в растворимой фазе выполнено в лаборатории геохимии Института мерзлотоведения СО РАН методами капиллярного электрофореза (аналитик О.В. Шепелева), содержание фосфора в твердой фазе - в ЦГЛ ГУГГП РС(Я) «Якутскгеология» приближенноколичественным спектральным анализом. Чувствительность анализов составила:.
Соединения фосфора НРО42-, мг/л Р, мг/кг
Чувствительность анализа 0,001 100
Наибольшая концентрация растворенных солей отмечена в озерах, расположенных вблизи объектов техногенеза: в районе городской свалки (Вилюйская), птицефабрики, ГРЭС и др. (табл. 1). Вода этих озер отличается также высокой щелочностью и пониженной величиной окислительновосстановительного потенциала, иногда до отрицательных значений Eh ( -114 мВ).
В большинстве городских озер содержание фосфатов выше ПДК, максимальное превышение над санитарными нормами составляет более 73, в среднем - 20. Высокие концентрации фосфатов наблюдаются в наиболее крупных озерах: Хомустах, Сергелях, Хатынг-Юрях и др. (табл.2).
Корреляционный анализ показал, что наиболее тесные связи с фосфатами в озерных водах образуют азотистые соединения, величина коэффициента корреляции которых уменьшается в ряду: NH4+> N0^ > N0^, а также катионы (Mg2+ и Са2+) и такие токсичные микроэлементы, как F-, РЬ, А8, Си, Mg2+ и Са2+.
Ряд городских озер имеют термокарстовое происхождение. Образовались они в результате проседания грунта в местах протаивания ископаемых льдов или льдистых грунтов. Такие озера большей частью невелики по размерам и имеют округло-овальную форму. Вода термокарстовых озер, как и старичных, - щелочная, но они более минерализованы и имеют повышенное содержание фосфатов (табл. 3). Эти озера непроточные и, являясь конечными пунктами стока, служат накопителями загрязняющих веществ. Термокарстовым озерам свойственна и более восстановительная среда - величина окислительновосстановительного потенциала в среднем составляет 243 мВ.
Поступление фосфатов в озерные системы
из атмосферы можно оценить по данным мониторинга атмосферных осадков [3]. В атмосферных выпадениях содержание НР042- изменяется от 0,001 до 0,045 мг/л и в среднем составляет 0,022 мг/л. Содержание НР042- в жидких осадках в 10 раз выше, чем в твердых. Объёмы поступления фосфора с дождевыми осадками примерно на порядок выше, чем со снегом (табл. 4).
По М. Оуэнс [4], опасные (> п) и допустимые (< п) нагрузки для Р (п г/м2-год) в озерах разной глубины составляют: 5 м - 2 и 0,13; 10 м - 3 и 0,20, т.е. атмосферное поступление фосфора в городские озера в течение года находится в пределах допустимых нагрузок и только в отдельные периоды - обычно летом, превышает допустимые нагрузки, не достигая, однако, опасных (табл. 4)
На основании данных о плотности атмосферных выпадений фосфора рассчитана величина его поступления из атмосферы на поверхность крупных озер города, которое составляет 0,24 -2,9% от общего количества фосфора в воде озер (табл. 5).
Другим источником поступления фосфатов в озерные системы является поверхностный и подземный (надмерзлотный) сток. Концентрация растворимых и связанных фосфатов в многолетнемерзлых породах и почвогрунтах сезонно-талого слоя (СТС) приведена в табл. 6.
В многолетнемерзлых породах в интервале глубин 5-10 м концентрация фосфатов в растворимой фазе остается постоянной - 0,005 мг/л, содержание фосфора в твердой фазе изменяется в интервале 500 - 1500 мг/кг и в среднем составляет 1030 мг/кг.
В почвогрунтах СТС (0,0—1,5 м) концентрация фосфатов в растворимой фазе колеблется в широких пределах: от 0,005 до 0,854 мг-экв, в среднем
0,053 мг-экв (0,0164 мг-экв Р). Содержание фосфора в твердой фазе изменяется от 700 до 1000 мг/ кг и в среднем составляет 885 мг/кг.
Результатом техногенного преобразования зоны гипергенеза г. Якутска на протяжении 300-350-летнего периода функционирования центральной части города явилось увеличение концентрации подвижных форм фосфатов в почвогрунтах СТС, примерно, на порядок по сравнению с многолетнемерзлыми породами, не затронутыми техногенезом (табл. 6).
Основным источником поступления фосфатов в водоемы является поверхностный сток, формируемый за счет аварийных стоков из канализационных систем, несанкционированной мойки машин, а также различной хозяйственно-бытовой деятельности, т.к. фосфорные соединения входят
Таблица 1
Статистические параметры распределения фосфатов в озерных водах
Статистические параметры
Содержание НРО42', мг/л минимальное 0,08
максимальное 7,91
среднее (арифметическое) 1,04
среднее (геометрическое) 0,88
Дисперсия 1,97
Среднее отклонение 0,90
Стандартное отклонение (среднее квадратичное отклонение) 1,40
Коэффициент вариации 135,5
Доверительный интервал для коэффициента вариации: от - до 91,00-268,3
Статистические ошибки определения средней величины 0,22
Коэффициент ассиметрии 3,38
Эксцесс 14,81
Таблица 2
Содержание фосфора в воде крупных озер г. Якутска, мг/л
Озеро Площадь, км2 Глубина (макс/средн), м НРО42- Р
Белое 2,58 6,5/2,89 0,575 0,186
Сайсары 1,2 6,0/2,15 0,374 0,121
Сергелях 0,9 2,0/0,88 0,102-2,437 0,033- 0,787
Хатынг-Юрях 0,83 3,0/1,1 0,864 0,279
Теплое 0,11 2,0/0,8 0,241-0,832 0,078- 0,269
Ытык-Кюель 2,75 2,6/1,5 3,065 0,990
Среднее в воде озер 1,021 0,326
Таблица 3
Распределение фосфатов в озерах различного генетического типа, мг/л
Тип озер рН Е^ мВ Общая минерализация НРО42- Р
Старинные 8,18 342 949,1 0,70 0,226
Термокарстовые 8,10 243 3655,2 1,005 0,325
Таблица 4
Содержание и объёмы атмосферных выпадений соединений фосфора на земную поверхность
Параметры рН ЕС, mS/см нро42-, мг/л Р, мг/л нро42-, мг/м2 /год Р, мг/м2 /год
Среднее 7,18 40,0 0,203 0,066 11,039 3,57
Минимальное 6,60 10,0 0,001 0,003 0,013 0,0042
Максимальное 7,80 80,0 1,538 0,496 98,450 31,80
Дождь 7,02 40,0 0,398 0,128 23,405 7,56
Снег 7,31 40,0 0,041 0,013 0,735 0,24
Таблица 5
Объёмы фосфора в воде озер г. Якутска и выпадение фосфора из атмосферы
Озеро Площадь, км2 Глубина (макс/средн), м Содержание Р, мг/л Кол-во Р в воде озера, кг Поступление Р из атмосферы, кг/год - %
Белое 2,58 6,5/2,89 0,186 1387 9,29 - 0,7
Сайсары 1,2 6,0/2,15 0,121 312 4,32 - 1,4
Сергелях 0,9 2,0/0,88 0,143 113 3,24 - 2,9
Хатынг-Юрях 0,83 3,0/1,1 0,279 255 2,99 - 1,2
Теплое 0,11 2,0/0,8 0,271 24 0,40 - 1,7
Ытык-Кюель 2,75 2,6/1,5 0,990 4084 9,90 - 0,24
Таблица 6
Концентрация фосфатов в многолетнемерзлых породах и сезонно-талом слое, мг/л
Интервал глубин, м Растворимая фаза, мг-экв Твердая фаза, мг/кг
НРО/' Р Р
Сезонно-талый слой (0,0-1,5 м)
Среднее 0,053 0,0171 885
От - до 0,005-0,854 0,0016-0,276 700-1000
Многолетнемерзлые породы (5-10 м)
Среднее 0,005 0,0016 1030
От - до 0,005 0,0016 500-1500
в состав химических средств, используемых для хозяйственных нужд. Концентрация фосфатов в водах поверхностного стока в центральной части города колеблется в пределах 1,40-3,69 мг/л (0,45-1,19 мг/л Р).
Объёмы поступления фосфатов в озерные системы в результате подтока подземных вод уступают поверхностному стоку из-за более низкой концентрации фосфатов в надмерзлотных водах (в среднем 0,053 мг/л) и слабой интенсивности стока. В процессе техногенной метаморфизации в надмерзлотных водах, наряду с анионами Н2Р04-, геохимическую значимость приобретают ионные пары - СаНР04о, MgHPO4о, СаН2Р04+ катионы которых (Mg2+ и Са2+) образуют значимые корреляционные связи с фосфором в грунтовых водах города.
Поступление в озера биогенных компонентов способствует росту концентрации гетеротрофных бактерий, разлагающих эти соединения с потреблением растворенного в воде кислорода. Образующиеся в процессе деструкции фосфаты потребляются как питательное вещество и стимулируют быстрое развитие фитопланктона и водной растительности. Избыточная концен-
трация фитопланктона приводит к уменьшению прозрачности воды и образованию анаэробных зон на мелководьях. Свидетельством этого процесса являются низкие значения окислительновосстановительного потенциала озерных вод, вплоть до отрицательных значений (Eh = -114 мВ). Эти процессы способствуют интенсивному илоотложению и накоплению фосфатов в илах, где их концентрация достигает 1,7 мг/л. Высокое содержание фосфатов в донных отложениях и последующие процессы десорбции могут вызывать их вторичное поступление в водную массу.
литература
1. Хендерсен-Селлерс Б., Маркленд Х.Р. Умирающие озера. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 279 с.
2. Макаров В.Н., Слепцов А.Н., Левченко Г.П. Экогеохимия озерных систем Якутска // Материалы Международной конференции «Озера холодных регионов», ч.3. Гидрогеохимические вопросы. - Якутск: Изд-во Якутского ун-та, 2000. - С.117-125.
3. Макаров В.Н. Геохимический мониторинг атмосферных осадков в Центральной Якутии. - Якутск: Издательство ИМЗ СО РАН, 2007. - 88 с.
4. Механизмы устойчивости геосистем. - М.: Наука, 1992.
