CC BY
85
2009
Известия ТИНРО
Том 159
УДК 628.394:574(265.54)
В.Ф. Мишуков1, В.В. Калинчук1, В.В. Плотников1, А.В. Войцыцкий2*
1 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43;
2 Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, 690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б
ВЛИЯНИЕ ДАМПИНГА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ГРУНТОВ НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИБРЕЖНЫХ ВОД
Г. ВЛАДИВОСТОК
Приведены результаты экспериментальных исследований влияния дампинга загрязненных грунтов из бухты Золотой Рог на экологическое состояние прибрежных вод г. Владивосток. Для вод Амурского залива показано, что под влиянием гидродинамических условий происходит разнос грунтов на значительные расстояния от центра сброса при накоплении загрязнений в глубоководной и береговой частях залива. Поступление грунтов, содержащих значительные концентрации пол-лютантов, биогенных элементов и легкоокисляемой органики, играет роль "спускового механизма" в развитии негативных природных процессов, таких как гиперэвт-рофикация и гипоксия придонных вод в летний период. Разработана модель расчета полей течений и переноса примесей в результате сброса грунтов, которая показала хорошее описание рассматриваемых экспериментальных данных. Для вод Уссурийского залива результаты расчета полей распространения примесей показали, что в летний период, когда под действием летнего муссона наблюдаются ветры юго-восточного направления, значительная часть сбрасываемых грунтов поступает на акваторию прол. Босфор Восточный, загрязняя бухты Аякс, Парис и Патрокол, где планируется строительство объектов саммита стран АТЭС, Дальневосточного федерального университета и океанариума на о. Русском.
Ключевые слова: дампинг грунтов, загрязнение прибрежной зоны, эвтро-фикация, модель расчета переноса примеси.
Mishukov V.F., Kalinchuk V.V., Plotnikov V.V., Voytsytskiy A.V. Effects of polluted grounds dumping on ecological conditions in coastal waters near Vladivostok // Izv. TINRO. — 2009. — Vol. 159. — P. 243-256.
Results of experimental study on polluted grounds dumping impact on ecological conditions in coastal waters are presented. The grounds are excavated in the highly polluted Golden Horn Bay and moved to the Amur Bay or Ussuri Bay, where the dumped sediments could be transported on vast distance from the site of dumping under influence of water dynamics with accumulation of pollution both in deeper part
* Мишуков Василий Федорович, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected]; Калинчук Виктор Васильевич, младший научный сотрудник, e-mail: [email protected]; Плотников Владимир Викторович, доктор географических наук, заведующий лабораторией, e-mail: vlad_plot@poi. dvo.ru; Войцыцкий Александр Васильевич, соискатель кафедры биоэкологии, e-mail: [email protected].
of the bays and in their coastal zone. Inputs of the sediments with high concentrations of pollutants, nutrients, and organics is considered as a «trigger» for development of negative natural processes, such as hyper-eutrophication and hypoxia in bottom water layers in summer. Model of water currents and pollutants transportation is developed and applied for the case of polluted grounds dumping; the model showed good correspondence to the data of observations. Following to the model, in the case of dumping in the Ussuri Bay in summer, the polluted sediments are transported by water currents driven by southeastern winds toward the Bosphorus Eastern Strait where pollute the bays Ayaks, Paris, and Patrokl — the building yards of the objects of APEC summit, oceanarium, and the Far-Eastern federal university.
Key words: dumping, pollution, eutrophication, water dynamics modeling.
Введение
Для нормального функционирования портов г. Владивосток в бухте Золотой Рог необходимо регулярно углублять фарватер, причем извлеченные грунты обычно баржами вывозятся на внешний рейд и сбрасываются в морскую среду. Дампинг производится, как правило, в прибрежной зоне моря, которая наиболее биологически продуктивна и активно используется для отдыха населения. Учитывая, что грунты в бухте загрязнены различными токсичными веществами, в районах морских свалок возможно нарушение жизнедеятельности морских организмов, которые развиваются в донных осадках и придонном слое воды. Дноуглубительные работы и дампинг сопровождаются значительным увеличением мутности морской воды за счет перехода мелкодисперсной фазы материала донных осадков в водную толщу, которая может переноситься морскими течениями на большие расстояния от места сброса, ухудшая экологическое состояние морской среды.
Данная проблема особенно актуальна для Владивостока в связи с планами проведения саммита стран АТЭС в 2012 г., строительством курортно-оздорови-тельной зоны, Дальневосточного федерального университета и океанариума на о. Русском.
Современные обзоры состояния морской среды на акватории зал. Петра Великого обычно не учитывают поступление загрязняющих веществ при дампин-ге грунтов из бухты Золотой Рог (Христофорова, 2005; Наумов, 2006; Shulkin et al., 2006; Современное состояние ..., 2008), что свидетельствует о том, что о данной проблеме как бы "забыли".
Цель настоящей работы — анализ информации об объемах сброса загрязненных грунтов, координатах сброса, распределении в донных осадках токсичных металлов и нефтяных углеводородов в районах сброса, а также о влиянии сброса грунтов на гидрохимические свойства морской воды. На основании данной информации проведен расчет переноса взвешенных частиц от районов сброса и оценено их влияние на поступление загрязнения в прибрежную зону зал. Петра Великого Японского моря.
Материалы и методы
Изучение влияния дампинга на экологическое состояние вод Амурского залива было организовано Приморским управлением по гидрометеорологии и контролю окружающей среды (ПУГКС) Приморского края в виде станции ОГСНК в центре свалки с 1980 по 1984 г. при отборе проб воды с поверхностного (глубина 0 м) и придонного (2 м над дном) горизонтов. В рамках договора о научно-техническом содружестве между ПУГКС и ТОИ ДВО РАН эти данные были переданы в ТОИ ДВО РАН для проведения статистической обработки, результаты которой приведены в ранее опубликованных работах (Гулина и др., 1988; Мишуков и др., 1990).
Кроме этого, начиная с 1984 г. в Дальневосточном региональном научно-исследовательском гидрометеорологическом институте (ДВНИГМИ) был выполнен ряд лабораторных и натурных исследований по изучению влияния дампинга грунтов в
244
Амурском заливе на распределение загрязняющих веществ в системе грунт — морская вода и в донных осадках в районе дампинга грунтов, часть результатов которых также опубликованы (Ткалин, Шаповалов, 1985; Tkalin et al., 1996).
Экспериментальные исследования были направлены на изучение влияния дампинга на химический состав поверхностного слоя донных осадков. Грунты отбирали прямоточной грунтовой трубкой с пластмассовыми внутренними вкладышами. Для анализа использовался слой 0-2 см. Слой черного грунта измерялся с помощью линейки визуально с точностью ± 1 см.
После тщательного перемешивания отбирали пробу осадка, которую взвешивали до и после высушивания при температуре 95 0С. Анализ загрязняющих веществ на содержание химических элементов проводили по рекомендованной методике (Методические указания ..., 1979). Для анализа на содержание нефтяных углеводородов влажную пробу осадка, измеренной массы, помещали в круг-лодонную колбу с обратным холодильником, добавляли определенное количество 2 %-ного NaOH в этиловом спирте и проводили гидролиз осадка на водяной бане при температуре 70 0С. Анализ экстракта осуществляли по рекомендованной методике (Методические указания ..., 1979).
В ходе проведения работ при отсутствии результатов химического анализа мы ориентировались по толщине слоя черного ила с песком и ракушечником, который характерен для грунтов бухты Золотой Рог. Данный подход резко расширил площадь изучаемой акватории, так как черные илы наблюдались на значительной площади вдали от центра свалки загрязненных грунтов. В результате были сделаны радиальные разрезы от центра дампинга, которые ограничивались районами, в которых цвет ила становился светло-серым или где наблюдался светлый песок или галечник.
Пробы морской воды отбирались батометром Нискина на поверхностном горизонте и на расстоянии 2 м от дна на станции в центре свалки грунтов с координатами 43005,12' с.ш. 131050,60' в.д. Содержание биогенных элементов, кислорода, рН, нефтяных углеводородов (НУ), фенолов и детергентов в морской воде определялось по стандартным методикам (Руководство ... , 1977).
Результаты и их обсуждение
Оценка объемов сброса и координат дампинга
Информация об объемах дноуглубительных работ имеется с 1970 г. (табл. 1), когда районом дампинга являлась западная оконечность мыса Шкота (Амурский залив) с координатами центра свалки: долгота — 43005,12' с.ш., широта — 131050,60' в.д. Объем поступления грунтов изменялся от года к году, причем в 1979-1980 гг. очистка бухты Золотой Рог не производилась. Среднее поступление за 12 лет составило приблизительно 214 тыс. м3/год, что при средней плотности осадков 2 т/м3 и при содержании воды в пульпе 75 % соответствует 107000 т/год.
Таблица 1
Объем поступления загрязненных грунтов из бухты Золотой Рог на акваторию Амурского залива Японского моря, тыс. м3/год
Table 1
Annual inputs of polluted grounds from the Golden Horn Bay to the Amur Bay, 103 m3
Год 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1981 1982 1983
Объем 449 319 267 136 160 356 23 141 36 290 42 344
Начиная с 1985 г. дампинг грунтов осуществляется на акватории Уссурийского залива восточнее п-ова Жидкова.
Для оценки влияния сброса грунтов на экологию Амурского залива проведем расчет поступления взвешенных веществ с водами самой крупной р. Раз-
дольной. При среднем многолетнем стоке реки 71,9 м3/с и концентрации взвеси — 73*10-6 т/м3 (Shulkin е! а1., 2006) получаем величину 453,5 т/сут, или 165700 т/год. Таким образом, дноуглубительные работы в бухте Золотой Рог по объемам поступления взвешенного вещества сравнимы с поступлением взвеси за счет речного стока.
Для оценки поступления загрязняющих веществ используем данные о содержании ряда поллютантов в грунтах бухты Золотой Рог и прол. Босфор Восточный: Fe — 50000,0; Си — 556,0; РЬ — 531,0; Cd — 7,1; 2п — 702,0; ^ — 3,14 мкг/г с.о.; НУ — 2,2 мг/г с.о. (Наумов, 2006).
Оценим вклад дампинга грунтов в поступление ряда поллютантов от различных источников (табл. 2).
Таблица 2
Годовое поступление поллютантов на акваторию Амурского залива от различных источников, т
Annual inputs of pollutants to the Amur Bay from different sources, ton
Table 2
Источник Fe Pb Cd Mn Cu Zn Ni НУ Источник
загрязнения данных
Дампинг 5360 56,8 0,80 - 59,5 75,1 - 235 Наши данные
Реки 8915 7,0 0,06 253,0 5,3 19,2 8,9 344 Shulkin et al., 2006
Атмосфера - 1,1 1,20 9,8 1,8 3,5 0,5 7 "
Приведенные в табл. 2 данные свидетельствуют о том, что дампинг грунтов вносит существенный вклад в содержание поллютантов в морской среде Амурского залива.
Эксперименталъное изучение распределения загрязняющих веществ
в районе дампинга
На рис. 1 приведена морфологическая карта района работ с указанием расположения станций, на рис. 2 — распределение толщины слоя черного ила на изучаемой акватории, в табл. 3 — результаты анализа загрязняющих веществ. Так как центр дампинга находился на глубине 12 м, причем в данном районе отмечается резкий свал глубин, то при сравнении рис. 1 и 2 видно, что грунты как бы "соскальзывают" в более глубокие районы залива, заполняя их черными илами. Кроме того, черные илы наблюдаются и в более мелководных прибрежных районах вблизи центра дампинга. Общая площадь дна с черными илами толщиной 5 см образует квадрат со сторонами 9*9 км2.
131.75131.76131.77131.78131.79 131.8 131.81131.82131.83131.84131.85131.86
Рис. 1. Распределение на акватории Амурского залива глубин и точек отбора проб грунта (белый крест — центр свалки грунтов)
Fig. 1. Bathymetry of the Amur Bay and scheme bottom sediments sampling. Site of damping is shown by white cross
43. 1
Рис. 2. Распределение на акватории Амурского залива толщины слоя (см) черных илов
Fig. 2. Thickness of the black silt layer on the Amur Bay bottom, cm
131. 75131. 76131. 77131. 78131. 79 131. 8 131. 81 131. 82131. 83131. 84131. 85131. 86
Одним из основных антропогенных поллютантов являются НУ, распределение концентраций которых приведено на рис. 3. Сравнение с данными рис. 2 о распределении черных илов позволяет сделать вывод о том, что НУ вместе с черными илами под влиянием течений распространяются на большом расстоянии от центра свалки грунтов. Аналогичное распределение имеет Cd (рис. 4) и 2п (рис. 5).
Рис. 3. Распределение на акватории Амурского залива содержания нефтяных углеводородов в поверхностном слое грунтов 0-2 см (мкг/г с.о.)
Fig. 3. Spatial distributions of oil hydrocarbons contents in the surface layer (0-2 cm) of bottom sediments in the Amur Bay (|g/g dry weight)
0
1300 1000 800 500 400 300 200 100 50 20 0
1 3 1.75 1 3 1.76 1 3 1.7 7 1 3 1.78 1 3 1.7 9 1 3 1 .8 1 3 1.8 1 1 3 1.8 2 1 3 1.8 3 1 3 1.8 4 1 3 1.85 1 3 1.8 6
Подобное распределение нефтяных углеводородов в донных осадках приводится в работе А.П. Черняева (2005) по результатам экспериментальных исследований в мае-июне 2004 г. и свидетельствует об устойчивом загрязнении донных отложений Амурского залива.
Кроме загрязнения донных осадков, сброс грунтов может вызвать изменения в гидрохимическом составе морской воды. На рис. 6 приведены результаты мониторинга концентрации кислорода, рН и некоторых поллютантов в придонном слое морской воды на станции в центре свалки. В летние месяцы происходит резкое снижение содержания кислорода в придонном слое за счет ограниченного вертикального обмена из-за усиления стратификации морских вод и высокого потребления кислорода на окисление поступившей органики. Кроме этого, к осе-
247
4 5
Таблица 3
Экспериментальные данные по изучению содержания ряда элементов и нефтяных углеводородов в донных осадках в районе дампинга грунтов из бухты Золотой Рог на акватории Амурского залива Японского моря, а также толщины черного ила
Table 3
Some toxic elements and oil hydrocarbons contents in bottom sediments of the Amur Bay at the site of damping the grounds
from the Golden Horn Bay relative to the thickness of black silt layer
Дата № ст. Широта, град. Долгота, град. Глубина, м Слой, см Zn, мкг/ г Mn, мкг/г Со, мкг/г Cd, мкг/г Си, мкг/г РЬ, мкг/г мкг/г Fe, мкг / г Сг, мкг/г НУ, мкг/г К, мкг/г Li, мкг/ г Слой черного ила, см
11.07.84 1 43,085 131,842 25 2 154 133 13 13 16 332 5 67 13 94 1969 8 1
11.07.84 2 43,086 131,840 25 2 673 88 13 12 17 5 9 58 28 100 1818 8 4
11.07.84 3 43,087 131,835 25 2 2
11.07.84 4 43,0875 131,833 24 2 4
11.07.84 5 43,0887 131,845 25 2 167 69 13 12 20 170 5 107 46 25 4632 16 2
11.07.84 6 43,068 131,838 27 2 147 98 13 13 33 403 3 82 38 126 2404 8 2
12.07.84 21 43,097 131,817 25 2 156 98 14 14 46 190 7 127 34 515 4655 16 49
12.07.84 22 43,093 131,818 23 2 115 77 14 16 28 365 3 87 41 416 3921 15 22
12.07.84 23 43,092 131,833 22 2 141 91 14 13 31 341 3 145 37 247 3803 13 22
12.07.84 24 43,088 131,835 20 2 96 68 13 13 23 10 5 82 22 249 3213 11 28
12.07.84 25 43,083 131,819 20 2 92 66 13 13 25 301 2 115 38 419 4241 15 19
17.07.84 31 43,085 131,848 21 2 192 67 14 12 24 2 0 91 24 1983 3859 15 25
17.07.84 32 43,0847 131,835 22 2 129 65 14 15 28 14 2 102 38 130 4286 16 6
17.07.84 33 43,0845 131,823 23 2 204 78 15 12 29 10 3 115 31 168 4395 17 21
17.07.84 34 43,087 131,825 24 2 314 59 14 9 33 15 4 86 23 366 3547 13 15
17.07.84 35 43,079 131,827 28 2 124 86 14 13 32 113 15 106 41 437 4234 15 23
19.07.84 41 43,101 131,811 21 2 111 71 14 14 24 109 2 117 37 294 5000 20 10
19.07.84 42 43,100 131,808 22 2 281 61 15 9 21 17 6 100 25 61 4926 17 23
19.07.84 43 43,084 131,814 25 2 409 72 13 9 31 27 4 72 22 239 3009 13 15
20.07.84 51 43,122 131,758 14 2 141 73 14 14 18 800 2 132 38 54 4269 19 0
20.07.84 52 43,165 131,750 19 2 121 78 14 13 21 82 1 135 29 43 4264 18 0
20.07.84 53 43,108 131,793 22 2 184 72 13 13 21 330 3 129 39 92 4504 19 7
20.07.84 54 43,081 131,778 18 2 66 47 14 13 13 103 6 58 24 48 2533 11 0
20.07.84 55 43,126 131,823 21 2 100 50 14 13 23 134 5 46 24 270 2295 8 21
31.07.84 61 43,158 131,867 16 2 26 48 13 11 9 20 6 46 34 89 2398 8 10
31.07.84 62 43,170 131,820 22 2 9
31.07.84 63 43,110 131,767 19 2 62 65 13 11 16 13 3 136 47 70 4092 17 6
31.07.84 64 43,092 131,747 17 2 88 81 13 12 23 15 2 131 49 11 4321 16 6
ни в придонном слое морской воды происходит увеличение содержания нефтяных углеводородов, которые поступают вместе с грунтами, и фенолов, которые образуются за счет окисления органического вещества.
Рис. 4. Распределение на акватории Амурского залива содержания Cd в поверхностном слое грунтов 0-2 см (мкг/г с.о.)
Fig. 4. Spatial distributions of Cd concentration in the surface layer (0-2 cm) of bottom sediments in the Amur Bay (|g/g dry weight)
Рис. 5. Распределение на акватории Амурского залива содержания Zn в поверхностном слое грунтов 0-2 см (мкг/г с.о.)
Fig. 5. Spatial distributions of Zn concentration in the surface layer (0-2 cm) of botom sediments in the Amur Bay (|g/g dry weight)
131.75131.76131.77131.78131.79 131.8 131.81131.82131.83131.84131.85131.86
Сравнение гидрохимических характеристик поверхностных и придонных вод приведено на рис. 7. При сравнении концентрации кислорода на поверхности и в придонном горизонте (рис. 7, а) отмечается резкое снижение его содержания в летний период у дна, хотя на поверхности морская вода находится в насыщенном состоянии. В осенне-зимний период за счет конвекции происходит разрушение летней стратификации морских вод при активном вертикальном перемешивании всего слоя до дна с последующим горизонтальным переносом за счет адвекции и турбулентного перемешивания. Аналогичное сезонное распределение кислорода в глубоководных районах Амурского залива отмечено при обработке массива гидрохимических данных вплоть до 2001 г. (Лучин и др., 2005).
Кроме этого, в 1981 и 1983 гг., когда отмечался интенсивный выброс грунта (см. табл. 1), происходило резкое увеличение аммонийного азота на придонном горизонте, что свидетельствует об эвтрофикации придонных вод на фоне снижения
1 4
1 3
1 2
11
1 0
400
300
200
100
-■-О 2, % ♦ рН ---Ж- — - Фенолы, мг/л
--Д--Детергенты, мг/л - ...ф----НУ, мг/л
es О
и я а. н
X
ф и
X
о
120
100
80
60
40
20
Ж
ж
I
\
У
ж-
£
ж
со со со ю со
V
ж
1
Г
ж
10
0.1
0.01
0.001
6. 8. 0.
.с;
L.
5
и
(О
.
н х ф и х о
sí О
Рис. 6. Изменение концентрации кислорода (% насыщения, левая ось), pH, фенолов (мг/л), детергентов (мг/л) и нефтяных углеводородов (мг/л) в придонном слое морской воды в районе дампинга грунтов из бухты Золотой Рог около п-ова Шкота
Fig. 6. Temporal changes of oxygen saturation (%, left axis), pH, and contents of phenols (mg/l), detergents (mg/l), and oil hydrocarbons (mg/l) in water at the sea bottom in the site of damping the grounds from the Golden Horn Bay (near Shkot Peninsula)
уровня кислорода. Отметим, что данные процессы сопровождаются пышным развитием фито- и зоопланктона в поверхностном слое морских вод, который при последующем отмирании выпадает на дно, значительно усиливая негативные процессы. Несмотря на увеличение фитопланктона в поверхностных водах в летнее время, не происходит значительного уменьшения концентрации общего фосфора, нитратов и силикатов, что свидетельствует об отсутствии контролирующего влияния биогенов на развитие фитопланктона. В этих условиях ограничение на фитопланктон может оказывать только понижение температуры и, как следствие, периодическое ежегодное летнее развитие дефицита кислорода в придонном слое морских вод (см. рис. 6, 7, а), что было отмечено при недавнем исследовании состояния экосистемы Амурского залива (Тищенко и др., 2009). Кроме этого, в районе расположения слоя черных илов (см. рис. 2) наблюдается понижение биомассы, а иногда и полное отсутствие двустворчатых моллюсков, например в исследованиях 1986-1994 гг. (Олей-ник, 1998). В более позднем изучении макрозообентоса зал. Петра Великого (Надто-чий и др., 2005) при более равномерной сетке отбора проб выявлено увеличение числа видов и биомассы макрозоопланктона на всей акватории, включая Амурский залив, хотя в районах дампинга грунтов около п-овов Шкота и Жидкова биомасса двустворчатых моллюсков остается на минимальном уровне.
Следует отметить, что влияние дампинга грунтов происходит на фоне возрастающего антропогенного стресса в результате роста численности населения, развития промышленности и сельского хозяйства как на побережье, так и в районах водосбора впадающих рек. Тем не менее сброс грунтов, по-видимому, сыграл роль "спускового механизма" и вызвал каталитическое воздействие на развитие негативных природных процессов, таких как гиперэвтрофикация и гипоксия придон-
-Поверхн. ■
- Придон. ■
■ Биомасса фитопланктона, г/мЗ ■
140 120 100 80 60 40 20 0
■ Биомасса зоопланктона, г/мЗ
-г 1000
- 100 s
* 1.6
-1-1-1-1-1-1-1-1
13.05.80 16.10.80 14.05.81 02.11.81 18.05.Е
V-.
V2
18.10.82 12.05.83 11.10.83 11.06.84 09.10.84
- Поверхн.
- Придон
ю U1
50 45 ^ 40
* 35
I 30 а.
| 25 2. 20 I 15
X
О
* 10
5 0
В » Г \
I / \ 1 I \
\ if / \ /
\ / 1 ♦ ' f / / / ii P
V/ // ¡1 I /
/ if t ' X
1 // / / t h '
t *
20.03 28.06 06.10 14.01 24.04 02.08 10.11 18.02 29.05 06.09 15.12 25.03 03.07 11.10 19.01 28.04 06.08 14.11 .80 . 80 . 80 . 81 .81 .81 .81 .82 . 82 . 82 . 82 . 83 . 83 . 83 . 84 . 84 . 84 . 84
---♦-- --N02 пов., мкг/л ---о----N02 дно, мкг/л
-N03 пов., мкг/л - N03 дно, мкг/л
--а—NH4 пов., мкг/л --д—NH4 дно, мкг/л
! \
20.03 28.06 06.10 14.01 24.04 02.08 10.11 18.02 29.05 06.09 15.12 25.03 03.07 11.10 19.01 28.04 06.08 14.11 .80 . 80 . 80 . 81 .81 .81 .81 .82 . 82 . 82 . 82 . 83 . 83 . 83 . 84 . 84 . 84 . 84
-Поверх --■—Придон.
200
180
C, 160
2 140
CO
О 1?0
(Л
к 100
3"
о. 80
I
60
40
20
0
Г
f\.
F\
1 ¡/ ' /
i i / /f л I
/ j n /
/ // ! У
i' j / i i
7
20.03 28.06 06.10 14.01 24.04 02.08 10.11 18.02 29.05 06.09 15.12 25.03 03.07 11.10 19.01 28.04 06.08 14.11 .80 . 80 . 80 . 81 .81 .81 .81 .82 . 82 . 82 . 82 . 83 . 83 . 83 . 84 . 84 . 84 . 84
Рис. 7. Временное изменение концентраций в поверхностном и придонном слоях морской воды на станции около п-ова Шкота в районе дампинга грунтов из бухты Золотой Рог: а — кислорода и биомассы фито- и зоопланктона; б — нитритов, нитратов и аммонийного азота; в — общего фосфора; г — силикатов
Fig. 7. Temporal changes of dissolved oxygen and nutrients concentrations in the surface and bottom water layers in the site of damping the grounds from the Golden Horn Bay (near Shkot Peninsula): a — oxygen; б — nitrites, nitrates, ammonium nitrogen; в — total phosphorus; г — silicates
ных вод, что было отмечено в ряде работ в Черном, Балтийском, Баренцевом, Белом и Японском морях (Виноградова и др., 1986, 1990; Шлыгин, 1986).
Таким образом, представленные экспериментальные данные показывают, что сброс загрязненных грунтов оказывает существенное влияние на химический состав грунтов и придонного слоя воды. Анализ приведенных материалов показал, что самым опасным следствием сброса грунтов, загрязненных токсичными веществами и легкоокисляемой органикой, является "раскачка" экосистемы, которая при увеличении размаха колебаний регистрируемых параметров приводит к возникновению негативных ситуаций в последующие годы.
Моделирование переноса грунтов в районах дампинга
Представленные экспериментальные данные позволяют провести проверку модели переноса грунтов, разработанную в ТОП ДВО РАН. Описание схемы расчета полей течений и распространения нефтяных загрязнений приведено ранее (Мишу-ков и др., 2007), причем приведены данные о средних и экстремальных гидрометеоусловиях для рассматриваемого региона. Модель была доработана для расчета распространения взвешенных частиц, которые могут в процессе движения перемещаться по вертикали за счет седиментации более тяжелых частиц взвеси, а также за счет перемешивания благодаря процессам вертикальной турбулентной диффузии.
Взвесь разбивалась на 10 фракций в соответствии с гранулометрическим составом (табл. 4). Как показали результаты лабораторных исследований скорости осаждения грунтов из бухты Золотой Рог при их взмучивании с морской водой, основную часть взвешенного вещества представляют алевритопелитовые и пелитовые илы с размерами частиц от 1 до 50 мкм (Ткалин, Шаповалов, 1985).
Таблица 4
Физико-химические свойства фракций грунтов из бухты Золотой Рог
Table 4
Physical and chemical properties of sediment fractions from the Golden Horn Bay
Свойство фракций 100005000 50002000 20001000 Диаметр фракций, 1000- 500- 250500 250 100 мкм 10050 50-10 10-5 5-1
Сред. диаметр фракций, мкм 7500,0 3500,0 1500,0 750,0 375,0 175,0 75,0 30,0 7,5 2,5
Плотность
фракций, кг/м3 2680 2500 2400 1920 1800 1730 1730 1600 1410 1410
Удельная доля
фракций, % (вес) 1,39 1,58 1,67 1,71 2,73 5,83 12,91 27,18 28,0 17,0
При оседании на дно и при достижении берега частицы взвеси с вероятностью 90 % могут переходить из водной среды в твердую фазу осадков.
Для моделирования влияния выбросов загрязненного нефтепродуктами грунта из бухты Золотой Рог при производстве дноуглубительных работ, которые выполняются при сравнительно благоприятных погодных условиях, принимался следующий сценарий выбросов. В летне-осенний период, с мая по октябрь (180 дней), баржа с 1000 м3 грунтовой пульпы выходит раз в сутки в район сброса грунтов и однократно сбрасывает весь грунт, который в расчетах разбивается на 10 маркеров по 100 т. Грунт оседает на дно с вероятностью 90 %. Остальная часть грунта движется с водной массой, постепенно осаждаясь, или выносится на берег. Расчет проводится на определенное количество суток, хотя основная масса грунта оседает на дно в течение первых 10 ч. На рис. 8 представлены результаты расчета для июля 1983 г. при экспериментальных гидрометеорологических условиях. Пятна взвешенного вещества дрейфуют почти по всей аквато-
рии Амурского залива, оседая в основном в месте сброса, причем вынос на берег наблюдается на всем западном побережье п-ова Муравьева-Амурского.
131.4 131.5 131.6 131.7 131.8 131.9 132.0 132.1 132.2 132.3 132.4
Рис. 8. Траектории движения пятен грунта (светло-серые области и линии) на акватории Амурского залива из района свалки грунтов (черный крест) в июле 1983 г. при реальных ветрах и распределение пятен на конец расчета (черные точки) (темно-серые линии — изобаты)
Fig. 8. Modeled trajectories of the spots of polluted sediments movement (light gray fields and lines) from the site of damping in the Amur Bay (black cross) in July, 1983. Real wind field is used for calculation; the final distribution of spots (black points) is determined by surveys. Isobaths are drawn as dark gray lines
Сравнение расчетного распространения переноса грунтов, приведенного на рис. 9 (а), с реальными данными рис. 2 и 3 показали, что в обоих случаях наблюдается значительный перенос загрязненных грунтов при их сползании в глубоководную часть залива и при осаждении вдоль западной береговой линии п-ова Муравьева-Амурского, а разработанная модель хорошо описывает экспериментальные данные. Аналогичный расчет был проведен и для выноса взвешенного вещества с водами р. Раздольной, когда взвесь непрерывно в течение июля 1983 г. поступала на акваторию Амурского залива (рис. 9, б). Взвешенное вещество в основном осаждается в устье р. Раздольной при основном переносе вдоль западного побережья залива при формировании вторичного источника взвеси на оконечности п-ова Песчаного, от которого взвесь транзитом переносится над глубоководными районами залива и осаждается на противоположном берегу.
С 1985 г. дампинг грунтов производился в Уссурийском заливе, но в настоящее время нет данных об объемах сбросов. Для оценки влияния дампинга грунтов в Уссурийском заливе мы принимали среднегодовые поступления для Амурского залива. Принимался следующий сценарий выбросов. В период с 17 по 27 июля 2008 г. (10 дней) баржа с 1000 м3 грунтовой пульпы выходит раз в сутки в район сброса грунтов и однократно сбрасывает весь грунт, который в расчетах разбивается на 100 маркеров по 10 т. Грунт оседает на дно с вероятностью 90 %. Остальная часть грунта движется с водной массой, постепенно осаждаясь, или выносится на берег. Расчет проводится на 10 сут, хотя основная масса грунта оседает на дно в течение первых 10 ч при ветре 5 м/с юго-восточного направления, который характерен для летнего муссона.
На рис. 10 приведены результаты расчета для северо-западного угла района сброса грунтов. Под влиянием ветра и круговорота вод в восточной части прол. Босфор Восточный (рис. 10) взвесь проникает в пролив и выносится в прибреж-
Рис. 9. Обработка данных с помощью программы Serfer для построения изолиний количества пятен грунта, осевших на дно и в береговой зоне: а — данные для района дампинга для рис. 7 при расчете для июля 1983 г. при экспериментальных гидрометеоусловиях для сравнения с рис. 2 и 3 (черный квадрат — район экспериментальных работ); б — данные при поступлении взвеси с водами р. Раздольной при расчете для июля 1983 г. при экспериментальных гидрометеоусловиях
Fig. 9. Scheme of data processing for modeling: а — the case of July, 1983 (black square — surveyed area); б — the same with loading the data on suspended matter input from the Razdolnaya River
ную зону в основном южной оконечности п-ова Муравьева-Амурского, попадая в бухты Патрокол, Аякс и Парис (северные бухты о. Русского), а также в бухты Соболь и Тихая, хотя основная масса взвеси оседает на дно около точки сброса.
в.д. 131.95 Вегер НШ 5 м/с I I141» 5 м Отлив -Z см/ч !
—1-1-1-42.8
131.8 131.9 132.0
Рис. 10. Траектории движения пятен грунта (светло-серые области и линии) на акватории зал. Петра Великого из северозападного угла свалки грунтов (черный крест) с 17 по 27.07.08 г. при ветре 5 м/с и направлении 1400 и распределение пятен на конец расчета (черные точки) (темно-серые линии — изобаты)
Fig. 10. Modeled trajectories of the spots of polluted sediments movement (light gray fields and lines) from the site of damping in the north-western Amur Bay (black cross) in July 17-27, 2008 under southeastern (140o) wind 5 m/s. Final distribution of spots is shown as black points; isobaths are drawn as dark gray lines
На рис. 11 приведены результаты расчета взвеси из северо-восточного угла полигона. Наблюдается подобная картина распределения выброшенных грунтов, но ареал распространения шире.
Рис. 11. Траектории движения пятен грунта (светло-серые области и линии) на акватории зал. Петра Великого из северовосточного угла свалки грунтов (черный крест) с 17 по 27.07.08 г. при ветре 5 м/с и направлении 1400 и распределение пятен на конец расчета (черные точки) (темно-серые линии — изобаты)
Fig. 11. Modeled trajectories of the spots of polluted sediments movement (light gray fields and lines) from the site of damping in the north-eastern Amur Bay (black cross) in July 17-27, 2008 under southeastern (140o) wind 5 m/s. Final distribution of spots is shown as black points; isobaths are drawn as dark gray lines
Выпуск: с.ш. 43. 0 в.д. 131.96
глуб. 1D м
—I-1-1-4г. s
131.8 131.9 132.0
Таким образом, новое место дампинга грунтов вызывает загрязнение Уссурийского залива, прол. Босфор Восточный с прилегающими бухтами Аякс, Парис, Патрокол. Для обеспечения нормального функционирования курортно-оздо-ровительной зоны, Дальневосточного федерального университета и океанариума на о. Русском необходимо переместить район дампинга грунтов в более мористую часть Уссурийского залива, хотя кардинальным решением является полная очистка грунтов из бухты Золотой Рог.
Выводы
Представленные экспериментальные результаты и данные математического моделирования показали:
1) дноуглубительные работы в бухте Золотой Рог по объемам поступления взвешенного вещества сравнимы с поступлением взвеси за счет речного стока на акваторию Амурского и Уссурийского заливов;
2) при дампинге грунтов на акватории зал. Петра Великого происходит активный разнос грунта на большие расстояния от точки сброса, причем вместе с грунтами происходит перенос основных загрязняющих веществ;
3) в районе сброса грунтов наблюдается систематическое летнее резкое падение содержания кислорода в морской воде и увеличение концентрации нефтяных углеводородов и фенолов;
4) разработана модель расчета течений и дрейфа примеси на акватории Уссурийского залива и проведена проверка ее достоверности по имеющимся экспериментальным данным;
5) для обеспечения нормального функционирования курортно-оздоровитель-ной зоны, Дальневосточного федерального университета и океанариума на о. Русском необходимо переместить район дампинга грунтов в более мористую часть Уссурийского залива, хотя кардинальным решением является полная очистка грунтов из бухты Золотой Рог.
Настоящая работа проведена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 06-05-91577-ЯФ_а и грантов ДВО РАН № 06-Ш-Б-09-409, № 07-Ш-Б-09-101, № 08-111-Б-09-107.
Список литературы
Виноградова Л.А., Дерезюк Н.В., Рязанова Л.Е. Результаты экологического мониторинга в районах сброса грунтов в северо-западной части Черного моря по данным
255
1986-1987 гг. // Oкеанографические аспекты охраны морей и океанов от химических загрязнений. — M. i Гидрометеоиздат, 1990. — С. 161-166.
Bиногpадова Л^., Фeтиcов Л.П., Дepeзюк H.B., Тишин A.B. Mоделирова-ние влияния дампинга грунтов, содержащих биогенные элементы, на кислородный режим прибрежной зоны моря // Mетодология прогнозирования загрязнения океанов и морей. — M. i Гидрометеоиздат, 1986. — С. 119-123.
Гулина T.H., Mишyков B^., Mоиceeвcкий Г.H., Ярош B.B. Факторный анализ океанологических полей прибрежной зоны // ДАН СССР. — 1988. — T. 298, № Б. — С. 1238-1242.
Лучин B.A., Тихомирова E.A., Круц A.A. Oкеанографический режим вод залива Петра Великого {Японское море) // Изв. TOOTO. — 2005. — T. 140. — С. 130-169.
Meтодичecкиe указания по опpeдeлeнию загрязняющих вeщecтв в мор^ ких донных отложeнияx № 43. — M. i Гидрометеоиздат, 1979. — 31 с.
Mишyков B^., Калинчук B.B., Mишyкова Г.И. Mодель расчета переноса и трансформации нефтяного загрязнения в дальневосточных морях {на примере залива Петра Великого Японского моря) // Дальневосточные моря России i в 4 кн. / гл. ред. В.А. Акуличев. Кн. 2; Исследования морских экосистем и биоресурсов / отв. ред. В.П. Челомин. — M. i Наука, 2007. — С. 267-298.
Mишyков B^., Mишyкова Г.И., Mоиceeвcкий T.H., Ярош B.B. Исследование параметров экосистемы Амурского залива Японского моря с помощью факторного анализа // Oкеанографические аспекты охраны морей и океанов от химических загрязнений. — M. i Гидрометеоиздат, 1990. — С. 118-120.
^дточий B.A., Будникова Л.Л., Бeзpyков Р.Г. Mакрозообентос залива Петра Великого {Японское море): состав, распределение, ресурсы // Изв. TO^O. — 2005. — T. 140. — С. 170-195.
Hаyмов Ю^. Антропогенез и экологическое состояние геосистемы прибрежно-шельфовой зоны залива Петра Великого Японского моря i монография. — Владивосток i Дальнаука, 2006. — 300 с.
Oлeйник E.B. Исследование состояния сообществ двустворчатых моллюсков в Амурском заливе // Гидрометеорологические процессы на шельфе: оценка воздействия на морскую среду. — Владивосток : Дальнаука, 1998. — С. 131-136.
Руковод^во по мeтодам xимичecкого анализа моржих вод. — Л. : Гидроме-теоиздат, 1977. — 208 с.
Cовpeмeнноe ^^оян^ и тeндeнции измeнeния природной cpeды залива ^тра Beликого Япон^ого моря : монография / гл. ред. академик РАН В.А. Акули-чев. — M. : reOQ 2008. — 460 с.
Тиш^нко П.Я., Звалин^ий B.^, Лобанов B^. и др. Oсновные факторы ухудшения экологического состояния Амурского залива {по результатам наблюдений ТОИ ДВO РАН 2005-2008 гг.) // Природа без границ : мат-лы 3-го Mеждунар. экол. форума. — Владивосток : ДВГУ, 2009. — С. 126-128.
Ткалин A.B., Шаповалов E.H. Поступление нефтяных углеводородов в морскую среду при взмучивании загрязненных донных отложений // Oкеанология. — 1985. — T. 25, вып. 5. — С. 775-779.
Хри^офорова H.K. Экологические проблемы региона Дальний Восток — Приморье : монография. — Хабаровск : Хаб. краевая типогр., 2005. — 304 с.
Чepняeв A.^ Распределение нефтяных углеводородов в воде в донных отложениях Амурского залива {Японское море) // Изв. TOOTO. — 2005. — T. 140. — С. 240-244.
Шлыгин И^. Разработка научных обоснований возможности сбросов отходов и других материалов с минимальным ущербом для морской среды. Результаты исследования районов морей и океанов для регламентируемых сбросов отходов и других материалов // Mетодология прогнозирования загрязнения океанов и морей. — M. : Гидрометеоиздат, 1986. — С. 113-118.
Shulkin V.M., Semykina G.I., Kachur A.N. National Report of Russian Federation on River and direct Inputs of Contaminants into Marine and Coastal Environment in NOW-PAP Region // National Report on River and direct Inputs of Contaminants into Marine and Coastal Environment in NOWPAP Region / ред. А.Н. Качур, С.И. Коженкова. — Владивосток : ДВГУ, 2006. — С. 211-256.
Tkalin A.V., Presley B.J., Boothe P.N. Spatial and temporal variation of trace metals in bottom sediments of the Peter the Great Bay, the Sea of Japan // Environmental Pollution. — 1996. — Vol. 92. — P. 73-78.
