CC BY
27
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
Научная статья
УДК 504.4.054+550.461
doi: 10.18522/1026-2237-2022-3 -91-102
ВЗАИМОСВЯЗЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ РЕЧНЫХ ВОД И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ РЕК БАССЕЙНА СЕВЕРСКОГО ДОНЦА (В ПРЕДЕЛАХ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ)
Виктор Николаевич Решетнякш, Владимир Евгеньевич Закруткин2
2 Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия
1 reshetnyak@sfedu.ruK
2 vezak@sfedu.ru
Аннотация. Рассмотрены особенности химического состава и уровня загрязненности вод и донных отложений рек бассейна Северского Донца. Степень загрязненности поверхностных вод оценена с применением удельного комбинаторного индекса загрязнения воды, а уровень загрязненности донных отложений рек - с использованием общепринятого суммарного показателя загрязнения ZC и предлагаемого авторами интегрального показателя загрязненности донных отложений. Для сопоставления химических составов изучаемых сред использованы коэффициенты концентрации элементов в воде и донных отложениях, рассчитанные на основе соответствующих кларков. Подробно проанализированы физико-химические особенности элементов, содержание которых значительно отличается в изучаемых средах: марганец, медь, никель и свинец. Также рассмотрены физико-географические и иные факторы, которые влияют на распределение элементов в системе вода - донные отложения в исследуемом районе.
Выявлено, что уровень загрязненности донных отложений рек бассейна Северского Донца определяется повышенным содержанием никеля и свинца. Для этих элементов характерен перенос преимущественно во взвешенной форме. Показано, что уровень загрязненности речных вод определяется рядом макро- и микрокомпонентов, среди которых соединения марганца и меди вносят значительный вклад. Сделан вывод о том, что несоответствие уровня загрязненности донных отложений и водной толщи рек бассейна Северского Донца вызвано процессами самоочищения донных отложений.
Ключевые слова: донные отложения рек, речные воды, бассейн Северского Донца, химический состав, тяжелые металлы, вторичное загрязнение вод, интегральный показатель загрязненности донных отложений, уровень загрязненности
Благодарности: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-27-00305, https://rscf.ru/project/22-27-00305/, в Южном федеральном университете.
Для цитирования: Решетняк В.Н., Закруткин В.Е. Взаимосвязь химического состава и уровня загрязненности речных вод и донных отложений рек бассейна Северского Донца (в пределах Ростовской области) // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2022. № 3. С. 91-102.
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY4.0). Original article
INTERRELATION BETWEEN THE CHEMICAL COMPOSITION AND POLLUTION LEVEL OF RIVER WATERS AND SEDIMENTS IN THE SEVERSKY DONETS RIVER BASIN (WITHIN THE ROSTOV REGION)
Viktor N. ReshetnyakVladimir E. Zakrutkin2
'■2 Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
1 reshetnyak@sfedu.niK
2 vezak@sfedu. ru
© Решетняк В.Н., Закруткин В.Е., 2022
Abstract. The article considers the chemical composition features and pollution levels of river waters and sediments in the Seversky Donets River basin. The river waters pollution degree has been assessed using the specific combinatorial index of water pollution, and the river sediments pollution level has been evaluated using the conventional total pollution index and the integral contamination index of river sediments proposed by the authors. In order to compare the chemical compositions of the studied media we have used the concentration coefficients of elements in river waters and sediments based on the corresponding clarks. The physical and chemical features of the elements which contents differ significantly in the studied media have been analyzed in detail: namely manganese, copper, nickel, and lead. Physical and geographical and other factors that influence the distribution of elements within the river water - river sediments system in the study area have also been considered.
It has been revealed that the level river sediments pollution in the Seversky Donets River basin is determined by elevated contents of nickel and lead. These elements are transferred mainly in a suspended form. It is demonstrated that the river waters pollution level depends on a number of macro- and microcomponents, and manganese and copper compounds make a significant contribution. It is concluded that the discrepancy between the levels of river sediments contamination and the river water pollution in the Seversky Donets River basin is mainly caused by the self-purification processes in river sediments.
Keywords: river sediments, river waters, Seversky Donets River basin, chemical composition, heavy metals, secondary water pollution, integral contamination index of river sediments, pollution level
Acknowledgments: the study was supported by a grant from the Russian Science Foundation No. 22-27-00305, https://rscf.ru/project/22-27-00305/, at the Southern Federal University.
For citation: Reshetnyak V.N., Zakrutkin V.E. Interrelation Between the Chemical Composition and Pollution Level of River Waters and Sediments in the Seversky Donets River Basin (within the Rostov Region). Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2022;(3):91-102. (In Russ.).
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY4.0).
Введение
Речная вода и донные отложения представляют собой взаимосвязанные компоненты одной системы. По состоянию донных отложений, как известно, можно судить о степени загрязненности водотоков в целом, так как донные осадки являются хранилищем многих элементов, поступающих в речную сеть. Но, с другой стороны, состав речных вод формируется при участии донных отложений за счет процессов вторичного загрязнения - переноса элементов из речных осадков в водную толщу при определенных условиях.
Все это указывает на то, что и химический состав, и уровень загрязненности речных вод и донных отложений должны находиться в некотором соответствии. Однако подобного зачастую не наблюдается.
Особенно явно такое несоответствие мы наблюдали при изучении донных отложений рек Восточного Донбасса - одного из наиболее крупных углепромышленных районов России. Здесь, в частности, речные воды оценены преимущественно как грязные, очень грязные или экстремально грязные, в то время как для донных отложений рек характерен преимущественно слабый уровень загрязненности [1].
Несовпадение уровней загрязненности вод и донных отложений рек выявляется и в работах других авторов [2, 3].
В связи с этим целью данного исследования является изучение взаимосвязи химического состава и уровня загрязненности речных вод и донных отложений рек бассейна Северского Донца (в пределах Ростовской области). Для достижения поставленной цели планировалось:
1) сопоставить уровни загрязненности воды и донных отложений рек;
2) выявить отдельные элементы, которые вносят наибольший вклад в итоговую оценку уровня загрязненности изучаемых сред;
3) проанализировать факторы, которые обусловливают различия в полученных оценках уровня загрязненности воды и донных осадков.
Материалы и методы исследования
Исследование речных вод и донных отложений Восточного Донбасса (Ростовская область) проводилось в период 2014-2019 гг. В качестве объектов исследования выбраны реки бассейна Северского Донца (Калитва, Кундрючья, Быстрая, Лихая, Большая Гнилуша, Большая и Малая Каменка, Северский Донец).
Отбор проб речных вод и донных отложений проводили в створах, расположенных в верховьях рек или на участках, находящихся вне зоны влияния крупных источников загрязнения, в низовьях рек (для оценки суммарного влияния техногенных источников загрязнения на водосборах), а также выше и ниже предполагаемого влияния объектов угледобывающей промышленности. Схема расположения створов представлена на рис. 1.
Отбор проб донных отложений проводился согласно нормативным документам [4, 5]. В связи с неоднородностью донных осадков в каждом створе производили отбор нескольких, обычно от 3 до 5, частных проб. Отбор проб донных отложений осуществлялся из верхнего слоя мощностью 10 см. Предполагается, что именно в этом диапазоне содержащиеся в речных отложениях загрязняющие вещества будут наиболее активно взаимодействовать с поверхностными водами. На небольших и неглубоких водотоках отбирали пробы по поперечному профилю реки, на средних и больших реках - у уреза воды в местах видимой аккумуляции наносов.
Рис. 1. Схема расположения пунктов отбора проб воды и донных отложений рек бассейна Северского Донца / Fig. 1. Layout of sampling sites for river water and sediments of the Seversky Donets River basin
Отбор проб для проведения геохимических исследований проводили дночерпателем. Масса отбираемых донных отложений с каждого створа составляла от 1000 до 1500 г. После морфологического описания отобранные пробы донных осадков были высушены до воздушно-сухого состояния и переданы в лабораторию для минералогического и химического анализа.
Как известно, главным фактором, определяющим адсорбционную способность донных грунтов, является содержание органического вещества и частиц размером меньше 0,01 мм, входящих в состав пелитовой фракции. Поэтому для того, чтобы охарактеризовать уровень загрязненности
донных отложений рек бассейна Северского Донца, был проведен анализ распределения микроэлементов в специально выделенной пелитовой фракции.
Выход пелитовой фракции нами определялся путём многократного взмучивания валовой пробы. Так как частицы разной размерности имеют различную скорость осаждения, получаемая в процессе взмучивания донных осадков суспензия содержит в себе преимущественно частицы размером <0,01 мм. Затем взвесь с мельчайшими частицами отделялась от остальной пробы, просушивалась и, при наличии 30 г такой пробы, отправлялась в лабораторию АО «Южгеология».
Для определения концентраций элементов в пелитовой фракции были использованы методы количественного химического анализа (КХА) - атомно-абсорбционная спектрометрия с использованием атомно-абсорбционного спектрометра «Квант-2АТ».
Отбор проб поверхностных вод для гидрохимических исследований произведен в соответствии с ГОСТ 17.1.3.07-82 и ГОСТ 17.1.5.01-80 [4, 6]. На малых и средних реках при однородном химическом составе воды отбор проб проводился на стрежне водотока, в поверхностном слое воды на глубине до 50 см. На створах р. Северский Донец отбиралась интегральная проба воды, составленная из частных проб от бортов реки и на стрежне.
Все аналитические работы, предусматривающие определение химического состава поверхностных вод, проводились в современной промышленно-экологической лаборатории ООО «Экологические технологии» в г. Шахты.
Оценка уровня загрязненности донных отложений рек бассейна Северского Донца произведена с использованием общепринятого суммарного показателя загрязнения Zc (СПЗ) [7, 8] и предлагаемого нами интегрального показателя загрязненности донных отложений (ИПЗдо). Для расчёта показателей уровня загрязненности донных отложений использовано содержание 8 металлов: Fe, Mn, Cr, Ni, Cu, Co, Zn, Pb.
Расчет СПЗ проводится в два этапа. На первом рассчитываются коэффициенты концентраций Kc, представляющих собой отношение валовых содержаний элементов в донных отложениях к их фоновому или кларковому содержанию. Выявляются элементы с аномальным содержанием
n
(для которых Kc > 1,5). Для этих элементов рассчитывается СПЗ: ZC = X Kc - (n -1).
i=1 '
Уровень загрязнения донных отложений определяется в соответствии с величиной СПЗ по следующей шкале: 0-10 - слабый уровень загрязнения; 10-30 - средний уровень; 30-100 - сильный уровень; более 100 - очень сильный уровень загрязнения.
Предлагаемый нами ИПЗдо рассчитывается по следующей формуле:
n
X KT ' KC
ИПЗдо = log 10 ( PF ) • ^-,
n
где Kt - коэффициент, зависящий от класса опасности элемента; Kc - коэффициент концентрации элемента, представляющий собой отношение содержания элемента в пелитовой фракции донных отложений к его фоновому (кларковому) содержанию; n - число исследуемых элементов, для которых Kc> 1,5; PF - выход пелитовой фракции, %.
В соответствии c нормативами качества вод водных объектов рыбохозяйственного значения [9] для элементов четырёх классов опасности были присвоены следующие коэффициенты: Fe, Mn - 0,5; Cr, Ni, Cu, Co, Zn - 1,0; Pb - 1,2. Элементы первого класса опасности в донных отложениях не анализировались, однако для них установлен коэффициент 1,5.
Степень загрязненности донных отложений определялась в соответствии с величиной ИПЗдо по следующей оценочной шкале: <3,5 - слабая степень; 3,5-7,0 - умеренная степень; 7,0-14,0 -высокая степень; более 14,0 - экстремально высокая степень загрязненности.
Использование при расчете ИПЗдо коэффициентов класса опасности типоморфных элементов и процентного содержания пелитовой фракции в пробе позволяет не только отразить уровень накопления элементов в донных отложениях, но и оценить риск вторичного загрязнения водной толщи материалом донных отложений.
Оценка качества речных вод Восточного Донбасса проведена на основе удельного комбинаторного индекса загрязненности воды (УКИЗВ) [10], принятого и широко используемого в системе го-
сударственного мониторинга. Значение показателя может изменяться в зависимости от степени загрязненности воды от 1 до 16, где большему значению индекса соответствует худшее качество воды.
Классификация качества воды по степени загрязненности осуществляется с учетом числа критических показателей загрязненности воды (КПЗ), кратности и частоты повторяемости случаев превышения ПДК. Классификация качества воды, проведенная на основе значений УКИЗВ с учетом числа КПЗ, позволяет разделить поверхностные воды на пять классов в зависимости от степени их загрязненности [10].
Оценка качества воды проводится по перечню ингредиентов и показателей качества воды, которые могут быть дополнены специфическими загрязняющими веществами, характерными для отдельных водных объектов и имеющими локальное распространение.
Поэтому в нашей работе при оценке качества речных вод и определении степени их загрязненности сформирован следующий перечень гидрохимических показателей с учетом специфики воздействия угледобывающей промышленности на поверхностные воды региона: хлориды, сульфаты, сумма (Na+ + К+), минерализация воды, железо общее, медь (Cu2+), цинк (Zn2+), никель (Ni2+), марганец (Mn2+), кадмий (Cd2+), алюминий (Al3+), стронций (Sr2+), бериллий (Be2+) и литий (Li+).
Результаты и их обсуждение
В табл. 1 представлены результаты оценки уровня загрязненности воды и донных отложений рек бассейна Северского Донца. Степень загрязненности воды по УКИЗВ варьирует от класса 4 «А» (грязная) до 5-го (экстремально грязная), в то время как уровень загрязненности донных отложений преимущественно слабый или умеренный по двум показателям. Наиболее благополучными с точки зрения загрязненности как воды, так и донных отложений являются реки Калитва, Быстрая и Север-ский Донец - речные осадки в целом оценены как слабозагрязненные, а вода классифицирована как грязная (4 «А» или 4 «Б»). Высокий уровень загрязнения донных отложений отмечен только в устьевом створе реки Большая Гнилуша. С точки зрения степени загрязненности воды для этого участка реки она максимальна - 5-й класс качества, экстремально грязная вода.
Таблица 1 / Table 1
Характеристика уровней загрязненности донных отложений и речных вод Восточного Донбасса / Characteristics of the river waters and sediments pollution levels in the Eastern Donbass
Река № створа Донные отложения Речная вода
СПЗ Уровень загрязнения по СПЗ ИПЗдо Уровень загрязнения по ИПЗдо УКИЗВ сред-немноголетний Класс качества и степень загрязненности по УКИЗВ
Большая Каменка 15.1 5,35 Слабый 5,49 Умеренный 5,09 4 «В», очень грязная
15.2 7,52 Слабый 4,57 Умеренный 5,77 5, экстремально грязная
Малая Каменка 16.1 5,22 Слабый 3,01 Слабый 5,38 4 «В», очень грязная
17.1 2,93 Слабый 5,12 Умеренный 5,71 5, экстремально грязная
17.2 11,91 Умеренный 6,33 Умеренный 5,72 5, экстремально грязная
Лихая 18.1 2,86 Слабый 3,48 Слабый 5,85 5, экстремально грязная
19.1 10,85 Умеренный 4,77 Умеренный 5,55 5, экстремально грязная
19.2 15,33 Умеренный 4,92 Умеренный 5,20 4 «В», очень грязная
Калитва 20.1 4,07 Слабый 3,75 Умеренный 4,47 4 «Б», грязная
21.1 1,96 Слабый 0,00 Слабый 4,21 4«Б», грязная
21.2 1,00 Слабый 2,32 Слабый 4,25 4 «А», грязная
Быстрая 22.1 6,13 Слабый 2,06 Слабый 5,58 4«В», очень грязная
23.1 1,00 Слабый 1,56 Слабый 4,32 4 «А», грязная
Большая Гнилуша 25.1 28,38 Умеренный 7,27 Высокий 6,52 5, экстремально грязная
25.3 7,54 Слабый 3,92 Умеренный 6,59 5, экстремально грязная
Кундрючья 24.2 6,90 Слабый 4,10 Умеренный 5,35 4 «Г», очень грязная
26.1 4,09 Слабый 4,59 Умеренный 5,92 5, экстремально грязная
27.1 4,68 Слабый 6,41 Умеренный 6,36 5, экстремально грязная
Северский Донец 28.2 1,00 Слабый 0,00 Слабый 4,61 4 «Б», грязная
29.1 1,00 Слабый 2,68 Слабый 4,51 4 «Б», грязная
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
Для того чтобы более корректно сравнивать уровни загрязненности воды и донных отложений, а также наиболее адекватно выявить взаимосвязь химического состава изучаемых сред, были рассчитаны коэффициенты линейной корреляции для указанных ранее показателей (табл. 2).
Таблица 2 / Table 2
Коэффициенты корреляции для показателей уровней загрязненности воды и донных отложений / Correlation coefficients for indicators of river water and sediments pollution levels
Показатель СПЗ ИПЗдо УКИЗВ
СПЗ 1
ИПЗдо 0,66 1
УКИЗВ 0,55 0,71 1
Как видно из данной таблицы, значения коэффициента корреляции между УКИЗВ и показателями загрязненности донных отложений являются положительными; между УКИЗВ и СПЗ выявленная взаимосвязь является заметной, а в случае с ИПЗдо - даже высокой. Отсюда следует, что дальнейшее сопоставление целесообразно проводить между УКИЗВ и ИПЗдо.
Для выявления отдельных створов, в которых будут наблюдаться наиболее сильные несоответствия в уровнях загрязненности двух сред, нами построены геохимические спектры по показателям УКИЗВ и ИПЗдо (рис. 2).
Как видно из рисунка, наиболее существенная разница между уровнями загрязненности воды и донных отложений наблюдается в следующих створах: 15.2 (р. Большая Каменка), 16.1 и 17.1 (р. Малая Каменка), 18.1 (р. Лихая), 22.1 (р. Быстрая) и 25.3 (р. Большая Гнилуша). Створы 21.1 на реке Калитва и 28.2 на реке Северский Донец рассматриваться подробно не будут в связи с нулевым значением показателя загрязнения донных отложений и отсутствием аномальных значений содержания элементов.
Рис. 2. Геохимические спектры уровней загрязненности воды (по УКИЗВ) и донных отложений (по ИПЗдО) в бассейне Северского Донца / Fig. 2. Geochemical spectra of river water and sediments pollution levels in the Seversky Donets River basin
Для выделенных створов рек с наибольшим несоответствием уровней загрязненности воды и донных отложений проанализированы ассоциации металлов в донных отложениях рек и критические показатели загрязненности воды (табл. 3).
Обращает на себя внимание, что для донных отложений рек бассейна Северского Донца характерна преобладающая роль свинца в структуре геохимической ассоциации; практически во всех створах он занимает главенствующее положение. Кроме него, в геохимическую ассоциацию входят также никель, марганец и цинк.
Таблица 3 / Table 3
Основные загрязняющие элементы речных вод и донных отложений рек бассейна Северского Донца / The main contaminants of river waters and sediments in the Seversky Donets River basin
Река Номер створа ИПЗдо Значение УКИЗВ Ассоциация металлов в ДО КПЗ воды
макрокомпоненты микрокомпоненты
Большая Каменка 15.2 4,57 5,77 Pb3,3 > NÎ2.2 > МП1,8 SO4, Fe Al, Be, Mn, Cu, Sr
Малая Каменка 16.1 3,01 5,38 Pb2,5 > Zn1,9 > Ni1,5 SO4, Fe Al, Mn, Cu, Sr
17.1 5,12 5,71 Pb3,3 > Ni1,8 SO4 Al, Mn, Cu, Sr
Лихая 18.1 3,48 5,85 Pb1,6 SO4, Fe Al, Mn, Sr
Быстрая 22.1 2,06 5,58 Pb1,5 SO4 Al, Mn, Sr
Большая Гнилуша 25.3 3,92 6,59 Pb3,0 > Mn1,7 > Ni1,5 Na+K, SO4, Fe Al, Be, Mn, Cu, Sr
Макрокомпонентный состав речных вод на большинстве исследуемых участков рек характеризуется высоким содержанием сульфатов и соединений железа. Среди микрокомпонентов наибольшим содержанием относительно ПДК характеризуются А1, Ве, Мп, Си, Sr (табл. 3).
Для того чтобы получить более сопоставимые данные для сравнения между собой уровней содержания металлов в воде и донных отложениях, нами построены спектры концентрации и рассеяния элементов в изучаемых средах (рис. 3). При построении использованы данные по содержанию металлов в валовой пробе и пелитовой фракции донных отложений, а также в речной воде. Коэффициенты концентрации для валовых содержаний рассчитаны относительно кларков осадочных пород [11], для содержаний в пелитовой фракции - относительно кларков глин и глинистых сланцев [11], а для речной воды - относительно кларков речных вод [12].
Наибольшее несоответствие наблюдается для коэффициентов концентрации марганца - в воде его содержание на порядок выше. Коэффициенты концентрации меди в воде и донных отложениях отличаются незначительно (0,9-1,2). Что касается никеля и свинца, то их количество уменьшается в ряду пелитовая фракция - валовая проба - речная вода, что указывает на тесную взаимосвязь содержаний этих элементов с долей пелитовой фракции донных отложений.
Рассмотрим подробнее основные факторы накопления и распределения этих элементов в речных водах и донных отложениях рек.
Марганец в поверхностных водах ведет себя совершенно по-разному в зависимости от сочетания физико-химических факторов, среди которых окислительно-восстановительная обстановка (Е^), pH водной среды, наличие лигандов или других комплексообразователей, содержание взвешенных веществ и др. При снижении Eh и рН марганец способен накапливаться в водной толще. Способность марганца (II) к окислению, а также процессы адсорбции способствуют его накоплению в донных отложениях.
Согласно ранним исследованиям [13], для речных вод южных районов России доля взвешенной формы миграции марганца в речных водах достигает 90 % и более. Значительное количество марганца сорбируется на речной взвеси при высоком содержании пелитовой фракции и преобладании в составе последней глинистых минералов. Однако в малых реках, зарегулированных большим количеством плотин и водохранилищ и имеющих большую извилистость, процент взвешенных форм марганца будет снижаться за счет их осаждения в условиях замедленного стока.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
Рис. 3. Спектры концентрации и рассеяния элементов в воде и донных отложениях рек бассейна Северского Донца / Fig.3. Spectra of elements concentration and dispersion in river waters and sediments
in the Seversky Donets River Basin
Как показывают наши исследования [1], аномальное содержание марганца в донных отложениях в основном приурочено к створам, в которых содержание пелитовой фракции более 80 %.
Несмотря на то что марганец способен накапливаться в донных отложениях и в реках бассейна Северского Донца, существуют условия, способствующие его адсорбции и осаждению, содержание этого элемента на порядок выше в воде. Это указывает на постоянный источник поступления марганца в речную сеть и особые окислительно-восстановительные условия, при которых марганец способен накапливаться в водной толще.
Высокое содержание марганца в речных водах бассейна Северского Донца в большей степени обусловлено влиянием шахтных вод. Как известно, с ними в речную сеть поступает значительное количество железа, марганца, сульфатов, меди и других микроэлементов.
Как показано в работе [14], подземные воды Гуковского района обогащены Мп по сравнению с фоновыми аналогами примерно в 6 раз. При этом в самих шахтных водах угледобывающих предприятий Восточного Донбасса концентрации марганца могут превышать ПДК более чем в 100 раз.
Для марганца характерна высокая скорость молекулярной диффузии в граничный слой между донными отложениями и придонной водой, что указывает на высокую вероятность вторичного загрязнения воды соединениями марганца. Согласно данным лабораторных экспериментов [15], посвященных изучению процессов десорбции металлов из донных отложений в речную воду рек Восточного Донбасса, в системе речная вода - донные отложения после перемешивания наибольшие изменения в содержании отмечены для марганца. Так, в зависимости от минерализации речной воды концентрация марганца в ней может увеличиваться в 16-20 раз в течение часа взаимодействия, тогда как для остальных металлов увеличение происходит в 1,5-2,5 раза.
Выполненный нами ранее расчет массы элементов, потенциально способной вовлекаться в процесс вторичного загрязнения речных вод [16], показал, что именно для марганца отмечена наибольшая масса элемента, которая потенциально доступна для перехода в речную воду, несмотря на то что и по валовым концентрациям, и по общей накопленной массе железо превалирует в ряду металлов. Значения составляют порядка десятка и сотен мг/км реки, в то время как для железа и цинка характерны величины на порядок меньше.
Таким образом, основными факторами, определяющими содержание марганца в донных отложениях, являются высокое содержание этого элемента в шахтных водах, высокое содержание пелитовой фракции в донных осадках и низкая скорость течения речных вод в бассейне Север-ского Донца. При этом, на наш взгляд, более высокое содержание соединений марганца в воде указывает на процессы самоочищения донных отложений и процессы вторичного загрязнения
водной толщи, а также на наличие постоянного источника поступления (например, шахтные воды или др.) либо на формирование условий, препятствующих осаждению соединений марганца (снижение Eh воды).
Медь в поверхностных водах бассейна Северского Донца характеризуется аномальным содержанием лишь эпизодически (в трех створах), причем коэффициент концентраций меди в целом колеблется в пределах от 1,0 до 1,6. Однако при расчете УКИЗВ медь во многих створах относится к критическим показателям загрязненности воды.
Разница величин коэффициента концентрации и кратности превышений ПДК меди в донных отложениях и воде вызвана не конкретными уровнями содержания, а разными критериями для оценки, существенно отличающимися друг от друга.
Так, в частности, кларк меди по речным водам [12] составляет 0,005 мг/дм3, в то время как ПДКрыбхоз - 0,001 мг/дм3. Используемые при расчете УКИЗВ значения ПДК соединений меди в 5 раз меньше кларковых содержаний меди в речных водах, поэтому и результат, получаемый с помощью такой оценки, будет серьезно завышен.
В целом ярко выраженная способность меди сорбироваться взвешенными веществами путем ионного обмена с глинистыми минералами и взаимодействия с гумусовыми соединениями в совокупности с ранее упомянутой низкой скоростью течения рек исследуемого района создает предпосылки для осаждения меди из речных вод в донные отложения. В то же время, как указывают авторы работы [13], вторичное загрязнение речных вод медью является маловероятным. По данным упомянутого лабораторного эксперимента [15], из исследуемых металлов именно медь обладает наименьшей способностью к переходу в речную воду, что обусловливает низкий уровень загрязненности соединениями меди исследуемых участков рек.
Несмотря на перечисленные факторы, в донных отложениях рек бассейна Северского Донца аномальное содержание меди отмечено лишь в трех створах. Поэтому можно констатировать, что в бассейне Северского Донца уровень загрязненности соединениями меди речных вод и донных отложений низкий.
Свинец в поверхностных пресных водах мигрирует преимущественно во взвешенных формах. Как указывается в работе [13], для рек Черноморского бассейна доля взвешенных форм свинца может достигать 90-98 %. Этому способствует высокое сродство ионов свинца (II) к природным адсорбентам (гидроксиды металлов, глинистые частицы). Согласно данным [17], свинец способен практически полностью сорбироваться и осаждаться при значениях pH выше 6,0 и отсутствии растворимых комплексообразующих форм. Кроме того, большую роль в процессах сорбции свинца из водной толщи будут играть процессы комплексообразования с гуминовыми кислотами.
Поэтому в исследуемом районе, где речные воды характеризуются слабощелочной реакцией среды 8,0-8,5, свинец будет накапливаться преимущественно в донных отложениях за счет высокого содержания глинистых минералов пелитовой фракции, а также сорбции и осаждения свинца с гуминовыми кислотами.
Никель в реках исследуемого района в аномальном содержании отмечается в донных отложениях практически в половине створов, в то время как для водной толщи аномальное содержание никеля наблюдается лишь в 2 створах. Как указывают авторы работы [13], никель благодаря адсорбционным процессам способен накапливаться в донных отложениях рек, при этом он характеризуется средней подвижностью (ниже, чем у марганца и железа, но выше, чем у меди) и, соответственно, средней вероятностью вторичного загрязнения вод соединениями никеля. Авторы также указывают на существенную роль глинистых частиц в связывании никеля и его переносе. При этом взвешенная форма миграции никеля преобладает над растворенной. Таким образом, особенности накопления никеля и свинца представляются схожими: накопление в донных отложениях за счет связывания и осаждения с глинистым веществом пелитовой фракции и преобладание переноса этих элементов во взвешенной форме в речной воде.
Выводы
Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. Уровень загрязненности донных отложений рек бассейна Северского Донца определяется повышенным содержанием никеля и свинца - элементов, для которых характерен перенос преимущественно во взвешенном состоянии, в адсорбированной на глинистых минералах пелитовой
фракции форме. В силу гидрологических особенностей рек (большая извилистость, меандриро-ванность рек, низкая скорость течения) указанные факторы способствуют накоплению этих элементов в донных отложениях.
2. Уровень загрязненности речных вод определяется рядом макро- и микрокомпонентов, среди которых соединения марганца и меди вносят значительный вклад. Так как при корреляционном анализе выявлена значимая взаимосвязь между ИПЗдо и УКИЗВ, можно сделать вывод о существенном вкладе микрокомпонентов в общий уровень загрязненности речных вод (уровень загрязненности донных отложений рассчитывается относительно содержания микроэлементов, за исключением железа).
С нашей точки зрения, разные уровни загрязненности донных отложений и водной толщи рек бассейна Северского Донца вызваны процессами самоочищения донных отложений, когда определенное количество металлов переходит из донных отложений в водную толщу.
3. Таким образом, основные различия в уровнях загрязненности донных отложений и речных вод бассейна Северского Донца обусловлены процессами вторичного загрязнения речных вод, которые, с одной стороны, являются фактором самоочищения донных отложений, а с другой -служат постоянным источником поступления ряда элементов в речную воду. Кроме указанных процессов, немаловажным источником поступления соединений марганца и других элементов в реки исследуемого района являются шахтные воды.
4. Выявленные различия в уровнях загрязненности воды и донных отложений рек бассейна Северского Донца также могут быть вызваны физико-химическими особенностями элементов и условиями среды, способствующими либо их накоплению в донных отложениях (никель, свинец), либо переходу из донных отложений в водную толщу (марганец). Кроме этого, существенную разницу дает применение разных критериев для оценки уровней загрязненности (ПДК и кларковые величины), в результате чего оценка уровня загрязненности речной воды по УКИЗВ часто оказывается завышенной.
Список источников
1. Закруткин В.Е., Скляренко Г.Ю., Бакаева Е.Н., Решетняк О.С., Гибкое Е.В., Фоменко Н.Е. Поверхностные и подземные воды в пределах техногенно нарушенных геосистем Восточного Донбасса: формирование химического состава и оценка качества. Ростов н/Д.: ЮФУ, 2016. 172 с.
2. Красавцева Е.А., Сандимиров С.С. Состояние водных объектов в зоне влияния горно-перерабаты-вающих предприятий на примере ООО «Ловозерский ГОК» // Вода и экология: проблемы и решения. 2021. № 2 (86). С. 3-13.
3. Соколова О.В., Гричук Д.В., Шестакова Т.В., Пестова К.А. Трансформация загрязнений в системе речная вода - поровый раствор - твердая фаза донных отложений в малых реках (на примере водотоков Национального парка «Лосиный остров») // Вестн. Моск. ун-та. Серия 4: Геология. 2008. № 2. С. 46-57.
4. ГОСТ 17.1.5.01-80. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность. М.: Изд-во стандартов, 2002. 5 с.
5. ГОСТ Р 51232-98. Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества. М.: Изд-во стандартов, 1999. 241 с.
6. ГОСТ 17.1.3.07-82. Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков. М.: Стандартинформ, 2010. 10 с.
7. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
8. Янин Е.П. Техногенные геохимические ассоциации в донных отложениях малых рек (состав, особенности, методы оценки). М.: ИМГРЭ, 2002. 52 с.
9. Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбо-хозяйственного значения: Приказ Минсельхоза России № 552 от 13 декабря 2016 г. (с изменениями на 10 марта 2020 г.). М., 2016. 91 с.
10. РД 52.24.643-2002. Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям / В.П. Емельянова, Е.Е. Лобченко. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. 49 с.
11. Григорьев Н.А. Распределение химических элементов в верхней части континентальной коры. Екатеринбург: Ин-т геологии и геохимии УрО РАН, 2009. 381 с.
12. Виноградов А.П. Введение в геохимию океана. М.: Наука, 1967. 215 с.
13. Линник П.Н., Набиванец Б.И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. Л.: Гид-рометеоиздат, 1986. 270 с.
14. Закруткин В.Е., Скляренко Г.Ю., Гибкое Е.В. Особенности химического состава и степень загрязненности подземных вод углепромышленных районов Восточного Донбасса // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2014. № 4 (182). С. 73-77.
15. Решетняк О.С., Закруткин В.Е. Донные отложения как источник вторичного загрязнения речных вод металлами (по данным лабораторного эксперимента) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2016. № 4 (192). С. 102-109.
16. Решетняк В.Н., Закруткин В.Е. Количественная оценка накопленной массы тяжелых металлов в донных отложениях рек Восточного Донбасса // Актуальные вопросы и инновационные технологии в развитии географических наук: сб. тр. Всерос. науч. конф. Ростов н/Д.: ЮФУ, 2020. С. 528-530.
17. Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах: контроль и оценка влияния: пер. с англ. М.: Мир, 1987. 288 с.
References
1. Zakrutkin V.E., Sklyarenko G.Yu., Bakaeva E.N., Reshetnyak O.S., Gibkov E.V., Fomenko N.E. Surface and underground waters within the technogenically disturbed geosystems of the Eastern Donbass: formation of the chemical composition and quality assessment. Rostov-on-Don: Southern Federal University Press; 2016. 172 p. (In Russ.).
2. Krasavtseva E.A., Sandimirov S.S. The state of water bodies in the zone of influence of mining and processing enterprises on the example of OOO "Lovozersky GOK". Voda i ekologiya: problemy i resheniya = Water and Ecology: Problems and Solutions. 2021;(2):3-13. (In Russ.).
3. Sokolova O.V., Grichuk D.V., Shestakova T.V., Pestova K.A. Transformation of pollution in the system river water-pore solution-solid phase of bottom sediments in small rivers (on the example of the watercourses of Losiny Ostrov National Park). Vestn. Mosk. un-ta. Seriya 4: Geologiya = Bulletin of Moscow University. Series 4: Geology. 2008;(2):46-57. (in Russ.).
4. GOST 17.1.5.01-80. Protection of Nature. Hydrosphere. General requirements for sampling of bottom sediments of water bodies for pollution analysis. Moscow: Publishing House of Standards; 2002. (In Russ.).
5. GOST R 51232-98. Drinking water. General requirements for the organization and methods of quality control. Moscow: Publishing House of Standards; 1999. (In Russ.).
6. GOST 17.1.3.07-82. Protection of Nature. Hydrosphere. Water quality control rules for reservoirs and streams. Moscow: Standartinform Publ.; 2010. (In Russ.).
7. Sayet Yu. E., Revich B.A., Yanin E.P. Geochemistry of the environment. Moscow: Nedra Publ.; 1990. 335 p. (In Russ.).
8. Yanin E.P. Technogenic geochemical associations in bottom sediments of small rivers (composition, features, assessment methods). Moscow: IMGRE Publ., 2002. 52 p. (In Russ.).
9. On approval of the water quality standards fishery water bodies, including the maximum permissible concentrations of harmful substances in the waters of fishery water bodies: Order of the Russian Ministry of Agriculture No. 552 at December 13, 2016. Moscow, 2016. (In Russ.).
10. Emelyanova V.P., Lobchenko E.E. RD 52.24.643-2002. The method of complex assessment of the degree ofpollution of surface waters according to hydrochemical indicators. Saint Petersburg: Gidrometeoizdat Publ.; 2002. 49 p. (In Russ.).
11. Grigoriev N.A. Distribution of chemical elements in the upper part of the continental crust. Ekaterinburg: Institute of Geology and Geochemistry Press, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; 2009. 381 p. (In Russ.).
12. Vinogradov A.P. Introduction to ocean geochemistry. Moscow: Nauka Publ.; 1967. 215 p. (In Russ.).
13. Linnik P.N., Nabivanets B.I. Forms of metal migration in fresh surface waters. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ.; 1986. 270 p. (In Russ.).
14. Zakrutkin V.E., Sklyarenko G.Yu., Gibkov E.V. Peculiarities of the chemical composition and the degree of pollution of underground waters in the coal-mining regions of the Eastern Donbass. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki = Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2014;(4):73-77. (In Russ.).
15. Reshetnyak O.S., Zakrutkin V.E. Bottom sediments as a source of secondary river water pollution with metals (according to laboratory experiment data). Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki = Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2016;(4):102-109. (In Russ.).
16. Reshetnyak V.N., Zakrutkin V.E. Quantitative assessment of the accumulated mass of heavy metals in the river sediments in the Eastern Donbass. Topical issues and innovative technologies in the development of geographical sciences. Proceedings of the All-Russian Scientific Conference. Rostov-on-Don: Southern Federal University Press; 2020:528-530. (In Russ.).
17. Moore J., Ramamoorthy S. Heavy metals in natural waters: applied monitoring and impact assessment. Moscow: Mir Publ.; 1987. 288 p. (In Russ.).
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
Информация об авторах
В.Н. Решетняк - аспирант, младший научный сотрудник, Институт наук о Земле.
В.Е. Закруткин - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле.
Information about the authors
V.N. Reshetnyak - Postgraduate, Junior Researcher, Institute of Earth Sciences.
V.E. Zakrutkin - Doctor of Science (Geology and Mineralogy), Professor of the Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences.
Статья поступила в редакцию 01.06.2022; одобрена после рецензирования 20.06.2022; принята к публикации 30.08.2022. The article was submitted 01.06.2022; approved after reviewing 20.06.2022; accepted for publication 30.08.2022.
