Регистрация / Вход
Прислать материал

Оценка степени загрязненности донных отложений водного объекта тяжелыми металлами на примере Аксаковского залива Пяловского водохранилища

Общие сведения
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Название доклада
Оценка степени загрязненности донных отложений водного объекта тяжелыми металлами на примере Аксаковского залива Пяловского водохранилища
Название программы
Плановое заседание Секции государственной политики и регулирования в области водных ресурсов и безопасности ГТС Научно-технического совета Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации
Исполнитель проекта
ЗАО «ДАР/ВОДГЕО»
Название проекта
«Разработка методов определения состава и картирования донных отложений в водохранилищах» (ШИФР: 12фпц-М5-05)
Номер контракта
Докладчик (участник)
Участник
Новиков Сергей Олегович, Маслова Ольга Яковлевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данного исследования является оценка степени загрязненности донных отложений водного объекта тяжелыми металлами на примере Аксаковского залива Пяловского водохранилища в Мытищинском муниципальном районе Московской области вблизи д. Аксаково.
Задачами данного исследования являются: определение показателей загрязненности донных отложений исследуемого водного объекта тяжелыми металлами с применением различных оценочных методик, в том числе с использованием прикладного программного обеспечения (ПО) «Mike 21»; определение достоверности полученного практического результата с применением прикладного метода картирования для определения поэлементного распространения тяжелых металлов в донных отложениях водного объекта.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследований в данном исследовании определяется законодательством Российской Федерации, федеральными и региональными планами и программами, осуществляющие меры по снижению загрязнения водных объектов страны. Также следует отметить, что актуальность продиктована приоритетностью объектов инвестирования, отнесенных к исследованиям в области защиты экосистем Московского региона от загрязнения, по причине инвестиционной привлекательности территории.
Описание исследования

В настоящее время комплекс антропогенных и техногенных факторов являются одной из основных причин загрязнения гидросферы. В водных экосистемах, расположенных на урбанизированных территориях, содержится зачастую ряд известных примесей, прямо влияющих на степень загрязненности водных объектов. При анализе состава таких примесей, как правило, кроме органических соединений природного и антропогенного происхождения, продуктов их деструкции, радионуклеидов, пестицидов и др., присутствуют соединения тяжелых металлов (ТМ), обладающих в свою очередь токсикологическим и санитарно-токсикологическим действиями на биологические объекты.

Миграция химических веществ в водных объектах тесно связана с переходом веществ «вода — донные отложения». Донные отложения (ДО) перестали трактовать как фактор улучшения качества воды за счет осаждения и сорбции в них различных загрязняющих веществ из водной массы, в том числе таких как ТМ. Накопление в ДО водоемов вещества является фактором временного их выведения из круговорота, усиления процесса самоочищения ВО, однако загрязнение водной экосистемы при этом сохраняется, а при определённых условиях ДО могут выступать в качестве источника вторичного загрязнения.

Объектом научного исследования является Аксаковский залив Пяловского водохранилища (ПВ), площадью акватории порядка 30 га. На базе проведенных инженерно-экологических исследований воды в ПВ в 2014 и 2016 годах, включавшие сбор и изучение материалов пробоотбора, систематизацию материалов изысканий прошлых лет, лабораторные работы и камеральную обработку материалов, были получены результаты о содержании ряда металлов в ДО рассматриваемого водного объекта. Карта пробоотбора представлена на рис. 1.

Рис. 1. Карта-схема расположения пробных площадок.

 

Общепринятые методы экологических оценок состояния той или иной среды основываются на сопоставлении замеренной концентрацией загрязняющего вещества в среде с его фоновым значением или его установленной предельно-допустимой концентрацией (ПДК). Оценку экологческого состояния водных объектов консервативным способом принято давать с использованием таких методик, как: экологическая оценка с использованием метода Г. Мюллера; поэлементная оценка с использованием Нидерландской методики; оценка загрязненности ДО по суммарному показателю загрязненности.

Следует отметить, что в России предельно-допустимые концентрации ТМ в ДО пока не установлены. Поэтому часто для определения уровня загрязненности ТМ в ДО используют метод Г. Мюллера, который основывается на вычислении показателей геоаккумуляции по формуле 1:

Igeo=lоg 2(C/1.5Cф), (1)

где С – измеренная (валовая) концентрация элемента в донных отложениях;

Cф – геохимическая фоновая концентрация элемента, определяется по данным специальных исследований с учетом региональных особенностей рассеивания элемента n;

1.5 – коэффициент учета вариаций природных концентраций элемента.

Оценка уровня загрязнения донных отложений тяжелыми металлами по Мюллеру образуют простую систему классов геоаккумуляции (таблица 1), которая позволяет математическим путем определить классификационные показатели оценки экологического состояния донных отложений и «локализовать» места формирования донных отложений с максимальными концентрациями загрязняющих веществ.

Табл. 1. Система классов геоаккумуляции по Мюллеру

Значение индексов геоаккумуляции Igeo

Классы геоаккумуляции (Игео-классы)

Уровень загрязненности донных отложений тяжелыми металлами

>0

0

Практически незагрязненный

>0-1

1

Незагрязненный до умеренно загрязненный

>1-2

2

Умеренно загрязненный

>2-3

3

Средне загрязненный

>3-4

4

Сильно загрязненный

>4-5

5

Сильно загрязненный до чрезмерно загрязненного

>5

6

Чрезмерно загрязненный

 

В совместных российско-голландских проектах применяется система стандартов, принятая в Нидерландах (1993-1994), где существуют экологические нормативы, регламентирующие качество ДО, почв и грунтовых вод. По данной методике существуют два вида нормативов: «намеченный», S (экологический) и «нормативы санации», I. Критерий норматива — это состояние экосистемы, при котором условно считается, что при его соблюдении экосистеме не наносится ущерба, однако на практике такое положение вещей не всегда достижимо, поэтому следует руководствоваться пониманием, что превышение нормативов санации наносит непосредственную угрозу окружающей среде и здоровью населения.

Оценка загрязненности ДО по суммарному показателю загрязненности Zc , рассчитывается от среднеарифметических значений концентраций элемента (форм. 2, 3):

Zc=ΣКс-(n-1), (2)

где Кс=С/Сф .

Результаты исследования

При экологической оценке с использованием метода Г. Мюллера определены значения индексов геоаккумуляции для каждого элемента, встречающегося в пробных материалах химико-технологических анализов за 2014 и 2016 года (таблица 2). При этом окончательные значения показателей элементов из каждой пробы взяты как их среднеарифметическое от полученных результатов измерения количественного химического анализа (КХА). Соответствующая индексация классов геоаккумуляции сохраняется, повторяя классификацию из таблицы 1.  Значения фона для каждого элемента соответствуют фону в ДО рек Московской области.

Табл. 2. Оценка уровня загрязнения донных отложений Аксаковского водохранилища по Г. Мюллеру за 2014 и 2016 года.

Элемент

С, мг/кг

Cф, мг/кг

Igeo

Игео-класс

2014

2016

2014

2016

2014

2016

2014

2016

Mn

1159

1035

635

635

0,28

0,12

1

1

Hg

0,26

0,24

0,03

0,03

2,53

2,42

3

3

Ni

47,75

44,5

18

18

0,83

0,72

1

1

Cd

0,65

0,55

0.3

0.3

0,34

0,29

1

1

Pb

84,05

83,6

29

28

1,01

0,95

2

1

Zn

270

260,65

123

123

0,55

0,5

1

1

Cu

46,75

45,5

30

30

0,06

0,02

1

1

As

6,4

5,88

3

3

0.15

0,39

1

1


Анализируя полученные результаты, обращаем внимание на то, что все элементные показатели выше экологического норматива.

Стоит отметить, что классификация Мюллера имеет свои недостатки, заключающиеся в отсутствии возможности комплексной оценки воздействия загрязнений на водный объект, так как оценки уровня загрязненности производятся по каждому элементу отдельно. Кроме того, данная классификация не позволяет учитывать миграционные свойства элементов и степень их подвижности. Однако, обратив внимание на значения индексов геоаккумуляции каждого элемента за разные года, можно проследить тенденцию уменьшения уровня загрязненности данными элементами, что позволяет предположить накопление ТМ в ДО рассматриваемого ВО.

Результаты оценки степени загрязненности ДО водного объекта по нидерландской методике свидетельствуют о том, что в период исследований экологические нормативы превышены по содержанию элементов: Hg, Cu, Ni, Pb, Zn, причем превышение нормативов санации не наблюдалось (таблица 3).

Табл. 3. Экологические нормативы (ПДК) и нормативы санации для ДО согласно нидерландской методике и данные пробоотбора при исследовании Аксаковского водохранилища за 2014 и 2016 года.

 

Cd

Hg

Cu

Mn

Ni

Pb

Zn

Cu

S*

0,8

0,15

35

-

35

80

140

75

I**

10

5

190

-

210

530

720

510

Значения концентраций материала пробоотбора, взятого в 2014 г.

0,65

0,26

46,75

1159

47,75

84,05

270

46,75

— в 2016 г.

0,55

0,24

45,5

1035

44,5

83,6

260,7

45,5

 

По результатам оценки загрязненности ДО по методике суммарных показателей загрязнённости (СПЗ) значения СПЗ для 2014 и 2016 (таблица 4) годов составили 17,1 и 15,41 соответственно, что в свою очередь может указывать на факт вторичного загрязнения воды в водохранилище.

Табл. 4. Оценка загрязненности ДО по суммарному показателю

Кс

KMn

KNi

KCu

KZn

KAs

KCd

KHg

KPb

2014

1,82

2,65

1,56

2,2

2,13

2,17

8,67

2,9

2016

1,63

2,47

1,52

2,12

1,96

1,83

8,0

2,88

 

Для оценки загрязненности ДО водного объекта тяжелыми металлам с использованием прикладного ПО был выбран программный комплекс «Mike 21», способный решать различного рода инженерные гидравлические задачи (моделирование течений, перенос примесей и воды в водных пространствах, эстуариях, прибрежных зонах рек и др.) и с его помощью были построены карты концентраций некоторых химический соединений тяжелых металлов в донных отложениях ВО за 2014 и 2016 года (рис. 2-6).

Рис. 2. Карты концентраций соединений Zn.

Рис. 3. — Pb

Рис. 4. — Cu

Рис. 5. Бенз(а)пирена

Рис. 6. — нефтепродуктов

Практическая значимость исследования
Оценка загрязненности водных объектов позволяет оценить степень техногенной нагрузки на водные экосистемы, выявить неблагополучные в экологическом плане участки ВО, с целью прогнозирования экологической ситуации на изучаемой территории, миграции различных веществ, а также выбора эффективных превентивных мер защиты природных объектов.
Картирование концентраций химический соединений тяжелых металлов в донных отложениях водного объекта при помощи ПО позволяют визуально определить общую тенденцию протекания процесса загрязнения водного объекта, динамику изменения концентраций загрязняющих веществ (ЗВ) в ВО. В ряде случаев при изменении гидрохимических и гидрогеологических условий ВО возможен выход ЗВ из ДО в воду, приводящий ко вторичному загрязнению и ухудшению качества воды. Полученные результаты картирования в данной геоэкологической задаче этот факт наглядно подтверждают совпадаем с результатами, полученными при использовании консервативных методик. Эффект от использования ПО при решении инженерных задач такого рода заключается в сокращении времени на обработку данных и обсчет, однако следует учесть несовершенство данного программного комплекса при построении карт концентраций веществ в случаях, когда водный объект ограничен нерегулярной береговой линией. В такой ситуации при малом количестве исходных точек исключается их действительная интерполяция, что указывает на необходимость модернизации программного алгоритма.