Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В КОМПОНЕНТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
1.1. Микроэлементы в окружающей среде 11
1.2. Взаимодействие микроэлементов с другими веществами в водоёмах 14
1.3. Донные отложения как возможный источник вторичного загрязнения водоёма 23
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Краткая характеристика Иваньковском водохранилища и его донных отложений 27
2.2. Методы исследования 39
ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ВЕРХНЕЙ ВОЛГИ ОТ ИСТОКА ДО ВХОДНОГО СТВОРА ИВАНЬКОВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА 46
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ВОДЕ, ПОРОВОМ РАСТВОРЕ И ТВЁРДОЙ ФАЗЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ИВАНЬКОВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА.
4.1. Состояние изученности загрязнения ДО ТМ 54
4.2. Уровни загрязнения ДО по результатам экспедиционных исследований 2002г 57
4.3. Натурные исследования на станциях наблюдения «Плоски» и «Шошинский плёс» 64
4.4. Оценка накопленной массы подвижных форм элементов в твёрдой фазе 10см слоя ДО плёсов Иваньковского водохранилища 97
4.5. Редкоземельные элементы в воде и донных отложениях Иваньковского водохранилища 107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115
Введение к работе
Регулирование речного стока водохранилищами приводит к существенному изменению водного, гидрохимического и гидробиолої ического режимов рек При создании водохранилищ устанавливается новый круговорот веществ в единой системе «водные массы гидробионты - донные отложения» При этом ДО водохранилищ играют двоякую роль, являясь одновременно аккумулятором элементов и их соединений и источником вторичного загрязнения воды Мноіообразие природных и техногенных факторов, совокупность которых и определяет особенности этого круговорота, создает значительные трудности при его экспериментальном изучении. Особенно это касается изучения круговорота тяжелых металлов, существующих в природных водах и донных отложениях в разных химических формах. Основными источниками их поступления служат: сухие и влажные атмосферные осадки, почвы и растительность водосбора, подземные воды, промышленные и бытовые сточные воды, агроландшафты, поверхностный сток с городских территорий. На попадающие в водный объект различными путями ІМ действуют процессы гидролиза, сорбции, десорбции, комплексообразования, осаждения и биопоглощения, вследствие которых ТМ меняют формы своего существования, переходят из водной фазы в твердый скелет взвесей и донных отложений, осаждаются в виде труднорастворимых соединений, вновь переходят в водный раствор. Доминирование тех или иных процессов зависит, главным образом, от географического положения водного объекта, его гидрологического режима, особенностей химического состава вод, биопродуктивности, особенностей почвенного и растительною покрова водосборной территории, характера антропогенной нагрузки.
Можно выделить основные механизмы аккумуляции ТМ в ДО:
- Сорбция ТМ взвешенными минеральными частицами, принесенным и с водосбора и поступающими в водоем при переработке берегов, с последующей их седиментацией;
- Сорбция и накопление гидробионтами с последующей седиментацией постлетальных остатков;
- Сорбция пеллетами, экскретируемыми гидробионтами при жиши с последующей седиментацией;
- Сорбция донными отложениями
- Осаждение ТМ на кислородном іеохимическом барьере «водная масса-дно водоема» из выклинивающихся подземных вод;
- Осаждение труднорастворимых соединений и соосаждение с гидроксидами Fe и Мп;
- Молекулярная диффузия из водной массы в поровый раствор,
- Удаление взвешенных частиц из столба воды в результате фильтрации воды і идробионтами
Все эти процессы приводят к аккумуляции ТМ в ДО В зависимости генезиса и путей переноса ТМ поступают в разных формах, часто унаследованных от почв водосбора В верхних слоях ДО происходят диагенетические процессы, приводящие к перераспределению элементов и изменению форм их существования. От форм существования в значительной сіепени зависит состав и концентрация поровых растворов, прочность связи ТМ с твердой фазой ДО, доступность их использования гидробионтами, уровень токсичности ДО.
Выход ТМ из ДО возможен двумя путями: абиотическим и биотическим Основные механизмы абиотического выноса ТМ из ДО.
- Молекулярная диффузия ТМ из перового раствора в водную массу,
- Конвективный вынос ІМ при выклинивании подземных вод,
- Вынос при взмучивании поверхностної о слоя ДО,
- Комнлексообразование и десорбция комплексов ТМ с органическими лиіандами из ДО;
- Вынос ТМ при растворении гидроксидов Fe и Мп в условиях восстановительной обстановки водоема,
- Уплотнение осадков
Биотический путь это комплекс процессов, сопровождающих жизнедеятельность гидробионтов и приводящих к изменению кислотно-основных свойств ДО, их окислительно-восстановительных условий, солености, концентрации органических соединений, к увеличению эффективной пористости Процессы биоперемешивания и корневая абсорбция макрофитов также способствует выносу ТМ из ДО.
Все пи процессы протекают одновременно с разной направленностью и способе і вует выносу ТМ из ДО
Все зги процессы протекают одновременно с разной направленностью и пространственно-временной интенсивностью Существующие методы экспериментального ишерения потоков ТМ через границу «вода-дно» в реальных водоемах сопряжена с бо іьшими трудностями, мноіие процессы вообще невозможно измерить в условиях натуры, а количественная оценка мноіих из них требует постоянных наблюдений на большом числе станций Даже по іучивший широкое распространение метод количественной оценки диффузионных потоков по среднему градиеіпу концентрации придонного слоя водной массы и норового раствора дает лишь очень приближенные результаты измерения выноса ТМ при значительных усилиях для их получения
Экспериментальное изучение выноса веществ из образцов ДО в лабораторных условиях также не позволяет моделировать всю совокупность изменяющих во времени процессов диагенеза и накопления, контролирующих, наряду с выносом, круговорот ГМ в водоеме.
Сущесівующие натурные и экспериментальные методы не позволяют определить равнодействующей всех процессов аккумуляции и выноса элементов и не могут определить, в каких формах мигрируют ТМ через границу «вода-дно». Ни один экспериментальный метод не позволяет определить всю совокупность диагенетических процессов в ДО, приводящих к существенной трансформации геохимических условий, определяющих возможности вторичного загрязнения водоема.
Все это заставляет искать другие пути постановки натурных исследований круговорота ТМ в водных объектах с замедленным водообменном, характерной особенностью которых является формирование значительною объема рыхлообломочных отложений и накопления в них значительных запасов ТМ, биогенов и других загря зияющих веществ
Идея замера изменения запаса элементов в норовом растворе и твердой фазе ДО за короткие отрезки времени между съемками для количественной оценки равнодействующей процессов накопления и выноса была реализована на Иваньковском водохранилище. Оценивались не только общие запасы элеменюв, но и изменения запасов основных форм их существования в жидкой и твердой фазах ДО, так как разнонаправленные потоки ТМ составлены из )лементов, находящихся в разных формах Oi процессов трансформации форм существования элементов в ДО зависит интенсивность массообмена в системе вода-дно.
Актуальность темы. Иваньковское водохранилище - основной источник водоснабжения г. Москва Качество воды водохранилища формируется в истоках р. Волги и в самом водохранилище под воздействием природных и антропогенных факторов За все годы ею существования (оно было введено в эксплуатацию в 1937 і) в донных отложениях (ДО) накопилось значительное количество различных шрязняющих веществ Наибольшую опасность с точки зрения качества воды всегда представляли тяжелые металлы (ТМ) и их соединения, характери зующиеся высокой токсичностью Эти вещества, накапливаясь в ДО, могуг при определенных условиях переходить обратно в водную массу. Массообмен в системе вода-донные отложения во многом швисит от форм их существования в донных отложениях Таким образом, исследование миграции ТМ в системе вода-донные отложения и получение количественных оценок интенсивности их массообмена в этой системе в различные сезоны года является весьма актуальной задачей На основе этих характеристик можно судить о наличии или отсутствии опасности вторичною загрязнения
Цель работы - выявление форм существования тяжёлых мета їлов в поровом растворе и твердой фазе донных отложении, оценка накопления и выноса этих форм по материалам натурных исследований
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи-1. Оценить современный уровень загрязнения тяжелыми металлами донных осадков речного участка Верхней Волги и Иваньковского водохранилища с учетом форм их существования 2 Определить характер распределения ТМ в ДО Иваньковского водохранилища и дать количественную оценку общей накопленной массы.
Изучиїь сезонную динамику содержаний ТМ в поровых растворах и придонных горизонтах вод на станциях постоянных наблюдений в Волжском и Шошинском плесах Иваньковского водохранилища
4. Изучить динамику подвижных форм ТМ в твёрдой фазе ДО на станциях постоянного наблюдения.
5. Оценить запасы подвижных форм ТМ, их сезонную динамику в твердой фазе ДО по отдельным плёсам.
6. Оценить возможность накопления и выноса ТМ из ДО по плесам водохранилища.
Объекты исследований. Объектами исследований являлись: 1. Верхняя Волга от истоков до д. Городня. 2 Иваньковское водохранилище
Научная новизна работы. На основании проведенных комплексных гидрохимических и іеохимических исследований Верхневолжских озер, неурегулированного участка Верхней Волги и Иваньковского водохранилища получены следующие результаты:
1. Оценён современный уровень іагрязнения ТМ ДО Верхней Волги и Иваньковского водохранилища. Установлено, что в последние годы уровень загрязнения ДО тяжелыми металлами заметно снизился по сравнению со съемкой 1983 г
2 Показано, что соотношение форм существования микроэлементов в водах изменяется от доминирования взвешенных форм в реке к доминированию растворенных форм в водохранилище.
3. Дана оценка сеюнной динамики содержания ТМ в поровых растворах ДО и придонных водах.
4 Впервые для Иваньковского водохранилища проведено посезонное изучение форм нахождения ТМ и редкоземельных элементов (Y, La, Се, Th, U) в твердой фазе донных отложений характерных участков Иваньковского водохранилища
5. Впервые для Иваньковского водохранилища экспериментально изучена динамика изменения накопленной массы ТМ (валовая и но отдельным формам) в поровом растворе и твердой фазе ДО т весь период наблюдения (июнь 2001 - май 2002). 6 Дана оценка возможных механизмов миграции подвижных форм ТМ из ДО в водную массу.
Защищаемые положения:
1. Предложена методика оценки выноса и накопления ТМ в ДО Иваньковскої о водохранилища, основанная на экспериментальном изучении изменения их запасов (валовых и по отдельным формам) за весь период наблюдения.
2. Сезонная динамика валовых запасов ТМ определяется исключительно изменением запасов подвижных форм
3. Динамика накопления в ДО и выноса из ДО тяжелых металлов связана, в основном, с русловыми процессами. Роль диффузионного потока и конвективного переноса грунтовыми водами незначительна.
4 Оценка уровня содержания редкоземельных элементов (Y, La, Се, Th, U) в твердой фазе ДО, поровом растворе и придонных водах.
Практическая значимость работы. Результаты работ позволяют оценить баланс накопления и убыли конкретного элемента в ДО по сезонам для каждого плеса Иваньковского водохранилища Баланс позволяет оценить как самоочищающую способность ДО водохранилища, так и опасность вюричного загрязнения водных масс для каждого элемента при его выносе в воду.
Результаты работы могут быть использованы при прогнозировании качества вод Иваньковского водохранилища и при оценке долевого участия ДО в процессах самоочищения и вторичного загрязнения водоема.
Апробация работы. Результаты исследований и материалы диссертации обсуждались и докладывались на международных конференциях1 IV коніресс «Экватек-2000», V конгресс «Экватек-2002», VI конгресс «Экватек-2004», конференция «Актуальные проблемы геоэкологии» (Тверь, 2002), симпозиум «Качество воды и управление водными ресурсами» (СПб, 2005), научно-технический конгресс по безопасности «Безопасность - основа устойчивого развития регионов и мегаполисов» (Москва, 2005); а также на конференции молодых ученых ИВП РАН, 2002 г. (второе место) Результаты работы использованы в отчете по ФЦП «Интеграция» Е0180, по программе № 3 0113 «Водные ресурсы, динамика и охрана подземных и поверхностных вод, ледников», и при выполнении плана фундаментальных исследований ИВП РАН
Публикации. Содержание диссертации отражено в 11 опубликованных работах (в том числе 5 статей и 6 тезисов докладов), в 2 готовящихся к публикации статьях (в журналах «Мелиорация и водное хозяйство» и «Водные ресурсы»), а іакже в научно-технических отчётах лаборатории качества воды ИВП РАН в 2001-2005 гг.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения. Объем работы составляет 123 страницы, включая 34 таблицы, 14 рисунков, список используемой литературы, сосюящий из 122 наименований (в гом числе 28 иностранных).
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям В. Ф. Бреховских и А. Г. Кочаряну, а также член-корр РАН 1. И Моисеенко за внимание, ценные советы и помощь в написании работы.
