Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Геоэкологическая характеристика района исследований 10
1.1. Геологические условия 10
1.2. Геоморфологическое строение 16
1.3. Гидрогеологические условия 19
1.4. Гидрогеологические особенности и
экологическое состояние р. Москвы 24
ГЛАВА II. Процессы формирования донных отложений рек урбанизированных территорий 32
2.1. Особенности загрязнения участков речного русла и вторичное загрязнение речных вод 32
2.2. Роль русловых процессов -, 35
2.3. Фоновое содержание микроэлементов в донных отложениях рек московского региона -, 38
ГЛАВА III. Организация и методы исследований 41
3.1. Основные этапы исследований 41
3.2. Полевые исследования ч. 44
3.3. Лабораторные исследования 52
3.4. Методы обработки аналитических данных 54
ГЛАВА IV. Пространственно-временное распределение микроэлементов в донных отложениях реки 57
4.1. Геохимический состав донных отложений 57
4.2. Особенности распределения микроэлементов в донных отложениях р. Москвы относительно фона-сравнения 60
4.2.1. Характеристика распределения высокотоксичных ; микроэлементов в донных отложениях реки
4.2.2. Классификация участков опробования донных отложений реки по степени загрязнения 80
4.3. Распределение микроэлементов в литологических разностях донных отложений реки 85
4.4. Динамика накопления микроэлементов в донных отложениях реки 86
4.4.1. Типовой уровень содержания микроэлементов в донных отложениях реки 86 ,
4.4.2. Природное и техногенное распределение микроэлементов в донных отложениях реки 91
4.4.3. Состав и интенсивность техногенных геохимических аномалий микроэлементов в донных отложениях реки 93
4.4.4. Состав и интенсивность накопления геохимических ассоциаций микроэлементов в разных горизонтах донных отложений реки 97
4.5. Анализ источников техногенного воздействия на речную систему 111
ГЛАВА V. Методика эколого-геохимическои оценки распределения микроэлементов в осадках речной системы города , 137
Практические рекомендации по улучшению геоэкологического состояния геосистемы реки москвы 152
Заключение 153
Список литературы
- Гидрогеологические условия
- Фоновое содержание микроэлементов в донных отложениях рек московского региона
- Лабораторные исследования
- Динамика накопления микроэлементов в донных отложениях реки
Гидрогеологические условия
Гидрогеологические условия. Территория г. Москвы находится в пределах Московского артезианского бассейна, подземные Ш Ш которого связаны с безнапорными и слабонапорными горизонтами водоносных четвертичных, меловых и юрских отложений и высоконапорными горизонтами каменноугольных, девонских, нижнепалеозойских и докембрийских пород [145, 173]. Ниже глубины 700 м сохраняются воды древних морей, превратившееся за 300 млн. лет взаимодействия с вмещающими их породами в рассолы с минерализацией до 270 г/дм3 и температурой от 20 до 40 С.
Выше рассолов подземные воды образовались за счет просочившихся дождевых и талых вод в верхнедевонеких, каменноугольных, юрских, меловых и четвертичных пород. Солоноватые сульфатно-кальциевые воды с минерализацией 2-7 г/дм3 заключены в нижнекаменноугольных и верхнедевонских доломитах, гипсах и ангидритах глубже 350 м. Пресные гидрокарбонатно-кальциевые воды формируются в верхней части осадочного чехла [145].
Каменноугольные, главным образом доломито-известняковые, породы вмещают трещинно-карстовые напорные воды. Глины верейского и Воскресенского горизонтов разделяют на нижне-, средне- и верхнекаменноутольные водоносные комплексы мощностью 120, 110 и 50 м. Нижнекаменноугольный водоносный комплекс распространен повсеместно на глубине свыше 160 м. Среднекаменноуголь-ный водоносный комплекс залегает на глубине 110-140 м в северной и южной частях города и на глубине 20-30 м близ русла р. Москвы. Верхнекаменноугольный комплекс залегает только в северной части Москвы на глубине 50-60 м [53,54].
Грунтовые воды насыщают пески и супеси юрских, нижнемеловых и главным образом четвертичных отложений. Мощность водоносной толщи 10-20 м. В естественных условиях отметки уровней грунтовых вод постепенно снижались от 240 м (на юге) до 120 м (близ русла р. Москвы). Водоносные породы залегают на глубине от 2-3 м (в поймах) до 20 м (на Теплостанской возвышенности). Выше их после снеготаяния и затяжных дождей местами появились линзы верховодки. Грунтовые воды имели приречный режим уровней и расходов на удалении 150-1500 м от русла р. Москвы и 50-150 м от русла р. Яузы. Их уровни, несколько запаздывая и с меньшей амплитудой, следовали за уровнями речных вод. В половодье и паводки поглощение речных вод берегами вызывало движение грунтовых вод от реки. На остальной территории г. Москвы амплитуда уровней грунтовых вод достигла 3 м. В естественных условиях движение подземных пресных вод определялось их питанием, просачивающимися талыми и дождевыми водами на междуречьях и разгрузкой в р, Москву и ее притоки. Время их водообмена около 50 лет, а местами не более 5 лет [58, 99].
Грунтовые воды на участках полного размыва или сквозных нарушений верхнеюрских глин (13 % территории) часто разгружаются в ближайших водо-понизительных установках метро и водозаборных скважинах. Локальные очаги поглощения речных вод установлены по руслу р. Москвы. На остальных участках р. Москвы грунтовые воды продолжают разгружаться в ее русле. На значительных площадях на севере и на юге города уровни грунтовых вод повышаются, вызывая подтопление сооружений.
Грунтовые воды легко подвергаются техногенному загрязнению сульфатами, хлоридами и нитратами, поступающими при таянии засоленного снега, утечках канализации, а также нефтепродуктами и органическими веществами с очистных сооружений города. Речные воды снижают минерализацию загрязненных грунтовых вод.
Поглощение загрязненных грунтовых вод верхне- и среднекаменноуголь-ными комплексами на участках полного размыва или в местах нарушений верхнеюрских глин (изучаемый в настоящей работе участок реки) повышает их минерализацию до 1 г/дм3.
Город заметно отепляет подземные воды - в среднем на 3 С. В пределах Садового кольца на глубине 20 м температура вод достигает 17 С; вблизи теп-лоустановок 25-45 С.
Подземные воды г. Москвы имеют преимущественно техногенный режим уровней, химического состава и температуры. Их естественная разгрузка в р. Москве и ее притоках, а у напорных вод дополнительно в размывах верхнеюрских глин сменилась поглощением речных вод на многих участках русел и грунтовых вод в ряде погребенных карстовых котловин из-за длительной работы водозаборных скважин. Речное питание обеспечивает до 80 % существующих расходов откачек грунтовых вод и вод верхне- и среднекаменноугольных комплексов. Атмосферное питание грунтовых вод усилено поливом улиц, утечками из коммуникационных сетей. Потери на испарение резко уменьшены под асфальтом и городскими сооружениями. Затруднен их сток засыпкой ложбин и оврагов, устройством глубоких фундаментов [36, 52, 89].
Речная сеть Москвы включает свыше 20 рек (вместе с постоянно текущими ручьями длиной более 1,5 км), не всем протяжении находящихся на поверхности, около 20 рек, частично заключенных в коллекторы (или трубы), и свыше 40 рек, целиком заключенных в коллекторы. Последние по характеру питания, течения и режима относятся к поверхностным водам. Преобладают водотоки длиной менее 10 км (рис. 3) [120].
Река Москва - главная водная артерия города - пересекает его с северо-запада на юго-восток. Длина русла р. Москвы в пределах города составляет почти 80 км, а по прямой от входа на территорию города до выхода из нее - 35 км. Долины малых рек юго-западной части Москвы (Сетунь, Коптяевка, Чертановка и др,) неширокие, но относительно глубокие с хорошо разработанными руслами. Долины малых рек (Лихоборка, Нищенка, Серебрянка и др.) имеют плоские сравнительно широкие поймы, извилистые русла, низкие заболоченные берега [119,120,191].
Река Москва, вступая в пределы города после пересечения МКАД в районе Тушино, выходит из города в районе реки Капотни. Река Москва течет в широкой долине. Высота берега на отдельных участках достигает нескольких десятков метров. На своем пути река образует шесть крупных излучин; в основании трех из них - в Хорошове, Карамышеве и Нагатине - прорыты каналы спрямления, которые сократили судоходный путь на 10 км. В центральной части города в 1886 г. прорыт Водоотводный канал протяженностью 4 км. Находясь на всем протяжении в подпоре Карамышевской, Перервинской (высота берега более 6 м) и Бесединской (1,5 км ниже границы города) плотин, входящих в Москворецкую шлюзовую систему, река формально представляет собой каскад водохранилищ.
Фоновое содержание микроэлементов в донных отложениях рек московского региона
Русло равнинных рек, как правило, сложено песчано-илистыми отложениями и представляет собой сложно построенный комплекс разнообразных форм рельефа, структурно-морфологические особенности которого определяются гидродинамическими параметрами водотока и литологией руслоформирующих отложений. Речное русло создается в процессе взаимодействия движущейся водной массы (и взвешенного в ней твердого материала) с подстилающими ее донными отложениями. Течение рек вследствие сложности формы русел почти никогда не бывает равномерным. Большую часть года из-за появления на реках половодий или паводков (в условиях загрязнения — сброса сточных вод) движение воды носит неустановившийся характер. Даже в меженные периоды, когда расходы воды в реке не меняются, неустановившееся движение носит, как правило, турбулентный характер [111]. Все это приводит к тому, что в руслах рек создаются чередующиеся формы рельефа разного порядка. Естественно, что осаждение химических элементов, мигрирующих с водной массой (в первую очередь со взвесью), будет определяться выше названными процессами, а их распределение по руслу ноешь неоднородный характер. Кроме того, в процессе перемещения наносов речной поток непрерывно обменивается твердыми частицами с дном, что также способствует дифференциации речного аллювия и связанных с ним химических элементов.
Многочисленные исследования указывают на то, что ведущую роль в формировании зон загрязнения в водных системах играют донные отложения [106, 123, 167, 194]. Как правило, в водотоках в зонах загрязнения формируется новый тип современных русловых отложении - техногенные иды, которые являются концентраторами основной массы загрязняющих водные системы веществ. Их образование и накопление связано с изменением условий формирования твердого стока рек в промышленных районах и поступлением в водные объекты значительных масс твердого материала техногенного происхождения. Для этих отложений характерен илистый состав, пластичность, присутствие различных техногенных частиц, резкий специфический запах.
Участки с подобными илами прослеживаются на несколько, в отдельных случаях на десятки километров, их мощность может достигать 1-2 м и более. Характерной особенностью илов является развитие в них контрастных и про тшншх тешогеннш Штоков расееянкя широкой группы химических эле І ментов, отражающих интенсивность и характер воздействия на водные системы разнообразных источников загрязнения.
Техногенные потоки рассеяния обладают реальной шириной и вертикальной мощностью, а особенности распределения поллютантов в толще илов определяются не только спецификой источников загрязнения но и естественным развитием русловых процессов [167, 197, 198]. Наряду с этим, например, фаждение взвесей антропогенного и техногенного происхождения, являющиеся элементом руслового процесса, одновременно представляет собой важное звено в процессе самоочищения речной воды. Мелкодисперсная взвесь в виде илистых, пылеватых и коллоидных частиц вследствие чрезвычайно развитой поверхности является адсорбентом мелких химических соединений и органических веществ. Именно на поверхности частиц мельчайшей взвеси осуществляется деятельность водных микроорганизмов, утилизирующих мелкие примеси и органические вещества, так как доля свободноплавающих организмов, как правило, не велика [90]. В результате масса частиц возрастает, устойчивость коллоидов нарушается, происходит коагуляция частиц, объединение их в хлопья и осаждение на дно реки.
Характерные признаки загрязненности дна обнаруживаются на расстоянии 10-15 км ниже города - это позволяет предположить, что процесс самоочищения речной воды связан не с окислением примесей, а с их сорбцией на мелкую взвесь с последующей ее седиментацией в речное русло. Потерянные водой органические и другие примеси аккумулируются в донных отложениях и продолжают окисляться, однако условия их «переработки» изменяются и будут существенно зависеть от хода руслового процесса. Таким образом, наряду с процессом окисления примесей в речном потоке действует мощный механизм самоочищения, связанный с седиментацией мелкой взвеси. Седиментация взвеси является одновременно и важным фактором руслового процесса, приводящим к изменению физико-механических характеристик донных грунтов и к накоплению загрязненных донных отложений.
При выпадении взвесей на дно водотока интенсивность их окисления снижается, что связано с уменьшением интенсивности турбулентного перемешивания жидкости в непосредственной близости от дна. Растворенный в воде кислород изымается верхним рядом частиц грунта и не поступает в более глубокие слои отложений. Поэтому активный процесс окисления примесей сменяется вялотекущим анаэробным процессом окисления.
В активной фазе руслового процесса, в периоды интенсивных половодий, когда превышается условие предельной устойчивости частиц к размыву и верхний слой донного грунта приходит в движение и перемещается, в той или иной форме возобновляются и интенсифицируются процессы аэробного окисления примесей, находящихся на дне, т.е. вследствие подвижки частиц донного грунта в виде сальтации, перекатывания, перемещения гряд в зону активного окисления попадают частицы, доступ кислорода к которым ранее отсутствовал [34, 62,111,160].
Лабораторные исследования
Эмпирические данные, полученные в результате проведенных полевых и лабораторных исследований, были обработаны посредством математических и математико-статистических методов [3,4,5,6,23,24,29,30,44,48,50,51,60,61,64,74, 75,81,85,94,95,104,113,114,125,126,153,158,164,166,167,171, 178,179,184,202,203,204]: 1) математические методы (вычисление коэффициентов концентрации (Кк), показателя суммарного загрязнения (показатель Саета - Zc); 2) методы описательной статистики: (выборочный метод; метод средних величин: среднее арифметическое (X), стандартная ошибка среднего (т), медиана (Me), мода (Мо), стандартное отклонение (s), минимальная величина содержания микроэлемента (Crtrin), максимальная величина содержания микроэлемента (Стах), размах (R), коэффициент вариации (V); Т-критерий Уайта; z-критерий знаков; коэффициенты асимметрии (As) и эксцесса (Ех); корреляционный анализ; метод ко еляционный плеяд); 3) методы многомерной статтгстикиг (факторный и кластерный анализ). Математические методы. Вычисление коэффициентов концентрации (Кк) и суммарного загрязнения (показатель Саета - Zc) по горизонтам.
Коэффициенты концентрации (Кк) рассчитывались как отношение реального содержания микроэлемента к фоновому уровню в аналогичном объекте. В качестве фоновых значений использовались данные Е.П. Янина (табл. 1). Коэффициент концентрации (Кк) Е.П. Янин называет показателем экогеохимической опасности аномалий или гигиенической опасности [48, 50,164, 166, 167]. Нижний порог аномальности Кк составляет величина не менее 1,5 Кк. По величинам Кк микроэлементы были классифицированы по степени их накопления в донных отложениях в каждой пробе с учетом горизонтов (табл. 2).
Для характеристики полиэлементных геохимических аномалий использовался суммарный показатель загрязнения (показатель Саета - Zc): п 7- == УТЛ. , Л, _ Л\ -Ґ1\ J=l где її— число учитываемых «аномальных» (Кк 1,5) химических элементов. Методы математической и многомерной статистики [64, 202]. В связи с тем, что установленные содержания микроэлементов по виду и по объему соответствуют статистической информации и представляют собой статистический массив чисел для проведения оценки техногенного воздействия на воды реки мы применили методы описательной и многомерной статистики.
Выборочный метод позволил принять за выборку точки опробования донных отложений [4, 51].
Полученные содержания микроэлементов в образцах рассматривались как вариационные ряды и были подвергнуты статистической обработке на ПЭВМ с помощью стандартного пакета программ Microsoft Excel for Windows 98.
Методом средних величин были определены основные статистические показатели содержаний микроэлементов в обоих горизонтах [23, 24, 29, 30г 64, 85, 114, 125]: среднее арифметическое (X), стандартная ошибка среднего (т), медиана (Me), мода (Мо), стандартное отклонение (s), минимальная величина содержания химического элемента (С min), максимальная величина содержания химического элемента (С max), размах (R), коэффициент вариации (V).
Среднее арифметическое (X) - отражает такую величину концентрации, вокруг которой группируются все содержания микроэлемента в совокупности.
Стандартная ошибка среднего (т) — по величине данного показателя характеризуется репрезентативность выборки.
Медиана (Me) - характеристика такого содержания микроэлемента в выборке, относительно которого с обеих сторон распределяется одинаковое число вариант (при природном распределении Me должна быть равна X).
Стандартное отклонение (s) - характеризует специфику варьирования признака и свидетельствует о наличии техногенных аномалий микроэлементов. Минимальная величина содержания химического элемента (С min). Максимальная величина содержания химического элемента (С max). Размах (R) - свидетельствует о величине разброса максимального и минимального содержания микроэлемента. Коэффициент вариации (V) - указывает на степень варьирования содержания микроэлементов в выборке. Для проверки соответствия распределения содержания микроэлемента в образцах донных отложений закону нормального распределения рассчитывались коэффициенты асимметрии (As) и эксцесса (Ех) [44, 60, 61, 104, 114].
Достоверность различий средних величин содержания микроэлементов (X) в нижних и верхних горизонтах определялась посредством применения непараметрического Т-критерия Уайта. Валидностъ полученных результатов проверялась непараметрическим z-критерием знаков [6, 104, 126].
Факторный анализ проводился по методу ротации референтных осей по Varimax-критерию [5, 74, 81, 153, 171, 179, 184] с целью выявления и сравнения ассоциаций микроэлементов верхних и нижних горизонтов донных отложений.
Корреляционный анализ [202, 203, 204] проводился для выявления корреляционной взаимосвязи содержаний микроэлементов в ассоциациях верхних горизонтов с целью определения вероятных источников поступления микроэлементов в геосистему. В работе были вычислены коэффициенты корреляции О. Браве - К. Пирсона в связи с тем, что исходные величины содержания микроэлементов были получены как непараметрические - в весовых процентах.
Метод корреляционных плеяд [125, 126, 153] был применен с целью графического представления существенно значимых корреляционных взаимосвязей в ассоциациях верхних горизонтов и установления системообразующих элементов ассоциаций.
Кластерный анализ выполнялся по методу определения обобщенного расстояния Пирсона между группами переменных [75, 94, 95, 113, 171, 178, 179] с целью установления территорий подверженных идентичному техногенному воздействию и выявления разницы в воздействии на изучаемые участки.
Применение методов многомерной статистики осуществлялось на ПЭВМ с помощью пакета прикладных программ в области многомерного статистического анализа SAS/STAT V.6.03,1998.
Динамика накопления микроэлементов в донных отложениях реки
Второй задачей настоящего исследования стало выявление тенденции накопления микроэлементов в литологических разностях донных отложений р. Москвы. Для решения этой задачи было проведено распределение содержаний микроэлементов в зависимости от литологических разностей (пески, суглинки, торфовидный материал, ил, глина) и установлены средние содержания микроэлементов по лито-логическим разностям, пределы показателей суммарного загрязнения (Zc) и средние величины показателей суммарного загрязнения (X Zc). В результате было установлено, что пески характеризуются пределами Zc от 2,3 до 2546,5, суглинки - от 3,9 до 537,6, илы - 207,2, торфовидный материал - 1,5, глины - от 17,7 до 828,9 единиц С учетом иерархии средних величин показателя суммарного загрязнения (Zc) было выявлено, что глины характеризуются Zc равным 298,9, илы - 207,2, суглинки- 173,7, песок-157,2, торфовидный материал- 1,5 единиц
Распределив средние величины содержаний микроэлементов в зависимости от литологических разностей, была определена качественная тенденция накопления микроэлементов в литологических разностях: глинистые образования аккумулируют преимущественно Со, Ni, Sr, Mo, Gt, Ga, Y, Bi, Mg Al, Fe, La(Zc=298,9); илы накапливают V, Cr, Mn, Zr, Pb, Ті, Ag, Sn (Zc=207,2); суглинки - Cu, Ba, Sc, Zn, Ca (Zc=173,7); торфовидный материал - Be и Na (Zc=l,5); пески (Zc=157,2) аккумулируют все перечисленные микроэлементы, но в существенно меньших концентрациях за счет цементов песчанистых образований, поскольку являются наиболее промывными. Таким образом, исследование показало, что литологические разности по-разному накапливают микроэлементы, это обусловлено: во-первых, адсорбционными свойствами тонкодисперсных осадков, при этом, чем тоньше состав отложений, тем выше эффект суммарного загрязнения донных отложений реки. Во-вторых, условия изучаемого участка реки таковы, что микроэлементы накапливаются практически сразу после попадания их в речную систему.
4.4. Динамика накопления микроэлементов в донных отложениях реки 4.4.1. Типовой уровень содержания микроэлементов в донных отложениях реки
В настоящее время база санитарно-гигиенических нормативов (ПДК) по микроэлементам и их содержаниям в донных отложениях отсутствует. В специальной литературе в таком случае принято использовать величины геохимического фона или фонового уровня [23, 27, 40, 86, 149]. Под фоновым уровнем понимают среднее содержание химических элементов (соединений) в природных телах по данным изучения их естественного распределения в пределах однородного в ланд-шафтно-геохимическом отношении участка, расположенного вне зон прямого техногенного воздействия [118, 167]. Однако существуют работы [И, 21, 25], в которых говорится об отсутствии природных зон, неподверженных техногенному воздействию, поэтому многие авторы [21, 167, 201] предлагают за фоновый уровень принимать величину среднего содержания химических элементов (X) на изучаемой территории. Рассмотрим изменение средних содержаний микроэлементов (X) в донных осадках реки. В табл. 17 приведены значения средних содержаний микроэлементов (X) в обоих горизонтов и показана тенденция их изменения во времени. Таблица 17
Средние содержания микроэлементов в донных отложениях нижних и верхних горизонтов Микроэлемент Среднее содержание микроэлементов, вес.% Тенденция РасчетноезначениеТ-критерияУайта Р
Проведем проверку достоверности различий (X) средних содержаний микроэлементов нижних и верхних горизонтов. Если достоверность различий будет установлена, это будет означать, что тенденция изменения средних содержаний микроэлементов (X) отражает изменения в поступлении микроэлементов в воды реки, если нет, то тенденция изменения уровня содержания микроэлементов не подтвердится. Результаты проверки достоверности различий средних содержаний элементов (X) методом Т-критерия Уайта представлены в табл. 17.
В результате было выявлено, что различия средних содержаний микроэлементов по горизонтам не достоверны, так как все расчетные значения Т-критерия Уайта во всех случаях превышают граничное значение Тгр=95 при р 0,05, следовательно, средний уровень поступления химических веществ в воды реки не отражает тенденцию изменения уровня техногенного воздействия на реку.
Проверим валидность полученных результатов, применив непараметрический z-критерий знаков. Расчеты показали, что в 100 % случаев z-фактиче-ское больше критического значения z-критерия при р 0,01. Таким образом, с вероятностью 99 % можно утверждать, что различия в поступлении химических веществ в реку за 50-60 лет выражены недостаточно.
Данный феномен мы объясняем двумя причинами: первая - заключается в том, что полвека в геологическом времени является незначительным; вторая -по величине среднего содержания химического элемента судить о типовом уровне содержания микроэлементов в донных отложениях р. Москвы не представляется возможным.
