3. - Актюбинский Региональный Государственный Университет им.

ОCОБЕННОСТИ СОДЕРЖАНИЯ ХРОМА В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ Р. ИЛЕК В
РАЙОНЕ Г. АКТОБЕ
Байманова А.Е., Жакупова Г.Ж.
Актюбинский региональный государственный университет им. К Жубанова, Казахстан
[email protected]
Донные отложения представляют собой сложную многокомпонентную систему,
которая в зависимости от внутриводоемных процессов, сорбционных свойств самих
отложений, ландшафтных особенностей водосборов, а также свойств веществ,
поступающих в реки, могут быть накопителями химических веществ (в частности,
тяжелых металлов) и источником вторичного загрязнения водного объекта.
Выявление основных закономерностей миграции тяжелых металлов в системе
«водосбор — водная среда — донные отложения» — достаточно сложный вопрос,
требующий проведения натурных исследований, анализа большого объема материалов
наблюдений и оценки роли миграции тяжелых металлов по трофическим цепям. Таким
образом, исследования транспорта тяжелых металлов в системе «водная среда — донные
отложения» и получения количественных оценок интенсивности этих миграционных
процессов является весьма актуальной задачей. На основе этих характеристик можно
судить о наличии и отсутствии опасности вторичного загрязнения водных объектов [1]. А
с другой стороны, актуальность определяется тем, что задача определения ландшафтных
особенностей формирования донных отложений до сих пор не решена.
На сегодняшний день, исследования формирования донных отложений с учетом
ландшафтных особенностей благодаря работам многих ученых и специалистов,
интенсивно развиваются.
Целью данной работы является исследование миграции тяжелых металлов в системе
«водная среда – донные отложения», а также выявление основных источников вторичного
загрязнения в реке Илек в районе г. Актобе.
Отборы проб донных отложений и воды осуществлялись в летний период 2006 2010 годы в установленных участках рек.
В пробах определяли приоритетный ряд тяжелых металлов – Fe, Mn, Cu, Zn, N и
главный региональный загрязнитель Cr. Отбор проб речной воды и донных отложений на
тяжелые металлы, хранение отобранных проб выполняли в соответствии с требованиями
ДСТУ ISO 5667-1-2003 (Качество воды. Отбор проб. Часть 1), ДСТУ ISO 5667-2-2003
(Качество воды. Отбор проб. Часть 2) и ДСТУ ISO 5667-12-2001 (Качество воды. Отбор
проб Часть 12) [2-3].
Как известно, донные отложения – это продукты эрозии, поэтому их образование,
перемещение и аккумуляция происходит в результате эрозионно-аккумулятивных
процессов. На основании литературных источников установлено, что почвы в летний
период также являются основным источником поступления тяжелых металлов в речную
сеть. С пахотных земель в регионе выносится ежегодно 10-15 т/га плодородного слоя
почвы. С 12,8 млн га эродированных земель это сильносмытые, которые требуют
неотложной рекультивации путем облесения и лугов. Донные отложения определяют
существенные геохимические особенности рек, так как в условиях загрязнения донных
отложений, они становятся источниками вторичного загрязнения вод рек, и влияют на
процессы самоочищения рек.
Количественная оценка влияния тяжелых металлов на качество водотоков
определяется для каждого металла отдельно, исходя из их содержания в 100 г. донных
отложений.
Концентрация ионов тяжелых металлов в воде водотока за счет их поступления из
донных отложений рассчитывается по следующей формуле:
, мг/дм3,
где Р – величина вероятного перехода каждой формы тяжелых металлов в воду из донных
отложений, кг;
W – объем воды водотока или его участка, м3.
Все перерасчеты единиц измерения к единой системе выполнено с помощью
коэффициента пересчета (Коваленко М.С.)
Величина вероятного перехода каждой формы тяжелых металлов в воду из донных
отложений:
, кг
где С – содержание каждой из подвижных форм ионов тяжелых металлов в 100 г донных
отложениях, мкг/100г.
h – активный слой донных отложений (обычно 10-ти сантиметровый слой);
d – объемный вес донных отложений, кг/дм3;
S- площадь исследуемой зоны водотока, м2;
Kм – коэффициента миграции тяжелых металлов.
Коэффициент миграции было выведено на основе теоретических данных фазового
распределения тяжелых металлов в воде и донных отложениях в зависимости от физикохимических факторов [1]. Интерпретация коэффициента миграции свидетельствует о том,
что при уменьшении этого коэффициента переход тяжелых металлов из донных
отложений в воду проходит более интенсивно.
Объем воды водотока или его участка рассчитывается согласно формуле:
, м3
где, Q — расход воды водотока, м3/с;
L — протяженность водотока или его участка, м;
U — средняя скорость течения, м/с.
Основными антропогенными источниками загрязнения гидросферы региона
являются отработанные и действующие шламонакопители АО «Фосфохим» и АО «АЗХС»
(Актюбинского завода хромовых соединений), заражающие реку через подземные
горизонты [2] .
В ходе исследования изучили состав донных отложений р. Илек на содержание
хрома и выявили динамику перехода хрома из водной части в нерастворимые донные
отложения.
В поверхностных водах соединения хрома находятся в растворенном и
взвешенном состояниях, соотношение между которыми зависит от состава вод,
температуры, рН раствора. Взвешенный хром представляет собой в основном
сорбированные соединения, сорбентами могут быть глины, гидроксид железа,
высокодисперсный карбонат кальция, остатки растительных и животных организмов [2].
В растворенной форме хром может находиться в виде хроматов и бихроматов. При
аэробных условиях Cr (VI) переходит в Cr (III), соли которого в нейтральной и щелочной
средах гидролизуются с выделением гидроксида хрома. В речных незагрязненных и
слабозагрязненных водах содержание хрома к колеблется от нескольких десятых долей и
сотен мкг/дм3 в загрязненных водоемах оно достигает нескольких десятков и сотен
мкг/дм3. Средняя концентрация в морских водах 0,05 мкг/дм3, в подземных водах обычно
в пределах n10 - n102 мкг/дм3. Соединения Cr(VI) и Cr(III) в повышенных количествах
обладают канцерогенными свойствами, и соединения Cr(VI) являются более токсичными.
Содержание их в водоемах санитарно- бытового использования не должно превышать
ПДКв для Cr(VI) - 0,05 мг/дм3 для Cr(III) - 0,5 мг/дм3. ПДКвр для рыбохозяйственного
назначения Cr(VI) - 0,001 мг/дм3, для Cr(III) - 0,005 мг/дм3 [2,3 ].
Как известно, хозяйственное использование водных ресурсов области
осуществляется для целей регулярного и лиманного орошения, промышленного и
коммунально-бытового водоснабжения. Можно привести данные за некоторые прошлые
годы, которые приведены в таблице 1 [3].
Таблица 1
Использование поверхностных водных ресурсов по Актюбинской области за
период 2006-2010 годы (млн.куб. м/год)
№п/п
Виды
Годы
водопотребления
2006
2007
2008
2009
2010
Ι
Забор воды всего:
173,02
124,08
144,13
162,13
182,9
в том числе:
1
Хозбытовые нужды
0,02
0,36
11,06
23,05
23,5
2
Производственные нужды 4,36
3,94
5,19
10,54
11,8
3
Регулярное орошение
49,34
41,96
39,32
40,70
56,8
4
Лиманное орошение
110,98
70,73
79,33
77,87
79,3
5
Сельхозводоснабжение
0,86
0,65
0,70
6
Обводнение
6,68
6,17
8,26
9,70
11,0
7
Рыбное хозяйство
0,78
0,27
0,27
0,27
0,50
ΙΙ
Сброс воды всего:
30,06
29,13
30,94
25,01
25,5
Из них:
1
В водоем
7,99
6,07
6,5
6,07
6,07
2
В накопители
4,80
4,00
4,20
4,59
5,3
3
На рельеф местности
17,27
19,06
20,24
14,35
14,13
Можно выделить 3-х основных природопользователя , оказывающих значительное
влияние на качество водных ресурсов области: ОАО « Акбулак » - ежегодно сбрасывает 7
– 10 млн. куб м. недоочищенной воды; АО « АЗХС » загрязняет реку в ареале 12 кв. км.
Через подземные воды (дренирующие составляющие шламов из накопителей АО « АЗХС
», объем фильтрации не установлен); ЗАО « Актобе ТЭЦ » - сброс 0,7 млн. куб.м на
шламонакопители, объем фильтрации не установлен [2,3].
По данным наблюдений ареал загрязнения хромом достиг 12 кв. км, среднее
содержание шестивалентного хрома в р. Илек составляет 18-20 ПДК. Загрязнение
подземных вод шестивалентным хромом привело к исключению из водоснабжения г.
Актобе водозабора общей мощностью более 60 тыс.куб.м./сутки. Не менее острой
является проблема прекращения сброса недоочищенных сточных вод г. Актобе в р. Илек.
Сброс недоочищенных сточных вод производится из-за аварийного состояния комплекса
очистных сооружений г.Актобе [3] .
Выбранный объект исследования – донные отложения, не случаен, так как
известно, что:
1. Донные отложения – это открытая физико-химическая система, через границы
которой осуществляется материальный обмен с окружающей средой.
2. В.И. Вернадским еще в 30-е годы дал следующее определение природным
донным отложениям: " ил - это природное тело, аналогичное почве, где гидросфера
занимает место атмосферы"
3. Природные донные отложения формируются за счет осаждения взвешенных
веществ, поступающих с речным и склоновым стоками, отмирания растворенного
планктона и высшей водной растительности, седиментации растворенных веществ.
4. Согласно современным нормативным документам, ДО - это донные наносы и
твердые частицы, образовавшиеся и осевшие на дно водного объекта в результате
внутриводоемных физико-химических и биохимических процессов, происходящих с
веществами как естественного, так и техногенного происхождения (ГОСТ17.1.5.01.80;ИСО5667-1).
5. Донные отложения используются в качестве индикатора для выявления состава,
интенсивности и масштаба техногенного загрязнения. Это обусловлено тем, что русловые
отложения, как важнейшие компоненты аквальных ландшафтов, являются конечным
звеном местных ландшафтных сопряжений и их состав отражает геохимические
особенности водосборных территорий.
При выборе схемы пробоотбора реку разбили на серию створов . Один створ при
этом выбрали до города, следующие два в пределах района города, еще два створа после
города (завода АО «АЗХС»), при этом точки отбора распределили таким образом, что
один створ оказался до притока (места сброса сточных вод); один створ в устьевой части
притока и один - после его впадения. Створы ниже предполагаемого источника
загрязнения оказались на участке реки в зоне полного смешения сточных и речных вод. В
каждом створе отбирали обычно одну пробу, при необходимости - две, по одной у
каждого берега. Наиболее благоприятным для отбора проб донных отложений считается
период с июля по октябрь (летнее - осенняя межень). Для анализа тенденций накопления
химических элементов в местах скопления илов рекомендуется отбирать керн с
ненарушенной структурой отложений, что и было нами соблюдено [2].
При отборе проб песчаные донные отложения (особенно русловые фракции
аллювия) отбраковываются, преимущество отдается глинистым пробам. В общем случае
достаточно отбирать пробы весом 300-500 г.[3].
Пробы донных отложений были высушены, измельчены, просеяны через
лабораторные сита и после этого, отвесив на электротехнических весах отдельные пробы
массой 5 грамм, приготовили водные растворы объемом 100 мл, после чего отделили
растворимую часть от осадка. Количественное определение суммарного хрома проводили
по известной методике фотоколориметрическим методом как в в фильтрате так и осадке,
при этом осадок растворяли в 1н соляной кислоте [4]. Результаты анализов приведены в
следующей таблице:
Таблица 2
Содержание хрома в донных отложениях р. Илек
Точки отбора проб
Сентябрь
Апрель
№
мг/кг
мг/кг
1. р.Илек до впадения в
н/о
н/о
нее р.Каргалы
2. р.Илек после впад.
н/о
н/о
3. Район промпредпр.
55436
43144
4. 10 км от промпредп.
87310
81077
5. Впадение р.Женишке в
166727
141338
р. Илек
Эти результаты можно сравнить с данными содержания хрома в воде реки Илек,
исследованных ранее [5,6], они приведены в таблице 3.
Таблица 3
Содержание суммарного хрома (ср) в воде реки Илек(мг/л)
Точки отбора проб
Хром
№
Пределы колебаний
Среднее
1.
р.Илек до впадения в нее р.
Отсутс.
Каргалы
2.
р.Илек после впадения
Отсутс.
3.
Район промпредприятия
0,170-0,555
0,328
4.
10 км от промпред.
0,065-0,555
0,264
5.
Впадение р. Женишке в р. Илек
0,070-0,355
0,210
ПДК хрома в открытых водоемах
0,001
рыбохозяйственного назначения
Как видно из таблицы 1 участок реки в месте впадения р.Женишке в р. Илек оценен
как самый загрязненный. В точках 1 (р. Илек до впадения) и 2 (р. Илек после впадения)
хрома не обнаружено. Уровень техногенной нагрузки донных отложений можно считать
самый высокий в районе промпредприятия. Из таблицы 2 видно, что содержание хрома в
воде р. Илек превышает ПДК в 3, 4 и 5- ых точках, соответственно это значительно выше
ПДК для воды рыбохозяйственных водоемов.
Если изменение концентраций хрома в пробах р. Илек объясняется степенью
удаленности «объекта загрязнителя» от точек отбора и направлением течения русла реки
от завода, то содержание хрома в пробах донных отложений наоборот увеличиваются по
мере удаления от «объекта загрязнителя». Это объясняется изменением физикохимических условий для того или иного фазового состояния соединений хрома. Чтобы
дать полную картину динамики изменения концентраций хрома в донных отложениях не
достаточны количества исследуемых проб по точкам отбора и результатов анализа по
сезонам. Необходимы как можно больше данных за несколько лет, а также расширить
количество точек отбора, особенно после города, что и необходимо иметь в виду в
дальнейшем продолжении этих исследований.
На основе анализа результатов проведенных исследований в реке Илек было
установлено, что хром (VI), как один из микроэлементов открытых водоемов, также
нормируемых органами санитарной службы, появляется в водной экосистеме реки Илек
ниже по течению за пределами города в результате техногенного воздействия
промышленных предприятий.
Из приведенных данных и их анализа можно сделать выводы:
1.
Хром не обнаруживается в донных отложениях как и в воде р.Илек до
расположения промпредприятий.
2.
С увеличением содержания хрома в воде реки происходит изменение
физико-химических свойств всех составляющих донных отложений, что увеличивает
переход соединений хрома из растворимого в нерастворимое состояние.
3.
В водах реки Илек, а также в донных отложений после расположения
промпредприятий возникает нарушении равновесия в системе «вода — донные
отложения» и обнаруживается наличие на этих участках источников вторичного
загрязнения водотоков.
Литература
1.
Васенко О.Г., Мирошниченко О.П. Оценка донных отложений в общем
вкладе всего объема водотока.// Проблемы охранных мероприятий в общей экологической
безопасности.//-Х.:Райдер, 2011.-Вып.XXXIII.-С.123-129.
2.
Берденов С.М. Экологические проблемы Актюбинской области и пути их
решения. Актюбинское областное территориальное управление охраны окружающей
среды МООС РК. г.Актобе, 2007.
3.
КаломийцевН.В., Ильина Т.А., Зимина-Шалдыбина Л.Б. Загрязнение донных
отложений как характеристика техногенной нагрузки на водные экосистемы.
//Современные проблемы мелиораций и их пути решения. М.: ВНИИГ и М, 1999. т.2. с.
103-119.
4.
Данные ДГП «Актюбинский центр гидрометеорогии» РГГ «Казгидромет»
МООС РК. – Актобе, 2006 г.
5.
Иванов Д.Н., Лернер Л.А. В кн.: Методы определения микроэлементов в
почвах, растениях и водах. М., Колос. 1974.
6.
Дильмагамбетов С.Н., Каратаев К.К., Наурызова С.З.
Содержание
некоторых микроэлементов и основных химических ингредиентов в открытых водоемах
города Актобе. / В книге: «Современные проблемы геофизики, геологии, освоения,
переработки и использования углеводородного сырья Казахстана», материалы 1-ой
международной научно-технической конференции, посвященной 20 –летию образования
Атырауского института.