Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

и в зонах поступления дополнительных потоков от второстепен-

ных источников загрязнения. Особенно сильно корреляция прояв-

ляется вблизи источника; по мере удаления корреляционные

связи несколько нарушаются. По-видимому, при удалении от ос-

новного источника воздействия возрастает роль вторичного пере-

отложения речного материала, приводящая к возрастанию неод-

нородности распределения элементов в донных отложениях.

Обычно потоки рассеяния в донных отложениях описываются

как линейные объекты. В действительности же они обладают

реальной шириной и мощностью. Изучение формы потоков рас-

сеяния имеет большое методическое и практическое значение,

поскольку оно позволит детализировать процессы их формиро-

вания в руслах водотоков, реально оценить общий уровень за-

грязнения реки и ее отдельных участков, получить материал, не-

обходимый для прогнозирования развития потока загрязняющих

веществ в водотоках; важен этот материал и для организации

отбора проб.

Русло равнинных рек представляет собой сложно построенный

комплекс разнообразных форм рельефа, структурно-морфологи-

ческие особенности которого определяются гидродинамическими

параметрами водотока и литологией

руслоформирующих

отло-

жений. Речное русло создается в процессе взаимодействия дви-

жущейся водной массы и взвешенного в ней твердого материала

с подстилающими ее донными отложениями. Течение рек вслед-

ствие сложности формы естественных русел почти никогда не бы-

вает равномерным и носит неустановившийся характер. Даже в

меженные периоды, когда расходы воды в реке не меняются,

неустановившееся движение воды отличается, как правило, тур-

булентным характером. Осаждение химических элементов, миг-

рирующих с водной массой (в первую очередь, со взвесью),

определяется выше названными процессами, а их распределение

по руслу носит неоднородный характер. Кроме того, в процессе

перемещения наносов речной поток непрерывно обменивается

твердыми частицами с дном, что также способствует дифферен-

циации речного аллювия и связанных с ним химических эле-

ментов.

Анализ распределения химических элементов по площади

русла в зоне смешения сточных и речных вод показал зависи-

мость пространственной структуры аномалий от гидродинамиче-

ских особенностей водотока, отчасти определяемых геоморфо-

логией устьевой зоны ручья, дренирующего сток города (рис.

53).

Наиболее контрастные аномалии связаны с участками замедле-

ния течения и приурочены к местам накопления техногенных

илов.

Сложное гидродинамическое поле рассматриваемого участ-

ка обусловливает значительную

литологическую

пестроту донных

отложений, что приводит к формированию мозаичной структуры

техногенных аномалий в плане. По мере удаления от устьевой

181

Рис. 53. Распределение кадмия (сплошная

линия) на различном расстоянии от места

сброса сточных вод города.

Кс

— коэффициент концентрации кадмия от

носительно

фона,

— превышения над

уре

зом

устья

ручья (в

м),

пунктир

—

линия

продольного профиля ручья

зоны гидродинамический режим потока становится более устано-

вившимся и спокойным, что находит отражение в формировании

сплошной зоны техногенных

илов

и в более широком развитии

техногенных аномалий

Изучение распределения химических элементов на участке

русла реки, характеризующегося развитием свободных излучин,

также указывает, что площадная структура техногенных ано-

малий всецело определяется

литолого-геоморфологическими

осо-

бенностями строения русла (рис 54). Места наиболее интенсив-

ной аккумуляции илистых отложений отличаются повышенным

накоплением химических элементов, что и обусловливает

мозаич-

ность

аномалий в плане Приводимый пример свидетельствует о

том, что гидротехнические сооружения могут оказывать сущест-

венное влияние на пространственные особенности потоков рас-

сеяния в донных отложениях В частности, для большинства изу-

ченных элементов в потоке (см. рис 54) характерно довольно

отчетливое разделение на две зоны: первая (до бывшей плотины)

характеризуется в целом более широким распределением ано-

мальных участков, вторая (ниже плотины) — большим распрост-

ранением участков с фоновым содержанием элементов Вероятно,

плотина играла роль барьера для основной массы твердого мате-

риала, что нашло отражение и в характере распространения

песчано-илистых

отложений.

Особенности пространственного строения потоков рассеяния в

донных отложениях во многом зависят от геоморфологических

особенностей русла и долины рек В частности, характер

распределения элементов в потоке рассеяния может сильно ме-

няться при прохождении

озеровидных

расширений или прудов,

созданных на реках Как правило, такие водоемы являются

перехватчиками существенной части взвешенного вещества, что

оказывает влияние на пространственную дифференциацию ас-

социаций химических элементов

(табл

52). В то же время сле-

дует помнить, что такие барьеры могут являться и вторичными

источниками загрязнения водной фазы Большое значение имеет

182

Рис. 54.

Литологическая

схема (а) и распределение меди (б) в донных отложе-

ниях реки в зоне смешения сточных и речных вод:

—

гравийно

галечн

ле

отложения с песчаным заполнителем, 2 —

крупнозер

нистые

пески, 3 — тонкие илистые пески, 4 — ил, 5 — острова, 6 — граница речной

отмели,

7—13

—

коэффициенты концентрации меди

—

менее

1,5,

8—1,5—3,

9 —

3—6,

—

6—9,

—

9—12,

/2—

12—15,

13 — более 15)

характер продольного профиля водотоков Так, ручьи, выходя-

щие на поймы рек, отличаются резким

выполаживанием.

Это

приводит к изменению гидродинамических параметров водотоков

и отражается в формировании на устьевых участках геохими-

ческих барьеров (рис 55)

Таблица 52 Пространственная дифференциация ассоциаций химических

элементов в донных отложениях малой реки в зоне влияния химического

завода

Участок

реки

Выше

прудов

Пруд I

Пруд II

Ниже

прудов

Коэффициент концентрации

Более 100

Не*»

—

100

— 30

А^94М1,

Н§52А§5оН|

30- 10

С(Ьо5Г|

Си^СпвЗгп

10—3

2п

Си

Сг

РЬ

Сс1з5

СсЬА§

Нвз

№

А^5г

3—1,5

РЬ

§п

2п 5п

5г N1

Си 2п

Сг

Примечание Коэффициенты концентрации (относительно фонового содержания) указаны

в индексах химических элементов

183

Рис. 55. Литологическая схема (а) и распределение меди (б) и свинца (в) в донных отложениях реки.

Условные обозначения см на рис 54

Потоки рассеяния в донных отложениях в условиях

урболанд-

шафтов

характеризуются значительными размерами и высокими

содержаниями широкой группы химических элементов с резко

варьирующим распределением по профилю. По величине анома-

лий и характеру изменений концентраций в строении потоков

рассеяния достаточно четко проявляется связь с особенностями

размещения источников загрязнения, планировочной структуры

городских зон, а также с

литолого-геоморфологическим

строе-

нием русла и долины и гидродинамическими параметрами водо-

токов Все это в совокупности с существующей в реках естест-

венной дифференциацией и накоплением речного материала в

русле, осложняющейся воздействием гидротехнических сооруже-

ний, приводит к ярко выраженной

мозаичности

техногенных ано-

малий в плане.

Мозаичность

выражается в чередовании участков

с различной степенью аномальности, причем их расположение

всецело определяется

литологогеоморфологическими

и гидроди-

намическими параметрами водотока. Изменения в пространствен-

ном распределении элементов связаны в основном с разной

степенью их концентрации, что в конечном счете определяется

различием в интенсивности их поставки в водный поток и раз-

нообразием форм миграции на отдельных участках потока. Выяв-

ленные геохимические барьеры в руслах рек могут являться не

только участками резкого концентрирования химических элемен-

тов, но и при изменении условий среды источниками их вторич-

ного поступления в водную фазу По мере удаления от источника

загрязнения для формирования потоков рассеяния огромное зна-

чение имеют процессы вторичного переотложения аллювия Это,

в частности, подтверждается несоответствием между протяжен-

ностью потоков в донных отложениях и в водно-взвешенной

фазе. Как правило, длина первых заметно больше вторых.

Проблема загрязненных донных осадков как источника вто-

ричного загрязнения вод в первую очередь имеет значение для

крупных водоемов — озер и водохранилищ, где они в значитель-

ной мере определяют режим и поведение химических элементов,

и, соответственно, качество воды. Высокая динамичность состава

природных вод во многом определяется процессами, регулирую-

щими скорость движения веществ через границу вода/грунт. Для

их реальной оценки необходимо изучение форм нахождения эле-

ментов в донных отложениях, а также состава иловых и природ-

ных вод, сочетающееся с углубленными исследованиями физико-

химической обстановки в водах и их динамики Сколько-нибудь

законченных целенаправленных исследований этой проблемы

пока нет, хотя значимость проблемы и сущность слагающих ее

задач отмечена многими исследователями. Установлено, что в

загрязненных донных отложениях химические элементы находят-

ся в значительной мере в геохимически подвижной форме, спо-

собной к взаимодействию с водной фазой и живыми

организ-

185

мами.

В иловых водах интенсивно накапливаются компоненты,

активно участвующие в формировании качества воды (табл.

53).

К сожалению, работ по изучению форм нахождения хими-

ческих элементов в загрязненных донных отложениях и иловых

водах рек

урболандшафтов

не очень много. Наибольший инте-

рес представляет изучение распределения химических элементов

в гранулометрическом спектре донных отложений и их физико-

химических форм нахождения.

Полученные нами данные позволяют наметить некоторые осо-

бенности распределения элементов по гранулометрическим фрак-

циям загрязненных донных отложений (табл. 54). Техногенные

аномалии в донном осадке образовались за счет увеличения

концентраций практически во всех выделенных фракциях. Почти

для всех изученных элементов характерно увеличение

их-.абсо-

лютных содержаний от фракции крупного песка

(1—0,25

мм) к

глинистым частицам, достигая максимума в самой тонкой фрак-

ции

(<СО,005

мм), причем абсолютные концентрации элементов

во

фракциях

0,01—0,005

<0,005

мм в

целом незначительно

разнятся.

Рассмотрение особенностей пространственного распределения

абсолютных содержаний элементов в разных фракциях показало,

что для большинства из них наиболее протяженные аномалии

фиксируются

во

фракциях физической глины

(<0,01

мм);

для

Н§

— во фракции крупного песка; для 5п — во фракции мелкого

песка. Для абсолютных концентраций в тонких фракциях харак-

терна более выраженная пространственная вариация, особенно

вблизи источника загрязнения. Для всех изученных элементов ос-

новным носителем является фракция алеврита

(0,1—0,01

мм), с

которой связано до

50—70%

валового содержания. Это обуслов-

ливается высокой долей данной фракции в отложениях (в сред-

нем до

30—40%)

и сравнительно высокими абсолютными кон-

центрациями элементов в данной фракции. На долю фракций

песка приходится в среднем по

10—20%

валового содержания

элементов. Распределение запасов элементов, связанных с кон-

кретными фракциями, вниз по потоку довольно однородное. Од-

нако на геоморфологических барьерах отмечается увеличение в

балансе доли более крупных фракций.

Наибольший интерес представляет изучение физико-хими-

ческих форм нахождения химических элементов в донных отло-

жениях (табл. 55). В условиях наиболее сильного загрязнения в

сравнении с участком реки выше города большая часть элемен-

тов (при увеличении их валовых концентраций) связана с легко-

подвижными формами

—

до 90%

Сс1,

80—90%

Си,

80—85%

№

РЬ,

что для первых трех элементов в среднем на

10—15%,

а для

свинца

на

30—35%

больше,

чем на

участке реки выше

города (см. табл. 55). Для

и РЬ характерна преимуществен-

ная связь с

сорбционно-карбонатными

гидроксидными

фор-

186

Таблица 53 Сравнительная характеристика состава иловых и придонных вод малой реки

Характеристика пробы

мн,+

Мп

Ре

мг/л

Си

2п

Си

РЬ

мкг/л

Выше города

Иловая вода

Придонная вода

15,0

7,5

0,248

0,014

0,340

0,100

2,48

2,68

1,0

1,2

52,50

4,08

Ниже города

Иловая вода

Придонная вода

9,0

8,1

0,400

0,073

0,600

0,320

6,80

2,73

180

3,6

1,0

400,00

8,25

Таблица 54 Распределение химических элементов в техногенных илах на участке реки ниже города

Элемент

Алюминий

Титан

Ванадий

Хром

Марганец

Железо

Никель

Цинк

Серебро

Олово

Ртуть

Свинец

Фракции, мм

1—0,25

18400

305

108

250

42800

218

1,99

0,083

182

Кс

0,8

0,9

2,8

6,8

3,1

2,8

1,8

22,6

6,5

0,25—0,1

26900

663

ПО

344

57400

321

1,58

0,04

212'

Кс

0,9

2,7

1,7

2,5

7,5

2,8

16,3

0,1—0,001

52800

2617

350

448

85800

154

422

3,7

143

0,26

431

Кс

1,8

1,9

1,4

1,2

6,2

3,5

5,2

19,6

0,01-0,005

X-

75600

3414

429

492

18200

274

511

4.7

256

0,22

761

К,

1,8

1,5

1,2

5,1

0,8

8,7

2,1

6,7

13,5

1,1

0,005

87000

4671

116

449

472

15400

353

570

4,6

261

0,22

914

Кс

3,3

1,2

1,3

7,5

0,7

7,5

2,6

5,8

8,2

1,1

15,8

Валовое

содержание

43700

1887

247

354

79475

143

380

2,84

117

0,1645

328

1,4

1,5

2,2

1,8

3,1

Примечание

Ко

— коэффициент концентрации относительно содержания в соответствующих фракциях

илов

выше

1орода,

к — среднее

содержание,

мг/кг

Рис. 56. Распределение ва-

ловых содержаний свинца и

меди и баланс форм их на-

хождения в донных отложе-

ниях реки в зоне влияния

города:

А—Г

— формы нахождения

элементов А — кристалличе-

ская, Б —

гидроксидная,

В -

органическая, Г —

сорбцион-

но

карбонатная, остальные

уел

обозначения см на

рис 52

мами.

Медь наиболее активно закрепляется в органической фор-

ме, а также связана с

гидроксидами

железа. Для

СА

преобла-

дающее значение имеют

сорбционно-карбонатные

формы.

При удалении от источника загрязнения отмечаются измене-

ния в соотношении форм нахождения элементов в общем их

балансе. Например, для Си и

РЬ

отмечается в целом посте-

пенное и закономерное увеличение доли сорбционно-карбонатных

форм (рис. 56). Если вблизи источника загрязнения кадмий

фиксировался преимущественно в

сорбционно-карбонатной

фор-

ме (до

80—90%),

то в краевой части потока до 50% его связано

с органической формой (см. табл. 55). Никель отличается от

остальных изученных элементов относительно стабильным соот-

ношением различных форм по всему потоку. Таким образом, с

удалением от источника загрязнения для большинства химиче-

ских элементов отмечается активная трансформация форм на-

хождения как в ходе миграции, так и в самом донном осадке.

Вблизи источника, по всей видимости, преобладает механическое

осаждение первичных форм, т.

е.

образовавшихся при технологи-

ческих производственных процессах или в результате процессов

на очистных сооружениях.

188

Таблица 55 Формы нахождения химических элементов в донных отложениях малой реки

Элемент

Никель

Медь

Кадмий

Свинец

/Ч

ЭСТОК

реки

III

Валовое

содержание в

донных

отложениях

Г/КГ

106

11,5

366

120

0,3

8,71

0,5

192

!<;

4,42

1,88

1,46

0,48

......

9,15

2,25

0,75

1,7

5,8

1,61

0,61

Сорбционно-

карбонатная

42,95

48,63

58,46

57,14

42,82

27,56

15,51

21,95

47,23

67,72

28,57

88,96

16,79

13,79

41,26

58,27

58,19

мг/кг

10,31

51,55

26,31

19,99

4,92

11,02

56,77

26,34

42,5

19,72

0,086

7,83

0,0815

4,55

79,22

30,88

11,64

2,55

1,94

0,48

5,15

2,39

3,86

1,79

0,95

17,4

6,79

2.56

Органическая

21,43

12,90

8,99

2,11

19,02

48,23

42,17

40,27

28,98

22,31

42,85

2,55

49,94

3,42

2,17

2,93

3,79

мг/кг

5,14

13,67

4,05

0,74

2,18

19,29

154,34

48,32

26,08

6,69

0,13

0,222

0,256

1,13

5,2

1,55

0,76

2,66

0,79

—

2,5

1,35

0,35

1,7

2,0

4,6

1,37

0,67

Гидроксидная

12,76

22,31

16,86

19,85

16,01

10,91

32,69

28,57

16,14

7,57

14,29

1,79

16,67

34,55

38,45

26,84

22,80

мг/кг

3,06

23,65

7,14

6,95

1,84

4,36

119,64

34,28

14,53

2,27

0,043

0,16

0,0815

11,4

73,82

14,23

4,56

7,73

2,33

2,27

—

27,44

7,86

3,33

0,25

3,72

1,9

6,48

1,25

0,4

Кристаллическая

22,86

16,17

16,69

20,90

22,11

13,3

9,63

9,21

7,66

4,4

14,24

5,7

16,67

48,25

18,42

11,96

15,22

мг/кг

5,49

17,14

7,51

7,32

2,57

5,32

33,24

11,05

6,89

1,32

0,043

0,50

0,0815

15,92

28,45

6,34

3,04

Кс

3,12

1,37

1,33

0,45

6,25

2,08

1,3

0,25

11,63

1,9

1,79

0,4

0,7

Примечания Участки реки I — выше города, II — ниже места сброса основного объема сточных вод города,

III

— геохимический

(механический) барьер перед свалкой, IV — зона дополнительного влияния свалки отходов, V — периферийная часть потока рассеяния

Кс

— коэффициент концентрации относительно

1начений

выше города, % — доля фракции в валовом содержании

Таблица

56. Содержание некоторых химических элементов в воде водотоков

Водоток, источник

загрязнения

р. Майн (устье)

р. Рейн (ниже р. Рур)

р. Мала

Панев

(Поль-

ша) цинковый завод

р. Мала Панев (Поль-

ша) промышленный

район

р.

Тава,

Юж. Уэльс

(промышленный рай-

он)

р.

Камбилеевка,

Сев.

Осетия (завод «Элек-

троцинк»)

р.

Тама

(Япония)

(промышленный рай-

он)

рр.

Гаронна и

Дерзе-

на,

Франция

р. Мозель (устье)

Фоновые воды

Хром

3,8

4,5

—

10—30

3,8

0,5

К,

7,6

—

20—60

7,6

—

Медь

8,3

6,25

12,5

5,4

150

300—500

3,0

1,8

К,

4,6

9,4

3,5

6,9

33,3

83,3

166—277

1,7

—

Цинк

222

201

43 100

7700

764

8500

—

146

К,

22,2

20,1

4310

770

76,4

850

—

14,6

—

Примечание-

С — содержание химического элемента,

мкг/л,

Кс

— коэффициент

концент

Данные по формам нахождения химических элементов в дон-

ных отложениях позволяют наметить группы геохимических про-

цессов, способствующих переводу этих элементов в водную фазу:

увеличение минерализации природных вод (процессы десорбции

и ионного обмена), понижение

рН

(растворение карбонатов),

развитие анаэробной слабовосстановительной

(глеевой)

обста-

новки (разложение оксидов), деятельность микроорганизмов

(разложение органических веществ и

железомарганцевых

ок-

сидов), появление в водах природных и синтетических

комплек-

сообразователей,

процессы взмучивания. Эти факторы в водото-

ках и водоемах проявляются достаточно интенсивно, так как

связаны с реально существующими природными и техногенными

процессами.

Таким образом, зоны воздействия источников загрязнения

наиболее полно фиксируются в донных отложениях (техногенных

илах).

В них формируются полиэлементные аномалии, отличаю-

щиеся высокой корреляцией пространственного распределения

химических элементов и преобладанием подвижных форм на-

хождения. Морфологические особенности потоков рассеяния свя-

заны с русловой дифференциацией аллювия, что определяет не-

однородную структуру аномалий в водотоке.