Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

FORMATION OF THE CHEMICAL COMPOSITION OF WATER OBJECTS OF SOUTHERN MINUSINSK DEPRESSION IN THE CONDITIONS OF ATMOSPHERIC POLLUTION

Davydova N.D. 1
1 V.B. Sochava Institute of geography of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciencе
As a result of long-term researches of geosystems of Southern Minusinsk Depression in the territory of which the aluminum production plants on pollution of snow cover work the area of distribution the dust and gas issues which makes 200–250 sq.km is established and the main elements pollutants are revealed (F-, Na+, Al3+, Ni2+). In the conditions of a background and within the specified territory the chemical composition of an atmospheric precipitation (a rain, snow) is studied, waters of a superficial and intra soil drain, the rivers, lakes and underground waters and the comparative analysis of the received results which has shown increase in contents in an atmospheric precipitation of a zone of pollution of F-by 89–493 times, Al3 + in 39–469, to Na + at 2–22 is carried out. As a part of rain and snow water primary position was reached by F-(22–63 % eq.), Al3 + (17–54), Na + (27–31). Their chemical composition from chloride-hydrocarbonate sodium-calcium was replaced in a zone of subsidence of a dust and gas stream with sulfate-fluoride aluminium-sodium. At interaction with the soil the structure of rainfall is transformed again, turning into surface and intra soil solutions in which participation of pollutant decreases owing to partial absorption by soils of F-and full Al3+. On the contraryexit in solutions of other ingredients, such as HCO3-and Ca2 + has increased. The increased quantity of F-is revealed in underground hidrokarbonate-sodium waters of the top level (to 10 m) only near the plant. Enrichment by fluorine of lakes is caused mainly by natural factors. Steadily low level of his contents (on average 0,09 mg/dm3) remains in the Yenisei River which is in 5 km to the south from a source of issues and deep waters of economic and drinking appointment (on average 0,30 mg/dm3). Therefore, to the greatest influence, the water component of an initial link of formation of the hydrosphere of local level has undergone. Speed of water migration of pollutant is carried out in the sequence of Na +>; F->; Al3 +>; Ni2+.
chemical composition
pollution
atmospheric precipitation
rivers
lakes
underground waters
1. Davydova N.D. Translokacija tehnogennogo ftora v rastenija stepej juga Minusinskoj kotloviny / N.D. Davydova // Uspehi sovremennogo estestvoznanija. 2016. no. 8. рр. 173–177.
2. Davydova N.D. Znamenskaja T.I., Lopatkin D.A. Landshaftno-geohimicheskij podhod v reshenii problem zagrjaznenija prirodnoj sredy / N.D. Davydova, T.I. Znamenskaja, D.A. Lopatkin // Sib. jekol. zhurn. 2014. T. 21, no. 3. рр. 449–458.
3. RD 52.24.353-2012. Otbor prob vod sushi i ochishhennyh stochnyh vod. Rostov-n/D.: Rosgidromet. URL: http://snipov.net/database/c_4294944184_doc_4293792809.html (data obrashhenija: 07.12.2017).
4. Davydova N.D. Himicheskij sostav vodnyh obektov fona Juzhno-Minusinskoj kotloviny / N.D. Davydova // Uspehi sovremennogo estestvoznanija. 2017. no. 8. рр. 64–69.
5. RD 52.24.405-2005. Massovaja koncentracija sulfatov v vodah. Metodika vypolnenija izmerenij turbidimetricheskim metodom. Rostov-n/D.: Rosgidromet. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293850/4293850642.htm (data obrashhenija: 07.12.2017).
6. RD 52.24.407-2006. Massovaja koncentracija hloridov v vodah. Metodika vypolnenija izmerenij argentometricheskim metodom. Rostov-n/D.: Rosgidromet. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293837/4293837365.htm (data obrashhenija: 07.12.2017).
7. RD 52.24.493-2006. Metodika vypolnenija izmerenij massovoj koncentracii gidrokarbonatov v poverhnostnyh vodah sushi titrometricheskim metodom. Rostov-n/D.: Rosgidromet., 2006. 12 р. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293837/4293837295.htm (data obrashhenija: 07.12.2017).
8. PNDF 1:2:3. 98-2016. Metodika vypolnenija izmerenij zhestkosti v probah prirodnyh i ochishhennyh stochnyh vod titrometrichekim metodom. M.: Goskom. RF po ohrane okr. sredy, 2016. 15 р.
9. RD 52.24.495-2005. Metodika vypolnenija izmerenij rN i udelnoj jelektroprovodnosti vod. Rostov-n/D.: Rosgidromet. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293850/4293850855.htm (data obrashhenija: 07.12.2017).
10. PNDF 14.1:2:4.135-2008. Metodika vypolnenija izmerenij massovoj koncentracii jelementov v probah pitevoj, prirodnyh, stochnyh vod i atmosfernyh osadkov atomno-jemissionnoj spektrometrii s induktivno-svjazannoj plazmoj. M.: Goskom. RF po ohrane okr. sredy, 2008. 24 р.
11. RD 52.24.377-2008. Metodika vypolnenija izmerenij massovoj koncentracii metallov (Al, Ag, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, V, Zn) v poverhnostnyh vodah sushi metodom atomnoj absorbcii s prjamoj jelektrotermicheskoj atomizaciej prob. Rostov-n/D.: Rosgidromet, 2008. 23 р.
12. RD 52.24.360-2008. Massovaja koncentracija ftoridov v vodah. Metodika vypolnenija izmerenij potenciometricheskim metodom s ionselektivnym jelektrodom. Rostov-n/D.: Rosgidromet, 2008. 21 р.
13. Gubin V.I., Ostashkov V.N. Statisticheskie metody obrabotki jeksperimentalnyh dannyh. Uchebnoe posobie dlja studentov tehnicheskih vuzov / V.I. Gubin, V.N. Ostashkov. Tjumen: Izd-vo «Tjum. GNGU», 2007. 202 р.
14. Alekin O.A. Osnovy gidrohimii / O.A. Alekin. L.: Gidrometeoizdat, 1970. 442 р.
15. Dutova E.M., Pokrovskij V.P., Pokrovskij V.D. Geohimicheskie osobennosti podzemnyh vod hozjajstvenno-pitevogo naznachenija respubliki Hakasija / E.M. Dutova, V.P. Pokrovskij, V.D. Pokrovskij // Vestn. Tomskogo gos. un-ta. 2015. no. 394. рр. 239–249.

Активное воздействие атмосферы на наземные экосистемы и гидросферу проявляется через атмосферные осадки в виде дождя и снега, которые в условиях техногенеза очищают атмосферу, но загрязняют компоненты природной среды. Длительное (30-летнее) воздействие пылегазовых эмиссий предприятий по производству алюминия ОАО «РУСАЛ Саяногорск» производительностью более 800 тыс. т алюминия в год в той или иной мере сказалось на трансформации геохимического фона почвенно-растительного покрова Южно-Минусинской котловины [1, 2]. Существует опасность загрязнения природных вод данной территории фторидами и алюминатами.

Таблица 1

Анионно-катионный состав дождевой воды (мг/дм3) на разном удалении от предприятий по производству алюминия ОАО «РУСАЛ Саяногорск»

n

pH

Анионы

Катионы

Сумма

солей

HCO3-

Cl-

SO42-

F-

Ca2+

Mg2+

K+

Na+

Al3+

Фон, 60 км к западу

8

6,61

6,79

1,99

1,53

0,06

1,45

0,24

0,58

2,01

0,04

14,66

*М15 HCO355Cl28SO416F1 / Na45Ca37Mg10K7Al1

0,5 км к юго-востоку

5

5,68

10,00

2,19

2,35

5,36

3,06

0,55

0,46

3,96

1,57

29,49

*М29 F51HCO329Cl11SO49 / Al31Na31Ca27Mg8 K3

5 км к юго-востоку

5

5,90

3,37

1,75

0,56

1,00

0,88

0,27

0,33

1,11

0,37

9,64

*М10 F32HCO331Cl30SO47 / Na29Ca2725Mg13K5

7 км к северу

5

6,10

6,69

1,15

4,26

1,21

2,14

0,57

0,38

1,88

0,47

18,75

М19 HCO337SO430F22Cl11 / Na28Ca36Al17Mg16K3

Примечание. * – формула Курлова, %-ммоль, М – минерализация, г/дм3, n – число повторностей.

Цель исследования – определить химический состав водных объектов зоны загрязнения, установить принципиальные их отличия от состава вод природного фона и выявить миграционную способность поллютантов в системе атмосферные осадки – поверхностный и внутрипочвенный сток – поверхностные и подземные воды.

Материалы и методы исследования

Отбор проб воды разных объектов: атмосферных осадков (дождь, снег), поверхностного и внутрипочвенного стока, рек, озер, грунтовых и глубинных вод проводился в 2006–2016 гг. в соответствии с [3]. Исследования велись как в зоне воздействия пылегазовых эмиссий Саяногорского (САЗ) и Хакасского (ХАЗ) алюминиевых заводов, так и в условиях фона [4]. Всего отобрано 136 проб.

Количественный химический анализ проб воды выполнялся в сертифицированном химико-аналитическом центре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН с использованием приборной базы Байкальского центра коллективного пользования и стандартных методик. Пробы анализировались на анионно-катионный состав [5–9] и содержание 20 химических элементов – Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, Ti, Mn, P, Sr, Ba, Zn, Cu, Ni, Cr, Co, Pb, F, V [10, 11]. Содержание фтора выявлялось методом прямой потенциометрии на иономере «Эксперт-001» с помощью фторселективного электрода ЭЛИС 131F [12]. Статистическая обработка результатов количественного химического анализа проведена при доверительной вероятности интервала значений признака 0,95 и вероятности ошибки 0,05 (5 %) [13].

Для оценки изменения уровней содержания отдельных элементов в воде зоны загрязнения применялись коэффициенты концентрации (Кс = Са/Сф) и рассеяния (Кr = Сф/Са), где Са и Сф соответственно концентрации элемента в объектах зоны загрязнения и фона.

Результаты исследования и их обсуждение

Дождевые воды. В условиях загрязнения изменения в составе атмосферы повлияли на химический состав атмосферных осадков (табл. 1), которые существенно отличаются от осадков фоновой территории [4]. Так, реакция дождевой воды в зоне загрязнения поллютантами слабокислая и составляет вблизи заводов 4,04–6,68 pH, в условиях фона 5,74–7,17 pH. От дождевой воды фона она отличается смещением pH в сторону подкисления, что свидетельствует о присутствии в атмосферном воздухе данной территории газообразных веществ, таких как CO2, HF, SO2, которые растворяются в воде. В дождевой воде на расстоянии 0,5 км от заводов по сравнению с дождевой водой фона содержится в два раза больше растворимых солей. Наиболее существенные отличия отмечены в отношении содержаний F- и Al3+, что следует из приведенного ряда анализируемых показателей (в нижнем индексе Кс): F-89,3 Al3+39,3 Mg2+2,3 Ca2+2,1 Na+2,0 SO42-1,5 HCO3-1,5. Среди анионов преимущественное положение, которое оценивалось с помощью формулы Курлова [14], занимают F- (51 %), а среди катионов Al3+ и Na+ (по 31 %). В целом химический состав характеризуется как смешанный гидрокарбонатно-фторидный или хлоридно-гидрокарбонатно-фторидный кальциево-алюмо-натриевый и существенно отличается от состава дождевой воды фона, который оценен как хлоридно-гидрокарбонатный кальциево-натриевый. С удалением от источника эмиссий количество растворимых солей заметно снижается (табл. 1), долевое участие поллютантов в их составе несколько уменьшается.

Таблица 2

Анионно-катионный состав снеговой воды (мг/дм3) на разном удалении от заводов по производству алюминия ОАО «РУСАЛ Саяногорск»

n

pH

Анионы

Катионы

Сумма

солей

HCO3-

Cl-

SO42-

F-

Ca2+

Mg2+

K+

Na+

Al3+

Фон, 60 км к западу

6

5,94

4,46

1,63

0,94

0,07

1,44

0,33

0,20

0,81

0,03

9,93

*М10 HCO351Cl32SO44F3 / Ca50Na25Mg19K4Al2

0,5 км к юго-востоку

4

6,13

22,27

1,99

31,35

34,51

7,07

1,78

1,01

17,69

14,08

131,75

*М132 F63SO422HCO312Cl2 / Al54Na27K14Ca12Mg5

2 км к юго-востоку

5

6,15

13,22

2,00

15,19

16,50

2,97

0,73

1,03

11,67

6,60

69,91

*М70 F59SO422HCO315Cl 4 /Al54Na27K14Ca12Mg5

5 км к юго-востоку

4

5,90

6,56

2,76

11,12

9,88

3,17

0,70

0,38

6,24

3,95

44,76

*М45 F55SO425HCO312Cl 8 /Al46Na29Ca18Mg6K1

 

Снеговые воды. По общему содержанию растворимых веществ и отдельных ингредиентов снеговая вода зоны загрязнения очень сильно отличается от фоновой (табл. 2). Она более минерализована: вблизи завода в 13 раз, на расстоянии 5 км – в 4,5 раза. Поэлементные отличия представлены в виде следующего ряда показателей: F-493,3 Al3+469,3 SO42-33,4 Na+21,8 Mg2+5,4 K+5,1 HCO3-5,0Ca2+4,9. Ее химический состав хорошо отражен посредством формул Курлова (табл. 2). Если снеговая вода фона имеет состав хлоридно-гидрокарбонатный натриево-кальциевый, то в зоне оседания пылегазового потока она меняется на сульфатно-фторидный натриево-алюмовый. С удалением от источника эмиссий до 6 км минерализация снеговой воды уменьшается со 132 до 45 мг/дм3, но химический состав остается практически постоянным.

Растворимая в дождевой и снеговой воде часть техногенного вещества участвует в радиальном и латеральном миграционном потоке, сопряженных элементарных ландшафтов. В транзитных и конечных звеньях каскадных ландшафтно-геохимических систем растворимые вещества или впитываются в почву, распределяясь в почвенном профиле, или при достаточном количестве атмосферных осадков привносятся в грунтовые воды и аквальные ландшафты.

Почвенные растворы зоны загрязнения. То, что твердое техногенное вещество активно растворяется, проявляется в повышенном содержании поллютантов (F-, N+, Al3+), как в снеговой воде (табл. 2), так и в почвенных растворах зоны загрязнения (табл. 3), имеющих сходство по содержанию и составу. Ударные дозы снеговой воды более эффективны по влиянию на почвенные растворы по сравнению с дождевой водой. В данном случае анализировались снеговая вода и жидкая фаза почв (лизиметрические воды) долины р. Енисей. Выровненная поверхность позволяет почвам в большем объеме принимать талые воды, нежели почвы склонов. Продвигаясь в слое почвы (40 см) в радиальном направлении химические элементы снеговой воды по-разному взаимодействуют с твердой фазой почв, о чем можно судить по их содержанию в лизиметрических водах (табл. 3). Произошедшие изменения оценены посредством величин Кс. На разном удалении от заводов их величины разнятся. На удалении 0,5 км анионно-катионный ряд имеет вид – HCO3-10,8Ca2+8,1 K+7,34Mg2+6,4Cl3,6SO42-2,4Na+1,3F-0,7 Al3+0,2. На удалении 5 км он несколько иной – K+8,7HCO3-6,5 Ca2+5,9Mg2+4,8SO42-2,4Na+1,3F-0,9Cl0,5 Al3+0,3. По сравнению со снеговой водой почвенные растворы существенно обогащаются за счет растворимых веществ черноземов, кроме F-0,7-0,9 и Al3+0,2-0,3, которые поглощаются почвой. При этом фтор поглощается до 30 %, большая его часть остается подвижной. Алюминий, напротив, на 70–80 % поглощается почвой и, следовательно, малоподвижен. При достаточном количестве носителя часть фтора, находящаяся в форме фторид-иона мигрирует в составе других ингредиентов, как в радиальном, так и латеральном направлении. По сравнению со снеговой водой роль поллютантов в химическом составе почвенных растворов заметно снижена.

Воды поверхностного стока. Химический состав вод поверхностного стока (табл. 3) с удалением от источника эмиссий также меняется. На расстоянии 7 км вследствие взаимодействия дождевой воды с почвой образующиеся растворы стока существенно обогащаются за счет почвенных ингредиентов SO42-30,8Ca2+27,8 HCO3-19,9K+15,6Mg2+4,8Na+3,1Cl2,9 (внизу индекс Кс), которые имеют в большей степени природное происхождение, накапливаясь на поверхности в условиях сухого климата. При этом содержание фтора и алюминия в паре дождевая вода – вода стока, судя по их величине Кс = F-1,2Al3+1,0 остается практически без изменения. Водный поток веществ, движущийся по поверхности почвы, характеризуется формулой Курлова как сульфатно-гидрокарбонатный кальциевый (табл. 3). Участие Al3+, F-, Na+ снижено по сравнению с исходной дождевой водой (табл. 1), составляя соответственно 3, 4, 9 % от суммы эквивалентов вследствие увеличения доли других ионов.

Грунтовые воды формируются в первом водоносном слое и имеют свободную связь с поверхностью. Они пополняются за счет атмосферных осадков или поверхностных вод (рек, озер, прудов), находясь с ними во взаимосвязи. Грунтовые воды древней долиной р. Енисей, находящейся в сфере распространения пылегазовых эмиссий предприятий ОАО «РУСАЛ Саяногорск», расположены на разных глубинах. Воды, находящиеся ближе к дневной поверхности, отличаются большей минерализацией по сравнению с ниже залегающими слоями (табл. 4). Первые повышенной минерализации характеризуются сульфатно-гидрокарбонатным натриевым или кальциево-натриевым составом. Вторые средней минерализации – гидрокарбонатные кальциево-натриевые. Содержание фтора в грунтовых водах территории, удаленной от заводов ОАО «РУСАЛ Саяногорск», близко к оптимальному уровню (табл. 4). Как правило, это неглубокие колодцы (до 9 м), с концентрацией элемента от 0,67 до 1,3 мг/дм3. Однако в воде гравийного карьера, находящегося вблизи заводов, обнаружено повышенное содержание этого элемента (7–9 мг/дм3), что свидетельствует не только об атмосферном загрязнении, но и предположительно, об утечке технической воды, обогащенной фтором и натрием. Химический состав гидрокарбонатный натриевый с участием фтора.

Таблица 3

Анионно-катионный состав лизиметрических вод и вод поверхностного стока на разном удалении от предприятий по производству алюминия ОАО «РУСАЛ Саяногорск»

n

pH

Анионы

Катионы

Сумма

солей

HCO3-

Cl-

SO42-

F-

Ca2+

Mg2+

K+

Na+

Al3+

Вода лизиметров, 5 км от заводов к юго-востоку

3

6,61

42,40

1,45

26,17

9,91

18,74

3,34

3,30

7,88

1,12

114,21

*М114 HCO343SO431F24Cl 2 / Ca52Na19Mg15K3Al 1

Вода лизиметров, 7 км от заводов (вершина) к северу

4

7,44

125,45

10,41

25,63

1,70

48,26

2,28

7,62

1,90

0,12

223,37

*М223 HCO369SO418Cl10F3 / Ca83Mg7K7Na3

Вода поверхностного стока, 7 км от заводов (вершина) к северу

7

7,09

67,25

5,13

17,25

1,19

24,47

2,22

5,16

3,40

0,37

126,44

*М126 HCO366SO421Cl9F4 / Ca69Mg11Na9K8Al 3

 

Таблица 4

Анионно-катионный состав подземных вод (мг/дм3) на разном удалении от предприятий по производству алюминия ОАО «РУСАЛ Саяногорск»

n

pH

Анионы

Катионы

Сумма

солей

CO32–

HCO3–

Cl–

SO42–

F–

Ca2+

Mg2+

K+

Na+

Al3+

Грунтовая вода колодцев (4–4,5 м), 12 км на запад

5

8,14

352,31

49,84

110,33

0,81

18,65

10,73

0,89

178,85

0,038

722,45

*М0,722 HCO361SO424 Cl14 / Na81Ca10Mg9

Грунтовая вода неглубоких скважин (8–9 м), 8–10 км на запад

9

8,43

3,60

354,95

87,29

225,01

1,16

51,60

24,28

1,745

195,74

0,086

945,46

*М0,945 HCO344SO435Cl 9 / Na65Ca20Mg15

Грунтовая вода гравийного карьера (9 м), 0,5 км на восток

3

8,64

5,30

500,93

29,85

39,89

8,00

17,46

8,93

2,80

197,90

0,110

805,87

*М0,806 HCO380SO48Cl8F4 / Na84Ca8Mg7Al1

Грунтовая вода гравийного карьера (18 м), 3 км на северо-запад

4

8,18

196,27

9,59

21,47

1,10

20,87

16,56

1,41

35,09

0,053

302,33

*М0,302 HCO381SO411Cl8 / Na65Ca20Mg15

Глубинная вода скважин (> 20 м), 5 км к югу

13

7,63

267,85

37,88

36,13

0,30

65,08

18,5

3,14

26,13

0,110

455,12

**М0,455 HCO370Cl 17SO413 / Ca54Mg25Na19

 

Подземные воды, вскрытые скважинами в районе села Енисейка, которое расположено в 5 км к югу от источника эмиссий, средне минерализованные, гидрокарбонатные магниево-кальциевые, среднежесткие (4, 77 ммоль/дм3). По содержанию основных ингредиентов они близки (табл. 4) к обобщенным сведениям химического состава водоносных четвертичных отложений территории Хакасии (рН 7,73 у.е.; HCO3- 254 мг/дм3 ; Cl- 65,9; SO42- 99,1; Ca2+ 56,6; Mg2+ 23,8; общ. Ж 4,79) [15] и характеризуются стабильно низким содержанием фтора (0,23–0,38 мг/дм3).

Заключение

Анализ количественных характеристик водного потока степных ландшафтов территории, прилегающей к заводам по производству алюминия ОАО «РУСАЛ Саяногорск», показал неравнозначное влияние пылегазовых эмиссий на объекты и элементы гидросферы локального уровня (до 5–7 км). Наибольшему воздействию, судя по увеличенному содержанию F-, подверглась водная составляющая начального звена формирования гидросферы в последовательности: атмосферные осадки (дождевая, снеговая воды) – внутрипочвенные растворы (лизиметрические воды) – грунтовые воды вблизи заводов. Повышенное количество фтора в озерах обусловлено главным образом природными факторами, так как они находятся на периферии зоны загрязнения и по содержанию элемента практически не отличаются от более удаленных озер. Стабильно низкий уровень содержания элемента сохраняется в реке Енисей, находящейся в 5 км к югу от источника эмиссий. Для ее загрязнения потребовался бы более высокий уровень концентрации поллютанта в грунтовых водах в непосредственной близости к реке, что в настоящее время не прослеживается. Алюминий и никель (до 60 мкг/дм3), поступающие с атмосферными осадками, аккумулируются главным образом в почве, вследствие низкой миграционной способности в условиях нейтральной и щелочной среды.