Район исследования расположен в центральной части Западно-Сибирской низменности в подзоне северной тайги с островным распространением многолетнемерзлых пород. Равнинность и особенности климата обуславливают высокую заозеренность и заболоченность. Почвообразующие породы представлены озерно-аллювиальными отложениями с прослоями и линзами суглинков и суспензий. На дренированных песчаных участках преобладают подзолистые и глеево-подзолистые почвы, на суглинистых грунтах – поверхностно-глеевые и подзолисто-болотистые почвы [1]. Зональным типом растительности являются березово-лиственничные и березово-сосновые кустарнично-лишайниковые редколесья, а также лиственничные кустарничково-моховые редины, развитые в приречных частях равнины [8].
Хозяйственная деятельность, интенсивное промышленное освоение территории исследования – Надымский район, урбанизация неизбежно приводят к истощению естественного потенциала экосистемы, поступлению вредных веществ в биосферу. Компенсаторные возможности арктической экосистемы ограничены, происходит аккумуляция техногенных загрязнителей в природных средах. Негативное влияние хозяйственной деятельности на формирование химического состава и качества воды приобретает угрожающие масштабы и может привести к необратимым процессам в водной экосистеме [4, 5, 6, 7].
Исследование экологического состояния водных экосистем необходимо для своевременного выявления высоких уровней загрязнения, оценки и прогнозирования развития ситуации в дальнейшем. Чувствительным индикатором интенсивности техногенной нагрузки являются озера. Оценка уровня загрязнения поверхностных вод озер позволяет получить данные о текущем состоянии экосистемы в процессе хозяйственной деятельности.
Цель исследования – изучить химический состав поверхностных вод малых озер, расположенных в подзоне северной тайги бассейна реки Надым под действием антропогенных факторов.
Материалы и методы исследования
Проведено гидрохимическое обследование озер. По морфометрическим показателям обследованные озера относятся к малым озерам. Время отбора проб: сентябрь. Отбор проб проводился с учетом требований «ГОСТ Р 51592-2000 Вода. Общие требования к отбору проб». Отбор проб осуществлялся с глубины 0,3–0,5 м в количестве 1 л в полиэтиленовые бутыли для анализа ионного состава и 1 л в бутыли из темного стекла для определения содержания нефтепродуктов. Химико-аналитические работы проводились в стационарной лаборатории качества вод, устойчивости водных экосистем и экотоксикологии и в сертифицированной Федеральной службой по аккредитации лаборатории экологических исследований Тюменского государственного университета.
В отобранных пробах определялись: pH и щелочность – потенциометрическим методом, цветность – фотометрическим методом, сумма нитрат- и нитрит-ионов, общий азот, фосфат-ионы, фосфор общий, кремний – спектрофотометрическим методом, перманганатная окисляемость и бихроматная окисляемость – титриметрическим методом, определение общего органического углерода (Vario TOC, Elementar, Германия), сульфат-ионы и хлорид-ионы – ион-хроматографическим методом (ICS – 5000, Dionex, США). Методом капиллярного электрофореза определялись калий, натрий, кальций, магний. Содержание нефтепродуктов изучалось методом ИК-спектрометрии. Концентрации металлов определялись атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией и пламенной атомизацией (ContrAA, Analytik Jena, Германия).
Интегральная оценка загрязнения поверхностных вод проведена на основании индекса загрязнения (ИЗВ) по формуле
ИЗВ = ?(Сi/ПДКi)/N,
где Сi – концентрация вещества; N – число показателей, используемых для расчета; ПДКi – предельно допустимая концентрация для соответствующего вещества.
Для выявления степени влияния аэротехногенных факторов на качество вод проведено исследование процессов закисления природных вод по результатам анализа показателей: pH в динамике, концентрация сульфат-ионов, алюминия, щелочности, показателю кислотонейтрализующей способности (ANC), соотношению концентрации ионов.
Результаты исследования и их обсуждение
Химический состав вод обследованных малых озер зоны северной тайги характеризовался низкой минерализацией, обусловленной преимущественно атмосферным питанием и геологическими особенностями ландшафта, низким содержанием основных ионов (табл. 1, 2). Воды озер относятся к ультрапресным. Содержание хлорид- и сульфат-ионов, сильных катионов калия и натрия в поверхностных водах низкое и типичное для водных объектов севера Западной Сибири [9].
Таблица 1
Гидрохимические показатели поверхностных вод малых озер бассейна реки Надым ЯНАО
|
Водные объекты |
рН |
ЭП (мкС/см) |
ТОС (мгС/л) |
SO42- (мг/л) |
Cl- (мг/л) |
Alk (мкг-экв/л) |
|
Озеро б/н № 1 |
5,70 |
16,5 |
19,78 |
0,57 |
0,29 |
30,0 |
|
Озеро б/н № 2 |
4,90 |
13,4 |
24,05 |
0,78 |
0,30 |
30,0 |
|
М ± б |
5,3 ± 0,4 |
14,95 ± 1,55 |
21,92 ± 2,14 |
0,68 ± 0,09 |
0,30 ± 0,005 |
30,0 ± 0,0 |
|
М ± б (для северной тайги ЕТР) |
6,65 ± 0,73 4,15–7,51 |
29,5 ± 14,4 7,9–96,7 |
7,41 ± 3,86 1,61–24,3 |
2,54 ± 1,01 0,64–6,44 |
1,36 ± 0,98 0,24–6,0 |
175 ± 135 0–694 |
Примечание. В числителе – среднее значение и среднеквадратичное отклонение, знаменателе – пределы содержания, данные для северной тайги ЕТР (по [3]).
Таблица 2
Элементный состав поверхностных вод малых озер бассейна реки Надым ЯНАО
|
Водные объекты |
Ca+2 (мг/л) |
Mg+2 (мг/л) |
Na+ (мг/л) |
K+ (мг/л) |
|
Озеро б/н № 1 |
6,78 |
0,82 |
0,35 |
0,13 |
|
Озеро б/н № 2 |
4,03 |
0,26 |
0,18 |
0,025 |
|
М ± ? |
5,41 ± 1,12 |
0,54 ± 0,23 |
0,27 ± 0,07 |
0,08 ± 0,04 |
|
М ± б (для северной тайги ЕТР) |
2,24 ± 1,23 0,18–5,85 |
0,83 ± 0,50 0,07–3,40 |
2,18 ± 1,61 0,42–22,1 |
0,61 ± 0,48 0,08–2,50 |
|
Кларк речной воды (мкг/л) |
12,0 |
2,9 |
5,0 |
2,0 |
Примечание. В числителе – среднее значение и среднеквадратичное отклонение, знаменателе – пределы содержания; данные для северной тайги ЕТР (по [3]); кларк речной воды (по [2]).
Показатель электропроводности (ЭП) природной воды зависит, главным образом, от концентрации сильных электролитов Na+, K+, Ca+2 , Cl- , SO4 -2 , HCO3 – и температуры. Удельная электропроводность исследуемых озер низкая, что свидетельствует о низкой суммарной концентрации электролитов в поверхностных водах обследованных озер.
Величина водородного показателя является важной характеристикой качества вод, так как влияет на развитие и жизнедеятельность водной биоты, миграционную активность многих элементов. Вода обследованных озер имеет pH = 5,7 и 4,9 соответственно и относится к слабокислым водам (от 4,0 до 6,5 pH), не соответствующим требованиям для водных объектов рыбохозяйственного значения (от 6,0 до 9,0 pH) (табл. 3).
Концентрация растворенного кислорода в воде свидетельствует об интенсивности биологических процессов в водоёме и уровне загрязнения активно окисляющимися веществами. Снижение концентрации растворенного кислорода до 2 мг/л вызывает массовую гибель гидробионтов. Значения БПК – биологического потребления кислорода в исследуемых озерах не превышает ПДКрх (2 мг/л), но при этом в озере б/н № 2 в два раза выше, чем в воде водного объекта сравнения.
Высокая окисляемость поверхностных вод исследованных озер по данным показателя – химическое потребление кислорода (ХПКозеро б/н № 1 = 34,1 мг/л и ХПК озеро б/н № 2 = = 42,7 мг/л), связана с большим количеством природной органики, поступающей из болот и торфяников. Среднее значение ХПК для исследованных водоемов по результатам экологического мониторинга в 2,7 раза выше рекомендуемых величин.
Таблица 3
Основные показатели загрязнения поверхностных вод малых озер бассейна реки Надым ЯНАО
|
№ п/п |
Химические вещества |
ПДКрх |
Озеро б/н № 1 |
Озеро б/н № 2 |
|
1 |
Водородный показатель |
6,0–9,0 |
5,70 |
4,90 |
|
2 |
БПК5 , мг/л |
2 |
0,50 |
1,02 |
|
3 |
ХПК, мг/л |
15 |
34,1 |
47,2 |
|
4 |
Нефтяные углеводороды, мг/л |
0,05 |
0,022 |
0,035 |
|
5 |
Азот нитратный, мг/л |
40 |
0,008 |
0,009 |
|
6 |
Азот нитритный, мг/л |
0,08 |
0,0003 |
0,0003 |
|
7 |
Азот аммонийный, мг/л |
0,4 |
0,53 |
1,32 |
Примечание. ХПК – химическое потребление кислорода, БПК – биологическое потребление кислорода.
Из биогенных соединений азота следует выделить аммонийную форму азота. Для водных объектов Западной Сибири характерно повышенное содержание аммонийного азота в связи с низкой скоростью разложения органических веществ.
Нефтяные углеводороды присутствуют в поверхностных водах малых озер на уровне фоновых значений.
Подвижные комплексы железа с гуминовыми кислотами в значительных количествах содержатся в поверхностных водах северных озер и рек. Превышение ПДК по железу относится к природным особенностям территории (табл. 4).
Содержание никеля и хрома в природной воде исследованных водных объектов выше значений кларка речной воды [2]. Концентрации меди и цинка в поверхностных водах превышают ПДК.
В обследованных озерах показано повышенное содержание свинца: в 1,5 раза выше кларка речной воды и почти в 3 раза выше концентраций свинца в озерах Севера европейской территории России. Известно, что в кислой среде увеличивается миграционная активность многих металлов.
Таким образом, характеризуя загрязнения поверхностных вод исследуемых водных объектов, следует выделить низкие показатели pH, превышение ПДК по ХПК (химическое потребление кислорода) более чем в два раза, превышение ПДК по железу в два раза, превышение ПДК по меди в 3,7 раза, цинку – в 1,3 раза, уровни аммонийного азота превышают ПДК в 3,3 раза. Общая оценка качества поверхностных вод исследованных водных объектов, проведенная на основании гидрохимического индекса загрязнения воды (ИЗВ) указывает на «умеренное загрязнение» при значениях ИЗВ соответственно 1,63 и 1,56.
Оценка воздействия аэротехногенных факторов на озерные экосистемы осуществлялась на основе изучения интенсивности закисления природных вод. Низкие значения pH показаны для озера б/н № 2 на фоне высокой цветности 198?Pt. Выявлено доминирующее положение сульфатов в анионном составе поверхностных вод для обследованных озер (табл. 5). Риск закисления вод для исследованных озер повышен, так как показатели щелочности, характеризующие буферную ёмкость вод, составляют 30 мкг-экв./л. Прогноз состояния озера б/н № 1 лучше, чем озера б/н № 2, так как значение соотношения Alk/ SO42- выше. Для исследованных озер показана низкая буферная емкость.
Таблица 4
Содержание тяжелых металлов в поверхностных водах малых озер бассейна реки Надым ЯНАО
|
№ п/п |
Показатель |
ПДКрх |
Кларк речной воды** |
Озеро б/н № 1 |
Озеро б/н № 2 |
М ± б (для северной тайги ЕТР)* |
|
1 |
Si, мг/л |
10,0 |
6,0 |
0,084 |
0,074 |
2,62 ± 1,59 0,03–7,07 |
|
2 |
Al, мг/л |
0,04 |
0,16 |
0,0112 |
0,0269 |
0,0149 ± 0,014 0,0008–0,0826 |
|
3 |
Fe, мг/л |
0,1 |
0,04 |
0,223 |
0,203 |
0,0479 ± 0,0717 0,001–0,496 |
|
4 |
Cu, мг/л |
0,001 |
0,007 |
0,0053 |
0,0037 |
0,0008 ± 0,0007 0,0002–0,0044 |
|
5 |
Ni, мг/л |
0,01 |
0,0025 |
0,0041 |
0,0031 |
0,0009 ± 0,0009 < 0,0002–0,0048 |
|
6 |
Co, мг/л |
0,01 |
0,003 |
< 0,001 |
< 0,001 |
< 0,0002 |
|
7 |
Zn, мг/л |
0,01 |
0,02 |
0,0286 |
0,0126 |
0,0011 ± 0,001 0,0002–0,0055 |
|
8 |
Mn, мг/л |
0,01 |
0,01 |
0,00575 |
0,00684 |
0,0061 ± 0,0068 0,0003–0,0378 |
|
9 |
Pb, мг/л |
0,006 |
0,001 |
0,0014 |
0,0019 |
< 0,0005 |
|
10 |
Cr, мг/л |
0,02 |
0,001 |
0,00253 |
0,00222 |
0,00022 ± 0,000018 < 0,00005–0,00127 |
|
11 |
Cd, мг/л |
0,005 |
0,0002 |
< 0,0001 |
< 0,0001 |
< 0,00005 max 0,00013 |
|
12 |
Hg, мкг/л |
0,01 |
0,07 |
< 0,05 |
< 0,05 |
– |
Примечание. * – в числителе – среднее значение и среднеквадратичное отклонение, знаменателе – пределы содержания, данные для северной тайги ЕТР (по [3]); ** – кларк речной воды (по [2]).
Таблица 5
Основные показатели, характеризующие процесс закисления малых озер бассейна реки Надым ЯНАО
|
Показатель |
Озеро б/н № 1 |
Озеро б/н № 2 |
М ± б* |
|
pH |
5,70 |
4,90 |
6,65 ± 0,73 4,15–7,51 |
|
Цветность, ? Pt |
30,9 |
198,0 |
45,8 ± 56,9 0–320 |
|
Alk, мкг-экв/л |
30,0 |
30,0 |
175 ± 135 0–694 |
|
? кат, мкг-экв/л |
424,2 |
230,9 |
345 53–1200 |
|
SO42- , мкг-экв/л |
11,9 |
16,2 |
78 14–166 |
|
NO3 – , мкг-экв/л |
0,5 |
0,6 |
6,84 0,07–42,0 |
|
ANS, мкг-экв/л |
300,7 |
212,9 |
159 0–799 |
Примечание. * – в числителе – среднее значение и среднеквадратичное отклонение, знаменателе – пределы содержания, данные для северной тайги ЕТР (по [3]).
Значения показателей KNS, представляющих собой отношения концентраций нитратов к сумме анионов (сульфатов и нитратов), близки к 0. Разница между суммой катионов с коррекцией на морскую соль и радикалами сильных кислот равна соответственно 300,7 мкг-экв./л и 212,9 мкг-экв./л. Обследованные озера имели высокую кислотонейтрализующую способность, признаков закисления вод в обследованных озерах не выявлено.
Таким образом, химический состав поверхностных вод исследуемых озер формируется под воздействием как природных факторов, так и источников техногенного воздействия. Вода исследованных водных объектов относится к 3 классу качества – «умеренно загрязненная». Экологическое состояние обследованных озер характеризовалось превышением фоновых уровней по следующим показателям: окисляемость, ион-аммония, цинк, медь – и низкими значениями водородного показателя. Буферная емкость обследованных озер низкая, и риск закисления вод повышен, что свидетельствует о невысоком потенциале поверхностных вод к нейтрализации кислотных выпадений, которые связаны не только с локальным и, прежде всего, с глобальным атмосферным переносом загрязняющих веществ.