Бассейн Верхней Оби расположен на территории Западной Сибири, где активно развивается нефтегазодобывающая отрасль промышленности. Побочным последствием технического роста региона является загрязнение водоемов, почв различными химическими поллютантами, в том числе и тяжелыми металлами (ТМ). Река Обь относится к числу крупнейших рек Западной Сибири. Площадь бассейна Оби составляет 2990 тыс. кв. км. По этому показателю река занимает первое место в России [9]. Бассейн реки Оби изобилует малыми и крупными реками, озерами и болотами. Они способствуют активной миграции химических загрязнений (тяжелых металлов, нефтепродуктов и т.п.), поступающих в реку Обь, которая выносит их в Обскую губу и далее в Ледовитый океан, подвергая опасности разрушения экосистем, удаленных от районов нефтегазового комплекса.
Реки Самсоновская, Лев, Вандрас находятся в бассейне Верхней Оби, в южной части Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО) Тюменской области. Воды рек Самсоновская, Лев, Вандрас через реку Большой Салым впадают в реку Обь. Река Самсоновская является правым притоком реки Лев, река Лев – правый приток реки Вандрас, река Вандрас – правый приток реки Большой Салым. Исследуемые притоки бассейна Верхней Оби относят к малым рекам, так, протяженность реки Лев составляет 77 км, реки Самсоновская – 74 км, реки Вандрас – 113 км [1].
Донные отложения (ДО) малых рек в данном регионе недостаточно изучены [1]. ДО, вследствие малой скорости перемещения по сравнению с водными массами, могут сохранять достоверную информацию о внешнем воздействии в конкретном районе [3]. Содержание ТМ в ДО зависит от гранулометрического состава грунтов и может отличаться не только в разных водных объектах, но и на отдельных участках одного водоема [2, 3, 6].
Ранее авторами впервые было изучено пространственное распределение тяжелых металлов (ТМ) в донных отложениях (ДО) малых рек Самсоновская, Лев, Вандрас. Атомно-эмиссионным методом на спектрометре OPTIMA-7000 DV определено валовое содержание ТМ (Zn, Pb, Ni, Cu, Sr, Cr, Mn). В результате регрессионного анализа получены математические уравнения полинома второй степени, характеризующие пространственное распределение выявленных ТМ на протяженном участке рек Самсоновская – Лев – Вандрас, общей длиною 86 км от места слияния рек Большой Салым и Вандрас. Величина достоверности аппроксимации составила R2 = 0,59…0,89. Количественное определение ТМ в течение 2012–2014 гг. показало превышение регионального фона по соединениям свинца в донных отложениях исследуемых рек. Для соединений свинца (фон – 20 мг/кг): в р. Самсоновская – в 2,6…3,8 раза, в р. Лев – в 2 раза, в р. Вандрас – в 1,7…3,1 раза [1].
Целью работы является определение кларков концентраций и оценка интегральных запасов выявленных ТМ в ДО на участках рек Самсоновская, Лев и Вандрас с разным гранулометрическим составом.
Материалы и методы исследования
В июле 2012–2014 гг. проведены экспедиционные работы по отбору проб ДО в реках Самсоновская, Лев, Вандрас в ХМАО. Географические координаты станций отбора проб ДО определены при помощи спутниковой навигационной системы GPSMAP 62s и приведены в табл. 1 [1].
Методы отбора и количественный химический анализ проб ДО, статистическая обработка данных описаны в [1]. Количественное определение фракций песчаной, глинистой и пылеватой частиц в гранулометрическом составе ДО выполнено по методу Рутковского, а классификация грунтов – по В.В. Охотину [4]. Расчет средней плотности запасов ТМ пойменных почв и ДО рек проведен путем интегрирования уравнения зависимости средней концентрации металла от протяженного участка реки по формуле в соответствии с [6]:
(*)
где Q – средняя плотность запасов металла на участке от L2 до L1, г/м2; L1 и L2 – линейное расстояние между двумя последовательными станциями отбора проб (в зависимости от линейного расстояния от места слияния рек Большой Салым и Вандрас – данная точка принята за условную нулевую отметку по табл. 1), км; b – усредненная ширина русла реки, для линейного расстояния между станциями отбора проб В2 – В1 – b = 34 м, Л2 – В1 – b = 30 м, Л1 – Л2 – b = 25 м, С1 – Л1 – b = 27 м, С2 – С1 – b = 29 м. Определение b проведено экспериментально при помощи спутниковой навигационной системы GPS навигации и компьютерной программы «Google Earth»; ρДО – усредненное значение плотности исследуемых проб ДО на участке от L2 до L1, г/см3, ρДО определена экспериментально [1] для расстояния между станциями отбора проб:
В2 – В1 – ρ(ДО) = 1,05;
Л2 – В1 – ρ(ДО) = 1,26;
Л1 – Л2 –ρ(ДО) = 1,31;
С1 – Л1 – ρ(ДО) = 1,29;
С2 – С1 – ρ(ДО) = 1,07;
y(l) – математическое уравнение зависимости концентрации металла (в мг/кг) от протяженного участка реки, получено в результате регрессионного анализа (табл. 2 и [1]).
Результаты исследования и их обсуждение
Кларк концентрации относится к экогеологическим коэффициентам, позволяющим осуществлять оценку негативного воздействия на ДО водоемов [5]. Данный коэффициент рассчитывался как отношение содержания химического элемента в ДО к его кларку в земной коре [5, 8]. В табл. 2 представлены рассчитанные кларки концентраций (КК) ТМ в ДО исследуемого протяженного участка рек Самсоновская, Лев и Вандрас.
Таблица 1
Географические координаты станций отбора проб ДО
|
Водоем |
Станция отбора проб ДО |
Географические координаты |
Линейное расстояние от места слияния рек Большой Салым и Вандрас, км [1] |
|
р. Вандрас |
В2 |
N60°04,125′; Е071°28,729′ |
28 |
|
В1 |
N60°04,120′; Е071°28,956′ |
28,3 |
|
|
р. Лев |
Л2 |
N60°01,344′; Е071°21,974′ |
71 |
|
Л1 |
N60°00,730′; Е071°20,229′ |
72 |
|
|
р. Самсоновская |
С1 |
N59°38,171′; Е071°17,701′ |
85 |
|
С2 |
N59°58,117′; Е071°17,689′ |
86 |
Таблица 2
Содержание ТМ (в мг/кг) в донных отложениях рек Самсоновская, Лев и Вандрас (здесь в числителе – Х – среднее значение, в знаменателе – кларк концентрации; σ – стандартное отклонение, в скобках – величина кларка в земной коре по Виноградову)
|
Станция отбора |
Cr (83) |
Cu (47) |
Mn (1000) |
Ni (58) |
Pb (15) |
Sr (340) |
Zn (83) |
|||||||
|
Х |
σ |
Х |
σ |
Х |
σ |
Х |
σ |
Х |
σ |
Х |
σ |
Х |
σ |
|
|
В2 |
19,9 — 0,2 |
0,4 |
4,6 — 0,1 |
0,1 |
118 — 0,1 |
0,2 |
6,5 — 0,1 |
0,0 |
61,8 — 4,1 |
0,0 |
9,2 — 0,03 |
0,4 |
16,7 — 0,2 |
0,2 |
|
В1 |
16,4 — 0,2 |
0,3 |
4,2 — 0,1 |
0,2 |
85 — 0,1 |
0,2 |
5,8 — 0,2 |
0,1 |
34,4 — 2,3 |
0,1 |
7,6 — 0,02 |
0,3 |
17,1 — 0,2 |
0,2 |
|
Л2 |
13 — 0,2 |
0,2 |
2,5 — 0,1 |
0,0 |
166 — 0,2 |
0,2 |
11 — 0,2 |
0,1 |
12 — 0,8 |
0,1 |
8,1 — 0,02 |
0,2 |
7,8 — 0,1 |
0,3 |
|
Л1 |
20,1 — 0,2 |
0,2 |
1,4 — 0,03 |
0,1 |
222 — 0,2 |
0,2 |
7,5 — 0,1 |
0,0 |
44,4 — 3,0 |
0,1 |
9,3 — 0,03 |
0,2 |
24,4 — 0,3 |
0,2 |
|
С1 |
25,9 — 0,3 |
0,2 |
3,6 — 0,1 |
0,1 |
214 — 0,2 |
0,2 |
8,0 — 0,1 |
0,1 |
52,3 — 3,5 |
0,2 |
6,5 — 0,02 |
0,2 |
25,6 — 0,3 |
0,3 |
|
С2 |
32,2 — 0,4 |
0,5 |
3,3 — 0,1 |
0,1 |
341 — 0,3 |
0,2 |
9,5 — 0,2 |
0,1 |
75,5 — 5,0 |
0,2 |
5,7 — 0,02 |
0,2 |
32,5 — 0,4 |
0,2 |
Таблица 3
Гранулометрический состав ДО рек: Самсоновская, Вандрас и Лев
|
Наименование водоема |
Содержание фракций (минимальное значение...максимальное значение), % |
Классификация грунтов (по В.В. Охотину) |
|||||
|
песчаной (частицы 0,25...2 мм) |
глинистой (частицы < 0,005 мм) |
пылеватой (частицы 0,005... 0,25 мм) |
песок, % |
легкая супесь, % |
тяжелая супесь, % |
легкий суглинок, % |
|
|
Река Вандрас |
50...85 |
3,4...6,8 |
10,5...45,5 |
– |
67 |
33 |
– |
|
Река Лев |
72,5...92,5 |
2,3...6,8 |
3,2...21,8 |
16,5 |
16,5 |
67 |
– |
|
Река Самсоновская |
62,5...85 |
4,5...13,6 |
3,7...28,4 |
– |
16,5 |
16,5 |
67 |
Кларки концентраций металлов – Zn, Ni, Cu, Sr, Cr, Mn не превышают среднего содержания в земной коре (КК << 1), поэтому можно предположить, что они рассеиваются в ДО [8]. Исключение составляет свинец, его концентрации выше значения кларка в ДО исследуемых рек в 2–5 раз.
Гранулометрический состав ДО исследуемых рек (Самсоновская, Лев, Вандрас) различается в зависимости от линейного расстояния от места слияния рек Большой Салым и Вандрас. ДО р. Вандрас – это легкая супесь и тяжелая супесь в соотношении 2:1. ДО р. Лев были представлены тяжелой супесью, легкой супесью и песком в соотношении 4:1:1.
В ДО р. Самсоновская наблюдается увеличение объема глинистой фракции до 13,6 %, то есть содержания частиц размером менее 0,005 мм, преобладает легкий суглинок до 67 % (табл. 3).
Известно, что размер частиц грунтов – один из наиболее важных факторов накопления химических элементов в ДО. Чем меньше размер частиц, тем больше их аккумулирующая емкость в отношении ТМ [2, 3]. Так анализ данных по средней плотности запасов ТМ в ДО исследуемых рек, полученных в пересчете на 1 метр исследуемого участка рек, выявил в ДО реки Самсоновская максимальные значения средней плотности запасов марганца – до 8,72 г/м2 (табл. 4). Средняя плотность запасов соединений свинца в ДО уменьшается от участка реки Самсоновская до участка реки Вандрас – от 2,36 до 1,78 г/м2. Минимальные значения Q выявлены для соединений меди на всем исследуемом протяженном участке рек – не превышают 0,16 г/м2. Значения средней плотности запасов соединений никеля и стронция находятся в одном диапазоне 0,23…0,39 г/м2. Средняя плотность запасов цинка и хрома в 2,5–3,5 раза выше средней плотности запасов никеля и стронция и находится в пределах 0,60…1,41 г/м2.
Таблица 4
Средняя плотность запасов (г/м2) ТМ (Mn, Cu, Ni, Sr, Zn, Pb, Cr) в ДО рек Самсоновская, Вандрас и Лев (R2 – коэффициент аппроксимации; в 1 колонке – значения, полученные по формуле (*) на участке от L2 до L1, во 2 колонке – значения, полученные в пересчете на 1 метр исследуемого участка рек)
|
ТМ |
Уравнение зависимости концентрации металла от протяженного участка реки, y(l) |
R2 |
Средняя плотность запасов ТМ между станциями отбора ((L2 – L1), км), г/м2 |
|||||||||
|
В1 – В2 |
Л2 – В1 |
Л1 – Л2 |
С1 – Л1 |
С2 – С1 |
||||||||
|
28,3 – 28 = 0,3 км |
на 1 м |
71 – 28,3 = 42,7 км |
на 1 м |
72 – 71 = 1 км |
на 1 м |
85 – 72 = 13 км |
на 1 м |
86 – 85 = 1 км |
на 1 м |
|||
|
Mn |
[Mn] = 0,077x2 – 5,61x + 199,3 |
0,78 |
1100 |
3,67 |
200786 |
4,70 |
5494 |
5,49 |
91777 |
7,06 |
8716 |
8,72 |
|
Cu |
[Cu] = 0,003x2 – 0,34x + 11,6 |
0,89 |
47,8 |
0,16 |
3523 |
0,08 |
73,6 |
0,07 |
1316 |
0,10 |
135 |
0,14 |
|
Ni |
[Ni] = –0,001x2 + 0,21x + 1,40 |
0,62 |
70,7 |
0,24 |
12982 |
0,30 |
331 |
0,33 |
4716 |
0,36 |
385 |
0,39 |
|
Sr |
[Sr] = –0,003x2 + 0,33x + 1,64 |
0,76 |
91,4 |
0,30 |
13945 |
0,32 |
277 |
0,28 |
3449 |
0,27 |
229 |
0,23 |
|
Zn |
[Zn] = 0,017x2 – 1,75x + 52,5 |
0,62 |
180 |
0,60 |
42411 |
0,99 |
1408 |
1,41 |
7923 |
0,61 |
854 |
0,85 |
|
Pb |
[Pb] = 0,056x2 – 5,99x + 173 |
0,59 |
534 |
1,78 |
34631 |
0,81 |
1031 |
1,03 |
21280 |
1,64 |
2364 |
2,36 |
|
Cr |
[Cr] = 0,017x2 – 1,72x + 53,3 |
0,83 |
197 |
0,66 |
47801 |
1,12 |
497 |
0,50 |
9142 |
0,70 |
943 |
0,94 |
Таким образом, на участках исследуемых рек, где ДО представлены легкой и тяжелой супесью, средняя плотность запасов ТМ ниже, чем в ДО, в которых преобладает легкий суглинок.
Следует отметить, что для рядом стоящих элементов в периодической таблице Д.И. Менделеева распределение в ДО водоемов соответствует правилу Оддо – Гаркинса [7]. Согласно данному правилу, валовая концентрация элемента, имеющего четный порядковый номер, выше, чем у рядом стоящего элемента с нечетным порядковым номером. Например, валовая концентрация, а следовательно, и средняя плотность запасов у элемента с порядковым номером 28 (Ni) выше, чем у элемента с порядковым номером 29 (Cu). Также для элемента – 30 (Zn) средняя плотность запасов выше, чем у элемента с порядковым номером 29 (Cu) (табл. 4). Такое распределение ТМ в ДО поверхностных вод определено и в других работах [7].
Заключение
Расчет интегральных запасов ТМ в ДО показал, что средняя плотность запасов ТМ в границах рек Самсоновская и Лев выше по сравнению с р. Вандрас.
Распределение средней плотности запасов меди, цинка и никеля в ДО исследуемых рек происходит по правилу Оддо – Гаркинса. Таким образом, средняя плотность запасов элемента, имеющего четный порядковый номер, выше, чем у рядом стоящего элемента с нечетным порядковым номером. Превышение значения кларка выявлено у соединений свинца в ДО на каждом исследуемом участке рек Самсоновская, Лев и Вандрас.
Авторы выражают искреннюю благодарность коллегам – с.н.с., к.б.н. Е.И. Поповой, м.н.с., к.б.н. И.А. Дударевой, н.с., к.б.н. А.А. Чемагину за участие в отборе проб ДО.
Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013–2020 гг. по теме: «Миграционные процессы радионуклидов и химических поллютантов в экосистеме водоемов Обь-Иртышского бассейна» (№ государственной регистрации 116020510088).