Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Катастрофические наводнения являются опасными природными угрозами и относятся к числу важнейших стратегических рисков России. На Амуре они обусловлены продолжительными интенсивными ливнями и случаются один раз в 20–25 лет. Уровень воды поднимается на 8–15 м, а скорость течения составляет 3–4 м/с. Наиболее высокие паводки отмечаются в Среднем и Нижнем Приамурье, на участках, где впадают Сунгари и Уссури. Подъем воды в Амуре и его основных притоках сопровождается высокой активностью русловых деформаций, размывом берегов и переотложением значительного объема терригенного материала на пойме [2]. Русловые процессы способствуют размыву почв, переносу и аккумуляции тонких фракций. Высокая активность русловых деформаций требует проведения берегозащитных и противопаводочных мероприятий.

Начиная с 2009 года, для реки Амур наступила фаза высокой водности, при которой происходит частое затопление поймы. Уровни подъема воды и русловые процессы оказывают большое влияние на миграцию химических компонентов в почвенном пространстве его долины. Наибольшая миграционная активность элементов проявляется в период катастрофических паводков и зависит от гидрохимического состава воды, продолжительности и скорости прохождения паводочной волны. Паводковые воды растворяют микроэлементы в почвах и способствуют их миграции на большие расстояния. Негативные последствия этих природных явлений обостряют экологические проблемы. Они проявляются в изменении качества пойменных почв, загрязнении их химическими компонентами и снижении плодородия.

Особое влияние на формирование геохимических потоков оказывают заболоченные территории и сельскохозяйственные угодья. При затоплении болот водные потоки выносят большое количество органических веществ на сопредельные территории, которые способствуют процессам растворения и миграции элементов. Подтопление больших площадей промышленных зон и сельскохозяйственных земель является причиной загрязнения почв тяжелыми металлами [3].

Однако закономерности осадконакопления в долинах рек и связанные с ним механизмы перераспределения химических элементов и формирование зон миграции изучены слабо. Раскрытие механизмов перераспределения концентраций элементов в почвах при наводнениях позволит оценить условия их миграционной активности.

Целью работы является комплексная оценка влияния наводнения и аллювиальных наносов на перераспределение химических элементов в почвах долины Амур.

Материалы и методы исследования

Исследованы особенности осадконакопления в пойме нижнего течения реки Амур при катастрофическом наводнении 2013 года. В качестве ключевых участков были выбраны пойменные острова Большой Уссурийский, Славянский, Волчьи-Бача, а также пойменные массивы в районах с. Малмыж и г. Комсомольск-на-Амуре. Изучались распространение, состав и мощность отложений, накопившихся на различных мезоформах пойменного рельефа за время паводка.

Разрабатываемые месторождения полезных ископаемых в долине Амура (Южно-Хинганское, Золотая гора и др.) рассматривались как геохимически аномальные районы, где подтопление во время крупных паводков способствует растворению определенных соединений и их миграции внутрипочвенным стоком на большие расстояния. В работе использованы методы сравнительного анализа полученных материалов и имеющихся опубликованных данных. Содержание химических элементов в отложениях поймы определяли методом спектрального анализа на спектроскане № 835 (Lif200). Определение количества общего углерода в почвах проводилось методом бихроматного окисления [1]. Для описания процессов миграции химических компонентов использовались методы математического моделирования [6].

Результаты исследования и их обсуждение

Водный режим и сток наносов. Река Амур имеет ярко выраженную многолетнюю изменчивость стока воды и наносов. Высокие (катастрофические) паводки, резкие сезонные колебания уровней воды и многорукавность русла контролируют миграционную активность элементов и интенсификацию почвенно-геохимических потоков в пойме. Максимальная скорость течения воды в Амуре в паводок 2013 г. достигала 4,0 м/с. Выход воды на пойму сопровождался уменьшением скорости до 1,5–2,0 м/с при глубине потока 1,5–2,5 м и интенсивной аккумуляцией наносов.

Наводнение активизирует процессы аккумуляции аллювия и переотложения наилкового материала. Основной объем аллювиальных наносов в форме гряд и прирусловых валов, вытянутых вдоль направления водных потоков происходил в прибрежной части поймы (до 300 м от берега). Большая мощность аллювиального слоя на пойме (170 см) способствовала изменению пойменного рельефа и состава отложений, трансформации вещества в почвах.

Природные особенности водосборной площади реки обусловливают высокую мутность воды, связанную с содержанием большой массы наилкового материала, тонкодисперсных фракций ила и органического вещества. Наилковый материал скапливается в ложбинах и понижениях внутренних участков поймы (табл. 1) [2].

Наилки оказывают влияние на физико-химические свойства почв. Разложение биомассы наилков способствует образованию агрессивных фракций фульвокислот, которые выщелачивают первичные минералы с образованием полуторных окислов (R2O3) и органо-минеральных соединений. При высоких концентрациях оксидов железа (Fe2O3) происходит их сегрегация в железистые конкреции [4, 7]. Длительность паводка, высокое содержание терригенного материала интенсифицируют процессы трансформации вещества в почвах и миграционную активность элементов, способствуют возникновению геохимических потоков в почвенном пространстве.

Геохимические преобразования в почвах. Состав наилков и продолжительность затопления поймы оказывают влияние на массообмен и перераспределение концентраций элементов в приповерхностных горизонтах почв. Изменчивость концентраций элементов в почвах поддерживает процессы саморегуляции регионального геохимического фона территории. Пространственное распределение элементов в природных системах подчиняется законам термодинамики и направлено в сторону наименьших концентраций.

Уровни концентраций элементов оценивались по коэффициентам их концентраций относительно фона в слое 0–30 см (Kj), определяемых как отношение концентраций элементов в почвах к их содержанию в почвообразующей породе [4]. Выделено 3 типа уровней концентраций элементов:

1) a – уровни накопления элементов (Kj > 1,1);

2) f – уровни соответствия концентраций элементов их региональному фону (0,7 < Kj < 1,1);

3) d – уровни дефицита элементов (Kj < 0,7).

Уровни концентраций элементов в почвенном пространстве определяют состояние их рассеяния и функционально согласуются с их миграционной активностью и почвенно-геохимическими потоками [3].

Геохимические преобразования в почвах контролируются процессами окисления, обмена и явлениями сорбции, способствующими формированию зон концентраций элементов и геохимических потоков [3]. Анализ полученного материала указывает на обогащение почвенного пространства некоторыми микроэлементами (Ba, Pb, Zn, Fe, Mn) и их существенную связь с содержанием органического вещества в наилках (табл. 2).

Эффективность геохимических преобразований контролируется содержанием фоновообразующих элементов в почвенном пространстве и суммарным потенциалом тонких фракций органического вещества, привнесенного с наилками.

Геохимический фон территории бассейна Амура образуют железо и марганец, который поддерживают многочисленные месторождения железисто-марганцовых руд, в период паводка в долинах рек он может нарушаться [4]. При сильном разбавлении почвенных растворов паводковыми водами неоднородность разложенного органического вещества предполагает различные стадии диссоциации органических кислот в почве [5]. В этих условиях фоновообразующие элементы проявляют различные свойства и по-разному взаимодействуют с молекулами почвенного раствора. Например, при невысокой концентрации водородных ионов (рН > 6,0) механизмы помимо ионного обмена могут приобретать окислительный характер. Чаще всего процессы окисления и сорбции проявляются на коллоидно-дисперсных наилках с образованием комплексных катионов [FeHSO4]+, [FeHSO4]2+, [CuHSO4]+, которые при большой продолжительности наводнения могут испытывать гидролизные превращения по схеме

[АHSO4]2+ + Н2О > [А(ОH)SO4]+ + 2Н+.

Важно отметить, что избыток воды в почве способствует диссоциации соединений макроэлементов с проявлением их низшей валентности Fe+2 и Mn+2(+5). Находясь в гидратированном состоянии с увеличением концентраций водородного иона (рН < 5,5), железо и марганец способны к образованию комплексных гетерополярных солей. Эти явления обычно возникают в верхнем обводненном слое почв, в присутствии растворимых органических кислот наилкового аллювия. Углеродсодержащие центры растворимых органических кислот связывают Fe+2 и Mn+2(+5) в органо-минеральные комплексы, понижая их концентрацию в почвенном растворе.

Изменение концентраций фоновообразующих элементов Fe и Mn влияет на буферность раствора и интенсификацию процессов растворения некоторых соединений, содержащих медь, свинец, цинк с образованием катионов Сu+2, Pb+2, Zn+2. Однако количественное распределение элементов в почвах трудно объяснить, сравнивая только эффекты зарядов катионов, потенциалы ионизации и радиусы атомов или изменение степени их литофильности. Установлено, что длительность паводка по времени ( > 10 дней) снижает прочность органо-минеральных соединений, повышает буферность почвенного раствора и интенсификацию процессов ионного обмена ряда элементов, что согласуется с их миграционной активностью (табл. 2). Учитывая, что большинство элементов в природе находится в связанном состоянии, ионная растворимость соединений и диссоциация солей зависят от содержания кислорода, рН и температурного режима паводковых вод.

На распределение элементов в почвенном пространстве определенную роль играют заболоченные территории. В болотных водах долины Амура отмечается высокое содержание органических взвесей и растворимых форм органо-минеральных соединений железа и марганца, которые в период наводнения выносятся на сопредельные территории. В наилках, содержащих органические коллоиды на поверхности дисперсных глинистых минералов, происходит изоморфное гетеровалентное замещение Mn+7, Al+3 > Fe+3 с образованием слабого заряда на поверхности [7]. При больших концентрациях взвесей и температуры воды более 20 °, в приповерхностном обводненном слое, постоянно отталкивающиеся отрицательно заряженные диспергированные частицы способствуют сольватации элементов и дальнейшей их сорбции на отрицательно заряженных микрочастицах [3]. Явление «сольватация > сорбция» приводит к повышению концентрации полиэлементов в верхних слоях аккумулятивных отложений. При высоких значениях водородного иона (рН < 5) органические кислоты вступают в реакции ионного обмена [5]. В многокомпонентных почвенных растворах соотношение органических кислот и различных форм макроэлементов (Fe2-3, Mn2-5-7) определяет миграционную активность многих элементов и создаёт условия для дифференциации почвенно-геохимических потоков.

Формирование почвенно-геохимических потоков. Распределение концентраций элементов в почвенном пространстве является косвенным показателем состояния миграционных потоков. Оно характеризуется:

а) постоянством средних значений концентраций элементов;

б) частотой встречаемости почвенно-геохимических зон миграции и разнообразием миграционных потоков;

в) определенными рядами миграционной активности элементов, соответствующих почвенно-геохимическим зонам миграции;

г) различным составом элементов и уровнями их миграции (a-f-d).

Миграционная активность элементов определяет состав почвенно-геохимических потоков, а частота их встречаемости – геохимические зоны миграции. Интенсификация геохимических потоков в почвах и вынос растворенных веществ при невысокой сорбции подчиняется закону гравитационной силы [6]:

Fg = pbgh = [pb(W – Wm) (Wp – Wm)zg/L](sinα) = = [M g/L](sinα),

где Fg – гравитационные силы миграционных потоков; pb – плотность почвы; g – ускорение силы тяжести; h и W высота и влажность почвы; Wp и Wm – полная и максимальная влагоемкость почвы; M – запасы подвижной влаги; L – активная пористость; z – координата; sinα – уклон поверхности. Уравнение можно использовать для расчетов и анализа распределения элементов в профиле почв.

Геохимические потоки осуществляют массоперенос растворимых веществ и диспергированных фракций наилкового материала по поровому пространству почв, называемой «транспортной зоной». Движение почвенных растворов контролируется условиями водной миграции:

Jmf(Vс) = [Fg(M/L)Cm.pbsinα],

где Jm – интенсивность массопереноса, f(Vс) скорость передвижения почвенного раствора по поровому пространству, Cm – общая концентрация элементов в почвенном растворе.

Обогащенные почвенные растворы фильтруются в двух направлениях: а) нисходящие потоки и 2) боковые, обусловленные образованием напора наклонной поверхности. Распределение концентраций химических элементов (Сji) в почвенном пространстве можно характеризовать функцией координат пространства и времени:

В условиях непрерывного безнапорного режима фильтрации почвенного раствора распределение концентраций элементов в почвенном пространстве, разделенных расстоянием (r), можно описать уравнением неразрывности:

где – характеристика почвенного раствора в определенном объеме точки r в момент времени ^t, на бесконечно малом расстоянии (r), условно считаем, что температурный градиент t0 – const.

Транспортирующая способность геохимического потока является функцией основных характеристик почвы и рельефа. Зона миграции элементов определяется рядами активности элементов, перешедших в раствор, и для различных соединений неодинакова [3]. При напорном боковом движении насыщенного почвенного раствора концентрация элементов в определенных условиях возрастает, в рядах их миграционной активности происходит «перестройка». Например, миграционная активность элементов в ряду (точка m1) Fe > > Al > Cu > Pb > Zn > Co > Ni снижается, и в точке m2 наблюдается другой ряд геохимической активности – Al > Cu > > Fe > Zn > Pb > Co > Ni или Fe > Al > Cu > > Zn > Pb > Ni > Co [2].

Таким образом, каждый тип миграционного потока характеризуется определенной неоднородностью элементов, соответствующих уровням их активности и определяемым степенью отклонения концентраций элементов от средних значений фона. Анализ условий осадконакопления и содержания взвешенных и растворимых форм элементов в пойме Амура во время паводка 2013 года позволил выделить 4 типа миграционных потоков:

1 – аккумулятивные, обусловленные накоплением наилков в центральных частях пойменных массивов;

2 – эолово-аккумулятивные, связанные с накоплением преимущественно песчаного терригенного материала в прирусловой части;

3 – аквапотоки, действующие во время наводнения;

4 – почвенно-геохимические потоки вещества в составе почвенного раствора.

Выделенные типы миграционных потоков согласуются с геохимическими процессами в почвах, частота их встречаемости связана с миграционной активностью элементов, которые определяют границы зон их миграции.

Исследованные почвенно-геохимические потоки поддерживают годовой геохимический цикл и характеризуются неоднородностью в пространстве и нестационарностью во времени. Состояние геохимических потоков определяет распределение элементов в почвенном пространстве.

Заключение

Перераспределение элементов в почвах долины Амура в период наводнения контролируется их миграционной активностью и межфазными взаимодействиями почв. Основными факторами геохимического преобразования в почвах являются:

а) содержание фоновообразующих элементов группы железа и концентрация водородного иона в почвенном растворе;

б) особенности осадконакопления и длительность паводка, определяющие интенсивность трансформации вещества и механизмы формирования геохимических потоков;

в) количество и качество органического вещества наилков.

Оценка условий концентрации и миграционной активности элементов в почвах долины Амура позволила выделить 4 типа миграционных потоков, обусловленных процессами аккумуляции аллювия, плоскостного смыва и перераспределением вещества в составе почвенных растворов.

Разнообразие геохимических потоков в почвах характеризуется постоянством средних значений концентраций элементов и частотой встречаемости зон миграции, а также определенными рядами миграционной активности элементов, соответствующих различным уровням миграции (a-f-d).

Работа выполнена при поддержке проекта № 15-I-6-061 РФФИ – ДВО РАН.