Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

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»

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»

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»