Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ЮЖНО-МИНУСИНСКОЙ КОТЛОВИНЫ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Давыдова Н.Д. 1
1 ИГСО РАН «Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН»
В результате многолетних исследований геосистем Южно-Минусинской котловины, на территории которой действуют заводы по производству алюминия, по загрязнению снежного покрова установлена площадь распространения пылегазовых эмиссий, которая составляет 200–250 км2, и выявлены основные элементы-загрязнители (F-, Na+, Al3+, Ni2+). В условиях фона и в пределах указанной территории изучен химический состав атмосферных осадков (дождь, снег), вод поверхностного и внутрипочвенного стока, рек, озер и подземных вод и проведен сравнительный анализ полученных результатов, который показал увеличение содержания в атмосферных осадках зоны загрязнения F- в 89–493 раза, Al3+ в 39–469, Na+ в 2–22. В составе дождевой и снеговой воды преимущественное положение заняли F- (22–63 % экв.), Al3+ (17–54), Na+ (27–31). Их химический состав с хлоридно-гидрокарбонатного натриево-кальциевого сменился в зоне оседания пылегазового потока на сульфатно-фторидный алюмо-натриевый. При взаимодействии с почвой состав осадков вновь трансформируется, превращаясь в поверхностные и внутрипочвенные растворы, в которых участие поллютантов снижается вследствие частичного поглощения почвами F- и полного Al3+. Напротив, выход в растворы других ингредиентов, таких как HCO3- и Ca2+, увеличился. Повышенное количество F- обнаружено в подземных гидрокарбонатно-натриевых водах верхнего уровня (до 10 м) только вблизи завода. Повышенное количество фтора в озерах обусловлено главным образом природными факторами. Стабильно низкий уровень его содержания (в среднем 0,09 мг/дм3) сохраняется в реке Енисей, находящейся в 5-ти км к югу от источника эмиссий и глубинных водах хозяйственного и питьевого назначения (в среднем 0,30 мг/дм3). Следовательно, наибольшему воздействию подверглась водная составляющая начального звена формирования гидросферы локального уровня. Скорость водной миграции поллютантов осуществляется в последовательности Na+ > F- > Al3+ >Ni2+.
химический состав
загрязнение
атмосферные осадки
реки
озера
подземные воды
1. Давыдова Н.Д. Транслокация техногенного фтора в растениях степей юга Минусинской котловины / Н.Д. Давыдова // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 8. – С. 173–177.
2. Давыдова Н.Д. Знаменская Т.И., Лопаткин Д.А. Ландшафтно-геохимический подход в решении проблем загрязнения природной среды / Н.Д. Давыдова, Т.И. Знаменская, Д.А. Лопаткин // Сиб. экол. журн. – 2014. – Т. 21, № 3. – С. 449–458.
3. РД 52.24.353-2012. Отбор проб вод суши и очищенных сточных вод. – Ростов-н/Д.: Росгидромет. URL: http://snipov.net/database/c_4294944184_doc_4293792809.html (дата обращения: 07.12.2017).
4. Давыдова Н.Д. Химический состав водных объектов фона Южно-Минусинской котловины / Н.Д. Давыдова // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 8. – С. 64–69.
5. РД 52.24.405-2005. Массовая концентрация сульфатов в водах. Методика выполнения измерений турбидиметрическим методом. – Ростов-н/Д.: Росгидромет. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293850/4293850642.htm (дата обращения: 07.12.2017).
6. РД 52.24.407-2006. Массовая концентрация хлоридов в водах. Методика выполнения измерений аргентометрическим методом. – Ростов-н/Д.: Росгидромет. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293837/4293837365.htm (дата обращения: 07.12.2017).
7. РД 52.24.493-2006. Методика выполнения измерений массовой концентрации гидрокарбонатов в поверхностных водах суши титрометрическим методом. – Ростов-н/Д.: Росгидромет., 2006. – 12 с. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293837/4293837295.htm (дата обращения: 07.12.2017).
8. ПНДФ 1:2:3. – 98-2016. Методика выполнения измерений жесткости в пробах природных и очищенных сточных вод титрометричеким методом. – М.: Госком. РФ по охране окр. среды, 2016. – 15 с.
9. РД 52.24.495-2005. Методика выполнения измерений рН и удельной электропроводности вод. – Ростов-н/Д.: Росгидромет. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293850/4293850855.htm (дата обращения: 07.12.2017).
10. ПНДФ 14.1:2:4.135-2008. Методика выполнения измерений массовой концентрации элементов в пробах питьевой, природных, сточных вод и атмосферных осадков атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. – М.: Госком. РФ по охране окр. среды, 2008. – 24 с.
11. РД 52.24.377-2008. Методика выполнения измерений массовой концентрации металлов (Al, Ag, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, V, Zn) в поверхностных водах суши методом атомной абсорбции с прямой электротермической атомизацией проб. – Ростов-н/Д.: Росгидромет, 2008. – 23 с.
12. РД 52.24.360-2008. Массовая концентрация фторидов в водах. Методика выполнения измерений потенциометрическим методом с ионселективным электродом. – Ростов-н/Д.: Росгидромет, 2008. – 21 с.
13. Губин В.И., Осташков В.Н. Статистические методы обработки экспериментальных данных. Учебное пособие для студентов технических вузов / В.И. Губин, В.Н. Осташков. – Тюмень: Изд-во «Тюм. ГНГУ», 2007. – 202 с.
14. Алекин О.А. Основы гидрохимии / О.А. Алекин. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 442 с.
15. Дутова Е.М., Покровский В.П., Покровский В.Д. Геохимические особенности подземных вод хозяйственно-питьевого назначения республики Хакасия / Е.М. Дутова, В.П. Покровский, В.Д. Покровский // Вестн. Томского гос. ун-та. – 2015. – № 394. – С. 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.


Библиографическая ссылка

Давыдова Н.Д. ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ЮЖНО-МИНУСИНСКОЙ КОТЛОВИНЫ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 12. – С. 134-139;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36619 (дата обращения: 28.01.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685