Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТНОШЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА К КОНЦЕНТРАЦИЯМ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ (ПАРАМЕТРА ХПК/ВВ) В ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА

Мискевич И.В. 1, 2 Нецветаева О.П. 1, 3 Кузнецов Е.А. 2
1 ФГБУН Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук
2 ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова»
3 Национальный парк «Русская Арктика»
Рассмотрены результаты исследований по использованию соотношения параметра ХПК и концентраций взвешенных веществ (ХПК/ВВ) в речных водах и в устьях рек европейского севера России. При этом величина ХПК рассматривалась как индикатор суммарного содержания органических веществ в поверхностных водах. Получено, что параметр ХПК/ВВ может использоваться для качественной оценки вклада природных и антропогенных факторов в загрязнение водной среды. Приведен пример для определения влияния сброса дренажных вод с месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова на Беломорско-Кулойском плато, которые содержат высокие концентрации сапонита. Рассмотрена изменчивость параметра ХПК/ВВ в зоне смешения речных и морских вод в устьях Онеги и Северной Двины в меженные периоды. Зафиксировано его возрастание по мере увеличения солености устьевых вод. Наиболее интенсивно такое увеличение отмечается на гравитационной ступени маргинального фильтра в диапазоне солености менее 5 ‰. Предложено использовать рассматриваемое соотношение для контроля последствия дампинга грунта, вынимаемого при дноуглублении морских судоходных каналов. Ожидается, что на графиках связи параметра ХПК/ВВ и солености его постепенное возрастание будет деформировано за счет появления локального максимума на границе гравитационной и коагуляционно-сорбционной ступеней, или только в зоне второй ступени маргинального фильтра на участке дампинга грунта. Сделан вывод о возможности эффективного использования параметра ХПК/ВВ для проведения геоэкологических исследований водных объектов таежной зоны. Для них характерно повышенное содержание органики и взвесей, формируемое за счет как антропогенных, так и природных факторов.
ХПК
взвесь
соотношение
реки
сточные воды
сезон
месторождение алмазов
устья рек
соленость
маргинальный фильтр
1. Боголицын К.Г., Москалюк Е.А., Костогоров Н.М., Шульгина Е.В., Иванченко Н.Л. Применение интегральных показателей качества сточных вод для внутрипроизводственного эколого-аналитического контроля производства целлюлозы // Химия растительного сырья. 2021. № 2. С. 343–352.
2. Зенин А.А., Белоусова Н.В. Гидрохимический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 240 с.
3. Котова Е.И., Мискевич И.В., Нецветаева О.П. Особенности вертикальной структуры маргинального фильтра в устьях рек с устойчивым галоклином в зимний период на примере дельты Северной Двины // Успехи современного естествознания. 2022. № 11. С. 61–65.
4. Шевченко В.П., Филиппов А.С., Новигатский А.Н., Гордеев В.В., Горюнова Н.В., Демина Л.Л. Рассеянное осадочное вещество пресноводных и морских льдов // Система Белого моря. Т. II. Водная толща и взаимодействующие с ней атмосфера, криосфера, речной сток и биосфера / Отв. ред. Лисицын А.П., ред. Немировская И.А. М.: Научный мир, 2012. С. 169–200.
5. Мискевич И.В., Кузнецов Е.А. Характеристика сезонной изменчивости содержания взвеси в речных водах Беломорско-Кулойского плато // Естественные и технические науки. 2022. № 2 (165). С. 189–192.
6. Коробов В.Б. Теория и практика экспертных методов / Под ред. Кочурова Б.И. М.: НИЦ ИНФРА-М, 2019. 281 с.

Использование предельно допустимых концентраций (ПДК) для оценки качества поверхностных вод часто осложняется влиянием на контролируемые показатели как антропогенных, так и природных факторов. К таким показателям, в частности, относятся взвешенные вещества (ВВ), химическое потребление кислорода (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК), величина рН, железо и ряд других ингредиентов. При невозможности разделения такого влияния могут возникать серьезные ошибки в тактике и стратегии природоохранной деятельности.

Целью представленных исследований было выяснение возможностей использования параметра (соотношения) ХПК/ВВ для решения геоэкологических задач применительно к водным объектам. Для этих показателей, в частности, имеется большой массив архивных данных по многолетним наблюдениям (за 30–50 лет) Росгидромета на большом количестве рек и озер на территории России. Они также входят в обязательный перечень мониторинговых наблюдений при контроле загрязнения сточных вод промышленных и коммунальных предприятий. Например, ХПК и взвешенные вещества являются опорными показателями при регулировании водопользования на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности [1].

Параметр ХПК является индикатором наличия в водной среде суммарного количества органических веществ. Он измеряется в молекулярной концентрации кислорода, потребляемого на окисление органики в определенном объеме воды (мгО/л), и для вычисления концентрации органических веществ величину ХПК необходимо умножить на коэффициент, равный 0,75 [2]. Возрастание этого показателя в поверхностных водах за счет антропогенного влияния происходит при сбросах сточных вод, а также дренажа территорий интенсивной хозяйственной деятельности, не оборудованных ливневой канализацией. Природными источниками ХПК служат процессы выщелачивания органики из почвенно-растительного покрова, поступление в водные объекты частиц почв и продуктов разложения растительности за счет ливневых дождей и талых вод, эрозии береговой зоны. Возрастание величины ХПК может быть связано и с гидробиологическими процессами, например, при вспышке развития фитопланктона. Наиболее высокие величины ХПК природного генезиса (до 50–100 мгО/л и более) характерны для северной зоны тайги, где процессы минерализации органики получают сравнительно малое развитие.

Антропогенными источниками поступления взвеси в поверхностные воды служат сбросы сточных вод, включая дренажные стоки, дноуглубительные работы и дампинг вынутого грунта, карьерный способ разработки месторождений алмазов, гидроразмыв грунта при добыче золота и ряд других технологий добычи полезных ископаемых. Ее природными источниками служат взмучивание донных отложений и разрушение (размыв) берегов водных объектов за счет гидродинамических факторов (ветрового волнения, высоких скоростей течений, паводковых явлений, ливневых дождей), а также различные эрозионные процессы, особенно селевые явления.

В табл. 1 представлены статистики для рассматриваемого параметра для устьев Онеги и Северной Двины в Белом море, а на рис. 1 представлена его связь с распределением солености в зоне смешения морских и речных вод. Были выбраны периоды, когда в указанных устьях рек не производились гидротехнические работы.

Сразу необходимо отметить наличие более высоких значений параметра ХПК/ВВ в устье р. Северной Двины (в дельтовой протоке Маймакса) по сравнению с его величинами в устье р. Онеги. Это обусловлено тем, что протока Маймакса находится в зоне влияния сточных вод Архангельска и Новодвинска, что обеспечивает дополнительное антропогенное поступление в речные (устьевые) воды органических веществ. Данное предположение также подтверждается возрастанием содержания легкорастворимой органики, идентифицируемой по показателю БПК5, при увеличении концентраций взвешенных веществ в водах исследуемой протоки [3].

В устье р. Онеги промышленные и коммунальные стоки одноименного города не поступают (они выводятся в Онежский залив), величины ХПК здесь сравнительно низкие, органика в водной среде имеет преимущественно природное происхождение.

Несмотря на заметные различия в экосистемах устьев рассматриваемых рек и антропогенном влиянии на качество их вод связь параметра ХПК/ВВ с распределением солености в их зонах смешения речных и морских вод имеет схожий характер (рис. 1). Ее, в частности, можно аппроксимировать логарифмическим уравнением.

missing image file

а) б)

Рис. 1. Графики связи отношения ХПК к концентрациям взвешенных веществ с распределением солености в протоке Маймакса в дельте Северной Двины (а) в марте и в устье Онеги (б) в августе 2022 г.

Таблица 1

Статистические характеристики изменчивости отношения ХПК к концентрациям взвешенных веществ (параметра ХПК/ВВ) в зонах смешения речных и морских вод в устьях рек Белого моря в меженные периоды

Статистика

Устье

р. Онеги

(август 2022 г.)

Устье

р. Северной Двины

(март 2022 г.)

Среднее значение

1,6

5,4

Стандартное

отклонение

0,9

3,1

Медиана

1,6

6,5

25 % точка

1,1

2,8

75 % точка

1,9

7,3

Минимум

0,3

1,6

Максимум

3,3

9,8

Количество

наблюдений

15

7

Если рассматривать такую связь в рамках модели маргинального фильтра академика А.П. Лисицына, то получаем, что наиболее заметное возрастание соотношения ХПК/ВВ наблюдается на его гравитационной ступени. Оно отмечается и на последующей коагуляционно-сорбционной ступени, но увеличение этого параметра при увеличении солености ослабевает. Механизм данного процесса можно трактовать следующим образом. По мере смешения речных и морских вод наблюдается снижение концентраций взвешенных частиц за счет их седиментации и турбулентного рассеивания, на растворимые соединения, в том числе дающие вклад в формирование величины ХПК, влияет лишь последний процесс. Седиментация взвесей в устьевых водах происходит быстрее, чем разбавление растворимых веществ, т.е. возрастание параметра ХПК/ВВ в зоне смешения речных и морских вод идет естественным путем за счет специфики гидродинамических процессов.

Если ориентироваться на данные исследований маргинального фильтра устья р. Северной Двины [4], то дампинг грунта в устьях рассматриваемых рек, вынутого при производстве дноуглубительных работ, производится на второй ступени маргинального фильтра в диапазоне солености 5–20 ‰. Такой диапазон солености характерен для устьевых взморьев этих рек в летне-осеннюю межень. При проведении операций дампинга грунта, вероятнее всего, следует ожидать снижение величины параметра ХПК/ВВ за счет увеличения вклада в состав взвешенных веществ минеральных частиц из вынимаемого грунта судоходных каналов, расположенных вне территорий городов и удаленных от точек выпуска сточных вод. На небольших пространственных интервалах (десятки-сотни метров) процессы седиментации взвесей и турбулентного рассеивания нерастворимых и растворимых веществ не успевают формировать тенденцию к уменьшению параметра ХПК/ВВ по мере возрастания солености устьевых вод. В данной ситуации можно ожидать кардинальных изменений в графиках, представленных на рис. 1, в первую очередь за счет появления локального минимума в диапазоне солености, соответствующем участку сброса грунта, вынутого на судоходном канале.

При сбросе грунта, вынутого на сильно заиленных участках морского порта в зонах с наличием хорошо выраженного антропогенного влияния, не исключается формирование локального максимума параметра ХПК/ВВ на фоне тренда его постепенного возрастания по мере увеличения солености устьевых вод. Но это возможно лишь при сильном загрязнении органикой иловых отложений портовых акваторий, что чаще всего характерно для городской территории или участков выпуска сточных вод. Эти предположения планируется уточнить при проведении дальнейших исследований.

Вклад минеральных частиц в повышенные коцентрации взвеси в поверхностных водах обычно наиболее характерен для геологоразведочных работ и промышленного освоения месторождений некоторых полезных ископаемых. В подобных ситуациях в водотоках таежной зоны с наличием высоких величин ХПК в изменения параметра ХПК/ВВ должны наблюдаться заметные различия на фоновом и контрольном створах. Такое предположение подтверждают исследования р. Зимней Золотицы на Беломорско-Кулойском плато, где ведется добыча алмазов. В статье [5] приведены результаты статистических расчетов по изменчивости концентраций взвеси по мониторинговым наблюдениям на этой реке в районе сброса дренажных вод с месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова. Они не позволяют делать какие-либо обоснованные выводы об их влиянии на повышение мутности речных вод. Однако результаты подобных расчетов для параметра ХПК/ВВ дали другой результат (табл. 2). В меженные периоды его величина на контрольном створе ниже сброса дренажных стоков становится значительно ниже, чем на фоновом створе, что указывает на формирование на нем доминанты минеральной взвеси.

Таблица 2

Статистические характеристики отношения ХПК к концентрациям взвешенных веществ (параметра ХПК/ВВ) в р. Золотице в различные сезоны

Статистики

Сезоны

Зима

Весна

Лето

Осень

Створ 156 км выше устья реки (фоновый створ)

Среднее значение

86,18

19,59

26,85

32,26

Стандартное отклонение

91,00

22,92

38,96

34,45

Медиана

71,83

9,63

4,35

15,92

Нижний квартиль (25 %)

37,52

6,51

4,35

12,47

Верхний квартиль (75 %)

127,67

22,71

38,09

43,88

Максимальное значение

183,50

56,33

71,83

71,83

Минимальное значение

3,20

2,79

4,35

9,01

Количество наблюдений

3

8

5

3

Створ 152 км выше устья реки (контрольный створ)

Среднее значение

7,63

13,92

3,14

12,11

Стандартное отклонение

7,07

16,89

0,60

16,52

Медиана

6,69

6,43

3,14

12,11

Нижний квартиль (25 %)

1,96

5,75

2,93

6,27

Верхний квартиль (75 %)

12,50

14,42

3,35

17,95

Максимальное значение

16,92

42,75

3,56

23,79

Минимальное значение

0,10

0,26

2,71

0,42

Количество наблюдений

12

7

3

4

missing image file

а) б)

Рис. 2. Сезонная изменчивость соотношения ХПК и взвешенных веществ (параметра ХПК/ВВ) на фоновом (а) и контрольном (б) створах р. Зимней Золотицы в районе сброса дренажных вод месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова

Наблюдаемую ситуацию можно объяснить только влиянием дренажных вод, обогащенных сапонитом. Однако необходимо отметить, что смена качественного состава взвешенных веществ в речных водах на контрольном створе реки не сопровождалась возрастанием их концентраций выше фонового уровня. Это можно связать с очень низким содержанием взвесей органического происхождения в дренажных водах, образующихся в осушаемых карьерах месторождения алмазов. При их сбросе они начинают разбавлять речные воды, обогащенные органикой природного генезиса с высокими величинами ХПК. Идентичность сезонных изменений рассматриваемого показателя на фоновом и контрольном створах указывает, что они, в первую очередь, связаны с колебаниями речного стока, а не с техногенным влиянием.

Полученные результаты позволяют рекомендовать использование параметра ХПК/ВВ, как вспомогательный инструмент для оценки влияния антропогенных факторов на качество поверхностных вод в ситуациях, когда необходимо определить происхождение сверхнормативных концентраций взвеси, какая оценка имеет качественный характер и может, например, дополнять экспертный подход при решении геоэкологических задач [6]. Кроме того, его применение позволяет более объективно понимать и трактовать процессы, происходящие в реках таежной зоны, для которых типично высокое содержание органики и взвешенных веществ.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме «Современные и древние донные осадки и взвесь Мирового океана – геологическая летопись изменений среды и климата: рассеянное осадочное вещество и донные осадки морей России, Атлантического, Тихого и Северного Ледовитого океанов – литологические, геохимические и микропалеонтологические исследования; изучение загрязнений, палеообстановок и процессов в маргинальных фильтрах рек» № FMWE-2021-0006.


Библиографическая ссылка

Мискевич И.В., Нецветаева О.П., Кузнецов Е.А. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТНОШЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА К КОНЦЕНТРАЦИЯМ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ (ПАРАМЕТРА ХПК/ВВ) В ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 12. – С. 75-79;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37953 (дата обращения: 25.02.2024).

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 = 1,674