logo
Главная История Структура Разработки Лаборатории Контакты

Лаборатория геологии техногенных процессов
Cотрудники Список публикаций Места работ
Лепихин А.П., Максимович Н.Г., Садохина Е.Л., Мирошниченко С.А., Меньшикова Е.А. Роль донных отложений в формировании качества воды рек Западного Урала // Вестник Перм. ун-та.-Пермь,1999.-Вып.3.Геология.-С.299-309.

Роль донных отложений в формировании качества воды рек западного Урала

Лепихин А.П., Максимович Н.Г., Меньшикова Е.А., Мирошниченко С.А., Садохина Е.Л.
Рассмотрены основные факторы, определяющие процессы формирования техногенных донных отложений водотоков — приемников Западного Урала. Показано, что в формировании их состава наряду с высоким естественным содержанием подвижных форм металлов, в первую очередь, железа и марганца, в аллювиальных отложениях важную роль играют сбросы неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод предприятий металлургической, горнодобывающей и химической промышленности. Наиболее высокое содержание металлов, в первую очередь, железа, достигающее 247 г/кг, наблюдается в водотоках — приемниках кислых шахтных вод АО “Кизелуголь”. Мощные техногенные донные отложения являются источниками формирования повторного загрязнения водотоков-приемников. При этом наблюдается рост гетерофазнонеконсервативных поллютантов в водотоке при увеличении их расходов. Эти обстоятельства при ярко выраженном сезонном характере внутригодового распределения стока в реках рассматриваемой территории, привели к тому, что вынос металлов при достаточно постоянном сбросе в них сточных вод существенно неравномерен в течение года. Во время прохождения паводка выносится свыше 95 % годового поступления в них металлов. Основной аккумуляционной емкостью Западного Урала для выносимых поверхностными водотоками металлов, является Камское водохранилище. При этом интенсивность среднегодовых аккумуляционных потоков весьма велика и составляет — Fe (общ)=81.8 г/м2·год, Zn=1.2 г/м2·год, Cu=0.5 г/м2·год.
Длительная эпоха экстенсивного индустриального развития Урала как центра металлургической, машиностроительной и горнодобывающей промышленности России привела к значительному загрязнению поверхностных водных объектов, находящихся в зоне воздействия промышленных комплексов данного региона, тяжелыми металлами [1]. Данные ингредиенты, являясь гетерофазнонеконсервативными поллютантами, способны активно мигрировать между отдельными звеньями системы водавзвешенные наносыдонные отложения и накапливаться в наиболее инерционном звене донных отложениях. Таким образом, данные техногенные отложения выступают не только как своеобразная “память” водного объекта, но и как “накопитель”, который может вызывать при определенных гидрологических и гидрохимических режимах интенсивное повторное загрязнение. Поэтому задача изучения техногенных донных отложений заключается не только в анализе состава этих отложений, но и в установлении условий, при которых они могут выступать как источники загрязнения водных объектов.
Cледует отметить, что реки рассматриваемой территории, в первую очередь, ее северных районов вследствие их специфических геохимических особенностей, характеризуются повышенным содержанием металлов, в первую очередь, железа, марганца даже в естественном состоянии. Среднегодовые модули выноса железа (общего) поверхностным стоком с территории неподверженной активному техногенезу составляет 1.02 т/(км2·год), марганца — 0.14, меди — 0.003. При этом в естественных донных отложениях северных рек региона не подверженных интенсивному техногенному воздействию в р.р. Язьва, Колва, Вишера содержание подвижного железа колеблется от 320 до 950 мг/кг, а в Камском водохранилище возрастает до 1070-1600 мг/кг. Высоким содержанием подвижных форм железа характеризуются так же аллювиальные отложения указанных рек [2, 9].
Доминирующая роль донных отложений в формировании выноса данных металлов, наиболее отчетливо проявляется в характере связей между содержанием поллютантов в воде и расходами водотока (рис. 1). Как видно из рис. 1 содержание железа в реках, расположенных существенно выше зон активного техногенеза, значительно увеличивается с ростом расхода водотока до определенного уровня, а затем по мере вымыва подвижных форм металлов снижается.
Рис. 1Исследуемые в данной работе реки по характеру воздействия на них промышленных комплексов можно разделить на три группы:
1. Малые водотоки в пределах крупных городов с развитой на ее территории различных видов промышленности (р.р. Данилиха, Мулянка);
2. Реки, на гидрохимический режим которых доминирующее влияние оказывают предприятия угольной промышленности (р.р. Косьва, С. Вильва, Ю. Вильва);
3. Водотоки — приемники сформировавшиеся под воздействием предприятий металлургической промышленности(р.р. Черная, Поповка, Толыч, Лысьва, Чусовая).
Реки Данилиха и Мулянка относятся к классу малых рек и протекают по территории г. Перми. Современная Пермь — город с населением более 1 млн жителей, крупный центр тяжелой промышленности, прежде всего машиностроения, развитой химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностью.
Весь бассейн р. Данилихи находится в границах территории г. Перми и пересекает центральную часть города. В бассейне реки расположены транспортные предприятия, проходит железнодорожное полотно крупной магистрали (Москва — Владивосток). Среди распространенных техногенных компонентов в речной осадках можно отметить частицы шлака, кирпича, металлической стружки, стеклянные шарики. По результатам спектрального анализа техногенное загрязнение обуславливает повышенное содержание в осадках Mn, Zn, Pb, P, Sn, Ag (табл. 1). Содержания Sn (0.001-0.005 %) и Ag (0.0001-0.0002 %) в наилках р. Данилихи выше, чем в наилках других изученных рек .
Таблица 1.
Содержание малых элементов в донных отложениях (1994), мг/кг
Место отбора пробы Ni Co Cr Mn P Cu Zn Pb Mo Ba Sn
р. Мулянка, верховья 30 10 100 300 0 60 90 10 2 600 3
р.Мулянка, территория г.Перми
(среднее по 4 пробам)
75 40 325 975 725 157 173 20 1.58 525 12
р. Данилиха, верховья 20 3 60 400 0 50 70 5 2 0 0
р.Данилиха, территория г.Перми
(среднее по 5 пробам)
144 26 400 1040 740 120 260 46 4 400 7.89
Долина р. Мулянки (общая протяженность 25 км) в среднем и нижнем течениях пролегает по территории г. Перми. Основным источником загрязнения реки является, расположенное в бассейне крупный нефтеперерабатывающий комплекс. В пределах территории города наблюдаются повышенные содержания относительно фоновых по Zn, Co, Cu, Pb, Sn, Сr и Mn (табл. 1).
Наиболее мощные донные отложения экстремально загрязненные металлами (в первую очередь железом) сформировались в водотоках — приемниках шахтных вод (р. Косьва, С. Вильва, Ю. Вильва). Разработка Кизеловского угольного бассейна ведется с 1797 г. В настоящее время разработка значительна снижена, но сброс шахтных вод попрежнему продолжается. Аномально высокое содержание металлов в данных сбрасываемых стоках обуславливается, главным образом, их генезисом. Подземные воды, циркулируя по выработанному пространству шахт и контактируя с пиритсодержащими породами, окисляют пирит, превращая его в сульфаты закисного и окисленного железа, образуя при этом серную кислоту [6, 11]. Наличие в воде серной кислоты ускоряет выщелачивание из горных пород солей меди, цинка, алюминия и других металлов. В целом характерной особенностью физико-химического состава сточных вод Кизеловского угольного бассейна являются кислые реакции среды, достигающей в отдельных шахтах рН=2.5-2.6. При этом содержании железа Fe+2 по отдельным шахтам варьируется от 20-670 мг/л, Fe+3 3-570 мг/л, алюминия соответственно 12-270 мг/л. Также данные сточные воды характеризуются повышенным содержанием Со (0.05-26 мг/л), Ве (0.001-0.042 мг/л), Cu (0.013-2.5 мг/л). В целом валовый сброс железа (общего) составляет ~35·103 т/год [5].
По мере продвижения в водотоке происходит естественное раскисление, железо, переходя в закисную форму, сорбирует на себе другие металлы, в меженный период осаждается, и формирует донные отложения. Их мощность существенно варьируется по длине водотока — приемника в зависимости от морфометрии участка и гидрологических характеристик. Наибольшая мощность достигается в устьевых участках рек, находящихся в гидравлическом подпоре. Так для устья р. Вильвы мощность этих отложений превышает 2 м. Во время прохождения паводка их значительная часть промывается и выносится в Камское водохранилище. Содержание металлов в донных отложения основных водотоках — приемниках шахтных вод приведено в табл. 2.
Таблица 2.
Содержание металлов в донных отложениях в водотоках — приемниках шахтных вод (мг/кг)
Водоток Ni Cu Pb Co Be Mn Zn Fобщ
р. С. Вильва — 1 км от устья 176 190 22 45 1.9 750 135 247500
р. Косьва — устье 114 115 16 2 0.1 1847 458 60650
р. Ю. Вильва 17 27 0.5 6 0.2 580 35 92000
Результаты силикатного анализа проб донных отложений показали, что для аллювия р. Косьвы на данном интервале валовое содержание серы составляет 1.2-1.7 %. В аллювии появляются минералы несвойственные естественным условиям.
Согласно данным рентгеноструктурного анализа (здесь и далее представлен анализ фракции менее 0.05 мм) в районе складирования отвалов в аллювии р. Косьвы обнаруживаются пирит (3-13 %), ярозит (до 4 %), гетит (до 4 %), магнетит (до 4 %), лимонит (до 21 %), гематит (1.7 %) [12]. Присутствие сульфатов и гидроокислов железа в донных отложениях р. Косьвы объясняется привносом этих минералов в виде взвешенных частиц с водами притоков, а также процессами экзогенного преобразования пирита в русле. Результаты исследований подобных глинистых фракций кварц- и каолинитсодержащих песков с включениями пирита и марказита показывают, что процесс экзогенного преобразования пирита и марказита приводит к образованию гетитовой формации, при этом возникают две промежуточные фазы, представленные сульфатами — ярозитом и ремеритом [10].
В донных отложений с удалением от зоны непосредственного влияния Кизеловского угольного бассейна наблюдается присутствие магнетита (1-2 %), гематита (до 1 %), а в устьевой части — сидерита (до 2 %) и гематита (до 6 %) [7]. Техногенные компоненты — магнитные и силикатные шарики, магнетитовый шлак, угольные частицы обнаружены в аллювии на всем протяжении реки. Среднее содержание техногенных частиц в аллювии р. Косьвы составляет 13%. Магнитные сферулы и шлаковые частицы оказывает заметное влияние на состав тяжелой фракции аллювия. Содержание тяжелой фракции в песчаных русловых осадках на отрезке долины, расположенном выше г. Губахи, составляет 5-6 %, а непосредственно ниже по течению — 40 %. Особенности формы этих частиц и небольшие размеры обуславливают высокую миграционную способность, благодаря которой они составляют заметную долю тяжелой фракции руслового аллювия даже на расстоянии свыше 100 км от источника засорения [8].
Наиболее крупной водной артерией региона наряду с Камой является р. Чусовая. Основным источником загрязнения металлами данного водотока в среднем течении является ОАО “Чусовской металлургический завод” (ЧМЗ). В сточных водах ЧМЗ основными загрязняющими ингредиентами (из металлов) в соответствии со спецификой производства являются (мг/л): железо общее (0.8-18), цинк (0.2-8.7), ванадий (0.02-0.16), титан (0.01-0.05), хром (0.01-0.05), никель (0.03-0.05), марганец (0.05), свинец (0.02-0.04), медь (0.3-0.9) [4]. Существенным источником поступления металлов является отвал доменных шлаков, расположенный в месте слияния рек Усьвы и Чусовой на высокой пойме и I надпойменной террасе. Содержание металлов в грунтах отвала составляет (г/кг): Cu — до 5.7, Zn — до 1.83, Cr — до 1.7, Mn — до 2.5, Ti — до 0.37, Ni — до 0.17, Pb — до 0.006. Вследствие размыва отвала речными, дождевыми и талыми водами, а также инфильтрации и развевания часть вещества поступает в реки. Это обусловило повышенное содержание данных ингредиентов в донных отложениях р. Чусовой (табл. 3).
Таблица 3.
Валовое содержание металлов в донных отложениях в водотоках — приемниках г.г. Чусового и Лысьвы (мг/кг)
Место отбора Feобщ Ni Cu V Pb Co Be Mn Zn
р. Усьва — устье 60032 19 58 40 109 12 19 3854 363
р. Чусовая — г. Чусовой - 1050 330 - 8 - - 290 510
р. Чусовая — Лямино - 10 17 17 11 9 0.5 1950 68
р. Лысьва — устье 47375 171 127 7 67 38 3 4780 760
Крупным притоком р. Чусовой является р. Лысьва. Ее гидрохимический режим определяется сбросом сточных вод, в первую очередь, ОАО “Лысьвенским металлургическим заводом” (ЛМЗ). Основным источником загрязнения реки является металлургическое предприятие. В осадках реки типичными техногенными компонентами являются частицы шлака (1-2 %). На территории города в глинистой фракции наблюдаются повышенные содержания Ni, Co, Cr, Mn, Sn, Cu, Pb, Ba, Mo (табл. 3). В отдельных пробах присутствуют Bi (0.0001 %), Be (0.0002 %). Особенно заметно проявляется техногенная природа таких элементов, как Сr, Cu, Ba.
Высокое содержание подвижных форм металлов в донных отложениях, в первую очередь, железа приводит к тому, что донные отложения становятся интенсивными источниками повторного загрязнения водотоков — приемников. В результате чего при достаточно постоянном объеме сброса рассматриваемых ингредиентов их содержание существенно возрастает с ростом расхода водотока — приемника (рис. 2) и соответственно с увеличением содержания взвешенных наносов в воде (рис. 3).
Рис. 2 Рис. 3
Относительно широкий разброс точек обусловлен тем, что в общую выборку включены наблюдения относящиеся как к фазам подъема паводков, так и их спада. Если выбрать наблюдения относящиеся только к фазе подъеме, связь становится значительно более жесткая.
Техногенные отложения водотоков — приемников Соликамско-Березниковского промузла (р.р. Черная, Поповка, Усолка, Толыч, Зырянка) сформировались, в первую очередь, под воздействием сброса сточных вод предприятий цветной металлургии, крупнотоннажной химической промышленности, а также калийных предприятий.
Валовое содержание металлов в этих водотоках и степень их десорбции в кислотных (6N HCl) и водных вытяжках представлен в табл. 4. При этом необходимо отметить, что содержание металлов колеблется в достаточно широких интервалах в зависимости от расположения точек и времени отбора проб.
Таблица 4.
Результаты анализа проб донных отложений водотоков приемников Соликамско-Березниковского промузла.
Место отбора проб Mn Pb Sn Ni Ti V Fe общ.
р. Поповка
валовое содержание, мг/кг 500 260 50 170 492 23 11820
водная вытяжка, % 2.9 5.95 - 2.96 - 10.45 18.08
кислотная вытяжка,% 73.8 51.37 66.03 73.14 37.7 49.7 77.33
р.Черная
валовое содержание , мг/кг 650 260 71.6 425 680 21.8 19720
водная вытяжка, % 1.43 2.9 - 1.43 - 5.4 3.025
кислотная вытяжка,% 73.1 94.9 53.2 38.41 24.68 40.92 51.97
р. Усолка
валовое содержание, мг/кг 574 260 40.9 272 733 30.6 11550
водная вытяжка, % 1.5 4.8 - 2.85 - 4.73 2.47
кислотная вытяжка,% 32.16 63.95 57.6 76.3 13.45 60.81 57.72
р.Зырянка
валовое содержание , мг/кг 993 260 126 357 932 55.2 1.56
водная вытяжка, % 21.13 6.5 - 8.43 - 8 1.57
кислотная вытяжка, % 52.33 53 51.5 45 26.1 72.6 85.33
р.Кама ниже сброса
валовое содержание, мг/кг 414 260 33.1 172 330 22.5 6780
водная вытяжка, % 2.65 7.3 - 4.4 - 6.55 6.55
кислотная вытяжка, % 75 40 57.05 82.65 28.5 85.5 81
Рис. 4Характерной особенностью содержания металлов в техногенных донных отложениях является их очень существенная внутригодовая изменчивость. Проведенные в течение 1991-1993 гг. детальные исследования мощности техногенных донных отложений, а также содержания в них металлов показали, что при прохождении весеннего паводка происходит очень существенный размыв и вынос этих отложений. В то же время в летнюю и зимнюю межень происходит формирование этих отложений за счет осаждения взвешенных наносов. Наряду с изменением мощности донных отложений происходит существенное изменение содержания в них металлов. Во время прохождения весеннего паводка происходит не только размыв донных отложений, но и десорбция подвижных форм металлов, а во время межени их накопление (рис. 4).
Данная особенность формирования техногенных донных отложений приводит к тому, что во время летней и зимней межени происходит аккумуляция металлов в донных отложениях, а во время паводка их вынос. Интенсивность миграции металлов в системе водавзвешенные наносыдонные отложения приводит к тому, что при относительно равномерном поступлении в них сточных вод, вынос металлов в Камское водохранилище существенно неравномерен внутри года (табл. 6).
Таблица 6.
Внутригодовое распределение вноса металлов по реке Толыч в Камское водохранилище
Металлы Суммарное годовое техногенное поступление металлов,
т/год
Вынос в меженный период,
т/год
Доля выноса в меженный период от общего поступления,
%
Доля выноса в паводок,
%
Хром общий 9.9 1.2 11.9 88.1
Медь 10 0.7 6.9 93.1
Титан 99.2 42.2 0.3 0.8
Как видно из табл. 6 за времени прохождения паводка продолжительностью ~ 15 дней выносится до 88 % суммарного поступления хрома (общего), 93 % меди, 99 % титана. Основной аккумулирующей емкостью транспортируемых металлов с западного склона Урала является Камское водохранилище. Повышенное естественное содержание металлов в реках его бассейна, а также значительный объем сброса неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод металлургической, горнодобывающей, крупнотоннажной химической промышленности обусловил весьма высокую интенсивность аккумуляции ряда металлов в данном водохранилище. В табл. 7 приведены значения среднегодовой интенсивности аккумуляции металлов в Камском водохранилище в сопоставлении с аналогичными потоками в Иваньковское водохранилище оцененные по материалам [3]. Данное водохранилище до сопоставления выбрано далеко не случайно, оно является основным источником водоснабжения г. Москвы. В связи с этим достаточно широко обсуждался вопрос о возможности его повторного загрязнения вследствие миграции поллютантов аккумулированных в водную массу.
Таблица 7.
Интенсивность аккумуляционных потоков металлов в Камском и Иваньковском водохранилищах.
Водохранилище Металлы в т/(м2·год)
Fe Zn Cu
Камское 81.5 1.2 0.5
Иваньковское 1.73 0.28 0.003
Как видно из табл. 7 удельная интенсивность аккумуляции железа в Камском водохранилище практически в 50 раз выше, чем в Иваньковском водохранилище, а меди более чем в 160 раз. Так как при изменении гидрологического и гидрохимического режима, аккумулирующееся в донных отложениях металлы способны достаточно активно мигрировать в водную массу, поэтому данное накопление металлов представляет очень серьезную угрозу не только для гидробионтов водохранилища, но и в целом для водоснабжения крупного региона. Однако в условиях сложного экономического положения, жестко ограниченного финансирования научных и экологических разработок, выполнение достаточно планомерных исследований по оценке возможных масштабов повторного поступления металлов в водохранилище весьма затруднительно.
Заключение

В формировании донных отложений водотоков — приемников сточных вод Урала наряду с естественными очень существенный вклад вносят и техногенные факторы, связанные со сбросом неочищенных или не достаточно очищенных сточных вод предприятий, в первую очередь, металлургической и горнодобывающей промышленности.
Наибольшая мощность техногенных донных отложений с высоким содержанием металлов сформировавшихся в водотоках — приемниках кислых шахтных вод, первую очередь, на реках Косьва, С. Вильва, Ю. Вильва превышает в устьевых участках 2 м. При этом содержание общего железа достигает 270 г/м2·год.
Техногенные донные отложения, являясь аккумулятором для гетерофазноне-консервативных поллютантов, активно участвуют в формировании процессов повторного загрязнения водных объектов. Доминирующий вклад обменных процессов в формировании загрязнения ряда водотоков — приемников металлами достаточно наглядно характеризуется тем, что при увеличении расходов водотоков — приемников существенно возрастает содержание в них металлов.
Ярко выраженный сезонный характер стока рек региона со значительным весенним половодьем приводит к тому, что в этот период выносится более 90 % металлов, поступающих в них вследствие техногенных факторов. Существенный вклад в формирование выноса металлов в водотоки — приемники, наряду с техногенным вносят и естественные факторы, обусловленные высоким содержанием подвижных форм металлов в аллювиальных отложениях рек на севере рассматриваемой территории.
Основным аккумулятором как естественных, так и техногенных потоков металлов, транспортируемых по водным артериям региона является Камское водохранилище. Интенсивность процессов аккумуляции в нем составляет Fe (общ)=81.8 г/м2·год, Zn=1.2 г/м2·год, Cu=0.5 г/м2·год.
Литература

  1. Горбунова К.А., Максимович Н.Г., Андрейчук В.Н. Техногенное воздействие на геологическую среду Пермской области. - Пермь, 1990. - 44 с.
  2. Кадукин А.Н.. Внутриводные накопительные процессы в системе рекаводохранилище и их влияние на состав и свойства речных вод. //Автореферат на соискание ученой степени доктора биологических наук. - Москва, 1992. -29 c.
  3. Красинцева В.В. и др. Процессы и формы нахождения химических элементов в поровых водах донных отложений в Иваньковском водохранилище. // Геохимия, 1988. - № 9.- С.1342-1355.
  4. Лепихин А.П., Капитанова Е.Н. Техногенные воздействия на реку Чусовую в ее среднем течении. //Проблемы защиты окружающей среды от техногенного за-грязнения в угольной промышленности: сб.научных трудов /ВНИИОС уголь. - Пермь, 1992. - С. 39-47.
  5. Лепихин А.П., Лаптева Л.К., Казакова Н.С., Казисов А.Г., Максимович Н.А. Особенности влияния предприятий Пермской области "Кизелуголь" на камское водохранилище. //Актуальные вопросы охраны окружающей среды в топливно-энергетическом и угольном комплексах: сб. научных трудов./ВНИИОС уголь. - Пермь, 1990. - С. 33-39.
  6. Максимович Н.Г. Геохимия угольных месторождений и окружающая среда//Вестник Перм.ун-та. Геология. - 1997. - Вып.4. - С.171-185.
  7. Максимович Н.Г., Блинов С.М., Малеев Э.Е. Техногенные изменения геологической среды Кизеловского района //Вопросы физической географии и геоэко-логии Урала: межвуз.сб.науч.тр. - Пермь, 1994. - С. 32-39.
  8. Осовецкий Б.М. Тяжелая фракция аллювия.- Иркутск: Из-во Иркутского ун-та, 1986.
  9. Паутов А.И.. Свойства наилков северных рек Пермской области. //Рациональное использование и охрана почв Нечерноземья: межвуз.сб. науч-ных трудов. - Пермь, 1987. - С. 17-27.
  10. Ghergari L., Muressan I., Ivan I., Bergeanu M. Jarosite and romerite within the oligocene qusrtz- and kaolin-bearing sands in the Sard-Mihaiesti area (Cluj district) //Oligocene Transilvanian Basin, Romania: 1-st Nat.Sump. Geol.Format.Mak.Transylvanian, May 20-21, 1988: Transl.from Rom.- Cluj-Napoca, 1989.- C.451-458.
  11. Maximovich N.G., Gorbunova K.A. Geochemical aspects of the geological medium changes in coal fields//Proceeding 6 Int.Congress Int.Ass. of Engineering Geology. A.A.Balkema, Rotterdam. 1990. P.1457-1461.
  12. Maximovich N.G., Blinov S.M., Menshikova E.A. The influence of Kizel coal basin on the river ecology conditions//Abstracts XIII international Congress on carboniferous-permian. Poland, Krakov, 1995. P.99.

назад