Кафедра ЮНЕСКО «Экологически безопасное развитие крупного региона – бассейна Волги»

Проект «Донные отложения рек и водохранилищ»

Целью проекта являлось изучение содержания тяжелых металлов, органических веществ и биогенных компонентов в донных отложениях реки Волги и ее крупнейших притоков. Научным руководителем исследований являлся профессор Г. Мюллер (Гейдельбергский университет, Германия).

Партнерами реализации проекта являлись институт геохимии Гейдельбергского университета (Германия), ННГАСУ (кафедра ЮНЕСКО и кафедра Гидротехнических сооружений) и Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костюкова (ВНИИГиМ).

Донные отложения, состоящие из частиц мелких фракций, обладают высокой сорбционной способностью и накапливают весь спектр химических элементов, присутствующих в водоеме. Поэтому донные отложения могут рассматриваться как интегральная характеристика состояния водной системы. Международная практика показывает, что изучение донных отложений является важнейшей составляющей системы наблюдений за состоянием водоемов. Результаты исследования загрязненности донных отложений позволяют оценить тенденции изменения техногенной нагрузки на водоемы и определить наиболее неблагополучные в экологическом отношении участки рек, что является важным с точки зрения оптимизации программ режимных наблюдений. При этом отсутствует необходимость учета изменения расходов воды в реке.

Состав слоев толщи донных отложений характеризует экологическую ситуацию на момент их формирования и, таким образом, позволяет оценить развитие процессов загрязнения в прошлом. Поскольку тонкодисперсные донные отложения отражают общее состояние водоема в отношении содержания тяжелых металлов, основной группы органических загрязнений и биогенных компонентов результаты их исследования могут использоваться также для оценки текущего уровня загрязненности рек, озер или прибрежных морских зон, а также ситуации на водосборных территориях в целом.

В период с 1997 г. по 2001 г. ННГАСУ и кафедра ЮНЕСКО приняли участие в организации и проведении семи экспедиций по отбору проб донных отложений реки Волги на участке ее протекания от Валдайской возвышенности до устья. Экспедиции по отбору проб донных отложений проводились с использованием судов, предоставлявшихся Министерством экологии Татарстана, Комитета по природным ресурсам Астраханской области, Министерства экологии саратовской области и Департамента природных ресурсов по Приволжскому региону. С Германской стороны в экспедициях принимали участие сотрудники Гейдельбергского университета: профессор Г. Мюллер, профессор Х.Ф. Шёлер, доктор А. Яхья, М.Гастнер, Р. Оттенштайн. Всего за указанный период было отобрано и проанализировано 343 пробы донных отложений реки Волги трех ее крупнейших притоков рек Камы, Оки и Суры.


Анализ проб, отобранных в ходе экспедиций, проводился в лабораториях института геохимии Гейдельбергского университета.


Содержание тяжелых металлов и биогенных компонентов в донных отложениях

Обобщенные результаты исследования состава донных отложений реки Волги и ее притоков представлены в таблице 1. Приведенные в таблице средние значения концентраций отдельных компонентов, содержащихся в донных отложениях в предплотинных зонах волжских водохранилищ, позволяют оценить общее изменение содержания тяжелых металлов в донных отложениях по течению реки. Для сравнения в таблице приведены данные по содержанию тяжелых металлов в донных отложениях озера Констанс, реки Рейн (пробы были отобраны 1995 г. в верхнем течении реки у г. Карлсруе, в нижнем у Клеве-Биммен и реки Эльбы.

На рис. 2 представлены диаграммы содержания в донных отложениях р. Волги и ее притоков семи наиболее важных с экологической точки зрения тяжелых металлов (Pb, Cd, Hg, Zn, Cu, Ni и Cr). Учитывая важную роль фосфора для водных экосистем в табл. 1 и на рис. 2 представлены данные о его концентрациях в донных отложениях в пересчете на P2O5.

Наивысшие концентрации наиболее значимых в экологическом отношении тяжелых металлов, за исключением хрома, были обнаружены в донных отложениях Горьковского водохранилища. В донных отложениях Саратовского водохранилища концентрации Pb, Cd, Hg, Cr ниже, а содержание Zn, Cu и Ni выше, чем в Чебоксарском водохранилище. Концентрации Pb, Cd, Cu и Cr в донных отложениях Куйбышевского водохранилища выше, чем в Саратовском и Волгоградском водохранилищах.

Таблица 1.

Содержание тяжелых металлов и биогенных компонентов в донных отложениях реки Волги и ее наиболее крупных притоков

Река, водохранилище/
место отбора проб

Год

мг/кг

%

Pb

Cd

Hg

Zn

Cu

Ni

Cr

As

P2O5

C

S

Волга

Иваньковское вдхр.

2001

24

0,86

0,21

516

93

37

67

10

0,44

4,81

0,18

Волга

Угличское вдхр.

2001

24

0,73

0,35

259

44

51

69

11

0,44

3,20

0,16

Волга

Рыбинское вдхр.

2001

27

0,31

0,28

136

47

42

60

13

0,41

Волга

Горьковское вдхр.

1997

38

0,61

0,15

152

51

67

69

16

0,45

6,00

0,18

Ока

г. Нижний Новгород

1993 / '97

19

0,93

0,19

97

51

48

70

17

0,86

3,50

0,36

Сура

1999

15

0,39

0,12

100

26

46

67

12

0,41

3,01

0,14

Сура

2002

13

0,41

0,13

108

26

61

54

14

0,45

4,24

0,21

Волга

Чебоксарское вдхр.

1997

25

0,46

0,11

98

35

59

64

18

0,6

4,10

0,16

Кама/Волга

1999

12

0,45

0,15

89

42

79

75

10

0,26

2,1

0,06

Волга

Куйбышевское вдхр.

1999

27

0,65

0,13

141

51

72

85

9

0,3

2,9

0,28

Волга

Саратовское вдхр.

1998

17

0,41

0,07

124

43

60

63

15

0,28

2,2

0,31

Волга

г. Камышин

1998

54

0,59

0,18

174

54

36

86

9

0,3

3,58

0,2

Волга

Волгоградское вдхр.

1998

17

0,34

0,08

106

48

54

73

11

0,29

1,75

0,08

Волга

г. Астрахань

2000

14

0,34

0,09

88

37

65

77

6

0,23

1,68

0,1

Озеро Констанс

1995

28

0,36

0,2

100

30

36

20

18

Рейн

г. Карлсруе

1995

41

0,53

0,41

171

56

45

67

16

Рейн

Клеве-Биммен

1995

75

1,14

0,49

389

63

48

69

16

Эльба

1992

200

11,0

11,0

1800

250

79

250

44

Эльба

1994

150

7,7

5,6

1300

130

58

120

36

Эльба

1996

125

6,0

3,0

900

110

36

100

34

Геохимические фоновые концентрации (Турекиан и Ведепол)

20

0,3

0,4

95

45

68

90

13


Рис. 2. Сравнение состава донных отложений р. Волги и ее основных притоков (средние концентрации в мг/кг, для Fe и P в %) со средними геохимическими фоновыми значениями (выделены светло серым цветом).


Результаты исследований показывают, что вниз по течению реки существует общая тенденция снижения содержания всех металлов, за исключением Cr и Ni. Концентрации Pb, Cd и Hg в нижней части Волгоградского водохранилища составляют половину, а Zn около двух третей от уровня содержания этих металлов в донных отложениях Горьковского водохранилища. Наибольшие концентрации наблюдались в районах выбросов городских и промышленных сточных вод. В Волгоградском водохранилище повышенное загрязнение донных отложений отмечалось в районе г. Саратова и в затоне у г. Камышин (табл. 1, рис. 12). Наибольшие концентрации тяжелых металлов, обнаруженные в пробах, отобранных у г. Саратова, составляли: Cd: 9,65 мг/кг, Cr: 124 мг/кг, Cu: 144 мг/кг, Pb 60 мг/кг and Zn 318 мг/кг.

Несмотря на влияние ряда организованных источников поступления загрязнений содержание металлов в донных отложениях Волги снижается по направлению к устью. Концентрации всех измерявшихся элементов в устьевой части Волги соответствуют их предполагаемому фоновому уровню.

Помимо проб, отобранных ковшовым пробоотборником, в Чебоксарском и Саратовском водохранилищах были отобраны керны с ненарушенной структурой донных отложений. На рис. 3 представлены результаты анализа коротких кернов, отобранных в Чебоксарском водохранилище и представляющих собой структуру его дна: 12,5 см слой почвы с остатками растительности, покрытый 12,5 см слоем илистых донных отложений. Как показывают диаграммы, в донных отложениях содержание всех измерявшихся элементов, за исключением органического углерода, выше, чем в почвенном слое, существовавшем до затопления территории в результате создания Чебоксарского водохранилища.


Рис. 3. Содержание ряда элементов в почвенном слое и покрывающих его илистых донных отложениях Чебоксарского водохранилища.

В Саратовском водохранилище был отобран керн с ненарушенной структурой донных отложений глубиной 40 см. Проба была разделена на 8 частей по глубине. Результаты анализов представленные в табл. 2 показывают, что с увеличением глубины концентрации тяжелых металлов не увеличиваются, исключение составляют свинец и кадмий.

Таблица 2.

Распределение концентраций тяжелых металлов и мышьяка по глубине донных отложений Саратовского водохранилища, мг/кг

Глубина, см

Pb

Cd

Hg

Zn

Ni

Cu

Cr

As

0 - 5

8

0,33

0,02

98

44

31

47

9

5 - 10

7

0,38

0,04

110

48

34

48

8

10 - 15

8

0,39

0,02

106

47

35

47

8

15 - 20

9

0,38

0,05

100

45

33

46

10

20 - 25

12

0,55

0,04

111

45

35

47

11

25 - 30

14

0,48

0,03

96

46

35

48

10

30 - 35

14

0,43

0,04

107

47

36

51

9

35 - 40

13

0,43

0,04

101

43

34

48

10


Оценка степени загрязненности донных отложений тяжелыми металлами

Современная мировая практика экологического контроля базируется в значительной степени на нормативном подходе, предусматривающем оценку состояния контролируемых объектов на основе сопоставления измеряемых показателей с соответствующим допустимым значением. Однако до настоящего времени система нормирования содержания загрязняющих веществ в донных отложениях поверхностных водоемов не разработана. Это обусловлено, прежде всего, недостаточным объемом данных о качественных характеристиках донных отложений природных водоемов, полученных с использованием единых аналитических методик.

В России по степени токсичности тяжелые металлы разделяются на три класса опасности [ГОСТ 17.4.1.02-83]:

I класс: Hg, Cd, Pb, As, Be, Se, Zn, F

II класс: Cr, Co, B, Mo, Ni, Cu, Sb

III класс: Ba, V, W, Mn, Sr

Токсичность тяжелых металлов в значительной степени обусловлена их консервативностью и способностью к биоаккумуляции. Ионы тяжелых металлов, как правило, хорошо растворимы в воде и способны образовывать высокотоксичные металлоорганические соединения. Тяжелые металлы могут перемещаться по пищевым цепям, включаясь в метаболический цикл и вызывая различные физиологические и генетические нарушения.

Загрязнение природных вод тяжелыми металлами и их соединениями оказывает негативное воздействие как на человека, так и на состояние экосистем водоемов, в частности на фитопланктон, высшую водную растительность, рыб и моллюсков. Наиболее опасными для водных экосистем являются следующие тяжелые металлы: Cd, Co, Cu, Cr, Hg, Pb, Zn, Ni.

В исследованиях, проводившихся в рамках проекта «Волга–Рейн» для оценки степени загрязнения донных отложений реки Волги использовалась система классификации на базе индексов геоаккумуляции (или Igeo классов), предложенная Г. Мюллером, и в настоящее время широко используемая для оценки загрязнения окружающей среды.

В соответствии с данной классификацией каждое удвоение определяет переход к следующему классу качества донных отложений от нулевого класса (практически незагрязненные) до шестого класса (чрезмерно загрязненные), верхний предел, для которого не устанавливается.

Кафедрой ЮНЕСКО в сотрудничестве с кафедрой Геоинформатики и кадастра ННГАСУ были разработаны картографические слои ГИС Волжского бассейна, которые позволяют на основании классификации по Igeo индексам оценивать степень загрязнения донных отложений реки Волги тяжелыми металлами. На рис. 4 представлен пример картографической оценки степени загрязнения донных отложений р. Волги.


Рис. 4. Загрязненность донных отложений р. Волги кадмием.


Содержание фосфора в донных отложениях

Результаты анализа проб показали, что по всему течению Волги содержание фосфора в донных отложениях превышает фоновую геохимическую концентрацию (0,16% P2O5). В верхнем течении реки превышение составляет 5-6 раз, в среднем течении – 4 раза в нижнем – 2 раза. В предплотинных зонах водохранилищ содержание фосфора (по P2O5) составляет от 0,30% до 0,59%. Наибольшее содержание фосфора характерно для водохранилищ, расположенных в верхнем течении Волги, при этом максимальная концентрация 0,66% P2O5 была зафиксирована в Чебоксарском водохранилище на участке ниже впадения р. Оки.

На рис. 5 - 7 представлены диаграммы содержания фосфора в предплотинных зонах и на участке Горьковское–Чебоксарское водохранилище. Результаты, представленные на диаграммах показывают увеличение содержания фосфора на данном участке. Что соответствует данным, полученным ранее в ходе реализации российско-германского проекта «Ока–Эльба», которые свидетельствуют о том, что с водами р. Оки в Волгу поступает значительное количество фосфора. В поперечных створах перед плотинами Горьковской и Чебоксарской ГЭС распределение содержания фосфора в донных отложениях аналогично распределению концентраций тяжелых металлов, т.е наблюдается небольшое увеличение к правому берегу в Горьковском водохранилище и к левому в Чебоксарском.

Содержание фосфора в донных отложениях р. Оки в районе г. Коломны составляет 0,48 % P2O5. После впадения р. Москвы, воды которой содержат большое количество биогенных компонентов, концентрация фосфора в донных отложениях р. Оки повышается до 0,83 % P2O5. Таким образом, значительное содержание фосфора в реке Москве повышает его концентрации в донных отложениях р. Оки, а затем и в Чебоксарском водохранилище.

Изучение форм содержания фосфора показывает их различие для отдельных участков рек. Так в р. Москве в зонах сельскохозяйственного производства преобладает фосфор, поступающий с минеральными удобрениями, в донных отложениях р. Волги наблюдаются высокие концентрации органически связанного фосфора при высоком содержании биомассы фитопланктона.

Опыты с последовательной экстракцией показывают, что при определенных условиях может происходить минерализация органического фосфора, содержащегося в донных отложениях, и его высвобождение в водные слои.

В результате деструкции органической субстанции и анаэробного разложения гидроокисей железа, образующиеся фосфаты выделяются из донных отложений в поровые воды. Результаты анализа проб поровых вод, отобранных в феврале 2000 года из донных отложений р. Оки (в устьевой части) и р. Волги (около 5 км ниже впадения Оки), показывали наличие интенсивного выделения из донных отложений фосфорсодержащих соединений железа и марганца. Это еще раз доказывает, что донные отложения являются накопителем и источником загрязнений и биогенных компонентов, оказывающим значительное влияние на процессы эвтрофикации водоемов.

Рис. 5. Содержание фосфора в донных отложениях препдлотинной зоны Горьковского водохранилища.

Рис. 6. Содержание фосфора в донных отложениях предплотинной зоны Чебоксарского водохранилища.


Рис. 7. Содержание фосфора на участке Горьковское–Чебоксарское водохранилище.


Анализ проб поровых вод

В ходе реализации проекта были исследованы пробы поровых вод донных отложений, отобранные в феврале 2000 г. в затоне им. Калинина (р. Волга) и затоне им. Жданова (р. Ока). Пробы отбирались при помощи диализного пробоотборника («Peeper»), состоящего из двух рядов горизонтальных камер размерами 65´6´10 мм. Камеры заполнялись дистиллированной водой и покрывались биологически инертной поликарбонатной мембраной (0,2 мкм). Мембрана крепилась при помощи акриловой накладной пластины (рис. 8). Перед установкой в точке отбора пробоотборник помещался в емкость с дистиллированной водой в которую подавался азот. Пробоотборник помещался в толщу донных отложений на 5 дней. После извлечения пробы отбирались из камер пластиковым шприцем.


Рис. 8. Схема диализного пробоотборника типа «Peeper» [USEPA, 2001.]



Рис. 9. Результаты анализа поровых вод донных отложений, отобранных в затоне им. Калинина (Чебоксарское вдхр.).

В результате деструкции органической субстанции и анаэробного разложения гидроокисей железа, образующиеся фосфаты выделяются из донных отложений в поровые воды. Результаты анализа проб поровых вод, отобранных в из донных отложений р. Оки (в устьевой части) и р. Волги (около 5 км ниже впадения Оки), показывали наличие интенсивного выделения из донных отложений фосфорсодержащих соединений железа и марганца. Это еще раз доказывает, что донные отложения являются накопителем и источником загрязнений и биогенных компонентов, оказывающим значительное влияние на процессы эвтрофикации водоемов.

Данные анализа проб поровых вод свидетельствуют также об относительном равновесии концентраций в зоне фазового перехода для таких тяжелых металлов как медь, цинк и хром. Процессы фазового перехода данных металлов требуют дальнейшего изучения.

Органические загрязнения в донных отложениях

В ходе проведения исследований отдельные пробы донных отложений исследовались на содержание полихлорированных бифенилов (ПХБФ), инсектицидов (ДДТ и его метаболита ДДЕ, линдана, гексахлорбензола), полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и нефтепродуктов.

Наиболее значительное загрязнение донных отложений нефтепродуктами было отмечено в Волгоградском водохранилище, в особенности у г. Саратова и в затоне у г. Камышин (рис. 10). Данное обстоятельство представляется важным с точки зрения изучения процессов последующего транспортирования нефтепродуктов в Каспийское море.


Рис. 10. Содержание Pb, Zn, Cd и нефтепродуктов в донных отложениях Волгоградского водохранилища.

На содержание ПХБФ было проанализировано по одной пробе донных отложений из Горьковского и Чебоксарского водохранилищ. Суммарное содержание ПХБФ составило в Горьковском водохранилище 2,8 мкг/кг, в Чебоксарском – 3,3 мкг/кг. Для сравнения: в 1995 г. в донных отложениях реки Рейн у города Карлсруе концентрация ПХБФ составляла 23 мкг/кг, а у Клеве-Биммен 72 мкг/кг.

Если применить классификацию, использовавшуюся для оценки органического загрязнения донных отложений р. Эльбы и предусматривающую четыре класса качества (I – незагрязненные или загрязненные незначительно, II – средне загрязненные, III – сильно загрязненные, IV – чрезвычайно загрязненные), то уровень содержания ПХБФ во всех пробах соответствовал I классу, за исключением двух проб, отобранных в Волгоградском водохранилище и относившихся соответственно ко II и III классам. Максимальная концентрация ПХБФ составляла 13 мкг/кг. По содержанию ДДТ, гексахлорбензола, линдана и ПАУ все пробы соответствовали I классу.

Основные выводы по результатам исследований:

  1. Проведение исследований с использованием унифицированных методов отбора анализа проб позволило получить сопоставимые данные о содержании загрязняющих веществ в донных отложениях по течению р. Волги и ее притоков.

  2. До настоящего времени содержание тяжелых металлов в донных отложениях Волги остается сравнительно низким. Концентрации всех измерявшихся элементов в устьевой части Волги соответствуют их предполагаемому фоновому уровню. За исключением кадмия, содержание анализировавшихся металлов не превышает двукратного уровня средних геохимических фоновых концентраций.
  3. Содержание всех металлов в донных отложениях Волги (за исключением никеля и кобальта) снижается по направлению к устью. Таким образом, не было найдено подтверждений тому, что поступление тяжелых металлов со взвесями, содержащимися в волжской воде, оказывает значительно превышающее природный уровень воздействие на Каспийское море.
  4. Донные отложения р. Волги характеризуются высоким содержанием фосфора, которое в 2-6 раз превышает фоновую геохимическую концентрацию и имеет тенденцию к снижению вниз по течению реки.
  5. В ходе реализации проекта результаты исследований регулярно публиковались в российских и зарубежных периодических изданиях и представлялись на Международном научно промышленном форуме «Великие реки» и Международной ежегодной конференции «Тяжелые металлы в окружающей среде».


Система Orphus Яндекс.Метрика
Сайт не поддерживает браузер Internet Explorer 6 и 7. Пожалуйста, обновите свой браузер.