Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 3, стр. 79-87

ВВЕДЕНИЕ

Малые реки селитебных территорий часто испытывают значительное антропогенное воздействие, в той или иной степени утрачивая черты природных объектов. На региональном уровне это может сказываться на состоянии больших рек и подземных вод, что делает актуальным исследование проблемы эволюции природно-антропогенных водных объектов и условий трансформации их состояния. Указанная проблема была рассмотрена на примере малой р. Кисловка у г. Томск (Российская Федерация, Сибирский федеральный округ, административный центр Томской области) – элемента речной системы “Кисловка–Томь–Обь” (рис. 1).

Рис. 1.

Схема расположения р. Кисловка и пунктов отбора проб воды и донных отложений в зимнюю межень 2020 г. (характеристика пунктов I–VI приведена в табл. 1).

Река Кисловка образуется при слиянии рек Еловка и Жуковка, протекает по территории Обь-Томского междуречья, в том числе в пределах долины р. Томи, а затем соединяется с ее протокой (поверхностный сток перекрыт после строительства дороги Томск–Юрга с мостовым переходом через р. Томь) и, собственно, превращается в протоку Бурундук с рядом озеровидных расширений (далее используется только термин – р. Кисловка). Длина объекта (от истоков р. Жуковка) – 80 км, площадь водосбора (с учетом условного водосбора в долине р. Томь) – 458 км². В пределах водосбора расположены населенные поселки и микрорайоны Томска и Томского района (п. Кисловка, п. Тимирязево, с. Петрово и ряд других, включая новый микрорайон “Северный Парк” с многоэтажной застройкой) с выпусками в реку очищенных и неочищенных хозяйственно-бытовых стоков. Главная же особенность рассматриваемой территории – наличие одновременно эксплуатационных скважин и выпуска (в р. Кисловка, пункт III) сточных вод станции обезжелезивания Томского подземного водозабора.

Томский подземный водозабор – один из крупнейших подземных водозаборов в Российской Федерации – обеспечивает хозяйственно-питьевое водоснабжение г. Томск – центра Томской области с населением (с учетом пригорода и г. Северск) более 0.5 млн человек. Водозабор функционирует с 1973 г. и эксплуатирует Томское месторождение пресных вод в Обь-Томском междуречье. Отбор подземных вод проводится из песчано-галечниковых отложений палеогенового возраста с глубин 80–198 м [3, 5, 6].

Подземные воды в исходном состоянии – пресные, гидрокарбонатные кальциевые и кальциево-магниевые, по величине рН – от слабокислых до слабощелочных (табл. 1); их химический состав в целом соответствует нормативам качества питьевых вод, но последние достаточно часто нарушаются по содержанию железа, находящегося в подземных водах (в основном в виде иона Fe²⁺ и его соединений) в количестве до 12 мг/дм³ и более [2, 3, 5, 11–13, 17].

На станции водоподготовки с фактической среднесуточной подачей воды 136 м³/сут (при проектной производительности 205.5 тыс. м³/сут) проводят обезжелезивание подземных вод путем их аэрирования, а затем пропуска самотеком сверху вниз с расчетной скоростью 8–10 м/час через скорые фильтры, загруженные слоем от 1.40 до 1.65 м отсевом дробленых горных пород крупностью 2–5 мм. В результате образуется почти 150 т/год железосодержащего осадка. На протяжении длительного времени промывные воды после фильтров сбрасывались в р. Кисловка.

В настоящее время создана система повторного использования промывных вод, которая позволила значительно уменьшить сброс промывных вод и содержащихся в них загрязняющих веществ. Тем не менее, можно предположить, что, по крайней мере, за предыдущий период в русле Кисловки сформировались природно-техногенные отложения с повышенным содержанием железа и ряда других химических элементов, особенно с учетом поступления в реку на участке выше по течению значительного количества хозяйственно-бытовых стоков с разной степенью очистки (от пп. Кисловка, Тимирязево, Дзержинский, садовых обществ, нового микрорайона Томска “Северный Парк”).

Цель исследования – выявление изменений химического и микробиологического состава речных вод, химического, микробиологического и минерального состава донных отложений малой р. Кисловка под влиянием сброса сточных вод станции обезжелезивания Томского подземного водозабора и иных антропогенных факторов.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для достижения указанной выше цели сотрудниками Томского политехнического университета (ТПУ) выполнен комплекс полевых, лабораторных и камеральных работ. Отбор проб воды и донных отложений р. Кисловка (протоки Бурундук) проведен в зимнюю межень 2020 г., в условиях ледостава, когда создаются наихудшие условия разбавления стоков и самоочищения на фоне сокращения водного стока и содержаний растворенного кислорода. Отбор проб выполнен с помощью ледового бура и проботборников для воды (из слоя 0.3–0.5 м от поверхности воды в лунке) и донных отложений (верхний слой 0.2 м) с учетом требований [1, 15] в шести пунктах (см. рис. 1), расположенных последовательно от п. Кисловка к устью: I – в 29.8 км от Томи; II, III – выше и ниже нового микрорайона “Северный Парк”, расположенного в пойме Томи; IV – ниже по течению от перехода дороги Томск–Тимирязево, на границе поймы и первой надпойменной террасы Томи; V – в 0.86 км ниже по течению от створа выпуска стоков станции обезжелезивания Томского подземного водозабора; VI – в 7.5 км от устья (даты отбора проб: I, II, III – 24.01.2020 г.; IV, V, VI – 06.02.2020 г.). Пункты I и II расположены непосредственно на р. Кисловка, прочие пункты – в пределах поймы р. Томь, в русле протоки Бурундук. В пунктах I и V дополнительно отобраны пробы донных отложений послойно через 0.1 м на глубину 0.5 м для изучения вертикального распределения микробиологических показателей.

Пробы воды и донных отложений были помещены в специально подготовленные емкости и доставлены в аккредитованные лаборатории ТПУ и ООО “Химико-аналитический центр “Плазма” (г. Томск). В ТПУ проведено определение физико-химических, гидрохимических и микробиологических показателей (Л.А. Ракул, К.Б. Кривцова, А.С. Погуца, Н.В. Бублий, В.В. Куровская под руководством А.А. Хващевской) с использованием следующих методов: pH – потенциометрический; удельная электропроводность (УЭП) – кондуктометрический; CO₂, ${\text{CO}}_{3}^{{2 - }}$, ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$, Cl^–, Ca²⁺, Mg²⁺, перманганатная окисляемость (ПО) – титриметрический; ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ – турбидиметрический; ${\text{NH}}_{4}^{ + }$, ${\text{NO}}_{2}^{ - }$, ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ – фотометрический; Na⁺, K⁺ – ионная хроматография; Fe, Si и ряд микроэлементов – масс-спектрометрический с индуктивно-связанной плазмой (с использованием масс-спектрометра NexION 300D).

Изучение микрофлоры выполнено в ТПУ (Н.Г. Наливайко). Оно включало выявление различных физиологических групп гетеро- и литотрофных микроорганизмов (включая гетеротрофные железобактерии, аммонифицирующие, нитрифицирующие, денитрифицирующие, сульфатвосстанавливающие и тионовые бактерии) в пробах речной воды и водных вытяжках из донных отложений (в пунктах I и V) с использованием классических методик, принятых в микробиологии [14]. Более подробная информация о методике пробоподготовки и методах химического и микробиологического анализа изложена в [8].

Оценка химического состава донных отложений (фракция с диаметром частиц до 1 мм с извлечением кислоторастворимых форм элементов) выполнена в ООО “Химико-аналитический центр “Плазма” также с использованием масс-спектрометрического метода с индуктивно связанной плазмой (МВИ № 001-ХМС-2007; ФР.1.31.2007.04107; Т.А. Филипас, А.Н. Маковенко под руководством Н.В. Федюниной). Определение минерального состава проведено в ТПУ методами порошковой рентгеновской дифрактометрии (дифрактометр D2 Phaser) и сканирующей электронной микроскопии (микроскоп TESCAN VEGA 3 SBU). Методика анализа вещественного состава донных отложений более подробно приведена в [9, 10].

Следует отметить, что визуально заметный подпор от Томи в период половодья ежегодно наблюдается в створе пункта VI. В прочих пунктах подпор возможен, но выражен не так сильно вследствие снеготаяния непосредственно на пойме, локального подпора от мостовых переходов и достаточно сложного перераспределения водных масс при затоплении поймы [4, 7].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Воды р. Кисловка в среднем за период наблюдений с 1995 г. до 2002 г. оцениваются как пресные (по сумме Σ_mi главных ионов ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$, ${\text{CO}}_{3}^{{2 - }}$, ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$, Cl^–, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺), гидрокарбонатные (в среднем 45%-экв. от Σ_mi, ${\text{NO}}_{3}^{ - }$, ${\text{NO}}_{2}^{ - }$, ${\text{NH}}_{4}^{ + }$) кальциевые (34%-экв.), по величине рН – нейтральные и слабощелочные; воды эксплуатируемого (основного) палеогенового водоносного комплекса (за период до 2003 г.) – также пресные, гидрокарбонатные (66%-экв.) кальциевые (44%-экв.), по рН – обычно нейтральные (см. табл. 1). Особенностью суммарного содержания растворенных солей в р. Кисловка является достаточно слабая изменчивость величины Σ_mi; коэффициент вариации составляет Cv = σ/A = 0.24, где σ и A – среднее квадратическое и среднее арифметическое значения.

Непосредственно в период наблюдений в зимнюю межень 2020 г. показатели химического состава речных вод были сопоставимы со средними значениями. При анализе изменений гидрохимических показателей по длине изученного участка р. Кисловка отмечено уменьшение суммы главных ионов Σ_mi, концентраций Ca²⁺ и ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ в пункте III, расположенном ниже по течению от нового микрорайона “Северный Парк”, и последующее увеличение к устью. В пункте III также зафиксированы максимальные концентрации в речной воде ${\text{NO}}_{2}^{ - }$, ${\text{NH}}_{4}^{ + }$, P, Fe, V, Ge, As, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Ho, Er, Yb. Максимумы содержаний многих элементов и соединений (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, Cl^–, ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$, ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$, ${\text{NO}}_{3}^{ - }$, F^–, Si, Sc, Cr, Mn, Co, Ga, Sr, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Sb, I, Cs, Ba, Gd, Tb, Dy) отмечены в пункте VI, который расположен на минимальном расстоянии от устья в зоне часто наблюдаемого подпора от р. Томь (см. табл. 1).

Уменьшение значений Σ_mi и максимальные концентрации многих микроэлементов в пункте III, вероятно, объясняются поступлением поверхностного и грунтового стока с территории микрорайона “Северный Парк”, часть которого размещена на насыпном грунте. Из-за теплопотерь жилых зданий в период наблюдений происходило таяние снежного покрова и, соответственно, поступление в русло р. Кисловка ультрапресных слабокислых талых вод, вступающих во взаимодействие с насыпными грунтами с повышенным содержанием ряда химических элементов.

Последующее же последовательное возрастание суммы главных ионов Σ_mi от пункта IV к устью может быть связано, скорее всего, с увеличением по мере приближения к р. Томь притока более минерализованных подземных вод. Влияние подпора от Томи (с поступлением в русло р. Кисловка вод с минерализацией более 300–350 мг/дм³) в зимнюю межень маловероятно, особенно с учетом того, что минерализация вод р. Томь у г. Томск в этот период составляет в среднем 262–334 мг/дм³ [4, 7]. При этом воздействие собственно выпуска сточных вод станции обезжелезивания Томского подземного водозабора на минерализацию и химический состав вод р. Кисловка ограничено в основном некоторым повышением в пункте V (в 0.86 км ниже выпуска) концентраций K⁺, Be, B, Ni, Cu, Zn, In, Sn, Ir, Tl, La, Tm. Но уже в 5.7 км ниже по течению (пункт VI) уровень содержания перечисленных элементов заметно снижается (см. табл. 1).

Более яркое, по сравнению с речными водами, влияние выпуска стоков станции обезжелезивания установлено для донных отложений. В частности, отмечено резкое увеличение концентраций P (42.238 г/кг) и Fe (326.946 г/кг) в пункте V. Там же обнаружены и аномальные отклонения в минеральном составе фракции до 1 мм, представленном в основном двумя минералами – кварцем (20.4%) и вивианитом (79.6%; табл. 2). В остальных пунктах (I, II, III, IV, VI) в зимнюю межень 2020 г. концентрации Р были в диапазоне 0.605–5.068 г/кг, Fe – от 35.718 до 73.237 г/кг, а в минеральном составе преобладали кварц (44.9–57.9%), плагиоклазы (альбит – 12.3–31.1%), калиевые полевые шпаты (микроклин – 5.5–27.5%) при значительном содержании амфиболов (до 9.9%), хлоритов (клинохлор – 4.4–5.9%), гидрослюд (до 3.9%). Также были отмечены барит, гетит, пирит, фосфаты редкоземельных элементов и ряд других минералов (рис. 2).

Рис. 2.

Результаты электронной микроскопии, пункт III, фракция до 1 мм: a – монацит (частица выделена пунктиром; проба 6s); б – фрамбоидальный пирит (проба 15).

Таким образом, на участке со специфической мононагрузкой (в районе пункта V) в химическом составе донных отложений резко возрастают концентрации основного загрязняющего вещества (Fe) на фоне резкого снижения минерального разнообразия. Близкий по смыслу вывод был сделан при изучении Обского болота (в левобережной части р. Обь в 35–45 км на запад от рассматриваемой территории, см. рис. 1), где на загрязненном участке отмечен более высокий уровень содержания многих химических элементов в болотных водах, а на фоновом – большее разнообразие минерального состава включений в торф [16]. С учетом этого можно предположить, что, по крайней мере, для исследуемого региона длительный сброс сточных вод может приводить к формированию противоположных тенденций изменения химического и минерального состава донных отложений рек и торфов.

В микробиологическом составе речных вод отмечены различные физиологические группы микроорганизмов (табл. 3). Наиболее высокие концентрации тионовых и аммонифицирующих бактерий на участке от п. Кисловка до п. Тимирязево, а нитрифицирующих, денитрифицирующих и сульфатвосстанавливающих бактерий – на участке от п. Тимирязево до устья. При этом повышенные содержания тионовых и аммонифицирующих бактерий наблюдаются там же, где наиболее высокие концентрации ионов ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и ${\text{NO}}_{2}^{ - }$, источником которых с большой вероятностью являются хозяйственно-бытовые стоки. Воздействием этого же фактора объясняется преобладание в пунктах II и III сапрофитов по сравнению с олиготрофами и высокое содержание аллохтонных мезофильных сапрофитов (в незагрязненных водах их содержание обычно не превышает 50 мл/кл).

Явно выраженное влияние сброса промывных вод станции обезжелезивания ОАО “Томскводоканал” на микробиологический состав речных вод на момент проведения исследования не отмечено. Однако в пробах донных отложений в пункте V, по сравнению с пунктом I, выявлено заметное увеличение содержаний гетеротрофных бактерий, окисляющих восстановленные формы железа (далее – Fe-окисляющие), денитрифицирующих и сульфатвосстанавливающих бактерий, особенно в верхнем слое 0.0–0.4 м (за исключением сульфатвосстанавливающих бактерий с максимумом в слое 0.5–0.6 м) (табл. 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ полученной информации показал, что в речных водах максимумы содержаний соединений азота и фосфора приурочены к местам сброса хозяйственно-бытовых стоков, а наиболее высокие концентрации редкоземельных элементов – к относительно недавно застроенным участкам водосбора р. Кисловка, на которых проводилась отсыпка привозным грунтов.

Воздействие на химический состав речных вод многолетнего сброса стоков, образующихся при обезжелезивании пресных подземных вод питьевого назначения, прослеживается относительно слабо и заключается в некотором увеличении концентраций K⁺, Be, B, Ni, Cu, Zn, In, Sn, Ir, Tl, La, Tm на участке около 1 км ниже по течению от выпуска стоков.

Более заметно влияние сброса стоков станции обезжелезивания Томского подземного водозабора на химический и минеральный состав донных отложений. Оно проявляется в резком увеличении во фракции менее 1 мм концентраций Fe и P (в кислотных вытяжках) и снижении разнообразия минеральных форм за счет образования вивианита. Ниже по течению это влияние уменьшается, и в 6.56 км от выпуска практически не прослеживается.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-55-80015.