Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 2, стр. 82-89

ВВЕДЕНИЕ

Малые реки, составляющие значительную долю гидрографической сети Владимирского региона, являются основными приемниками сточных вод предприятий промышленности и сельского хозяйства, поверхностного стока с территорий городских и сельских поселений, сельхозугодий, промплощадок, полигонов сельскохозяйственных и промышленных отходов. Указанные стоки загрязнены соединениями биогенных элементов, тяжелыми металлами (ТМ), нефтепродуктами, поверхностно-активными веществами, пестицидами, органическими веществами природного и антропогенного происхождения, взвешенными частицами, что вызывает эвтрофикацию малых рек и заиливание их русел [1, 3, 8].

Установлено, что в результате процессов седиментации и трансседиментации взвешенных веществ аллохтонного и автохтонного происхождения в руслах малых рек формируются донные отложения, состав которых, как правило, отражает специфику хозяйственного использования водосборных территорий [5, 12].

Состав донных отложений стабильнее по сравнению с составом водной среды, мониторинг их состава менее трудоемок и экономически более целесообразен, чем ежегодное проведение сезонной оценки гидроэкосистемы по гидрохимическим и гидробиологическим показателям. Исходя из этого, донные осадки в настоящее время многими авторами рассматриваются как индикаторы экологического состояния водных объектов и для оценки техногенной нагрузки на гидроэкосистему [4, 10, 12].

Наиболее опасными компонентами донных отложений поверхностных вод являются ТМ и фосфаты, так как при увеличении в воде общей концентрации растворимых солей (ионной силы), изменении окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий в водотоке возрастает их поток в водную фазу, что приводит к токсификации и эвтрофикации гидроэкосистем и гибели наиболее чувствительной гидробиоты [10].

Цель работы – исследование уровня загрязнения донных отложений 4-х малых рек Владимирской обл. ТМ, фосфат-ионами; оценка техногенных геохимических аномалий ТМ в донных отложениях водотоков и антропогенной нагрузки на водотоки.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объекты исследования – малые водотоки бассейнов рек Клязьма (Содышка, Рпень, Каменка) и Ока (Илевна).

Указанные водотоки испытывают влияние как крупных стационарных, так и рассеянных источников загрязнения, характеризуются существенным различием площадей водосборных территорий, уровнем урбанизации и спецификой хозяйственного использования водосборных территорий.

Илевна – левый приток р. Ока, длина 40 км, площадь водосбора 861 км², протекает по территории Муромского района Владимирской обл. Бассейн реки полностью располагается на территории Муромского Предочья – самой распаханной части Мещерской Провинции подтайги Русской равнины, с выраженной правой асимметрией (правые притоки обширнее и многоводнее). Верхняя часть водосборной территории практически полностью распахана, естественные насаждения сведены к минимуму, остальная часть бассейна расположена в более лесистой местности со слабой заселенностью. Правобережная часть бассейна испытывает антропогенную нагрузку за счет большей плотности населения и большей интенсивности освоения территории, а левобережная часть – за счет промышленных предприятий округа Муром и мкр. Вербовский и населенных пунктов, находящихся в непосредственной близости к водотоку и его притокам. Наибольшее техногенное воздействие испытывает устьевой участок реки за счет промышленных стоков Муромского приборостроительного завода.

Каменка протекает по густонаселенной территории Суздальского района, впадает в р. Нерль (правый берег), длина водотока 41 км, площадь водосборного бассейна 313 км². Район характеризуется развитым сельским хозяйством, отсутствием крупных промышленных предприятий. Водоток загрязняется ливневыми и паводковыми стоками с территорий крупных животноводческих комплексов и сельхозугодий, пастбищ, с территорий многочисленных сельских поселений и г. Суздаль с частными домами без канализации и неисправными очистными сооружениями города. К загрязнению экосистемы р. Каменка способствовало также нарушение гидрологического режима в черте г. Суздаль (постройка двух капитальных плотин) и распашка пойменных лугов.

Рпень – левый приток р. Клязьма, длина 44 км, площадь водосбора 270 км², протекает по территории Суздальского района и г. Владимир. Бассейн реки асимметричен за счет правобережных притоков, лесные массивы незначительны (около 13% территории), почвы на водосборе преимущественно распаханы, имеет достаточно высокий уровень урбанизации. Гидрологический режим водотока нарушен (за счет постройки плотин и инженерных прудов). Водосборная территория р. Рпень, за исключением городской зоны, испытывает в основном сельскохозяйственную нагрузку и влияние многочисленных сельских поселений, техногенная нагрузка приходится на промышленные предприятия г. Владимир (машиностроение и химическая промышленность) и жилищно-коммунальное хозяйство.

Содышка – правый приток р. Рпень, протекает по северо-западной окраине г. Владимир, длина водотока 22 км, площадь водосборной территории 82.7 км². Бассейн реки имеет высокий уровень урбанизации с многочисленными сельскими поселениями и коллективными садами (рис. 1). Гидрологический режим нарушен, на реке возведена дамба с образованием в среднем течении водохранилища площадью 102 га. Водоток в верхнем течении испытывает сильное антропогенное воздействие за счет стоков с очистных сооружений и промплощадки компостирования отходов птицефабрик, далее водоток загрязняется стоками с селитебных территорий и несанкционированных свалок твердых бытовых и промышленных отходов в прибрежной полосе водного объекта.

Отбор проб донных отложений для анализа и определение содержания в донных отложениях фосфатов проводили по стандартным методикам. Валовое содержание ТМ в донных осадках оценивали рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре “Спектроскан МАКС-GV” [6]. Анализ проб донных отложений проводили в четырех повторностях. Корреляционные зависимости между компонентами донных осадков установлены с использованием программы Statistica 7.

Для характеристики уровня загрязнения донных отложений и техногенных геохимических аномалий ТМ применяли значения коэффициентов концентрации (К_с), которые характеризуют уровень концентрирования (аномальности) элемента в донных отложениях относительно его фонового содержания.

Фоновые концентрации ТМ в донных осадках рек Владимирской обл. были установлены по данным “Отчета о результатах эколого-геохимических исследований антропогенного загрязнения почв (м-б 1:50 000–1:25 000) и донных осадков (м-б 1:200 000)”, подготовленного партией № 1/90 во Владимирской обл. за 1990–1991 гг. (в 2 томах); отв. исполнитель А.Н. Прилепский.

Элементный состав и структуру геохимической аномалии характеризовали по формуле геохимической ассоциации, представляющей собой упорядоченную по значениям ранжированный ряд химических элементов с К_с ≥ 1.5 [12].

Для расчета усредненной антропогенной нагрузки тяжелых металлов и фосфатов на водотоки использовано предложенное нами соотношение:

где УАН – усредненная антропогенная нагрузка по конкретному поллютанту, характеризующая поступление поллютанта с 1 км² водосборного бассейна; С_ср – средняя концентрация поллютанта, мг/кг; L – длина водотока, км; S – площадь водосборного бассейна, км².

Для выявления техногенных геохимических аномалий в руслах исследованных водотоков выбраны только те металлы, для которых известны их фоновые содержания в донных отложениях рек Владимирской обл.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 1 представлено содержание фосфатов и ТМ в донных отложениях исследованных водотоков.

Из данных табл. 1 следует, что высокий уровень загрязнения ТМ и техногенные геохимические аномалии характерны для устьевых участков всех изученных водотоков, а также в зоне влияния крупных городов, коллективных садов, крупных сельских поселений, птицефабрик и автомагистралей с интенсивным движением транспорта.

Аномально высокие уровни загрязнения ТМ обнаружены в донных отложениях р. Содышка в зонах влияния коллективных садов и птицефабрик и р. Илевна в ее устье и зоне влияния г. Муром, что связано с поступлением в водоток стоков промышленных предприятий города и п. Вербовский.

В участках геохимических аномалий р. Илевна коэффициенты концентрации ТМ варьируются в следующих пределах: свинца 3.61–8.94, меди 1.63–2.63, хрома 1.60–2.29. Качественный состав геохимической аномалии в районе воздействия коллективных садов (р. Содышка) выражается формулой: Zn_16.51Co_13.93Mn_6.65Cr_5.42Pb_5.34Cu_3.30. Ведущие роли в этой ассоциации принадлежат Zn, Co, Mn, что связано с загрязнением стоков нестандартными агрохимиктами, применяемыми при выращивании овощей и фруктов в садах, регуляторов роста растений, микроудобрений, пестицидов, а также с поступлением поллютантов от бытовых промышленных отходов и неочищенных хозфекальных стоков. В целом русло р. Содышка имеет наиболее высокий уровень содержания в донных отложениях ТМ, что связано с тем, что вся водосборная территория водотока расположена в промышленно-урбанизированной зоне с крупными стационарными и диффузными источниками загрязнения.

Полиэлементные геохимические аномалии обнаружены в истоке р. Рпень, где много лет функционировало городское стрельбище. В зоне влияния федеральной трассы М-7 и сельских поселений в русле р. Рпень образовались две геохимические аномалии, характеризующиеся ассоциацией элементов: Pb_2.29–4.10Co_2.60–4.80Cu_2.51–2.62Fe_1.53–2.91Cr_1.62–1.69. Полиметаллические геохимические аномалии сформировались также в донных отложениях р. Рпень в зонах влияния г. Владимир и в устьевом участке. Приоритетными элементами указанных геохимических аномалий донных отложений водотока явились Pb, Co, Cu, Fe, Cr. Качественный состав ассоциации элементов геохимических аномалий донных осадков р. Рпень в целом отражает специфику источников загрязнения водотока (промышленно-урбанизированный район, сады, предприятия агропромышленного комплекса).

Во всех 12 пунктах отбора пробы донных отложений р. Каменка характеризовались высоким уровнем загрязнения кобальтом (К_с 1.56–8.12), свинцом (К_с 1.53–4.14), марганцем (К_с 2.05–8.81). В 9 из 12 пунктов отбора пробы донных отложений содержали высокие концентрации железа (К_с 1.52–2.81), в 8 – меди (К_с 1.67–2.42), в 6 – хрома (К_с 1.55–1.88). По приоритетности ТМ в донных отложениях р. Каменка образуют ряд: Co > Pb > > Mn > Fe > Cu > Cr.

Основные компоненты поверхностных стоков с сельхозугодий, обработанных калийными, фосфорными и азотными удобрениями, и с территорий сельских и городских поселений, загрязненных продуктами эксплуатации транспортных средств различных видов, объединяются в группу: Pb, Co, Mn, Cr, Cu и Zn [10, 13].

О значительном вкладе транспортных средств в загрязнение экосистем исследованных малых рек свидетельствует высокое содержание Pb в составе техногенных аномалий донных отложений всех исследованных водотоков.

Сравнительная оценка уровня техногенного загрязнения русел исследованных водотоков ТМ проводилась нами также по значениям суммарного показателя загрязнения (Z_c), отражающего аддитивное превышение фонового содержания элементов, входящих в состав техногенных геохимических аномалий [2]. По значениям суммарного показателя загрязнения донных отложений ТМ исследованные водотоки образовали ряд: Содышка (14.0–133.0) > Каменка (21.5–61.0) > Рпень (4.5–21.9) > Илевна (2.8–12.2).

По значениям коэффициентов концентрации ТМ, загрязняющие донные отложения малых водотоков, условно принято делить на три группы [12]:

− металлы, концентрация которых превышает фоновый уровень более 1.5 раза (К_с >1.5);

− металлы, с концентрацией, близкой к фоновым (К_с от 0.70 до 1.5);

− металлы, с концентрацией ниже фоновых (К_с ≤ 0.70).

Из 36 проанализированных проб донных отложений р. Рпень коэффициенты концентрации с превышением более 1.5 имели 88.9% проб по Pb; 77.8% – по Cu; 55.6% – по Cr; 44.4% образцов по Co, Zn, Fe и Mn. Ниже фоновой концентрации содержались Zn, Fe, Mn в 22.2% проб.

В донных отложениях р. Содышка элементы с коэффициентами концентрации выше 1.5 содержались в анализированных пробах: по Co – 100%, Pb – 87.5%, Cr – 75.0%, Mn – 75.0%, Cr – 62.5%, Cu – 50.0%. Ниже фоновой были коэффициенты концентрации в пробах: Fe – 100%, Zn, Cr, Cu – 12.5%.

В донных отложениях р. Каменка коэффициенты концентрации, существенно превышающие 1.5, обнаружены по Co, Pb, Mn в 100% проб, Cu – в 66.7%, Cr – в 50.0% и Zn лишь в 16.7% проб. Ниже фона имели уровень содержания Zn – 25.0% проб и Cu – 16.7% проб.

В геохимических аномалиях донных отложений р. Илевна коэффициент концентрации более 1.5 имели следующие металлы (в процентах от количества проанализированных образцов): Pb (100); Cu (63.6); Cr (36.4), Co (9.1); Zn (9.1). Пробы донных отложений р. Илевна, содержащих металлы ниже фонового уровня, образуют ряд: Cu – 9.0%; Cr – 27.3%; Co – 72.7%; Zn – 72.7%; Fe – 81.8%; Mn – 81.8%.

Для донных отложений исследованных рек характерно также аномально высокое загрязнение соединениями фосфора (см. табл. 1), что связано с поступлением стоков с птицефабрик, животноводческих комплексов, территорий сельхозугодий, сельских и городских поселений, не имеющих канализации, и высокой биологической продуктивностью гидроэкосистем, вследствие процессов эвтрофикации.

По уровню загрязнения донных отложений фосфатами водотоки расположились в ряд: Содышка > Рпень > Каменка > Илевна. Максимальный уровень загрязнения донных отложений фосфатами характерен для р. Содышка, которая служит приемником сточных вод двух крупнейших птицефабрик региона и хозфекальных стоков множества небольших сельских поселений и СНТ, расположенных на водосборной территории, а р. Рпень – стоков с территорий сельских поселений, ГУП “Тепличный” и г. Владимир. Минимальный уровень загрязнения фосфатами имеют донные осадки р. Илевна, поскольку существенная часть водосборного бассейна водотока расположена на малонаселенной территории Муромского Предочья.

Тяжелые металлы в донных отложениях могут накапливаться в виде труднорастворимых фосфатов, адсорбироваться на оксидах железа и марганца, глинистыми минералами и органическим веществом, а также образовывать малорастворимые соединения в восстановительно-сульфидной среде [7]. Исходя из этого представляло интерес изучение корреляционных зависимостей между различными компонентами донных отложений. Нами обнаружена хорошая корреляция между концентрациями ТМ и содержанием фосфатов донных отложений р. Рпень и Илевна и удовлетворительная для р. Каменка (табл. 2).

Отсутствие корреляционных зависимостей между компонентами донных отложений рек связано с чрезвычайно высоким уровнем загрязнения экосистем водотоков растворимыми солями (солевой эффект) [9].

В табл. 3 представлены данные по усредненной антропогенной нагрузке ТМ и фосфат ионов в изученных водотоках.

Таким образом, максимальной антропогенной нагрузке подвергается р. Содышка, минимальной – р. Илевна, что главным образом связано с населенностью и степенью освоенности их водосборных территорий. По величине усредненной антропогенной нагрузки на исследованные водотоки загрязняющие вещества образовали ряд Fe > ${\text{PO}}_{4}^{{3 - }}$ > Mn > Zn > Cr > Cu > Co > Pb.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Донные отложения исследованных малых рек Владимирской обл. имеют аномально высокие уровни загрязнения тяжелыми металлами и фосфатами. В донных осадках рек сформировалось множество техногенных полиметаллических геохимических аномалий. Качественный состав ассоциаций элементов геохимических аномалий донных отложений адекватно отражает специфику источников загрязнения водотоков. По величине Z_c ТМ в донных отложениях рассмотренные водотоки образуют ряд: Содышка > Каменка > > Рпень > Илевна, а по уровню загрязнения фосфатами последовательность: Содышка > Рпень > > Каменка > Илевна.

Приоритетными компонентами геохимических аномалий р. Содышка явились Co, Pb, Cr, Mn, р. Рпень – Pb, Cu, Cr, р. Каменка – Co, Pb, Mn, Cu, р. Илевна – Pb, Cu.

Рассчитаны усредненные значения антропогенной нагрузки на малые реки. По величине УАН на исследованные водотоки загрязняющие вещества образовали ряд: Fe > ${\text{PO}}_{4}^{{3 - }}$ > Mn > Zn > > Cr > Cu > Co > Pb.

При изменении гидрохимических, гидродинамических, кислотно-основных, окислительно-восстановительных условий в гидроэкосистеме, увеличении ионной силы водной фазы донные отложения становятся источниками вторичного загрязнения рек ТМ, фосфатами, токсичными органическими веществами, что вызовет эвтрофикацию и токсификацию гидроэкосистемы, нарушение кислородного режима и процессов самоочищения, что приведет к гибели наиболее чувствительной части гидробиоты и деградации гидроэкосистемы. Это свидетельствует о необходимости проведения срочной расчистки наиболее загрязненных участков русел от донных отложений рек Содышка, Каменка и Рпень.