Гидролитогеохимические исследования

Для получения надежной характеристики техногенных аномалий в зонах воздействия конкретных источников загрязнения наряду с гидрогеохимическими исследованиями предусматриваются и гидролитогеохимические. Гидролитогеохимические исследования характеризуются изучением донных отложений.

Пробы донных отложений отбираются непосредственно ниже сброса сточных вод из строго однородного руслового материала. На небольших водотоках (шириной до 2 – 5 м и глубиной до 0,5 – 1 м) пробы отбираются по площади выбранного участка русла. При опробовании крупных водотоков пробы отбираются у уреза воды, желательно в местах видимой аккумуляции твердого материала.

Пункты опробования донных отложений характеризуются в основном интервалом между точками отбора проб по водотоку. При размещении пунктов отбора следует учитывать: 1) особенности размещения и тип источника загрязнения; 2) вероятность локальных колебаний концентраций элементов, приводящих к тому, что часть проб, отбираемых в пределах потоков рассеяния, имеет слабо повышенные или фоновые содержания. При размещении пунктов отбора через 200 – 400 м потоки рассеяния выявляются достаточно надежно. Протяженность потоков рассеяния может быть значительной (до 20 км и более). Она зависит от количества и мощности источников загрязнения, а также от литолого-геоморфологических особенностей русла и долины. Для небольших населенных пунктов и предприятий длина потоков рассеяния значительно меньше, от первых сотен метров до 1–2 км.

На участках потоков рассеяния с наиболее высокими содержаниями токсических элементов возможна организация полустационарных и стационарных створов, на которых проводятся режимные и сезонные наблюдения и которые по возможности оборудуются необходимыми для проведения гидрометрических работ. На этих створах ведутся наблюдения за динамикой химического состава вод, изучаются соотношения растворенных и взвешенных форм миграции химических элементов. Выполняются работы по руслу для выяснения морфологической структуры потоков рассеяния, их литолого-минералогических особенностей, форм нахождения химических элементов в донных отложениях. На отдельных участках организуется опробование иловых вод с одновременным отбором придонных и поверхностных вод.

Потоки рассеяния развиваются в материале различной крупности и отбор проб донных отложений возможен из разных гранулометрических классов отложений, но предпочтительнее отбирать пробы из наиболее мелкого материала. Обычно опробуются илы и близкие к ним разновидности осадков. Потоки рассеяния в мелких гранулометрических классах обладают большой протяженностью и контрастностью.

Пробы могут отбираться из различных мест: из-под воды, на освобождающихся в периоды меженей от воды ступенях русловых отмелей. С целью сглаживания локальных колебаний целесообразно составлять каждую пробу из нескольких (обычно 3–5) частных проб, отбираемых вблизи заданного пункта наблюдения. Обычно при опробовании следуют вдоль русла реки и отбирают пробы непосредственно у уреза воды. Возможен также отбор свежего наилка на русловых отмелях. Донные осадки отбирают пластиковым совком. При отборе проб из-под воды применяют специальные пробоотборники в виде совков с длинной ручкой или стандартные отборники, используемые в гидрогеологии. Существует большое количество различных приборов, которые применяются при отборе донных отложений в соответствии со свойствами исследуемых грунтов. Все приборы для взятия проб донных отложений можно подразделить на две группы: 1) приборы для взятия пробы грунта с нарушением его структуры и 2) приборы для отбора пробы без нарушения его структуры. Из приборов первой группы можно применять дночерпатели и драги простейшего устройства, а из второй – различного рода донные щупы и трубки. Объем отбираемых проб обычно составляет 300 – 400 г, он зависит от планируемых в дальнейшем анализов конкретной пробы. Отобранные для анализов пробы помещаются в чистые мешочки из хлопчатобумажной ткани, либо в полиэтиленовые мешочки. Следует уделять особое внимание избранным правилам отбора проб. Нельзя произвольно варьировать от точки к точке отбор проб из различных типов отложений. Пробы должны отбираться всегда в определенном положении к водотоку. При наличии в долинах сухих и заболоченных участков, участков с выходом коренных пород приходится по необходимости отбирать в пробы материал различного характера. Это следует фиксировать в полевой документации и учитывать затем при интерпретации полученных данных. Современные отложения водотоков в зонах техногенного воздействия довольно часто выделяются по морфологическим признакам. Как правило, это пластичные осадки с обилием техногенного материала и четко выраженным запахом, при их отборе всплывают маслянистые пятна.

В ходе подготовки образца донных отложений к химическому анализу выделяются следующие основные процессы: высушивание, дробление, просеивание, квартование, истирание и другие операции.

3.1.4. Ландшафтные исследования

Установление природных и антропогенных ландшафтов на территории. Составление схемы распространения. Выделение элементарных ландшафтов, ландшафтных звеньев и местных ландшафтов. Изучение геохимических особенностей в распределении химических элементов естественных и нарушенных ландшафтов (Перельман, 1966; Ландшафтно-геохимические ..., 1989; Геохимия ландшафтов …, 2002; Глазовская, 2002).

Для ландшафтных исследований целесообразно использовать элементарный ландшафт, как участок, на протяжении которого сохраняется не только тип, но и разность почвы или повторение таких сочетаний почв, которые обуславливаются сочетаниями определенных предельных элементов ландшафта (Глазовская, 2002). Под термином элементарный ландшафт часто понимаются разными авторами фация, биогеоценоз, энтопий или местоположение.

При полевых ландшафтно-геохимических исследованиях необходимо: 1) установить типы геохимических сопряжений в местных ландшафтах данной территории; 2) установить достоверные внешние признаки в ландшафтах, которые могли бы служить надежным критерием для проведения границ между отдельными элементарными ландшафтами, составляющими ландшафтные звенья, и между местными ландшафтами, принадлежащими различным типологическим группам; 3) выявить внешние признаки геохимически редких, аномальных ландшафтов, обязанных выходам пород с повышенной минерализацией, и нанести эти участки на карту; 4) составить общую полевую ландшафтно-геохимическую схему обследуемой территории.

Поставленные задачи осуществляются с помощью заложения ландшафтно-геохимических профилей, дополненных маршрутными исследованиями (Глазовская, 2002).

Маршрутные исследования рекомендуется проводить на первом этапе полевых работ. Маршруты должны охватить по возможности все выделенные в предполевой период элементарные ландшафты и структуры местных ландшафтов, выбор мест ключевых ландшафтно-геохимических исследований. При маршрутных исследованиях закладывается ряд рекогносцировочных профилей от местных водоразделов к местным депрессиям с описанием рельефа, растительности, почвенных разрезов и других характерных особенностей. Линии заложения рекогносцировочных профилей, точки описаний на профилях, а также места описания обнажений нумеруются и наносятся на карту. Однако основным материалом для описания на маршрутах должны быть видимые компоненты ландшафтов: рельеф, растительность, естественные обнажения почв, коры выветривания, наносов, коренных пород. Для целей последующего ландшафтного геохимического картирования необходимо провести ряд сопоставлений:

1. Установить корреляцию между внешними чертами ландшафта (характером рельефа, степенью водоносности, характером растительного покрова) с геологическим строением местности и составом и мощностью рыхлых отложений.

2. Установить корреляцию между формами рельефа и растительными группировками, с одной стороны, и составом почв и глубиной залегания грунтовых вод, с другой стороны.

Установление закономерностей изменения почв, механического и химического состава и мощности наносов на элементах рельефа и в связи со сменой растительных группировок позволяет далее, пользуясь лишь внешними хорошо заметными признаками ландшафтов, рельефом и растительностью, проводить границы между различными элементарными и местными ландшафтами. Все описания по маршруту ведутся в дневнике с точным указанием, к какому отрезку маршрута, к какому профилю или точке наблюдения эти записи относятся. Работу на маршрутах полезно сопровождать не только записями, но и зарисовками, цветными фотографиями, схематическими рисунками с показом структуры ландшафтных звеньев.

Исследования на ключевых ландшафтно-геохимических профилях сопровождается закладкой профиля на типичном для характеризуемого района участке в максимально однородных геологических условиях и проходит по линии от местного водораздела к местному геохимически подчиненному водоему. Определение типичности данного участка производится прежде всего на основании анализа карт: топографической, геохимической, почвенной, геоморфологической, четвертичных отложений, а также знакомства с литературой и фондовыми материалами. На профиле намечаются и закладываются два рода точек наблюдения: основные и дополнительные. Основные точки наблюдения характеризуют основные элементарные ландшафты. На всех основных точках закладываются шурфы, углубленные в случае необходимости скважиной ручного бурения. Дополнительные точки закладываются на профиле с целью получения материала для характеристики постоянства геохимических соотношений элементов в системе почвообразующая порода – почва – растительность тех элементарных ландшафтов, которые характеризуются каждой основной точкой профиля.

Все исследования сопровождаются построением вертикальных геохимических профилей по почвенным разрезам и элементарным ландшафтам. Проводится сопоставление полученных результатов в природных естественных и антропогенных нарушенных ландшафтах.

3.1.5. Почвенные исследования

Почвенные исследования позволят детально изучить почвенные разрезы, химический и минеральный состав почв и подстилающих материнских пород с определением первичных компонентов, различных новообразований, подвижных и валовых форм большого числа макро- и микрокомпонентов, радионуклидов и их изотопов, а также фосфора, калия, азота, гумуса и других показателей (Карпочевский, 1993; Почвенно-экологический ..., 1994; Ильин, 1995; Глазовская, 1999). Характеристика и процентное соотношение нарушенных земель в процессе хозяйственной деятельности (Мотузова, 2001). Схематическое отображение реальной ситуации.

Исследование почв предусматривается двумя методами согласно В.М. Фридланда (1972): а) исследование на комплексных профилях и б) исследования на ключевых участках:

а) Исследования на комплексных профилях -

- составление комплексных профилей разных уровней детализации представляет собой один из наиболее простых и в то же время эффективных методов. Практическое применение этого метода зависит от степени предварительной изученности территории.

- в) Исследования на ключевых участках-

- под ключевыми исследованиями следует понимать исследования специально выбранных участков, проводимые более детально, чем исследования всей изучаемой территории. Масштаб ключевых участков зависит от структуры почвенного покрова. Для проверки правильности выбора участка для ключа или профиля, правильности определения территории, которую этот ключ (или профиль) освещают, а также правильности полученных на ключе или профиле характеристик удобен метод сопоставления характеристик, полученных на ключах и профилях. При правильном выборе ключа или профиля и правильном проведении границ распространения данной СПП величины этих характеристик (состав почвенного покрова, сложность и др.) должны совпадать. Весьма эффективны метод составления ключевых профилей и карт строится на использовании аэрофотоснимков различных типов и масштабов. Выбор закладки почвенных шурфов ориентируется по резкому различию геоморфологии (по рельефу), при этом выбирается в первую очередь наиболее высокое место (элювиальный ландшафт) и низкое (акумулятивно-элювиальный или супераквальный ландшафт).

3.1.6. Геоботанические исследования

Важность оценки состояния природных популяций растений состоит в том, что именно растения являются основными процудентами, их роль в экосистеме трудно переоценить. Растения чувствительный объект, позволяющий оценивать весь комплекс воздействий, характерный для данной территории в целом, поскольку они ассимилируют вещества и подвержены прямому воздействию одновременно из двух сред: из почвы и из воздуха. В связи с тем, что растения ведут прикрепленный образ жизни, состояние их организма отражает состояние конкретного локального местообитания. Удобство использования растений состоит в доступности и простоте сбора материала для исследования. Специфика растений как объекта исследования предъявляет определенные требования к выбору видов. При выборе вида в зависимости от задачи исследования, необходимо учитывать, что, в силу прикрепленного образа жизни, мелкие травянистые виды растений в большей степени, по сравнению с древесными видами, могут отражать микробиологические условия (как естественные локальные различия типа почвы, влажности и других факторов, так и антропогенные – точечное загрязнение). При наличии таких микробиологических различий, получаемые оценки состояния растений могут существенно различаться для разных видов. Это означает, что для выявления микробиологических различий предпочителен выбор травянистых растений, в то время как для характеристики достаточно больших территорий лучше использовать древесные растения. При выборе растений важно учитывать четкость определения принадлежности растения к исследуемому виду, условия произрастания особи и возрастное состояние растения. Для оценки стабильного развития растений можно использовать любые признаки по различным морфологическим структурам, для которых возможно оценить нормальное значение и соответственно учесть степень отклонения от него. Предпочительным в силу простоты и однозначности интерпретации является учет асимметрии исследуемых структур, которые в норме являются симметричными. Некоторые ограничения при этом накладываются лишь необходимостью того, чтобы рассматриваемые признаки были полностью сформированы к моменту исследования. В качестве наиболее простой системы признаков, удобной для получения большого объема данных для различных популяций, предлагается система промеров листа у растений с билатерально симметричными листьями. Для оценки величины флуктуирующей асимметрии необходимо выбирать признаки, характеризующие общие морфологические особенности листа, удобные для учета и дающей возможность однозначной оценки. Для оценки степени нарушения стабильности развития удобно использовать пятибалльную оценку (Захаров и др., 2001).

Изучение геохимических особенностей растительности сопровождается описанием ее на участках, непосредственно примыкающих к избранным на профиле местам заложения разрезов. Оно производится по принятой в обычных геоботанических исследованиях методике, на пробных площадках, размеры которых варьируют до 100 м². Наряду с обычными геоботаническими описаниями при ландшафтно-геохимических исследованиях особое внимание следует уделять некоторым особенностям растений и растительного покрова в целом. Установлено, что изменчивость внешнего облика растений, их размеров, формы и цвета листьев, цветов, характера кущения в зависимости от недостатка или избытка некоторых элементов. Все эти изменения, или, как их называют геоботаники, “морфы”, могут быть внешними показателями определенных уровней содержания в ландшафтах ряда биологически важных элементов. Все морфологические отклонения растений от нормы должны фиксироваться. Изменения обилия некоторых видов или родов растений может быть показательным для суждения об аномальном содержании некоторых элементов в почвах.

3.1.7. Биологические исследования

Для изучения животного мира перспективными объектами биологических исследований могут выступать пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие (Проблемы ..., 1987; Плеханов и др., 2000).

Из рептилий наиболее интересным объектом исследования может быть прыткая или полосатая ящерицы по данным А.С. Баранова, В.И. Борисова, А.В. Валецкого и Н.П. Ждановой (Захаров и др., 2001). Использование этого вида представляется удобным, в связи с его широким распространением.

Птицы, как объекты для оценки здоровья среды, обладают рядом преимущест: приуроченность развития птенцов к определенному локальному участку, большое экологическое разнообразие. По данным П.Д. Венгерова (Захаров и др., 2001), объекты исследования должны отвечать следующим требованиям: многочисленность, оседлость (при анализе взрослых особей), широкая распространенность, эвритопность, доступность изучения. Из воробьинообразных можно рекомендовать большую синицу, мухоловку-пеструшку, обыкновенного скворца, домового и полевого воробьев и др. Для оценки ситуации в текущем году на локальном участке оптимальным вариантом является использование гнездовых птенцов. Возможен также отлов ювенильных особей после вылета из гнезда до начала дальних кочевок. Взрослых птиц используют только у строго оседлых видов при сравнении каких-либо удаленных биотопов, например, естественных и урбанизированных территорий.

Млекопитающие, находясь на вершине пищевых цепей, являются важным объектом для характеристики рассматриваемой экосистемы. Данные А.С. Баранова, В.И. Борисова, А.В. Валецкого (Захаров и др., 2001), полученные по представителям этой группы, в наибольшей степени пригодны для экстраполяции на человека. Использование фоновых, наиболее многочисленных для данного региона видов облегчает сбор материала и дает возможность получения выборок одного и того же вида во всех изучаемых точках. Можно использовать такие широко распространенные виды как рыжая и обыкновенная полевки, полевая и домовая мыши, обыкновенная бурозубка и др. Различия между животными разных возрастных групп обычно отсутствуют, поэтому возможно использование суммарной выборки. Если желательна оценка ситуации на текущий момент, необходимы выборки молодых особей этого года рождения.

Для оценки стабильности развития млекопитающих используется пятибалльная шкала (Захаров и др., 2001).

3.1.8. Медико-геохимические исследования

Состояние здоровья взрослого населения и подростков оценивается по официальным статистическим данным (Рыбальский и др., 1991, 1992, 1993; Гичев, 1994, 2000; Протасов и др., 1995), в перечень видов болезней которых входят следующие:

- инфекционные и паразитарные;

- злокачественные новообразования;

- болезни эндокринной системы, нарушение обмена веществ и иммунитета;

- болезни крови и кроветворных органов;

- болезни системы кровообращения;

- болезни органов дыхания;

- пневмонии;

- хронический бронхит, эмфизема;

- бронхиальная астма;

- болезни мочеполовой системы;

- болезни кожи и подкожной клетчатки;

- врожденные аномалии (пороки развития);

- прочие болезни.

Наряду с общими статистическими данными заболеваний необходимо проводить геохимические исследования биосубстратов человека (Таиров и др., 1986; Савилов и др., 1996; Ревич, 2001). В качестве биосубстратов может выступать кровь, моча, ногти и волосы. Если кровь и моча характеризуют кратковременный период содержания микроэлементов, на который может сказываться состав пищи и воды, то долговременной депонирующей средой могут выступать ногти и волосы. Многолетние исследования волос A.A. Kist и L.I. Zhuk (1991) позволили выявить коррелятивную связь заболеваемости и химического состава волос (табл. 3.1.1).

Таблица 3.1.1

Коррелятивная связь заболеваемости и химического состава волос

(по данным A.A. Kist и L.I. Zhuk, 1991)

При составление выборки опробования необходимо учитывать, что у взрослого человека микроэлементный состав волос будет определяться спецификой его работы, тогда как для определения фоновых характеристик необходимо проводить анализ волос в населенных пунктах у детей.