Способы оценки состояния донных осадков водных объектов
Донные отложения при оценке состояния водного объекта, контроле загрязнения и мониторинге водной среды играют важную индикационную роль, что обусловлено в первую очередь информативностью получаемых результатов и их воспроизводимостью. Донные осадки относятся к консервативной системе, способной накапливать и хранить информацию о состоянии и изменении геохимических, динамических, климатических, неотектонических условий внешней среды, процессов массопереноса, в том числе вызванных техногенным воздействием. Реакция на них проявляется в трансформации гранулометрического, минералогического и химического составов, изменении окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий в донных осадках и водной среде, перераспределении литодинамических потоков, изменении скоростей осадконакопления и т. д. Исходя из этого, донные осадки могут рассматриваться в качестве основного объекта геоэкологических исследований аквальных геосистем.
В настоящее время предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в донных осадках не установлены, и в ближайшей перспективе такие нормативы вряд ли будут разработаны. Отсутствие критериев существенно сужает возможности аргументированного заключения по результатам исследований об эколого-геохимическом состоянии геологической среды аквальных геосистем, а также оценки экологического состояния донных осадков и их влияния на общее состояние водного объекта.
Современные подходы к оценке загрязнения донных осадков водных объектов можно разделить на два направления:
1) расчет различных индексов и нормированных показателей химического загрязнения с использованием шкал качественных оценок;
2) сравнительный анализ, построенный на сопоставлении содержаний загрязняющих веществ в донных осадках с нормативными показателями (ПДК в почвах или в воде; критерии загрязненности осадков в соответствии с Лондонской конвенцией и т. д.), с кларком литосферы, кларком осадочных пород или региональным фоном (современные осадки фоновых районов или подстилающие осадочные породы).
Среди многочисленных вариантов расчета индексов и нормированных показателей химического загрязнения донных осадков выделим лишь некоторые из них. В последнее время отечественными исследователями широко применяется суммарный индекс загрязнения донных осадков
ZC = - (n-1),
где Ci – фактическое содержание i-го загрязняющего вещества в донных осадках; CiФ – фоновое содержание i-го загрязняющего вещества в донных осадках; n – количество веществ (в расчет включаются только вещества, содержание которых превышает фоновые значения). По сути, это аналог суммарного индекса загрязнения почв (см. 2.4.3), а в окончательной интерпретации использовалась та же шкала экологического состояния донных осадков, что и для почв (табл. 22).
Однако Е.П. Янин на основе этой же формулы в 2002 году предложил несколько другой подход к оценке экологического состояния водного объекта, который основывается на эмпирическом материале и носит экспертный характер. В дополнение к суммарному показателю загрязнения донных осадков он ввел показатель санитарно-токсикологической опасности (ZCТ). Его расчет выполняется по формуле для ZC, но только для веществ 1-го и 2-го классов опасности в водной среде. Итогом этого объединения стала ориентировочная шкала оценки состояния, которая была предложена для рек. Однако, по мнению авторов, она может использоваться для всех водных объектов суши (табл. 29).
В зарубежной научной литературе предлагаются свои варианты расчета многих индексов и коэффициентов. Большинство из них основано на сравнении современных отложений с подстилающими осадками, образовавшимися в доиндустриальный период: коэффициент и степень загрязнения (Сf и Сd); коэффициент культурного обогащения (CEF); коэффициент антропогенного обогащения (SAEF); индекс геоаккумуляции (Jgeo) и другие.
Таблица 29. Ориентировочная шкала оценки степени загрязнения водных объектов по концентрациям химических элементов в донных отложениях (Янин, 2002)
ZC | ZCТ | Уровень техногенного загрязнения | Степень санитарно-токсикологической опасности | Содержание токсичных элементов в воде |
< 10 | < 10 | Низкий | Допустимая | Большинство в пределах фона |
10–30 | 10–30 | Средний | Умеренная | Многие повышены относительно фона; некоторые эпизодически достигают ПДК |
30–100 | 30–100 | Высокий | Опасная | Многие элементы выше фона; некоторые превышают ПДК |
100–300 | 100–300 | Очень высокий | Очень опасная | Многие во много раз выше фона; некоторые стабильно превышают ПДК |
> 300 | > 300 | Чрезвычайно высокий | Чрезвычайно опасная | Большинство во много раз выше фона; многие стабильно превышают ПДК |
Например, в соответствии с методикой Л. Хокансона коэффициент загрязнения (Cf) для i-го загрязняющего вещества определяется как
= ,
где – содержание i-го загрязняющего вещества в поверхностном слое 0–1 см в донных осадках; – доиндустриальное значение содержания i-го загрязняющего вещества, рассчитываемое как среднее фоновое значение плюс стандартное отклонение.
Коэффициент загрязнения определяется для каждого поллютанта. Оценка выполняется по предлагаемой ниже классификации:
< 1 – низкий коэффициент загрязнения (т. е. низкий уровень загрязнения данным поллютантом);
1 £ < 3 – умеренный коэффициент загрязнения;
3 £ < 6 – значительный коэффициент загрязнения;
³ 6 – высокий коэффициент загрязнения.
Затем степень загрязнения определяется как сумма всех коэффициентов загрязнения для данной пробы:
Сd =
Такой подход позволяет установить уровень общего загрязнения донных осадков. Используется следующая шкала с учетом количества проанализированных веществ (n):
Сd < n – низкая степень загрязнения;
n £ Cd < 2n – умеренная степень;
2n £ Cd < 4n – значительная степень;
Cd ³ 4n – высокая степень загрязнения.
При этом к обязательному условию относится идентичность сравниваемых осадков по гранулометрическому составу.
В Германии для оценки степени загрязнения донных отложений пользуют игео-классы или индексы геоаккумуляции (Jgeo), разработанные более 30 лет назад Г. Мюллером (Muller, 1979) (табл. 30). Они рассчитываются по уравнению
Jgeo = log2( ),
где Сi - измеренная концентрация i-элемента в донных отложениях (фракция < 0,020 мм);
Вi - фоновая концентрация i-элемента (табл.).
Таблица 30. Значения концентраций основных тяжелых металлов по игео-классам (по: Muller, 1979)
Элемент | Фон | Классы геоаккумуляции (Jgeo) | ||||||
элемента | ||||||||
Fe, % | 4.72 | 7,08 | 14,16 | 28,32 | 56,64 | >56,64 | - | - |
Μn, мг/кг | 850,0 | 1275,0 | 2550,0 | 5100,0 | 10200,0 | 20400,0 | 40800,0 | >40800 |
Cd, мг/кг | 0,3 | 0,45 | 0,9 | 1,8 | 3,6 | 7,2 | 14,4 | >14,4 |
Zn, мг/кг | 95,0 | 142,5 | 285,0 | 570,0 | 1 140,0 | 2280,0 | 4560,0 | >4560,0 |
Pb, мг/кг | 20,0 | 30,0 | 60,0 | 120,0 | 240,0 | 480,0 | 960,0 | >960,0 |
Сu. мг/кг | 45,0 | 67,5 | 135,0 | 270,0 | 540,0 | 1080,0 | 2160,0 | >2160,0 |
Ni, мг/кг | 68,0 | 102,0 | 204,0 | 408,0 | 816,0 | 1632,0 | 3264,0 | >3264,0 |
Со, мг/кг | 19,0 | 28,5 | 57,0 | 114,0 | 228,0 | 456,0 | 912,0 | >912,0 |
Сг, мг/кг | 90,0 | 135,0 | 270,0 | 540,0 | 1080,0 | 2160,0 | 4320,0 | >4320,0 |
As, мг/кг | 13,0 | 19.5 | 39,0 | 78,0 | 156,0 | 312,0 | 624,0 | >624,0 |
Hg, мг/кг | 0,4 | 0.6 | 1,2 | 2,4 | 4,8 | 9,6 | 19.2 | >19.2 |
Характеристика уровня загрязнения по игео-классам и техногенной нагрузки приводится в табл. 31. На основе данной классификации составляют карты загрязнения донных отложений по каждому тяжелому металлу. Серии таких карт позволяют адекватно оценить техногенную нагрузку на водный объект и определить состояние донных осадков.
Таблица 31. Характеристика уровня загрязнения донных отложений по игео-классам и техногенной нагрузке на водные экосистемы (цитируется по: Трофимов, Зилинг, 2002)
Игео-класс | Уровни загрязнения тяже-лыми металлами донных отложений (по Muller, 1979) | Техногенная нагрузка на водные экосистемы | Экологическая зона водных экосистем. Класс состояния донных осадков |
Незагрязненные Незагрязненный до умеренно загрязненных | Слабая (малоопасная) | Зона нормы. Удовлетворительное (благоприятное) состояние | |
Умеренно загрязненные Средне загрязненные | Умеренная (умеренно опасная) | Зона риска. Неблагоприятное состояние | |
Сильно загрязненные Сильно загрязненные до чрезмерно загрязненных | Сильная (опасная) | Зона кризиса. Весьма неблагоприятное состояние | |
Чрезмерно загрязненные | Чрезмерная (чрезвычайно опасная) | Зона бедствия. Катастрофическое состояние |
Использование нормативов ОДК или ПДК загрязняющих веществ в почвах применительно к донным отложениям в какой-то мере оправдано тем, что и те и другие представлены твердой фазой, имеют сходные условия формирования химического состава и близкую компонентную структуру. Однако, как было показано раньше (см. 2.2.4), пороговое количество загрязняющего вещества в почвах устанавливается по четырем лимитирующим признакам вредности: общесанитарному, водному миграционному, миграционному воздушному и транслокационному. В то же время для донных осадков условно можно выделить четыре основных ЛПВ, определяющих максимальное влияние загрязненных донных осадков на экосистемы и организмы:
1) токсикологическое воздействие на микробиологический комплекс осадков и бентос (токсикологический ЛПВ);
2) токсикологическое влияние на рыб-бентофагов (рыбохозяйственный ЛПВ);
3) токсикологическое воздействие на организмы, обитающие в толще воды, через процессы вторичного загрязнения в результате насыщения поровых вод и осадков подвижными химическими соединениями (водно-миграционный ЛПВ);
4) влияние на гидрохимический состав и санитарные показатели воды (санитарный ЛПВ).
В связи с этим использование норматива концентраций загрязняющих веществ в почвах применительно к донным осадкам при выполнении тех или иных экологических оценок должно быть обоснованным. По мнению Л.А. Лесникова (Методические указания, 1989) загрязнение донных осадков играет решающую роль в ухудшении качества воды и в снижении рыбопродуктивности водоемов. Этот вывод закономерен для составляющих основную часть уловов во внутренних водоемах России рыб-бентофагов, которые добывают пищу со дна. В связи с этим Л. А. Лесников предлагает в качестве ориентировочно допустимых концентраций загрязняющих веществ в донных осадках использовать ПДК загрязняющих веществ для воды рыбохозяйственного назначения, но в расчете на единицу массы грунта (мг/кг) с анализом твердой фракции и иловой воды как единого целого
В отсутствие нормативов содержание химических веществ часто сравнивают с кларком осадочных пород или с химическим составом глубоководных океанических осадков, выявляя тем самым превышения (или кларки концентраций) загрязняющих веществ в донных осадках. Но более корректно с нашей точки зрения сравнение с фоновыми показателями. Существуют два подхода к их установлению. Либо обосновывают региональный природный фон современных донных отложений, либо рассчитывают средние содержания химических элементов в подстилающих осадочных образованиях, как правило, позднеплейстоценовых и голоценовых, а также в современных, сформировавшихся в доиндустриальный период развития – 50–100 лет назад. В первом случае мы сталкиваемся с проблемой поиска незагрязненных акваторий при нарастающем антропогенном воздействии. Во втором возникает необходимость учета возможных фациально-генетических и вещественно-геологических различий в «древнем» и современном седиментогенезе.
Дата добавления: 2021-05-28; просмотров: 527;