Распределение биогенных элементов в воде р. Вихорева и Вихоревского залива Усть-Илимского водохранилища при техногенном воздействии

Размещено на http://allbest.ru

ИГХ СО РАН, ИНЦ СО РАН

УДК 556.114.6 (571.53)

Распределение биогенных элементов в воде р. Вихорева и Вихоревского залива Усть-Илимского водохранилища при техногенном воздействии

П.Г. Долгих, аспирант

В.И. Полетаева, К.г.-м.н., н.с.

г. Иркутск

Введение

Водные запасы Ангаро-Байкальской системы имеют мировое значение. Они во многом определяют климатические, экологические и хозяйственные особенности Прибайкалья. Создание водохранилищ привело к коренному преобразованию р. Ангары на протяжении более 1000 км и глубокому изменению ее гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режимов. Замена реки цепочкой водохранилищ замедлила вертикальный водообмен и изменила гидрохимические характеристики, что резко снизило самоочищающую способность водоемов. Поступающие вещества техногенного происхождения, особенно в индустриальных районах, зачастую становятся главными факторами, негативно влияющими на естественное развитие экосистем водохранилищ. Прогрессирующее вовлечение потенциально токсичных компонентов в водоемы создает серьезную опасность как для водных экосистем в целом, так и для человека. Показательным примером такого негативного воздействия является р. Вихорева, с водами которой в Вихоревский залив Усть-Илимского водохранилища поступают стоки лесопромышленного комплекса и алюминиевого завода, а также коммунальные стоки г. Братск. Цель работы - дать оценку распределения концентраций биогенных элементов и кислорода, как показателей техногенного воздействия на воды р. Вихорева и Вихоревского залива Усть-Илимского водохранилища.

1. Материалы и методы исследования

Глубокое малопроточное Усть-Илимское водохранилище расположено в условиях континентального климата. По степени антропогенного воздействия водоем разделяется на несколько участков. Наиболее техногенно нагруженным считается Вихоревский залив, в который поступают воды р. Вихорева - одной из самых загрязненных рек Иркутской области [1, 2].

Река Вихорева - левый приток Усть-Илимского водохранилища. Длина реки 296 км. В верхнем и среднем течении река имеет горный характер, в нижнем - равнинный.

Средние скорости течения колеблются от 0,1 до 2,8 м/с. Загрязнение реки началось при создании Вихоревского лесозаготовительного комбината (1956 г.), далее при развитии промышленной инфраструктуры г. Братск были введены в эксплуатацию Братский лесопромышленный комплекс (БЛПК, в настоящее время АО «Группа «Илим»), алюминиевый завод (БрАЗ). Помимо промышленных отходов в р. Вихорева поступают коммунальные стоки г. Братск и г. Вихоревка. гидрологический биогенный экологический

Вихоревский залив, формирование которого происходило во время заполнения Усть-Илимского водохранилища на фоне интенсивного загрязнения р. Ангары и р. Вихорева, расположен на участке между пос. Дубынино и пос. Седаново (рис. 1).

Отбор проб воды р. Вихорева и Вихоревского залива Усть-Илимского водохранилища проведен в августе 2017 г. батометром OceanTest110А. В воде р. Вихорева пробы отбирались с поверхностного слоя воды, в Вихоревском заливе с двух горизонтов: поверхностного - с глубины 0,6 м и придонного - в метровом слое от дна. В качестве условно фоновой станции отобрана проба воды в р. Вихорева в 30 км выше впадения сточных вод АО «Группа «Илим» и БрАЗ. Станции отбора проб воды приведены на рис. 1.

Рис. 1. Карта-схема станций отбора проб воды р. Вихорева и Вихоревского залива Усть-Илимского водохранилища

1 - р. Вихорева (выше стоков); 2 - р. Вихорева, 1 км ниже стоков; 3 - р. Вихорева, 14км выше устья; 4 - р. Вихорева (перед устьем); 5 - устье р. Вихорева; 6 - зал. Вихоревский (около 2 км от устья р. Вихорева); 7 - Вихоревский залив, перед вливанием Бурдойского залива; 8 - Устье Вихоревского залива.

Химический анализ компонентов (О₂, NO₃^-, NO₂^-, NH₄⁺, PO₄^3-), химическое потребление кислорода (ХПК) проведено с использованием стандартных методик [3]. Органический углерод (Сорг) рассчитан по эквивалентному отношению углерода к кислороду. Аналитические работы выполнены с использованием научного оборудования ЦКП «Изотопно-геохимических исследований» ИГХ СО РАН.

2. Результаты и обсуждение

Река Вихорева. Суммарный расход промышленных и хозяйственно-бытовых стоков в период зимней межени в 3-4 раза превышает естественный водный сток р. Вихорева, что еще в 70-80-е годы коренным образом сказалось на естественный термический и гидрохимический режимы реки [4]. По данным [1, 2] сброс загрязняющих веществ в реку в последнее десятилетие постепенно снижается. В то же время, на экосистему водотока негативно влияют периодически возникающие чрезвычайные ситуации, как это было летом 2015 г.

В этот период ниже стока жидких промышленных отходов предприятия АО «Группы Илим» вследствие кислородного голодания и превышения предельно допустимых концентраций вредных химических веществ в воде произошел массовый замор рыб.

По результатам проведенных исследований в воде условно фонового створа р. Вихорева наблюдаются достаточно высокое содержание кислорода и близкие к содержанию в воде Усть-Илимского водохранилища концентрации NO₃^- (0,25 мг/л), NO₂^- (<0,001 мг/л) и PO₄^3- (0,06 мг/л). При этом концентрации NH₄⁺ (2,3 мг/л) и Сорг (48,8 мг/л) значительно превышают таковые, что согласуются с данными [1, 2], показывающими их высокие значения в воде реки уже в черте г. Вихоревки. Здесь среднегодовые концентрации превышают ПДК по 3 показателям: органические вещества, азот аммонийный и лигнин.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к составу поверхностных вод рыбохозяйственного назначения, содержание кислорода в водах не должно быть ниже ПДК - 6 мг/дм³ [5].

Вода р. Вихорева в условно фоновом створе (точка 1) содержит количество кислорода, достаточное для удовлетворительного существования гидробионтов и поддержания окислительной обстановки. После поступления сточных вод концентрация О₂ резко снижается, дефицит кислорода наблюдается на всем протяжении реки (рис. 2, точки 2-4).

Отметим, что состав сточных вод предприятия, являющийся специфичным для сульфатцеллюлозного и деревообрабатывающего производств, включает в себя большие количества хлорид-иона, сульфат-иона, натрия, минеральных соединений азота, взвешенных и органических (лигнин, нефтепродукты, метанол, фенол и т.д.) веществ [1, 2].

Поступление сточных вод приводит к увеличению Сорг (в 2,7 раз) в воде реки, по сравнению с условно фоновой станцией, что указывает на насыщение вод различными органическими соединениями как природного, так и антропогенного происхождения.

Основная часть органических веществ поступает в реку с производственными и бытовыми стоками г. Братска.

Ниже по течению, вплоть до самого устья реки, средняя концентрация Сорг составляет 76,9 мг/л. В связи с этим на этом участке реки резкое уменьшение концентраций кислорода свидетельствует об окислении большого количества органических веществ, поступающих в водоем со сточными водами. Наиболее ярко это проявляется на точке 4 перед устьем реки, где концентрации кислорода падают до минимальных значений - 0,3 мг/л.

Соединения азота являются составной частью всех живых организмов, им принадлежит ведущая роль в развитии жизни в водоемах, однако, они также считаются одним из показателей загрязнения вод [6]. По присутствию в воде NH₄⁺, являющегося продуктом процесса превращения органических азотсодержащих веществ в неорганические, можно говорить о хозяйственно-бытовом загрязнении.

Основной формой нахождения азота в р. Ангаре и ее притоков является NO₃^- [7], в сильно загрязнённой воде р. Вихорева на первых четырех точках опробования преобладающим становится ион аммония. Поступление NH₄⁺ в воды р. Вихорева происходят, в основном, с производственными и бытовыми стоками г. Братск. В реку сбрасывается колоссальное количество NH₄⁺, его поступление в 2014 г. составило 132 т/год, в 2016 г. - 71 т/год [1, 2]. Наибольшая концентрация, составляющая 3 ПДК (ПДК = 1,5 мг/л), была зафиксирована в воде реки в 1 км ниже сброса сточных вод (рис. 2).

Ниже по течению концентрация аммонийного азота постепенно снижается за счет процессов окисления, происходящих по схеме: NH₄⁺ > NO₂^- > NO₃^-. Минимальная концентрация NH₄⁺ (0,36 мг/л) зафиксирована в воде устья реки.

Рис. 2. Концентрация (мг/л) биогенных элементов, кислорода и органического углерода в воде р. Вихорева и Вихоревского залива. Нумерация точек соответствует рисунку 1

Основным фактором, определяющим концентрации фосфора в водной среде, является его обмен между неорганическими и органическими формами, а также живыми организмами. Основными источниками PO₄^3-, также как и соединений азота, являются производственные и бытовые стоки г. Братск. Причем, техногенное воздействие сточных вод на концентрации фосфора в воде р. Вихорева проявляется более четко - на фоновой станции (точка 1) она минимальна (0,06 мг/л), а ниже по течению от стоков возрастают в 10-15 раз. Средняя концентрация фосфора в воде р. Вихорева после стоков составляет 0,68 мг/л.

Вихоревский залив. По данным [4] до создания Усть-Илимского водохранилища, коричневые воды р. Вихорева при впадении резко контрастировали с голубовато-зелеными водами р. Ангары. Ширина загрязненного потока в устье не превышала 50 м и по мере удаления от него увеличивалась до 200 м. Возможность быстрого смешения потоков ограничивалась разностью температур теплых вод р. Вихорева и холодных р. Ангары, а также большой скоростью ангарских вод. Загрязненный поток характеризовался низкой прозрачностью (0,15-0,30 м), специфическим запахом и высокой цветностью. На водной поверхности сохранялась устойчивая пена на протяжении 10-15 км и различные плавающие примеси: хлопья, слизь, радужные пятна и др. Зона влияния р. Вихорева до заполнения водохранилища была больше 100 км.

Создание водохранилища привело к улучшению качества воды как в нижнем течении р. Вихорева, так и в зоне ее влияния [4]. Основным фактором самоочищения в это время являлось многократное разбавление загрязненных вод хорошо аэрированными маломинерализованными водами р. Ангары. Заметное влияние вод р. Вихорева ограничивалось 10 км ниже по течению от устья реки.

В настоящее время в районе слияния р. Вихорева и Вихоревского залива специфические органолептические характеристики загрязненных вод диагностируются менее четко по сравнению с участками реки, приближенными к выходу сточных вод. Концентрации минеральных форм азота, фосфора и Сорг в устье реки близки к их концентрациям в воде залива (рис. 2), а содержание кислорода находится на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения.

В воде Вихоревского залива распределение изучаемых компонентов неоднородно. Постепенное уменьшение концентраций иона аммония от впадения реки к устью залива при одновременном увеличении концентраций нитрат иона свидетельствует о преобразовании форм азота.

Доминирующим становится нитрат-ион, исключение составляют придонные воды залива в 2 км ниже устья реки, где концентрации NO₃^- и NH₄⁺ находятся в равных долях. Концентрации фосфора и минеральных форм азота в воде залива близки между собой, составляя в среднем 0,31 мг/л для РО₄^3-, 0,42 мг/л для NO₃^-и 0,28 мг/л для NH₄⁺. Вместе с тем, они превышают таковые в воде русловой части Усть-Илимского водохранилища: в 2 км выше по течению от Вихоревского залива концентрация РО₄^3- составляет 0,14 мг/л, NO₃^- - 0,18 мг/л, NH₄⁺ - 0,05 мг/л.

Концентрация NO₂^- в водах залива незначительна (в среднем 0,003 мг/л), т.к. эта форма азота является промежуточным, нестойким продуктом в процессе нитрификации. Характерной чертой распределения фосфора и минеральных форм азота в Вихоревском заливе является увеличение их концентраций в придонных слоях воды (рис. 2). При впадении залива в основное русло Усть-Илимского водохранилища концентрации этих компонентов уменьшаются, достигая их средних значений по русловой части.

В устье Вихоревского залива концентрации фосфора и азота в поверхностной воде становятся выше, чем в придонной, что указывает на стабилизацию гидрохимического состава водоема после техногенного воздействия и преобладание природных процессов, связанных с жизнедеятельностью фито- и зоопланктона.

Динамика основных биогенных компонентов в Вихоревском заливе связана с проходящими процессами самоочищения в водоеме. В первую очередь, это разбавление загрязненных вод р. Вихорева большим потоком вод Усть-Илимского водохранилища. Вторым процессом самоочищения, является седиментация взвешенных веществ в устье реки, приустьевой зоне и заливе. При впадении р. Вихорева в Вихоревский залив, уменьшение скорости течения потока приводит к падению транспортирующей способности водного потока, в результате чего происходит осаждение большей части взвеси и активное накопление осадочного материала. Донные отложения в этом районе представлены черно-серыми, почти черными илами с сильным запахом гнили и сероводорода, который указывает на высокое загрязнение донных отложений органическими веществами, поступившими с водами р. Вихорева.

Наибольшим изменениям в воде Вихоревского залива подвержены концентрации кислорода, которые несмотря на их высокие значения в поверхностных слоях, значительно уменьшаются (до 0,59 мг/л) в придонных. Такие значимые вариации концентраций О₂ в толще воды связаны с окислением органических веществ. Несмотря на то, что биохимические процессы разложения загрязняющих веществ в заливе идут достаточно интенсивно, долговременное поступление органических веществ с промышленными стоками, их накопление в донных осадках и вторичное поступление в водную среду приводит к недостатку кислорода в придонной воде залива и как следствие, созданию неблагоприятных условий для жизнедеятельности гидробионтов.

Заключение

Результаты исследований показали, что р. Вихорева, несмотря на уменьшение сбросов загрязняющих веществ в последние годы, остается сильно загрязнена элементами техногенного происхождения. Об этом свидетельствуют высокие концентрации NH₄⁺, NO₃^-, PO₄^3-, Сорг и низкие концентрации О₂, создающие неблагоприятные условия для местной флоры и фауны. Воды р. Вихорева привносят загрязнение в Вихоревский залив, который в свою очередь является местом аккумуляции и переработки основной массы этих веществ.

В результате чего, Вихоревский залив является барьером, который блокирует поступление в Усть-Илимское водохранилище основной массы биогенных элементов поступающих с производственными стоками г. Братск.

Однако, при сохранении высокой техногенной нагрузки и низком уровенном режиме, наблюдаемом в последние годы, буферирующая способность Вихоревского залива может быть значительно ослаблена, вследствие чего возможно ухудшение качества вод русловой части Усть-Илимского водохранилища.

Библиографический список

1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2015 году». - Иркутск: ООО Издательство "Время странствий", 2014 г. - 316 с.

2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2016 году». - Иркутск: ООО «Мегапринт», 2017 г. - 274 с.

3. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / под ред. Семенова А. Д. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 540 с.

4. Стрижева Т. А. Условия и особенности формирования гидрохимического режима, состава и качества вод искусственных водоемов Восточной Сибири (на примере Усть-Илимского водохранилища) : дис.… к. г. н. / Т. А. Стрижева. - Иркутск, 1985. - 211 с.

5. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. / под ред. Исаева Л. К. - СПБ: Эколого-аналитический информационный центр “Союз”, 1998. - 896 с.

6. Алекин О. А. Основы гидрохимии / О. А. Алекин. - Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1970. -444 с.

7. Алиева В. И. Влияние природных и техногенных факторов на гидрохимический состав рек промышленной зоны г. Иркутска / В. И. Алиева, Н.А. Загорулько // Вода: химия и экология. - 2013. - № 6. - C. 16-21.

Аннотация

УДК 556.114.6 (571.53)

Распределение биогенных элементов в воде р. Вихорева и Вихоревского залива Усть-Илимского водохранилища при техногенном воздействии. П.Г. Долгих, Аспирант, ИГХ СО РАН, г. Иркутск, dolgih1993@bk.ru В.И. Полетаева, К.г.-м.н., н.с., ИГХ СО РАН, ИНЦ СО РАН, г. Иркутск, alieva@igc.irk.ru

Проведена оценка техногенного загрязнения вод р. Вихорева и Вихоревского залива Усть-Илимского водохранилища биогенными элементами. Установлены высокие концентрации NO₃^-, NH₄⁺, PO₄^3-, Сорг и низкое содержание О₂, создающие неблагоприятные экологические условия в исследуемых водоемах. Показана барьерная роль Вихоревского залива в распространении потоков загрязняющих веществ в основное русло Усть-Илимского водохранилища.

Ключевые слова: биогенные элементы, кислород, загрязнение, река Вихорева, Усть-Илимское водохранилище

Abstract

Technogenous impact on the distribution of biogenic elements within water of the Vikhorevka River and Vikhorevsky Bay hosted by the Ust-Ilimsk water reservoir. P. G. Dolgikh, V. I. Poletaeva

The paper reports evaluation of technogenous contamination with biogenic elements through Vikhorevka River and Vikhorevsky Bay water into the Ust-Ilimsk water reservoir. Field and laboratory measurements identified high concentrations of NO₃^-, NH₄⁺, PO₄^3-, Сorg and low О₂ content, creating unfavorable ecological conditions for water reservoirs. The Vikhorevsky Bay proved to serve as a barrier for penetration of contaminants into the main channel of the Ust-Ilimsk water reservoir.

Key words: biogenic elements, oxygen, contamination, Vikhorevka River, Ust-Ilimsk water reservoir

Размещено на Allbest.ru