Оценка устойчивости Южного резервуара оз. Байкал к загрязнению химическими элементами и органическим веществом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка устойчивости Южного резервуара оз. Байкал к загрязнению химическими элементами и органическим веществом

Одной из теоретических основ решения проблем техногенеза оз. Байкал, в частности борьбы с загрязнением вод озера и его потоков, стала геохимия океанической экосистемы «Озеро Байкал» - изучение распространенности и миграции химических элементов в озере. Определение подвижности компонентов, поступающих в резервуары и уходящих из них, наряду с оценкой степени участия компонентов в химических круговоротах внутри резервуаров и установления места накопления компонентов - в водах или донных отложениях, позволяет оценить устойчивость резервуаров озера к загрязнению химическими элементами и органическим веществом

Расчет химического баланса Южного резервуара оз. Байкал установил основные источники вещества в резервуаре - потоки: «Поток из донных отложений», «Приток озерных вод из Селенгинского резервуара», «Подземные воды». Кроме внешних прихода и расхода вещества в резервуар и из резервуара также существуют большие внутренние нагрузки - поток из донных отложений, приносящего 16 % вещества статьи «Приход» резервуара и поток в донные отложения (уносит 20% вещества статьи «Расход»).

Определен круг компонентов, совершающих химические круговороты в водах резервуара: Al, Si, Mn²⁺, Fe_общ , NO₃^-, РO₄^3-, As, Cr, Cu, Pb, Co, V, Rb, P_орг, Ti, Mg²⁺, Cd, Br, Zn, U, N_орг . Из них биогенные элементы Fe_общ, Si, PO₄^3- , микроэлементы Al, Mn²⁺, As, Cr, Cu, Pb, Co, V, Rb, Ti и P_орг участвуют в химических круговоротах практически целиком, а Mg²⁺, Cd, Br, Zn, U, N_орг - лишь частично_.

Установлены компоненты, являющиеся активными - с разной степенью участия вступающие в реакции комплексообразования и присутствующие в водах резервуара во взвешенных и растворенных формах, и инертные компоненты. В слабоминерализованных водах резервуара в комплексы не связываются только Ca²⁺, HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, B, Hg, Sr, Mo (являются инертными, в водах резервуара находятся в растворенных формах), тогда как все другие компоненты с разной степенью участия вступают в реакции комплексообразования. Поступившие с потоками в воды резервуара Al, Si, Mn²⁺, Fe_общ , NO₃^-, РO₄^3-, As, Cr, Cu, Pb, Co, V, Rb, P_орг, Ti связываются полностью, K⁺, Cd, Zn, U, Br, N_орг, S_орг - наполовину, Na⁺ - третья, Mg²⁺, C_{орг -} четвертая часть (табл. 1). Основные источники активных компонентов - комплексообразователей - поток из донных отложений, приток озерных вод из Селенгинского резервуара и подземные воды, где компоненты находятся в растворенном состоянии и в состоянии тонкодисперсной взвеси. Можно сказать, что эти компоненты задают тон «жизни» для компонентов в водах резервуара, вступая в химические взаимодействия с другими элементами, переходя в твердую фазу, образуя тем самым автохтонную взвесь, увлекая их в донные отложения, где большая их часть захоранивается, а оставшееся в результате химических преобразований в растворенном состоянии возвращаются в водную толщу, чтобы в очередной раз совершить «круг жизни», т.е. происходит марганцевожелезоалюмосиликатный (Mn - Fe - Al - Si) круговорот.

Таблица 1 Группировка компонентов по химической активности - способности к комплексообразованию в водах Южного резервуара оз. Байкал

Аккумуляция вещества в резервуаре рассчитана как разность между внешним приходом (растворенное вещество и взвесь, приходящие с потоками: реки, речная взвесь, атмосферный аэрозоль, дождь + снег, подземные воды, минеральные воды, приток озерных вод из Селенгинского резервуара) и внешним расходом (растворенное вещество и взвесь, уходящие со стоком озерных вод в реку Ангару). В Южном резервуаре остается 900,9 тыс. т/год растворенного вещества и взвеси. Аккумулированное вещество составляют компоненты: K⁺, Na⁺, SO₄^2-, Cl^-, Si, Fe _общ , NO₃^-, РO₄^3-, Al, Mn²⁺, Cd, U, As, Cr, Cu, Pb, Sr, Co, Br, V, Ti, P_орг, C_орu, N_орг, S_орг. Другая группа компонентов - Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^-, B, Hg, Zn, Rb, Mo - имеет нулевой внешний баланс, следовательно, эти компоненты в резервуаре не накапливаются. Сульфат- и хлорионы накапливаются в водах резервуара, остальные - в водах и в донных отложениях. Следовательно, в донные отложения попадает только часть поступивших в резервуар компонентов. Эти особенности химического баланса Южного резервуара накладывают отпечаток на формирование донных отложений в резервуаре. В резервуаре захоранивается 23% вещества, поступившего с потоками в донные отложения, остальное вещество возвращается с потоком из донных отложений. От поступающего в резервуар вещества с внешней и внутренней нагрузками захоранивается 5 %. Утилизация вещества в донные отложения резервуара избирательная: из поступивших с потоком в донные отложения компонентов целиком захораниваются калий, натрий и углерод и сера органические, остальное поступившее вещество частично захоранивается, а в основном возвращается обратно с потоками из донных отложений.

Часть компонентов в резервуаре мигрируют только одним способом - в растворенных формах и легко выносятся из резервуара. Остальные компоненты перемещаются растворенной и твердой фазах, с различным для каждого элемента соотношением твердых фаз и растворенных. Соотношение крупнокластических и тонкодисперсных частиц и растворов в перемещении элемента в природных условиях было предложено Н.М. Страховым называть формой его миграции [2]. Скорость водной миграции компонентов в Южном резервуаре позволяет определить место каждого элемента в миграционном ряду и разделить их на три группы (рис.1, табл. 2, 3, 4):

- малоподвижные, или связанные, компоненты Al, Si, Mn²⁺, Fe_общ , NO₃^-, РO₄^3-, As, Cr, Cu, Pb, Co, V, Rb, P_орг, Ti, перемещаются в виде растворенной и твердой фаз внутри резервуара, основные пункты прихода и расхода - внутренняя нагрузка - поток из донных отложений и поток в донные отложения (вертикальная миграция внутри резервуара). Компоненты участвуют в химических круговоротах, переходя из взвешенных форм в растворенные и обратно, перемещаясь вниз с потоками в донные отложения и с потоками из донных отложений в верхние слои вод резервуара. Эти компоненты не уходят за пределы резервуара, т.е. с точки зрения миграции из резервуара являются практически неподвижными;

- частично выносимые, частично связанные компоненты Mg²⁺, Cd, Br, Zn, Br, U, K⁺, Na⁺, C_орг, N_орг , S_орг перемещаются и в растворенной и в виде твердой фазы, относятся к умеренно подвижным, так как в статье “Расход” только часть их уходит из резервуара в растворенных формах со стоком озерных вод. Оставшееся вещество связывается и остается в резервуаре. Эти компоненты делятся на две группы:

1) компоненты Mg²⁺, Cd, Zn, Br, U, N_орг часть которых транзитна (горизонтальная миграция) - перемещается в растворенном виде, а оставшаяся часть участвует в химических круговоротах в резервуаре, т.е. переходит из твердых фаз в растворенные и обратно (вертикальная миграции);

2) компоненты K⁺, Na⁺, C_орг, S_орг, часть массы которых находится в растворенных формах и проточна (горизонтальная миграция), а оставшаяся часть в виде взвеси поступает с потоком в донные отложения и захоранивается (перемещение на дно и захоронение);

- легкоподвижные - “транзитные” компоненты Ca²⁺, HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, B, Hg, Sr, Mo, приходящие с внешней нагрузкой и уходящие со стоком озерных вод в реку Ангару. Эти компоненты перемещаются в резервуаре только одним способом - в растворенных формах и являются легко выносимыми из резервуара. Миграция этих элементов горизонтальная - в резервуар и из резервуара.

Все компоненты по скорости водной миграции в резервуаре и из резервуара (от минимальной к максимальной) образуют следующий ряд:

(Al, Si, Mn²⁺, Fe_общ , NO₃^-, РO₄^3-, As, Cr, Cu, Pb, Co, V, Rb, P_орг, Ti) (K⁺, Na⁺, C_орг, S_орг) (Mg²⁺, Cd, Br, Zn, U, N_орг) (Ca²⁺, HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, B, Hg, Sr, Mo)

Южный резервуар проточен для Ca²⁺, HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, B, Hg, Sr, Mo и является биогеохимическим барьером для части катионов основных компонентов, органического вещества, для биогенных элементов и целой группы микроэлементов.

Таблица 2Группировка компонентов по скорости водной миграции в резервуаре оз. Байкал

Рис. 1. Пространственная миграция компонентов в водах Южного резервуарa: I - слабоподвижные компоненты, вертикальная миграция, накапливаются в донных отложениях и в водах, участвуют в химических круговоротах; II - умеренно подвижные, частично выносятся со стоком озерных вод из резервуара, частично накапливаются:: 1 - в донных отложениях и в водах, участвуют в химических круговоротах, вертикальная и горизонтальная миграции, 2 - в донных отложениях, миграция на дно и захоронение; III - легкоподвижные выносятся со стоком озерных вод из резервуара, горизонтальная миграция.

На основании вышеизложенного можно судить о геохимической устойчивости экосистемы «Южный резервуар» к загрязнению химическими элементами и органическим веществом, т.е. о способности экосистемы к выносу загрязнителей за ее пределы или к их утилизации внутри экосистемы. Установлено, какие из элементов, попадающих в озеро с техногенным потоком, будут вынесены с течением времени за его пределы, а какие закрепятся в резервуаре: будут утилизированы в донные осадки или связаны в водах, вызывая негативную реакцию биоты на изменение химического состава вод.

Проточные компоненты (Ca²⁺, HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, B, Hg, Sr, Mo), в случае техногенных аварий, содержащих эти компоненты, со стоком озерных вод попадут в соседний резервуар и реку Ангару. Установлено, что среднее значение постоянной времени обмена вод для Южного резервуара составляет около 96 лет [1]. Из-за низкого стока по сравнению с массами вод озера, восстановление исходного качества вод будет длительным, но с течением времени система способна к восстановлению. Следовательно, экосистема “Южный резервуар” способна восстановить исходное качество вод (обладает упругой устойчивостью) при техногенном попадании легкоподвижных (проточных) компонентов в воды резервуара, эти компоненты можно отнести к четвертому классу экологической опасности (табл. 3).

К третьему классу экологической опасности относятся умеренно подвижные компоненты, частично выносимые и частично уходящие с потоком в донные отложения и захоранивающиеся в них - K⁺, Na⁺, C_орг, S_орг. Экосистема “Южный резервуар” способна сопротивляться изменению химического состава вод, возникающему вследствие попадания этих компонентов с техногенным стоком, путем утилизации этих компонентов в донные осадки и выноса за пределы экосистемы. Можно сказать, что экосистема обладает резистентной устойчивостью к этим компонентам (табл. 3).

Таблица 3 Группировка компонентов, поступающих в Южный резервуар оз. Байкал с антропогенной нагрузкой, по классам экологической опасности

Таблица 4 Классы экологической опасности компонентов и прогноз их поведения в Южном резервуаре в случае воздействия антропогенной нагрузки на оз. Байкал

Примечание: С - слабоподвижные накапливаются; У - умеренноподвижные, частично выносятся, частично накапливаются; Л - легкоподвижные выносятся; В - накапливаются в водах; Д - накапливаются в донных отложениях; ВД - накапливаются в донных отложениях и водах. I, II, III, IV - классы экологической опасности

Группа «связанных» компонентов, участвующих в химическом круговороте, т.е. уходящие с потоком в донные отложения и возвращающиеся с потоком из донных отложений, в случае техногенных аварий с этими компонентами не будет утилизирована, как в обычных неглубоких континентальных озерах, а с потоком из донных отложений, за исключением ничтожной захороненной части, вернется обратно, вызывая вторичное заражение и накапливаясь в водах. Эти компоненты будут связаны и не попадут в другие резервуары и р. Ангару, но будучи вовлеченными в химический круговорот, нарушат существующие химическое и биологическое равновесия и вызовут этим катастрофические изменения качества вод в резервуаре. В отношении этих компонентов - Al, Si, Mn²⁺, Fe_общ , NO₃^-, РO₄^3-, As, Cr, Cu, Pb, Co, V, Rb, P_орг, Ti и Mg²⁺, Cd, Br, Zn, U, N_орг экосистема неустойчива (не способна восстановить исходный химический состав вод), поэтому отнесем эти элементы к первому и второму классам экологической опасности (табл. 3, 4).

Литература

байкал химический экологический опасность

1 Астраханцева О.Ю., Глазунов О.М. Водный баланс мегасистемы “Озеро Байкал”. Вестник ИрГТУ, 2008, № 3 (35), C. 148 - 154.

2. Страхов Н.М. Избранные труды. Общие проблемы геологии, литологии и геохимии. - М.: Наука, 1983. - 636 с.

Размещено на Allbest.ru