Рис. 7. Карты-схемы динамики распространения типов донных отложений в Балаганском расширении Братского водохранилища

Условные обозначения: 1 - затопленные почвы; 2 - песок; 3 - крупный алеврит; 4 - мелкоалевритовый ил; 5 - алевритово-глинистый ил

Третье положение. Гидрологические процессы и состав осадкообразующего материала питающих источников отражаются в новых, закономерно построенных комплексах донных отложений водохранилищ Ангарского каскада, вещественные характеристики которых не утратили связь с исходным материалом

Состав осадкообразующего материала и гидрологические процессы в водохранилищах Ангарского каскада формируют вещественный состав донных отложений, не утрачивающий связь с исходным материалом.

Разнообразный по составу поступающий материал способствует формированию разных по минеральному составу донных отложений. Основную часть в донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада составляют минералы легкой фракции, на долю которых приходится в большинстве случае от 87 до 99%. Легкая фракция донных отложений состоит в основном из кварца, полевых шпатов, слюд, обломков карбонатных и кремнистых пород. Изменение содержания кварца и полевых шпатов по длине водохранилищ происходит синхронно. Наиболее представительна по составу тяжелая фракция донных отложений. Пространственная неоднородность пород водосборного бассейна, поступающих в составе осадкообразующего материала в водохранилища, нашла свое отражение в терригенно-минералогических провинциях донных отложений. В донных отложениях по первым двум преобладающим группам минералов тяжелой фракции нами выделено 5 терригенно-минералогических провинций: рудно-амфиболовая, рудно - гранатовая, эпидот-амфиболовая, гранат-амфиболовая, циркон-рудная (табл.9). Комплексы отчетливо выражены и генетически связаны с источниками питания.

Таблица 9. Содержание минералов тяжелой фракции в терригенно-минералогических провинциях донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада

Основной областью распространения рудно-амфиболового комплекса являются донные отложения Иркутского водохранилища. Минералы комплекса имеют генетическую связь с метаморфическими породами, слагающими большую часть водосборного бассейна этого водохранилища и которые на значительном протяжении обнажаются в береговых уступах. Отмечается довольно высокое содержание эпидота и наибольшее - рутила и сфена, присутствуют специфические минералы метаморфических пород - ставролит и силлиманит.

Рудно-гранатовый комплекс включает осадки, представленные русловым аллювием рек Оки и Ии, а также реки Ангары на ее незарегулированном участке ниже плотины Иркутской ГЭС. Тяжелая фракция аллювия включает минералы, присутствующие в породах водосборных бассейнов этих рек. Для осадков характерна наибольшая по водохранилищам концентрация устойчивых минералов - гранатов и циркона, сравнительно редкого минерала сфена, а также малая встречаемость турмалина. Самое низкое содержание амфиболов и максимальная концентрация биотита в легкой фракции указывают на удаленность от источника питания минералами метаморфических пород и отсутствие материала местного поступления.

Акцессорными минералами-индикаторами эпидот-амфиболового комплекса, содержание которых является наибольшим в осадках водохранилищ, являются турмалин, хромшпинелиды, анатаз. Ассоциация этих минералов характерна для пород, размываемых в береговых уступах водохранилищ, представленных палеозойскими осадочными породами и развитыми в поле их распространения четвертичными отложениями. Для комплекса типичным является наибольшее для донных отложений содержание полустойкого эпидота, кварца и полевых шпатов.

Гранат-амфиболовый минералогический комплекс имеет наибольшее площадное распространение в донных отложениях Братского и Усть-Илимского водохранилищ. На связь с породами береговой зоны указывает значительное накопление в донных отложениях гранатов, турмалина, рутила и хромшпинелидов, поступающих в результате абразии пород ордовика, тяжелая фракция которых представлены циркон-турмалиновой ассоциацией с гранатами.

В пределах нахождения циркон-рудного комплекса содержание пироксенов является самым высоким по водохранилищам, наибольшее количество диопсид+авгита сосредоточено на глубинах более 20 м, т.е. в пределах затопленных ангарских террас. Здесь же накапливаются и рудные минералы. В составе тяжелой фракции донных отложений преобладает циркон, что обусловлено как весьма значимым присутствием минерала в составе абрадируемых пород ордовика, так и его устойчивостью и транспортабельностью. Повышенным является и содержание плагиоклазов, которые, наравне с пироксенами, оливином, рудными и хлоритом, являются главными породообразующими минералами траппов. В донных отложениях полностью отсутствует группа минералов метаморфических пород.

Преобладающей формой элементов, находящихся в донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада, является геохимически инертная, поскольку ведущими являются процессы осадконакопления элементов терригенного ряда, формирующие донные отложения, представленные, главным образом, классом обломочных осадков, образование которых связано с продуктами разрушения горных пород суши. Ведущими осадкообразующими соединениями являются SiO_2, Al₂O₃, Fe₂O₃. По концентрации в донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада SiO₂ занимает главенствующее положение (табл.10). Разброс в его содержании невелик, количество элемента в осадках соответствует его содержанию в осадочных породах суши.

Таблица 10. Среднее содержание полуторных окислов в донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада

Большая часть осадков с наибольшим содержанием SiO₂ сосредоточена на участках водохранилищ с активным протеканием абразионных процессов и имеющих наибольшее площадное распространение крупнозернистых осадков. Максимум приходится на пески, слагающие прибрежные отмели водохранилищ. Вглубь водохранилищ SiO₂ переносится в составе осадочного материала, размер частиц которого не превышает 0,01 мм. Наименьшее содержание SiO₂ имеют мелкоалевритовые и алевритово-глинистые илы, залегающие за пределами отмелей и включающие значительное количество пелитовых частиц. Уменьшение в донных отложениях количества SiO₂ сопровождается ростом концентрации алюминия и железа, что говорит о наличии связи этих элементов с содержанием пелитовых частиц и рельефом водоемов.

Наиболее богаты алюминием осадки головного в каскаде - Иркутского водохранилища, что обусловлено поступлением из озера Байкал в составе каолинита. В Братском и Усть-Илимском водохранилищах наблюдается прямая связь количества элемента в осадках с его содержанием в исходном материале - наиболее богаты алюминием донные отложения на участках размыва в береговых уступах суглинков с большим количеством глинистых минералов. Существует тесная связь с рельефом водоемов и размерностью фракций осадочного материала, выраженная в резком снижении количества алюминия в осадках гидродинамически активных зон - прибрежных отмелей, затопленных бывших островов.

Седиментация железа и его накопление в донных отложениях снижают его концентрацию в воде водохранилищ Ангарского каскада в пределах 60-80% по сравнению с речной водой. Количество железа в осадках Иркутского и Братского водохранилищ примерно одинаково (3,14 и 3, 19% соответственно), лишь в Усть-Илимском - несколько ниже. Миграция и распределение железа в водохранилищах подчиняются законам механической седиментации, о чем свидетельствует увеличение содержания элемента при повышении в осадке количества пелитовой фракции и проявляется в появлении максимума элемента в мелкоалевритовых и алевритово-глинистых илах. Основной схемой распределения железа является явная приуроченность повышенных содержаний элемента к донным отложениям глубоководной зоны, т.е. к той части водохранилищ, где скорость осадконакопления наименьшая. Пониженные процентные содержания Fe приходятся на прибрежную часть с ее высокими скоростями осадконакопления.

Значительные показатели поступающего аллохтонного ОВ относительно низкой биологической продуктивности самих водохранилищ находят свое отражение в интенсивности накопления органического вещества в донных отложениях. Поэтому для водохранилищ Ангарского каскада не свойственна связь удельного накопления ОВ в донных отложениях и возраста водохранилища, характерная для озер и каскада водохранилищ на Днепре и Волге. Малые абсолютные величины присущи Иркутскому водохранилищу - самому старому в каскаде, более активно этот процесс идет в Братском и Усть-Илимском водохранилищах. Наименьшее содержание органики отмечено в донных отложениях прибрежной части водохранилищ, особенно на участках активного размыва берегов водоемов. При увеличении дисперсности частиц в осадке наблюдается увеличение суммарного содержания ОВ [Карнаухова, 1981]. Здесь осадки насыщаются минеральными частицами более интенсивно, чем органическими. Максимальное накопление приходится на донные отложения затопленных террас и русла. Подобное распределение органического вещества в донных отложениях наблюдается на водохранилищах Днепра [Новиков, 1985] и Волги [Буторин и др., 1975].

Характерным в распределении фосфора в осадках водохранилищ Ангарского каскада является связь с условиями седиментации, о чем свидетельствует явная приуроченность элемента к определенным морфодинамическим зонам. Распределение содержания фосфора в донных отложениях согласуется с распределением органического вещества и железа и также зависит от гранулометрического состава осадков. По водохранилищам наименьшая средняя концентрация фосфора приходится на донные осадки Иркутского водохранилища, наибольшая - на осадки Братского водохранилища.

Преимущественно механическая миграция химических элементов создает в зоне осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада геохимический фон в виде средних и довольно низких содержаний микроэлементов (табл.11).

Таблица 11. Содержание тяжелых металлов в донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада, мг/кг

Основные содержания микроэлементов в осадках водохранилищ Ангарского каскада значительно ниже кларковых содержаний в литосфере. По сравнению с другими водохранилищами и природными водоемами донные отложения исследуемых нами водохранилищ довольно бедны микроэлементами. Однако по содержанию меди и кобальта осадки в настоящее время уже превосходят концентрации этих элементов в осадках озера Байкал.

Для донных отложений Иркутского и Усть-Илимского водохранилищ характерны нижефоновые концентрации цинка. Выше фона накопление цинка отмечается в донных отложениях Братского водохранилища, что имеет различные причины. Так, в области переменного подпора цинк имеет явно техногенное происхождение. В Балаганское расширение цинк поступает как из области переменного подпора, так и из материала абразии в основном в составе роговой обманки, магнетита и биотита, которые в повышенных концентрациях находится в породах верхоленской свиты кембрия и их карбонатном цементе. Гидрокарбонатный состав воды благоприятствует переходу цинка в осадки. На большей части Балаганского расширения вышефоновое содержание цинка присутствует в осадках в виде отдельных пятен в глубоководной зоне, составляя 91-130 мг/кг.

Наибольшее содержание свинца отмечается в донных отложениях Братского водохранилища, наименьшее - в осадках Иркутского водохранилища, что почти соответствует количеству металла в осадках озера Байкал. В донных отложениях водохранилищ содержание элемента составляет 16-71 мг/кг [Карнаухова и др., 1988]. Зависимости содержания свинца от гранулометрического состава осадка проследить не удалось. Не наблюдается такая связь и в осадках природных водоемов, что исследователями объясняется отсутствием способности металла накапливаться в определенном классе осадков [Игнатова, Чудаева, 1983].

После осаждения свинец довольно прочно по сравнению с другими элементами закрепляется в донных отложениях и при нарушении структурных связей в результате механического воздействия на осадок переходит во взвесь, а затем довольно быстро выпадает в осадок снова. В качестве примера показано распределение свинца в воде и донных отложениях Балаганского расширения Братского водохранилища (рис.8).

Рис. 8. Карты-схемы распределения свинца в поверхностном (А) и придонном (Б) горизонтах воды, донных отложениях (В) в Балаганском расширении Братского водохранилища в масштабе 1: 1 000 000

Условные обозначения: Вода (мкг/л): 1 - < 0,1; 2 - 0,1 - 0,2; 3 - 0,2-0,3.

Донные отложения (мг/кг): 1 - < 15; 2 - 15 - 25; 3 - 25-35.

Медь широко представлена в осадках водохранилищ Ангарского каскада. Среднее значение количества меди в донных отложениях исследуемых нами водохранилищ одного порядка с осадками водохранилищ Днепровского каскада (28 мг/кг), что заметно ниже, чем в осадках природных пресноводных водоемов. Элемент накапливается во всех типах донных отложениях и во всех морфодинамических зонах водохранилищ Ангарского каскада. Медь связана с пелитовой фракцией осадков, при увеличении их дисперсности возрастает количество меди, поэтому элемент в большей мере тяготеет к отложениям глубоководной зоны водоемов. Скачок роста содержания меди происходит при переходе от мелкоалевритовых илов к алевритово-глинистым, что связано с высокой миграционной способностью элемента.

Физико-географические условия (обстановки осадконакопления) определили литолого-геохимическую дифференциацию донных отложений, проявившуюся в поглубинной вертикальной поясности осадочного материала в исследуемых водохранилищах. Основными морфодинамическими зонами осадконакопления являются прибрежная отмель, подводный склон прибрежной отмели, затопленная терраса, затопленное русло реки. В соответствии с вертикальной поясностью для каждой зоны специфичны своя размерность частиц осадочного материала, ассоциации минералов и геохимические поля. Методом "идеальных профилей", предложенным Н.М. Страховым [Страхов, 1962] нами были составлены обобщенные фациальные профили, характеризующие участки с наиболее размываемыми берегами, сложенными основными петрографическими типами пород рассматриваемого региона, представленными аргиллитами, песчаниками и суглинками.

Четвертое положение. Геоэкологическое состояние водохранилищ Ангарского каскада отражают донные отложения, которые являются наиболее стабильным и представительным показателем антропогенного воздействия

С момента зарегулирования Ангары и создания каскада водохранилищ стали происходить изменения в режиме функционирования реки, проявившиеся в изменении гидрологического, седиментационного, геохимического и биологического режимов, что привело к неустойчивому экологическому состоянию водной системы. На фоне таких изменений интенсивная хозяйственная деятельность как на водосборе, так и в пределах водных объектов приводит к усилению антропогенной нагрузки на водохранилища и изменению их геоэкологического состояния. Для выявления масштабов загрязнения водохранилищ Ангарского каскада, а также возможных путей снижения антропогенных нагрузок необходима оценка геоэкологического состояния водоемов.

Донные отложения водохранилищ являются активными накопителями загрязняющих веществ, в том числе и таких как тяжелые металлы и биогенные вещества. В донных отложениях заключена полная информация обо всех временных изменениях геоэкологического состояния водохранилищ. При геоэкологической оценке состояния водоемов, как природных, так и искусственных, наиболее приемлемыми показателями донных отложений рекомендуются следующие: концентрации тяжелых металлов для выявления уровня техногенной нагрузки, общий фосфор и биогенная нагрузка для определения стадии эвтрофирования [Моисеенко, 1998; Моисеенко и др., 2006; Даувальтер, 1998; Курзо, 2002].

Геохимические мобильность и динамичность тяжелых металлов делают возможным их нахождение во всех элементах природной среды. Для этих элементов характерно высокое антропогенное поступление в поверхностные воды, что приводит к перемещению металлов на значительные расстояния от источника и накопление в водоемах. Активными накопителями являются искусственные водоемы, к числу которых относится и водохранилища Ангарского каскада. Поступившие в водохранилища тяжелые металлы в результате геохимической миграции рассеиваются, концентрируются и частью сбрасываются в нижний бьеф каждого водохранилища (табл.12).

Таблица 12. Распределение тяжелых металлов в водохранилищах Ангарского каскада (%)

Перемещение и рассеивание происходит в водной среде водоемов. В воде водохранилищ Ангарского каскада находятся элементы 1 и 2 классов опасности, представленные Hg, Pb, Co, Mo, Al (табл.13).

Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы (СанПиН 2.15.980-00) устанавливают, что в случае присутствия в воде водного объекта двух и более веществ 1 и 2 классов опасности, сумма отношений концентраций каждого из них к соответствующим ПДК не должна превышать единицу (табл.14). Проведенные расчеты показали, что для воды водохранилищ сумма отношений этих элементов к их ПДК не превышает 1.

Таблица 13. Тяжелые металлы в воде водохранилищ Ангарского каскада

Примечание: (¹) - Зенин, Белоусова, 1988; ВОДА., 2004; (²) - Коваль и др., 2003

Таблица 14. Средние значения отношения содержания нормируемых элементов к их ПДК в воде водохранилищ Ангарского каскада

Опыт исследования водохранилищ показал, что основная масса тяжелых металлов накапливается в донных отложениях. В настоящее время существует несколько подходов в изучении степени загрязнения тяжелыми металлами донных отложений водоемов. Наиболее распространенным в практике геохимических исследований окружающей среды в нашей стране является определение коэффициентов концентрации, подсчитанных по отношению к геохимическому фону. Используется и коэффициент обогащения, который показывает во сколько раз концентрация ТМ в донных отложениях выше кларка в литосфере [Сает и др., 1990].

По нашему мнению, наиболее информативной является схема, основанная на использовании классов геоаккумуляции (игео-классов) по G. Мюллеру [Mueller, 1979] и дополненная Н.В. Коломийцевым с соавторами [Коломийцев и др., 1999], В.Т. Трофимовым и Д.Г. Зиллинг [Трофимов, Зиллинг, 2002] величиной техногенной нагрузки на донные отложения водных экосистем. Игео-класс (I-geo) или класс геоаккумуляции определялся по уравнению:

I-geo, _i = Log ₂ (C_i / 1,5 B_i),

где C_{i -} измеренная концентрация i-го металла в донных отложениях; B_{i -} геохимический фон элемента; i изменяется от 1 до n.

Класс геоаккумуляции позволяет относить донные отложения к определенному классу качества и составлять карты загрязнения донных отложений каждым металлом отдельно. Анализ игео-классов тяжелых металлов в осадках и создание на их основе серии карт позволили нам дать характеристику уровня загрязнения и техногенной нагрузки на рассматриваемые водоемы (табл.15).

Таблица 15. Уровень загрязнения тяжелыми металлами и техногенная нагрузка на водохранилища Ангарского каскада

Донные отложения водохранилищ Ангарского каскада загрязнены тяжелыми металлами в основном на уровне нулевого и редко - первого игео-классов, что позволяет отнести их к незагрязненным осадкам, имеющим слабую (малоопасную) техногенную нагрузку по металлам. В соответствии с классификацией В.Т. Трофимова и Д.Г. Зилинга [Трофимов, Зилинг, 2002] водные экосистемы водохранилищ Ангарского каскада находятся в зоне экологической нормы.

Малоопасную техногенную нагрузку создают на Иркутском водохранилище Ni-Mn, на Братском - Zn-Ni-Pb-Mn-V, на Усть-Илимском - Cu-Ni-Mn-V. Как видим, в донных отложениях водохранилищ каскада неизменно присутствуют никель и марганец. В осадках Братского и Усть-Илимского водохранилищ к ним присоединяется ванадий. Специфическими же для Братского водохранилища становятся цинк и свинец, для Усть-Илимского - медь.

На общем фоне незагрязненных донных отложений водохранилищ несколько выделяются область переменного подпора и Верхнеангарский район Братского водохранилища где характерным является сочетание слабой и умеренной техногенной нагрузок, создаваемых тяжелыми металлами, т.е. Верхнеангарский район находится в зоне нормы, а область переменного подпора уже может быть отнесена к зоне риска (рис.9).

В области переменного подпора до г. Свирск в ассоциацию элементов, формирующих слабую техногенную нагрузку, входят Hg, Pb, Co, Mo, Ni, V, Cu. Умеренную техногенную нагрузку на донные отложения создают Zn, Mn, Cr. По величине удержания тяжелые металлы условно можно разделить на 3 группы [Карнаухова, 2007].

В первую группу входят слабые водные мигранты - молибден, свинец и хром, а также железо, фосфор и органическое вещество. Для них характерны очень высокие значения потери при прохождении через фильтр. Распределение свинца в донных отложениях показано на рис.10. Вторую группу составляют Mn, Cu и Zn, являющиеся хорошими мигрантами. В третью группу входят слабые водные мигранты - Ni, V (табл.16).

Таблица 16. Удержание элементов в маргинальном фильтре (МФ) р. Ангары

Условные обозначения: 1 - слабая техногенная нагрузка; 2 - умеренная техногенная нагрузка по 1 элементу и слабая по 4-6 элементам; 3 - умеренная техногенная нагрузка по 2-3 элементам и слабая по 3-4-6 элементам

Рис. 9. Картосхема техногенных нагрузок тяжелых металлов на донные отложения области переменного подпора и Верхнеангарский район Братского водохранилища в масштабе 1: 500 000

Условные обозначения: 1 - 10-20; 2 - 21-30; 3 - 31-40; 4 - 41-50

Рис. 10. Картосхема распределения свинца (мг/кг) в донных отложениях области переменного подпора и Верхнеангарского района в масштабе 1: 500 000

Важным моментом в функционировании любой водной системы является присутствие в ней азота и фосфора. Эти биогенные элементы служат основной причиной эвтрофирования водоемов Биогенная нагрузка и процессы эвтрофирования связаны с количественными характеристиками потоков биогенных веществ (в первую очередь фосфора и азота), которые изменяются под влиянием хозяйственной деятельности. Основными составляющими приходной части баланса фосфора и азота в водохранилищах Ангарского каскада являются поступления от размыва пород береговой зоны, вынос с земель сельскохозяйственного назначения, поступление в составе речного стока и из вышерасположенного водоема, с промышленными и хозяйственно-бытовыми стоками, сбрасываемыми непосредственно в водохранилища, с атмосферными осадками, выпадающими на зеркало водохранилищ.

В Иркутское водохранилище основная масса фосфора поступает из озера Байкал. Главными источниками поступления элемента в Братское водохранилище служат размыв пород береговой зоны (49%) и вынос с земель сельскохозяйственного назначения и дачных участков (41.7%). Основное питание фосфором Усть-Илимского водохранилища происходит в результате поступления из Братского водохранилища. Наибольший вклад в поступление азота в Иркутское водохранилище дают вынос с земель сельскохозяйственного назначения и дачных участков (64.9%) и поступление из Байкала (20.9%). Лидирующим источников поставки азота в Братское водохранилище служат абразионные берега (87.5%). Основное поступление азота в Усть-Илимское водохранилище происходит в составе абразионного материала, выноса с земель сельскохозяйственного назначения и сброса из Братского водохранилища (примерно в равных соотношениях).

Оценка запаса биогенных элементов и скоростей их накопления в водохранилищах Ангарского каскада нами была оценена по результатам прямых неоднократных измерений. Дополнительно проводились расчеты по формулам Диллона-Риглера [Dillon, Rigler, 1974], Диллона [Dillon, 1975] и Фолленвайдера [Vollenweider, 1975]. Расчетные данные дают вполне удовлетворительную сходимость с прямыми натурными наблюдениями. В зависимости от количества азота и фосфора, поступающих и удерживаемых водохранилищами, находится их трофический уровень. По величине фосфорной нагрузки Фолленвайдер [Vollenweider, 1975; Dillon, 1975] выделяют трофический уровень водоема.

Большая часть удерживаемого фосфора в Иркутском водохранилище находится в воде, в Братском и Усть-Илимском водохранилищах - накапливается в донных отложениях. В настоящее время в Европе приняты концентрации биогенов, которые создают благоприятные условия для "цветения" водоемов, составляющие для N_общ и P_общ 0,3 и 0,01 мг/л соответственно [Хендерсон-Селлерс, Маркленд, 1990]. Для сохранения олиготрофного статуса водоема содержание общего фосфора в воде не должно превышать 0,01 мг/л, а мезотрофного статуса - 0,02 мг/л [Vollenweider, 1975].

Содержания N_мин и P_мин в воде водохранилищ Ангарского каскада составляют примерно половину концентраций N_общ и P_общ [Карнаухова, 1998, 2008]. Самые низкие значения биогенов в воде характерны для Иркутского водохранилища и соответствуют статусу олиготрофного водоема. Низкая как фосфорная, так и в целом биогенная нагрузка на Иркутское водохранилище также указывает на его олиготрофный уровень (табл.17). Анализ рекомендуемых величин допустимой биогенной нагрузки на водоемы [Оуэнс, 1977; Мартынова, 1984] позволяет нам считать, что Иркутское водохранилище имеет допустимую нагрузку и находится вне зоны сильного антропогенного влияния.

Таблица 17. Коэффициенты удержания и биогенная нагрузка (г/м²/год) на водохранилища Ангарского каскада

Примечание: КУ - коэффициент удержания; БН - биогенная нагрузка

Содержание в водной толще как минеральных форм, так и общего азота и фосфора в Братском водохранилище, а также опасный уровень биогенной нагрузки указывают на высокую степень антропогенного воздействия на данный водоем и его эвтрофный статус. По концентрации в воде биогенов, коэффициенту удержания и биогенной нагрузке Усть-Илимское водохранилище также может быть отнесено к водоемам, испытывающим значительное антропогенное влияние, имеющему эвтрофный статус.

Заключение