Автор: Соколова Олеся Владимировна
Название работы: Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование миграции тяжелых металлов в системе вода донные отложения в зоне антропогенного воздействия
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: 25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых
Классификационный индекс:
Ведущая организация:
Руководитель:
профессор доктор геолого-минералогических наук Гричук Дмитрий Владимирович;
Оппонент:
старший научный сотрудник доктор химических наук Рыженко Борис Николаевич;
профессор доктор биологических наук Мотузова Галина Васильевна;
Место защиты: Москва
Дата защиты: 21 марта 2008 года
Издательство: Москва
Количество страниц:
Язык: русский
Содержание работы:
Введение.
Глава 1. Возможности и ограничения прогнозных моделей взаимодействий в системе вода-порода в условиях антропогенного загрязнения природных вод.
Глава 2. Характеристика объекта исследования.
Глава 3. Методика проводимых исследований.
Глава 4. Оценка загрязнения поверхностных вод и донных отложений исследуемых водотоков.
Глава 5. Термодинамическая модель, описывающая распределение металлов в системе поровая вода твердая фаза донных отложений.
Глава 6. Верификация результатов термодинамического моделирования распределения тяжелых металлов в системе поровый раствор твердая фаза донных отложений.
Глава 7. Комбинированная равновесно-динамическая модель распространения загрязнений в р.Ичке.
Выводы.
Публикации по теме диссертации.
|
Реферат:
Актуальность работы. Увеличение антропогенной нагрузки на окружающую среду может привести к необратимым изменениям ее экологического состояния. Изучение последствий химического
загрязнения активно проводится в течение последних десятилетий во многих странах. В нашей стране эколого-геохимические исследования были начаты в 80-х годах Ю.Е.Саетом и развиты
в работах А.И.Перельмана, М.А.Глазовской, Н.С.Касимова, Е.П.Янина и др. За прошедшие годы накоплен большой фактический материал по экологической геохимии. Однако в настоящее
время возможности получения принципиально новых результатов путем эмпирического обобщения в значительной степени исчерпаны. Необходимо расширение теоретической базы эколого-геохимических
исследований, в первую очередь, за счет привлечения методов физико-химического анализа, моделирования и прогноза, созданных в смежных областях геохимии.
Исследование закономерностей перераспределения тяжелых металлов (ТМ) между водой и донными отложениями в системах, испытывающих антропогенную нагрузку, представляет большой
интерес, поскольку при этом может происходить как самоочищение вод, так и их вторичное загрязнение. Термодинамическое моделирование гетерогенных взаимодействий в системе вода
- донные отложения может обеспечить большую достоверность эколого-геохимических прогнозов.
Применение термодинамического моделирования к исследованию природных процессов требует разработки методов моделирования. В геохимии природных вод широко используются термодинамические
расчеты состояний элементов в водных растворах (Линник, Набиванец, 1986; Мур и Рамамурти, 1987 и др.), а также расчеты термодинамических равновесий порода-вода в системах,
содержащих минералы постоянного состава (Крайнов, Рыженко, 2004 и др.). В то же время число работ по моделированию с учетом сорбционных взаимодействий весьма ограничено. Из
последних работ выделяются исследования А.Н.Дунаевой, С.А.Пивоварова, E.Tipping, S.Lofts. С другой стороны созданы исчерпывающие теоретические разработки описания сорбционных
равновесий на различных природных сорбентах (Кокотов, Спозито, Bolt, Веницианов), которые из-за своей сложности пока не нашли практического применения при термодинамическом
моделировании систем порода-вода.
В качестве объектов исследования в работе были выбраны мелкие реки Национального парка (НП) Лосиный остров расположенного на северо-востоке г.Москвы. Наибольший интерес
для моделирования представляла река Ичка, испытывающая мощное автотранспортное загрязнение от Московской кольцевой автодороги (МКАД), пересекающей ее водосборный бассейн.
С полотна МКАД в реку поступают ТМ и соли - компоненты противогололедных препаратов. До настоящего времени отсутствуют данные о влиянии различных типов противогололедных реагентов
на поведение ТМ в водоемах.
Цель работы - разработка методики термодинамического моделирования миграции тяжелых металлов в системе вода донные отложения при воздействии антропогенных факторов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Оценка состояния водных объектов (мелких рек НП Лосиный остров) посредством мониторинговых наблюдений за химическим составом поверхностных вод и донных отложений, определения
динамики изменения во времени, пространственного распределения загрязняющих веществ и форм нахождения ТМ в донных осадках.
2. Разработка методики термодинамического моделирования для расчета равновесного распределения тяжелых металлов между водным раствором и сорбирующими фазами донных осадков.
3. Исследование методом термодинамического моделирования реакции системы "поровая вода твердая фаза донных отложений" на основные ожидаемые антропогенные воздействия.
4. Разработка равновесно-динамической модели, описывающей миграцию тяжелых металлов при взаимодействии речной воды с донными отложениями и получение прогнозных оценок возможной
миграционной подвижности металлов при антропогенных воздействиях.
5. Верификация результатов теоретического моделирования по данным природных наблюдений и лабораторных экспериментов с осадками.
Научная новизна работы:
Предложена новая расчетная методика термодинамического моделирования, позволяющая на основе эмпирической информации по формам нахождения ТМ в осадках рассчитывать межфазовые
распределения металлов в системе раствор - донные отложения. С помощью построенной модели исследована реакция системы на антропогенные воздействия различного характера (увеличение
поступления ТМ, изменение минерализации воды при транспортном загрязнении и т.д.).
Разработана комбинированная равновесно-динамическая модель, основанная на принципе проточного ступенчатого реактора, позволяющая прогнозировать распространение загрязнения
Zn, Pb и Cu в малой реке.
Получены новые данные по динамике загрязнения рек НП Лосиный остров. Впервые проведено изучение форм нахождения Fe, Zn, Cu и Pb в твёрдой фазе донных отложений и взвесях.
Впервые изучены макрокомпонентный и микрокомпонентный составы поровых растворов осадков.
Практическая значимость работы заключается в возможности использовать предложенные методики моделирования для прогноза распространения загрязнений ТМ в водоемах, подвергающихся
интенсивному антропогенному воздействию.
Фактический материал. Основой диссертации является синтез комплексных эколого-геохимических исследований водных объектов (на примере НП Лосиный остров), экспериментальных
исследований по определению растворенных и сорбированных форм ТМ в осадках и термодинамического моделирования.
Диссертационная работа опирается на результаты мониторинга донных отложений и речных вод в период с 2001 по 2006 г.г., проводившегося при непосредственном участии автора.
За указанный период автором были отобраны и проанализированы 70 проб донных отложений, 83 гидрохимические пробы. В выборочных образцах отложений были отжаты поровые воды,
определены формы нахождения Zn, Cu, Pb, Fe (100 вытяжек), содержание органического вещества, гранулометрический и общий химический состав. В работе использованы также данные,
полученные кафедрой геохимии МГУ в 1998-2000 г.г. Автором разработана термодинамическая модель и выполнены расчеты распределения ТМ в речной воде и донных отложениях. Для
верификации термодинамической модели автором выполнены эксперименты по взаимодействию речной воды с осадками (78 опытов).
Основные защищаемые положения:
1. В зоне влияния МКАД загрязнение противогололедными реагентами привело к изменению природного состава воды р. Ичка и формированию резко выраженной неоднородности анионного
состава (переход из гидрокарбонатного типа в хлоридный и обратно) речной и поровой воды на небольшой и однородной в ландшафтном отношении территории.
2. В донных отложениях всех водотоков основная доля Zn, Cu и Pb находится в остаточной, труднодоступной форме. Из форм, способных к трансформации в донных отложениях, для
Zn и Pb преобладают сорбированные на гидроксидах Fe, а для Cu сорбированные на органическом веществе. В зоне техногенного загрязнения доля подвижных форм возрастает.
3. Разработана методика термодинамического моделирования, позволяющая описывать равновесное распределение макрокомпонентов (Ca, Mg, Na и K) и тяжелых металлов (Zn, Cu и Pb)
между природными водами, содержащими комплексообразователи (в т.ч. гуминовые и фульвокислоты), и твердыми фазами, включающими 3 сорбента глинистые минералы, органическое
вещество и гидроксиды железа. Методика верифицирована по результатам лабораторных опытов с речными осадками различного состава.
4. С помощью этой методики исследована реакция системы на антропогенные воздействия - загрязнение речной воды противогололедными препаратами на основе NaCl и CaCl2. Показано,
что применение реагентов, содержащих CaCl2, интенсифицирует процесс десорбции Zn из донных отложений в поровый раствор.
5. Разработана комбинированная равновесно-динамическая модель, основанная на принципе проточного ступенчатого реактора, позволяющая прогнозировать распространение загрязнения
Zn, Pb и Cu в системе речная вода донные отложения. Модель согласуется с природным прототипом по ряду подвижности ТМ, протяженности и контрастности аномалий металлов в
осадках. Показано, что поступление противогололедных реагентов, содержащих CaCl2 приводит к увеличению протяженности и снижению контрастности аномалий ТМ в осадках.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 167 страниц машинописного текста, содержит 40 таблиц, 44 рисунка, приложение (23 таблицы,
6 рисунков) и список литературы из 137 наименований.
Публикации и апробация работы. Результаты исследований докладывались на VI и VII Международных конференциях "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, 2003, 2005), на VIII Межвузовской
молодежной научной конференции Школа экологической геологии и рационального недропользования (Санкт-Петербург, 2007, первая премия). По теме диссертации опубликовано 14
научных работ и 1 статья сдана в печать. Автор участвовала в выполнении 2 грантов РФФИ и гранта программы поддержки ведущих научных школ.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Д.В.Гричуку и с.н.с. Т.В.Шестаковой за внимание, ценные советы и помощь при выполнении
работы, Ю.Н.Николаеву - за помощь в проведении полевых работ, предоставленные результаты снеговых съемок по территории НП Лосиный остров и консультации, Ю.В.Шварову за предоставленную
возможность пользоваться пакетом программ HCh for Windows (v.4.1) и ценные консультации, И.П.Родионовой, А.В.Орловой, Н.Ф.Пчелинцевой и Р.А.Митояну - за помощь при выполнении
анализов, К.А.Пестовой и Т.Н.Лубковой - за плодотворную совместную работу, А.В. Аплеталину и Е.Ю.Охапкиной - за содействие при оформлении работы.
|
Библиография:
1. Соколова О.В. Оценка состояния природных вод в НП Лосиный остров // Школа экологической геологии и рационального недропользования. Материалы III межвузовской молодежной научной конференции. СПб. 2002. С. 322 324. 2. Шестакова Т.В., Соколова О.В. Оценка состояния природных вод НП Лосиный остров // VI Международная конференция Новые идеи в науках о Земле. Тезисы докладов. М. 2003. С. 88. 3. Соколова О.В., Шестакова Т.В. Формы нахождения металлов в донных отложениях вод НП Лосиный остров // Тезисы Международной школы Современные методы эколого-геохимической оценки состояния и изменений окружающей среды, Новороссийск. 2003. С. 131-132. 4. Соколова О.В. Моделирование химического состояния речных вод в условиях транспортного загрязнения // Годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии Сергеевские чтения. Москва. 2004. С. 300-304. 5. Соколова О.В. Термодинамическое моделирование поведения тяжелых металлов в речных водах, подверженных загрязнению // Школа экологической геологии и рационального недропользования. Материалы VI межвузовской молодежной научной конференции. СПб. 2005. С. 281-283. 6. Пестова К.А., Соколова О.В. Закономерности распределения форм нахождения тяжелых металлов в донных отложениях НП Лосиный остров // Школа экологической геологии и рационального недропользования. Материалы VI межвузовской молодежной научной конференции. СПб. 2005. С. 268-270. 7. Соколова О.В., Шестакова Т.В., Гричук Д.В. Численный эксперимент при прогнозировании миграции металлов в донных осадках, подвергающихся автотранспортному загрязнению // Материалы совещания. XV Российское совещание по экспериментальной минералогии. Сыктывкар. 2005. С. 503-506. 8. Соколова О.В., Шестакова Т.В., Гричук Д.В. Термодинамическое моделирование форм нахождения тяжелых металлов в речных водах НП Лосиный остров // VII Международная конференция Новые идеи в науках о Земле. Тезисы докладов. М. 2005. С. 41. 9. Соколова О.В. Прогноз воздействия транспортных стоков на речную воду методом термодинамического моделирования // В сб.: IV Международная научно-практическая конференция "Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде". Доклады. 2006. Семипалатинск. С. 428-431. 10. Соколова О.В., Шестакова Т.В., Гричук Д.В., Шваров Ю.В. Термодинамическое моделирование форм нахождения тяжелых металлов в системе вода донные отложения при автотранспортном загрязнении // Вестник Московского Университета. Серия 4: Геология. 2006. 3. С. 36-45. 11. Пестова К.А., Соколова О.В. Комплексное изучение состава речных, поровых вод и донных отложений малого водотока, подверженного автотранспортному загрязнению // Школа экологической геологии и рационального недропользования. Материалы VIII межвузовской молодежной научной конференции. СПб. 2007. С. 234-236. 12. Соколова О.В., Гричук Д.В., Пестова К.А., Шестакова Т.В. Влияние автотранспортного загрязнения на малые водотоки (на примере реки Ички, г. Москва) // VIII Международная конференция Новые идеи в науках о Земле. Тезисы докладов. М. 2007. С. 360-363 13. Соколова О.В. Сравнение результатов термодинамического моделирования поведения тяжелых металлов в речных водах с экспериментальными данными // Школа экологической геологии и рационального недропользования. Материалы VIII межвузовской молодежной научной конференции. СПб. 2007. С. 254-256. 14. Venitsianov Е.V., Sokolova O.V. Complex interaction between hydrodynamic and physicochemical factors in relation to sorption of pollutant on suspended particals in aqueous solution // Proceeding of Tenth International Symposium on River Sedimentation. Vol. V. Effects of River Sediments and Channel Processes on Social, Economics and Environment Safety. 2007. Moscow. 2007. P. 358-360. 15. Соколова О.В., Гричук Д.В., Шестакова Т.В., Пестова К.А. Трансформация загрязнений в системе речная вода - поровый раствор твердая фаза донных отложений в малых реках (на примере водотоков Национального Парка Лосиный остров) // Вестник Московского Университета. Серия 4: Геология. 2008. 2. (в печати).
|
|
