Оценка и прогноз техногенного загрязнения локальных экосистем химическими элементами на основе балансовых расчетов

Глава 6. Оценка и прогнозирование загрязнения донных отложений малых рек тяжелыми металлами.

6.1. Модель загрязнения донных отложений. Для описания техногенного загрязнения донных отложений использовались подходы, заложенные в моделях литохимических потоков рассеяния рудных месторождений, источником формирования которых являются вторичные ореолы рассеяния в элювио-делювии.

В модели <идеального> потока рассеяния, предложенной Солововым (1985), распределение концентраций химического элемента в любой точке опробования аллювии х описывается функцией C_x'=f(P, S_x), где Р - площадная продуктивность вторичного ореола рассеяния, S_x - площадь бассейна водосбора для точки х. Уравнение <идеального> потока рассеяния имеет вид С_x' = P_x/S_x + С_ф.

Техногенные аномалии в почвах и снеге допустимо рассматривать в качестве аналога вторичных ореолов. В результате миграции загрязнителей, аккумулированных за зимний период в снежном покрове, с поверхностным стоком при снеготаянии и плоскостного смыва в аллювии рек будет происходить формирование техногенного литохимического потока с приращением концентраций загрязняющих веществ на величину:

Вводя в уравнение коэффициент редукции r, отражающий долю бассейнового материала, достигающего речных русел, коэффициент k_x, характеризующий соотношение между пылью и продуктами денудации почв в слое аллювия реки, сформированном за рассматриваемый период n (лет): k_x = 6'q^П_сн/q_гп, производя замену параметров (q^Me_сн = PrnΔhd₁^.10^-2, q_гп = S_xrnΔhd₂, где - ежегодный слой денудации, d₁~=d₂.- плотности почв и пыли) и дальнейшие преобразования, приращение концентраций в аллювии выразим:

Первый член слагаемого этого уравнения определяет приращение концентраций за счет поступления металла из снежного покрова при его таянии, второй - за счет поступления металлов из техногенных аномалий в почвах.

Эрозия почв в равнинных районах со слабо развитым сельскохозяйственным производством характеризуется малой интенсивностью (Δh < 0,01 мм/год, Соловов, 1990). Скорости перемещения частиц почв при плоскостном смыве в равнинном рельефе умеренно гумидных зон с развитым растительным покровом составляют в среднем 0,n см/год (Джеррард, 1984). Вследствие этого, в формировании техногенного потока рассеяния могут принимать участие только частицы почв, загрязненных выпадениями по берегам рек.

Полагая, что их доля крайне мала, а содержания ТМ в почвах значительно ниже, чем в пылевых выпадениях, можно допустить, что приращение концентраций в слое донных отложений, образованном за период техногенного воздействия, будет происходить преимущественно за счет транспорта загрязняющих веществ, аккумулированных снежным покровом за зимний период:

Уравнение позволяет рассчитывать содержания загрязнителей в слое донных отложениях, сформированных за любой период техногенного воздействия (без ограничений на его продолжительность).

Проведение расчетов содержаний элементов C_x в опробуемом слое аллювия по предложенному уравнению ограничивается периодом времени от начала техногенного воздействия до момента, когда мощность формирующегося слоя аллювия Δh_al достигнет мощности слоя опробования h.

При условии Δh_al =< h, приращение содержаний в опробуемом слое донных отложений ДC_x и сами содержания определяются выражениями:

Продолжительность периода времени, в течение которого возможно проведение расчетов содержаний элементов в слое опробования донных отложений, определяется его мощностью и скоростями накопления аллювия.

6.2. Оценка и прогноз загрязнения донных отложений р.Ички. Проверка предложенной расчетной модели и прогнозная оценка техногенного загрязнения ТМ проводились для донных отложений р.Ички.

Основное вклад в загрязнение донных отложений вносит МКАД, вдоль которой река протекает на протяжении 5 км. Загрязненные выпадениями от МКАД снежный покров и почвы придорожной полосы являются основным источником поступления ТМ в реку. Детальным опробованием в 2003, 2005 г.г, установлено, что основными загрязнителями донных отложениях являются Cu, Zn, Pb, Ni, Mo и Ag.

Для проверки модели и прогноза загрязнения донных отложений были проведены: 1) оценка поступления ТМ с атмосферными выпадениями в зимнее время за период эксплуатации МКАД; 2) оценка запасов ТМ в донных отложениях; 3) определение коэффициентов α', устанавливающих связь между запасами загрязнителей в снежном покрове и донных отложениях; 4) расчет содержаний ТМ в потоке рассеяния по предложенному уравнению; 5) сопоставление расчетных данных с фактическими.

Расчеты поступления ТМ на основе оценки современных выпадений у МКАД проводились в полосе шириной 200 м общей площадью 1,85 км², прилегающей к руслу. Принятый подход обусловлен тем, что в лесных ландшафтах равнин только на прилегающих к руслам участках, занимающих не более 10% от общей площади бассейна, таяние снега приводит к формированию преимущественно поверхностного стока (ƒ_T, Василенко и др., 1985). Поверхностный сток с остальной части водосбора составляет 20-40% от общего количества осадков, аккумулированных в снежном покрове, и поступление с ним взвешенных форм загрязнителей, осаждающихся по мере движения к руслу из временных водотоков на почвы, может рассматриваться как незначительное.

В основу расчетов поступления ТМ были положены оценки современных пылевых выпадений в полосе, прилегающей к МКАД. Общее поступление загрязнителей с выпадениями в зимнее время за 40 лет эксплуатации МКАД (табл.9) было определено с учетом динамику загрязнения снежного покрова (см. табл.6).

Таблица 9. Количества загрязняющих веществ, аккумулированных снежным покровом в полосе, прилегающей к руслу р.Ички, за период эксплуатации МКАД
Период эксплуатации, годы	Пыль, т	Cu, кг	Zn, кг	Pb, кг	Ni, кг	Mo, кг	Ag, кг
1965-1985	177	37	125	41	57	0,69	0,12
1985-1995	117	23	116	37	38	0,86	0,09
1995-2005	180	32	123	26	12	0,96	0,39
1965-2005	474	92	364	104	107	2,5	0,59

Для определения значений коэффициентов пропорциональности α', характеризующих долю пошедших на загрязнение донных отложений тяжелых металлов из их общего количества, аккумулированного снеге за период эксплуатации МКАД (40 лет), были проведены расчеты запасов загрязняющих веществ в аллювии. При общей протяженности загрязненного участка русла 8,1 км, его средней ширине 1,5 м, запасы загрязняющих веществ в слое опробования h = 5 см составили: Cu - 24 кг, Zn - 323 кг, Pb - 17 кг, Ni - 19 кг, Mo - 1,8 кг, Ag - 0,11 кг. Значения коэффициентов пропорциональности для четырех химических элементов (Cu - 0,26, Pb - 0,16, Ni - 0,18, Ag - 0,18) характеризуются незначительным разбросом: α' =0,20 0,05.

<Избыток> накопленных в донных отложениях Zn (α' =0,89) и Mo (α' =0,72) обеспечивается за счет коррозии оцинкованной металлической сетки, которой выложены дно и берега реки на отдельных участках русла. По результатам анализа фракции < 0,25 мм было выявлено уменьшение средних концентраций Zn - в 2,3 раза, Mo - в 1,3 раза по сравнению с фракцией < 1 мм, в то время как для остальных ТМ отношения содержаний близки к единице (0,9-1,1). Полученные данные свидетельствуют, что значительная часть накопленных в донных отложениях Zn и Mo заключена в агрегатах 1-0,25 мм, образующихся при коррозии оцинкованной сетки.

Исходя из полученных результатов, среднее значение коэффициента пропорциональности α =0,2, определенное для Pb, Cu, Ni, Ag, было принято при расчетах концентраций в техногенных потоках рассеяния Zn и Mo.

Расчеты концентраций химических элементов в донных отложениях на основе предложенного уравнения проводились по данным подсчетов их суммарной аккумуляции (за период 1965-2005 гг.) в снежном покрове элементарных площадок, соответствующих ближайшим точкам опробования донных отложений в русле реки.

При расчетах поступления продуктов эрозии почв были приняты значения: Δh=0,01 мм для условий равнинного рельефа (Соловов, 1990), r=0,1 для площади бассейна р.Ичка (Алексеевский, Чалов, 1997), d =1,5 т/м³ (средняя плотность почв).

Расчетное количество материала склоновых отложений (почв), поступивших в русло за 40 лет эксплуатации МКАД, составило 1080 т. За этот же период из выпадений, депонированных снежным покровом, на формирование слоя аллювия при α' =0,2 пошло около 95 т пыли. Вклад пылевых выпадений в формирующийся слой аллювия составляет около 8% ( k_x =0,09) и при расчетах им можно пренебречь.

За рассматриваемый промежуток времени в 40 лет произошло накопление слоя аллювия Δh_al мощностью около 40 мм (для средней ширины русла 1,5 м), что позволяет провести расчеты содержаний в слое опробования (h=5 см) при ДΔh_al/h =0,8 и сопоставление полученных результатов с фактическими (по данным 2003, 2005 гг.).

Кривые распределения элементов-загрязнителей, построенные по расчетным данным и результатам анализа донных проб, сглаженных окном в три точки, свидетельствуют о последовательном возрастании концентраций вниз по течению реки на всем интервале зоны влияния МКАД (рис.10).

Сопоставление расчетных и фактических данных показывает, что средние концентрации Cu, Pb, Ni, Ag, полученные расчетным путем, характеризуются незначительными отклонениями от фактических (не выходят за пределы 10%). Отношения средних расчетных и фактических надфоновых содержаний по указанным элементам находятся в диапазоне 0,7-1,2. Близкие соотношения расчетных и фактических содержаний для Zn и Mo (0,8-1,1) получены для фракции < 0,25 мм.

При современных нагрузках и соответствующих им скоростях накопления аллювия (1 мм/год) формирование слоя донных отложений, равного по мощности слою опробования (h=5 см), произойдет в течение ближайших 10 лет.

В течение этого периода по расчетным данным произойдет незначительное увеличение концентраций тяжелых металлов в донных отложениях (в 1,1 - 1,3 раза), после чего их рост в слое опробования 5 см прекратиться, если нагрузки на магистрали не превысят средние за предшествующий период наблюдений.

Наблюдаемые на графиках превышения расчетных концентраций над измеренными на одних интервалах русла и измеренных над расчетными на других имеют локальное значение и связаны с особенностями строения речной долины: подпруженных участков со слабым течением, на которых происходит избирательная аккумуляция элементов, и непротяженных интервалов с более сильным течением в местах сужений русла, где преобладает избыточный вынос.

Предложенная модель позволяет оценить динамику загрязнения донных отложений реки Ички за счет выпадений, аккумулированных в снежном покрове в зоне влияния транспортной магистрали от начала ее эксплуатации.

Расчеты загрязнения проводили: а) по средним нагрузкам за период эксплуатации МКАД; б) по современным нагрузкам на транспортной магистрали.

Результаты расчетов показывают, что поступление загрязнителей из снежного покрова при нагрузках, соответствующих средним за период эксплуатации МКАД, приводит к достижению минимально-аномальных значений в слое опробования по Zn, Pb и Ag - через 30 лет, по Ni - через 50 лет. Для Сu и Mo минимально-аномальный уровень в донных отложениях превышен не будет.

При расчетах по современным нагрузкам, которые выше средних за прошедший период по Cu, Zn, Mo - в 1,4-1,5 раза, по Ag - в 2,6 раз; равны им по Pb и ниже в 2,3 раза по Ni, минимально-аномальный уровень содержаний в слое опробования будет превышен для Ag, Zn, Pb, Cu и Mo - примерно через 10, 20, 30, 40 и 50 лет соответственно. Поступление Ni не приведет к превышению минимально-аномального уровня в донных отложениях.