Исследование распределения тяжелых металлов (ТМ) между водой и донными отложениями в системах, подверженных антропогенному воздействию, представляет интерес, поскольку при этом может происходить как самоочищение водоемов, так и их вторичное загрязнение. Сложность таких превращений делает невозможным прогноз поведения только на основе эмпирической информации. Термодинамическое моделирование в системе "вода - донные отложения" может обеспечить большую достоверность прогнозов.

Цель работы - разработка термодинамической модели миграции ТМ в системе "вода - донные отложения" при воздействии антропогенных факторов.

В качестве объекта моделирования была выбрана маленькая река Ичка, протекающая по северо-восточной окраине г.Москвы. На своем пути она дважды (дугой) пересекает трассу Московской кольцевой автодороги (МКАД). Во время снеготаяния с полотна МКАД в реку поступают компоненты противогололедных препаратов - до 2002 г. - техническая соль (NaCl), а с 2002 г. - ХКМ (хлористый кальций модифицированный), и тяжелые металлы (ТМ). Результатом многолетнего функционирования МКАД является изменение режима реки на данном участке. В период весенних половодий минерализация речной воды поднимается до 2 г/л, а состав меняется от естественного гидрокарбонатно-кальциевого к хлоридно-натриевому, а с 2002 г. к хлоридно-кальциево-натриевому типам. Одновременно обнаруживаются и повышенные содержания ТМ (Zn до 400 мкг/л). До настоящего времени отсутствуют данные о влиянии противогололедных реагентов на поведение металлов в водоемах.

Разработанная термодинамическая модель на основе синтеза равновесного и динамического подходов позволяет осуществлять прогноз изменения миграционной подвижности ТМ при антропогенном воздействии.

Термодинамическая составляющая модели. Природная система "вода - донные отложения" рассматривалась как многокомпонентная гетерогенная система, состоящая из водного раствора и трех твердых фаз - сорбентов (глинистых минералов, органического вещества, гидроксидов Fe). В водном растворе было учтено присутствие 83 ионов и комплексов, в том числе органических комплексов с фульво-, и гуминовыми кислотами макрокомпонентов и Zn, Cu, и Pb. В качестве механизма перехода элементов из раствора в сорбенты рассматривался ионный обмен. Для описания сорбентов была принята идеальная модель смешения. Все термодинамические расчеты выполнялись с помощью программного комплекса HCh.

Динамическая составляющая модели. Для описания динамической составляющей использован метод многоволнового ступенчатого реактора (МПСР) [1]. Согласно этому методу модель представляет собой проточный ступенчатый реактор из 10 ступеней, содержащих заданное количество твердой фазы. В каждой ступени реактора, на каждом шаге моделирования рассчитывалось термодинамическое равновесие речной воды с осадком. Затем результирующий раствор полностью переносился на последующую ступень. Динамическая модель реализована при условии, что один цикл равен 1 году и время прохождения одной порции через реактор ~1 неделя. Первые 4 порции раствора (моделирование весеннего половодья) поступает паводковая "грязная" вода, последующие 50 (остальной год) - меженная летняя вода.

Для реализации предложенной схемы моделирования использована новая технология "открытости сверху", разработанная Ю.В.Шваровым для пакета HCh for Windows. В MS Excel разработан специальный макрос (на языке Visual Basic), выполняющий расчет динамической составляющей модели. На каждом шаге расчета макрос обращается к программе Gibbs, входящей в пакет HCh, как объекту технологии OLE Automation, для расчета равновесного состояния системы.

Модель была рассчитана в 2-х вариантах: с составом речной воды по состоянию на 1999 г. (когда на МКАД использовалась техническая соль) и 2006 г. (после перехода на хлористый Ca). В модели были учтены изменения расходов реки во времени и вдоль русла. В обоих вариантах моделирования получено, что в донных отложениях реки Zn способен образовывать более протяженные аномалии, а Pb и Cu - более контрастные вблизи от источника загрязнения. Полученная картина распределения металлов в осадках согласуется с натурными данными по загрязненности отложений р. Ички, в которых аномалии Pb и Cu обнаружены вблизи районе обоих пересечений с МКАД, а аномалия Zn прослеживается вдоль всего русла.

Сравнение результатов расчета показало, что смена состава противогололедных реагентов, с технической соли на ХКМ влияет на распределение Zn и Pb в осадках. Аномалии этих металлов станут более протяженными, но менее контрастными.

Литература
1. Гричук Д.В. Термодинамические модели субмаринных гидротермальных систем. М., Научный мир, 2000, 304 с.