Соколова Олеся Владимировна
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
|
содержание |
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.
| 
