Фоновые концентрации веществ в речных водах таёжной зоны Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2010. № 334.

Фоновые концентрации веществ в речных водах таёжной зоны Западной Сибири

Предложена и обоснована методика определения фоновых концентраций веществ в речных водах. Выполнена ее апробация на примере средних рек таежной зоны Западной Сибири. Получены фоновые значения рН и ХПК, концентрации Ca, Mg, Na+K, HCO3, SO4, Cl, NH4, Si, Fe в речных водах региона. Выявлены зависимости между значениями гидрохимических показателей, гидрологическими и морфометрическими характеристиками водосборов, пригодные для оценки фонового химического состава неизученных рек региона.

Background concentration of substances in river waters of the taiga zone of Western Siberia.pdf Решение целого ряда фундаментальных и приклад-ных проблем геоэкологии и геохимии предполагает определение «фоновых» концентраций растворенных и взвешенных веществ в речных водах. В частности, без соответствующих сведений невозможны объективное выявление природных и антропогенных геохимических аномалий, оценка фактического и допустимого воздей-ствия хозяйственной деятельности на окружающую среду и прогноз изменения состояния ее компонентов. Фоновая концентрация Сф химического вещества в по-верхностных водах - это «расчетное значение концен-трации химического вещества в конкретном створе вод-ного объекта, расположенном выше одного или несколь-ких контролируемых источников этого вещества, при неблагоприятных условиях, обусловленных как естест-венными, так и антропогенными факторами воздействия» [1. С. 5]. Соответственно, она принимается как статисти-чески обоснованная верхняя доверительная граница воз-можных средних значений концентраций этого вещества, вычисленная по результатам гидрохимических наблюде-ний для наиболее неблагоприятных гидрологических ус-ловий или наиболее неблагоприятного в отношении каче-ства воды периода (сезона) в годовом цикле за последние 1-3 года [2].По мнению автора, указанное определение не рас-крывает сущности геохимических процессов, проте-кающих в водных объектах, и не позволяет выстроить непротиворечивую методологию определения фоновых концентраций, особенно в отсутствии сети режимных гидрохимических наблюдений. Во-первых, как показа-но многими исследователями [3, 4], между гидрохими-ческими и гидрологическими показателями в целом существует определенная связь: например, при увели-чении расхода воды обычно наблюдается снижение минерализации речных вод. Колебания водности могут наблюдаться не только в течение года, но и за много-летний период. При этом возможны ситуации, когда фоновая концентрация вещества, вычисленная за пери-од с пониженной водностью, применяется в годы с по-вышенным водным стоком или наоборот. Следова-тельно, оценка допустимого антропогенного воздейст-вия на водный объект будет искусственно занижена или завышена.Во-вторых, указанный выше подход сложно ис-пользовать в геохимических исследованиях с учетом требований [5], поскольку в этом случае определение интегральной характеристики эколого-геохимического состояния объекта - суммарного показателя загрязнен-ности Zc - за относительно длительный период наблю-дений может приводить к результатам, хаотически ме-няющимся во времени (Zc = Ъ(С/Сф - (Nэ - 1), где С и Сф - фактическая и фоновая концентрации вещества в компоненте окружающей среды; Nx - количество случаев, когда значение С больше Сф в % раз.В-третьих, чтобы выполнить условия, изложенные в [2], применительно к неизученным водотокам, необходимо провести цикл гидрохимических наблюдений: в течение одного года - не реже раза в месяц; в течение двух лет - не менее шести раз в год; в течение трех лет - не менее четырех раз в год (с равномерным освещением разных фаз водного режима). Однако фактически подобные требования не осуществимы в современных условиях конкурсного выполнения изыскательских и проектных работ, как правило, в весьма ограниченные сроки.Общий подход к определению фоновых концентрацийС учетом указанных обстоятельств ранее автором был предложен подход к определению фоновых концентраций как характеристики равновесного состояния системы «речные воды - донные отложения - речные наносы - атмосферный воздух». Его подробное обоснование приведено в [6]. Здесь лишь отметим ключевые положения. Во-первых, колебания концентраций вещества C в момент времени t относительно некоего устойчивого состояния С0 при ряде допущений описываются уравнениемkгде k и X - удельные скорости изменения концентрации вещества и изменения расхода воды; Qt - расход воды в момент времени t; Q0 - расход воды, соответствующий С0.Во-вторых, это устойчивое состояние соответствует условно равновесному состоянию системы «вода - порода», сформировавшемуся под влиянием природных и антропогенных факторов за статистически однородный период. Состояние системы в целом неравновесно, но отдельные ее части квазиравновесны и имеют термодинамические параметры, время изменения которых больше времени релаксации в этих частях и намного меньше времени, за которое устанавливается равновесие во всей системе. В отдельной малой подсистеме протекает L химических реакций, которые можно объединить в одну суммарную реакцию, описываемую выражениемAGT =RT\ Јln Пi -lnK0 ,(2)169(3)где AGT и К0 - общее изменение свободной энергии системы и суммарная константа равновесия при заданной температуре Т; Пi - суммарное произведение активностей компонентов, участвующих в каждой из реакций (L+1 - количество веществ, участвующих в суммарной реакции). Используя упрощенное уравнение Дебая-Хюккеля для описания связей между активностью иона и его концентрацией, выражение (2) для искомого вещества CX может быть преобразовано к виду [6]:ln Cx ab0 -1bj ln Cjгде LX - количество учитываемых веществ; b0, bj - константы.В-третьих, величина С0 может быть определена как среднее геометрическое в предположении, что вероятность величины ln C стремится к 1/M. Тогда для математического ожидания логарифма концентрации рассматриваемого вещества Е(ln C) допустимо выражениеE(ln Cx)=b0-'Јbj- E(ln Cj).(4)jВ-четвертых, условно равновесное состояние системы «вода - порода» фактически и является фоновым. Соответственно, фоновая концентрация представляет собой математическое ожидание в сложившихся при-родно-антропогенных условиях и при наличии данных наблюдений может быть рассчитана как среднее геометрическое за статистически однородный период продолжительностью достаточной, чтобы охватить несколько циклов маловодных и многоводных лет, т.е. не менее 10-12 лет.При отсутствии подобных данных предлагается предварительно провести поиск региональных зависимостей фоновых концентраций исследуемых веществ от гидрологических и гидрохимических показателей.Разработка методики подобного поиска и собствен-но оценка фоновых концентраций макрокомпонентов, азота аммонийного, кремния, железа, величины хими-ческого потребления кислорода (ХПК) речных вод та-ежной зоны Западной Сибири и представляет собой цель рассматриваемой работы.Исходные данные и методика исследованияОбъектом исследований являются средние реки (с площадью водосборов от 2 000 до 50 000 км2). Адми-нистративно водосборы исследуемых рек расположены в основном в пределах Томской области. Исключение составляют реки Тара и Большой Юган. Морфометри-ческие и гидрологические характеристики рек приве-дены в табл. 1, схема размещения пунктов гидрохими-ческих наблюдений - на рис. 1. Расчет нормы речного стока выполнен автором по данным Росгидромета с момента начала наблюдений до 2007 г. Подземная со-ставляющая стока в период с апреля по ноябрь вычис-лена путем линейной интерполяции между среднеме-сячными расходами воды в марте и декабре. В прочие месяцы речной сток принимался тождественным под-земному. Морфометрические характеристики рек и их водосборов приняты согласно [7].Гидрохимическая информация получена на сети Росгидромета, а также в процессе многолетних иссле-дований, выполненных при непосредственном участии и/или под руководством автора в Томском филиале Института геологии и геофизики нефти и газа СО РАН, ОАО «Томскгеомониторинг» и Томском политехниче-ском университете. Лабораторные работы выполнялись в аккредитованных гидрохимических лабораториях Томского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, ОАО «Томскгеомониторинг» и ТПУ по аттестованным методикам.Морфометрические и гидрологические характеристики исследуемых рек таежной зоныТ а б л и ц а 1РекаПунктF, км2J, /»fоз, %fбол, %fлес, %Нб, мM г, л/(с·км2)л/(с·км2)Qподз/ Qг, %АндармаПанычево23300,26135601303,060,6822БакчарГореловка66100,15140501202,720,6022Большой ЮганУгут221000,0613560806,491,5023ВасюганСредний Васюган317000,07240581105,001,1723ИксаПлотниково25600,14149501302,710,207КенгаЦентральный74400,11140501203,261,0733КетьМаксимкин Яр384000,14110801606,292,1234ПарбигВеселый91000,14125651203,181,0533ПайдугинаБерезовка65000,23130651307,683,0039ПарабельНовиково179000,08140591204,171,2630ТараМуромцево164000,09

Ключевые слова

фоновые концентрации, речные воды, гидрохимические процессы, таежная зона, Западная Сибирь, background concentration, river waters, hydrochemical processes, taiga zone, Western Siberia

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Савичев Олег ГеннадьевичТомский государственный университетдоцент, доктор географических наук, профессор кафедры минералогии и геохимии геолого-географического факультетаOSavichev@mail.ru
Всего: 1

Ссылки

Lasaga A.C. Fundamental approaches in describing mineral dissolution and precipitation rates // Reviews in Mineralogy. Chemical Weathering Rates of Silicate Minerals / Mineralogical Society of America. 1995. Vol. 31. P. 23-86.
Савичев О.Г. Математическая модель формирования среднемноголетнего макрокомпонентного состава речных вод в условиях их антропогенного загрязнения // Инженерная экология. 2000. № 5. С. 37-46.
Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. 2-е изд. М.: Недра, 1998. 366 с.
Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. М.: Наука, 1996. 256 с.
Савичев О.Г., Колоколова О.В., Жуковская Е.А. Состав и равновесие донных отложений р. Томь с речными водами // Геоэкология. 2003. № 2. С. 108-119.
Основные гидрологические характеристики. Т. 15: Алтай, Западная Сибирь и Северный Казахстан, вып. 1: Верхняя и Средняя Обь. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 488 с.
Савичев О.Г. Метод оценки допустимых антропогенных изменений химического состава поверхностных вод // Известия Томского политехнического университета. 2005. № 4. С. 51-55.
Справочник по гидрохимии / Под ред. А.М. Никанорова. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 392 с.
Требования к производству и результатам многоцелевого геохимического картирования масштаба 1: 200 000. М.: ИМГРЭ, 2002. 92 с.
Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат. 444 с.
Методические указания. Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков: РД 52.24.622-2001. М.: Росгидрометслужба, 2001. 68 с.
Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей / Утверждена приказом МПР России от 17.12.2007 г. № 333. М.: МПР России, 2007. 37 с.
 Фоновые концентрации веществ в речных водах таёжной зоны Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2010. № 334.

Фоновые концентрации веществ в речных водах таёжной зоны Западной Сибири | Вестн. Том. гос. ун-та. 2010. № 334.

Полнотекстовая версия