Interrelations between the chemical composition of sediments 6 and surfaces waters in mouth areas of the Mekong river (V.pdf Введение Исследование устьевых областей больших рек представляет значительный научный интерес с точки зрения изучения геохимических и геоэкологических условий в водных объектах и их водосборах и закономерностей их пространственно-временных изменений [Михайлов и др., 1999]. Общее представление о механизмах смешения речных и морских вод может быть получено в рамках концепции А.П. Лисицына о маргинальных фильтрах океанов. В соответствии с ней в относительно узкой зоне смешения происходят флокуляция и коагуляция речных наносов, биоассимиляция и биофильтрация, образование малорастворимых соединений железа и алюминия, сорбция на них и на осаждающихся речных наносах растворенных и коллоидных форм, в результате чего на таких участках откладывается 93-95 % взвешенных и 20-40 % растворенных веществ, выносимых в море с речным стоком [Лисицын, 1994]. Указанная концепция подтверждается материалами наблюдений за геохимическим состоянием устьевых областей рек Северной Евразии, результатами экспериментальных работ и математического моделирования процессов смешения морских и речных вод [Савенко, 1999; Гордеев, 2009; Савенко, Грамм-Осипов, Марьяш, 2009; Савенко, Покровский, Кожин, 2011; Лазарева и др., 2017]. Тем не менее ряд вопросов остался недостаточно раскрытым. В частности, не всегда очевиден механизм взаимодействия между поверхностными водами и донными отложениями в зоне смешения речных и морских вод, что негативно отражается на эффективности мероприятий по использованию и охране природных ресурсов в ряде регионов мира, в том числе в преде- © Савичев О.Г., Гусева Н.В., 2018 DOI: 10.17223/25421379/7/5 лах дельты одной из крупнейших рек мира - Меконга [Хоанг, 1990; Hart et al., 2001; Nguyen, Savenije, 2006; Hoa et al., 2007]. В пределах водосбора этой реки, соответствующего участкам территории Китая, Лаоса, Мьянмы, Тай-ланда, Камбоджы и Вьетнама, проживают более 50 млн человек. Соответственно, неизбежно происходит изменение миграционных циклов химических элементов, в результате которого, например, вероятно загрязнение поверхностных вод и донных отложений, которые могут использоваться для сельскохозяйственного производства в дельте Меконга (донные отложения как грунт, поверхностные воды - для полива). С учетом интрузии соленых морских вод это несет определенные социально-экономические риски, что обусловливает актуальность изучения процессов формирования химического состава поверхностных вод и донных отложений, а также разработки методов оперативного и экономически обоснованного обнаружения геохимических аномалий и планирования мероприятий по управлению качеством поверхностных вод и донных отложений. В одной из последних работ по этой теме Фунг Тхай Зыонгом [Фунг, 2015] на основе статистического анализа данных геохимических наблюдений был предложен способ индикации повышенных концентраций ряда микроэлементов (Cu, Pb, Cd, As, Hg) в донных отложениях дельты Меконга по величине рН поверхностных вод. В данной работе рассмотрены обоснование и уточнение этого способа. Объект и методика исследований Дельта Меконга площадью 46 700 км2 имеет сложное строение в виде двух комплексов рукавов - Тиензанг и Хаузанг [Михайлов, Аракельянц, 2010; Фунг, 2015]. В составе последнего комплекса выделяется наиболее крупный рукав - Хамлуонг, который и является основным объектом исследований. Исходной информацией послужили результаты отбора проб поверхностных вод и донных отложений в рукаве Хамлуонг на участке от 75 до 4,2 км от морского края дельты (рис. 1), приведенные в [Савичев, Фунг, 2014; Фунг, Савичев, Нгуен, 2015]. Информация о промерных работах на рукаве Хамлуонг в створах 72; 49,5; 14 и 1 км от морского края дельты взята из работы [Тон, 2013], а данные об измеренных уровнях и расходах воды Меконга в створе Тан Чау - на сайте The Mekong River Commission [http://archive.iwlearn.net/mrcmekong.org]. Более подробная геохимическая и гидрологическая информация приведена в [Фунг, 2015]. Рис. 1. Схема расположения исследуемого участка дельты реки Меконг и промерных створов (1-4) по данным [Тон, 2013; Фунг, 2015] Fig. 1. The layout of an arrangement of a researched site of delta of the river Mekong and premeasured cross-sections (1-4) on the data [Tong, 2013; Phung, 2015] Методика исследования включала в себя разработку, апробацию и анализ математической модели трансформации. Модель основана на аналитическом решении одномерного стационарного уравнения диффузии (1): дс п д^С , ч v-Tx = D'-* + рР + ( (1) где C - концентрация вещества в поверхностных водах; x - пространственная координата; v - скорость течения; D - коэффициент гидродисперсии; pp и ( - функции, описывающие, согласно [Jacob, 1997; Лехов, 2010], изменение концентрации вещества в результате реакций растворения - осаждения и сорбции - десорбции по формулам (2) и (3) соответственно: Pp=kp' (Ср - С)' (2) ^s = ks-(S-kc- С), (3) кр = fcp'Oi • fi(Т) + кР'02 • /2 (vaL' DaL), (4) kc = kCi0-f3(T)-(Sm-S)' (5) Sm=Sm'0 • ft(T'PH)' (6) где Cp - значение, ориентировочно соответствующее условно равновесному состоянию, а в случае смешения морских и речных вод - концентрации вещества в морских водах; S - концентрация вещества в твердой фазе донных отложений; kp - коэффициент мас-сообмена, пропорциональный некоторым постоянным значениям kp,01 и kp 02 при определенных значениях температуры воды Tf, средних на участке (протяженностью L) значениях скорости течения vaLf и коэффициента гидродисперсии DaLf, а также функциям f1 и f2, описывающим отклонения фактических значений температуры воды, скорости течения и коэффициента гидродисперсии от Tf, vaLf, DaLf соответственно (4); ks - коэффициент сорбционного обмена; kc - коэффициент, характеризующий соотношение сорбции и десорбции в зависимости (5) от некоторого постоянного значения kc,0 при определенных значениях температуры воды Тс, функции f3, описывающей отклонение фактических значений температуры воды от Тс, а также разности между сорбционной емкостью донных отложений Sm и концентрацией вещества S; сорбционная емкость Sm (6), в свою очередь, определяется некоторым постоянным значением Sm0, характерным для определенного минерального и химического состава донных отложений с учетом активных центров сорбции и ионного обмена в виде глинистых минералов, гидроокисей металлов и гуминовых веществ, состояние которых приближенно описывается функцией f [Lasaga, 1995; White, 1995; Крайнов, Рыженко, Швец, 2004; Nguyen, Savenije, 2006; Robinson et al., 2006]. С учётом указанных обозначений уравнение (1) принимает вид (7), а решение последнего - (9) [Lo^ks, Van Beek, 2005; Benedini, Tsakiris, 2013]. Частное решение (7) при существенном преобладании скоростей процессов сорбции и десорбции, растворения и осаждения, ионного обмена по сравнению с адвективно-диффузионным переносом соответствует уравнениям (10), (11), которые при малых значениях kp и kpCp и kp=1 переходят в уравнение Лэнгмюра: D' J^+ks' S + кР'0 ' Ср-кг • с = 0' (7) kr = ks • кс0 • f2 • (Sm0 • /3 - S) + кР' (8) С = Се + (С0- Се) • 4-kr-DaL1 х-VaL 2-D, ехр aL с = ■ , ks' hep' /з" (Sm~S)+kp' кс.о' /з' ' S = ■ 1- 11 + (9) (10) , (11) l+kc.o'/з 'С ' V У где C0 - начальное значение концентрации вещества, принимаемое в случае изучения смешения морских и речных водах равным концентрации в речных водах (в створе 75 км от морского края дельты); kr -удельная скорость трансформации вещества в результате процессов растворения и осаждения, сорбции и десорбции, ионного обмена (8). Коэффициенты kp, ks, kc учитывают температуру среды и условия контакта между водными массами, взвешенными и влекомыми наносами, донными отложениями, что определяет индивидуальные особенности структуры функций f1 и f2 применительно к конкретному водному объекту. Аргументами функции /1 обычно являются величины, характеризующие турбулентный обмен через абсолютные и / или относительные значения средней скорости течения и коэффициенты гидродисперсии [Мелиорация... 1988; Справочник... 1989]. Значения скорости течения и глубины рукава Хамлуонг в створах проведения промерных работ [Тон, 2013] определялись по зависимостям от расхода воды, который был принят по состоянию на 01.01.2013 г. в размере 932 м3/с. Уклон водной поверхности принят в размере 0,008 м/км [Фунг, 2015]. В прочих створах скорость и коэффициент гидродисперсии оценивались путем интерполяции между значениями в промерных створах. Коэффициент гидродисперсии ориентировочно принят, согласно А.В. Караушеву [Караушев, 1969], по формулам: "" (12) (13) d = vA Д7 _ Мщ' Сщ ш _ , Мш = \°'7-Сш + в; 10 0,36, ,)2 где Zm и Zs - измеренные и вычисленные значения величины Z; Zma - среднее измеренное значение величины Z. Результаты исследования и их обсуждение Апробация модели (9) проведена по данным, полученным Фунг Тхай Зыонгом в январе 2013 г. об удельной электропроводности поверхностных вод и водной вытяжки из донных отложений, содержаниях Cu и Pb в поверхностных водах и кислотной вытяжке из донных отложений рукава Хамлуонг в 75,0; 70,0; 64,5; 57,2; 44,5; 41,6; 35,0; 28,0; 20,5; 15,2; 9,2 и 4,2 км от морского края дельты [Фунг, Савичев, Нгуен, 2015]. Значения Cp для удельной электропроводности определены по данным о солености прибрежных морских вод и зависимости между соленостью и удельной электропроводностью по данным [Океанология... 1979; An Assessment... 2008; Chen et al., 2010], а для меди и свинца - подбором. Анализ полученных результатов показал, во-первых, возможность использования системы уравнений (1-16) для описания изменения физико-химических и геохимических показателей состояния водных объектов в зоне смешения речных и морских вод в дельте Меконга (табл. 1, рис. 2-4). При этом следует отметить, что получено лучшее приближение к результатам измерений (по рукавам Диньан, Чаньде, Кочьен), чем с использованием решений упрощенного стационарного уравнения адвективного переноса [Nguyen, Savenije, 2006]. Во-вторых, удовлетворительное соответствие вычисленных значений измеренным достигается уже при допущении незначительного адвективно-диффузионного переноса (10), (11). Применение уравнения (9) не приводит к существенному улучшению результатов вычислений (табл. 1). Таблица 1 Значения показателя качества моделирования NS (17) Values of a parameter of quality of modelling NS* (17) Table 1 Условия моделирования Удельная электропроводность Концентрация меди Концентрация свинца Поверхностные воды без учета адвективно-диффузионного переноса 0,99 0,85 0,59 Поверхностные воды с учетом адвективно-диффузионного переноса 0,99 0,85 0,59 Вытяжка из донных отложений* 0,89 0,66 0,51 Примечание. * расчет показателя проводился для створов в 72,0-4,2 км от морского края дельты; соответственно, вычисленные значения в створе 75 км от морского края дельты на рис. 2-4 не приведены; ** удельная электропроводность водной вытяжки, а концентрации Cu и Pb - в кислотной. Note: * calculation of a parameter was carried out for cross-sections at 72.0-4.2 kms from sea edge of delta; accordingly, the calculated values in створе 75 kms from sea edge of delta on fig. 2-4 are not resulted; ** specific electric conductivity of a water extract, and concentration Cu and Pb - in acid extract. В-третьих, наибольшие значения показателя NS достигаются при допущении f3 =1 и определении значений kp, Sm по формулам вида (18), (19): кр _ кр01 • exp (273^5+r) + кр,02 • (" - , (18) Sm_Sm^PHb^Tb2, (19) где kp,T, kp,v,D, b1, b2 - эмпирические коэффициенты. По результатам сравнения расчета концентраций в вытяжках из донных отложений по уравнению (11) при расчетных значениях kp, b1 и варианте, когда kp=b1=0, можно предположить, что рН определяет для меди и общего содержания растворенных солей по удельной электропроводности 71-72 % массы сорбированного вещества в донных отложениях, а для свинца - более 90 %. Сопоставление результатов расчета геохимических и гидравлических характеристик также показало, что сорбционная емкость Sm в целом возрастает с увеличением не только рН, но и коэффициента шероховатости nr (20), (21), причем нами отмечены примерно одинаковые тенденции возрастания значений рН и nr по мере приближения к морскому краю дельты (рис. 5), а в работе [An assessment... 2008] - обратная зависимость значений рН и содержаний растворенного алюминия (можно предположить, что при этом возрастает содержание Al в коллоидной и взвешенной форме, что согласуется с увеличением содержания взвешенных наносов и общим увеличением значений nr): Sm(Cu) = 43,945 • n°'089; NS = 0,53, (20) (Pb) = 20,606 • n°'513; NS = 0,76. (21) Указанные факты свидетельствуют о преобладании процессов осаждения и соосаждения (с сорбцией компонентов на осаждающихся частицах глинистых минералов и некоторых малорастворимых ор-ганометаллических соединений), что в целом соответствует результатам термодинамических расчетов, выполненных по результатам полевых и лабораторных работ на рукаве Хамлуонг в январе 2014 г., и хорошо согласуется с концепцией маргинального фильтра [Лисицын, 1994]. В частности, в работе [Савичев, Фунг, 2014] было показано, что поверхностные воды в дельте Меконга в целом недонасыщены относительно первичных алюмосиликатов и незначительно пересыщены относительно кварца и соединений кальция и магния с гуминовыми кислотами, причем по мере приближения к морю отмечается уменьшение их недонасыщенности относительно карбонатных минералов (или даже незначительное пересыщение). 250,0 о О о 0 1 ч о ш о С 0 m ,0 25,0 50,0 Расстояние от морского края дельты, км 0 75,0 b Рис. 2. Изменение измеренных (I) и вычисленных (II) значений удельной электропроводности поверхностных вод (а) и водной вытяжки из донных отложений (b) по длине рукава Хамлуонг Fig. 2. Change of measured (I) and calculated (II) values of specific electric conductivity of surfaces waters (а) and a water extract from channel sediments (b) on length of the Ham Luong channel 0,09 х _0 I н о 0 1 X Ф со 0,07 m 2 it m I x -1 го к d s о U m 0,05 X Ф J о 0,03 25,0 50,0 0 75,0 Расстояние от морского края дельты, км а 40 * я т ы ш 35 30 I i * ле i * * о и Е ZS о О х 5 £ 20 о25 рд е j н о ,0 25,0 50,0 Расстояние от морского края дельты, км b Рис. 3. Изменение измеренных (I) и вычисленных (II) концентраций Cu в поверхностных водах (а) и водной вытяжки из донных отложений (b) по длине рукава Хамлуонг Fig. 3. Change of measured (I) and calculated (II) values of Cu-concentration in surfaces waters (а) and a water extract from channel sediments (b) on length of the Ham Luong channel 75,0 Уменьшение скоростей течения потока у морского края дельты приводит к снижению его транспортирующей способности и отложению наносов [Vu et al., 2016], сопровождающемуся увеличением сорб-ционной емкости донных отложений, времени взаимодействия частиц наносов и донных отложений с водой (время осаждения частиц в целом возрастает с уменьшением их размера и гидравлической крупности) и сорбции компонентов раствора, особенно тех, которые находятся в равновесии с минералами наносов и донных отложений или в состоянии пересыщения. При этом следует отметить, что достаточно резкое увеличение удельной электропроводности водной вытяжки из донных отложений на участке около 40-50 км от морского края дельты (рис. 2, b) сопровождается появлением обратной зависимости между удельной электропроводностью и модулем средней по вертикали пульсационной скорости w (рис. 6), вычисленной, согласно [Караушев, 1969], по формуле (22): w = (22) где v - средняя скорость течения; величина Nm определяется по формуле (13). 0,045 X _0 X н о 0 1 X Ф СО ш 2 о 5- I 0,015 х х -1- го к ет J ш го I s м о н >s т о и н 6 ■ л е с и * к о m лт .Q о 4 ■ CL X я ы и н j н а о р д 2 т CO н и е е к * J н о я т ы m 0 ,0 25,0 50,0 Расстояние от морского края дельты, км II I 75,0 Рис. 4. Изменение измеренных (I) и вычисленных (II) концентраций Pb в поверхностных водах (а) и водной вытяжки из донных отложений (b) по длине рукава Хамлуонг Fig. 4. Change of measured (I) and calculated (II) values of Pb-concentration in surfaces waters (а) and a water extract from channel sediments (b) on length of the Ham Luong channel 8,4 0,12 о о i-

Скачать электронную версию публикации