Ecogeochemical condition of surface waters in Katun River basin (Gorny Altai).pdf Около 4-5% стока всего обского бассейна приходится на р. Катунь, при слиянии которой с р. Бия и образуется р. Обь. В свою очередь существенная часть годового стока р. Катунь в ее верхнем течении (до 5% в створе с. Малый Яломан) формируется за счет таяния ледников и многолетних снежников [1], что определяет актуальность исследований эколого-геохимического состояния реки и условий формирования ее стока в пределах ни-вально-гляциальной зоны. В настоящее время имеется ряд публикаций, в которых, по данным Росгидромета, выполнена общая характеристика химического состава речных вод [2] и выделены экорегионы, отражающие пространственные особенности условий формирования качества речных вод [3], по данным государственного мониторинга недр и экспедиционных исследований ряда организаций оценены гидрогеохимические условия [47], установлены особенности химического состава вод некоторых ледников и малых рек [8-11]. Тем не менее общая непротиворечивая картина распределения пространственно-временных изменений химического состава снеговых, ледниковых и речных вод непосредственно в бассейне р. Катунь до сих пор отсутствует. С учетом этого авторами с 1997 г. проводится систематическое исследование эколого-геохимического состояния Катуни и ее притоков, результаты которого частично опубликованы в [12-16]. В данной работе выполнено обобщение этих материалов и предпринята попытка выявить механизмы формирования качества речных вод и гидравлически с ними связанных подземных вод на основе концепции эволюции системы вода - порода. Исходная информация и методика исследований Исследование выполнено на основе данных Росгидромета (посты Сростки и Тюнгур на р. Катунь) и собственных материалов, полученных авторами во время экспедиционных работ (ТФ ИГНГ СО РАН, ТГУ, ТПУ) в 1997-2012 гг. совместно с Ю.К. Нарожным, Р.Ф. Фахрут-диновым, В. С. Кусковским, С. Л. Шварцевым, Е.В. Дом-рочевой. Объектами исследований послужили р. Катунь на участке от с. Малый Яломан до с. Верхкатунское, рр. Чуя, Сема, Урсул, Чибит, Бельгумень, Тюнгур, Актру, ледники Водопадный, Левый и Малый Актру, а также воды четвертичных отложений и зоны трещиноватости отложений кембрийского возраста. Исследования проводились с учетом требований [17] и включали: 1) полевые работы по отбору и консервации проб речных и ледниковых вод для дальнейшего определения их химического состава в аккредитованной гидрогеохимической лаборатории Томского политехнического университета (ТПУ), соединений органических микропримесей - в Институте химии нефти СО РАН; определение в полевых условиях концентраций быстро-изменяющихся компонентов; 2) обобщение и статистический анализ полученных материалов. После отбора проб и размещения их в специально подготовленной посуде проводилась их консервация, определение рН, температуры воды, удельной электропроводности, содержания растворенного углекислого газа, NH4+, NO2-, CO32-, железа общего и транспортировка в стационарные лаборатории с учетом требований [18-20]. Отбор проб льда проводился из слоя 0,40,6 м от поверхности ледника. Таяние льда осуществлялось при комнатной температуре. При определении гидрохимических и геохимических показателей в стационарной лаборатории ТПУ использовались следующие методы: рН, F- - потенциометриче-ский; SO42-, - турбидиметрический; Ca2+, Mg2+, HCO3-, Cl-, бихроматная окисляемость (Б.О.), перманганатная окисляемость (ПО), гуминовые кислоты (ГК), фульво-кислоты (ФК), СО2 - титриметрический; соединения азота, фосфаты, Si, Fe - фотометрический; Al - флуори-метрический; Na+, K+ - пламенно-эмиссионная спектрометрия; Zn, Pb, Cu, Cd, Cr, Li, Hg, Bi - атомная абсорбция, инверсионно-вольтамперометрический [21]. В Институте химии нефти СО РАН проводился хроматомасс-спектро-метрический анализ органического вещества исследуемых вод с помощью квадрупольного хромато-масс-спектрометра R-10-10C фирмы «Nermag». Анализ данных предполагал исключение нехарактерных (экстремально высоких) значений, оценку средних арифметических значений, погрешностей их определения и средних квадратических отклонений, проверку различных выборок на однородность с использованием критериев Фишера, Стьюдента и Уилкоксона согласно [22]. В случаях когда концентрации веществ были меньше предела обнаружения, при расчете статистических характеристик, согласно [23], использовались значения, равные половине предела обнаружения. Результаты исследования и их обсуждение Величина pH, минерализация и макрокомпоненты. Величина pH является важным показателем эколого-геохимического состоянии вод, от которого, в частности, зависит развитие и жизнедеятельность водных организмов, устойчивость форм миграции химических элементов и соединений и степень неравновесности вод относительно подстилающих пород и речных наносов. В соответствии с принятыми в Российской Федерации нормативными документами значения рН не должны выходить за пределы диапазона 6,5-8,5. Для р. Катунь и ее притоков в целом нарушения установленного диапазона в последние годы не отмечены, а воды, согласно классификации, приведенной в [24], относятся к нейтральным и слабощелочным, по [25] - к нормальным (см. табл. 1, 2). В весенне-летний период (по мере увеличения притока снеготалых и ледниковых вод) возможны значения рН менее 6,5-7,0, что и наблюдается в истоках горно-ледниковых рек, например в истоках р. Актру (табл. 1). По величине минерализации (в соответствии с классификацией О. А. Алекина) речные воды относятся к категории с очень малой, малой (преимущественно) и средней (в зимний период) минерализацией (согласно [25] - пресные ксеногалобные и среднеминерализованные), по химическому составу - к гидрокарбонатным кальциевым, реже - к гидрокарбонатным натриевым. Ледниковые воды - обычно с очень малой минерализацией (согласно О.А. Алёкину [26]) или пресные ксеногалобные (по [25]). Минерализация и содержание отдельных макрокомпонентов в водах р. Катунь и ее притоков и тем более в ледниковых водах обычно намного меньше предельно допустимых значений. По сравнению с подземными водами верхней гидродинамической зоны (в среднем пресными средней минерализации, преимущественно гидрокарбонатными кальциевыми) воды р. Катунь и ее притоков содержат растворенные соли в 2-3 раза меньше, ледниковые воды - в 10 раз и более (см. табл. 1, 2). В пространственной динамике минерализации вод р. Катунь в среднем и нижнем течении существенных изменений не прослеживается [2]. Объясняется это, как было показано в [27], прежде всего тем, что химический состав вод и гидрохимический сток большой реки не являются простой суммой вкладов отдельных источников, а зависят от общих условий взаимодействия в системе вода - органическое вещество - порода, в том числе от времени и площади контакта речных вод с наносами, донными отложениями и атмосферным воздухом. Биогенные вещества. Под биогенными веществами понимались соединения азота, фосфора и кремний. По имеющимся данным, в речных водах (а также подземных водах четвертичных отложений) в районе исследований достаточно часто отмечается нарушение рыбохо-зяйственных нормативов по содержанию нитрит-ионов, ионов аммония и фосфатов (нормативы для оли-готрофных водных объектов), что предопределило оценку качества вод, согласно [25], в диапазоне от «чистых ксено- и олигосапробных» до «загрязненных аль-фамезосапробных». В большинстве изученных случаев эти факты связаны не с загрязнением исследуемых объектов сточными водами, а с природными факторами, в частности с трансформацией органического вещества в лесных ландшафтах и последующим выносом образующихся продуктов в речную сеть, а также с очень высокой способностью талых вод растворять частицы горных пород и тем самым способствовать созданию лучших условий для развития микрофлоры (следовательно, и увеличению в водной среде органического вещества и продуктов его трансформации). В то же время повышенные (относительно рыбохозяйственных нормативов) концентрации нитрит-ионов и ионов аммония в водах р. Катунь у с. Сростки и подземных водах четвертичных отложений у населенных пунктов могут быть связаны и с трансформацией органических веществ антропогенного происхождения, поступающих в реку в основном из диффузных источников. Органические вещества. При изучении органических веществ (ОВ) были рассмотрены косвенные показатели бихроматной и перманганатной окисляемости и концентрации конкретных органических соединений (фульво- и гуминовые кислоты, углеводороды, фенолы, карбоновые кислоты). В случае использования косвенных показателей качество речных вод, согласно [25], оценивается в среднем как «загрязненное альфа- или бетамезосапробное», согласно [24], - в диапазоне от «загрязненных» до «грязных», что объясняется отбором значительной части проб в летний период с повышенной водностью и, соответственно, усиленным выносом органического вещества с поверхности водосборов и долин. Содержание фульво- и гуминовых кислот в среднем не превышает 2 мг/дм3. Это существенно меньше соответствующих показателей для р. Обь на участке ее среднего течения [28], что связано со значительно меньшей заболоченностью водосборов и более интенсивным водообменом. Тем не менее геоморфологическое строение речных долин даже в высокогорных районах предполагает возможность естественного накопления органического вещества и продуктов его трансформации, а также периодического выноса органических и биогенных веществ в речную сеть в периоды повышенной водности. Нельзя отрицать и влияние антропогенных факторов, связанное в рассматриваемом регионе прежде всего с атмосферным переносом. В частности, именно с антропогенным влиянием связывается содержание в водах р. Актру и ледниковых водах фталатов и хлорорганиче-ских соединений (см. табл. 3). Железо и микроэлементы. Концентрации железа и микроэлементов в речных, ледниковых и подземных водах рассматриваемой территории изменяются в очень широком диапазоне (см. табл. 1, 2). Нарушение установленных рыбохозяйственных нормативов по содержанию Fe, Cu, Zn, Al, Hg отмечено в значительной части проб, как и по всему бассейну р. Обь [12, 27, 28]. Этот факт в определенной степени связан с выносом указанных и ряда других элементов, с одной стороны, из коренных пород, почвогрунтов и с подземными водами, взаимодействие которых с твердым веществом происходит в течение более длительного, чем в случае речных вод, времени. С другой стороны, наличие в истоках горных рек Алтая талых, сильно ненасыщенных относительно большинства минералов и органоминеральных соединений вод предполагает возможность резкого увеличения в водной среде концентраций целого ряда веществ [16], что хорошо подтверждается данными о содержании железа и алюминия в сети ледники Актру - р. Актру - притоки р. Катунь -р. Катунь (табл. 1, 2). Т а б л и ц а 1 Осредненные показатели химического состава поверхностных вод в бассейне р. Катунь по данным исследований ТПУ и ТГУ (1997—2012 гг.) Показатель Притоки р. Катунь р. Актру Ледники Актру A N A N A N рН 7,7 6 7,8 10 5,4 7 мг/дм3 Сумма главных ионов 152,7 6 102,6 10 21,3 8 Ca2+ 30,3 6 19,3 10 2,3 8 Mg2+ 2,9 6 3,0 10 0,5 8 Na+ 4,3 6 1,0 10 0,6 8 K+ 0,8 6 1,1 10 0,3 8 HCO3- 101,7 6 57,5 10 14,0 8 CO32- 0,0 6 2,8 10 0,0 8 SO42- 9,8 6 16,0 10 1,0 8 Cl- 2,8 6 1,9 10 2,6 8 NO3- - - 0,66 9 1,24 3 NO2- 0,02 6 0,01 9 0,01 3 NH4+ 0,09 6 0,07 9 0,09 3 PO43- 0,01 1 0,06 3 0,04 3 Si 4,79 6 4,56 10 0,46 8 БО, мгО/дм3 - - 3,50 3 - - ПО, мгО/дм3 - - 1,70 10 - - ФК - - 1,32 3 1,02 3 ГК - - 0,77 3 1,30 3 мкг/дм3 F- 160 6 65 10 39 8 Fe (общее) 550 6 2311 10 329 7 Li - - 3,1 10 3,5 8 Hg - - 0,38 4 0,25 7 Zn - - 14,7 10 44,7 8 Cd - - 0,1 10 0,3 8 Pb - - 2,4 10 0,9 8 Cu - - 3,5 10 1,7 8 Al - - 814 9 135 4 Ba - - 22,0 3 - - Bi - - 0,071 3 0,001 6 Бактерии, кл/мл Сапрофиты, всего - - 102550 3 75240 3 Олиготрофные - - 2667 3 16250 3 Аммонифицирующие - - 367 3 55 3 Нитрифицирующие - - 34 3 1000 3 Денитрифицирующие - - 0 3 5 3 Тионовые - - 0 3 0 3 Сульфатвосстанавливающие - - 4417 3 4525 3 Примечание. БО - бихроматная окисляемость; ПО - перманганатная окисляемость; ФК - фульвокислоты; ГК - гуминовые кислоты; А - среднее арифметическое; N - объем выборки. Т а б л и ц а 2 Среднемноголетний химический состав вод р. Катунь по данным государственного мониторинга поверхностных и подземных вод, исследований ТПУ и ТФ ИГНГ СО РАН (1997-2012 гг.) Показатель р. Катунь -с. Сростки1 р. Катунь - участок от с. Мал. Яломан до с. Веркатунское2 Подземные воды чет- "3 вертичных отложении Подземные воды зоны трещинова-тости кембрийских отложений3 A N A N A N A N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 рН 7,3 41 7,6 8 8,04 70 7,73 152 (мг/дм3) Сумма главных ионов 97,6 41 122,4 8 286,7 71 308,8 152 Ca2+ 18,5 41 23,0 8 42,3 71 38,8 152 Mg2+ 2,9 41 3,3 8 9,8 71 12,0 152 Na+ 3,6* 41 2,0 8 17,8 71 15,1 152 K+ 0,4* 41 1,0 8 2,3 71 1,5 152 HCO3- 64,3 41 81,8 8 177,6 71 200,5 152 CO32- Н.д. - 1,2 8 Н.д. - Н.д. - SO42- 10,9 41 8,2 8 24,9 71 21,2 152 Cl- 1,0 41 1,9 8 12,0 71 19,7 152 NO3- 1,797 29 1,22 8 5,034 68 Н.д. - NO2- 0,026 29 0,01 8 0,162 68 Н.д. - NH4+ 0.477 29 0,06 8 0.102 63 Н.д. - PO43- 0,117 29 0,03 8 0,016 29 Н.д. - Si Н.д. - 2,68 8 4,32 51 3,63 150 БО4, мгО/дм3 5,76 29 4,67 3 Н.д. - Н.д. - ПО4, мгО/дм3 Н.д. - 2,15 7 1,50 55 Н.д. - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ФК4 Н.д. - 1,95 4 Н.д. - Н.д. - ГК4 Н.д. - 0,60 4 Н.д. - Н.д. - (мкг/дм3) F- Н.д. - 70 5 230 46 250 150 Fe (общее) 217 29 740 8 33 24 210 152 Li Н.д. - 5,0 7 Н.д. - Н.д. - Hg Н.д. - 0,22 6 0,12 16 0,05 150 Zn Н.д. - 10,0 8 Н.д. - Н.д. - Cd Н.д. - 0,1 5 Н.д. - Н.д. - Pb Н.д. - 2,0 8 Н.д. - Н.д. - Cu Н.д. - 3,5 8 Н.д. - Н.д. - Al Н.д. - 508,3 6 142,6 39 36,3 150 Ba Н.д. - 22,7 3 Н.д. - Н.д. - Bi Н.д. - 0,071 3 Н.д. - Н.д. - Бактерии (кл/мл) Сапрофиты, всего Н.д. - 9363 4 Н.д. - Н.д. - Олиготрофные Н.д. - 1025 4 Н.д. - Н.д. - Аммонифицирующие Н.д. - 278 4 Н.д. - Н.д. - Нитрифицирующие Н.д. - 300 4 Н.д. - Н.д. - Денитрифицирующие Н.д. - 25 4 Н.д. - Н.д. - Тионовые Н.д. - 0 4 Н.д. - Н.д. - Сульфатвосстанавливающие Н.д. - 9800 4 Н.д. - Н.д. - 1 Обобщение данных Росгидромета в том числе данные, приведенные в [12]. 2 Обобщение данных [14, 15] и неопубликованных материалов ТПУ и ТФ ИГНГ СО РАН. 3 Обобщение данных [14, 15], неопубликованных материалов государственного мониторинга геологической среды [6, 7], данных ТПУ, ТФ ИГНГ СО РАН. Т а б л и ц а 3 Концентрации органических микропримесей в поверхностных водах в бассейне р. Катунь в августе 1998 г. Показатель р. Катунь - п. Муны р. Актру - перевалка Исток р. Актру (Большой Актру) Парафины C10:C20 Не обнаружено (н/о) 0,237 0,088 Парафины C21:C34 6,275 1,179 0,119 Изопарафины Н/о 0,041 н/о Нафтены 0,761 0,544 0,280 Ароматические углеводороды 0,236 0,174 0,053 Фенолы 0,012 0,007 0,005 Насыщенные карбоновые кислоты 3,613 1,461 0,142 Ненасыщенные карбоновые кислоты 0,380 Н/о 0,035 Фталаты 219,295 1,753 0,630 Хлорорганические соединения Н/о 0,045 0,015 Микрофлора речной воды. Сапрофиты развиваются, используя отмерший органический материал. Соответственно, их содержание может использоваться в качестве косвенного показателя как накопления органики, так и общей интенсивности биогеохимических процессов в водно-наземных экосистемах речного водосбора. В изученных пробах поверхностных вод концентрации сапрофитов изменяются в среднем от 9363 кл/мл в водах р. Катунь до 102 550 кл/мл в водах р. Актру (см. табл. 1), в подземных водах - в среднем 13 425 кл/мл [13]. Данный факт, как и приведенные выше данные об относительно повышенном содержаний целого ряда веществ в талых водах, служит еще одним подтверждением наличия общего механизма формирования эколого-геохимического состояния горных рек Алтая как последовательной цепи «реакторов», в которых происходит достаточно бурное растворение минералов и появление субстрата для развития микрофлоры, затем (или одновременно) увеличение численности микрофлоры и продуктов ее деятельности, а также уменьшение содержания растворенного вещества за счет образования малорастворимых соединений и сорбции микроэлементов на частицах наносов [29]. Олиготрофные бактерии способны развиваться при низких концентрациях органического вещества, что в целом характерно для горных водных экосистем, в том числе и на рассматриваемой территории, где их содержание в среднем не превышает нескольких тысяч или десятков тысяч клеток в миллилитре воды. Примерно такой же уровень содержания (или меньше) характерен и для ряда других групп микроорганизмов, например, для сульфатвосстанавливающих, тионовых, аммонифицирующих, нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий (см. табл. 1, 2). Средние значения соответствующих показателей подземных вод верхней гидродинамической зоны чаще всего выше, чем для поверхностных вод (олиготрофные бактерии - 37 925 кл/мл, денитрифицирующие - 78 кл/мл, аммонифицирующие -5825 кл/мл [13]), что объясняется более благоприятными условиями для развития изученных представителей микрофлоры при замедленном водообмене. Заключение Эколого-геохимическое состояние поверхностных вод в бассейне р. Катунь в целом характеризуется как удовлетворительное и формируется преимущественно под влиянием природных факторов. Основные черты механизма формирования эколого-геохимического состояния поверхностных вод заключаются в следующем: 1) в горно-ледниковых районах происходит многолетнее накопление атмосферных осадков в виде снега и льда, а по всей рассматриваемой территории - сезонное; 2) в период таяния сезонных снегов в весенний период и осеннее межсезонье и ледников в весенне-летний период происходит поступление в речную сеть большого количества пресных и ультрапресных вод, способных растворять большое количество минералов и ор-ганоминеральных соединений [29]; при этом в водной среде увеличивается содержание биогенных и иных веществ, способствующих развитию микрофлоры, в результате чего возрастает содержание органического вещества и продуктов его трансформации; 3) по мере увеличения времени взаимодействия воды с минералами и органоми-неральными соединениями происходит стабилизация химического состава воды на фоне: 3.1) выведения из раствора малорастворимых соединений и сорбции микроэлементов на частицах наносов; 3.2) поступления в русловую сеть подземных вод, большее время взаимодействовавших с горными породами и потому более минерализованных; 4) в результате выпадения интенсивных дождей и аномальных процессов формирования снегового покрова, а следовательно, образования и последующего поступления в речную сеть пресных и ультрапресных вод происходит эпизодическое дополнительное отклонение от гидрохимического «фона», являющегося, как было показано в [30], функцией состояния в системе вода - порода - органическое вещества в рамках всего бассейна. Влияние антропогенных факторов на качество поверхностных вод в бассейне р. Катунь, и особенно в горно-ледниковых районах, связано с атмосферным переносом веществ антропогенного и природно-антропогенного происхождения. Кроме того, возможно локальное загрязнение речных и подземных вод органическими и биогенными веществами у населенных пунктов.

Скачать электронную версию публикации