Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

АНАЛИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ МЕТОДИК ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РЕК

Коновалова Э.Е. 1
1 Российский университет дружбы народов
В настоящее время в нашей стране не принята единая методика оценки содержания химических веществ в донных отложениях. В последние десятилетия антропогенная нагрузка на реки существенно возросла. Содержащиеся в воде тяжелые металлы накапливаются в донных отложениях. В результате донные отложения могут становиться источником вторичного загрязнения воды. Поэтому разработка соответствующей методики для оценки их качества является важной и актуальной задачей. В данной статье рассмотрены две методики оценки донных отложений рек на содержания тяжелых металлов в них, разработанные в Германии и США. Это метод индекса геоаккумуляции, созданный в Германии, и способ оценки загрязненности донных отложений по сравнительной шкале, принятый в США. При расчете индекса геоаккумуляции предлагается сравнивать содержание тяжелых металлов в отобранных пробах донных отложений с их фоновым содержанием. При оценке с помощью сравнительной шкалы используются нормативы, утвержденные агентством по охране окружающей среды США. В итоге сформулированы достоинства и недостатки рассмотренных методов. В результате проведенного исследования можно рекомендовать количественный метод Мюллера индекса геоаккумуляции к применению на территории России.
загрязняющие вещества
тяжелые металлы
донные отложения
индекс геоаккумуляции
водный объект
1. Даувальтер В.А. Геоэкология донных отложений озер /В.А. Даувальтер. – Мурманск, МГТУ, 2012. – 242 с.
2. Караушев А.В. Теория и методы расчета речных наносов. / А.В.Караушев. - Л.,Гидрометеоиздат, 1977. – 270 с.
3. Коломийцев Н.В., Щербаков А.О., Мюллер Г. Методика исследования загрязнения рек Московского региона тяжелыми металлами // Жизнь Земли. - 1997.- № 30.- С. 164-171.
4. Методика интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов в условиях природного и техногенного воздействия. Дисс.канд.геогр.наук / Т.В.Соколова – Воронеж, ВГУ, 2015. – 154 с.
5. Методологические особенности оценки экологического состояния донных отложений искусственно созданных водных объектов. /И. И. Косинова, Т. В. Соколова.// Вестник ВГУ. Серия:Геология. – 2015. - №3 – С. 113-121.
6. Методология экспериментального и натурного изучения процессов аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложениях водохранилищ и озер. Отчет по 1 этапу / К.А. Болдырев // М., ЗАО «ДАР/ВОДГЕО», 2012. – 311 с.
7. Оценка степени загрязненности донных отложений водного объекта тяжелыми металлами на примере Аксаковского залива Пяловского водохранилища. / С.О.Новиков, О.Я. Маслова // III Ежегодная Всероссийская научно-практическая конференция «Исследования и разработки - 2016». – 2016.
8. Содержание и распределение химических элементов в донных отложениях рек Башкирского Зауралья. / Л.Г. Алибаева, А.Ю. Кулагин // Вестник Удмуртского университета, 2013. – Вып.1.- С.3-7.
9. Содержание тяжёлых металлов в донных отложениях реки Енисей в районе Красноярска. / Д.В.Дементьев, А.Я.Болсуновский и др. //Известия Томского политехнического университета.– 2015. – Т.326. -№5 – С.91-95
10. Таловская А.В. Оценка воздействия на компоненты природной среды: лабораторный практикум / А.В. Таловская, Л.В. Жорняк, Е.Г. Язиков. – Томск, ТПУ, 2014. – 88 с.

Актуальность работы обусловлена тем, что донные отложения водных объектов способны активно аккумулировать загрязняющие вещества, в том числе тяжелые металлы, в связи с чем, они являются первичным фактором загрязнения всей водной экосистемы. Вторичное загрязнение возможно в связи с последующими процессами перераспределения тяжелых металлов в структуре донных отложений и, как следствие, нарушением равновесия системы «вода - донные отложения». В результате чего равновесное существование бентосного сообщества будет нарушено, за счет которого и происходят процессы самоочищения водного объекта.

Введение

Для донных отложений водных объектов характерна способность накапливать химические элементы, которые попадают в воду в результате антропогенного воздействия. Используя определенные методы оценки, можно получить обобщенные данные по экологическому состоянию всей территории водосбора водного объекта, а также видах производств, расположенных на ее территории. Содержание тяжёлых металлов в воде значительно ниже, чем их концентрации в донных отложениях. В донных отложениях высокие значения концентраций тяжёлых металлов негативно сказываются на биоте рек, которые в процессе своей жизнедеятельности активно аккумулируют из среды своего обитания токсичные химические соединения, что представляет опасность для качества вод, а, соответственно, и для человека [7].

В России на данный момент не существует единой методики по оценке в донных отложениях содержания тяжёлых металлов. Практическая значимость исследования заключается в том, чтобы, изучив зарубежные критерии оценки качества донных отложений [2-5], разработанные для собственных условий существования водных объектов, рекомендовать к применению на территории России методику, которая позволит быстро и достоверно получать информацию о состоянии водных и биологических ресурсов.

Метод индекса геоаккумуляции.

Количественный метод Г. Мюллера разработан в Германии[8-10]. Данная оценка загрязнения тяжелыми металлами донных отложений водных объектов по Мюллеру основывается на разработанной международной ассоциацией исследователей IAWR классификации загрязнения воды.

По формуле 1 вычисляют индекс геоаккумуляции Igeo. При расчете учитывают концентрации тяжелых металлов в донных отложениях тонкозернистых фракций (< 20 мкм) (С) и геохимические фоновые значения (Сф) в иловых или глинистых отложениях

Igeo = (1)

где С – концентрация химического элемента в составе донных отложений, полученная в результате измерений, или валовая;

Cф – геохимическое фоновое значение концентрации химического элемента, который определяют в результате специальных исследований, учитывая особенностей рассеивания элемента n в данном регионе;

1.5 – коэффициент, учитывающий различные варианты природных концентраций химического элемента.

Выделяют 7 ступеней загрязнения (таблица 1).

Таблица 1

Индекс геоаккумуляции Igeo тяжелыми металлами в донных отложениях и индекс качества воды по данным IAWR[1]

Значение индекса геоаккумуляции Igeo

Класс геоаккумуляции

Уровень загрязненности донных отложений

> 0

0

Практически незагрязненный

> 0-1

1

Незагрязненный до умеренно загрязненного

> 1-2

2

Умеренно загрязненный

> 2-3

3

Средне загрязненный

> 3-4

4

Сильно загрязненный

> 4-5

5

Сильно загрязненный до чрезмерно загрязненного

> 5

6

Чрезмерно загрязненный

 

Для оценки концентраций основных металлов используют данные по значениям по Igeo классам (таблица 2)

Таблица 2

Соответствие Igeo классам концентраций распространенных металлов, мг/кг [1]

Элемент,

%

Igeo классы

0

1

2

3

4

5

6

Fe

7,1

14,2

28,3

56,6

> 56,6

 

 

Mn

1275

2550

5100

10200

20400

40800

> 40800

Cd

0,5

0,9

1,8

3,6

7,2

14,4

> 14,4

Zn

142,5

285

570

1140

2280

4560

> 4560

Pb

30

60

120

240

480

960

> 960

Cu

67,5

135

270

540

1080

2160

> 2160

Ni

102

204

408

816

1632

3246

> 3246

Cr

135

270

540

1080

2160

4320

> 4320

Hg

0,6

1,2

2,4

4,8

9,6

19,2

> 19,2

 

При использовании данной методики можно с помощью Igeo класса определить классификационные показатели экологического состояния донных отложений и оценить в донных отложениях содержание тяжелых металлов, по полученным значениям выявить участки с максимальными концентрациями загрязняющих веществ.

Таким образом, классификация Мюллера позволяет оценить уровень антропогенной нагрузки на водные экосистемы, обнаружить участки рек с повышенным содержанием тяжелых металлов, составить прогноз дальнейшего развития экологической ситуации на изучаемой территории, оценить миграции загрязняющих веществ, а также определить эффективные мероприятия по защите природных объектов.

Недостатки данного метода заключаются в том, что нельзя дать комплексную оценку уровня загрязнения водного объекта, так как оценки уровня загрязненности осуществляют отдельно по каждому элементу.

Оценка загрязненности донных отложений по сравнительной шкале (США).

В США USEPA [1] разработан собственный метод оценки донных отложений по содержанию тяжелых металлов в них [7].

Путем сравнения фактического присутствия в донных отложениях тяжелых металлов с нормативами USEPA (табл.3) можно быстро определить качество исследуемого водного объекта.

Таблица 3

Уровень загрязнения донных отложений согласно нормативам USEPA [7]

Уровень загрязнения

Содержание тяжелых металлов, мг/кг

Hg

Cr

Cd

Cu

Pb

Zn

Незагрязненные

< 1

< 25

-

< 25

< 40

< 90

Умеренно загрязненные

-

25-75

-

25-50

40-60

90-200

Сильно загрязненные

> 1

> 75

> 6

> 50

> 60

> 200

 

Достоинством данного метода является оперативный результат установления уровня загрязнения в исследуемом водном объекте донных отложений. К недостаткам можно отнести тот факт, что нельзя получить интегральную оценку экологического состояния донных отложений исследуемого водоема, если физико-географические условия местности значительно отличаются от условий Северной Америки, то и геохимический фон не будет соответствовать нормативам USEPA.

Кроме того, USEPA был предложен следующий метод оценки качества донных отложений [6].

На основе статистической обработки данных были установлены предельные значения содержания тяжелых металлов в исследуемых донных отложениях: допустимый минимум или пороговое значение (TEC) и допустимый максимум (PEC). В таблицах 4,5 приведены согласованные значения ТЕС и РЕС, рекомендованные к сравнительному анализу концентраций тяжелых металлов в донных отложениях исследуемого водного объекта.

Таблица 4

Концентрации тяжелых металлов в пресноводных системах по уровням загрязнения на основе ТЕС [6]

Тяжелый металл

Минимально допустимое содержание (ТЕС)

Возможный уровень воздействия

Минимальный уровень влияния

Порог минимального влияния

Уровень минимального влияния

Пороговый уровень влияния для амфиподы Hyalella Azteka

Согласованное ТЕС

TEL

LEL

MET

ERL

TEL-HA28

As

6

6

7

33

11

10

Cd

0,6

0,6

0,9

5

0,6

1

Cr

37,3

26

55

80

36

43,4

Cu

35,7

16

28

70

28

31,6

Pb

35

31

42

35

37

35,8

Hg

0,2

0,2

0,2

0,2

-

0,2

Ni

18

16

35

30

20

22,7

Zn

123

120

150

120

98

121

 

Таблица 5

Концентрации тяжелых металлов в пресноводных системах по уровням загрязнения на основе РЕС [6]

Тяжелый металл

Максимально допустимое содержание (PEL)

Пороговый уровень

Уровень серьезного влияния

Предел токсического влияния

Средняя медиана влияния

Максимально допустимый уровень влияния для амфиподы Hyalella Azteka

Согласованное PEL

PEL

SEL

TET

ERM

PEL-HA28

As

17

33

17

85

48

33

Cd

3,5

10

3

9

3

5

Cr

90

110

100

145

120

111

Cu

197

110

86

390

100

149

Pb

91,3

250

170

110

82

128

Hg

0,5

2

1

1,3

-

1

Ni

36

75

61

50

33

48,6

Zn

315

820

540

270

540

459

 

Чтобы оценить загрязнение тяжелыми металлами как поликомпанентное, предлагается получить значения путем деления на РЕС, затем суммировать их и разделить на число использованных в расчете веществ[6].

Заключение

1. Донные отложения рек активно аккумулируют тяжелые металлы. В результате они могут как первичным, так и вторичным фактором загрязнения всей водной экосистемы, что связанно с процессами перераспределения загрязняющих веществ в донных отложениях. И как следствие, ухудшаются условия существования бентоса водной экосистемы, а, соответственно, и их равновесие.

2. В России в настоящее время не существуют единые стандарты в отношении качества донных отложений. В области экологического нормирования качества донных отложений существуют зарубежные методики.

3. Количественный метод Мюллера индекса геоаккумуляции, который вычисляется по формуле с учетом концентрации тяжелых металлов в донных отложениях и геохимических фоновых значений в иловых или глинистых отложениях. Данный метод путем по полученному значению индекса геоаккумуляции позволяет установить уровень загрязнения донных отложений исследуемого водного объекта. Недостатком является отсутствие комплексной оценки воздействия тяжелых металлов на водный объект.

3. В США разработаны нормативов USEPA. В результате сравнения с ними полученных данных о концентрации тяжелых металлов в исследуемых водных объектах, можно оперативно оценить уровень загрязнения донных отложений. К недостаткам данного метода можно отнести то, что оценка состояния донных отложений водоема в физико-географических условиях местности, значительно отличающейся от условий Северной Америки, будет не достоверна, так как геохимический фон территорий не идентичен.

4. В результате проведенного исследования можно рекомендовать количественный метод Мюллера индекса геоаккумуляции к применению на территории России. Метод нормативов USEPA (США) для условий РФ не подходит. Поэтому требуется разработка общероссийской системы нормативов, которые бы позволили быстро и достоверно получать информацию о состоянии водных и биологических ресурсов.


[1] Агентство по охране окружающей среды (U.S. Environment Protection Agency)


Библиографическая ссылка

Коновалова Э.Е. АНАЛИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ МЕТОДИК ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РЕК // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 6.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=18282 (дата обращения: 15.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252