Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эколого-геохимическое состояние дельты реки Меконг (Республика Вьетнам) по результатам изучения донных отложений

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-геохимическое состояние дельты реки Меконг (Республика Вьетнам) по результатам изучения донных отложений"

На правах рукописи

Фунг Тхай Зыонг

ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛЬТЫ РЕКИ МЕКОНГ (РЕСПУБЛИКА ВЬЕТНАМ) ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗУЧЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

8 АПР 2015

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Томск - 2015

005566992

005566992

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор Савичев Олег Геннадьевич Официальные оппоненты:

Страховенко Вера Дмитриевна

доктор геолого-минералогических наук, Институт геологии и минералогии им. B.C. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГМ СО РАН, г. Новосибирск), ведущий научный сотрудник

Масленникова Анна Валерьевна

кандидат геолого-минералогических наук Институт минералогии Уральского отделения РАН (г. Миасс), научный сотрудник Ведущая организация:

ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет» (г. Томск)

Защита состоится 21 мая 2015 г. в 17 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.269.07 при ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 (корпус 20, ауд. 504).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (г. Томск, ул. Белинского, 55) и на сайте: http://portal.tpu.council/914/worklist

Автореферат разослан » /И,tz>l 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к. г.-м. н., доцент Л^./А- Л.В. Жорняк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Река Меконг является одной из крупнейших рек в мире. Она играет исключительно важную роль в социально-экономическом развитии всей Юго-Восточной Азии. Площадь водосбора этой реки составляет 795000 км2, а в его пределах выделяют участки верхнего и нижнего течения. Только в нижнем течении реки Меконг на площади 606000 км2 проживает около 53 млн человек. Особенно заметно влияние этой реки на жизнь людей на участке её нижнего течения в пределах Вьетнама, где протоки и рукава Меконга - одновременно и важнейшая транспортная артерия, и источник водоснабжения, и приёмник сточных вод промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых предприятий. В дельте Меконга в пределах Вьетнама решение социально-экономических проблем осложняется влиянием морских вод на водные и наземные экосистемы [Hoaetal., 2007; Overview..., 2005; The planning Atlas..., 2011].

Полноценная оценка эколого-геохимического состояния такого водного объекта должна включать исследование как поверхностных и подземных вод, так и донных отложений. Химический состав последних является важным показателем геоэкологического и геохимического состояния водных объектов и их водосборов, а соответствующие данные — необходимым информационным ресурсом при планировании и реализации природоохранных программ и мероприятий по комплексному использованию территорий, в том числе в сельскохозяйственных целях.

Необходимо отметить, что по водохозяйственному планированию и гидрохимии реки Меконг, особенно на участке её среднего течения, имеются значительные материалы, обобщённые в работах [Diagnostic..., 2007; An assessment of..., 2008; The Mekong..., 2010]. Имеется ряд работ и по геохимии и геоэкологии донных отложений рек региона, но в значительно меньшем объёме, недостаточном для объективного принятия управленческих решений по использованию и охране водных объектов в нижнем течении реки.

з

Всё это и обусловило цель исследования: исследование современного эколого-геохимического состояния дельты реки Меконг в пределах республики Вьетнам по результатам изучения донных отложений для управления водными и земельными ресурсами региона.

Для достижения цели были поставлены рассмотрены следующие задачи: 1) выявление основных особенностей химического состава и оценка качества донных отложений и поверхностных вод, формирующихся в дельте Меконга при смешении морских и речных вод; 2) выявление закономерностей изменения и условий формирования химического состава донных отложений рукавов и проток в дельте Меконга; 3) разработка рекомендаций по использованию донных отложений в отраслях экономию!.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являются донные отложения и воды в дельте реки Меконга. В процессе исследования использовались ландшафтно-геохимический, географо-гидрологический, статистический методы, методы химического анализа вод и донных отложений.

Исходные материалы. Использованы данные собственных исследований, выполненных совместно с сотрудниками университета Донгтхап (Вьетнам) и Томского политехнического университета в 2013— 2015 гг., материалы, полученные в рамках деятельности международной комиссии по бассейну реки Меконг, и опубликованные данные исследователей из Вьетнама, Великобритании, России и ряда других стран.

Научная новизна. Впервые выявлены закономерности изменения микроэлементного состава донных отложений в дельте Меконга в пределах Вьетнама, получена его общая характеристика и выполнена оценка вклада различных факторов в формирование содержания ряда токсичных микроэлементов. Установлено, что для Zn, Сё, Си, РЬ таким фактором является аккумуляция частиц наносов, в состав которых входят перечисленные элементы. Для Аэ и заметную роль также играют процессы сорбции микроэлементов на оседающих частицах и выведения из

4

водной среды малорастворимых соединений (суммарное влияние этих факторов для Аэ - 27 %, для Н£ - 31 %). Разработана методика оценки вклада различных факторов в формирование микроэлементного состава донных отложений в дельте больших рек, основанная на расчёте русловых деформаций. Предложен и обоснован способ экспресс-прогноза содержаний микроэлементов в донных отложениях дельты Меконга по величине рН поверхностных вод.

Достоверность результатов работы. Достоверность результатов исследования определяется: 1) использованием аттестованных методов химического анализа и выполнением определений в аккредитованных лабораториях университета Донгтхап (Вьетнам) и Томского политехнического университета (Российская Федерация); 2) использованием статистического и экспертного анализа данных наблюдений с учётом нормативных требований, принятых во Вьетнаме и Российской Федерации; 3) апробацией результатов исследования в процессе публикаций в рецензируемых научных журналах и докладов на научных конференциях.

Практическая значимость работы. Результаты исследования являются научной основой для: 1) планирования использования, воспроизводства и охраны земельных и водных ресурсов в дельте Меконга; 2) оптимизации сети государственного мониторинга водных объектов и геологической среды в бассейне реки Меконг; 3) прогнозов изменения состояния окружающей среды в дельте Меконга; 4) планирования мероприятий по развитию сельского и коммунального хозяйства на юге Социалистической республики Вьетнам; 5) разработки учебных курсов и проведении учебных занятий по геоэкологии, гидрохимии, геохимии, природообустройству в университетах Социалистической республики Вьетнам и Российской Федерации.

Апробация работы. Основные положения диссертации:

1) опубликованы в статьях в рецензируемых научных журналах, в том числе в трёх статьях в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ;

2) докладывались и обсуждались на конференциях: Всероссийская

5

конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (г.Томск, апрель, 2013); XVII Международный симпозиум (г. Томск, апрель, 2013); «Науки о земле: современное состояние» (г.Новосибирск, август, 2013); V межвузовская конференция (г.Москва, октябрь, 2013); конференция «Геология и полезные ископаемые четвертичных отложений» (Беларусь, апрель, 2014).

Личный вклад автора. Автором лично сформулированы защищаемые положения на основе анализа данных, значительная часть которых получена лично в 2013-2014 гг. В том числе, под руководством и при непосредственном участии автора были отобраны 23 пробы донных отложений и 23 пробы поверхностных вод в рукавах и протоках дельты Меконга и лично проведено определение микроэлементного состава в университете Донгтхап, проведены обобщение и анализ геохимических данных, на основе которых выявлены основные особенности химического состава донных отложений и вод в дельте Меконга и закономерностей его формирования в условиях значительной антропогенной нагрузки и смешения речных и морских вод.

Структура и объём диссертации. Диссертация объёмом в 101 страницу машинописного текста состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 131 наименования, содержит 41 рисунок и 23 таблицы.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, д.г.н., проф. Савичеву О.Г. Автор искренне благодарен за ценные замечания по содержанию работы и её апробации, помощь при выполнении химических анализов проф., д.г.-м.н. Попову В.К., проф. д.г.-м.н. Рихванову Л.П., проф., д.г.-м.н. Шварцеву С.Л., к.г.-м.н. Хващевской A.A., к.г.-м.н. Гусевой Н.В., Полтановой Л.М. и всему коллективу кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии и кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета, своим друзьям и коллегам в университете Донгтхап, Депртаменте науки и технологии провинции Бенче и Южном гидротехническом институте Вьетнама.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Первое защищаемое положение

Эколого-геохшшческое состояние донных отложений в дельте Меконга определяется совместным действием антропогенных и природных факторов и оценивается в целом как неудовлетворительное по содержанию Мп, 2п, Си, РЬ и As, увеличивающемуся по мере приближения к морю при смешении речных и морских вод и снижении средних скоростей течения, определяющих общие условия накопления наносов и концентрирования в отложениях ряда веществ.

Дельта Меконга занимает территорию площадью 46700 км2 [Михайлов, Аракельянц, 2010]. В соответствии с подходами, изложенными в [Михайлов, 1997], устьевое взморье Меконга характеризуется как открытое выдвинутое, а устьевой участок - как многорукавный с дельтой, сформированной преимущественно под влиянием приливов и волнения. Собственно дельта р. Меконг имеет сложное строение и представлена двумя комплексами рукавов - Тиензанг и Хаузанг. Первый из них (Хаузанг) включает три крупных рукава, а второй (Тиензанг) - шесть, среди которых наибольший по водности - рукав Хамлуонг. Именно этот рукав (Хамлуонг) и был основным объектом исследований, включавших отбор проб поверхностных вод и донных отложений на участке протяжённостью 77 км от устьевого взморья, в том числе: в январе 2013 г. - 12 проб; в январе 2014 г. - 3 пробы. Кроме того, в 2013 г. было отобрано 4 пробы донных отложений и поверхностных вод из проток рукава Хамлуонг (Сонг Бен Тре, Сонг Ба Три, Сонг Вам Нуок Тронг, Сонг Рач Cay) и 4 пробы - из других рукавов дельты р. Меконг - Кочьен и Кыадай (рис. 1).

Полевые работы выполнены Фунг Тхай Зыонгом при участии сотрудников университета Донгтхап (Вьетнам). Опробование поверхностных вод проводилось из слоя 0.3-0.4 м от поверхности, опробование донных отложений - из верхнего слоя около 0.2 м на расстоянии от берега: в рукавах - в 10-50 м; в протоках - в 5-10 м. Пробоподготовка включала: для донных

7

отложений - высушивание при температуре 25°С и измельчение до фракции с диаметром частиц до 0.5 мм; для поверхностных вод - фильтрацию через фильтр с диаметром пор 1.5 мкм. Лабораторные работы выполнялись в университете Донгтхап и Томском политехническом университете (ТПУ).

а) б)

Рис. 1. Район исследования в нижнем течении р. Меконг: а) пункты наблюдений в рамках программы "Mekong river commission": 1.1 — Тан Чау; 1.2 - Ми Тхуан; 1.3 - Кан Тхо; 2 - участок полевых исследований,

выполненных в январе 2013 и 2014 гг.; б) 1 - пункты отбора проб поверхностных вод и донных отложений в 2013 г. (1—20) и 2014 г. (1, 7, 11)

При определении гидрохимических и геохимических показателей использовались следующие методы: рН — потенциометрический; удельная электропроводность х - кондуктометрический; SO42" - турбидиметрический; Са:+, Mg2+, HCO-f, СГ, бихроматная окисляемость (БО), перманганатная окисляемость (ПО) - титриметрический; соединения азота, фосфаты, Si, Fe -фотометрический и ионная хроматография; Hg, As, Zn, Pb, Cu, Cd, Mn, Al, Na+, K+ - атомно-абсорбционный, инверсионно-вольтамперометрический, пламенно-эмиссионная спектрометрия. В донных отложениях определение рН, удельной электропроводности, перманганатной окисляемости и содержаний макрокомпонентов проводилось в водной вытяжке, микроэлементов - в кислотной. При сопоставлении полученных результатов

8

с опубликованными материалами других авторов [Diagnostic..., 2007; Буй Т.Н., 2011; Доан В.Ф., 2012; Тон Т.Х., 2013 и др.] использовались данные по постам Тан Чау (Tan Chau), Ми Тхуан (My Thuan) и Кан Тхо (Can Tho).

Воды изученных рукавов и проток на участке более 30 км от морского края дельты Меконга в соответствии с классификациями О.А. Алёкина относятся по минерализации к «пресным», по химическому составу - к гидрокарбонатным кальциевым (пост Тан Чау) и хлоридным кальциевым третьего типа (в 35 и 75 км от морского края дельты). По мере приближения к морю минерализация поверхностных вод увеличивается и на участке 4-10 км уже соответствует «солоноватым» водам. При этом изменяется и химический состав вод за счёт увеличения вклада С1" и Na+ (хлоридные натриевые воды второго типа). В целом, можно констатировать существенные изменения абсолютного и относительного содержаний главных ионов в водах рукавов и проток в дельте Меконга в зависимости от: 1) удалённости от её морского края; 2) приливов, оказывающих наиболее значительное влияние на участке около 40-50 км, слабое - до 60-65 км и более [Михайлов, 1997; Михайлов, Аракельянц, 2010]; 3) фазы водного режима. Наиболее резкие изменения приурочены к участку 35-42 км от морского края дельты (рис. 2).

По величине рН поверхностные воды обычно нейтральные и слабощелочные в пределах всей дельты (табл. 1), по жёсткости - от мягких в её верхней части до очень жёстких - в 4-10 км от морского края. Поверхностные воды содержат значительное количество соединений азота. Вследствие этого по классификации Водного агентства Франции, используемой для оценки качества речных вод в регионе [Diagnostic study..., 2007], уже по концентрациям NO-T и NH4+ воды изученных рукавов и проток относятся к классу «очень плохие» («very bad») примерно в 17 % случаев и к классу «плохие» («bad») — в 31 % (при оценке качества использовалось 42 пробы, в которых определялись значения рН и удельной

электропроводности, концентрации N03', >Ш4+, Р043", химическое потребление кислорода по бихроматной окисляемости). 250

^ 200

5 § 150

1 5

% 2 юо

О

> о.

а 50 £

♦ ♦

^ ♦Хамлуонг

[ ф ПКыадай

Д Кочьен ^ ХПротоки

—,-.

О 20 40 60 80

Расстояние от морского края дельты, км

Рис. 2. Изменение удельной электропроводности вод в рукавах Хамлуонг, Кыадай, Кочьен и протоках дельты Меконга в январе 2013 г.

Сопоставление с нормами качества воды, установленными во Вьетнаме (<)СУЫ 38:2011/В"ШМТ), показало, что состояние поверхностных вод оцениваются как удовлетворительное по содержанию Си, Сс1, Аз и Н§. Иная картина получена при сопоставлении с нормативами качества воды Канады и США, в частности отмечено нарушение нормативов по содержанию Ъъ. и Сс1. Сравнение имеющихся данных с российскими нормативами качества вод также свидетельствует о повышенных содержаниях ряда веществ, в том числе Ре, МН4+, N03", Си, Ъп, Мп, А1, органических веществ по БПК5 (табл. 1). Поверхностные воды в дельте Меконга в целом недонасыщены относительно первичных алюмосиликатов и незначительно пересыщены относительно кварца. По мере приближения водных масс к морю отмечается уменьшение их недонасыщенности или даже пересыщение относительно кальцита и доломита.

Водные вытяжки из проб донных отложений, отобранных в январе 2014 г. в рукаве Хамлуонг, имеют макрокомпонентный состав, соответствующий в створах 35 и 75 км от морского края дельты пресным, сульфатным кальциевым и сульфатным магниевым (второго типа) водам, а в 9 км от моря - солоноватым, хлоридным натриевым второго типа.

Таблица 1. Средний химический состав* поверхностных вод в дельте

Меконга (4-77 км от морского края) в 2010-2014 гг.

Объект Рукава Хамлуонг, Кочьен, Кыадай и малые протоки** В том числе рукав Хамлуонг

А* Sa min max N А Sa min max N

pH 7.55 0.11 6.7 8.22 20 7.58 0.11 6.96 8.15 12

1, мС/см 89.9 19.6 2 216.8 20 92.2 25.7 2 209.2 12

мг/дм3

Са2+ 34.3 5 10.1 146.3 33 22.4 5.5 10.1 62.7 9

Mg2+ 29.2 6 2.9 141.7 33 22.1 15 4.8 141.7 9

Na+ 89.3 73.8 6.3 1270 17 154.3 139.6 6.3 1270 9

К+ 6.3 4.3 0.7 74.9 17 9.6 8.2 0.7 74.9 9

НСОз" 63.9 59.1 4.8 182.1 3 63.9 59.1 4.8 182.1 3

С1- 103.2 66.5 3.8 1823.2 27 166.3 110.8 3.8 1823 16

so42- 154.7 42.6 1.7 1814.8 54 91 46.7 2.4 645.2 16

No3- 25.94 2.84 8.31 41.68 20 27.82 3.92 8.311 41.44 12

nh4+ 4.591 0.675 0.665 11.386 20 4.675 0.979 0.665 11.39 12

мкг/дм3

Fe 1549 161 598 4451 38 1736 273 598 3920 16

AI 120 39 12 553 19 217 81 19 553 8

Mn 22 7 4 63 11 22 7 4 63 11

Zn 353.0 12.8 228.0 453.3 23 343.3 16.6 228.0 453.3 15

Си 60.5 5.1 1.2 85.4 23 56.4 7.4 1.2 85.4 15

Pb 0.5 0.3 <0.1 4.5 23 0.7 0.4 <0.1 4.5 15

Cd 0.2 <0.2 0.2 0.2 23 0.2 <0.2 0.2 0.2 15

As 0.4 <0.1 0.1 0.7 23 0.4 <0.1 0.1 0.7 15

Hg 0.1 <0.1 <0.1 0.5 23 0.1 <0.1 <0.1 0.5 15

Примечание: * А и Si - среднее арифметическое и погрешность его

определения; Sa=<J-N~0'5, где er- стандартное отклонение, N - объём выборки; min, max - минимальное и максимальное значения; ** результаты обобщения данных [Хо, 2011; Доан, 2012; Тон, 2013] и диссертационных материалов

Изменения суммы главных ионов (Са2+, Mg2+, Na+, К+, НСОз", SO42", С1") и перманганатной окисляемости в водной вытяжке повторяют на более высоком уровне тенденции изменения этих показателей в поверхностных водах и характеризуются резким увеличением значений в створе в 9 км от

моря по сравнению с пунктами, расположенными выше по течению. И в 2013 г., и в 2014 г. отмечено увеличение удельной электропроводности и величины рН водных вытяжек по мере приближения к морю. Тенденции изменения концентраций микроэлементов по длине рукавов в разные годы не столь выражены и могут варьировать в широком диапазоне, что объясняется колебаниями факторов, определяющих уровень их содержания как в поверхностных водах, так и в донных отложениях. В частности, к таким факторам в первом приближении можно отнести образование малорастворимых соединений ряда металлов с карбонатами и органическими кислотами. При этом необходимо отметить, что пересыщение вод, оцениваемое методами химической термодинамики, является скорее потенциальным, чем реальным, и в значительной степени зависит от биогеохимических процессов, протекающих в водной среде и донных отложениях [Океанология..., 1979]. Как показано в работе [Савенко, 2000], важную роль в изменении концентраций ряда химических элементов играют и процессы сорбции (десорбции) на минеральных взвесях в зоне смешения речных и морских вод.

Донные отложения рукавов и проток в дельте Меконга содержат тяжёлые металлы и мышьяк в количествах, сопоставимых с их концентрациями в Меконге в пунктах Тан Чау, Ми Тхуан, Кан Тхо и других крупных реках Южной и Юго-Восточной Азии. В ряде случаев уровень содержания некоторых элементов (например, Ъа. и Си) заметно превышает соответствующие показатели для других природных зон в Азии (2п, мг/кг: тундра - 8.71; лесотундра - 10.04; тайга - 46.86; Си, мг/кг: тундра - 1.69; лесотундра - 5.92; тайга - 22.28 [Савичев, Фунг, 2013].

Нормативы качества для донных отложений поверхностных водных объектов установлены во Вьетнаме и отсутствуют в РФ. Если исходить из того, что донные отложения играют важную роль в формировании почвенного покрова в поймах и дельтах рек, то для приближённой оценки их экологического состояния можно использовать предельно допустимые

концентрации (ПДК) веществ почвах. С учётом этого было проведено сравнение с нормативами качества донных отложений во Вьетнаме и ПДК, установленными для почв в РФ. Его результаты свидетельствуют о повышенном содержании Мп, Аэ, Си, РЬ, что следует учитывать при ведении в регионе сельского хозяйства (табл. 2).

Таблица 2. Физико-химические и геохимические показатели донных

отложений в дельте Меконга (4-77 км от морского края)

Показатель Дельта р. Меконг, январь 2013 г., N=20 Рукава Хамлуонг, Кыадай и Кочьен, январь 2013 г., N=16 Рукав Хамлуонг, январь 2014 г., Л'=3

А 8а А 5л А д.'а

рН* 7.26 0.12 7.38 0.13 7.43 0.17

X, мС/см 3.04 0.44 3.26 0.05 1.28 0.95

N03"*, мг/кг 31.611 2.130 32.417 2.603 4.247 2.090

КН4+*, мг/кг 47.268 2.889 49.683 3.294 3.072 1.113

Ъл, мг/кг 96.571 2.528 95.967 3.084 83.970 1.781

Си, мг/кг 33.373 0.549 33.245 0.675 17.523 0.260

РЬ, мг/кг 3.760 0.423 3.834 0.480 22.687 1.342

Сс1, мг/кг 1.111 0.144 1.192 0.170 <0.5 -

Аб, мг/кг 5.889 0.351 6.204 0.382 <0.5 -

мг/кг 0.100 0.006 0.107 0.007 - -

Примечание: * определение в водной вытяжке

В целом, для дельты Меконга характерно достаточно резкое увеличение суммарного содержания растворённых солей и электропроводности поверхностных вод и водных вытяжках из донных отложений в 35—42 км от морского края дельты по сравнению с вышерасположенными участками вследствие смешения морских и речных вод и преобладание аккумуляции наносов над размывом донных отложений на участке 0-31 км от моря. Одновременно с ростом минерализации происходит изменение состояния системы «вода - порода» в зависимости от удалённости от моря и времени взаимодействия воды с минералами. В частности, если поверхностные воды на участке, удалённом от морского края дельты более чем на 10 км, недонасыщены относительно карбонатных минералов, то водные вытяжки из донных отложений уже в 35 км от моря

13

могут находиться в равновесном или пересыщенном состоянии относительно кальцита и доломита. При этом может происходить выведение из водной среды малорастворимых соединений кальция, магния и ряда других металлов и их накопление в твёрдой фазе донных отложений, а также соосаждение ряда элементов в процессе аккумуляции речных наносов. Определённую роль в переходе металлов из растворённой формы миграции в коллоидную и взвешенную с последующей аккумуляцией в донных отложениях могут играть и органические кислоты. На основе указанных фактов и сформулировано первое защищаемое положение.

Второе защищаемое положение

Индикатором изменения геохимических условий в дельте Меконга является величина рН вод, значения которой могут быть использованы при ориентировочной прогнозной оценке содержания .микроэлементов в донных отложениях.

С учётом значения микроэлементов в формировании геоэкологического состояния водных объектов дельты Меконга проведён анализ их изменения в зависимости от удалённости от морского края дельты и причин подобных изменений. В результате были получены как обобщённая характеристика, так и детальная картина распределения на участке протяженности) 0-75 км от моря. Средние содержания в изученных пробах донных отложений рукавов и проток дельты Меконга в целом сопоставимы (с учётом погрешностей определения) с соответствующими показателями ряда подобных водных объектов в Юго-Восточной и Северной Евразии, но при соответствующем сравнении необходимо учитывать величину водного и твёрдого стока, фазу водного режима, удалённость от морского края дельты и русловые процессы. Для подтверждения этого тезиса был рассмотрен механизм влияния перечисленных факторов на уровень содержания микроэлементов в донных отложениях.

Согласно [Михайлов, 1997; Нгуен, 2004; Михайлов, Аракельянц, 2010], исследуемые водные объекты находятся в пределах проникновения приливов

14

(до 400 км) и обратных течений (110 км), что оказывает существенное влияние на гидрохимический режим дельты и определяет дальность проникновения осолонённых вод в размере 40-50 км от морского края (в ряде случаев до 70 км). Очевидно, что последняя величина зависит от водного режима в устьевой области и меняется в течение многолетнего периода и конкретного гидрологического года. Эта зависимость в упрощённом виде, согласно [Михайлов, 1997], имеет вид:

где 3* - средняя солёность воды на расстоянии х от начального створа; Б,„ и

- средняя солёность морских и речных вод; ks - константа, характеризующая затухание скорости течения при смешении морских и речных вод; йо — глубина потока при х = 0.

Анализ материалов наблюдений подтвердил возможность использования уравнения (1) применительно к рукаву Хамлуонг, в частности

- для средних значений удельной электропроводности воды на расстоянии х от условного створа, расположенного на расстоянии I от морского края. Связь между удельной электропроводностью, солёностью воды или содержанием растворённых ионов в общем случае является нелинейной, в том числе — логарифмической. С учётом этого значения логарифмов концентраций ряда веществ могут изменяться линейно относительно расстояния от морского края дельты, что, например, имеет место в случае рН.

Величина рН является важным показателем взаимодействий в системе «вода - порода». В частности, при увеличении рН возрастает степень насыщения воды относительно малорастворимых соединений металлов, что приводит к выведению из раствора целого ряда веществ, одновременно с которым происходит соосаждение и сорбция на частицах наносов и донных отложений [Шварцев, 1998; Веницианов, 1999; Крайнов, Рыженко, Швец, 2004]. Всё это способствует увеличению концентраций некоторых химических элементов в донных отложениях с учётом соотношения

(1)

скоростей взмыва и аккумуляции наносов, микробиологических процессов, присутствия в среде органических кислот, при взаимодействии с которыми происходит образование устойчивых органоминеральных комплексов (во взвешенной и/или коллоидной формах), либо, напротив, малорастворимых соединений с металлами. Предположительно, именно этот механизм и обусловил характер пространственного распределения изученных микроэлементов в донных отложениях дельты Меконга (по данным 2013 г.).

В частности, отмечено статистически значимое увеличение концентраций РЬ в донных отложениях рукава Хамлуонг по мере приближения к морскому краю дельты (квадрат корреляционного отношения для уравнения связи РЬ и расстояния х Я2=0.54 при критическом значении 0.36), причём имеет место определённый разброс значений, обусловленный колебаниями параметров потока и условий взаимодействия в системе «вода -порода - органическое вещество - газ», в том числе изменениями гранулометрического и химического состава донных отложений, скоростей течения, содержаний растворённых газов, температуры воды (рис. 3, табл. 3).

о -1-1-,-.

О 20 40 60 80

Расстояние от морского края дельты, км

Рис. 3. Изменение концентраций РЬ в донных отложениях рукава Хамлуонг в январе 2013 г.: [РЬ]5=6.178 -0.058 х, Я2=0.54

Косвенным подтверждением высказанных выше предположений

служат результаты корреляционного анализа полученных данных (табл. 3),

свидетельствующие о возможности ориентировочной оценки и прогноза

изменений концентраций РЬ, Сс1, Си, Аб, в донных отложениях дельты

Меконга по величине рН речных вод с учётом закономерностей изменения

16

физико-химических показателей исследуемого водного объекта [Hurt et al., 2001; Prathumratana et al., 2008]. В целом, на основе анализа связей между химическим составом и физико-химическими показателями поверхностных вод и донных отложений сформулировано второе защищаемое положение.

Таблица 3. Статистически значимые коэффициенты между физико-химическими и геохимическими показателями воды и донных отложений в дельте Меконга*

pH(w) X(w) Zn(s) Сод Pb(s) Cd(s) As(s) Hg(s) pH(s)

70"0 0.91 1.00 - - - - - - -

Сод 0.47 0.50 0.44 1.00 - - - - -

Pb(s) 0.78 0.68 0.42 0.53 1.00 - - - -

Cd(s) 0.52 0.45 0.43 0.49 0.60 1.00 - -

As(s) 0.58 0.68 - 0.50 0.57 0.55 1.00

Hg(s) 0.43 0.64 - - - - 0.72 1.00

pH(s) 0.88 0.85 - - 0.67 0.54 0.71 0.62 1.00

Х<») 0.92 0.89 - 0.50 0.71 0.41 0.66 0.59 0.93

Примечание: приведены коэффициенты корреляции г при условии (2.6), где N - объём выборки (N=20); индекс (б) соответствует пробам донных отложений, а индекс (уу) - пробам воды

Третье защищаемое положение

Предложена методика оценки вклада различных факторов в формирование микроэлементого состава донных отложений в дельте больших рек. Показано, что в дельте Меконга основная часть массы Zи, Си, РЪ, Сс1 в донных отложениях и значительная часть массы Аэ (73 %) и ^ (69 %) формируется за счёт осаждения частиц наносов, в состав которых непосредственно включены указанные микроэлементы. Сорбция на осаждающихся частицах и выведение из раствора малорастворимых соединений обеспечивают накопление 27 % массы Аз и 31 % массы

Микроэлементный состав донных отложений неизбежно связан с процессами их формирования. Выявление соответствующих связей является исключительно сложной проблемой вследствие как нерешённости многочисленных вопросов в области русловых процессов, в целом, и

процессов формирования дельты Меконга, в частности (например, существующие оценки твёрдого стока данной реки и его изменений по длине изменяются в очень широком диапазоне), так и практически отсутствием методологии изучения формирования химического состава донных отложений в дельтах больших рек. Последний вопрос неразрывно связан с разработкой теории формирования гидрогенных месторождений полезных ископаемых, что дополнительно определяет актуальность рассматриваемого исследования. С учётом имеющихся данных о промерных работах на рукаве Хамлуонг [Тон Т.Х., 2013] и выполненных работ по изучению химического состава донных отложений предложен следующий алгоритм выявления связей между процессами формирования донных отложений и их состава и оценки аккумуляции микроэлементов в донных отложениях.

Во-первых, необходимо определить масштабы аккумуляции или размыва донных отложений. Для решения этой задачи нами использован метод A.B. Караушева [1969], основанный на использовании упрощеннного одномерного уравнения транспорта наносов в размываемом русле при условии незначительности изменения расхода влекомых наносов по длине реки в среднем для всего сечения потока:

где АИь — изменение высотной отметки дна; Gs — результирующий вертикального расхода наносов с поверхности дна; Я — пористость грунта; At— расчётный временной интервал; S — содержание взвешенных наносов (мутность потока); Sss - мутность взмыва; и - средняя гидравлическая крупность частиц диаметром Das\ к - коэффициент пропорциональности.

Гидрологические характеристики и параметры потока определяются по результатам измерений. В рассматриваемом случае использована следующая исходная информация: а) расходы воды, м3/с: в среднем за год — 1890, в январе — 1168, в феврале — 681, в марте - 465, в апреле — 360, в мае - 478, в

(2)

G^iu + kyS-k-S,,,

(3)

июне - 1330, в июле - 2104, в августе - 3137, в сентябре - 3918, в октябре -3978, в ноябре - 3075, в декабре - 1986 [Ле Т.Т. и др., 2012]; б) уклон водной поверхности 0.008 м/км [Совместное управление..., 2010]; в) профили поперечного сечения рукава Хамлуонг (№ 1 - в 72 км от морского края, № 2 - в 49.5 км, № 3 - в 14 км, № 4 - в 1 км; рис. 4); в сечении № 1 и 2 - в 2000 г., а в сечении № 3, 4 - в 1999 и 2000 гг. [Тон Т.Х., 2013]; в) средний диаметр взвешенных наносов Ц„ принят в размере 0.006 мм [Хо Т.Т., 2001].

Коэффициенты шероховатости п,и определялись обратным расчётом по формулам Маннинга и Шези при расходе 3978 м3/с для каждого профиля. Средние глубины и скорости течения в рукаве Хамлуонг вычислялись по зависимостям от расхода воды, полученным для каждого профиля. Средняя мутность ориентировочно принята (при условии среднегодового значения 170 г/м3 [Михайлов, Аракельянц, 2010]) равной транспортирующей способности потока S,r по формуле A.B. Караушева [1969]:

S,r=r-S„. (4)

Рис. 4. Схема расположения расчётных створов на рукаве Хамлуонг: а) расчётные створы 1^1; Ь) участок относительно резкого изменения электропроводности поверхностных вод в 2013 г.; с) граница участков с потенциально преобладающей аккумуляцией (1) и разываемым или стабильным руслом (II); с/) граница участков, донные отложения на которых могут использоваться при инженерной защите прибрежных территорий (1а) и для нужд сельского хозяйства (1Ь, И)

В расчётные значения ДЛ/,, вычисленные по формуле (2), вводились поправки с учётом измеренных в 1999-2000 гг. деформаций русла (аккумуляция наносов): в створе № 3 - 0.118 м/год; в створе № 4 - 0.200 м/год.

АИ;=к,-А!Ч, (5)

где к\ - соотношение суммы месячных значений АЛ/, к измеренному годовому значению (в створах № 3, 4 - по данным, полученным для соответствующих профилей, в створах № 1, 2 - по данным для профиля № 3). Интерпретация результатов расчётов транспортирующей способности заключается, прежде всего, в выявлении общих тенденций аккумуляции наносов или размыва дна, но не в количественной оценке русловых деформаций - сложнейшей задачи в рамках специального исследования.

Полученные результаты свидетельствуют о потенциальном преобладании размыва донных отложений (или стабильном русле) в верхней части рукава Хамлуонг (створы № 1 и 2) и аккумуляции наносов - в его нижней части (створы № 3 и 4), что объясняется снижением средних скоростей течения в результате усиления влияния приливных и сгонно-нагонных явлений и общего увеличения поперечного сечения русла. При этом следует отметить, что наибольшие скорости осаждения наносов в створах № 3 и 4 характерны для сентября и октября.

Во-вторых, выделяются участки с потенциально преобладающим размывом и аккумуляцией наносов. Для этого линейной интерполяцией определяется расстояние от морского края дельты до створа, в котором величина А/г*/, = 0. В целом для года это расстояние составляет 31 км. Затем рассчитываются средние значения концентраций микроэлементов на участках водного объекта с преобладающим размывом и аккумуляцией наносов. Результаты расчёта по рукаву Хамлуонг приведены в табл. 4.

Если концентрации микроэлементов на участках с преобладающим размывом донных отложений и аккумуляцией наносов статистически различаются, то разница между ними может интерпретироваться как

результат действия характерных для одного из участков процессов. В частности, повышенное значение концентрации микроэлементов в донных отложениях на участке преобладающей аккумуляции наносов может рассматриваться как результат действия процессов сорбции микроэлементов на оседающих частицах, выведения из раствора малорастворимых соединений и биогеохимических процессов. Для рукава Хамлуонг была проведена проверка на однородность по средним значениям и дисперсиям с использованием критериев Стьюдента и Фишера при уровне значимости 5 % (критическое значение критерия Стьюдента 2.23, Фишера - 6.23). В результате получено, что значимые различия характерны для аб и н«.

В-третьих, рассчитывается масса микроэлементов в донных отложениях на участке с преобладанием аккумуляции наносов (табл. 5) с учётом пористости фунта при условии плотности наносов 2650 кг/м3. Объём аккумуляции наносов определяется суммированием частных объёмов наносов между расчётными створами, которые, в свою очередь, -умножением расстояния между смежными створами на среднее значение площади поперечного сечения (в створе 31 км от морского края дельты площадь сечения равна нулю). В случае рукава Хамлуонг объём аккумуляции наносов составил 7927753 м3, масса - 12605128 т/год.

Таблица 4. Средние концентрации микроэлементов в донных отложениях рукава Хамлуонг на характерных участках, мг/кг

Показатель Ъл Си РЬ СсЗ Аб Щ

Участок с преобладающей аккумуляцией наносов (0-31 км от моря)

Среднее арифметическое А 98.689 35.110 4.977 1.456 7.617 0.131

Погрешность определения & 4.159 1.316 0.929 0.336 0.759 0.127

Участок без преобладающей аккумуляции (31—75 км от моря)

Среднее арифметическое А 92.265 32.564 3.154 1.021 5.531 0.090

Погрешность определения & 6.705 1.158 0.847 0.364 0.872 0.123

Критерий Стьюдента 0.73 | 1.54 1.63 0.99 2.94 4.06

В-четвёртых, на основе полученных данных проводится расчёт массы

осаждённых микроэлементов умножением массы наносов, аккумулируемых

на участке, на средние значения концентрации на участках преобладающего

21

размыва донных отложений и аккумуляции наносов (табл. 5). Разница между полученными значениями аккумуляции Лб и (пункт 2) в случае рукава Хамлуонг интерпретируется как результат действия преимущественно процессов сорбции микроэлементов на оседающих частицах и выведения из раствора малорастворимых соединений. Вклад биогеохимических процессов непосредственно для крупных рукавов в дельте Меконга представляется менее значительным по сравнению с другими факторами. Но их роль, предположительно, возрастает при уменьшении скоростей течения в малых протоках и пойменных водоёмах.

Таблица 5. Масса аккумуляции микроэлементов на участке преобладающей аккумуляции наносов (0-31 км от морского края дельты), т/год

Показатель Хп Си РЬ С<1 Аб Щ

Масса аккумуляции М\ на участке 0-31 км от моря, т/год 1243.99 442.57 62.74 18.35 96.01 1.65

Масса аккумуляции Мг на участке 31—75 км от моря, т/год 1163.01 410.47 39.76 12.87 69.72 1.13

Разница (М\—Мг) с учётом проверки на однородность, т/год (% М\) 0 0 0 0 26.29 (27.4) 0.52 (31.3)

В целом, анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что 27 % от массы аккумуляции мышьяка в донных отложениях в нижней части рукава Хамлуонг и 31 % массы аккумуляции Н§ связано с сорбцией микроэлементов на частицах осаждающихся наносов и выведением из раствора малорастворимых соединений. Соответственно, 73 и 69 % массы аккумуляции указанных микроэлементов связаны с осаждением взвешенных частиц, в составе которых присутствуют Аб и Н§ (иными словами - со взвешенной формой миграции в потоке). Формирование массы прочих изученных микроэлементов (Хп, Си, РЬ, Сё) в донных отложениях рукава Хамлуонг в основном также связывается с аккумуляцией взвешенных наносов. Таким образом, обобщение полученных результатов позволяет

сформулировать третье защищаемое положение.

22

Заключение

На основе данных геохимических исследований, выполненных в 2001— 2014 гг., получена общая характеристика химического состава и качества поверхностных вод и донных отложений в дельте реки Меконг на территории Социалистической республики Вьетнам. Установлены средние значения концентрации микроэлементов в донных отложениях рукавов Хамлуонг, Кочьен, Кыадай и ряда проток.

Показано, что в зависимости от удалённости от моря (по мере смешения морских и речных вод и аккумуляции наносов) и времени взаимодействия воды с минералами и органоминеральными соединениями (в течение гидрологического года от летне-осенних паводков до зимне-весенней межени и при переходе от поверхностных вод к водным вытяжкам из осадков) происходит увеличение минерализации поверхностных вод и водных вытяжек из донных отложений, а также аккумуляция наносов на участке 0—31 км от морского края дельты. Одновременно с этим наблюдается и изменение состояния системы «вода — газ - органическое вещество -порода», связанное с уменьшением недонасыщенности поверхностных вод, достижением равновесия и даже некоторого пересыщения относительно карбонатных минералов в водных вытяжках донных отложений на участке до 10 км от морского края дельты. Образование и последующее выведение из водной среды малорастворимых соединений, а также сопряжённые с ними сорбционные процессы могут послужить причиной накопление ряда микроэлементов в донных отложениях.

Предложено использовать значения pH поверхностных вод в качестве индикатора текущих и прогнозных изменений содержаний ряда микроэлементов в донных отложениях. Для количественной оценки связи геохимических и гидрологических процессов предложена методика, основанная на использовании метода A.B. Караушева расчёта русловых деформаций. Её апробация показала, что, во-первых, аккумуляция наносов преобладает на участке рукава Хамлуонг 0-31 км от морского края дельты.

23

Во-вторых, в пределах этого участка ежегодно оседает, т/год: Ът\ — 1244; Си -443; РЬ - 63; Сё - 18; Аэ - 96; - 1.7. Дня сельскохозяйственного использования наиболее оптимально применение донных отложений, изъятых в дельте Меконга на участке от 31 до 15 км, где: 1) преобладает аккумуляция донных отложений над их размывом; 2) содержание макро- и микроэлементов меньше значений, при которых возможно засоление почв и угнетение неспецифических видов растений. Донные отложения на участке 0-15 км с наиболее высокими концентрациями токсичных микроэлементов целесообразно использовать для строительных нужд при инженерной защите прибрежных территорий (рис. 4).

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации (в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ)

1. Савичев, О.Г. Зональные закономерности изменения химического состава речных отложений Сибири и условия его формирования / О.Г. Савичев, Т.З. Фунг // Известия Томского политехнического университета. -2013.-Т. 323.-№ 1.-С. 157-161.

2. Савичев, О.Г. Эколого-геохимическое состояние поверхностных вод и донных отложений в дельте Меконга (Вьетнам) / О.Г. Савичев, Т.З. Фунг // Вестник Томского гос. университета. - 2014 -№ 388. - С. 246-252.

3. Фунг, Т.З. Связи между микроэлементным составом донных отложений и процессами осадконакопления в дельте реки Меконг (Вьетнам) / Т.З. Фунг, О.Г. Савичев // Известия Томского политехнического университета. -2015. - Т. 326. -№ 1. - С. 64—72.

Публикации в других научных изданиях

4. Фунг, Т.З. Роль водной экосистемы для социально-экономического развития защиты окружающей среды в зоне устья реки Хамлуонг / Т.З. Фунг, Х.Т. Фи, Х.Л. Фан, К.Х. Нгуен // Научная инициатива иностран. Аспирантов: докл. VI Всерос. конф. - Томск: ТПУ, 2013. - С. 440-444.

5. Фунг, Т.З. Роль наземной сельскохозяйственной экосистемы для социально-экономического развития защиты окружающей среды в зоне

24

устья реки Хамлуонг / Т.З. Фунт, Х.Т. Фи, Х.Л. Фан, К.Х. Нгуен // Научная инициатива иностран. студентов и аспирантов рос. вузов: докл. VI Всерос. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - С. 444-446.

6. Фунг, Т.З. Распределение расходов в паводковом и меженном сезоне в системе стоков реки Меконг / Т.З. Фунг, Х.Л. Фан // Научная инициатива иностран. студентов и аспирантов рос. вузов: докл. VI Всерос. конф. -Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - С. 508-512.

7. Фунг, Т.З. Методика исследования химического состава донных отложений протоки Хамлуонг - элемента дельты реки Меконг / Т.З. Фунг // Труды XVII Междунар. симп. студентов и мол. ученых им. ак. М.А. Усова. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - С. 586-587.

8. Фунг, Т.З. Водный режим протоки Меконга-Хамлуонг / Т.З. Фунг, Х.Л. Фан // Науки о земле современное состояние: Матер. I Всерос. конф. — Новосибирск: Изд-во НГУ, 2013. - С. 182-184.

9. Фунг, Т.З. Разработка устройства по взятию образцов речных донных отложений / Т.З. Фунг, Х.Л. Фан, В.Т. Фан, Ш. Тон // Матер. V межвуз. конф. по итогам практик. - Москва. Изд-во «Перо», 2013. - С. 59-62.

10. Фунг, Т.З. Оборудования и техника взятия образцов речных донных отложений / Т.З. Фунг, Х.Л. Фан, В.Т. Фан, Ш. Тон // Матер. V межвуз. конф. по итогам практик. - Москва: Изд-во «Перо», 2013. - С. 63-67.

11. Фунг, Т.З. Содержание меди в донных отложениях в зоне устья реки Меконг по сравнению с другими реками и районами на территории Вьетнама / Т.З. Фунг, Х.Л. Фан, Ф.Х. Тринь, В.Т. Фан, Ш. Тон // Геология и полезные ископаемые четвертичных отложений: матер, конф. - Минск, 2014. - С. 11-12.

12. Фунг, Т.З. Содержание меди в воде в зоне устья реки Меконг по сравнению с другими реками и районами на территории Вьетнама / Т.З. Фунг, Х.Л. Фан, Ф.Х. Тринь, Ш. Тон, В.Т. Фан // Матер. X Межрегион, конф. - Уфа: Изд-во ГУП, 2014. - С. 244-246.

Подписано к печати 17.03.2015. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,45. Уч.-изд. л. 1,32. _Заказ 157-15. Тираж 150 экз._

ЛдЛ Национальный исследовательский Томский политехнический университет * Система менеджмента качества

Издательства Томского политехнического университета Сертифицирована в соответствии с требованиями ISO 9001:2008

ЮДАТНШВО^ТПГ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru