Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пространственное распределение и временная изменчивость содержания тяжелых металлов в воде поверхностных водных объектов Пермской области

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Мирошниченко, Сергей Анатольевич, Пермь

/ /

/

Уральское отделение Российской академии наук Институт экологии и генетики микроорганизмов

На правах рукописи

Мирошниченко Сергей Анатольевич

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ВОДЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПЕРМСКОЙ ОБЛАСТИ

11.00.07 - Гидрология суши, водные ресурсы и гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, академик РАЕН

Лепихин А.П.

ПЕРМЬ

1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Список основных сокращений................................................................... 5

Введение..................................................................................................... 6

1. Материалы и методы исследований....................................................... 10

1.1 .История и современное состояние гидрохимических исследований

на Западном Урале............................................................... 10

1.1.1. Некоторые аспекты истории развития гидрохимических

исследований......................................................... 10

1.1.2. Государственная система наблюдений за состоянием

поверхностных водных объектов.................................. 11

1.2. Факторы, определяющие содержание металлов

в природных водах............................................................. 15

1.2.1. Характеристика естественных факторов.................................. 17

1.2.1.1. Физико - географические условия формирования

химического состава вод.................................... 17

1.2.1.1.1. Рельеф...................................................................... 17

1.2.1.1.2. Климатические условия........................................... 18

1.2.1.1.3. Почвенно-геохимические особенности

территории................................................ 20

1.2.1.1.4. Особенности гидрографии и

макрокомпанентного состава речных вод......... 21

1.2.1.2. Геологические факторы................................................... 24

1.2.1.2.1. Гидрогеологические условия..................................... 25

1.2.1.3. Физико-химические факторы............................................ 26

1.2.1.3.1. Процессы гидролиза и комплексообразования.......... 26

1.2.1.3.2. Миграционная способность металлов....................... 28

1.2.1.4. Биологические факторы.................................................... 29

1.3. Влияние естественных факторов на формирование ТМ в

водных объектах Пермской области.............................. 30

1.3.1. Влияние естественных факторов на химический состав

донных отложений Камского водохранилища......................................33

1.4. Анализ антропогенных факторов................................................ 35

1.4.1. Влияние предприятий черной и цветной металлургии на

загрязнение водных объектов тяжелыми металлами.......... 39

1.4.2. Влияние предприятий угольной промышленности Пермской области на загрязнение водных объектов тяжелыми металлами................................................................................ 41

1.4.3. Влияние дражных разработок в бассейне р.Вишера на

содержание металлов в речных водах............................ 42

1.4.4. Особенность влияния техногенного загрязнения на

содержание ТМ в водных объектах Пермской области.......... 45

2. Использование статистических методов для обработки

сетевых гидрохимических наблюдений............................... 46

2.1. Основные статистические параметры, используемые при

обработке результатов гидрохимических наблюдений........ 46

2.1.1. Эмпирические кривые обеспеченности гидрохимических наблюдений....................................................................................................................................................48

2.1.2. Статистические ошибки гидрохимических наблюдений.......... 50

2.1.3. Оценка однородности гидрохимических наблюдений............... 51

2.1.4. Использование корреляционного анализа для исследования

гидрохимических показателей......................................... 54

2.1.5. Проведение статистического анализа гидрохимических показателей с использованием современных вычислительных и программных средств.................................................................. 56

2.2. Пространственное представление результатов

гидрохимических наблюдений................................ 58

2.2.1. Использование гидрохимических карт..................................... 58

2.2.2. Обзор методов картографирования гидрохимической

информации................................................................. 59

3.Пространственное распределение тяжелых металлов в водных объектах Пермской области................................................................ 61

3.1 .Сезонная и пространственная динамика изменения содержания

железа (общего), меди, цинка и марганца по длине р.Камы............ 61

3.2.Используемая методика пространственного представления

гидрохимической информации............................................... 69

3.2.1.Принятый принцип построения карт химического стока

веществ................................................................... 69

3.2.2.Анализ методов расчета стока микроэлементов......................... 70

3.2.3.Сопоставительный анализ полученных результатов по

расчету стока микроэлементов..................................... 72

3.3 .Карты - схема модулей стока железа (общего), меди, цинка.................. 74

4.Внутригодовые особенности колебания содержания ТМ в реках области. Функции распределения гидрохимических показателей... 80

4.1 .Влияние внутриводоемных процессов на содержание тяжелых

металлов в водном объекте...................................................... 80

4.2.Процессы формирования экстремально - высоких концентраций

веществ в водных объектах..................................................... 83

4.1.1. Анализ внутренних факторов формирования экстремально -

высоких концентраций металлов в водных объектах........... 83

4.2.2. Анализ внешних факторов формирования экстремально -

высоких концентрации веществ в водных объектах............ 85

4.3. Особенности построения статистических функций распределения содержания тяжелых металлов в воде водных объектов.................. 87

4.4. Использование кривых распределений гидрохимических показателей для построения моделей качества воды........................ 99

4.5.Исследованием зависимости между содержанием в воде

ТМ и расхода воды в реке........................................... 102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................... 106

Список литературы...................................................................................... 108

Приложение............................................................................... 122

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БС

Пермский ЦГМС Пермоблкомприрода

СТУЭК, г. Березники

ТМ в. бьеф в.г. н.г.

Балтийская система

Пермский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Государственный комитет по охране природы Пермской области

Северное территориальное управление

экологического контроля

Тяжелые металлы

верхний бьеф

выше города

ниже города

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В последние годы, как в нашей стране, так и за рубежом, в связи с возрастающим антропогенным воздействием на природную среду, уделяется большое внимание изучению процессов формирования и интенсивности потоков миграции тяжелых металлов (ТМ) в различных частях биосферы. Интерес к данной проблеме, с одной стороны, обусловлен высокой биологической активностью, которую проявляют многие ТМ, а с другой, их гетерофазнонеконсервативными особенностями, под которыми понимается их способность при определенных физико-химических условиях природной среды активно мигрировать и накапливаться в отдельных ее компонентах. Для водных объектов принципиальное значение имеет миграция этих поллютантов в системе: «вода> <-» <взвешенные наносы> <-» <донные отложения».

ТМ в отличие от органических веществ не подвержены биодеградации и их токсичность не изменяется в течение длительного периода времени. Все это определяет необходимость постоянного контроля за содержанием ТМ в поверхностных водных объектах.

Для Западного Урала, можно выделить следующие основные факторы, определяющие значительное содержание ТМ в поверхностных водных объектах:

- почвенно-геохимические особенности территории и литологический состав слагающих водосбор пород обусловливают наличие в водных объектах, даже не испытывающих значительного техногенного воздействия, высокого содержания ряда ТМ (железа, меди, марганца), которое значительно превышает существующие нормативы для водных объектов рыбохозяйственного значения;

- длительная эксплуатация предприятий горнодобывающего комплекса, черной и цветной металлургии, химической промышленности привела к формированию в водотоках-приемниках техногенных донных отложений, способных даже при полной реструктуризации загрязнения оказывать существенное влияние на формирования качества воды (первое промышленное производство связанное с добычей и переработкой металлов появилось еще в начале ХУПв.);

- создание каскада водохранилищ на р. Каме.

Гетерофазнонеконсервативность, токсичность и неподверженность биодеградации делает ТМ потенциально опасными веществами, которые способны лимитировать условия устойчивого и безопасного водоснабжения не только для отдельных городов, но и для крупных территорий. Все это вызывает необходимость проведения исследований по изучению пространственной и сезонной изменчивости содержания ТМ в поверхностных водных объектах такого крупного промышленного региона, как Пермская область.

Подобное исследование, в целях получения более объективных результатов, должно строится на основе анализа длительных, однородных рядов наблюдений, обязательно проводимых в различные фазы гидрологического режима водного объекта. Проведение исследования с использованием современных вычислительных средств и создания базы данных по гидрохимическому режиму водных объектов намного упрощает выполнение поставленной задачи.

Цели и задачи диссертационной работы. Целью данной диссертационной работы является анализ пространственного распределения и временной изменчивости содержания ТМ в воде водных объектов Пермской области. Поставленная цель предлагает решение следующих задач:

- анализ естественных и антропогенных факторов, определяющих содержание ТМ в водных объектах;

- изучение пространственной и временной изменчивости содержания ТМ в водных объектах рассматриваемой территории;

- выявление факторов, способствующих формированию экстремально -высоких концентраций ТМ в водных объектах;

- исследование зависимостей между расходом воды и содержанием ТМ;

- исследование и анализ статистических функций распределения ТМ.

Объект исследования и исходные материалы. Объект исследования -поверхностные водные объекты Пермской области.

Для рассмотрения пространственного распределения ТМ в водных объектах использовались первичные материалы регулярных сетевых наблюдений Пермского ЦГМС по более чем 50 постам за 1974 - 1996 г.г. Кроме указанных материалов были использованы так - же данные ведомственного контроля лаборатории Северного территориального управления экологического контроля ( СТУЭК) г. Березники и данные официальной статистической отчетности предприятий по форме 2-ТП-"ВОДХОЗ". Кроме фондовых материалов в работе были использованы материалы, полученные автором в ходе выполнения полевых исследований в бассейне р. Вишеры. Общий объем проанализированной первичной гидрохимической информации, используемой для написания диссертационной работы, составил более 200 ООО химических анализов воды.

Основной акцент в исследовании, в силу имеющейся информации, ставился на изучение пространственной и временной изменчивости содержания в воде водных объектов таких тяжелых металлов, как железо (общее), медь, цинк, марганец.

Научная новизна:

- построены карты - схемы распределения модуля стока следующих металлов: цинка, меди, железа (общего) для исследуемой территории на основе материалов многолетних регулярных сетевых наблюдений Пермского ЦГМС;

- выполнен анализ статистических функций распределения ТМ, проанализированы механизмы, определяющие характер функций распределения;

- рассмотрены зависимости содержания ТМ от расхода водотока -приемника;

- выявлены и проанализированы факторы, способствующие формированию экстремально- высоких концентраций ТМ в водных объектах, подверженных интенсивному загрязнению.

Практическая значимость исследования.

1. Созданная в ходе выполнения исследований компьютерная база данных по содержанию химических веществ в поверхностных водных объектах Пермской области используется в практической деятельности специалистов:

Пермоблкомприроды;

Пермского ЦГМС;

СТУЭК, г.Березники. Использование современных вычислительных средств для решения широкого круга задач в области гидрохимии позволяет не только систематизировать и облегчить поиск и доступ к имеющейся информации, но и решать задачи, связанные как с оценкой, так и с прогнозированием гидрохимического состояния водных объектов на территории области.

2. Разработанные карты - схемы модуля стока используются в области охраны природы для решения задач, связанных с прогнозированием и нормированием качества поверхностных вод, планированием природоохранных мероприятий и рациональным использованием водных ресурсов. Они являются необходимым компонентом при разработке региональных норм предельно допустимого вредного воздействия на окружающую среду.

3. Выявлены эффекты появления экстремально высоких концентраций ТМ в воде, обусловленные мощными техногенными донными отложениями. Данные эффекты необходимо учитывать при прогнозе экологически неблагоприятных ситуаций на водных объектах.

Апробация работы.

Научные положения и результаты исследования отражены в 13 публикациях и

докладывались на: Международной конференции 1СЕР'95 (1995); Втором

международном конгрессе «Вода: Экология и технология» в г. Москве (1996);

Международном симпозиуме «Чистая вода России-97» в г. Екатеринбурге

(1997); Международной научно - практической конференции «Инженерно-геологическое обеспечение недропользования и охраны окружающей среды» в г. Перми ( 1997); научно - практической конференции «Экологические основы стабильного развития Прикамья» в г. Перми (1998); Международной конференции «Экологические проблемы крупных рек -2» в г. Тольятти (1998); Международной конференции 1СЕР'98 (1998).

Основные защищаемые положения:

1 .Пространственное распределение модуля стока металлов определяется совокупностью естественных и антропогенных факторов. Наиболее значимый вклад при техногенном загрязнении в поступлении железа в поверхностные водные объекты Пермской области вносит Кизеловский угольный бассейн, а меди, цинка, хрома и марганца - металлургические предприятия, расположенные в бассейне р. Чусовой;

2. Характер как внутригодового распределения, так и межгодичной изменчивости содержания ТМ в водном объекте определяется особенностью их генезиса. Существенная гетерофазная неконсервативность железа в ряде случаев приводит к росту его содержания в водотоке при увеличении расхода реки;

3. Способность ряда ТМ активно мигрировать и накапливаться в отдельных звеньях системы «вода><-»<взвешенные наносы><-Хдонные отложения» определяет возможность создавать за счет внутриводоемных процессов резкие по форме экстремально высокие концентрации их в воде. При этом основным источником поступления ТМ могут являться техногенные донные отложения;

4. Статистические функции распределения ТМ в поверхностных водных объектах определяются их генезисом.

Пользуясь, случаем выражаю искреннюю признательность всем сотрудникам Пермского ЦГМС, прежде всего А. Д. Наумову и О. А. Линник, за предоставленную возможность использования материалов регулярных гидрохимических наблюдений для написания диссертационной работы.

1. Материалы и методы исследований

1.1. История и современное состояние гидрохимических исследований на Западном Урале

1.1.1 .Некоторые аспекты истории развития гидрохимических исследований ^

Первые опубликованные работы о химическом составе вод в бассейне р. Камы появились в конце XIXb: Р.Н. Рума -1881г., Г.В. Хлопина - 1889г.. Характерной особенностью работ начального периода была их утилитарная направленность на решение проблем питьевого водоснабжения.

Более направленное изучение химического состава воды р. Камы и ее притоков началось в годы становления советской власти в период 1926-1941г.г. [27]. Значительный интерес представляют работы А. Трифонова (1926, 1927) и A.A. Варова (1928) по гидрохимическому режиму р. Камы на участке от устья р. Вишеры до г. Перми. Данные работы были проделаны на Биологической станции при Пермском университете, занимавшейся в течение ряда лет систематизацией наблюдений за химизмом р. Камы.

Индустриализация, создание крупных промышленных предприятий, как на Верхней Каме, так и в районе г. Перми обусловило появление цикла исследований, направленных, в первую очередь, на решение проблем промышленного водоснабжения и водоотведения (К.Н. Шапшев, 1931; Н.Е. Кушлянский, 1932; P.M. Павлинова, 1934). Так же можно отметить работы, посвященные изучению гидробиологических особенностей Средней Камы (В.В. Громов, 1941; А.О. Таусон, 1947).

Материалы по гидрохимии Пермской области до создания Камского водохранилища были обобщены в монографии Г.А. Максимовича "Химическая география вод суши". Впервые была составлена гидрохимическая карта рек Пермской области, где выделены три провинции, четыре области и четыре района гидрохимич�