Способы оценки состояния донных осадков водных объектов

Донные отложения при оценке состояния водного объекта, контроле загрязнения и мониторинге водной среды играют важную индикационную роль, что обусловлено в первую очередь информативностью получаемых результатов и их воспроизводимостью. Донные осадки относятся к консервативной системе, способной накапливать и хранить информацию о состоянии и изменении геохимических, динамических, климатических, неотектонических условий внешней среды, процессов массопереноса, в том числе вызванных техногенным воздействием. Реакция на них проявляется в трансформации гранулометрического, минералогического и химического составов, изменении окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий в донных осадках и водной среде, перераспределении литодинамических потоков, изменении скоростей осадконакопления и т. д. Исходя из этого, донные осадки могут рассматриваться в качестве основного объекта геоэкологических исследований аквальных геосистем.

В настоящее время предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в донных осадках не установлены, и в ближайшей перспективе такие нормативы вряд ли будут разработаны. Отсутствие критериев существенно сужает возможности аргументированного заключения по результатам исследований об эколого-геохимическом состоянии геологической среды аквальных геосистем, а также оценки экологического состояния донных осадков и их влияния на общее состояние водного объекта.

Современные подходы к оценке загрязнения донных осадков водных объектов можно разделить на два направления:

1) расчет различных индексов и нормированных показателей химического загрязнения с использованием шкал качественных оценок;

2) сравнительный анализ, построенный на сопоставлении содержаний загрязняющих веществ в донных осадках с нормативными показателями (ПДК в почвах или в воде; критерии загрязненности осадков в соответствии с Лондонской конвенцией и т. д.), с кларком литосферы, кларком осадочных пород или региональным фоном (современные осадки фоновых районов или подстилающие осадочные породы).

Среди многочисленных вариантов расчета индексов и нормированных показателей химического загрязнения донных осадков выделим лишь некоторые из них. В последнее время отечественными исследователями широко применяется суммарный индекс загрязнения донных осадков

Z _C = - (n -1),

где C _i – фактическое содержание i -го загрязняющего вещества в донных осадках; C _iФ – фоновое содержание i -го загрязняющего вещества в донных осадках; n – количество веществ (в расчет включаются только вещества, содержание которых превышает фоновые значения). По сути, это аналог суммарного индекса загрязнения почв (см. 2.4.3), а в окончательной интерпретации использовалась та же шкала экологического состояния донных осадков, что и для почв (табл. 22).

Однако Е.П. Янин на основе этой же формулы в 2002 году предложил несколько другой подход к оценке экологического состояния водного объекта, который основывается на эмпирическом материале и носит экспертный характер. В дополнение к суммарному показателю загрязнения донных осадков он ввел показатель санитарно-токсикологической опасности (Z _CТ). Его расчет выполняется по формуле для Z _C, но только для веществ 1-го и 2-го классов опасности в водной среде. Итогом этого объединения стала ориентировочная шкала оценки состояния, которая была предложена для рек. Однако, по мнению авторов, она может использоваться для всех водных объектов суши (табл. 29).

В зарубежной научной литературе предлагаются свои варианты расчета многих индексов и коэффициентов. Большинство из них основано на сравнении современных отложений с подстилающими осадками, образовавшимися в доиндустриальный период: коэффициент и степень загрязнения (С _f и С _d); коэффициент культурного обогащения (CEF); коэффициент антропогенного обогащения (SAEF); индекс геоаккумуляции (J _geo) и другие.

Таблица 29. Ориентировочная шкала оценки степени загрязнения водных объектов по концентрациям химических элементов в донных отложениях (Янин, 2002)

 

Z C	Z CТ	Уровень техногенного загрязнения	Степень санитарно-токсикологической опасности	Содержание токсичных элементов в воде
< 10	< 10	Низкий	Допустимая	Большинство в пределах фона
10–30	10–30	Средний	Умеренная	Многие повышены относительно фона; некоторые эпизодически достигают ПДК
30–100	30–100	Высокий	Опасная	Многие элементы выше фона; некоторые превышают ПДК
100–300	100–300	Очень высокий	Очень опасная	Многие во много раз выше фона; некоторые стабильно превышают ПДК
> 300	> 300	Чрезвычайно высокий	Чрезвычайно опасная	Большинство во много раз выше фона; многие стабильно превышают ПДК

 

Например, в соответствии с методикой Л. Хокансона коэффициент загрязнения (C _f) для i -го загрязняющего вещества определяется как

= ,

где – содержание i -го загрязняющего вещества в поверхностном слое 0–1 см в донных осадках; – доиндустриальное значение содержания i -го загрязняющего вещества, рассчитываемое как среднее фоновое значение плюс стандартное отклонение.

Коэффициент загрязнения определяется для каждого поллютанта. Оценка выполняется по предлагаемой ниже классификации:

< 1 – низкий коэффициент загрязнения (т. е. низкий уровень загрязнения данным поллютантом);

1 £ < 3 – умеренный коэффициент загрязнения;

3 £ < 6 – значительный коэффициент загрязнения;

³ 6 – высокий коэффициент загрязнения.

Затем степень загрязнения определяется как сумма всех коэффициентов загрязнения для данной пробы:

С _d =

Такой подход позволяет установить уровень общего загрязнения донных осадков. Используется следующая шкала с учетом количества проанализированных веществ (n):

С _d < n – низкая степень загрязнения;

n £ C _d < 2 n – умеренная степень;

2 n £ C _d < 4 n – значительная степень;

C _d ³ 4 n – высокая степень загрязнения.

При этом к обязательному условию относится идентичность сравниваемых осадков по гранулометрическому составу.

В Германии для оценки степени загрязнения донных отложений поль­зуют игео-классы или индексы геоаккумуляции (J _geo), разработанные более 30 лет назад Г. Мюллером (Muller, 1979) (табл. 30). Они рассчитываются по уравнению

J _geo = log₂(),

где С_i - измеренная концентрация i -элемента в донных отложениях (фракция < 0,020 мм);

В_i - фоновая концентрация i -элемента (табл.).

Таблица 30. Значения концентраций основных тяжелых металлов по игео-классам (по: Muller, 1979)

Эле­мент	Фон	Классы геоаккумуляции (J geo)
	элемента
Fe, %	4.72	7,08	14,16	28,32	56,64	>56,64	-	-
Μn, мг/кг	850,0	1275,0	2550,0	5100,0	10200,0	20400,0	40800,0	>40800
Cd, мг/кг	0,3	0,45	0,9	1,8	3,6	7,2	14,4	>14,4
Zn, мг/кг	95,0	142,5	285,0	570,0	1 140,0	2280,0	4560,0	>4560,0
Pb, мг/кг	20,0	30,0	60,0	120,0	240,0	480,0	960,0	>960,0
Сu. мг/кг	45,0	67,5	135,0	270,0	540,0	1080,0	2160,0	>2160,0
Ni, мг/кг	68,0	102,0	204,0	408,0	816,0	1632,0	3264,0	>3264,0
Со, мг/кг	19,0	28,5	57,0	114,0	228,0	456,0	912,0	>912,0
Сг, мг/кг	90,0	135,0	270,0	540,0	1080,0	2160,0	4320,0	>4320,0
As, мг/кг	13,0	19.5	39,0	78,0	156,0	312,0	624,0	>624,0
Hg, мг/кг	0,4	0.6	1,2	2,4	4,8	9,6	19.2	>19.2

Характеристика уровня загрязнения по игео-классам и техногенной нагрузки приводится в табл. 31. На основе данной классификации составляют карты загрязнения донных отложений по каждому тяжелому металлу. Серии таких карт позволяют адекватно оценить техногенную нагрузку на водный объект и определить состояние донных осадков.

Таблица 31. Характеристика уровня загрязнения донных отложений по игео-классам и техногенной нагрузке на водные экосистемы (цитируется по: Трофимов, Зилинг, 2002)

 

Игео-класс	Уровни загрязнения тяже-лыми металлами донных отложений (по Muller, 1979)	Техногенная нагрузка на водные экосистемы	Экологическая зона водных экосистем. Класс состояния донных осадков
	Незагрязненные Незагрязненный до умеренно загрязненных	Слабая (малоопасная)	Зона нормы. Удовлетворительное (благоприятное) состояние
	Умеренно загрязненные Средне загрязненные	Умеренная (умеренно опасная)	Зона риска. Неблагоприятное состояние
	Сильно загрязненные Сильно загрязненные до чрезмерно загрязненных	Сильная (опасная)	Зона кризиса. Весьма неблагоприятное состояние
	Чрезмерно загрязненные	Чрезмерная (чрезвычайно опасная)	Зона бедствия. Катастрофическое состояние

 

 

Использование нормативов ОДК или ПДК загрязняющих веществ в почвах применительно к донным отложениям в какой-то мере оправдано тем, что и те и другие представлены твердой фазой, имеют сходные условия формирования химического состава и близкую компонентную структуру. Однако, как было показано раньше (см. 2.2.4), пороговое количество загрязняющего вещества в почвах устанавливается по четырем лимитирующим признакам вредности: общесанитарному, водному миграционному, миграционному воздушному и транслокационному. В то же время для донных осадков условно можно выделить четыре основных ЛПВ, определяющих максимальное влияние загрязненных донных осадков на экосистемы и организмы:

1) токсикологическое воздействие на микробиологический комплекс осадков и бентос (токсикологический ЛПВ);

2) токсикологическое влияние на рыб-бентофагов (рыбохозяйственный ЛПВ);

3) токсикологическое воздействие на организмы, обитающие в толще воды, через процессы вторичного загрязнения в результате насыщения поровых вод и осадков подвижными химическими соединениями (водно-миграционный ЛПВ);

4) влияние на гидрохимический состав и санитарные показатели воды (санитарный ЛПВ).

В связи с этим использование норматива концентраций загрязняющих веществ в почвах применительно к донным осадкам при выполнении тех или иных экологических оценок должно быть обоснованным. По мнению Л.А. Лесникова (Методические указания, 1989) загрязнение донных осадков играет решающую роль в ухудшении качества воды и в снижении рыбопродуктивности водоемов. Этот вывод закономерен для составляющих основную часть уловов во внутренних водоемах России рыб-бентофагов, которые добывают пищу со дна. В связи с этим Л. А. Лесников предлагает в качестве ориентировочно допустимых концентраций загрязняющих веществ в донных осадках использовать ПДК загрязняющих веществ для воды рыбохозяйственного назначения, но в расчете на единицу массы грунта (мг/кг) с анализом твердой фракции и иловой воды как единого целого

В отсутствие нормативов содержание химических веществ часто сравнивают с кларком осадочных пород или с химическим составом глубоководных океанических осадков, выявляя тем самым превышения (или кларки концентраций) загрязняющих веществ в донных осадках. Но более корректно с нашей точки зрения сравнение с фоновыми показателями. Существуют два подхода к их установлению. Либо обосновывают региональный природный фон современных донных отложений, либо рассчитывают средние содержания химических элементов в подстилающих осадочных образованиях, как правило, позднеплейстоценовых и голоценовых, а также в современных, сформировавшихся в доиндустриальный период развития – 50–100 лет назад. В первом случае мы сталкиваемся с проблемой поиска незагрязненных акваторий при нарастающем антропогенном воздействии. Во втором возникает необходимость учета возможных фациально-генетических и вещественно-геологических различий в «древнем» и современном седиментогенезе.