Геохимия атмосферных осадков, почвенных и грунтовых вод Усть-Селенгинской впадины в условиях интенсивного техногенного воздействия

На правах рукописи ЖАМБАЛОВА ДАШИМА ИВАНОВНА Геохимия атмосферных осадков, почвенных и грунтовых вод Усть-Селенгинской впадины в условиях интенсивного техногенного воздействия Специальность 25.00.36. – «геоэкология» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук Иркутск – 2010 Работа выполнена в Геологическом институте СО РАН Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук Плюснин Алексей Максимович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Руш Елена Анатольевна (ИГУПС) кандидат географических наук, Белозерцева Ирина Александровна (Институт географии СО РАН) Ведущая организация: Бурятский государственный университет, г. Улан-Удэ Защита состоится «20» октября 2010 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 003.059.01 при Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а, факс (3952) 427050. E-mail: korol@igc.irk.ru С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а. Автореферат разослан 14 сентября 2010 года Ученый секретарь дис. совета, к.г-м.н. Королева Г.П. Актуальность темы. Одной из экологически важных проблем современности является загрязнение подземных вод азотсодержащими соединениями. Известно, что во многих странах загрязнению подвергаются водоносные горизонты, использующиеся для питьевого водоснабжения населения. На территории Западного Забайкалья такой очаг загрязнения сформирован на побережье озера Байкал в пределах Усть-Селенгинской впадины, что вызывает угрозу загрязнения вод озера. Это во многом связано с глобальной проблемой загрязнения атмосферы. С загрязнением атмосферных осадков во многих регионах России отмечается ухудшение качества поверхностных и подземных вод, в том числе и за счет повышения концентрации нитрат-иона и аммония (Рыженко и др., 1997; Зверев и др., 2000; Сороковикова и др., 2001; Ходжер и др., 2002). Загрязнение грунтовых вод часто опосредованно связано с гидромелиоративными работами, которые в последние десятилетия проводятся на больших площадях во многих районах мира. И, наконец, интенсивное использование земель в сельскохозяйственном производстве также часто приводит к загрязнению азотсодержащими соединениями. На изученной нами территории ранее детальных исследований по выявлению причин загрязнения грунтовых вод на столь обширной территории не проводилось, не известна генетическая структура потоков вещества, не выяснено влияние сложившейся обстановки на взаимодействие в системе вода-порода и на миграцию в растворе других компонентов, в том числе микроэлементов. Цель работы. Выявить особенности химического состава атмосферных, почвенных и грунтовых вод, формирующихся на территории Усть-Селенгинской впадины, оценить влияние техногенных факторов на их формирование. Задачи исследований. 1. Выяснить особенности природно-климатических условий Усть-Селенгинской впадины, где сформировался на площади более 500 км2 ореол грунтовых вод, загрязненных азотсодержащими соединениями. 2. Определить влияние выбросов промышленности, последствий осушения земель, стоков сельскохозяйственного производства на загрязнение атмосферных осадков, почвенных и грунтовых вод региона. 3. Выявить закономерности трансформации химического состава загрязненных инфильтрующихся вод в зоне аэрации. 4. Установить особенности формирования состава грунтовых вод в районе исследований, определить воздействие техногенеза на миграцию микроэлементов в поверхностных, почвенных и грунтовых водах. Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертации положен материал, полученный автором в период полевых работ и лабораторных исследований в рамках выполнения бюджетных тем ГИН СО РАН за период работ 2001 – 2009 годов и интеграционного проекта СО РАН № 99 «Анализ и моделирование трансформации вещества в системе река Селенга-дельта-оз. Байкал». Кроме того, в работе обобщены материалы, ранее собранные сотрудниками лаборатории эколого-гидрогеологических исследований и опубликованные в открытой печати результаты исследований по региону за последние годы. При проведении работ автором было отобрано и проанализировано 92 пробы почв, 120 проб атмосферных осадков, 64 пробы почвенных вод и 340 проб грунтовых вод. Макроэлементный состав вод и валовое содержание элементов в почвах определены количественными методами в сертифицированных лабораториях Геологического института СО РАН, микроэлементный состав вод проанализирован ICP MS методом на масс-спектрометре “PlasmaQuad 2” в центре коллективного пользования в Институте геохимии им. А.П. Виноградова. Лично автором проведен анализ макрокомпонентного состава всех вод, проведены отбор и анализ почвенных вод, экспериментальные исследования трансформации химического состава инфильтрующихся через почвенный разрез вод, произведена статистическая обработка результатов анализа. Автор принимал непосредственное участие в проведении мониторинга химического состава атмосферных и грунтовых вод, а также в анализе, обработке и интерпретации полученных данных, подготовке публикаций. Научная новизна работы. Показано, что географическое расположение Усть-Селенгинской впадины по отношению к промышленно развитым областям региона и особенности ее природно-климатических условий предопределяют интенсивное круглогодичное техногенное давление на ее ландшафты как за счет выбросов промышленных предприятий района, так и за счет трансграничного переноса загрязняющих веществ. Негативное воздействие этих факторов привело к формированию обширного очага загрязнения атмосферных, почвенных и грунтовых вод, который располагается в непосредственной близости от побережья озера Байкал. Выявлено, что при инфильтрации слабо загрязненных аммонием, сульфат- и нитрат – анионами атмосферных осадков и поверхностных вод, через зону аэрации нитрат в значительной мере поглощается из раствора, а сульфат-ион и аммоний проникают в грунтовые воды. На осушенных землях района в результате окислительного разложения торфов в грунтовые воды поступают аммоний, нитрат, нитрит, растворимые органические вещества, создаются восстановительные условия, в растворе накапливаются микроэлементы, не характерные для слагающих впадину пород. Практическая значимость. Установленные особенности формирования химического состава атмосферных осадков, почвенных и грунтовых вод в Усть-Селенгинской впадине могут быть использованы для разработки рационального объема мероприятий, направленных на улучшение экологической обстановки в центральной экологической зоне Байкальской природной территории. Фактические данные по формированию химического состава грунтовых вод позволяют объяснить закономерности формирования очагов загрязнения в местах проведения мелиоративных работ и разработать на стадии проектирования необходимый комплекс мероприятий по предотвращению или минимизации процессов загрязнения. Результаты изученных нами природно-техногенных процессов формирования загрязненных грунтовых вод могут быть использованы в курсах лекций студентов природоохранных специальностей. Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции "Основные факторы и закономерности формирования дельт и их роль в функционировании водно-болотных экосистем в различных ландшафтных зонах ", г. Улан-Удэ, 2005г; Всероссийском совещании по подземным водам востока России, г. Иркутск, 2006г; Научной конференции “Природные ресурсы Забайкалья и проблемы геосферных исследований”, г. Чита, 2006г; Международной научно-практической конференции «Особенности хозяйственной деятельности на Байкальской природной территории», г. Улан-Удэ, «Энхалук», 2007г; Молодежной научной конференции «Молодежь и наука Забайкалья», г. Чита, 2008г; Международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития земледелия и защиты почв», Улан-Удэ, 2009г; Международной конференции «Вулканизм, биосфера и экологические проблемы», Майкоп-Туапсе, 2009г. Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе две статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень рекомендуемых ВАК. Структура работы. Диссертация (общий объем 151 стр., 25 табл., 29 рис.) состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 141 наименование. Во введении обоснованы актуальность работы, определены цель и задачи исследования, даны положения, выносимые на защиту и практическая значимость. В первой главе рассмотрены геологическое строение, тектоническая характеристика, гидрогеологические условия, гидрография, климат и почвенный покров района. Во второй главе приведены методики отбора проб и методы анализа природных вод. Третья глава посвящена рассмотрению процессов формирования химического состава атмосферных осадков в современных условиях и характеристике атмосферных загрязнений Байкальского региона. Приведены данные мониторинга химического состава атмосферных осадков. В четвертой главе рассмотрены факторы и процессы, способствующие загрязнению подземных вод, условия формирования подземных вод Усть-Селенгинской впадины. В главе приведены результаты мониторинговых исследований химического состава почвенных и грунтовых вод, закономерности формирования микроэлементного состава. В пятой главе рассмотрены влияние осушения земель на химический сток грунтовых вод, воздействие разрывных нарушений на распространение загрязнения. Приведены результаты экспериментального исследования взаимодействия инфильтрующихся вод, обогащенных азотсодержащими соединениями, с почвами. В Заключении представлены основные выводы по результатам проведенных исследований. Работа выполнена в лаборатории эколого-гидрогеологических исследований ГИН СО РАН под руководством д.г-м.н. А.М. Плюснина, которому автор выражает глубокую благодарность за помощь и поддержку на всех этапах работы. Автор благодарна Б.Ж. Жалсараеву за проведение РФА, а также И.П. Труниной, Л.А. Онходоевой за помощь в проведении аналитических работ. ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. В результате техногенного воздействия на значительной площади Усть-Селенгинской впадины сформирована область загрязнения атмосферных, почвенных и грунтовых вод аммонием и нитратом. При инфильтрации загрязненных вод через зону аэрации нитрат-ион частично выводится из раствора за счет поглощения растительностью и сорбционных процессов, аммоний и сульфат-ион проникают до уровня грунтовых вод. Усть-Селенгинская впадина расположена на восточном побережье озера Байкал. Значительную ее часть занимает дельта р. Селенги. Экосистемы дельты развиваются в условиях континентального климата Восточной Сибири, преобразованного влиянием Байкала. Климат характеризуется большими амплитудами температуры воздуха в течение суток и года. На территории района господствующим направлением ветров является западное и юго-западное (Атлас..., 1967). Проведенные исследования показали, что воды с наибольшей минерализацией располагаются в заболоченной низине Калтусного прогиба, где содержание минеральных веществ достигает 500-600 мг/л (рис. 1). Рост минерализации грунтовых вод здесь связан, в основном, с увеличением количества кальция, магния и гидрокарбонат-иона (табл. 1). Установлено, что на значительной площади дельты грунтовые воды загрязнены аммонием, во многих местах они выше ПДК для вод питьевого назначения. Наиболее интенсивное загрязнение грунтовых вод этим соединением происходит в пределах осушенной от болот территории, где в настоящее время расположены сенокосные угодья. Кроме этого высокое содержание аммония обнаруживается в населенных пунктах и в пределах распаханных земель, которые используются для выращивания зерновых. Аномальное количество этого токсичного компонента поступает в грунтовые воды при протекании разнообразных процессов, среди которых необходимо отметить разложение торфа на осушенных землях, инфильтрацию загрязненных атмосферных осадков, использование удобрений и коммунально-бытовые стоки. Вклад их в формирование ореола в разных частях впадины не равнозначен, но такая оценка загрязнения до сих пор не проводилась. На территории дельты грунтовые воды содержат значительное количество органических соединений, которые поступают в воды при разложении накопленной в осадочных отложениях биомассы торфов. Высокие содержания органики в водах характерны не только для заболоченных территорий, но и для других частей впадины, ее поступление в раствор, вероятно, происходит из осадочных дельтовых отложений. Разложение органики в различных частях Усть-Селенгинской впадины происходит с разной интенсивностью, на что указывает распределение концентрации углекислого газа. Наиболее высокие его концентрации обнаруживаются в пределах осушенных земель, где содержание достигает 50-60 мг/л. Техногенное воздействие на состояние грунтовых вод района, связанное со сточными водами предприятий, проявляется в возрастании количества сульфата и натрия. В районе п. Селенгинск, п. Тимлюй содержание сульфат-иона достигает 100-200 мг/л, натрия 30-60 мг/л. Воды, используемые для питьевого водоснабжения в населенных пунктах левобережья, содержат повышенные концентрации нитрата, хлорида, железа, органических соединений и др. (табл. 2). Разнообразное воздействие техногенеза на подземную гидросферу создает специфические условия для протекания геохимических, биохимических процессов, миграции и осаждению целого ряда химических элементов. Таблица 1. Химический состав грунтовых вод левобережья по данным площадного опробования, мг/л (n=165) (Плюснин, Кислицына, Параметр, мг/л Минимум Максимум Среднее Сред. хим. состав подз. вод Забайкалья* Ca2+ 10,0 152,3 52,7 20,0 Mg2+ 1,8 68,1 11,9 9,3 Na+ 0,5 75,4 10,5 13,6 K+ 0,3 21,5 2,7 1,7 HCO3- 3,5 488,1 196,7 125 SO42- 0,05 216,8 21,3 4,6 Cl- 2,1 138,3 13,2 4,0 NO3- 0,005 230,0 7,9 - NH4+ 0.005 16,46 1,38 - NO2- 0,005 3,5 0,10 - SiO2 2,4 46,5 18,6 17,5 Минерали-зация 62,6 700,0 238,1 179 Жесткость (мг-экв/л) 0,7 11,1 3,6 1,76 Перм. Ок., мгО/л 0,3 48,0 5,3 - CO2 0,01 74,8 11,7 17,1 PO43- 0,005 1,0 0,076 0,03 pH 6,9 9,9 7,8 7,0 Жамбалова и др., 2008) Примечание: «*» - Шварцев, 1998. Рис. 1. Минерализация грунтовых вод Усть-Селенгинской впадины. Таблица 2. Химический состав грунтовых вод в населенных пунктах, мг/л (n=175) Параметр 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Са2+ 12 126,7 108,2 109,7 133,2 64,1 75,1 48,1 136,2 87,1 56,1 Мg2+ 2,4 42,7 13,6 9,8 45,8 24,7 42,2 13,9 43,9 29,5 21,3 Nа+ + К+ 9,4 169,7 57,9 20 94,2 73,8 85,7 11 80,9 49,9 24,1 НСО3- 48,8 91,5 279 300 317 94,5 338 201 240 161 228 SO42- 7,5 38 11,6 12 45,7 19,7 27,5 11,2 45,9 34,1 50 Сl- 6 193 20 31 75 45 57 12 117 82 45 NO3- 5 590 188,2 68,2 382,6 323,2 207,2 9,5 357,5 209,1 1,5 NH4+ 0,12 0,21 0,18 0,28 0,34 0,1 3,5 0,42 0,1 1,88 2,32 NO2- 0,02 0,06 0,23 0,06 2,43 0,07 1,44 0,34 0,09 0,16 0,05 SiO2 14,1 17,7 12,5 15,2 11,6 25,6 13,9 12,6 10,4 18,1 16,3 Минера-лизация 91 1252 680 552 1098 645 838 308 1023 656 437 Жесткость, (мг-экв/л) 0,98 9,35 6,35 6,5 10,2 5,25 6,7 3,63 10,88 7,88 4,73 Перм.окис., мгО/л 0,9 4,8 2,4 2,5 11 1,5 10,1 1,9 2,9 3,7 2,5 СО2 23,1 71,5 72,6 55 61,6 28,6 41,8 26,4 43,45 63,8 11 Fе общ <0,1 0,1 <0,1 0,27 0,16 <0,1 0,34 <0,1 <01 0,21 7,76 рН 6,56 6,46 7,46 7,38 7,19 7,28 7,54 7,13 6,96 6,64 6,5 Примечание: № 1 - станция Посольская, колодец глубиной до поверхности воды 5 м; № 2 - с. Посольск, колодец, 3,5 м; № 3 - с. Исток, скважина 15 м; № 4 - с. Истомино, колодец, 7 м; № 5 - с. Степной Дворец, колодец, 4 м; № 6 - с. Ранжурово, колодец, 4 м; № 7 - с. Шигаево, колодец, 6 м; № 8 - с. Творогово, колодец, 4 м; № 9 - с. Колесово, колодец, 3,5 м; № 10 - с. Каргино, колодец, 3 м; № 11 - с. Кабанск, скважина, 5 м. За наблюдаемый период времени выпадало 280-570 мм атмосферных осадков. Как показал мониторинг, в этом районе выпадают высокоминерализованные осадки, как в виде дождя, так и в виде снега, содержащие большие концентрации таких компонентов как SO42-, HCO3-, Cl-, NH4+ и др. В районе зафиксированы выпадения кислых дождей, когда рН в осадках достигал 4 (табл. 3). Среди компонентов химического состава особого рассмотрения требуют содержания сульфата и аммония. Содержание сульфата в атмосферных осадках, выпадающих зимой, возрастает и может достигать 195 мг/л (рис. 2). Несомненно, такие высокие концентрации связаны со сжиганием угля и нефтепродуктов в населенных пунктах и на промышленных предприятиях. Таблица 3. Химический состав атмосферных осадков (п. Кабанск), мг/л (n=10) Дата отбора pH HCO3- NO3- Cl- SO42- NH4+ NO2- Na+K Жест., мг.экв/л 5.08.01 7,0 32,4 0,05 5,01 1,4 1,2 0,029 0,3 0,62 2.09.01 7,3 32,4 0,05 5,2 3,1 1,4 0,035 0,6 0,64 11.10.01 7,3 40,5 0,18 6,1 22,6 3,7 0,028 0,98 0,98 7.05.03 4,06 14,2 12,25 4,01 62,95 17,60 0,05 1,85 0,65 15.06.03 7,35 47,5 14,25 12,05 29,45 17,60 0,05 1,88 1,2 15.07.03 4,06 55,8 2,55 7,04 62,9 5,00 0,05 2,88 1,9 6.08.03 7,05 28,9 0,22 4,67 6,81 0,54 0,027 1,88 0,6 12.09.03 7,27 28,9 2,23 5,45 6,98 1,05 0,09 2,54 0,65 9.10.03 7,15 54,9 1,30 11,34 22,39 9,98 0,10 2,89 1,2 17.11.03 6,88 55,8 1,50 8,56 21,26 5,47 0,38 3,05 1,2 АБ Рис. 2. Содержание сульфат-иона (А) и иона аммония (Б) в атмосферных осадках (п. Кабанск). Колебания содержаний сульфат-иона связаны, с изменением направления и силы ветра, который оказывает рассеивающее влияние на атмосферные выбросы. Сульфат может переноситься и в виде паров серной кислоты, в этом случае происходит закисление осадков. Другая часть сульфата переносится в виде солей, в том числе и в виде сульфата аммония, в этом случае происходит загрязнение вод одновременно сульфатом и аммонием. Высокие концентрации аммония и нитрата обнаруживаются в атмосферных осадках и зимой и летом, что связано как с техногенными, так и с природными процессами. Но доминирующим фактором поступления этих компонентов в атмосферу является техногенез, на что указывает корреляция между их содержаниями, возможно связанное с выбросом и переносом в виде нитрата аммония. Химический состав почвенных вод формируется за счет поступающих атмосферных осадков и процессов взаимодействия этих вод с почвами, почвогрунтами и растительностью. Основное внимание было уделено анализу в почвенных водах азотсодержащих соединений и сульфата. Высокие содержания большинства компонентов в почвенных водах проявляются спорадически, что связано с направленностью ветров, приносящих атмосферную влагу, длительностью атмосферных выпадений и другими факторами, которые требуют детального изучения. Содержание компонентов макросостава (табл. 4) периодически достигает значительных величин. Особенно высока относительная концентрация ионов аммония. Из других проанализированных компонентов в значительной концентрации обнаруживаются фтор, хлор. pH NH4+ Ca2+ HCO3- NO3- NO2- SO42- Cl- F- Перм. ок. мгО/л 7,45 6,25 20,04 61,0 8,85 - 7,00 - 0,62 27,64 7,60 1,63 - - - - 10,25 - - - 6,85 2,50 20,04 30,5 0,90 0,02 31,0 27,2 0,41 17,46 7,05 2,50 15,03 36,6 - - 3,25 - - - 6,46 1,12 12,02 24,4 7,50 0,07 15,00 4,3 6,35 12,27 6,73 1,10 - - 7,13 0,02 93,55 - - - 6,75 4,00 - - 52,84 - 9,40 - - - 6,96 3,56 - - 2,64 - 17,80 - - - Таблица 4. Химический состав почвенных вод в п. Кабанск, мг/л (n=8) Рис. 3. Содержание аммония и нитрата в почвенных водах (в с. Истомино). Примечание: Слева направо первые три столбца на графиках характеризуют состав воды, отобранной на глубине 15 см от поверхности, следующие три столбца – воды на глубине 30 см. Установлено, что миграционная активность в зоне аэрации азотсодержащих компонентов, поступающих с атмосферными осадками, разная, происходит разделение аммония и нитрата при инфильтрации их по почвенному разрезу (рис. 3). Нитрат частично используется растительностью для жизнедеятельности и адсорбируется в зоне аэрации, поэтому удаляется из почвенных растворов. Аммоний же и сульфат свободно проникают через почвенный горизонт, на рис. 3 видно, что содержание аммония в почвенных водах из горизонта 15 см и 30 см одинаковое. При отсутствии в зоне аэрации активных адсорбентов эти компоненты могут проникать до уровня грунтовых вод и загрязнять их.

Похожие:

	Реферат Программа предназначена для численного моделирования на ЭВМ с массовым параллелизмом физических процессов техногенного воздействия...		Обоснования намечаемой деятельности по утилизации осадков сточных...
	Патентам и товарным знакам (19) Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности, к вагонам для перевозки горячих окатышей и агломерата с температурой...		Глоссарий по дренажу агрессивность грунтовых вод Правила подготовки к печати оригиналов, предназначенных для изданий пияф в форме препринтов, сообщений и авторефератов
	Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ регистрационный... Программа предназначена для численного моделирования на ЭВМ с массовым параллелизмом физических процессов техногенного воздействия...		Мелиоративное улучшение и охрана почвенных ресурсов виноградарства дагестана Реферат. Представлен анализ почвенных ресурсов виноградарства Республики Дагестан, а также пути их рационального использования почвенных...
	Мелиоративное улучшение и охрана почвенных ресурсов виноградарства дагестана Реферат. Представлен анализ почвенных ресурсов виноградарства Республики Дагестан, а также пути их рационального использования почвенных...		Мелиоративное улучшение и охрана почвенных ресурсов виноградарства дагестана Реферат. Представлен анализ почвенных ресурсов виноградарства Республики Дагестан, а также пути их рационального использования почвенных...
	Организация и очистка поверхностного стока, понижение уровня грунтовых вод В соответствии с архитектурно-планировочным решением и инженерно-геологическими условиями намечаются следующие мероприятия по инженерной...		Реферат по биоэкологии на тему: «Загрязнение грунтовых вод» За последние несколько десятилетий грунтовые воды стали одним из важнейших ресурсов. Обычно, за редким исключением, они обладали...
	Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ регистрационный... Программа предназначена для численного моделирования на ЭВМ с массовым параллелизмом физических процессов техногенного воздействия...		Геохимия подземных вод бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь Правила подготовки к печати оригиналов, предназначенных для изданий пияф в форме препринтов, сообщений и авторефератов
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Сформировать представление о видах осадков. Научить анализировать и чертить столбиковые диаграммы выпадения осадков		«экологическая безопасность и обеспечение нормированного сброса сточных... Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский...
	Рабочая программа учебной дисциплины «Кристаллография и минералогия» Специализации: «Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»; «Геология нефти и газа»; «Поиски и разведка...		«Профессиональная нейросенсорная тугоухость» Профессиональное заболевание органа слуха – нейросенсорная тугоухость (нст), развивающаяся от воздействия интенсивного производственного...