Помощь студентам в учебе
ЭКОГЕОХИМИЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ СЕВЕРНОГО ПРИКАМЬЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ИЗУЧЕННОСТЬ ТЕРРИТОРИИ 11
1.1 Малые реки: геохимия речных долин, экологические проблемы и современное состояние 11
1.2 Общая характеристика Соликамско-Березниковской агломерации 13
1.3 Характеристика объектов исследования 16
1.4 Природные условия Соликамско-Березниковской агломерации 21
1.4.1 Общая характеристика климатических, геоморфологических и гидрологических
условий 21
1.4.2 Общая характеристика геолого-гидрогеологических условий 23
1.5 Источники и виды техногенного воздействия на окружающую среду Соликамско-
Березниковской агломерации 27
1.6 Гидрохимические и гидробиологические исследования на севере Прикамья 35
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 39
2.1 Методы полевых исследований 39
2.2 Лабораторные химико-аналитические методы исследования 41
2.3 Методы камеральной обработки результатов исследования 43
ГЛАВА 3. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАЛЫХ РЕК СОЛИКАМСКО-БЕРЕЗНИКОВСКОЙ АГЛОМЕРАЦИИ 53
3.1 Экологическая характеристика водосборных бассейнов исследуемых малых рек 53
3.2 Химический состав речных вод малых рек Соликамско-Березиковской агломерации 57
3.3 Эколого-геохимическая оценка речных вод малых рек Соликамско-Березниковской
агломерации 62
3.4 Эколого-геохимическая оценка донных отложений малых рек Соликамско-Березниковской
агломерации 76
3.5 Анализ специфики техногенеза в бассейне малых рек Соликамско-Березниковской
агломерации 97
3.5.1 Геохимические характеристики поверхностных вод и донных отложений малых рек 97
3.5.2 Характеристика эколого-геохимического состояния устьевой части малых рек 101
ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОДНОГО ОБЪЕКТА В УСЛОВИЯХ СБРОСА СТОЧНЫХ ВОД 109
4.1 Характеристика бассейна р. Толыч 109
4.2 Эколого-геохимическая оценка бассейна р. Толыч 113
4.3 Оценка качества воды по биотестированию 117
4.4 Оценка качества воды по развитию зообентоса 119
4.5 Оценка качества воды по показателям ихтиофауны 123
4.6 Индикаторы техногенного загрязнения водных объектов в условиях сброса сточных вод..126
ГЛАВА 5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ 132
5.1 Анализ существующей структуры мониторинга водных объектов 133
5.2 Российский опыт организации экологического мониторинга водных объектов 136
5.3 Зарубежный опыт организации экологического мониторинга водных объектов 138
5.4 Принцип организации работы водопотребления, водоотведения и его контроль 140
5.5 Опыт реализации мероприятий по снижению негативного воздействия на водные
объекты 145
5.6 Предложения по организации экологического мониторинга на территории г. Соликамска и
г. Березники 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ИЗУЧЕННОСТЬ ТЕРРИТОРИИ 11
1.1 Малые реки: геохимия речных долин, экологические проблемы и современное состояние 11
1.2 Общая характеристика Соликамско-Березниковской агломерации 13
1.3 Характеристика объектов исследования 16
1.4 Природные условия Соликамско-Березниковской агломерации 21
1.4.1 Общая характеристика климатических, геоморфологических и гидрологических
условий 21
1.4.2 Общая характеристика геолого-гидрогеологических условий 23
1.5 Источники и виды техногенного воздействия на окружающую среду Соликамско-
Березниковской агломерации 27
1.6 Гидрохимические и гидробиологические исследования на севере Прикамья 35
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 39
2.1 Методы полевых исследований 39
2.2 Лабораторные химико-аналитические методы исследования 41
2.3 Методы камеральной обработки результатов исследования 43
ГЛАВА 3. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАЛЫХ РЕК СОЛИКАМСКО-БЕРЕЗНИКОВСКОЙ АГЛОМЕРАЦИИ 53
3.1 Экологическая характеристика водосборных бассейнов исследуемых малых рек 53
3.2 Химический состав речных вод малых рек Соликамско-Березиковской агломерации 57
3.3 Эколого-геохимическая оценка речных вод малых рек Соликамско-Березниковской
агломерации 62
3.4 Эколого-геохимическая оценка донных отложений малых рек Соликамско-Березниковской
агломерации 76
3.5 Анализ специфики техногенеза в бассейне малых рек Соликамско-Березниковской
агломерации 97
3.5.1 Геохимические характеристики поверхностных вод и донных отложений малых рек 97
3.5.2 Характеристика эколого-геохимического состояния устьевой части малых рек 101
ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОДНОГО ОБЪЕКТА В УСЛОВИЯХ СБРОСА СТОЧНЫХ ВОД 109
4.1 Характеристика бассейна р. Толыч 109
4.2 Эколого-геохимическая оценка бассейна р. Толыч 113
4.3 Оценка качества воды по биотестированию 117
4.4 Оценка качества воды по развитию зообентоса 119
4.5 Оценка качества воды по показателям ихтиофауны 123
4.6 Индикаторы техногенного загрязнения водных объектов в условиях сброса сточных вод..126
ГЛАВА 5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ 132
5.1 Анализ существующей структуры мониторинга водных объектов 133
5.2 Российский опыт организации экологического мониторинга водных объектов 136
5.3 Зарубежный опыт организации экологического мониторинга водных объектов 138
5.4 Принцип организации работы водопотребления, водоотведения и его контроль 140
5.5 Опыт реализации мероприятий по снижению негативного воздействия на водные
объекты 145
5.6 Предложения по организации экологического мониторинга на территории г. Соликамска и
г. Березники 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Актуальность. Малые реки урбанизированных территорий, на водосборах которых осуществляется интенсивная хозяйственная деятельность, характеризуются наибольшей уязвимостью и, как следствие, чувствительностью к техногенным процессам, происходящим в пределах каждого такого бассейна (Ткачев и др., 2002; Янчук, 2018). Каждая речная долина представляет собой геосистему, в которой происходит распределение и миграция химических элементов (Кузнецов, 1986), среди которых существенную опасность представляют элементы со свойствами металлов и металлоидов с атомной массой больше 50, которые являются обязательными для оценки качества вод с использованием санитарно-гигиенических и рыбохозяйственных нормативов (Соромотин и др., 2019).
Проблемы загрязнения малых рек в пределах крупных промышленных центров России отмечаются в работах В.И. Данилова-Данильяна (2020), Е.В. Веницианова (2020), С.В. Ясинского (2023), А.Ю. Опекунова (2022), В.Е. Закруткина (2021), Е.П. Янина (2018). Не исключением является акватория Камского водохранилища на р. Каме (Пермский край), где на протяжении 44 км от г. Соликамска до г. Березники длительное время она подвержена техногенному воздействию предприятий, связанных с Верхнекамским месторождением калийно-магниевых солей. С открытием месторождения на левобережье р. Камы введены в действие крупнейшие в России производители хлористого калия, соды, магния и редких металлов, высших алифатических аминов, натриевой селитры и кристаллического нитрита натрия и др. Производство продукции горно-химической отрасли сопровождается организацией объектов размещения отходов и сбросом сточных вод разной степени очистки как в малые реки, так и в акваторию Камского водохранилища, которые суммарно составляют 900 млн м3 в год. Воды Камского водохранилища на этом участке длительное время соответствует 3-му классу качества воды («очень загрязненные») (Доклад..., 2022).
Малые реки, непосредственно впадающие в Камское водохранилище в пределах г. Соликамска и г. Березники, длительное время подвержены техногенному воздействию от точечных и диффузных источников загрязнения. Современный экологический мониторинг водных объектов на территории Пермского края осуществляется в пределах Камского и Воткинского водохранилищ только по пунктам наблюдений федеральной сети Росгидромета, при этом программы наблюдений не предусматривают анализ качества вод притоков первого порядка, несмотря на то, что малые реки Соликамско-Березниковской агломерации являются приемниками сточных вод и диффузных источников загрязнения, осуществляют вынос загрязняющих веществ в акваторию Камского водохранилища (Лепихин и др., 2020; Мирошниченко и др., 2021; Меньшикова, 2022; Хайрулина, 2022). Разрешенные сбросы сточных вод в малые реки на этой территории осуществляются на протяжении 90 лет, включая активный сброс неочищенных сточных вод до 90-х годов прошлого столетия. Так, минерализация вод такого объекта в этот период (р. Черной на территории г. Соликамска) достигала 200 г/л (Горбунова и др., 1990; Бельтюков, 1996).
Современный мониторинг рек на территории Пермского края ограничивается лишь исследованиями качества воды без должного внимания к оценке загрязнения донных отложений как источника первичного и вторичного загрязнения водных объектов, видовому разнообразию гидробионтов в местах интенсивного промышленного воздействия на малых реках. Оценка физико-химических показателей речных вод в рамках осуществляемого государственного мониторинга является недостаточной для понимания потенциальной экологической опасности загрязнения водохранилищ, имеющих рыбохозяйственное и рекреационное значение. Изучение биотического компонента в сочетании с уровнем загрязнения донных отложений и качеством вод является направлением адекватной экологической оценки водных объектов с целью сохранения биоразнообразия и прогнозирования состояния водных экосистем в условиях интенсивного техногенного загрязнения. Своевременный контроль, охрана и восстановление водных объектов в пределах акватории Верхней Камы является актуальной и важной задачей для целей оздоровления р. Камы.
Целью диссертационного исследования является оценка эколого-геохимического состояния малых рек на территории Соликамско-Березниковской агломерации в северной части Прикамья по данным изучения речных вод и донных отложений с применением интегральных и биоиндикационных показателей.
Основные задачи:
1) Характеристика техногенного воздействия в пределах водосборных бассейнов малых рек на территории Соликамско-Березниковской агломерации;
2) Изучение особенностей распределения исследуемых Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb, Hg в воде и донных отложениях малых рек района исследования, характеристика их экологогеохимического состояния;
3) Комплексирование абиотических и биотических подходов к оценке уровня загрязнения водного объекта на примере р. Толыч на территории г. Березники;
4) Обоснование подходов к программам мониторинга экологического состояния акватории Верхней Камы по данным эколого-геохимической оценки малых рек Соликамско- Березниковской агломерации.
Объектом исследования являются речные воды, донные отложения и гидробионты малых рек на территории Соликамско-Березниковской агломерации в северной части Прикамья, предметом исследования - особенности распределения химических элементов в компонентах природной среды под влиянием природных и техногенных факторов.
Достоверность результатов и методы исследования. Химико-аналитические исследования выполнены в аккредитованных лабораториях Пермского государственного национального исследовательского университета. Для определения водородного показателя, растворенного кислорода, БПК5 и катионно-анионного состава речных вод и донных отложений были использованы следующие методы: амперометрия, титриметрия, капиллярный
электрофорез и потенциометрия. Содержание исследуемых микроэлементов в речных водах и донных отложениях определялось масс-спектральным методом на приборе BRUKER AURORA M90 ICP-MS (США). Достоверность защищаемых положений обеспечена использованием геохимических и статистических подходов, современных высокочувствительных аналитических методов с выполнением анализов в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам с контрольным определением 5-10% проб.
Токсичность донных отложений наиболее техногенно-нагруженного водного объекта Соликамско-Березниковской агломерации (р. Толыч) оценена методом биотестирования с применением двух тест-объектов: биолюминесцентные бактерии - V. fischeri (тест-система «Эколюм») и дафнии Daphnia magna Straus (Daphtoxkit F).
Научная новизна. Впервые на территории Соликамско-Березниковской агломерации выполнена экологическая оценка поверхностных вод и донных отложений малых рек по интегральным показателям загрязнения тяжелыми металлами, определены их условно-фоновые концентрации. Впервые для р. Толыч, как модельного объекта с наибольшим объемом поступления сточных вод, с применением различных биологических тест-объектов определена токсичность донных отложений, проведена идентификация факторов, влияющих на распределение гидробионтов в бассейне реки, показана значимость комплексирования данных об уровне загрязнения абиотических и состоянию биотических компонентов водных экосистем, находящихся в условиях сброса сточных вод.
Практическая значимость. Полученные результаты исследования могут быть использованы Администрацией городов Березники и Соликамска, а также природоохранными структурами Пермского края для развития программ мониторинга водных объектов. Разработанные подходы могут быть использованы природоохранными организациями других субъектов при проведении эколого-геохимических наблюдений для решения задач прогнозирования экологической обстановки территорий с повышенным уровнем техногенного воздействия.
Полученные результаты исследования используются в учебном процессе на геологическом факультете ПГНИУ в рамках курсов «Геохимия ландшафтов для гидрогеологов», «Экологическая геохимия» образовательной программы магистратуры по направлению подготовки 05.04.06 «Экология и природопользование».
Фактический материал и личный вклад автора. В основу работы положены результаты исследований с участием автора совместно с сотрудниками лаборатории экологической геологии ЕНИ ПГНИУ и с сотрудниками кафедры зоологии позвоночных и экологии и кафедры зоологии беспозвоночных и водной экологии ПГНИУ, проводимых в период 2014-2022 г.г. Автор лично принимала участие в опробовании речных вод и донных отложений, дальнейшей их пробоподготовке. Автором выполнена статистическая и графическая обработка данных с дешифрированием космоснимков, интерпретация полученных результатов интегральных и биоиндикационных показателей, сформулированы цель, задачи и основные защищаемые положения. Автором лично получены новые данные об экологическом состоянии малых рек, находящихся в условиях повышенной техногенной нагрузки.
За период исследований на территории Соликамско-Березниковской агломерации автором опробовано 47 водных объектов в пределах исследуемых водосборных бассейнов, отобрано и проанализировано 252 пробы речных вод и донных отложений, проведены гидробиологические исследования в пределах бассейна реки с наиболее существенным техногенным воздействием.
Основные научные результаты исследования получены при выполнении следующих проектов, где автор принимала участие в качестве исполнителя: программа Министерства науки и высшего образования РФ, проект № 2019-0858 «Биогеохимические и геохимические исследования ландшафтов в условиях разработки месторождений полезных ископаемых, поиск новых методов мониторинга и прогноза состояния окружающей среды» (2020-2024 г.г.); проект РНФ № 22-24-20069 «Влияние техногенного загрязнения на водные экосистемы Прикамья» (2022-2023 г.г.); грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук, проект № МК-4377.2022.1.5 «Экологическое состояние водных бассейнов, находящихся в условиях сброса сточных вод: оценка, нормирование и подходы к восстановлению» (2022-2023 г.г.); проект РФФИ № 19-05-50071 Микромир «Оценка воздействия взвешенных наносов рек горнодобывающих районов на экологическое состояние Камского водохранилища» (2020-2022 г.г.); проект «Внедрение
технологий снижения негативного техногенного воздействия на окружающую природную среду и рекультивации нарушенных земель при разработке месторождений полезных ископаемых», реализуемый в рамках Программы Пермского НОЦ «Рациональное недропользование» (2021 г.).
Основные защищаемые положения.
1 защищаемое положение. На территории Соликамско-Березниковской агломерации варьирование содержаний макро- и микрокомпонентов в водах малых рек связано с техногенными и природными факторами в пределах водосборных бассейнов. Высокое содержание Cr, As, Cu, Ni и Cd коррелируется с Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+. Наибольшая доля микрокомпонентов, превышающих условные фоновые значения, характерна для малых рек с наименьшей площадью водосбора, где техногенный сток значительно превышает естественный.
2 защищаемое положение. Среди исследованных объектов Соликамско-Березниковской агломерации наиболее высоким уровнем загрязнения микроэлементами донных отложений характеризуется р. Толыч со следующим рядом распределения элементов Hg>Zn>Cu>Ni>Cd>Pb>As, трансформацией химического состава водной вытяжки осадков (от НСОз--Са2+ к Cl-- Na+ и Сa2+), что определяется спецификой и уровнем техногенного воздействия на водосборе.
3 защищаемое положение. Малые реки Соликамско-Березниковской агломерации являются важными объектами наблюдений в программах мониторинга, которые рекомендуется реализовывать с использованием как абиотических показателей состояния водных экосистем, так и подходов, основанных на прямом отклике водных сообществ на совокупное техногенное воздействие.
Апробация работы и публикации. Основное содержание и научные положения диссертации опубликованы в 14 работах, в том числе 3 статьях в журналах перечня ВАК Минобрнауки РФ, 4 статьях в изданиях, индексируемых международными базами данных в Web of Science и Scopus. Результаты полученных исследований представлены на конференциях: Национальная научно-практическая конференция с международным участием «Водные ресурсы - основа глобальных и региональных проектов обустройства России, Сибири и Арктики в XXI веке» (Тюмень, 2022); годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2020; Санкт-Петербург, 2022); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2020, 2021, 2023); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов» (Пермь, 2021, 2023); Всероссийская школа-семинар «Экологическая безопасность в условиях антропогенной трансформации природной среды» (Пермь, 2021, 2022); Международная молодежная научная школа «Мониторинг, охрана и восстановление почвенных экосистем в условиях антропогенной нагрузки» (Ростов-на- Дону, 2022); VII Международной конференции молодых ученых «Водные ресурсы: изучение и управление» (лимнологическая школа-практика) (Петрозаводск, 2023).
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из 5 глав, введения, заключения, списка литературы (304 наименования, из них 95 на английском языке), общим объёмом 187 страниц машинописного текста и содержит 63 рисунка и 39 таблиц.
В главе 1 представлено обобщение по экологическим проблемам малых рек, источникам их загрязнения и охарактеризована степень экологической изученности территории исследования. Глава 2 содержит методологические аспекты полевых, лабораторных и камеральных работ для оценки эколого-геохимического состояния малых рек. В главе 3 дана характеристика водных объектов по результатам интегральных показателей загрязнения микроэлементами (ИЗВ, HEI, ERI, Zc, Igeo, RI, PECQ), рассмотрены закономерности изменения химического состава речных вод и донных отложений. В главе 4 охарактеризовано качество вод модельного объекта с использованием методов биотестирования и биоиндикации, с интерпретацией результатов абиотических индексов оценки загрязнения водных объектов в условиях повышенного техногенного воздействия. В главе 5 по результатам настоящих исследований с учетом российского и зарубежного опыта организации мониторинга водных объектов даны рекомендации по улучшению территориального мониторинга малых рек.
Благодарности. Автор искренне благодарит научного руководителя, д.г.-м.н., заведующую кафедрой минералогии и петрографии ПГНИУ Меньшикову Елену Александровну за научное сопровождение, ценные советы и помощь в реализации диссертационной работы. Автор выражает особую благодарность всем сотрудникам лаборатории экологической геологии ЕНИ ПГНИУ за помощь и поддержку в написании работы, сборе фактического материала и лично Д.М. Ширинкину и Л.Р. Золотарёва. Автор глубоко признателен за проведение аналитических исследований к.х.н. М.А. Волковой и А.Ю. Пузику, а также сотрудникам лаборатории гидрохимического анализа ПГНИУ и лично Е.Н. Копанцевой. Также автор благодарит зав.лаб. НИЛ биотехнологий ЕНИ ПГНИУ к.б.н. Л.Ю. Нестерову и старшего преподавателя кафедры зоологии беспозвоночных и водной экологии ПГНИУ А.В. Тиунова за консультации и помощь в проведении биотестирования. Автор признателен к.г.-м.н. В.П. Тихонову, к.г.-м.н. Т.И. Караваевой, к.б.н. П.Б. Михееву, к.б.н. Н.Н. Панькову, к.г.-м.н. П.А. Белкину, д.г.н. Е.А. Хайрулиной, к.г.н. О.А. Березиной, к.г.-м.н. Е.В. Дробининой за ценные советы и замечания, рекомендации и всестороннюю помощь при выполнении диссертационного исследования, также выражает благодарность всему коллективу кафедры динамической геологии и гидрогеологии ПГНИУ. Особые слова благодарности автор адресует своим родителям, всем родным и близким, за оказанную поддержку и всестороннюю заботу в ходе проведения исследований и написания диссертации, а также безвременно ушедшим учителям на кафедре динамической геологии и гидрогеологии ПГНИУ - д.г.-м.н. В.Н. Катаеву и к.г.-м.н. И.В. Щуковой за прививание интереса к занятиям научной деятельностью.
Проблемы загрязнения малых рек в пределах крупных промышленных центров России отмечаются в работах В.И. Данилова-Данильяна (2020), Е.В. Веницианова (2020), С.В. Ясинского (2023), А.Ю. Опекунова (2022), В.Е. Закруткина (2021), Е.П. Янина (2018). Не исключением является акватория Камского водохранилища на р. Каме (Пермский край), где на протяжении 44 км от г. Соликамска до г. Березники длительное время она подвержена техногенному воздействию предприятий, связанных с Верхнекамским месторождением калийно-магниевых солей. С открытием месторождения на левобережье р. Камы введены в действие крупнейшие в России производители хлористого калия, соды, магния и редких металлов, высших алифатических аминов, натриевой селитры и кристаллического нитрита натрия и др. Производство продукции горно-химической отрасли сопровождается организацией объектов размещения отходов и сбросом сточных вод разной степени очистки как в малые реки, так и в акваторию Камского водохранилища, которые суммарно составляют 900 млн м3 в год. Воды Камского водохранилища на этом участке длительное время соответствует 3-му классу качества воды («очень загрязненные») (Доклад..., 2022).
Малые реки, непосредственно впадающие в Камское водохранилище в пределах г. Соликамска и г. Березники, длительное время подвержены техногенному воздействию от точечных и диффузных источников загрязнения. Современный экологический мониторинг водных объектов на территории Пермского края осуществляется в пределах Камского и Воткинского водохранилищ только по пунктам наблюдений федеральной сети Росгидромета, при этом программы наблюдений не предусматривают анализ качества вод притоков первого порядка, несмотря на то, что малые реки Соликамско-Березниковской агломерации являются приемниками сточных вод и диффузных источников загрязнения, осуществляют вынос загрязняющих веществ в акваторию Камского водохранилища (Лепихин и др., 2020; Мирошниченко и др., 2021; Меньшикова, 2022; Хайрулина, 2022). Разрешенные сбросы сточных вод в малые реки на этой территории осуществляются на протяжении 90 лет, включая активный сброс неочищенных сточных вод до 90-х годов прошлого столетия. Так, минерализация вод такого объекта в этот период (р. Черной на территории г. Соликамска) достигала 200 г/л (Горбунова и др., 1990; Бельтюков, 1996).
Современный мониторинг рек на территории Пермского края ограничивается лишь исследованиями качества воды без должного внимания к оценке загрязнения донных отложений как источника первичного и вторичного загрязнения водных объектов, видовому разнообразию гидробионтов в местах интенсивного промышленного воздействия на малых реках. Оценка физико-химических показателей речных вод в рамках осуществляемого государственного мониторинга является недостаточной для понимания потенциальной экологической опасности загрязнения водохранилищ, имеющих рыбохозяйственное и рекреационное значение. Изучение биотического компонента в сочетании с уровнем загрязнения донных отложений и качеством вод является направлением адекватной экологической оценки водных объектов с целью сохранения биоразнообразия и прогнозирования состояния водных экосистем в условиях интенсивного техногенного загрязнения. Своевременный контроль, охрана и восстановление водных объектов в пределах акватории Верхней Камы является актуальной и важной задачей для целей оздоровления р. Камы.
Целью диссертационного исследования является оценка эколого-геохимического состояния малых рек на территории Соликамско-Березниковской агломерации в северной части Прикамья по данным изучения речных вод и донных отложений с применением интегральных и биоиндикационных показателей.
Основные задачи:
1) Характеристика техногенного воздействия в пределах водосборных бассейнов малых рек на территории Соликамско-Березниковской агломерации;
2) Изучение особенностей распределения исследуемых Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb, Hg в воде и донных отложениях малых рек района исследования, характеристика их экологогеохимического состояния;
3) Комплексирование абиотических и биотических подходов к оценке уровня загрязнения водного объекта на примере р. Толыч на территории г. Березники;
4) Обоснование подходов к программам мониторинга экологического состояния акватории Верхней Камы по данным эколого-геохимической оценки малых рек Соликамско- Березниковской агломерации.
Объектом исследования являются речные воды, донные отложения и гидробионты малых рек на территории Соликамско-Березниковской агломерации в северной части Прикамья, предметом исследования - особенности распределения химических элементов в компонентах природной среды под влиянием природных и техногенных факторов.
Достоверность результатов и методы исследования. Химико-аналитические исследования выполнены в аккредитованных лабораториях Пермского государственного национального исследовательского университета. Для определения водородного показателя, растворенного кислорода, БПК5 и катионно-анионного состава речных вод и донных отложений были использованы следующие методы: амперометрия, титриметрия, капиллярный
электрофорез и потенциометрия. Содержание исследуемых микроэлементов в речных водах и донных отложениях определялось масс-спектральным методом на приборе BRUKER AURORA M90 ICP-MS (США). Достоверность защищаемых положений обеспечена использованием геохимических и статистических подходов, современных высокочувствительных аналитических методов с выполнением анализов в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам с контрольным определением 5-10% проб.
Токсичность донных отложений наиболее техногенно-нагруженного водного объекта Соликамско-Березниковской агломерации (р. Толыч) оценена методом биотестирования с применением двух тест-объектов: биолюминесцентные бактерии - V. fischeri (тест-система «Эколюм») и дафнии Daphnia magna Straus (Daphtoxkit F).
Научная новизна. Впервые на территории Соликамско-Березниковской агломерации выполнена экологическая оценка поверхностных вод и донных отложений малых рек по интегральным показателям загрязнения тяжелыми металлами, определены их условно-фоновые концентрации. Впервые для р. Толыч, как модельного объекта с наибольшим объемом поступления сточных вод, с применением различных биологических тест-объектов определена токсичность донных отложений, проведена идентификация факторов, влияющих на распределение гидробионтов в бассейне реки, показана значимость комплексирования данных об уровне загрязнения абиотических и состоянию биотических компонентов водных экосистем, находящихся в условиях сброса сточных вод.
Практическая значимость. Полученные результаты исследования могут быть использованы Администрацией городов Березники и Соликамска, а также природоохранными структурами Пермского края для развития программ мониторинга водных объектов. Разработанные подходы могут быть использованы природоохранными организациями других субъектов при проведении эколого-геохимических наблюдений для решения задач прогнозирования экологической обстановки территорий с повышенным уровнем техногенного воздействия.
Полученные результаты исследования используются в учебном процессе на геологическом факультете ПГНИУ в рамках курсов «Геохимия ландшафтов для гидрогеологов», «Экологическая геохимия» образовательной программы магистратуры по направлению подготовки 05.04.06 «Экология и природопользование».
Фактический материал и личный вклад автора. В основу работы положены результаты исследований с участием автора совместно с сотрудниками лаборатории экологической геологии ЕНИ ПГНИУ и с сотрудниками кафедры зоологии позвоночных и экологии и кафедры зоологии беспозвоночных и водной экологии ПГНИУ, проводимых в период 2014-2022 г.г. Автор лично принимала участие в опробовании речных вод и донных отложений, дальнейшей их пробоподготовке. Автором выполнена статистическая и графическая обработка данных с дешифрированием космоснимков, интерпретация полученных результатов интегральных и биоиндикационных показателей, сформулированы цель, задачи и основные защищаемые положения. Автором лично получены новые данные об экологическом состоянии малых рек, находящихся в условиях повышенной техногенной нагрузки.
За период исследований на территории Соликамско-Березниковской агломерации автором опробовано 47 водных объектов в пределах исследуемых водосборных бассейнов, отобрано и проанализировано 252 пробы речных вод и донных отложений, проведены гидробиологические исследования в пределах бассейна реки с наиболее существенным техногенным воздействием.
Основные научные результаты исследования получены при выполнении следующих проектов, где автор принимала участие в качестве исполнителя: программа Министерства науки и высшего образования РФ, проект № 2019-0858 «Биогеохимические и геохимические исследования ландшафтов в условиях разработки месторождений полезных ископаемых, поиск новых методов мониторинга и прогноза состояния окружающей среды» (2020-2024 г.г.); проект РНФ № 22-24-20069 «Влияние техногенного загрязнения на водные экосистемы Прикамья» (2022-2023 г.г.); грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук, проект № МК-4377.2022.1.5 «Экологическое состояние водных бассейнов, находящихся в условиях сброса сточных вод: оценка, нормирование и подходы к восстановлению» (2022-2023 г.г.); проект РФФИ № 19-05-50071 Микромир «Оценка воздействия взвешенных наносов рек горнодобывающих районов на экологическое состояние Камского водохранилища» (2020-2022 г.г.); проект «Внедрение
технологий снижения негативного техногенного воздействия на окружающую природную среду и рекультивации нарушенных земель при разработке месторождений полезных ископаемых», реализуемый в рамках Программы Пермского НОЦ «Рациональное недропользование» (2021 г.).
Основные защищаемые положения.
1 защищаемое положение. На территории Соликамско-Березниковской агломерации варьирование содержаний макро- и микрокомпонентов в водах малых рек связано с техногенными и природными факторами в пределах водосборных бассейнов. Высокое содержание Cr, As, Cu, Ni и Cd коррелируется с Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+. Наибольшая доля микрокомпонентов, превышающих условные фоновые значения, характерна для малых рек с наименьшей площадью водосбора, где техногенный сток значительно превышает естественный.
2 защищаемое положение. Среди исследованных объектов Соликамско-Березниковской агломерации наиболее высоким уровнем загрязнения микроэлементами донных отложений характеризуется р. Толыч со следующим рядом распределения элементов Hg>Zn>Cu>Ni>Cd>Pb>As, трансформацией химического состава водной вытяжки осадков (от НСОз--Са2+ к Cl-- Na+ и Сa2+), что определяется спецификой и уровнем техногенного воздействия на водосборе.
3 защищаемое положение. Малые реки Соликамско-Березниковской агломерации являются важными объектами наблюдений в программах мониторинга, которые рекомендуется реализовывать с использованием как абиотических показателей состояния водных экосистем, так и подходов, основанных на прямом отклике водных сообществ на совокупное техногенное воздействие.
Апробация работы и публикации. Основное содержание и научные положения диссертации опубликованы в 14 работах, в том числе 3 статьях в журналах перечня ВАК Минобрнауки РФ, 4 статьях в изданиях, индексируемых международными базами данных в Web of Science и Scopus. Результаты полученных исследований представлены на конференциях: Национальная научно-практическая конференция с международным участием «Водные ресурсы - основа глобальных и региональных проектов обустройства России, Сибири и Арктики в XXI веке» (Тюмень, 2022); годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2020; Санкт-Петербург, 2022); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2020, 2021, 2023); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов» (Пермь, 2021, 2023); Всероссийская школа-семинар «Экологическая безопасность в условиях антропогенной трансформации природной среды» (Пермь, 2021, 2022); Международная молодежная научная школа «Мониторинг, охрана и восстановление почвенных экосистем в условиях антропогенной нагрузки» (Ростов-на- Дону, 2022); VII Международной конференции молодых ученых «Водные ресурсы: изучение и управление» (лимнологическая школа-практика) (Петрозаводск, 2023).
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из 5 глав, введения, заключения, списка литературы (304 наименования, из них 95 на английском языке), общим объёмом 187 страниц машинописного текста и содержит 63 рисунка и 39 таблиц.
В главе 1 представлено обобщение по экологическим проблемам малых рек, источникам их загрязнения и охарактеризована степень экологической изученности территории исследования. Глава 2 содержит методологические аспекты полевых, лабораторных и камеральных работ для оценки эколого-геохимического состояния малых рек. В главе 3 дана характеристика водных объектов по результатам интегральных показателей загрязнения микроэлементами (ИЗВ, HEI, ERI, Zc, Igeo, RI, PECQ), рассмотрены закономерности изменения химического состава речных вод и донных отложений. В главе 4 охарактеризовано качество вод модельного объекта с использованием методов биотестирования и биоиндикации, с интерпретацией результатов абиотических индексов оценки загрязнения водных объектов в условиях повышенного техногенного воздействия. В главе 5 по результатам настоящих исследований с учетом российского и зарубежного опыта организации мониторинга водных объектов даны рекомендации по улучшению территориального мониторинга малых рек.
Благодарности. Автор искренне благодарит научного руководителя, д.г.-м.н., заведующую кафедрой минералогии и петрографии ПГНИУ Меньшикову Елену Александровну за научное сопровождение, ценные советы и помощь в реализации диссертационной работы. Автор выражает особую благодарность всем сотрудникам лаборатории экологической геологии ЕНИ ПГНИУ за помощь и поддержку в написании работы, сборе фактического материала и лично Д.М. Ширинкину и Л.Р. Золотарёва. Автор глубоко признателен за проведение аналитических исследований к.х.н. М.А. Волковой и А.Ю. Пузику, а также сотрудникам лаборатории гидрохимического анализа ПГНИУ и лично Е.Н. Копанцевой. Также автор благодарит зав.лаб. НИЛ биотехнологий ЕНИ ПГНИУ к.б.н. Л.Ю. Нестерову и старшего преподавателя кафедры зоологии беспозвоночных и водной экологии ПГНИУ А.В. Тиунова за консультации и помощь в проведении биотестирования. Автор признателен к.г.-м.н. В.П. Тихонову, к.г.-м.н. Т.И. Караваевой, к.б.н. П.Б. Михееву, к.б.н. Н.Н. Панькову, к.г.-м.н. П.А. Белкину, д.г.н. Е.А. Хайрулиной, к.г.н. О.А. Березиной, к.г.-м.н. Е.В. Дробининой за ценные советы и замечания, рекомендации и всестороннюю помощь при выполнении диссертационного исследования, также выражает благодарность всему коллективу кафедры динамической геологии и гидрогеологии ПГНИУ. Особые слова благодарности автор адресует своим родителям, всем родным и близким, за оказанную поддержку и всестороннюю заботу в ходе проведения исследований и написания диссертации, а также безвременно ушедшим учителям на кафедре динамической геологии и гидрогеологии ПГНИУ - д.г.-м.н. В.Н. Катаеву и к.г.-м.н. И.В. Щуковой за прививание интереса к занятиям научной деятельностью.
По результатам эколого-геохимической оценки малых рек Соликамско-Березниковской агломерации установлено, что их воды относятся к хлоридно-гидрокарбонатному натриево- кальциевому солоноватому типу. Состав вод исследуемых рек определяют ионы Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, с которыми связано повышение уровня минерализации, засоление определяет рост содержаний Cr, As, Cu, Ni и Cd. Преобладание в ионном составе речных вод хлорид-ионов, ионов кальция и натрия, наличие сильной положительной корреляции между ними характерно для природных вод в пределах Верхнекамского месторождения солей и обусловлено геологогидрогеологическими условиями территории.
Анализ структуры речных бассейнов по хозяйственному использованию земель в пределах их водосборных бассейнов выявил, что реки Усолка и Зырянка, имеющие большие площади водосборов (до 506 км2) с незначительной долей площадей, занятых промышленными предприятиями и городской застройкой, характеризуются более благоприятным экологическим состоянием. Бассейны рек Толыч и Чёрной характеризуются существенным преобразованием территории водосборов с размещением здесь промышленных объектов и городской застройки (47% и 46% территории, соответственно), что снижает поступление естественного поверхностного стока в реки.
На территории исследования формирование химического состава речных вод в значительной степени осуществляется за счет техногенного стока, который оказывает наиболее существенное влияние на экологическое состояния рек с малыми водосборами (до 36 км2). Наихудшее качество поверхностных вод среди исследованных объектов выявлено в р. Чёрной, а наихудшее качество донных отложений - в р. Толыч. Основными элементами-загрязнителями в водах р. Чёрной, которое наиболее существенно проявлялось в период опробования в нижнем течении (данные по показателям HEI, ERI, ИЗВ), являются Cr, Ni, Zn, Cu и As.
Высокий уровень загрязнения микроэлементами донных отложений р. Толыч обусловлен комплексом техногенных факторов. С учетом различных точечных и диффузных источников загрязнения в пределах водосбора реки наблюдается интенсивная аккумуляция в осадках элементов в следующем порядке Hg>Zn>Cu>Ni>Cd>Pb>As, трансформация химического состава водной вытяжки от HCO3--Ca2+ к Cl--Na+ и Cl--Ca2+. Апробация методики расчета значений вероятности биологического воздействия PECQ для донных отложений р. Толыч свидетельствует о различной степени токсического риска за счет высоких концентраций Hg, Ni, Cd для бентических организмов (от средней до сильной).
Полученные результаты в бассейне р. Толыч свидетельствуют о синергетическом информационном эффекте при использовании абиотических и биотических подходов при эколого-геохимической оценке таких объектов. Рассчитанные биотические индексы для макрозообентоса и мультиметрические для ихтиофауны р. Толыч, свидетельствующие о качестве вод, продемонстрировали эффективность их использования для комплексной оценки экологического состояния водных объектов в условиях повышенной техногенной нагрузки. Для таких техногенно-нагруженных объектов помимо стандартных методов химического анализа вод и донных отложений рекомендуется использовать методы биоиндикации и биотестирования для оперативного контроля состояния водных экосистем в рамках программ экологического мониторинга в регионе.
Оценка эколого-геохимического состояния малых рек Соликамско-Березниковской агломерации по интегральным индексам свидетельствуют, что для правильного понимания степени загрязнения микроэлементами техногенно-нагруженных водных объектов необходимо использование геохимических, санитарно-гигиенических и экотоксикологических методов. По результатам интегральных индексов загрязнения поверхностных вод и донных отложений малых рек Соликамско-Березниковской агломерации сток рек Усолка, Чёрная и Толыч следует рассматривать как источник поступления токсичных микроэлементов в акваторию Камского водохранилища на этом участке. Это подтверждается экологическим состоянием поверхностных вод и донных отложений нижнего течения этих рек (категория вод - «грязные», «чрезвычайно грязные», «умеренно загрязненные»; донные отложения - «средний уровень загрязнения», «высокий уровень загрязнения»).
Для своевременного выявления, предупреждения и прогнозирования загрязнения акватории Камского водохранилища в рамках федеральной программы по экологической реабилитации р. Камы необходим репрезентативный территориальный мониторинг малых рек в Соликамско-Березниковской агломерации. Для эффективной оценки экологического состояния в программы мониторинга этих объектов целесообразно включить не только абиотические показатели (физико-химические исследования поверхностных вод и донных отложений), но и подходы, основанные на прямом отклике водных сообществ на совокупное техногенное воздействие (исследования макрозообентоса и ихтиофауны).
Полученные результаты исследования могут быть использованы Администрациями городов Березники и Соликамска, природоохранными структурами Пермского края для развития программ мониторинга водных объектов. Разработанные подходы рекомендуются к использованию природоохранными организациями других субъектов при проведении экологогеохимических наблюдений для решения задач прогнозирования экологической обстановки территорий с повышенным уровнем техногенного воздействия.
Анализ структуры речных бассейнов по хозяйственному использованию земель в пределах их водосборных бассейнов выявил, что реки Усолка и Зырянка, имеющие большие площади водосборов (до 506 км2) с незначительной долей площадей, занятых промышленными предприятиями и городской застройкой, характеризуются более благоприятным экологическим состоянием. Бассейны рек Толыч и Чёрной характеризуются существенным преобразованием территории водосборов с размещением здесь промышленных объектов и городской застройки (47% и 46% территории, соответственно), что снижает поступление естественного поверхностного стока в реки.
На территории исследования формирование химического состава речных вод в значительной степени осуществляется за счет техногенного стока, который оказывает наиболее существенное влияние на экологическое состояния рек с малыми водосборами (до 36 км2). Наихудшее качество поверхностных вод среди исследованных объектов выявлено в р. Чёрной, а наихудшее качество донных отложений - в р. Толыч. Основными элементами-загрязнителями в водах р. Чёрной, которое наиболее существенно проявлялось в период опробования в нижнем течении (данные по показателям HEI, ERI, ИЗВ), являются Cr, Ni, Zn, Cu и As.
Высокий уровень загрязнения микроэлементами донных отложений р. Толыч обусловлен комплексом техногенных факторов. С учетом различных точечных и диффузных источников загрязнения в пределах водосбора реки наблюдается интенсивная аккумуляция в осадках элементов в следующем порядке Hg>Zn>Cu>Ni>Cd>Pb>As, трансформация химического состава водной вытяжки от HCO3--Ca2+ к Cl--Na+ и Cl--Ca2+. Апробация методики расчета значений вероятности биологического воздействия PECQ для донных отложений р. Толыч свидетельствует о различной степени токсического риска за счет высоких концентраций Hg, Ni, Cd для бентических организмов (от средней до сильной).
Полученные результаты в бассейне р. Толыч свидетельствуют о синергетическом информационном эффекте при использовании абиотических и биотических подходов при эколого-геохимической оценке таких объектов. Рассчитанные биотические индексы для макрозообентоса и мультиметрические для ихтиофауны р. Толыч, свидетельствующие о качестве вод, продемонстрировали эффективность их использования для комплексной оценки экологического состояния водных объектов в условиях повышенной техногенной нагрузки. Для таких техногенно-нагруженных объектов помимо стандартных методов химического анализа вод и донных отложений рекомендуется использовать методы биоиндикации и биотестирования для оперативного контроля состояния водных экосистем в рамках программ экологического мониторинга в регионе.
Оценка эколого-геохимического состояния малых рек Соликамско-Березниковской агломерации по интегральным индексам свидетельствуют, что для правильного понимания степени загрязнения микроэлементами техногенно-нагруженных водных объектов необходимо использование геохимических, санитарно-гигиенических и экотоксикологических методов. По результатам интегральных индексов загрязнения поверхностных вод и донных отложений малых рек Соликамско-Березниковской агломерации сток рек Усолка, Чёрная и Толыч следует рассматривать как источник поступления токсичных микроэлементов в акваторию Камского водохранилища на этом участке. Это подтверждается экологическим состоянием поверхностных вод и донных отложений нижнего течения этих рек (категория вод - «грязные», «чрезвычайно грязные», «умеренно загрязненные»; донные отложения - «средний уровень загрязнения», «высокий уровень загрязнения»).
Для своевременного выявления, предупреждения и прогнозирования загрязнения акватории Камского водохранилища в рамках федеральной программы по экологической реабилитации р. Камы необходим репрезентативный территориальный мониторинг малых рек в Соликамско-Березниковской агломерации. Для эффективной оценки экологического состояния в программы мониторинга этих объектов целесообразно включить не только абиотические показатели (физико-химические исследования поверхностных вод и донных отложений), но и подходы, основанные на прямом отклике водных сообществ на совокупное техногенное воздействие (исследования макрозообентоса и ихтиофауны).
Полученные результаты исследования могут быть использованы Администрациями городов Березники и Соликамска, природоохранными структурами Пермского края для развития программ мониторинга водных объектов. Разработанные подходы рекомендуются к использованию природоохранными организациями других субъектов при проведении экологогеохимических наблюдений для решения задач прогнозирования экологической обстановки территорий с повышенным уровнем техногенного воздействия.
