Особенности геохимических процессов распределения и миграции химических элементов в природных и техногенных водных потоках рассеивания

В фоновых (природных) условиях химические элементы мигрируют в двух основных потоках - растворенных и взвешенных форм. Многочисленные экспериментальные исследования не выявили каких-либо статистически достоверных динамических связей между поведением в водотоках этих двух миграционных потоков. Это свидетельствует о том, что закономерности поведения взвешенной и растворимой форм элементов в природных условиях различны [ 6 ].

Для растворимых форм интенсивность миграции определяется окислительно-восстановительной и кислотно-щелочной обстановкой в водном объекте.

Взвешенные формы - природная взвесь, формируется в фоновых условиях за счет вторичного перераспределения твердого вещества из-за внутриводоемных процессов (в толщу воды поднимается тонкодисперсный материал, образующийся в результате естественных процессов разрушения первичного материала, образования нерастворимых соединений и т.д.). В фоновых условиях речная взвесь оказывается более обогащена химическими элементами, чем окружающие водотоки депонирующие среды (почвы, донные отложения).

Подобная закономерность отмечается для крупнейших рек мира. Для средних и малых рек данное явление может быть более выражено, поскольку гранулометрический состав их взвесей в большей степени формируется за счет тонкодисперсных фракций.

В целом в условиях фона для ртути характерна преимущественно миграция в растворенной форме, для меди и цинка до 65% мигрирует в растворенной форме, для хрома, свинца, кадмия и никеля основное количество (до 70%) мигрирует в виде взвеси [ 15 ].

В условиях техногенного загрязнения поведение химических элементов в водных миграционных потоках усложняется, т.к. появляется дополнительный действующий фактор - техногенное загрязнение.

В результате техногенного воздействия на природные водоемы происходит перестройка их гидрохимического облика. В зонах загрязнения происходит изменение вида, семейства, класса и даже типа природных вод. Так, к примеру, вместо слабоминерализованных гидрокарбонатно-кальциевых вод начинают преобладать совершенно нехарактерные для данного ландшафта гидрокарбонатно-натриевые, хлоридно-натриевые, сульфатно-кальциевые или даже азотные воды.

Трансформация солевого состава происходит на фоне увеличения общей минерализации воды, во многих случаях наблюдается переход вод из пресных в солоноватые. Кроме того отмечается значительная временная и пространственная неоднородность распределения макрокомпонентов солевого состава воды, что связано с динамикой поступления техногенно загрязненных вод и поверхностного стока, пространственного расположения источников загрязнения.

Другим ярким проявлением техногенного загрязнения является резкое увеличение количества взвешенных частиц, что имеет принципиальное геохимическое значение. Техногенная взвесь по сравнению с природной резко обеднена оксидом кремния SiO2 и обогащена оксидами железа, кальция, магния и органическими веществами.

Появление большого количества органических веществ в сточных водах (фенолы, СПАВ(синтетические поверхностно-активные вещества - моющие средства), нефтепродукты) приводит к изменению характера миграции химических элементов в водных потоках. Присутствие фенолов в водных потоках рассеивания усиливает процесс биогенной аккумуляции тяжелых металлов водной растительностью. СПАВ образуют устойчивые хелатные соединения с тяжелыми металлами и обуславливают образование высокотоксичных пленок и пен на поверхности воды.

Для выявления и понимания процессов формирования зон загрязнения водных систем целесообразно рассмотреть характеристики миграции химических элементов в структуре водного потока рассеивания.

В общем случае можно выделить зону смешения сточных и речных вод (I зона) и зону распределения загрязняющих веществ (II зона) [ 6 ].

В I зоне происходит непосредственное смешение техногенных вод с речными. Характеристика процессов смешения зависит прежде всего от разбавления загрязненных вод речными.

В зоне распределения параметры потока рассеивания в большей степени обусловлены природными факторами - дифференциацией и трансформацией загрязняющих веществ, их накоплением в донных отложениях и биоте водоема.

В пределах верхнего участка зоны смешения техногенные аномалии формируются в результате поступления двух техногенных потоков загрязняющих веществ:

взвесь;

растворимые формы.

Установлено, что для многих тяжелых металлов в техногенных потоках характерно их закрепление на частицах взвеси, причем в формах, геохимически активных (сорбция на карбонатах и гидроксидах, органоминеральные комплексы). При изменении кислотно-щелочных условий происходят процессы десорбции и разрушения комплексных соединений, что приводит к переходу тяжелых металлов в растворимую форму и увеличению их концентрации в водных потоках. Поэтому образующиеся техногенные аномалии в донных отложениях, связанные с осаждением нерастворимых взвешенных форм загрязнений, могут длительное время (даже после прекращения действия источников загрязнения) представлять потенциальную опасность для окружающей среды.

В нижней части участка зоны смешения начинают преобладать гидродинамические факторы - разбавление и осаждение взвесей. Исследованиями показано, что в I зоне осаждается до 30% соединений хрома,никеля,свинца и до 20% цинка и меди [ ]. Потери растворимых форм невелики и связаны в основном с процессами сорбции на частицах взвеси.

Процессы осаждения и разбавления приводят к определенному изменению форм миграции химических элементов - возрастает относительная доля растворенных форм.

Поведение химических элементов в пределах зоны распределения определяется взаимодействием двух групп разнонаправленных процессов (рис.2.3):

Выведение из водной фазы загрязняющих веществ за счет осаждения взвесей, сорбции и биологического поглощения биотой водоема (водной растительностью и водными организмами).

Поступление в водную фазу поглощенных загрязняющих веществ при разложении отмерших водных организмов и растений, при десорбции и растворении загрязняющих веществ из донных отложений.

Рис. 2.3. Процессы трансформации загрязнений в зоне распределения.

Первая группа процессов преобладает при наличии постоянно действующих источников загрязнения, что приводит к появлению геохимических аномалий в донных отложениях и биоте. Вторая группа процессов обычно характерена при прекращении действия источников загрязнения или снижении их интенсивности.

Распределение химических элементов в данной зоне характеризуется постоянным убыванием их содержания в водной фазе и донных отложениях по мере удаления от источника загрязнения. Геохимические аномалии имеют меньшую интенсивность, чем в I зоне, но зато более протяженны (до 20 - 25 км).

Таким образом, поступление химических элементов в водные миграционные потоки при наличии техногенного загрязнения резко отличается от фоновой миграции. Основные различия заключаются в следующем:

В техногенных потоках высока концентрация химических элементов с малым кларком и высокой токсичностью (тяжелые металлы).

Для многих элементов характерно их высокое содержание во взвесях (по сравнению с природными) и, как следствие, формирование протяженных геохимических аномалий в донных отложениях и водной фазе.

Для зоны смешения концентрация загрязняющих веществ хорошо коррелируется с режимом поступления техногенного потока, содержанием взвеси и механизмом ее осаждения.

Зона распределения характеризуется более стабильными параметрами, постепенным снижением концентрации загрязняющих веществ и формированием часто слабых, но протяженных геохимических аномалий во всех элементах водоемов (водная фаза, донные отложения, биота).