По химическому составу фоновые отложения р. Уды почти не отличаются от наносов р. Селенги, они обогащены Bi (КК = 11,1) и обеднены Cu5,0, Ni5,0, Cr5,0, Co2,9..
При сравнении с другими кларками обогащения наносов ТММ не установлено, а список ТММ с кларками рассеяния пополнили Bi, As, W, Sb (КР = 1,7--2,5) при снижении рассеяния у Сu (КР = 2,5).
Таким образом, фоновые донные отложения обеих рек выше Улан-Удэ характеризуются в основном околокларковыми или пониженными содержаниями ТММ. По сравнению с р. Удой в наносах р. Селенги в 1,5--2,1 раза выше концентрации Сr, As, Ni, Sb и в 1,7 раза ниже Мо.
В пределах г. Улан-Удэ речные отложения по микроэлементному составу практически не отличаются от фоновых (таблица), что связано с их низкой сорбционной способностью и незначительнымзагрязнением осаждающегося взвешенного вещества [26].
Как и на фоне, городские наносы р. Селенги по сравнению с р. Удой имеют в среднем более высокое содержание Cr, As, Ni, Sb и более низкое -- Мо. Кроме литогеохимических особенностей, это связано с разными условиями аккумуляции ТММ. Так, сорбция Мо усиливается в более кислых и богатых органическим веществом донных отложениях р. Уды.
Пространственные тренды накопления ТММ в донных отложениях. Слабоконтрастные локальные аномалии (Кс > 1,5) ТММ в донных отложениях обеих рек выявлены вблизи крупных промышленных предприятий и транспортных магистралей. В отложениях р. Селенги максимальные содержания W, Cu, Mo, As, Sb,
Pb, Bi, Cd, Co, Ni (Кс = 1,7--3,5) приурочены к нефтебазе «Бурят-терминал» (рис. 3).
Рис. 3. Изменение концентраций Си, As, Mo, Bi в донных отложениях р. Селенги вниз по течению в районе г. Улан-Удэ относительно фона
Fig. 3. Change in the concentrations of Cu, As, Mo, W, Bi in the bottom sediments downstream of the Selenga riverwithin the Ulan-Ude city relative to the background
Большая часть ТММ, очевидно, поступает в составе нефтепродуктов, которые образуют пленку на водной поверхности. Они могут попадать в реку при разгрузке загрязненных грунтовых вод и за счет утечек из расположенной на берегу нефтебазы.
Ниже очистных сооружений установлены незначительные превышения фоновых содержаний Аз, М" и В1 (Кс = 1,5--1,9). Видимых нарушений работы очистных сооружений зафиксировано не было, поэтому слабая аккумуляция этих ТММ, скорее всего, обусловлена незначительными утечками сточных вод.
Закономерное нарастание загрязнения донных отложений вниз по течению р. Селенги нарушается при впадении р. Уды, где отложения отличаются низкой сорбционной способностью и удаленностью от крупных промышленных предприятий и автомагистралей. На расстоянии 16 км ниже Улан-Удэ содержание всех ТММ практически совпадает с фоновым. Таким образом, антропогенные изменения состава донных отложений р. Селенги четко проявляются только в черте города. Донные отложения р. Уды выше авиазавода накапливают Сd, (Кс = 1,5), вблизи автодороги выше по течению ТЭЦ-1 -- Сd, Bi (Кс = 1,5--1,6), ниже ТЭЦ-1 -- W, V, Сd, Cu, Sb (Кс = 1,5--2,0), вблизи автодороги в 1,2 км выше впадения в Селенгу -- Мо, Сd, Bi (Кс = 1,5--1,6) (рис. 4). Согласно данным снегомерной съемки [26], для выбросов ТЭЦ характерно наличие V, а для эмиссии автотранспорта -- Ві и Сё.
Рис. 4. Изменение концентраций V, Mo, Cd, W, Bв донных отложениях р. Уды вниз по течению в районе г. Улан-Удэ относительно фона
Fig. 4. Change in the concentrations of V, Mo, Cd, W, Bi in the bottom sediments downstream of the Uda river within the Ulan-Ude city relative to the background
Аккумуляция ТММ в донных отложениях рек определяется не только уровнем антропогенного воздействия, но и их физико-химическими свойствами. Содержание физической глины влияет на накопление практически всех ТММ, о чем свидетельствуют значимые положительные коэффициенты корреляции между этими величинами: Bi, Co, Ni (r = 0,93--0,89), Сr, Cu, Zn, As, Sb, Cd, W (r = 0,78--0,5).Органическое вещество усиливает сорбцию Mo, W, Sn, Zn, Pb (r = 0,73--0,6). Эти же элементы (кроме РЪ) и V накапливаются при увеличении содержания оксидов железа (г = 0,9-0,59). донный река тяжелый металл экологический
Для анионогенного Мо выявлена отрицательная корреляционная связь с pH (г = --0,57), что согласуется с данными [1; 27]. Тесные корреляционные связи указывают на то, что осаждение ТММ происходит преимущественно на комплексных сорбционно-седиментационных, хемосорбционных и биогеохимических барьерах, приуроченных к отложениям с повышенным содержанием физической глины, Fe2Oз, органического вещества Сорг. Для накопления Мо большое значение имеет кислый барьер. Контрастность аккумуляции ТММ выше по течению авиазавода и ТЭЦ-1 усиливается за счет сорбционно-седиментационного барьера, где содержание физической глины увеличивается до 9 и 9,6% соответственно. Ниже по течению ТЭЦ-1 определяющую роль для V играет хемосорбционный (с содержанием Fe2Oз 6,2%), а для М" - еще и биогеохимический (Сорг = 1,6%) барьеры. В 1,2 км выше впадения в Селенгу сорбция Мо усиливается при формировании биогеохимического (с Сорг = 1,5%) и кислого (рН = 6,2) барьеров. При отсутствии поступления со стоками загрязненных фаз-носителей ТММ их аккумуляция ниже очистных сооружений и вблизи нефтебазы «Бурят-терминал», по всей видимости, усиливается за счет сорбционно-седиментационного, где содержание физической глины увеличивается до 16,5-17,9%, биогеохимического (Сорг 1,1-1,2%) и хемо- сорбционного барьеров (4,2-5,5%).
Экологическая опасность загрязнения донных отложений. Суммарное загрязнение донных отложений в пределах города и ниже по течению от него относится к допустимому уровню. За счет локального максимума вблизи нефтебазы «Бурят- терминал» (Zc = 15,6) среднее значение показателя Zc р. Селенги (4,8) в 1,4 раза выше по сравнению с р. Удой (3,4). Если в качестве оценки среднего использовать медиану, то загрязнение обеих рек оказывается практически одинаковым.
Превышения ПДК в донных отложениях р. Селенги установлены для Аз (К0 = 1,5-3,4). Максимальные сверхнормативные концентрации этого элемента зафиксированы вблизи нефтебазы «Бурят-терминал» (3,4) и ниже очистных сооружений (3,1). Ниже по течению от города К0 снижается до 1,5.
Выводы
1. Донные отложения рек Селенги и Уды в пределах города и ниже по течению характеризуются околокларковыми или пониженными содержаниями ТММ и по микроэлементному составу практически не отличаются от фоновых, что связано с их низкой сорбционной способностью и незначительной техногенной трансформацией осаждающегося взвешенного вещества.
2. Слабоконтрастные (Кс = 1,5--3,5) локальные аномалии ТММ в городских донных отложениях выявлены вблизи автомагистралей, нефтебазы «Бурят-терминал», очистных сооружений, выше по течению авиазавода и ниже ТЭЦ-1. Их контрастность обусловлена не только техногенной нагрузкой, но и наличием комплексных сорбционно-седиментационных, хемосорбционных, биогеохимических и кислых (для Mo) геохимических барьеров.
3. Суммарное загрязнение донных отложений в городе и ниже по течению от него относится к допустимому уровню. Превышения ПДК установлено для As (K = 1,5--3,4).
Список литературы
[1] Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: «Астрея-2000», 1999. 768 с.
[2] Анищенко О.В., ГладышевМ.И., Кравчук Е.С., Сущик Н.Н., Грибовская И.В. Распределение и миграция металлов в трофических цепях экосистемы реки Енисей в районе г. Красноярска // Водные ресурсы. 2009. Т. 36. № 5. С. 623--632.
[3] Овчарова Е.П. Эколого-геохимическая оценка поверхностного стока с городской территории (на примере г. Минска): автореф. дисс. ... канд. геогр. наук. Минск: Ин-т проблем использования природ. ресурсов и экологии НАН Беларуси, 2006. 22 с.
[4] Mohiuddin K.M., Zakir H.M., Otomo K, Sharmin S, Shikazono N. Geochemical distribution of trace metal pollutants in water and sediments of downstream of an urban river // International Journal of Environmental Science & Technology. 2010. V 7. Iss. 1. P. 17--28.
[5] Экогеохимия городских ландшафтов / под ред. Н.С. Касимова. М.: Изд-во МГУ, 1995. 336 с.
[6] Дементьев Д.В., Болсуновский А.Я., Борисов Р.В., Трофимова Е.А. Содержание тяжелых металлов в донных отложениях реки Енисей в районе Красноярска // Известия Томского политехнического университета. 2015. Т. 326. № 5. С. 91--98.
[7] Landstrom M., Jonsson A., Brolin A.A., Hacanson L. Heavy metal sediment load from the city of Stockholm // Water, Air, & Soil Pollution: 2001, Focus1: 103--118.
[8] Andersson M., Eggen O.A. Urban contamination sources reflected in inorganic pollution in urban lake deposits, Bergen, Norway // Environ. Sci.: Processes Impacts, 2015. Vol. 17. 854--867.
[9] Pastorinho M.R., Telfer T.C., Soares A.M.V.M. Heavy Metals in Urban Channel Sediments of Aveiro City, Portugal / Interdisciplinary Studies on Environmental Chemistry -- Biological Responses to Contaminants. 2010. P 197--204.
[10] Sekabira K, Oryem O.H., Basamba T.A., Mutumba G, Kakudidi E. Assessment of heavy metal pollution in the urban stream sediments and its tributaries // Int. J. Environ. Sci. Tech., 2010. 7 (3). 435--446.
[11] Islam M.S., Ahmed M.K., Raknuzzaman M., Mamun M.H-A., Islam M.K. Heavy metal pollution in surface water and sediment: A preliminary assessment of an urban river in a developing country // Ecological Indicators. 2015. 48: 282--291.
[12] Ali M.M., Ali M.L., Islam M.S., Rahman M.Z. Preliminary assessment of heavy metals in water and sediment of Karnaphuli River, Bangladesh // Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management. 2016. 5: 27--35 p.
[13] Jumbe A.S., Nandini N. Heavy Metals Analysis and Sediment Quality Values in Urban Lakes // American Journal of Environmental Sciences. 2009. 5 (6): 678--687.
[14] Hnatucova P, Benesova L, Komincova D. Impact of urban drainage on metal distribution in sediments of urban streams // Water science and technology. 2009. P. 1237--1246.
[15] Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России за 2013 г. Санкт-Петербург: ООО РИФ Д-Арт, 2014. 273 с.
[16] Касимов Н.С., Корляков И.Д., Кошелева Н.Е. Тяжелые металлы и факторы их аккумуляции в почвенном покрове г. Улан-Удэ // Мат-лы XV совещания географов Сибири и Дальнего Востока. Улан-Удэ, 10--13 сентября 2015. Иркутск, 2015. С. 93--96.
[17] Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555--571.
[18] Касимов Н.С., Власов Д.В. Кларки химических элементов как эталоны сравнения в экогеохимии // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5, геогр. 2015. № 2. С. 7--17.
[19] Hu Z, Gao S. Upper crustal abundances of trace elements: A revision and update // Chem. Geol. 2008. Vol. 253. Iss. 3-4. P 205--221.
[20] Григорьев Н.А. Распределение химических элементов в верхней части континентальной коры. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 382 с.
[21] Rudnick R.L., Gao S. Composition of the continental crust // Treatise on geochemistry. Vol. 3. The Crust. Elsevier Sci., 2003. P 1--64.
[22] Wedepohl K.H. The composition of the continental crust // Geochim. Cosmochim. Acta. 1995. Vol. 59. No. 7. P. 1217--1232.
[23] ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве: гигиенические нормативы. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2006. 15 с.
[24] Касимов Н.С., Битюкова В.Р., Кислов А.В., Кошелева Н.Е., Никифорова Е.М., Малхазова С.М., Шартова Н.В. Проблемы экогеохимии крупных городов // Охрана и разведка недр. 2012. № 7. С. 8--13.
[25] Сорокина О.И. Тяжелые металлы в ландшафтах г. Улан Батора: дисс. ... канд. геогр. наук. М.: Географический ф-т МГУ, 2013. 169 с.
[26] Касимов Н.С., Кошелева Н.Е., Корляков И.Д., Сорокина О.И., Тимофеев И.В. Экогеохимия городов и промышленных центров в бассейне Селенги // Геохимия ландшафтов. К 100-летию со дня рождения А.И. Перельмана / под ред. Н.С. Касимова, А.Н. Геннадиева. М.: АПР, 2017. 18 с.
[27] Водяницкий Ю.Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах. М.: ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 2008.164 с.
Abstract
Distribution and factors of accumulation of heavy metals and metaloids in river bottom sediments in the territory of the ulan-ude city
N.S. Kasimov, I.D. Korlyakov, N.E. Kosheleva Bio Note:
Kasimov Nikolay Sergeevich -- doctor of geographical sciences, professor, academician of the Academy of Sciences, president and head of Department of Geochemistry of Landscapes and Geography of Soils, Faculty of Geography, Moscow State University.
Korlyakov Ilya Dmitrievich -- Master of the Department of Geochemistry of Landscapes and Geography of Soils, Faculty of Geography, Moscow State University.
Kosheleva Natalia Evgenievna -- Doctor of Geographical Sciences, Leading Researcher of the Department of Geochemistry of Landscapes and Geography of Soils, Faculty of Geography, Moscow State University.
Lomonosov Moscow State University Moscow, Russia
The distribution and accumulation factors of heavy metals and metalloids (HMMs) in the bottom sediments of the Selenga river and its tributary Uda have been studied on the territory of Ulan-Ude. Their ecological and geochemical condition can influence the state of the lower reaches of the Selenga river and Baikal lake. We selected 3 background, 12 urban and 1 sample ofbottom sediments downstream of the city. The main physical-chemical properties (pH, content of organic matter, iron oxides, granulometric composition) and the total content of HMMs in the samples were determined. The sediments of the Selenga and Udarivers are characterized by sandy and sandy-loamy granulometric composition, neutral reaction, low content of organic matter and Fe2O3. Upstream Ulan-Ude the rivershave a similar chemical composition of the sediments and are characterized by the dispersion and near-clark concentrations of the HMMs. Within the city and downstream, microelemental composition of the sediments has not significantly differ from the background one, this is due to their low sorption capacity and insignificant contamination of the precipitating suspended matter. Low-contrast geochemical anomalies were formed near the motorways (Mo, Cd, Bi), the oil storage facilities “Buryat- Terminal” (W, Cu, Mo, As, Sb, Pb, Bi, Cd, Co, Ni), treatment plant (As, W, Bi), upstream of the aircraft plant (Cd) and below TPP-1 (W, V, Cd, Cu, Sb). The presence of correlations between the HMM content and the physico-chemical properties of the deposits indicates that the geochemical anomalies were formed also due to the sorption-sedimentation, chemisorption and biogeochemical barriers. The acid barrier is of great importance for the accumulation of an anionic Mo. The total HMM contamination of sediments within the city and downstream refers to the permissible level. The MPC in the sediments of the Selengariver was exceeded for As(in 1,5-3,4 times). Thus, in the Ulan- Ude city and downstream, there are a weak man-made transformation and a low ecological danger of pollution of river sediments. The maximum contents of HMMs are localized on geochemical barriers near industrial enterprises and highways.
Key words: pollution, heavy metals and metalloids, urban landscapes, bottom sediments, geochemical barriers
References
[1] Perelman A.I., Kasimov N.S. Geochemistry ofthe landscape. M.: Astrea-2000, 1999. 768 p. (In Russ).
[2] Anishchenko O.V, Gladyshev M.I., Kravchuk E.S., Sushchik N.N., Gribovskaya I.V Distribution and migration of metals in trophic chains of the Yenisei ecosystem near Krasnoyarsk City. Water Resources. 2009; 36 (5): 594--603.
[3] Ovcharova E.P. Ecological -- geochemical assessment of surface runoff from urban areas (based on the example of Minsk). Dissertation summary. ... Ph.D. Minsk: Institute of Problems ofNatural Resources and Ecology of the National Academy of Sciences of Belarus. 2006. 22 pp.
[4] Mohiuddin K.M., Zakir H.M., Otomo K., Sharmin S., Shikazono N. Geochemical distribution of trace metal pollutants in water and sediments of downstream of an urban river. International Journal of Environmental Science & Technology. 2010; 7 (1): Iss. 1 17--28.
[5] Ecogeochemistry of urban landscapes / Ed. by N.S. Kasimov. Moscow: MSU, 1995. 336 p. (In Russ).
[6] Dementyev D.V., Bolsunovsky A.Ya., Borisov R.V, Trofimova E.A. Concentrations of heavy metals in bottom sediments of the Yenisei river near Krasnoyarsk. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. 2015; 326 (5): 91--98.