Статья: Установление гидрохимического фона верховых болот различных регионов России для обоснования нормативов допустимого воздействия на болота

Установление гидрохимического фона верховых болот различных регионов России для обоснования нормативов допустимого воздействия на болота

Т.М. Потапова¹, М.Л. Марков², О.В. Задонская²

¹ Санкт-Петербургский государственный университет,

Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург

² Государственный гидрологический институт,

Российская Федерация, 199053

Цель работы -- установление основных закономерностей формирования гидрохимического фона для разработки нормативов допустимого воздействия на верховые болота. Методы исследования -- физико-химический анализ, водно-балансовые расчеты, статистическая обработка аналитических данных. Гидрохимический фон верховых болот установлен по материалам обобщения гидрохимических данных трех типовых и наиболее изученных болот Ленинградской (болото Ламмин-Суо), Архангельской (Иласское болото) и Томской (Васюганское болото) областей. Проведена оценка пространственной и сезонной изменчивости основных компонентов химического состава (главные ионы, биогенные элементы, органическое вещество, тяжелые металлы) болотных вод. В виду отсутствия статистически значимых различий между внутригодовыми гидрохимическими показателями олиготрофных микроландшафтов гидрохимический фон установлен по объединенным выборкам среднемноголетних значений концентраций химических веществ всех исследованных болот.

Разработаны ориентировочно допустимые концентрации химических веществ в сбрасываемых на болото сточных водах с целью сохранения олиготрофного уровня трофности верховых болот. На основе водно-балансовых расчетов выполнено упрощенное определение допустимой массы привноса химических веществ сбрасываемых сточных вод. Выявлены существенные различия в величинах нормативов допустимого воздействия (НДВ) с применением действующих предельно допустимых концентраций (ПДК) и разработанных авторами ориентировочно допустимых концентраций (ОДК). НДВ, рассчитанные по ОДК для главных ионов, общей минерализации, нитратам, в 5 раз ниже, а для органического вещества, аммония и общего железа в 5-50 раз больше рассчитанных по ПДК. Таким образом, применение предложенных авторами более гибких критериев по концентрациям сбрасываемых загрязняющих веществ, позволяет как минимизировать степень антропогенных нарушений болот, так и существенно снизить затраты на очистку сточных вод от ряда химических веществ, характерных для естественного фона верховых болот.

Ключевые слова: верховое болото, химический состав, фоновые гидрохимические показатели.

T.M. Potapova¹, M.L. Markov², O.V. Zadonskaya²

¹ St. Petersburg State University, St. Petersburg, 199034, Russian Federation

² State Hydrological Institute,

The purpose of the work is to establish the basic laws of the formation of the hydrochemical background for the development of standards of permissible impact on raised bogs. Research methods included physical and chemical analysis, water balance calculations and statistical processing of analytical data. The hydrochemical background of raised bogs was established based on materials of generalization of hydrochemical data of the typical and most studied bogs of the Leningrad (Lammin-Suo swamp), Arkhangelsk (Ilasskoe swamp) and Tomsk (Vasyugan swamp) Oblasts. The spatial and seasonal variability of the main ingredients of chemical composition (main ions, biogenic elements, organic matter and heavy metals) of marsh waters was investigated. The hydrochemical background was calculated using the combined samples' mean annual values of concentrations of all investigated raised bogs. It is acceptable in view of the absence of statistically significant differences between intra-annual hydrochemical indicators of oligotrophic microlandscapes of raised bogs. For the purpose of preserving the oligotrophic nutrient status of raised bogs, maximum permissible concentrations (MPC) of chemicals in discharged sewage were developed. On the basis of water-balance calculations, a simplified definition of the permissible mass of the introduction of chemicals from sewage discharge was performed. Significant differences were revealed in the values of the standards of permissible impact (SPI) using the generally accepted maximum permissible concentrations (MPC) and the approximately allowable concentration (AAC) developed by the authors. The SPI calculated by the AAC for the main ions, total mineralization and nitrates was 5 times lower; and for organic substances, ammonium and total iron -- 5-50 times more than calculated by LPC. Thus, the use of more flexible criteria for the concentrations of discharged pollutants makes it possible to both minimize the degree of anthropogenic disturbances of raised bogs, and significantly reduce the cost of wastewater treatment from a number of chemical substances of the bogs' natural background.

Keywords: raised bogs, chemical composition, background parameters.

Введение

болото сточный норматив

В некоторых районах России болота представляют основной элемент гидрографической сети, и поэтому они вовлечены в водохозяйственную деятельность. Вместе с тем в России до сих пор не разработаны нормативы использования болот, как водных объектов. Из-за отсутствия правовой основы о допустимом воздействии на болота в ряде регионов России либо полностью запрещено использование болот, либо они вовлечены в водохозяйственную деятельность, но при этом возникает нарушение устойчивости водно-болотных экосистем. Поэтому разработка нормативов допустимого воздействия на болота в России крайне необходима. Одной из ключевых задач при этом является установление предельных допустимых концентраций загрязнений, которые могут быть привнесены в болота при их водохозяйственном использовании. В действующих нормативах определение допустимости воздействия на болота опирается на фоновые (природные) показатели качества воды. Для болот они зависят от типа водного питания, гидрогеологических и геологических условий, места расположения относительно рельефа и связи с гидрографической сетью.

К настоящему времени в отечественной и зарубежной литературе накоплен значительный материал об экологии и гидрохимии болот (Ларгин и Тюремнов, 1966; Lasaga, 1995; Jakob, 1997; Инишева и Инишев, 2001; Ecksteinet al., 2015). При этом наиболее обширные современные гидрохимические исследования олиготроф- ных болот проводились в Западной Сибири на территории Васюганской болотной системы силами сотрудников Томского педагогического университета (Инишева и Инишев, 2001) и Томского политехнического университета (Савичев, 2015). Большой вклад в изучение гидрохимии олиготрофных болот Северо-Запада и севера Западной Сибири внесли труды ученых Государственного гидрологического института и Санкт-Петербургского государственного университета (Потапова, 1991; Калюжный, 1999). Материалы перечисленных исследований были использованы в настоящей статье для выявления характерных закономерностей формирования гидрохимического фона верховых болот.

1. Методика исследований

Установление нормативов допустимого воздействия на верховые болота проведено на основе определения гидрохимических фоновых показателей для верховых болот различных регионов России. Расчет фоновых содержаний (Сф) основных компонентов химического состава болотных вод проведен на основе статистической обработки гидрохимических данных в соответствии с (Перечень..., 2017) по формуле:

где Сф -- фоновое содержание, C_a-- среднее арифметическое, о -- среднее квадратичное отклонение, M-- объем выборки (от 30 до 50 членов (с возможностью расширения временного интервала за счет смежных интервалов, удовлетворяющих условию статистической однородности) с наибольшими за год содержаниями исследуемого вещества); t_a-- коэффициент Стьюдента при уровне значимости а = 5 %.

Установление фоновых гидрохимических характеристик верховых болот выполнено на основе обобщения данных различных регионов России: для Северо-Запада (Иласский болотный массив Архангельской области и болотный массив Лам- мин-Суо Ленинградской области), для Западной Сибири (Васюганская болотная система Томской области).

Установление гидрохимического фона верховых болот было основано на предварительной оценке пространственной и сезонной изменчивости различных компонентов химического состава (главных ионов, рН, органического вещества, биогенных элементов и микроэлементов) для наиболее изученных верховых болот. Пространственная изменчивость химического состава болотных вод оценена на основе сопоставления статистически обоснованных гидрохимических данных различных видов болотных микроландшафтов, доминирующих на верховых болотах различных регионов России. Различия гидрохимических показателей олиготрофных фитоценозов верховых болот, по нашему мнению, объясняются конкурентным взаимодействием гидрологических и фитоценотических факторов (Потапова, 1991). При этом на видовой состав растительности болот большое влияние оказывает интенсивность водообмена, определяющаяся величиной модуля водного стока (проточностью). В соответствии с данными основоположника отечественной гидрологии болот К. Е. Иванова проточность сосново-кустарничкового биоценоза колеблется в интервале 0.5-2 л/сек. на км, а в грядово-мочажинном комплексе (ГМК) -- 1.5-6 л/сек. на км (Иванов, 1975). При этом оптимальные значения проточности (удельный расход воды в деятельном горизонте на единицу длины контура стекания Q) для максимального выщелачивания химических веществ из торфяной залежи составляет Q= 1-5 л/сек. на км, тогда как при Q< 1 л/сек. на км поступление минеральных веществ из торфов в воду минимально (Потапова, 1991). Необходимо иметь в виду, что в значительной степени на формирование химического состава болотных вод оказывают и процессы жизнедеятельности болотной фитофлоры. Выявленная тенденция увеличения минерализации в грядово-мочажинном комплексе в исследованных болотах может быть связана с наложением фитоценотического фактора, а именно снижением поглотительной способности более бедной по видовому составу растительности ГМК в отношении минеральных солей, что в конечном счете и приводит к некоторому увеличению минерализации воды (не выходящему за пределы статистической погрешности) в ГМК по сравнению с сосново-сфагново-кустарничковым микроландшафтом. Отсутствие статистически значимых различий гидрохимических показателей между олиготроф- ными фитоценозами обуславливает возможность установления гидрохимического фона верховых болот по среднемноголетним значениям содержаний химических веществ по объединенным выборкам для всех олиготрофных микроландшафтов, доминирующих на верховых болотах: грядово-мочажинные и грядово-озерковые комплексы, сосново-сфагново-кустарничковые и сфагново-осоково-пушицевые и другие фитоценозы.

Оценка временной (сезонной) изменчивости химического состава вод верховых болот проведена на основе наиболее репрезентативных данных сезонных наблюдений за многолетний период (1993-2015 гг.). Согласно действующим на сети Росгидромета нормативам, при расчете фоновых характеристик приоритет отдается «средним многолетним содержаниям вещества с учетом наиболее неблагоприятных гидрологических условий», к которым относятся снижение уровней болотных вод в меженные периоды (Перечень..., 2017). В связи с этим было проведено обобщение гидрохимических данных Иласского болота в основные гидрологические фазы водности для наиболее репрезентативных выборок с числом членов (N) от 30 до 50 за каждый сезон (табл. 1).

Таблица 1. Сезонная изменчивость гидрохимических показателей в грядово-мочажинном комплексе Иласского болотного массива за период 1993-2015 гг.

Примечание: N-- число членов в выборке; Сф -- сезонная фоновая концентрация компонента за многолетний период; C_v-- коэффициент вариации среднего.

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о малой сезонной изменчивости содержаний главных ионов и общей минерализации в водах верховых болот. Значения общей минерализации варьируют на уровне 25-29 мг/дм³ с незначительным увеличением (на 10-20 %) в осенний период; для ионного состава характерно перераспределение катионного состава от кальциевого к натриевым в зимнюю межень.

Для биогенных элементов -- нитратного азота и минерального фосфора -- зарегистрировано некоторое снижение (на 25 %) концентраций в период летней межени, оказывающееся за пределами статистической значимости их сезонных различий в виду высокой вариабельности (C_v> 1) их значений.

Несмотря на то, что для большинства компонентов химического состава болотных вод (главных ионов, минерализации, органического вещества, биогенных элементов) не выявлено существенных различий в разные гидрологические фазы водности (периоды межени и половодья), авторами в своих предшествующих работах отмечалась в отдельные годы наблюдений характерная особенность увеличения общей минерализации, цветности и рН в позднеосенний период -- в начале ледостава.

В условиях прекращения вегетационной активности в предзимний период увеличение минерализации происходит при изменении агрегатного состояния вещества, сопровождающегося переходом воды из жидкой фазы в твердую фазу льда (Физическая геохимия, 1968). В соответствии с законами физической химии (правилом фаз Гиббса) этот процесс приводит к перераспределению концентраций веществ, особенно активно протекающих на границе раздела фаз: торф -- вода, донные отложения -- вода, что, в конечном счете, и приводит к увеличению концентраций химических веществ в болотной воде как в начале замерзания воды (появления твердой фазы льда в период предзимья) или в конце зимней межени и в начале снеготаяния. Необходимо отметить, что и в эти кратковременные периоды общая минерализация не достигает значений выше 50 мг/л, т. е. сохраняется уровень вод очень малой минерализации.

Ввиду трудности установления этих кратковременных концентрационных максимумов, а также отсутствия статистически значимых различий сезонной изменчивости основных гидрохимических показателей в настоящей работе установление гидрохимического фона верховых болот выполнено по средним многолетним данным по объединенным выборкам всех наблюденных значений приоритетных показателей химического состава болотных вод.

Фоновые значения основных химических показателей (рН, общей минерализации и составляющих ее главных ионов, растворенных газов, ряда микроэлементов и органических загрязняющих веществ) верховых болот различных регионов нашей страны, рассчитанные для наиболее репрезентативных выборок (от 20 до 45 членов), представлены в табл. 2 (Савичев, 2015).

Таблица 2. Фоновые содержания основных химических показателей в водах верховых болот различных регионов России