Способы оценки состояния донных осадков водных объектов

Донные отложения при оценке состояния водного объекта, контроле загрязнения и мониторинге водной среды играют важную индикационную роль, что обусловлено в первую очередь информативностью получаемых результатов и их воспроизводимостью. Донные осадки относятся к консервативной системе, способной накапливать и хранить информацию о состоянии и изменении геохимических, динамических, климатических, неотектонических условий внешней среды, процессов массопереноса, в том числе вызванных техногенным воздействием. Реакция на них проявляется в трансформации гранулометрического, минералогического и химического составов, изменении окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий в донных осадках и водной среде, перераспределении литодинамических потоков, изменении скоростей осадконакопления и т. д. Исходя из этого, донные осадки могут рассматриваться в качестве основного объекта геоэкологических исследований аквальных геосистем.

В настоящее время предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в донных осадках не установлены, и в ближайшей перспективе такие нормативы вряд ли будут разработаны. Отсутствие критериев существенно сужает возможности аргументированного заключения по результатам исследований об эколого-геохимическом состоянии геологической среды аквальных геосистем, а также оценки экологического состояния донных осадков и их влияния на общее состояние водного объекта.

Современные подходы к оценке загрязнения донных осадков водных объектов можно разделить на два направления:

1) расчет различных индексов и нормированных показателей химического загрязнения с использованием шкал качественных оценок;

2) сравнительный анализ, построенный на сопоставлении содержаний загрязняющих веществ в донных осадках с нормативными показателями (ПДК в почвах или в воде; критерии загрязненности осадков в соответствии с Лондонской конвенцией и т. д.), с кларком литосферы, кларком осадочных пород или региональным фоном (современные осадки фоновых районов или подстилающие осадочные породы).

Среди многочисленных вариантов расчета индексов и нормированных показателей химического загрязнения донных осадков выделим лишь некоторые из них. В последнее время отечественными исследователями широко применяется суммарный индекс загрязнения донных осадков

Z_C = - (n-1),

где C_i – фактическое содержание i-го загрязняющего вещества в донных осадках; C_iФ – фоновое содержание i-го загрязняющего вещества в донных осадках; n – количество веществ (в расчет включаются только вещества, содержание которых превышает фоновые значения). По сути, это аналог суммарного индекса загрязнения почв (см. 2.4.3), а в окончательной интерпретации использовалась та же шкала экологического состояния донных осадков, что и для почв (табл. 22).

Однако Е.П. Янин на основе этой же формулы в 2002 году предложил несколько другой подход к оценке экологического состояния водного объекта, который основывается на эмпирическом материале и носит экспертный характер. В дополнение к суммарному показателю загрязнения донных осадков он ввел показатель санитарно-токсикологической опасности (Z_CТ). Его расчет выполняется по формуле для Z_C, но только для веществ 1-го и 2-го классов опасности в водной среде. Итогом этого объединения стала ориентировочная шкала оценки состояния, которая была предложена для рек. Однако, по мнению авторов, она может использоваться для всех водных объектов суши (табл. 29).

В зарубежной научной литературе предлагаются свои варианты расчета многих индексов и коэффициентов. Большинство из них основано на сравнении современных отложений с подстилающими осадками, образовавшимися в доиндустриальный период: коэффициент и степень загрязнения (С_f и С_d); коэффициент культурного обогащения (CEF); коэффициент антропогенного обогащения (SAEF); индекс геоаккумуляции (J_geo) и другие.

Таблица 29. Ориентировочная шкала оценки степени загрязнения водных объектов по концентрациям химических элементов в донных отложениях (Янин, 2002)

Например, в соответствии с методикой Л. Хокансона коэффициент загрязнения (C_f) для i-го загрязняющего вещества определяется как

= ,

где – содержание i-го загрязняющего вещества в поверхностном слое 0–1 см в донных осадках; – доиндустриальное значение содержания i-го загрязняющего вещества, рассчитываемое как среднее фоновое значение плюс стандартное отклонение.

Коэффициент загрязнения определяется для каждого поллютанта. Оценка выполняется по предлагаемой ниже классификации:

< 1 – низкий коэффициент загрязнения (т. е. низкий уровень загрязнения данным поллютантом);

1 £ < 3 – умеренный коэффициент загрязнения;

3 £ < 6 – значительный коэффициент загрязнения;

³ 6 – высокий коэффициент загрязнения.

Затем степень загрязнения определяется как сумма всех коэффициентов загрязнения для данной пробы:

С_d =

Такой подход позволяет установить уровень общего загрязнения донных осадков. Используется следующая шкала с учетом количества проанализированных веществ (n):

С_d < n – низкая степень загрязнения;

n £ C_d < 2n – умеренная степень;

2n £ C_d < 4n – значительная степень;

C_d ³ 4n – высокая степень загрязнения.

При этом к обязательному условию относится идентичность сравниваемых осадков по гранулометрическому составу.

В Германии для оценки степени загрязнения донных отложений поль­зуют игео-классы или индексы геоаккумуляции (J_geo), разработанные более 30 лет назад Г. Мюллером (Muller, 1979) (табл. 30). Они рассчитываются по уравнению

J_geo = log₂( ),

где С_i - измеренная концентрация i-элемента в донных отложениях (фракция < 0,020 мм);

В_i - фоновая концентрация i-элемента (табл.).

Таблица 30. Значения концентраций основных тяжелых металлов по игео-классам (по: Muller, 1979)

Характеристика уровня загрязнения по игео-классам и техногенной нагрузки приводится в табл. 31. На основе данной классификации составляют карты загрязнения донных отложений по каждому тяжелому металлу. Серии таких карт позволяют адекватно оценить техногенную нагрузку на водный объект и определить состояние донных осадков.

Таблица 31. Характеристика уровня загрязнения донных отложений по игео-классам и техногенной нагрузке на водные экосистемы (цитируется по: Трофимов, Зилинг, 2002)

Использование нормативов ОДК или ПДК загрязняющих веществ в почвах применительно к донным отложениям в какой-то мере оправдано тем, что и те и другие представлены твердой фазой, имеют сходные условия формирования химического состава и близкую компонентную структуру. Однако, как было показано раньше (см. 2.2.4), пороговое количество загрязняющего вещества в почвах устанавливается по четырем лимитирующим признакам вредности: общесанитарному, водному миграционному, миграционному воздушному и транслокационному. В то же время для донных осадков условно можно выделить четыре основных ЛПВ, определяющих максимальное влияние загрязненных донных осадков на экосистемы и организмы:

1) токсикологическое воздействие на микробиологический комплекс осадков и бентос (токсикологический ЛПВ);

2) токсикологическое влияние на рыб-бентофагов (рыбохозяйственный ЛПВ);

3) токсикологическое воздействие на организмы, обитающие в толще воды, через процессы вторичного загрязнения в результате насыщения поровых вод и осадков подвижными химическими соединениями (водно-миграционный ЛПВ);

4) влияние на гидрохимический состав и санитарные показатели воды (санитарный ЛПВ).

В связи с этим использование норматива концентраций загрязняющих веществ в почвах применительно к донным осадкам при выполнении тех или иных экологических оценок должно быть обоснованным. По мнению Л.А. Лесникова (Методические указания, 1989) загрязнение донных осадков играет решающую роль в ухудшении качества воды и в снижении рыбопродуктивности водоемов. Этот вывод закономерен для составляющих основную часть уловов во внутренних водоемах России рыб-бентофагов, которые добывают пищу со дна. В связи с этим Л. А. Лесников предлагает в качестве ориентировочно допустимых концентраций загрязняющих веществ в донных осадках использовать ПДК загрязняющих веществ для воды рыбохозяйственного назначения, но в расчете на единицу массы грунта (мг/кг) с анализом твердой фракции и иловой воды как единого целого

В отсутствие нормативов содержание химических веществ часто сравнивают с кларком осадочных пород или с химическим составом глубоководных океанических осадков, выявляя тем самым превышения (или кларки концентраций) загрязняющих веществ в донных осадках. Но более корректно с нашей точки зрения сравнение с фоновыми показателями. Существуют два подхода к их установлению. Либо обосновывают региональный природный фон современных донных отложений, либо рассчитывают средние содержания химических элементов в подстилающих осадочных образованиях, как правило, позднеплейстоценовых и голоценовых, а также в современных, сформировавшихся в доиндустриальный период развития – 50–100 лет назад. В первом случае мы сталкиваемся с проблемой поиска незагрязненных акваторий при нарастающем антропогенном воздействии. Во втором возникает необходимость учета возможных фациально-генетических и вещественно-геологических различий в «древнем» и современном седиментогенезе.