Руководитель темы к.т.н., Зам. генерального директора
ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» Кузьмин В.В.
подпись, дата
Ответственный исполнитель _________________ к.т.н., ведущий научный
специалист ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» Болдырев К.А.
Отчет 281, 1 ч., 43 рисунка, 40 таблиц, 270 источников литературы.
Методология экспериментального и натурного изучения процессов аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложениях водохранилищ и озер. (отчет по первому этапу) по базовому проекту 12фцп-М5-04 «Создание методологии экспериментального и натурного изучения процессов аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложениях» 21-НИОКР/3-10-2012.
Объектом исследования являлись тяжелые металлы в донных отложениях водохранилищ и озер.
Цель работы - разработка методологии экспериментального и натурного изучения аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложениях водохранилищ и озер (1 этап).
В процессе работы были детально исследованы особенности гидрогеохимического и гидродинамического поведения тяжелых металлов в донных отложениях водных объектов (водохранилищ и озер).
В результате исследования были выполнены:
· анализ зарубежных и российских норм, критериев и методик оценки загрязненности донных отложений и даны предложения по разработке отечественных норм;
· обзор имеющихся моделей прогноза массопереноса тяжелых металлов во внутриводоемных процессах.
На основе результатов комплексного химического анализа компонентного состава донных отложений выделены основные классы загрязняющих компонентов и их гидрогеохимические особенности;
На основании обзора моделей определены основные факторы эмиссии тяжелых металлов (параметры моделей), даны оценки зависимостей содержания тяжелых металлов в донных отложениях и поровой воде от свойств водных объектов.
Рассмотрены принципы классификации и типизации донных отложений с использованием комплексных показателей.
Приведены результаты экспериментальных исследований процессов аккумуляции в донных отложениях и выноса из них тяжелых металлов.
Степень внедрения - выполненные исследования являются первым (промежуточным) этапом и будут использованы в рамках базового проекта 12фцп-М5-04 «Создание методологии экспериментального и натурного изучения процессов аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложениях» 21-НИОКР/3-10-2012.
Ключевые слова: донные отложения, загрязняющие вещества, тяжелые металлы,
осадки, озера, водохранилища, геохимическое моделирование, самоочищение
водоемов.
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
РЕФЕРАТ
Термины и ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
. АНАЛИЗ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА И ВЫДЕЛЕНИЕ КЛАССОВ ОСНОВНЫХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
.1 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ВОДОЕМОВ И ВОДОТОКОВ
.2 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СОСТАВЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
. ГЕОХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ВОДНЫХ СИСТЕМАХ
.1 ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВОДНОЙ ФАЗЕ
.1.1 Представление процессов растворения и осаждения в гидрогеохимических моделях
.1.2 Учет термодинамической активности растворенных веществ в гидрогеохимических моделях
.1.2 Процессы адсорбции и десорбции на неорганическом веществе в гидрогеохимических моделях
.1.3 Учет комплексообразования тяжелых металлов на органическом веществе в гидрогеохимических моделях
.1.4 Учет процессов ионного обмена в гидрогеохимических моделях
.1.5 Учет окислительно-восстановительных процессов в гидрогеохимических моделях
.1.6 Учет кинетики геохимических процессов
.2 ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ В ЗАДАЧАХ ОЦЕНКИ МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
. ОПИСАНИЕ ОСНОВ ФИЗИЧЕСКОГО ПЕРЕНОСА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ
.1 ПЕРЕНОС РАСТВОРЕННЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРОТОЧНЫХ И НЕПРОТОЧНЫХ ВОДОЕМАХ
.1.1 Движение водной массы как физическая основа конвективного переноса тяжелых металлов. Уравнения движения водной массы
.1.2 Энергетические уравнения осредненного и пульсационного движения водной массы
.1.3 Анализ обменных процессов в водном потоке и на его границах для обоснования методики экспериментальных и натурных исследований переноса тяжелых металлов
.2 УЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ВЗВЕСЕЙ ТЕХНОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ, СОДЕРЖАЩИХ ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ, ПРИ КОНВЕКТИВНОМ ПЕРЕНОСЕ
.2.1 Факторы, определяющие скорость осаждения мелкодисперсных частиц техногенного происхождения, содержащих тяжелые металлы
.2.2 Мелкодисперсные взвеси техногенного происхождения и их роль в процессе загрязнения водных объектов и вторичном загрязнении воды
.2.3 Анализ динамических эффектов в зонах контакта жидкости с твердыми частицами водонасыщенных донных отложений
.3 ПЕРЕНОС ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СОСТАВЕ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПРОТОЧНЫХ И НЕПРОТОЧНЫХ ВОДОЁМАХ
.3.1 Влияние сил сцепления между частицами мелкодисперсной взвеси на хлопьеобразование и структурирование водного потока
.3.2 Модель осаждения мелкодисперсной взвеси, содержащей тяжелые металлы, в условиях турбулентности
.3.3 Условия возникновения и разрушения придонного стратифицированного слоя, содержащего тяжелые металлы
.3.4 Распределение частиц мелкой взвеси, содержащей тяжелые металлы, в объеме движущейся водной массы
.4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ АККУМУЛЯЦИИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ И ВЫНОСА ИЗ НИХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
.4.1 Результаты экспериментальных исследований влияния гранулометрического состава донных отложений на обменные процессы
.4.2 Диффузия соединений тяжелых металлов из загрязненных донных отложений в воду
.4.3 Массообменный процесс при смешении притока примеси со спутным водным потоком
. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА КОНЦЕНТРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОРОВОЙ ВОДЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ И В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ
.1 ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОСТИ НА КОНЦЕНТРАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ МЕТАЛЛОВ В ПОРОВОЙ ВОДЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
.2 ВЛИЯНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ УСЛОВИЙ НА КОНЦЕНТРАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ МЕТАЛЛОВ В ПОРОВОЙ ВОДЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
.3 ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
.4 Влияние содержания общего азота
.5 Влияние содержания общего фосфора
.6 Влияние общего содержания серы
.7 Влияние содержания органических веществ
.8 Влияние общего солесодержания
АНАЛИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ И РОССИЙСКИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
.1 Оценка загрязненности водной среды
.2 Оценка загрязненности почв
5.3 Оценка загрязненности ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Водохранилище - искусственный водоём, образованный обычно в долине реки водоподпорными сооружениями для регулирования ее стока и дальнейшего использования в народном хозяйстве.
Озеро - природный водоём в углублениях суши (котловинах), заполненные в пределах озёрной чаши (озёрного ложа) разнородными водными массами и не имеющие одностороннего уклона.
Донные отложения - это донные наносы и твердые частицы, образовавшиеся и осевшие на дно водного объекта в результате внутриводоемных физико-химических и биохимических процессов, происходящих с веществами как естественного, так и техногенного происхождения [ГОСТ 17.1.5.01.-80; ИСО 5667-1].
Поровая вода - вода, содержащаяся в равновесии с твердыми и адсорбционными фазами донных отложений.
Тяжелые металлы - металлы, удельный вес которых больше 5 г/см3.
Ионный обмен - процесс, при котором ионы, ассоциированные на поверхности твердого вещества, переходят в раствор, замещаясь на поверхности веществами, переходящими из раствора.
Ёмкость катионного обмена - суммарная способность минералов удерживать
катионы, выраженная в мг-экв./100г породы.
ЕКО - Ёмкость катионного обмена почвогрунтов и донных отложений
ДЭС - Двойной электрический слой - Ионная сила раствора
РОВ - Растворенное органическое вещество
ОВ - Органическое вещество
ПВ - Поровая вода донных отложений
ПВ-ДО - Система донные отложения - поровая вода
ВВ - Взвешенные вещества
ФК - Фульвиновые кислоты
ГК - Гуминовые кислоты
Еh - Окислительно-восстановительный потенциал среды, В
рН - Уровень кислотности среды
Оценка допустимого антропогенного воздействия в водных объектах предполагает не только определение концентраций и формы нахождения токсичных элементов в водной толще, но и содержание загрязняющих веществ в донных отложениях поверхностных водоёмов.
Донные отложения, образующиеся в результате отложения и седиментации взвешенного в воде неорганического и органического материала, играют значительную роль в формировании химического состава поверхностных водоемов.
Особенностью донных отложений, как показателя состояния водного объекта, является то, что они являются последним звеном поступления веществ в водоемы и водотоки, в силу чего интегрируют геохимические особенности водосборных площадей, техногенных сбросов и водных объектов.
Являясь сложной многокомпонентной системой, донные отложения в зависимости от условий, сложившихся в водоеме, могут служить либо источником поступления химических соединений из донных отложений в толщу воды, либо их аккумулятором.
К числу приоритетных загрязняющих веществ донных отложений относятся тяжелые металлы, отличающиеся максимальной аккумуляционной способностью и высокой токсичностью.
Так, в отличие от органических загрязняющих веществ в той или иной степени подверженных хемо-биодеградации, тяжелые металлы лишь перераспределяются в различных элементах водного объекта, аккумулируясь в различных компонентах экосистем, в том числе - в гидробионтах.
Несмотря на то, что в России предусмотрен контроль состава донных отложений водных систем в рамках Единой Государственной системы мониторинга за состоянием окружающей среды, он вряд ли может быть эффективным при отсутствии четких критериев опасности содержания тяжелых металлов в составе донных отложений.
При этом следует отметить недостаточную разработанность вопросов, связанных с ролью донных отложений в процессах самоочищения/загрязнения водных объектов.
В настоящее время формируются понятийный аппарат и модели, позволяющие увязывать предельно допустимые нагрузки загрязняющих веществ донных отложений на водные объекты, связанные с миграционной способностью тяжелых металлов в зависимости от емкостных, сорбционных свойств донных отложений, гидрохимическими свойствами водной среды и самих поллютантов.
Подвижность и изменчивость химического состава донных отложений и их потенциальная опасность для водной экосистемы во многом определяется распределением соединений химических элементов в гранулометрическом спектре донных отложений, их минералогическим составом, окислительно-восстановительным и кислотно-щелочным режимами водных объектов, содержанием элементов, лимитирующих интенсивность биологических процессов.
Следует признать, что разработка методологии, позволяющей определить критерии качества донных отложений по содержанию тяжелых металлов, которые могли бы войти в единую систему нормативов для включения их в стратегию охраны водных и биологических ресурсов в настоящее время находится на начальной стадии исследований.
В мировой практике используются нормативы содержания тяжелых металлов в донных отложениях с применением разных критериев: фоновые концентрации, интервальные оценки (либо предельные уровни) соответствующего негативного воздействия на гидробионтов, равновесное распределение загрязняющего вещества в системе поровая вода-донные отложения.
В Российской Федерации подобные работы находятся в начальной стадии, можно отметить лишь единичные попытки разработки экологических нормативов содержания индивидуальных соединений в донных отложениях с использованием геохимического и токсикологического подходов.
Разработка обоснованных критериев качества донных отложений по содержанию в них тяжелых металлов требует наличия методологии экспериментального и натурного изучения аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложениях.
Это, в свою очередь, приводит к необходимости рассмотрения поведения тяжелых металлов в различных элементах водных объектов, их подвижности в различных фазовых состояниях и формах, доступности и токсичности тяжелых металлов.
При этом следует учитывать интенсивность и направленность физико-химических и биологических процессов, происходящих на границах раздела вода водоема - взвешенные вещества - донные отложения.
Целью данного этапа работы являлась разработка методологии экспериментального и натурного изучения процессов аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложений водохранилищ и озер.
Основными задачами исследований являлись.
. Анализ зарубежных и российских норм, критериев и методик оценки загрязненности донных отложений;
. Обзор имеющихся моделей прогноза массопереноса (трансформации, количественного содержания) тяжелых металлов во внутриводоемных процессах;
. Выделение основные классов загрязняющих компонентов на основе результатов комплексного химического анализа компонентного состава наиболее типичных донных отложений.
. Оценка влияния основных факторов - гранулометрического состава донных отложений, содержания в них органических веществ, содержания общего азота, фосфора, серы, растворенного кислорода, рН и Eh среды на концентрации различных форм металлов в поровой воде донных отложений и в твердой фазе.
. Определение основных факторов эмиссии тяжелых металлов в зависимости от геохимических, физико-химических и гидродинамических свойств водных объектов.
. Обзор экспериментальных исследований процессов аккумуляции в донных отложениях и выноса из них тяжелых металлов.
. Разработка Методологии экспериментального и натурного изучения процессов аккумуляции и выноса тяжелых металлов в донных отложениях водохранилищ и озер.
В процессе исследований был выполнен анализ компонентного состава тяжелых металлов в донных отложениях водоемов и водотоков с выделением основных классов по их токсичности, биодоступности, подвижности и комплексу основных биогеохимических показателей, выполнен обзор гидрогеохимических особенностей тяжелых метталов в системе донные отложения - поровая вода - водный объект.
Были рассмотрены основные принципы геохимического моделирования поведения тяжелых металлов в водных объектах, дано описание основных геохимических процессов, включая процессы:
· растворения и осаждения;
· адсорбции и десорбции;
· комплексообразования тяжелых металлов на органическом веществе;
· ионного обмена;
· окислительно-восстановительных процессов;
· кинетики гидрогеохимических процессов.
На базе созданной гидрогеохимической модели конвективно-диффузионного переноса рассмотрено применение метдодов гидрогеохимического моделирования в задачах оценки миграции тяжелых металлов.