Conditions of formation of Vikhoreva river and Ust-Vikhorevsky bay hydrochemical regime (Ust-Ilimsk reservoir)

Full Text

Введение

В настоящее время гидрохимический состав большинства водоемов зависит не только от природных, но и от антропогенных факторов [1, 2]. Среди потенциально опасных веществ антропогенного происхождения микроэлементы, в том числе металлы, занимают приоритетное место. Эти элементы, находящиеся в водной среде в концентрациях ниже 1 мг/л, с одной стороны, играют важную роль в гидросистемах [3], с другой – обладают высокой токсичностью и биодоступностью [4, 5].

Основным источником загрязняющих веществ для водных экосистем являются предприятия различных отраслей промышленности, расположенные на побережье водоема. Путями поступления загрязнителей с территорий промышленных зон на акваторию водоема является атмосферный перенос, поверхностный (дождевой и талый) сток и, несомненно, самый опасный – сточные воды [6, 7]. Сточные воды предприятий, обогащенные органическими и неорганическими веществами, являются мощными источниками загрязнения не только водных объектов, в которые они непосредственно поступают. Большинство рек, протекающих в зонах крупных промышленных зон и принимающих на себя основную техногенную нагрузку, сами становятся источником загрязнения для водоемов, в которые они впадают [8, 9].

Показательным примером миграции загрязняющих веществ в цепи «источник загрязнения – небольшой водоток – крупный водоем» является поступление сточных вод Братской промышленной зоны в р. Вихорева и далее в Усть-Илимское водохранилище, которое является неотъемлемой частью крупнейшей в мире Байкало-Ангарской пресноводной системы. С территории Братской промышленной зоны, включающей предприятия химической, металлургической, лесоперерабатывающей и других видов промышленности, более семидесяти лет в небольшой водоток – р. Вихорева (левый приток р. Ангара) – поступают огромные количества разнообразных веществ антропогенного происхождения. На протяжении нескольких десятилетий р. Вихорева относится к наиболее загрязненным рекам РФ, а ее воды по степени загрязненности характеризуются как «очень загрязненные» и «грязные» [10, 11]. Несмотря на усовершенствование и реконструкцию основных технологических объектов предприятий Братской промышленной зоны и сокращение количества загрязняющих веществ в сточных водах, в открытой печати нередко появляются сообщения о фактах катастрофического воздействия антропогенной деятельности на всю экосистему р. Вихорева. Так, например, «природоохранной прокуратурой установлено, что в р. Вихорева в результате кислородного голодания погибло несколько сотен особей рыб различных пород» [12], «массовая гибель рыбы в р. Вихорева произошла в связи с превышением предельно допустимых концентраций диметилсульфида, хлороформа, нефтепродуктов, фенола и лигнина» [13] и т. д. В связи с этим исследования, сосредоточенные на сборе информации о качественных характеристиках и их пространственных изменениях в водной среде р. Вихорева и Усть-Илимском водохранилище, чрезвычайно важны для эффективного управления водными ресурсами.

Наиболее полное исследование, направленное на изучение влияния сточных вод на гидрохимический состав р. Вихорева, было проведено Т.А. Стрижевой [14] в 1974–1984 гг. Автором подробно изучена пространственно-временная динамика концентрации главных ионов и биогенных компонентов в воде р. Вихорева, р. Ангаре, образованного после зарегулирования реки Усть-Вихоревского залива и акватории Усть-Илимского водохранилища. В начале ХХI в. исследования акцентировались на определении концентраций специфических для деревоперерабатывающего производства загрязняющих веществ в р. Вихорева и Вихоревском заливе [15], а также концентраций основных ионов и биогенных компонентов в водной среде всего Усть-Илимского водохранилища [16, 17]. Показано, что, несмотря на анонсированные природоохранные мероприятия, негативное воздействие сточных вод предприятий Братской промышленной зоны на р. Вихорева продолжается и, как и прежде, обусловлено значительным увеличением концентраций сульфидов, сероводорода, взвешенных и биогенных веществ, сульфат ионов, ионов хлора и натрия и др. загрязнителей в водах реки. Помимо специфичных для каждого вида промышленности загрязняющих веществ, в окружающую среду потенциально может поступать большой спектр и других органических и неорганических соединений. Исследований, направленных на изучение концентраций микроэлементов в водной среде загрязненной р. Вихорева, не проводились. Всё это обусловило цель работы – выявление закономерностей пространственного распределения концентраций главных ионов и микроэлементов, а также выделение природных и антропогенных факторов формирования гидрохимического состава р. Вихорева и Усть-Вихоревского залива Усть-Илимского водохранилища.

Объекты и методы

Объект исследования. Глубокое малопроточное Усть-Илимское водохранилище, созданное на р. Ангаре, является третьим водохранилищем в каскаде Ангарских ГЭС. Природный ресурсный потенциал во многом определил специфику промышленности всей Восточной Сибири. Помимо крупных энергетических комплексов в бассейне р. Ангары и ее водохранилищ расположены предприятия химической, металлургической, лесоперерабатывающей и других видов промышленности, сгруппированные в крупные промышленные зоны. Деятельность предприятий этих зон существенно преображает геохимический облик абиотических и биотических компонентов всей водной системы [18, 19]. К одной из таких зон относится расположенная в бассейне Усть-Илимского водохранилища промышленная зона г. Братска, в состав которой входят предприятия гидроэнергетики, Братского лесопромышленного комплекса (БЛПК), крупнейший в России Братский алюминиевый завод (БрАЗ), завод ферросплавов и т. д.

По гидрологическим характеристикам р. Вихорева относится к небольшим водотокам. Длина реки 296 км, ширина до 25 м, глубина до 2 м, средние скорости течения от 0,1 до 2,8 м/с. Загрязнение реки началось уже при создании Вихоревского лесозаготовительного комбината (1956 г.). Далее при развитии промышленной инфраструктуры г. Братска были введены в эксплуатацию БЛПК (в настоящее время АО Группа «Илим») и БрАЗ. Помимо промышленных отходов в р. Вихорева поступают коммунальные стоки г. Братска и г. Вихоревка. С пуском производств БЛПК, БрАЗ и развитием г. Братска суммарный расход сточных вод в период зимней межени в 3–4 раза превышал естественный водный сток реки [14]. Из всего объема сточных вод, проходящих через очистные сооружения и поступающих в р. Вихорева, до нормативных показателей очищается только 1 %, а недостаточно очищенными сбрасывается 99 % [20]. Качественный состав и степень загрязненности сточных вод зависят от вида вырабатываемой продукции, мощности предприятий, вида и типа применяемого оборудования, а также выбранного метода очистки сточных вод. Многолетнее поступление сточных вод Братской промышленной зоны определило, что формирование Усть-Вихоревского залива, состоящего из двух частей (Вихоревский залив и Бурдойский залив), во время заполнения Усть-Илимского водохранилища уже происходило на фоне интенсивного загрязнения р. Ангары и р. Вихорева.

Станции отбора проб воды р. Вихорева (точки наблюдений (т.н.) 1–4), Вихоревского залива (т.н. 5–8) и Бурдойского залива (т.н. 9–12) Вихоревского залива Усть-Илимского водохранилища показаны на рис. 1. Отбор проб проведен батометром OceanTest110А. В воде р. Вихорева, заливов Бурдой и Тада пробы отбирались с поверхностного слоя воды, в Усть-Вихоревском заливе с двух горизонтов: поверхностного – с глубины 0,5 м и придонного – в метровом слое от дна.

 

Рис. 1. Карта-схема станций отбора проб воды: 1 – 10 км ниже г. Вихоревка (выше г. Братска); 2 – 1 км ниже сточных вод промышленной зоны г. Братска; 3 – 14 км выше устья реки; 4 – 1 км выше устья; Вихоревский залив: 5 – впадение р. Вихорева в залив; 6 – 2 км ниже устья р. Вихорева; 7 – перед слиянием Вихоревского и Бурдойского заливов; 8 – устье Усть-Вихоревского залива; Бурдойский залив: 9 – перед слиянием Бурдойского и Вихоревского заливов; 10 – слияние заливов Тада и Бурдой; 11 – зал. Тада; 12 – зал. Бурдой

Fig. 1. Map-scheme of water sampling stations: 1 – 10 km below the town of Vikhorevka (above the town of Bratsk); 2 – 1 km below the sewage of the industrial zone of Bratsk; 3 – 14 km above the mouth of the river; 4 – 1 km above the mouth; Vikhorevsky Bay: 5 – the river Vikhoreva inflow into the Bay; 6 – 2 km below the mouth of Vikhoreva river; 7 – before the confluence of Vikhorev and Burdoy bays; 8 – mouth of Ust-Vikhorev bay; Burdoy bay: 9 – before the confluence of Burdoy and Vikhorev bays; 10 – confluence of Tada and Burdoy bays; 11 – Tada bay; 12 – Burdoy Bay

 

Пробы воды для определения концентраций микроэлементов (Al, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, As, Cd, Pb, Hg) отобраны в контейнеры объемом15 мл, Hg – объемом 1 л, главных ионов (HCO₃^–, Cl^–, SO₄^2–,Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ и Сорг) – объемом 1,5 л. На месте отбора пробы воды для определения Hg консервировались 2 % КМnО₄ (0,5 мл/л) и 50 % H₂SО₄ (1 мл/л), других микроэлементов – подкислены HNO₃. Аналитические работы проведены в Центре коллективного пользования «Изотопно-геохимических исследований» Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск, Россия).

Определение в воде концентраций Al, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, As, Cd, Pb выполнено методом масс-спектрометрии с индуктивной связанной плазмой (ICP-MS) на масс-спектрометре ELEMENT-2 (Thermo Finnigan, Bremen, Германия), Hg – атомно-абсорбционным методом на анализаторе РА-915⁺ с приставкой РП-91 (методом «холодного пара»). Катионы (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺) и анионы (HCO₃^–, Cl^–, SO₄^2–) определены с использованием стандартных методов [21]. Для определения концентраций органического углерода (Сорг) рассчитано химическое потребление кислорода титриметрическим методом с последующим перерасчетом по эквивалентному отношению углерода к кислороду. Концентрации растворенного кислорода определены в полевых условиях йодометрическим методом.

Результаты и обсуждение

Длительную временную динамику техногенного влияния стоков Братской промышленной зоны хорошо отражают органолептические характеристики вод р. Вихорева. В работе [14] показано, что до создания Усть-Илимского водохранилища коричневые воды высокозагрязненной реки при впадении резко контрастировали с голубовато-зелеными водами р. Ангары. Загрязненный поток характеризовался низкой прозрачностью (0,15–0,30 м), специфическим запахом, высокой цветностью и, самое показательное, устойчивой пеной и различными плавающими примесями (хлопья, слизь, радужные пятна и др.) на водной поверхности. В этот период зона влияния р. Вихорева распространялась по р. Ангаре на расстояние более 100 км. Создание водохранилища привело к улучшению качественных характеристик вод самой реки и зоны ее влияния, которая ограничивалась 10 км ниже по течению от устья реки [14]. В период настоящих исследований специфический запах, высокая цветность и пена отмечались на участках реки, приближенных к сбросам сточных вод. В районе слияния р. Вихорева и Вихоревского залива характерные органолептические показатели загрязненных вод диагностируются менее четко, прозрачность воды 0,9 м.

Органическое вещество и кислородный режим

Одной из важнейших характеристик, определяющих эколого-геохимическую обстановку любого водного объекта, является концентрация растворенного кислорода в воде [22]. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к составу поверхностных вод рыбохозяйственного назначения РФ, содержание кислорода в водах не должно быть ниже 6 мг О₂/л [23]. Считается, что гидробионты начинают испытывать стресс при концентрациях кислорода от 3 до 5 мг О₂/л [22], а при концентрации 2 мг О₂/л и менее водоем не может поддерживать удовлетворительные для жизнедеятельности гидробионтов условия [24]. Вода т.н. 1, расположенной выше стоков промышленной зоны г. Братска и поэтому принятой для оценки техногенного воздействия на р. Вихорева в качестве условно фоновой станции, содержит количество кислорода, достаточное для удовлетворительного существования гидробионтов и поддержания окислительной обстановки (рис. 2). После поступления сточных вод концентрация О₂ резко снижается, дефицит кислорода наблюдается на всем протяжении реки. Наиболее ярко это проявляется перед устьем реки (т. н. 4), где концентрация кислорода в воде падает до критических значений – 0,3 мг О₂/л. Несомненно, что такой кислородный режим реки определяет стрессовые условия для гидробионтов, которые сопровождаются тяжелыми последствиями для их жизнедеятельности, вплоть до гибели.

Специфичный для сульфатцеллюлозного и деревообрабатывающего производств состав сточных вод БЛПК включает в себя большие количества взвешенных и органических (лигнин, нефтепродукты, метанол, фенол и т. д.) веществ [10]. Их присутствие в р. Вихорева после впадения сточных вод (т.н. 2) определяется значительным увеличением концентрации Сорг, по сравнению с условно фоновым содержанием. Ниже по течению, вплоть до самого устья реки, концентрация Сорг остается повышенной. В связи с этим выделенное снижение концентраций кислорода в воде р. Вихорева свидетельствует об окислении большого количества органических веществ, поступающих со сточными водами.

В воде Вихоревского залива концентрации О₂ подвержены значительным вариациям (рис. 2). Несмотря на увеличение его концентраций в поверхностных слоях воды до нормативных для водоемов рыбохозяйственного назначения, в придонных слоях залива фиксируются близкие к нулю значения (0,59 мг О₂/л). Только на выходе из Усть-Вихоревского залива концентрация кислорода по всей толще воды выше 9 мг О₂/л. Концентрации Сорг в воде залива значительно снижаются, по сравнению с водой реки, составляя в среднем 12,1 мг/л. Воды Бурдойского залива содержат концентрации кислорода, достаточные для удовлетворительного обитания гидробионтов (табл. 1). Показатели органического вещества, составляющие в зал. Тада, зал. Бурдой и в районе их слияния 9,1–10,6 мг/л, увеличиваются в районе слияния Бурдойского и Вихоревского залива.

 

Рис. 2. Концентрация кислорода и органического углерода в воде р. Вихорева и Вихоревского залива. Примечание: Номера точек соответствует точкам наблюдений, указанных на рис. 1

Fig. 2. Concentration of oxygen and organic carbon in the water of the Vikhoreva river and Vikhorevsky bay. Note: Point numbers correspond to the observation points indicated in Fig. 1

 

Главные ионы

Минерализация вод Вихоревского залива изменяется от 136,2 до 487,5 мг/л, Бурдойского залива – от 136,4 до 217,8 мг/л. Реакция среды близкая к нейтральной или слабощелочная (7,25–8,20). Более высокая минерализация определена в водах р. Вихорева (от 326,8 до 982,4 мг/л), величина рН слабощелочная (до 8,20). Концентрации главных ионов в воде р. Вихорева и в Усть-Вихоревском заливе показаны на рис. 3 и в табл. 1.

 

Рис. 3. Концентрации главных ионов (мг/л) в воде р. Вихорева и Вихоревском заливе (точки наблюдений соответствуют точкам наблюдений на рис. 1). Средние концентрации в воде русловой части Усть-Илимского водохранилища приведены по [16]

Fig. 3. Concentrations of major ions (mg/l) in the water of the Vikhoreva river and Vikhorevsky bay (observation points correspond to the observation points in Fig. 1). Average concentrations in the water of the channel part of the Ust-Ilimsk reservoir are given according to [16]

 

Таблица 1. Концентрации главных ионов, кислорода и органического вещества в Бурдойском заливе (мг/л)

Table 1. Concentrations of major ions, oxygen and organic matter in the Burdoy bay (mg/l)

Точки наблюдений Observation points	HCO3–	Cl–	SO42–	K+	Na+	Ca2+	Mg2+	O2	C орг
11	99,6	12,2	20,8	1,7	15,5	26,1	7,3	6,69	9,1
12	120,0	11,4	22,0	1,8	14,6	29,0	10,0	8,92	9,4
10	107,8	16,6	29,2	2,0	20,7	27,8	8,0	9,39	10,6
9 (п)/(s)*	105,9	20,4	32,4	2,2	22,0	27,0	7,0	9,31	19,7
9 (д)/(b)*	82,5	5,0	12,4	1,2	7,7	22,0	4,9	6,87	21,3

* – п – поверхностная, д – придонная вода/s – surface, b – bottom water.

 

В воде условно фоновой станции р. Вихорева (т.н. 1), по сравнению с русловой частью Усть-Илимского водохранилища, определены более высокие концентрации HCO₃^–, SO₄^2–, Ca²⁺, Mg²⁺, К⁺ и близкие концентрации Cl^– и Na⁺ (рис. 3). Такие гидрохимические показатели реки обуславливают природные факторы их формирования: фильтрация сульфатно-гидрокарбонатных подземных вод в днище долины реки [25] и выщелачивание гипсов, распространенных в ее бассейне [14]. Вместе с этим доминирующим анионом в воде реки, так же как в Усть-Илимским водохранилище [16], является НСО₃^–, катионом – Са²⁺. Концентрации SO₄^2–>Cl^–, Mg²⁺>Na⁺>K⁺. К компонентам основного ионного состава, концентрации которых в водной среде увеличиваются под воздействием антропогенных факторов, относятся в основном Cl^– и SO₄^2– [26, 27]. Состав сточных вод Братской промышленной зоны также включает в себя большие количества хлорид- и сульфат-ионов. Так, в 1997 г. в р. Вихорева за год сброшено 12860 т сульфат-иона, 30650 т хлорид-иона [10]. В 2016 г. приводятся еще большие значения поступающих в реку загрязняющих веществ: 27800 т сульфат-иона, 49989 т хлорид-иона [11]. Несомненно, для небольшой реки такие значительные объемы загрязняющих веществ отражаются в резком увеличении концентраций Cl^– и SO₄^2– в воде (рис. 3). Данных по концентрациям Na⁺ и K⁺в сточных водах в официальных источниках не приводится. Вместе с этим на их антропогенное происхождение указывает значительное повышение (в 61 и 6 раз, соответственно) концентраций этих ионов в воде т.н. 2, по сравнению с т.н. 1. После поступления сточных вод в воде р. Вихорева концентрации Cl^–>SO₄^2–>НСО₃^–, концентрации Na⁺>Са²⁺>Mg²⁺>K⁺.

В водах т.н. 3 и 4 р. Вихорева и т.н. 5–8 Вихоревского залива доминирующим анионом остается НСО₃^–. Концентрации SO₄^2–>Cl^–, за исключением т.н. 3, в которой Cl^–>SO₄^2–. Соотношение катионов в воде реки и залива остается сходным с т.н. 2: Na⁺>Ca²⁺> Mg²⁺>K⁺. Только в придонной воде т.н. 7, поверхностной и придонной воде т.н. 8 Вихоревского залива Ca²⁺, так же как в водах Усть-Илимского водохранилища, становится преобладающим. Далее следуют Na⁺>Mg²⁺>K⁺.

Закономерное последовательное уменьшение компонентов техногенного происхождения в р. Вихорева и Вихоревском заливе по мере течения вод от источника загрязнения наблюдается только для ионов хлора (рис. 3). Во всех точках наблюдения залива концентрации основных ионов в поверхностной воде выше, чем в русловой части Усть-Илимского водохранилища (рис. 3). Только в придонной воде устья Усть-Вихоревского залива (т.н. 8) концентрации главных ионов становятся близки к средним показателям по всему водохранилищу. Результаты исследования показали, что по всему Вихоревскому заливу концентрации главных ионов в поверхностном слое выше, по сравнению с придонным (рис. 3). Подобное явление, отмеченное и в предыдущих исследованиях [14], связано с растеканием более теплых, подогретых сточными водами вод р. Вихорева, по поверхности холодных вод р. Ангары.

Основной ионный состав Бурдойского залива формируется с участием поступающих в него рек Тады и Бурдой [16]. Ближе к устьевым участкам рек (т.н. 11 и 12) концентрации SO₄^2–, Cl^–, Na⁺ – основных компонентов, поступающих с сточными водами Братской промышленной зоны, ниже, чем в т.н. 10 Бурдойского залива. Так же как в Вихоревском заливе в т.н. 9, концентрации катионов и анионов в поверхностной воде повышены, по сравнению с придонной. Выделенные особенности пространственного распределения главных ионов показывают, что обмен вод между смежными частями Усть-Вихоревского залива, определяющийся гидродинамическими параметрами водоема, способствует распространению загрязненных вод р. Вихорева в Бурдойскую часть.

Микроэлементы

Концентрации микроэлементов в воде р. Вихорева, Вихоревском и Бурдойском заливах (рис. 4, табл. 2, 3) характеризуются широким диапазоном значений, мкг/л: Al (5,3–761,1), Cr (0,19–3,29), Mn (16,2–511,5), Fe (27,0–1567,2), Co (0,03–0,80), Cu (0,53–8,18), Zn (1,8–43,3), As (0,38–3,74), Cd (0,014–0,209), Pb (0,05–0,77) и Hg (0,0005–0,0049). Сравнение концентраций потенциально опасных микроэлементов с нормативами качества водоемов показывает, что в воде р. Вихорева и Вихоревском заливе зафиксированы концентрации Al, Mn, Fe, Cu и Zn, превышающие предельно-допустимые нормы для водоемов рыбохозяйственного назначения (ПДКрбх), Al, Mn и Fe – предельно-допустимые нормы для водоемов питьевого назначения (ПДКпв) (табл. 3). В воде Бурдойского залива концентрации Mn в придонной воде т.н. 9 выше ПДКпв, концентрации Mn во всех т.н. и Cu в т.н. 10 и 11 выше ПДКрбх.

 

Рис. 4. Концентрации микроэлементов (мкг/л) в водах р. Вихорева и Вихоревского залива

Fig. 4. Concentrations of trace elements (µg/l) in the Vikhoreva river waters, Vikhorevsky bay

 

Таблица 2. Концентрации микроэлементов в Бурдойской части Вихоревского залива (мкг/л)

Table 2. Concentrations of trace elements in the Burdoy part of Vikhorevsky bay (µg/l)

Точки наблюдений Observation points	Al	Cr	Mn	Fe	Со	Cu	Zn	As	Cd	Pb	Hg
11	16,2	0,28	90,7	37,6	0,04	0,57	1,9	0,51	0,05	0,07	0,0010
12	13,3	0,19	36,2	27,0	0,07	0,53	2,4	0,53	0,05	0,09	0,0005
10	24,8	0,39	55,6	40,9	0,05	8,18	3,4	0,53	0,11	0,16	0,0022
9 (п)/(s)*	23,5	0,49	16,2	38,5	0,04	1,03	1,9	0,59	0,04	0,08	0,0021
9 (д)/(b)*	5,3	0,19	139,6	23,9	0,03	2,04	3,3	0,49	0,04	0,06	0,0010

* – п – поверхностная, д – придонная вода/s – surface, b – bottom water.

 

Известно, что сравнение гидрохимических характеристик с официально утвержденными нормативами, не учитывающими природные условия формирования водоема, не дает адекватной оценки их качества [28]. Более объективно оценить антропогенное воздействие позволяют характеристики фоновых водных объектов, находящиеся с изучаемым водоемом в близких географических и климатических зонах. Для водоемов бассейна р. Ангары к таким водным объектам относится исток самой реки [29]. Результаты исследования показывают, что средние концентрации всех изучаемых микроэлементов в воде р. Вихорева и Вихоревском заливе значительно выше, чем их концентрации в истоке р. Ангары (табл. 3). Бурдойский залив характеризуется меньшими концентрации микроэлементов, чем р. Вихорева и Вихоревский залив. Однако их концентрации, за исключением Zn, также выше, чем в истоке р. Ангары. Преобразования гидрохимического состава происходят уже в вышерасположенных водохранилищах Ангарского каскада ГЭС, в воде которых концентрации микроэлементов увеличиваются за счет природных и антропогенных факторов [30]. Концентрации Al, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, As и Cd в воде р. Вихорева, Al, Cr, Mn, Fe, As и Cd в воде Вихоревского залива, Zn в воде Бурдойского залива выше, чем в русловой части Усть-Илимского водохранилища и Братского водохранилища (табл. 3).

 

Таблица 3. Средние концентрации микроэлементов в водах р. Вихорева, Вихоревского залива, р. Ангары и ее водохранилищ (мкг/л)

Table 3. Average concentrations of trace elements in the waters of the Vikhorevа river, Vikhorevsky bay, Angara river and its reservoirs (µg/l)

Водный объект Water body	Al	Cr	Mn	Fe	Со	Cu	Источник Source
р. Вихорева/Vikhoreva river	153,5	4,49	153,8	316,3	0,17	3,65	Настоящее исследование Present study
Вихоревская часть залива Vikhorevskaya part of the bay	143,3	1,51	164,3	314,7	0,17	1,03
Бурдойская часть залива Bourdoy part of the bay	16,6	0,31	67,7	33,6	0,04	2,47
Усть-Илимское водохранилище Ust-Ilimsk reservoir	10,2	0,79	9,0	–	–	1,55	[31]
Братское водохранилище Bratsk reservoir	12,9	0,19	22,9	22,4	–	0,84	[30]
Исток р. Ангары/Angara river source	1,86	0,08	2,72	2,96	0,01	0,56	[29]
ПДКпв/ПДКрбх MACpv/PCrbh	200/40	50/20	100/10	300/100	100/10	1000/1	[32]
	Zn	As	Cd	Pb	Hg		Источник Source
р. Вихорева/Vikhoreva river	22,5	1,29	0,088	0,28	0,0021		Настоящее исследование Present study
Вихоревская часть залива Vikhorevskaya part of the bay	6,5	0,76	0,072	0,23	0,0018
Бурдойская часть залива Bourdoy part of the bay	2,6	0,53	0,058	0,09	0,0014
Усть-Илимское водохранилище Ust-Ilimsk reservoir	9,2	–	–	1,2	–		[31]
Братское водохранилище Bratsk reservoir	3,8	0,37	0,023	0,11	0,0042		[30]
Исток р. Ангары/Angara river source	3,0	0,40	0,022	0,08	–		[29]
ПДКпв/ПДКрбх MACpv/PCrbh	5000/10	10/50	1/5	10/6	0,5/0,01		[32]

 

В воде условно фоновой для р. Вихорева станции (т.н. 1) концентрации Al (107,0 мкг/л), Fe (226,8 мкг/л), Cu (3,62 мкг/л) и Zn (20,7 мкг/л) уже значительно выше, чем в Усть-Илимском водохранилище. В материалах статистической отчетности по стокам, образованным в результате деятельности лесопромышленного и энергетического комплексов Братской промышленной зоны, а также хозяйственно-бытовых сточных вод г. Братска, приводятся данные только по количеству поступающего в воды р. Вихорева железа, фактический сброс которого в 1997 г. составил 161,5 т/год [10]. Через 20 лет его концентрация в промышленных стоках снизилась, сброс сократился до 24 т/год [11]. В период исследований концентрации Fe в воде т.н. 2 после поступления сточных вод возрастают незначительно (с 226,8 до 292,7 мкг/л) (рис. 4).

При отсутствии информации о количестве загрязняющих веществ, поступающих со сточными водами и диффузным стоком с промышленных зон, для оценки воздействия антропогенных источников используют сравнение концентраций загрязняющих веществ в воде незагрязненных (условно фоновых) и загрязненных участков водоема [31]. В большей степени сброс сточных вод оказывает влияние на увеличение в воде р. Вихорева концентраций Mn (в 10 раз) и Cr (в 14 раз), в меньшей степени – Al, Co, Cu, Zn, Cd, Pb, Hg (до 3 раз). Концентрации As не изменяются. На техногенное происхождение некоторых выделенных микроэлементов указывают также исследования, проведенные при изучении влияния Братской промышленной зоны на химический состав почв прилегающих к ней территорий [33]. Эти исследования показали, что выбросы БрАЗ приводят к поступлению в окружающую среду около 1300 т алюминия. К загрязняющим веществам лесопромышленного комплекса относятся Fe и Mn. Эти микроэлементы в значительных количествах находятся и в золе ТЭЦ‑6. В почве вблизи промышленных предприятий г. Братска обнаружены повышенные концентрации Zn, Cu, Pb.

Результаты пространственного распределения микроэлементов по течению р. Вихорева показывают, что после поступления сточных вод последовательное снижение концентраций в водной среде характерно только для Cr, Zn, Cu. Концентрации Hg и As, напротив, увеличиваются. Распределение Al, Mn, Fe, Cd, Pb в воде реки неравномерно. Смешение вод р. Вихорева и Вихоревского залива (т.н. 5) приводит к уменьшению высоких концентраций Al, Cr, Mn, Fe, Cu, As, Pb в водной среде. Основным фактором самоочищения на этом участке является многократное разбавление загрязненных вод реки водами Вихоревского залива, формирующимися под влиянием вод русловой части Усть-Илимского водохранилища. В отличие от главных ионов, характерной особенностью для большинства изучаемых микроэлементов является приуроченность их максимальных концентраций не к основному источнику техногенного загрязнения – стокам Братской промышленной зоны, а к акватории Вихоревского залива (рис. 4). В водах загрязненной реки определены только максимальные концентрации Cu, As, Cr и Zn. Самые высокие концентрации Al, Mn, Fe, Pb и Со зафиксированы в т.н. 6, Cd и Hg – в т.н. 5 Вихоревского залива.

Сравнительный анализ концентраций микроэлементов по глубине Вихоревского залива не выявил полученную для главных ионов закономерность, которая показала превышение концентрации последних в поверхностных водах над придонными. Напротив, при более равномерных концентрациях большинства микроэлементов в поверхностных слоях воды залива выделяются точки наблюдений, в которых определены их значительные концентрации в придонных слоях (рис. 4). Особенно в т.н. 6 Вихоревского залива, расположенной в 2 км ниже устья р. Вихорева.

В Бурдойском заливе увеличение концентраций большинства микроэлементов происходит от устьевых участков зал. Тада и зал. Бурдой к участку слияния Бурдойского и Вихоревского заливов (табл. 2). Так же как в Вихоревском, в придонных слоях воды Бурдойского залива концентрации Mn, Cu, Zn повышены, по сравнению с поверхностными.

Из рассматриваемых микроэлементов выделяется Mn, который в связи со значительным увеличением концентраций в р. Вихорева после поступления сточных вод является одним из основных микроэлементов техногенного происхождения. Его концентрации в придонных слоях (81,4–511,5 мкг/л) воды Усть-Вихоревского залива во всех точках наблюдений значительно выше, чем в поверхностных (16,2–76,2 мкг/л). Известно, что Mn при высоких положительных значениях Eh водной среды легко окисляется, переходит в нерастворимую форму и переносится в составе взвеси [34]. Миграция Mn может происходить с большим количеством взвешенных веществ, содержащихся в воде р. Вихорева. На участке смешения р. Вихорева и Вихоревского залива при уменьшении скорости течения поступающая с водой реки взвесь, содержащая гидроксиды Mn, Fe, Al и др. микроэлементов, начинает оседать, приводя к увеличению их концентраций в придонных слоях воды.

В водоемах, подверженных антропогенным нагрузкам, за счет адсорбции, соосаждения и гидролиза только небольшая часть потенциально опасных микроэлементов растворятся в водной среде, их значительная часть накапливается в донных отложениях [35, 36]. Формирование донных отложений Вихоревского залива происходило в экстремальных условиях непрерывного поступления огромных количеств загрязняющих веществ как органического, так и неорганического происхождения. Ранее результаты исследования химического состава донных отложений Усть-Илимского водохранилища [37] выделили Вихоревский залив как аномальную зону, в которой депонируются вещества техногенного происхождения, поступающие в р. Вихорева со сточными водами Братской промышленной зоны. В представленной работе концентрации Mn, Al, Fe в донных отложениях не рассматриваются. Вместе с этим в донных отложениях района т.н. 6 определены самые высокие для всего Усть-Илимского водохранилища концентрации Zn, Co, As, Pb, Cd, Hg и повышенные Cr и Cu. Известно, что при изменении гидрологических условий водохранилища донные отложения могут являться мощным источником вторичного загрязнения не только водной среды, но и всей экосистемы водоема [38, 39]. В связи с этим высокие концентрации Mn, а также Al, Fe, Zn, Cu, Cd и Pb в придонной воде Вихоревского и Бурдойского заливов указывают на их вторичное поступление из загрязненных донных отложений.

Корреляционный анализ

При выделении природных и антропогенных факторов формирования гидрохимического состава идентификацию основных источников поступления элементов в водные объекты проводят с использованием статистических методов, в частности определением коэффициентов корреляции и применением факторного анализа [40]. Результаты корреляционной матрицы, позволившей оценить взаимосвязь концентраций микроэлементов с главными ионами, растворенным кислородом и Сорг в воде р. Вихорева и Усть-Вихоревского залива, суммированы в табл. 4. Выделение факторов, объединивших между собой параметры гидрохимического состава, проведено с помощью многомерного факторного анализа (рис. 5).

 

Рис. 5. Факторный анализ концентраций главных ионов, микроэлементов, растворенного кислорода и Сорг в водах р. Вихорева (А) и Усть-Вихоревского залива (Б)

Fig. 5. Factor analysis of the concentrations of major ions, trace elements, dissolved oxygen and Corg in the waters of the Vikhoreva river (A) and Ust-Vikhorevsky bay (B)

 

Результаты корреляционного анализа между основными ионами показали, что для вод р. Вихорева достоверную положительную корреляцию, указывающую на наличие общего источника поступления, имеют SO₄^2– с НСО₃^–(r=0,91, p<0,01), Na⁺(r=0,89, p<0,01) и К⁺(r=0,96, p<0,01), Na⁺ c Cl^– (r=0,94, p<0,01). И если корреляционные связи сульфат-ионов, ионов хлора, натрия и калия логично объясняются поступлением этих компонентов со сточными водами Братской промышленной зоны, то взаимосвязь сульфат- и гидрокарбонат-ионов обусловлена природными факторами формирования гидрохимического состава, выделенными для вод р. Вихорева (подземные воды и состав пород бассейна реки).

Техногенное происхождение микроэлементов в воде р. Вихорева достоверно показывает их коэффициенты корреляции с главными для предприятий деревоперерабатывающей промышленности загрязнителями (табл. 4). В большей степени это корреляционные зависимости между Cl^–, Na⁺и Mn (r=0,99 и r=0,97, p<0,01), Cl^–, Na⁺и Cr (r=0,98, r=0,94, p<0,01), Cl^–, Na⁺ и Pb (r=0,93 и r=0,90, p<0,01). Факторный анализ выделил большую группу элементов (HCO₃^–, SO₄^2–, Cl^–, Na⁺,K⁺, Al, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Pb, Hg, Cорг), объединенную Фактором 1 (рис. 5, А). Для р. Вихорева фактор 1 является наиболее значимым (доля общ. 64 %) и отражает вклад техногенной составляющей в ее гидрохимический состав. Вместе с этим в пределах Фактора 1 можно выделить две группы. В первую группу объединяются элементы, которые имеют в большей степени техногенное происхождение: Cl^–, Na⁺, K⁺, Cr, Mn, Co, Pb и Cорг. Во вторую – элементы как техногенного, так и природного происхождения: HCO₃^–, SO₄^2–, Al, Fe, Hg. Такое выделение групп соответствует результатам пространственного распределения основных ионов и микроэлементов, которое показало, что на концентрации НСО₃^– и SO₄^2– в воде реки, помимо стоков Братской промышленной зоны, оказывает влияние субаквальная разгрузка подземных вод. Микроэлементный состав подземных вод, разгружающихся в долину р. Вихорева, не изучен. Поэтому коэффициенты корреляции микроэлементов с гидрокарбонат-ионом, который не относится к основным загрязняющим веществам Братской промышленной зоны, но является основным компонентом сульфатно-гидрокарбонатных подземных вод, определяют природные источники их поступления. Значимые положительные коэффициенты корреляции НСО₃^– определены с As (r=0,94, p<0,01), Hg (r=0,95, p<0,01), а также Fe (r=0,99, p<0,01). Концентрации Fe, относящегося к специфичным загрязнителям Братской промышленной зоны [10, 11], после поступления сточных вод незначительно повышаются в воде р. Вихорева, достигая наибольших значений в устье реки.

В Усть-Вихоревском заливе взаимосвязь между главными ионами близка к функциональной (r=0,87–0,99, p<0,01). Корреляционные зависимости между микроэлементами и главными ионами значительно ослабевают (табл. 4). Из рассматриваемых микроэлементов только Cr и Hg достоверно взаимосвязаны с SO₄^2–, Cl^–, Na⁺, K⁺, а также As, коррелирующий с компонентами основного ионного состава. В Усть-Вихоревском заливе взаимосвязи между изучаемыми компонентами определены 2 факторами (рис. 5, Б). Фактор 1 (доля общ. 51 %) объединяет между собой главные ионы, а также Cr, Zn и Сорг, Фактор 2 (доля общ. 24 %) – Mn, Fe, Al, Pb, Co. Фактором 1 объединена ассоциация компонентов, распределение которых сходно при смешении вод загрязненной реки и формирующих Вихоревский и Бурдойский заливы вод русловой части Усть-Илимского водохранилища. Фактор 2 выделил элементы с переменной валентностью – Mn и Fe. Концентрация этих элементов в водной среде значительно зависит от смены окислительно-восстановительных условий, приуроченных к границе вода–донные отложения и определяющих процессы разложения органического вещества, накопленного в донных отложениях за длительный период техногенной эмиссии. Выделенные Фактором 2 в одну группу Mn, Fe, а также Al, Pb и Co являются микроэлементами, поступающими из высокозагрязненных донных отложений в водную среду.

 

Таблица 4. Значимые коэффициенты корреляции (p<0,01) в воде р. Вихорева и Усть-Вихоревском заливе

Table 4. Significant correlation coefficients (p<0.01) in the water of the Vikhorevа river and Ust-Vikhorevsky bay

Элемент Element	Коэффициент корреляции Correlation coefficient
р. Вихорева/Vikhoreva river		Усть-Вихоревский залив/Ust-Vikhorevsky bay
Al	(+)*SO42–, Fe; (–) Ca, О2	(+) Cr, Mn, Fe, Co, Zn, Pb
Cr	(+) Cl–, Na+, Mn, Pb	(+) SO42–, Cl–, Na+, K+, Al, Fe, Co, Zn, As, Cd
Mn	(+) Cl–, Na+, K+, Cr, Co, Pb, Cорг.	(+)Al, Fe,Co, Pb; (–):О2
Fe	(+) HCO3–, SO42–, Al, As; (–) Ca, О2	(+) Al, Cr, Mn, Co, Zn, Pb; (–):О2
Co	(+) Na+, Mn, Cd, Pb, Cорг.	(+) Al, Cr, Mn, Fe, Zn, Pb; (–):О2
Cu	(–) Mg2+	(–) Mg2+
Zn	**	(+) Al, Cr, Fe, Co, As, Cd, Pb
As	(+) HCO3–, Fe; (–) Ca2+	(+) HCO3–, SO42–, Cl–, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cr, Zn, Cd
Cd	(+)Co, Pb, Cорг.	(+)Cr, Zn, As
Pb	(+) Cl–, Na+, Cr, Mn, Co, Cd, Cорг.	(+) Al, Mn, Fe, Co, Zn
Hg	(+) HCO3–	(+)SO42–, Cl–, Na+, K+

* – (+) – положительная корреляция, (–) – отрицательная корреляция, ** – нет значимых корреляций.

* – (+) – positive correlation, (–) – negative correlation, ** – no significant correlations.

 

Заключение

Исследования, проведенные в р. Вихорева и Усть-Вихоревском заливе Усть-Илимского водохранилища, позволили выделить основные особенности гидрохимического режима водоемов, в значительной степени подверженных антропогенной нагрузке. Помимо кислородного режима и режима главных ионов, впервые определен микроэлементный состав вод высокозагрязненной реки и залива, формирование которого происходило под высоким техногенным прессом. Результаты исследования показали, что, несмотря на снижение техногенной нагрузки, загрязнение, связанное с поступлением сточных вод Братской промышленной зоны в р. Вихорева, продолжается. После поступления сточных вод происходит обогащение вод реки, в большей степени SO₄^2–, Cl^–, Na⁺, K⁺, Cr, Mn, Co, Pb и Cорг. Чрезвычайно низкие концентрации О₂, определенные в воде реки, создают неблагоприятные условия для местной флоры и фауны. Помимо антропогенного фактора, на формирование режима главных ионов и микроэлементов в воде р. Вихорева большое влияние оказывает субаквальная разгрузка подземных вод, влияющая на концентрацию, в основном HCO₃^–, SO₄^2–, Al, Fe и Hg.

Поступление загрязненных вод р. Вихорева оказывает воздействие на гидрохимический состав Усть-Вихоревского залива: весь Вихоревский залив и устьевая часть Бурдойского залива. В поверхностных водах заливов зафиксированы концентрации кислорода удовлетворительные для обитания гидробионтов, в придонных водах Вихоревского залива концентрации кислорода значительно ниже установленных нормативов. Уменьшение концентраций главных ионов и микроэлементов, поступающих с р. Вихорева, в воде Усть-Вихоревского залива связано в первую очередь с разбавлением высокозагрязненных вод реки водами русловой части Усть-Илимского водохранилища. При этом распределение главных ионов и микроэлементов в водной толще залива неоднородно. Концентрации главных ионов в поверхностных водах выше, чем в придонных. Увеличение концентраций микроэлементов, в основном Mn, Fe, Al, Pb и Co, в придонных водах, по сравнению с поверхностными, указывает на вторичное загрязнение экосистемы залива, связанное с долговременной аккумуляцией в донных отложениях веществ антропогенного происхождения.

Привнос в водоемы веществ техногенного происхождения с промышленными стоками, их накопление в донных осадках и последующее вторичное поступление в водную среду создают неблагоприятные условия для жизнедеятельности гидробионтов. В связи с этим впервые полученные данные по микроэлементному составу вод могут рассматриваться как отправная точка для дальнейшего мониторинга загрязнения всей пресноводной экосистемы.

About the authors

Pavel G. Dolgikh

Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS

Author for correspondence.
Email: pdolgikh@igc.irk.ru

Junior Researcher

Russian Federation, 1 «А», Favorsky street, Irkutsk, 664033

Vera I. Poletaeva

Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS

Email: alieva@igc.irk.ru
ORCID iD: 0000-0002-3139-5864

Cand. Sc., Senior Researcher

Russian Federation, 1 «А», Favorsky street, Irkutsk, 664033

Mikhail V. Pastukhov

Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS

Email: mpast@igc.irk.ru
ORCID iD: 0000-0003-1078-7145

Cand. Sc., Senior Researcher

Russian Federation, 1 «А», Favorsky street, Irkutsk 664033

References

Supplementary files