УДК 555.164.(282.255.5)
Ключевые слова: концентрация, трансформация, загрязнители, полихлорированные бифенилы, тяжелые металлы.
Река Или является одной из крупнейших трансграничных рек Казахстана и основной питающей артерией Или-Балхашского бассейна (рис. 1). Свое начало р. Или берет на северных склонах хребта Хан-Тенгри горной рекой Текес и, соединяясь на территории Китайской Народной Республики (КНР) с реками Кунгес и Каш, уже мощным потоком возвращается на территорию Казахстана. Общая длина реки составляет 1439 км, в пределах Казахстана - 815 км, площадь бассейна - 68,4 тыс. км2.
Годовой объем стока рек бассейна Или оценивается в 17,7 км3/год, в том числе на территории Казахстана формируется 6,1 км3/год. Сток р. Или зарегулирован Капшагайским водохранилищем (КВ), и ниже его река несет свои воды по пустынной Прибалхашской равнине к оз. Балхаш, где, разбившись на многочисленные рукава, заканчивается обширной дельтой.
Концентрация взвешенных веществ до КВ составляет до 118 кг/м3 в июле и 13,4 кг/м3 в декабре. Ниже водохранилища мутность воды снижается [1, 2].
Исследование экологического состояния вод трансграничной р. Или показало значительную их загрязненность токсичными соединениями - такими, как тяжелые металлы (ТМ), нефтепродукты, фенолы и др. Превышение установленных уровней ПДК составило в отдельные годы в пределах: для меди - 14-19 раз, цинка - 3-18 раз, никеля - 4,27 раз, свинца - 2-6 раз [3-6]. Результаты исследования последних лет показали значительную загрязненность трансграничного притока стойкими органическими загрязнителями, в т.ч. полихлорированными бифенилами (ПХБ) [7-9].
На территории Казахстана в реку Или и сооруженного на ней КВ впадает целый ряд различных по водности притоков протяженностью более 800 км, воды которых, протекая через индустриальные города и крупные населенные пункты, загрязнены ТМ, ПХБ и другими токсичными соединениями [8, 10]. В бассейне реки широко развито сельское хозяйство: имеются крупные массивы орошения и животноводческие комплексы. Все это в общей сложности, включая и КВ, расположенное в русле реки, является факторами антропогенного характера, которые оказывают влияние на поступление и трансформацию гидрохимических показателей и токсичных веществ в речных водах. Целью настоящей работы является оценка характера трансформации токсичных веществ и гидрохимических параметров в воде и донных отложениях (ДО) по течению р. Или в пределах территории Казахстана.
Изменение гидрохимических показателей по течению реки
Значения рН воды по течению реки подвергались заметным колебаниям от 7,7 и 8,0 выше КВ до 9,0 в его нижнем бьефе (таблица 1).
Здесь достаточно четко просматривается закономерное повышение рН воды за счет активно протекающих в КВ продукционных процессов фитопланктона. Влиянием продукционной деятельности водных растений в водохранилище и дельтовых озерах можно объяснить повышение содержания кислорода в воде замыкающих створов.
Содержание органических веществ (по перманганатной окисляемости) находилось в пределах от 3,84 до 6,08 мгО/дм3, несколько выше оно было у ГП Добын, а по мере продвижения водных масс к оз. Балхаш концентрация этого показателя снижается.
Минерализация воды по течению р. Или постепенно возрастает, рост ее значений от ГП Добын до устьевой зоны составил около 100 мг/дм3. По ионному составу вода по всей протяженности реки относится к гидрокарбонатному классу кальциевой группы (рис. 2).
Таким образом, после прохождения весеннего паводка режим гидрохимических параметров реки в целом стабилизируется, и количественные их изменения по течению реки зависят от водного режима в системе и интенсивности внутриводоемных процессов продукционного характера.
Характер трансформации ТМ в воде р. Или по ее течению
Результаты произведенных анализов показывают присутствие ТМ в воде на всех точках отбора проб, а также превышение уровня рыбохозяйственных ПДК такими элементами как Cu, Zn и Mn. В трансграничном стоке (ГП Добын) превышение ПДК отмечено лишь для Cu (5,7 ПДК), а в воде всех точек наблюдений концентрация ее составила от 5,1 до 7,4 ПДК (рис. 3). Превышение ПДК для Mn и Zn отмечено в воде ГП 164 км и ГП Ушжарма соответственно.
Из данных рис. 3 видно, что концентрация большинства металлов, за исключением Mn, Zn и Cu, от трансграничной точки до ГП 137 км в значительной мере снижается. Это, видимо, обусловлено влиянием процессов самоочищения водной массы от тяжелых металлов в пределах КВ за счет осаждения взвесей и биомиграции элементов в водные флору и фауну.
Далее содержание подавляющего большинства металлов, кроме Mn и Ni, повышается в воде вершины дельты р. Или (ГП Ушжарма). Главной причиной роста концентрации элементов В воде данного створа является поступление в р. Иль предварительно очищенных вод из оз. Сорбулак-накопителя канализационных стоков г. Алматы [17, 18], а также коллекторно-дренажных вод из Акдалинского массива орошения, для которых характерно повышенное содержание солей и тяжелых металлов [19].
В устье реки синхронного характера в динамике концентрации тяжелых металлов не обнаружено. Содержание в воде более тяжелых металлов Pb, Zn, Cu (по молекулярному весу) заметно снизилось. Предположительно, это может быть обусловлено осаждением их со взвешенными веществами в пределах дельтовых озер, через которые протекает речная вода, а также биокумуляцией их высшей водной растительностью. Концентрация Ni, Co и Mn в воде концевого створа возросла, что может быть вызвано процессами деструкции органических веществ в озерах с зарослями растительности, а также гидрогеологическими условиями местности.
Характер трансформации ПХБ в воде р. Или по ее течению
Из полученного аналитического материала следует, что ПХБ зарегистрированы в воде всех точек отбора проб с наибольшей концентрацией в трансграничном стоке реки и у ГП Ушжарма (таблица 2).
От приграничного створа до нижнего бьефа Капшагайской плотины (ГП 37 км) содержание ПХБ в речной воде снижается до 0,170 мкг/дм3. Это, очевидно, вызвано постоянным осаждением токсикантов со взвешенными веществами особенно в пределах КВ. Такое предположение согласуется с результатами ряда зарубежных авторов [20, 21], говорящих о том, что ПХБ благодаря низкой растворимости и большому удельному весу мигрируют прежде всего вместе о взвешенными веществами, которые осаждаются при уменьшении скорости течения воды.
Далее по течению реки у ГП Ушжарма концентрация ПХБ в воде увеличивается почти в 4 раза и достигает 0,678 мкг/дм3. Основной причиной наблюдаемого явления, вероятно, служит поступление в р. Или воды из технического водоема Сорбулак - накопителя канализационного стока г. Алматы. К устью реки содержание токсиканта в воде снижается благодаря осаждению взвесей в пределах системы дельтовых озер и под влиянием процессов инкорпорации частиц взвеси фитопланктоном, о важной роли которых о включении ПХБ в пищевую цепь указано в литературных источниках [22, 23].
Полученные результаты убедительно показывают, что, несмотря на определенную количественную трансформацию ПХБ по течению, р. Или является одним из основных источников загрязнения оз. Балхаш этими ксенобиотиками.
О трансформации конгенерного состава ПХБ по течению реки можно указать на то, что от ГП Добын до нижнего бьефа Капшагайской плотины он остается почти неизменным (таблица 2).
В воде вершины дельты реки (ГП Ушжарма) несколько увеличивается количество конгенеров, очевидно, под влиянием стока, поступающего из накопителя Сорбулак, однако качественный их состав существенно не меняется.
Вообще характерной особенностью структурного состава конгенеров в речной воде является присутствие почти на всех точках индикаторных «маркерных» конгенеров ПХБ 52, 101 и 153, относящиеся к тетра-, пента- и гексахлорбифенилам. Лишь в воде нижнего бьефа Капшагайской плотины обнаружен конгенер ПХБ 118, относящийся как к «маркерному», так и к диоксиноподобному классам из-за высокого уровня токсичности по отношению к живым организмам.
Таким образом, обнаруженные в речной воде ПХБ отличаются нешироким конгенерным составом, однако он представлен среднетоксичными «маркерными» видами, которые строго контролируются в природных объектах РФ и многих других государств, и Казахстан, очевидно, не должен быть исключением.
Представляет интерес анализ относительного содержания конгенеров ПХБ в речной воде. Из данных рис. 4 видны довольно высокие значения относительного содержания «маркерных» конгенеров ПХБ в воде почти всех точек наблюдений.
Так, «маркерный» конгенер ПХБ 52 по относительному содержанию составил в воде четырех створов реки от 34 до 45% от суммы всех найденных изомеров. Причем наиболее высокое процентное содержание данного конгенера ПХБ регистрируется в воде трансграничной и устьевой зонах реки. Если сложить относительное содержание найденных «маркерных» конгенеров, то в воде трансграничной зоны реки - у ГП Добын сумма этого класса конгенеров ПХБ 52 и 101 получится 65%, у ГП 164 км сумма ПХБ 52 и 153 получается 52%, а сумма этих же конгенеров в воде у ГП Ушжарма составит 59%. Достаточно высоко относительное содержание наиболее токсичного диоксиноподобного конгенера ПХБ 118 в воде нижнего бьефа Капшагайской плотины - 28% от суммы конгенеров.
На основе изложенного следует заключить, что трансграничный сток и вода поступающая по р. Или в оз. Балхаш достаточно высоко загрязнены ПХБ за счет присутствия в них «маркерных» и диоксиноподобных конгенеров. Известно, что ПДК ПХБ для питьевых вод установлена на уровне 1,0 мкг/дм3 [24], следовательно, в речной воде превышение этого уровня не отмечено. Однако вода по содержанию ПХБ не соответствует нормативным требованиям для рыбохозяйственных водоемов, в воде которых наличие их недопустимо [25].
Трансформация уровня накопления ПХБ в воде и их конгенерного состава по течению реки происходит главным образом за счет осаждения взвесей в пределах КВ и дельтовых озер, а также поступления стоков из накопителя Сорбулак.
Представляет определенный интерес количественная оценка трансграничного притока токсичных соединений из территории КНР и объема их, поступающего по р. Или в оз. Балхаш. Это важные проблемы в сохранении экологии уникального Или-Балхашского бассейна. Результаты расчета по общепринятой методике [13] показали (таблица 3), что в мае 2015 года суммарный трансграничный приток рассматриваемых ТМ составил 39,5 т, а приток в оз. Балхаш (к вершине дельты) - 35,3 т.
В процессе трансформации по течению реки под влиянием природных и антропогенных факторов объем стока большинства элементов несколько уменьшился, а сток Zn и Cu, наоборот, увеличился. Приток ПХБ в оз. Балхаш не подвергается существенным количественным изменениям и остается на уровне трансграничного объема.
Характер трансформации ПХБ в ДО р. Или по ее течению
Результаты хроматографического анализа проб ДО, отобранных на пяти точках по течению р. Иль, приведены в таблице 4.
Данные показывают существенное различие в уровнях накопления ПХБ в осадках отдельных участков течения реки. Повышенное аккумулирование их регистрируется в ДО реки выше КВ - 99,3 мкг/кг в приграничном створе и 196 мкг/кг у ГП 164 км. Как было показано выше (таблица 2), и в воде приграничного створа концентрация ПХБ характеризовалась повышенными значениями.
Рост концентрации и количество идентифицированных конгенеров ПХБ в осадках реки в районе ГП 164 км, очевидно, можно объяснить некоторым повышением процесса седиментации взвешенных и влекомых наносов в результате создающегося в определенной мере подпора, расположенного ниже КВ.
Согласно исследованию [26], формирование ДО малых и средних рек, находящихся в зонах переменного подпора, носит сезонный характер. Накопившись в осенне-зимний период, они практически полностью смываются во время половодья. В крупных реках, подтопленных водохранилищами, происходит непрерывный седиментационный процесс в зависимости от скорости течения. Поэтому можно предположить, что точка 164 км находится на начальных участках подпорной зоны водохранилища, тем более весной в период проведения экспедиционных работ, когда уровень воды в водохранилище обычно бывает на более высокой отметке.
Невысокий уровень накопления ПХБ и крайняя бедность их конгененого состава в осадках нижнего бьефа Капшагайского гидроузла (ГП 37 км) вполне объясним, если иметь в виду, что сбрасываемая в нижний бьеф отстоявшаяся в водохранилище вода содержат очень мало взвесей и соответственно ПХБ. Кроме того, на этом участке почти отсутствуют условия для седиментации антропогенных взвесей из-за высоких скоростей течения.
Рост концентрации ПХБ и значительное расширение их конгенерного состава в ДО реки в районе ГП Ушжарма, вероятнее всего, результат поступления в речную систему воды из накопителя городских канализационных стоков Сорбулак. Как было показано выше, и в воде на этом створе реки зарегистрировано наиболее высокое содержание ПХБ и заметное расширение состава их конгенеров. В осадках самого устья реки уровень накопления ПХБ снизился до минимальных значений 1,39 мкг/кг. Это, предположительно, результат осаждения в пределах дельты реки взвешенных веществ, в составе которых транспортируются ПХБ.
В составе найденных конгенеров ПХБ преобладающее положение принадлежит низкохлорированным тетра- и пентахлорбифенилам. Лишь в осадках реки у ГП 164 км обнаружены «маркерный» конгенер ПХБ 138 и диоксиноподобный ПХБ 105. В ДО ГП 37 км и устья реки при сравнительно невысоком содержании ПХБ отмечен единичный конгенер ПХБ 66.
В относительном содержании почти во всех отобранных пробах доминировал конгенер ПХБ 66, относящийся к гомологической группе тетрахлорбифенилов (рис. 5). Уровень накопления диоксиноподобного конгенера ПХБ 105 и «маркерного» ПХБ 138 в ДО ГП 164 км в целом невысок 11 и 5% соответственно.
Таким образом, уровень накопления и трансформация конгенерного состава ПХБ в осадках по течению реки зависят в основном от характера гидродинамических процессов в изученном участке реки, главная роль в формировании которых принадлежит КВ. Наличие в ДО реки в основном низкохлорированных конгенеров указывает на отсутствие в изученных горизонтах осадков активной деградации «легких» и накопление «тяжелых» ПХБ.
Заключение
Впервые исследован характер трансформации гидрохимических и токсичных соединений в воде и ДО р. Или от приграничного створа (с КНР) до ее впадения в оз. Балхаш. Полученные результаты свидетельствуют о наличии ТМ и ПХБ в воде и ДО по всему течению реки. Трансформация гидрохимических показателей, ТМ и ПХБ в изучаемых объектах водной экосистемы реки происходит под влиянием ряда природных и антропогенных факторов, основные из них седиментация ПХБ и ТМ со взвешенными веществами и биомиграция их в водные флоры и фауны в КВ и в озерах дельты реки, а также техногенное загрязнение реки и ее притоков отходами крупных городов и сельскохозяйственного производства. Река Или в существенной мере загрязняет оз. Балхаш такими токсичными соединениями, как ПХБ, медь и цинк.
Литература:
1. Смоляр В.А. Гидрогеология бассейна озера Балхаш / В.А. Смоляр, С.Т. Мустафаев. Алматы, 2007. 352 с.
2. Проблемы гидроэкологической устойчивости в бассейне озера Балхаш /Под ред. Самаковой А.Б. Алматы: Каганат, 2003. 584 с.
3. Амиргалиев Н.А. Трансграничный приток минеральных солей и токсичных соединений по р. Или / Н.А. Амиргалиев, Л.Т. Исмуханова // «Вопросы географии и геоэкологии». Алматы, 2012. №1. С. 20-28.
4. Бурлибаев М.Ж. Проблемы загрязнения основных трансграничных рек Казахстана / М.Ж. Бурлибаев, Н.А. Амиргалиев, И.В. Шенбергер. Алматы: Каганат, 2014. Т.1. 742 с.
5. Ismukhanova L.Т. Monitoring quality parameters of the transboundary outflow in the River Ili / L.Т. Ismukhanova, N.А. Amirgaliev, K.Е. Bektursunov // «Proceedings of the IWA 6th Eastern Meets West». European Young Water Professionals Conference EAST (28-30 May 2014, Istanbul). Istanbul, 2014. Р. 132-137.
6. Амиргалиев Н.А. Тяжелые металлы в воде трансграничной зоны р. Или // «Вопросы географии и геоэкологии». Алматы, 2015.
№1. C. 61-67.
7.Амиргалиев Н.А. Полихлорированные бифенилы в воде оз. Балхаш и впадающих в него рек / Н.А. Амиргалиев // «Вода: химия и экология». М., 2014. №9. С. 101-105.
8. Амиргалиев Н.А. Полихлорированные бифенилы в воде Капшагайского водохранилища на реке Иль/ Н.А. Амиргалиев, Л.Т. Исмуханова, К.Е. Бектурсунов // «Вода: химия и экология». М., 2016. №1. С. 3-10.
9. Амиргалиев Н.А. Полихлорированные бифенилы в воде трансграничных бассейнов Казахстана / Н.А. Амиргалиев // Труды IV Всероссийской научной конференции с международным участием «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов», 15- 18 сентября 2015 г. М., 2015. C.133-135.
10. Амиргалиев Н.А. Динамика тяжелых металлов в воде Капшагайского водохранилища на р. Или / Н.А. Амиргалиев, Л.Т. Исмуханова // Сборник научных статей международной научной конференции «Проблемы гидрометеорологического обеспечения хозяйственной деятельности в условиях изменяющегося климата», 5-8 мая 2015 г. Минск, 2015. С. 48-50.
11. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 541 с.
12. Фомин Г.С. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам / Г.С. Фомин. М.: Изд-во «Протектор», 2000. 848 с.
13. Алекин О.А. Сток растворенных веществ с территории СССР / О.А. Алекин, Л.В. Бражникова. М.: Наука,1964. 143 с.
14. ПНДФ 14.1:2.22-95 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов железа, кадмия, свинца, цинка и хрома в пробах природных и сточных вод методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии. Утвержден министерством охраны окружающей среды РФ 28.08.1995. М.: ТОО «Кортек», 1995. 17 с.
15. СТ РК ИСО 8288-2005 «Качество воды. Определение кобальта, никеля, меди, цинка, кадмия и свинца. Пламенные атомно-абсорбционные спектрометрические методы» (ИСО 8288:1986). Введен 2005-01-09. Астана, 2005. 20 с.
16. МВИ ЛАЭ-04/05. Методика выполнения измерений содержаний полихлорированных бифенилов и хлорсодержащих пестицидов в почвах, донных отложениях, шламах, твердых отходах, биологических и растительных материалах, природных и сточных водах методом хромато-масспектрометрии. Свидетельство ФГУП УНИИМ № 224.10.12. 118/2006.
17. Матмуратов С.А. К оценке экологической ситуации в районе сбросов Правобережного Сорбулакского канала в р. Или / С.А. Матмуратов // Географические основы устойчивого развития Республики Казахстан. Алматы: ?ылым, 1998. С. 284-287.
18. Достай Ж.Д. Управление гидроэкосистемой бассейна озера Балкаш / Ж.Д. Достай. Алматы: «Print-S», 2009. 236 с.
19. Самоукова Г.М. Исследование влияния рисовых систем на современный гидро- химический режим р. Или / Г.М. Самоукова, В.В. Быкова, Р.К. Телибаева, Г.А. Утепова // Вопросы гидрологии орошаемых земель Казахстана. Алматы: Изд. КазГУ, 1986. С. 92-97.
20. Ferguson M.L. Distribution of PSB congeners in sediments of the Otonabee River-Rice Lake system, Peterbougli, Canada / M.L. Ferguson, CD. Metcalfe // Chemosphere. 1989. V.19. №8-9. P. 1321-1328.
21. Flowler S .W. The role of zooplankton fecals pellets in transporting PSBs from the upper mixed layer to the bentos / S.W. Flowler, L.F. Small, D.L. Elder // IV Joumees etud. pol- lut. mar. Mediterr. Antalya, 1978. P. 289-291.
22. Gobas FA.P.С Bioaccumulation of chlorinated hydrocarbons by the mayfity [Hexagenia Limbata] in lake St. Clair / FA.P.C. Gobas, D.C. Bedard, J.J.H. Ciborowski, G.D. Haffner // J. Great Lakes Res. 1989. V.15. №4. P. 581-588.
23. Harding L.H. Polychlorinated biphenyls: transfer from microparticulates to marine phytoplankton and the effects on photo- synthesis / L.H. Harding, J.H. Phillips // Science. 1978. V.202. №4373. P. 1189-1192.
24. Клюев H.A. Определение полихлорированных бифенилов в окружающей среде и биоте. Полихлорированные бифенилы. Супертоксиканты XXI века / Н.А. Клюев, Е.С. Бродский // М.: Инф. выпуск ВИНИТИ, 2000. №5. С. 31-63.
25. Проект ГЭФ/ЮНЕП «Подготовительная деятельность к выполнению Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях (СОЗ): разработка проекта Национального плана выполнения конвенции для Российской Федерации». Электронный ресурс: http:// www.cip-pops.ru/
26. Герман А.В. Процессы седиментации и аккумуляции полихлорированных бифенилов в русле р. Шексна в пределах г. Череповец / А.В. Герман, В.В. Законнов // Вода: Химия и экология. 2012. №4. С. 16-20.
Hydrochemical and toxic compounds transformation in water and sediments of Ili river downstream in Kazakhstan part
Heavy metals, polychlorinated biphenyls (PCBs) and other toxic compounds are bringing in to the territory of the Republic of Kazakhstan by waters of transboundary river Ili, which concentrations often exceeds the MPC. There are many sources of pollution of the river water like industrial cities and agricultural facilities on the territory of the Republic of Kazakhstan also. All these factors are man-made which affect to water quality and ecological status of the unique nature object like lake Balkhash, which exist in arid areas due to water runoff of Ili river. In this article studied the level of accumulation of toxicants in aquatic ecosystems of the river and nature of their transformation on its course under the influence of natural and anthropogenic factors.
Keywords: concentration, transformation, pollutants, polychlorinated biphenyls, heavy metals.
Amirgaliev Nariman, Geography science doctor, Professor, Chief researcher of the Hydrochemical & environmental toxicology laboratory in Institute of geography of the Ministry of education and science of Republic of Kazakhstan. Е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Ismukhanova Laura, natural science master. Е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Bektursunov Kadyrbek, environmental science master. Е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Kulbekova Roza, environmental science master. Е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
67/99 Kabanbay batyr/Pushkin, Almaty 050010 Republic of Kazakhstan.
Журнал «Вода Magazine», №9 (109), 2016 г.