Бассейн Верхней Оби расположен на территории Западной Сибири, где активно развивается нефтегазодобывающая отрасль промышленности. Побочным последствием технического роста региона является загрязнение водоемов, почв различными химическими поллютантами, в том числе и тяжелыми металлами (ТМ). Река Обь относится к числу крупнейших рек Западной Сибири. Площадь бассейна Оби составляет 2990 тыс. кв. км. По этому показателю река занимает первое место в России [9]. Бассейн реки Оби изобилует малыми и крупными реками, озерами и болотами. Они способствуют активной миграции химических загрязнений (тяжелых металлов, нефтепродуктов и т.п.), поступающих в реку Обь, которая выносит их в Обскую губу и далее в Ледовитый океан, подвергая опасности разрушения экосистем, удаленных от районов нефтегазового комплекса.

Реки Самсоновская, Лев, Вандрас находятся в бассейне Верхней Оби, в южной части Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО) Тюменской области. Воды рек Самсоновская, Лев, Вандрас через реку Большой Салым впадают в реку Обь. Река Самсоновская является правым притоком реки Лев, река Лев – правый приток реки Вандрас, река Вандрас – правый приток реки Большой Салым. Исследуемые притоки бассейна Верхней Оби относят к малым рекам, так, протяженность реки Лев составляет 77 км, реки Самсоновская – 74 км, реки Вандрас – 113 км [1].

Донные отложения (ДО) малых рек в данном регионе недостаточно изучены [1]. ДО, вследствие малой скорости перемещения по сравнению с водными массами, могут сохранять достоверную информацию о внешнем воздействии в конкретном районе [3]. Содержание ТМ в ДО зависит от гранулометрического состава грунтов и может отличаться не только в разных водных объектах, но и на отдельных участках одного водоема [2, 3, 6].

Ранее авторами впервые было изучено пространственное распределение тяжелых металлов (ТМ) в донных отложениях (ДО) малых рек Самсоновская, Лев, Вандрас. Атомно-эмиссионным методом на спектрометре OPTIMA-7000 DV определено валовое содержание ТМ (Zn, Pb, Ni, Cu, Sr, Cr, Mn). В результате регрессионного анализа получены математические уравнения полинома второй степени, характеризующие пространственное распределение выявленных ТМ на протяженном участке рек Самсоновская – Лев – Вандрас, общей длиною 86 км от места слияния рек Большой Салым и Вандрас. Величина достоверности аппроксимации составила R2 = 0,59…0,89. Количественное определение ТМ в течение 2012–2014 гг. показало превышение регионального фона по соединениям свинца в донных отложениях исследуемых рек. Для соединений свинца (фон – 20 мг/кг): в р. Самсоновская – в 2,6…3,8 раза, в р. Лев – в 2 раза, в р. Вандрас – в 1,7…3,1 раза [1].

Целью работы является определение кларков концентраций и оценка интегральных запасов выявленных ТМ в ДО на участках рек Самсоновская, Лев и Вандрас с разным гранулометрическим составом.

Материалы и методы исследования

В июле 2012–2014 гг. проведены экспедиционные работы по отбору проб ДО в реках Самсоновская, Лев, Вандрас в ХМАО. Географические координаты станций отбора проб ДО определены при помощи спутниковой навигационной системы GPSMAP 62s и приведены в табл. 1 [1].

Методы отбора и количественный химический анализ проб ДО, статистическая обработка данных описаны в [1]. Количественное определение фракций песчаной, глинистой и пылеватой частиц в гранулометрическом составе ДО выполнено по методу Рутковского, а классификация грунтов – по В.В. Охотину [4]. Расчет средней плотности запасов ТМ пойменных почв и ДО рек проведен путем интегрирования уравнения зависимости средней концентрации металла от протяженного участка реки по формуле в соответствии с [6]:

(*)

где Q – средняя плотность запасов металла на участке от L2 до L1, г/м2; L1 и L2 – линейное расстояние между двумя последовательными станциями отбора проб (в зависимости от линейного расстояния от места слияния рек Большой Салым и Вандрас – данная точка принята за условную нулевую отметку по табл. 1), км; b – усредненная ширина русла реки, для линейного расстояния между станциями отбора проб В2 – В1 – b = 34 м, Л2 – В1 – b = 30 м, Л1 – Л2 – b = 25 м, С1 – Л1 – b = 27 м, С2 – С1 – b = 29 м. Определение b проведено экспериментально при помощи спутниковой навигационной системы GPS навигации и компьютерной программы «Google Earth»; ρ_ДО – усредненное значение плотности исследуемых проб ДО на участке от L2 до L1, г/см3, ρ_ДО определена экспериментально [1] для расстояния между станциями отбора проб:

В2 – В1 – ρ_(ДО) = 1,05;

Л2 – В1 – ρ_(ДО) = 1,26;

Л1 – Л2 –ρ_(ДО) = 1,31;

С1 – Л1 – ρ_(ДО) = 1,29;

С2 – С1 – ρ_(ДО) = 1,07;

y(l) – математическое уравнение зависимости концентрации металла (в мг/кг) от протяженного участка реки, получено в результате регрессионного анализа (табл. 2 и [1]).

Результаты исследования и их обсуждение

Кларк концентрации относится к экогеологическим коэффициентам, позволяющим осуществлять оценку негативного воздействия на ДО водоемов [5]. Данный коэффициент рассчитывался как отношение содержания химического элемента в ДО к его кларку в земной коре [5, 8]. В табл. 2 представлены рассчитанные кларки концентраций (КК) ТМ в ДО исследуемого протяженного участка рек Самсоновская, Лев и Вандрас.

Таблица 1

Географические координаты станций отбора проб ДО

Таблица 2

Содержание ТМ (в мг/кг) в донных отложениях рек Самсоновская, Лев и Вандрас (здесь в числителе – Х – среднее значение, в знаменателе – кларк концентрации; σ – стандартное отклонение, в скобках – величина кларка в земной коре по Виноградову)

Таблица 3

Гранулометрический состав ДО рек: Самсоновская, Вандрас и Лев

Кларки концентраций металлов – Zn, Ni, Cu, Sr, Cr, Mn не превышают среднего содержания в земной коре (КК << 1), поэтому можно предположить, что они рассеиваются в ДО [8]. Исключение составляет свинец, его концентрации выше значения кларка в ДО исследуемых рек в 2–5 раз.

Гранулометрический состав ДО исследуемых рек (Самсоновская, Лев, Вандрас) различается в зависимости от линейного расстояния от места слияния рек Большой Салым и Вандрас. ДО р. Вандрас – это легкая супесь и тяжелая супесь в соотношении 2:1. ДО р. Лев были представлены тяжелой супесью, легкой супесью и песком в соотношении 4:1:1.

В ДО р. Самсоновская наблюдается увеличение объема глинистой фракции до 13,6 %, то есть содержания частиц размером менее 0,005 мм, преобладает легкий суглинок до 67 % (табл. 3).

Известно, что размер частиц грунтов – один из наиболее важных факторов накопления химических элементов в ДО. Чем меньше размер частиц, тем больше их аккумулирующая емкость в отношении ТМ [2, 3]. Так анализ данных по средней плотности запасов ТМ в ДО исследуемых рек, полученных в пересчете на 1 метр исследуемого участка рек, выявил в ДО реки Самсоновская максимальные значения средней плотности запасов марганца – до 8,72 г/м2 (табл. 4). Средняя плотность запасов соединений свинца в ДО уменьшается от участка реки Самсоновская до участка реки Вандрас – от 2,36 до 1,78 г/м2. Минимальные значения Q выявлены для соединений меди на всем исследуемом протяженном участке рек – не превышают 0,16 г/м2. Значения средней плотности запасов соединений никеля и стронция находятся в одном диапазоне 0,23…0,39 г/м2. Средняя плотность запасов цинка и хрома в 2,5–3,5 раза выше средней плотности запасов никеля и стронция и находится в пределах 0,60…1,41 г/м2.

Таблица 4

Средняя плотность запасов (г/м2) ТМ (Mn, Cu, Ni, Sr, Zn, Pb, Cr) в ДО рек Самсоновская, Вандрас и Лев (R2 – коэффициент аппроксимации; в 1 колонке – значения, полученные по формуле (*) на участке от L2 до L1, во 2 колонке – значения, полученные в пересчете на 1 метр исследуемого участка рек)

Таким образом, на участках исследуемых рек, где ДО представлены легкой и тяжелой супесью, средняя плотность запасов ТМ ниже, чем в ДО, в которых преобладает легкий суглинок.

Следует отметить, что для рядом стоящих элементов в периодической таблице Д.И. Менделеева распределение в ДО водоемов соответствует правилу Оддо – Гаркинса [7]. Согласно данному правилу, валовая концентрация элемента, имеющего четный порядковый номер, выше, чем у рядом стоящего элемента с нечетным порядковым номером. Например, валовая концентрация, а следовательно, и средняя плотность запасов у элемента с порядковым номером 28 (Ni) выше, чем у элемента с порядковым номером 29 (Cu). Также для элемента – 30 (Zn) средняя плотность запасов выше, чем у элемента с порядковым номером 29 (Cu) (табл. 4). Такое распределение ТМ в ДО поверхностных вод определено и в других работах [7].

Заключение

Расчет интегральных запасов ТМ в ДО показал, что средняя плотность запасов ТМ в границах рек Самсоновская и Лев выше по сравнению с р. Вандрас.

Распределение средней плотности запасов меди, цинка и никеля в ДО исследуемых рек происходит по правилу Оддо – Гаркинса. Таким образом, средняя плотность запасов элемента, имеющего четный порядковый номер, выше, чем у рядом стоящего элемента с нечетным порядковым номером. Превышение значения кларка выявлено у соединений свинца в ДО на каждом исследуемом участке рек Самсоновская, Лев и Вандрас.

Авторы выражают искреннюю благодарность коллегам – с.н.с., к.б.н. Е.И. Поповой, м.н.с., к.б.н. И.А. Дударевой, н.с., к.б.н. А.А. Чемагину за участие в отборе проб ДО.

Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013–2020 гг. по теме: «Миграционные процессы радионуклидов и химических поллютантов в экосистеме водоемов Обь-Иртышского бассейна» (№ государственной регистрации 116020510088).