Determination of geochemical stability of swamp ecosystems of the taiga zone of Western Siberia to anthropogenic impact

全文:

Введение

В Российской Федерации на сильно заболоченных территориях Западной Сибири сосредоточена значительная часть запасов нефти и газа. Торфяные болота, под которыми, согласно [1, 2], понимаются природные образования в виде насыщенных водой и покрытых специфической растительностью отложений торфа [1–4] толщиной 0,3 м и более в неосушенном состоянии, занимают 20–40 % водосборов многих крупных притоков р. Оби [3–9]. В процессе добычи и транспортировки нефти и газа возможны ситуации, связанные с загрязнением болотных экосистем, в частности, при: 1) плановом размещении объектов обустройства месторождений, например, шламовых амбаров; 2) при плановом и аварийном сбросах сточных (очищенных и неочищенных) вод; 3) атмосферном загрязнении в результате плановых и аварийных выбросов; 4) чрезвычайных ситуациях при строительстве и эксплуатации разведочных и эксплуатационных скважин, промысловых и магистральных трубопроводов и иных объектов [10–22]. Негативные воздействия также могут быть связаны с деятельностью жилищно-коммунального хозяйства населенных пунктов и иных предприятий, а также c рядом других причин [15, 23–26]. Все это обусловливает необходимость более тщательного обоснования различных видов хозяйственной деятельности [27–29], что и определило цель рассматриваемого исследования – оценку геохимической устойчивости болот таежной зоны Западной Сибири к поступлению загрязняющих веществ для двух характерных случаев, связанных: 1) с эксплуатацией шламовых амбаров; 2) сбросом сточных вод.

Для достижения этой цели были рассмотрены следующие задачи: 1) оценка средних значений геохимических показателей болотных и сточных вод в южно- и среднетаежной подзонах Западной Сибири (преимущественно, в пределах Томского района); 2) построение математических моделей распространения загрязняющих веществ с учетом описания основных процессов и максимальной совместимости с существующими системой экологического мониторинга и методологией нормирования сбросов [30]; 3) оценка условий распространения характерных загрязняющих веществ (Na⁺ и Cl^–) на примере типовых для таежной зоны Западной Сибири объектах. В последнем случае выбор именно Na⁺ и Cl^– обусловлен их распространенностью в сточных водах (подземные воды с высоким содержанием указанных элементов используются при поддержании пластового давления; в хозяйственно-бытовых стоках их содержание также повышено, как в результате дезинфекции, так и вследствие более высоких концентраций в исходных питьевых водах из палеогеновых отложений), значительной миграционной способностью, что позволяет оценить максимальную зону воздействия, а также экономической целесообразностью при проведении экологического мониторинга.

Объекты и методика исследования

Болота – весьма специфические во многих отношениях объекты со свойствами, характерными для поверхностных и подземных водных объектов (в большинстве случаев на болотах акватория – «водное пространство в пределах естественных, искусственных или условных границ» [31. С. 1] – отсутствует, более того, значительная часть болот покрыта древесной и кустарниковой растительностью, по характеру движения болотные воды ближе к подземным, а не к поверхностным водам, но их нельзя рассматривать как «верховодку», поскольку болото по определению не может функционировать без болотных вод), лесных экосистем и почвенного покрова, что обусловливает некоторую неопределенность в подходах к их использованию (могут выступать одновременно как объекты земле-, водо‑, недро- и лесопользования, а ущерб при авариях на болотах оценивается с использованием методик, разработанных для минеральных почв) и изучению.

В настоящее время достаточно подробно разработаны способы оценки гидрохимического фона и допустимых сбросов загрязняющих веществ в моря, реки, озера и водохранилища. Тем не менее при оценке соответствующих показателей болот остается много вопросов, в том числе в части определения параметров основного уравнения для оценки допустимой концентрации вещества в сточных водах C_lim, поступающих в водный объект (1):

$C_{\text{lim}}=k\times \left(C_{n.\text{lim}}-C_b\right)+C_b$, (1)

где C_n.lim и C_b – предельно допустимая (устанавливаемая нормативно для каждого вида водопользования) и фоновая концентрация; k_n – кратность общего разбавления. Например, каким образом оценить величину C_b с учетом разных типов болот и многообразия химического состава болотных вод? Даже «обычное» требование к снижению концентраций тех или иных веществ в болотных водах в целом не применимо, поскольку означает усиление выноса веществ, образующихся в процессе формирования торфов, а следовательно, деградацию торфяного болота, что не допускается действующим российским законодательством. С учетом этого и принимая во внимание рекомендации, изложенные в [32–36], для описания распространения загрязняющих веществ в торфяном болоте нами использован следующий подход [37–41]:

1. В структуре торфяной залежи (естественного напластования отдельных видов торфа – органической горной породы, образующейся в результате отмирания и неполного распада болотных растений в условиях повышенного увлажнения при недостатке кислорода и содержащей не более 50 % минеральных компонентов на сухое вещество [2]) по фильтрационным свойствам могут быть выделены: 1) деятельный и 2) инертный горизонты (по [1, 42]). В пределах деятельного горизонта глубиной 0,2–0,6 м преобладает адвективный и адвективно-диффузионный перенос, причем скорости горизонтального переноса могут быть существенно выше, чем вертикального; в ниже расположенном инертном горизонте в зависимости от типа торфяной залежи наблюдается в случае верховых болот постепенное уменьшение интенсивности диффузионного переноса от поверхности к минеральному дну (на верховых болотах), или в случае низинных болот – диффузионный перенос с выходами подземных вод, включая напорные [39, 40].
2. С учетом относительно постоянного или слабо меняющегося ботанического и химического состава торфов рассматривается одномерный стационарный процесс в соответствии с уравнениями (2), (3):

$D_{h,n}\times \frac{{\partial }^{2}C}{\partial n^2}-v_n\times \frac{\partial C}{\partial n}+k_a\times f\left(C\right)=0$, (2)

$f\left(C\right)=k_r\times \left(C_e-C\right)$, (3)

где n – направление основного распространения веществ: x – по горизонтали в деятельном горизонте; z – по вертикали в инертном горизонте в пределах условно однородного (по ботаническому и химическому составу) слоя; v_n и D_h,n – скорость движения воды и коэффициент гидродисперсии в n-направлении; в первом приближении величина D_h,n линейно пропорциональна скорости v_n; k_a – активная пористость; C – фактическая концентрация вещества в водной среде; k_r – удельная скорость изменения C; C_e – концентри соответствующая решению уравнения (4) в виде (, учитывающем сорбционные процессы по Лэнгмюру и приближение к локальному равновесию относительно содержаний в водной среде (5) и водовмещающих отложениях (6) при отсутствии внешних воздействий [38, 39, 41]:

$$\begin{gathered} f\left(C\right)=k_{p1}\times \left(k_{p2}\times C_{eq}-C\right)+ \\ +k_s\times \left(S-k_m\times \left(S_m-C\right)\times C\right)=0, \end{gathered}$$ (4)

$C_e=\frac{k_{p1}\times k_{p2}\times C_{eq}+k_s\times S}{k_{p1}+k_s\times k_m\times \left(S_m-S\right)}=\frac{k_{p1}\times k_{p2}\times C_{eq}+k_s\times S}{k_r}$, (5)

$S_e=\frac{\frac{k_{p1}}{k_s}\times \left(C-k_{p2}\times C_{eq}\right)+k_m\times S_m\times C}{1+k_m\times C}$, (6)

$S_m=S_{m\mathrm{,0}}\times рН{ }^{k\left(рН\right)}$, (7)

где k_p1 – удельная скорость изменения концентрации С в зависимости от отклонения от равновесной концентрации C_eq, которая при ряде допущений может оцениваться как среднее геометрическое (в предположении, что концентрации С распределены по логнормальному закону, и рассматривается обобщенное уравнение химических реакций в водной среде в условно равновесных условиях , которое для конкретного вещества C_c приводится к виду , где DG_T и K_T⁰ – общее изменение свободной энергии и суммарная константа равновесия при температуре Т; b₀, b_j – константы), что фактически используется в гидрогеохимических поисках [43] либо как среднее арифметическое при нормировании сбросов в поверхностные водные объекты. В последнем случае используется коэффициент k_p2 – отношение среднего геометрического к среднему арифметическому (при использовании среднего геометрического k_p2=1); k_s, k_m – коэффициенты, учитывающие изменение концентрации вещества в растворе в зависимости от содержания в торфах S (с учетом разности единиц измерения); S_m – максимальная сорбционная способность торфов, которая, как показали исследования болот Западной Сибири [38–41], связана с величиной рН водных вытяжек из торфов (6), где S_m,0 и k(pH) – коэффициенты.

3. Частное аналитическое решение уравнения (2) может быть получено в виде (8):

$C_n=C_{e,n}+\left(C_{\mathrm{0,}n}-C_{e,n}\right)\times \exp \left(\phi \times n\right)$, (8)

$\phi =\frac{v_n}{2\times D_n}\times \left(1-\sqrt{1+\frac{4\times k_r\times k_a\times D_n}{v_n^2}}\right)$, (9)

где C_0,n – начальная концентрация вещества в водной среде слоя в направлении n, в том числе концентрация C_ws в сточных водах. При этом следует отметить, что, как показал анализ результатов ранее выполненных исследований [24, 25, 37, 39, 40], использование уравнения (8) имеет практический смысл, прежде всего, при изучении (горизонтального) распространения загрязняющих веществ в деятельном горизонте торфяной залежи. Расчет вертикального переноса с учетом структуры торфяной залежи и дискретности свойств отдельных слоев может быть органичен оценкой параметров уравнений (5)–(7) и определением концентраций C или S по известным или предполагаемым значениям S и C, соответственно [25, 38–40].

4. Расчет по уравнению (1) допустимой концентрации вещества в сточных водах C_lim, поступающих в болотные воды, весьма затруднителен в части определения и фоновых концентраций (с учетом строения торфяной залежи и ее пространственной неоднородности), и кратности разбавления. По этой причине нами использован способ, основанный на совмещении уравнения (8) для горизонтального переноса и критерия Стьюдента [41], исходя из сопоставимости процедур оценки C_lim и проверки на однородность двух выборок – «фоновых» концентраций» C_b и суммы «фона» и постоянной добавки DC_ws. Если допустить, что C_b»C_e, а наибольшее допустимое воздействие соответствует S=S_m, при оценке допустимой концентрации C_lim в сточных водах должно выполняться условие (10) или его модификация в виде (11):

$\frac{\left|C_{\text{lim}}-C_e\right|}{\sqrt{2\times \frac{{\sigma }^2}{N}}}=\frac{\left(C_{\text{lim}}-k_{p2}\times C_{eq}-S_m\times \frac{k_s}{k_{p1}}\right)\times \exp \left(\phi \times x\right)}{\sqrt{2\times \frac{{\sigma }^2}{N}}}<t_{\alpha }$, (10)

$C_{\text{lim}}<k_{p2}\times C_{eq}\times \left(1+\frac{k_s\times S_m}{k_{p1}\times k_{p2}\times C_{eq}}+\sqrt{2}\times \delta \times t_{\alpha }\times \exp \left(-\phi \times x\right)\right)$, (11)

где t_a – коэффициент Стьюдента п уровне значимости a; N – объем выборки; s – среднее квадратическое отклонение; d – погрешность определения «фона». Если рассматривается случай загрязнения болота с поверхности (например, при аварийном сбросе), то концентрация, которая не приведет к значимому загрязнению торфов и болотных вод, оценивается по уравнению (11) при x=0.

5. Ранее [38] модель (2)–(9) была апробирована по данным о кислотных (с использованием азотной кислоты) и водных вытяжках из торфов верхового участка (сосново-кустарничково-мохового болота – «ряма») в восточной части одного из крупнейших в мире Васюганского болотного комплекса [3, 6, 7], а также на территории водосбора озера Поян в Китае в воде и водных вытяжках из отложений ветландов [41, 44, 45]. Сходимость расчетных и измеренных значений концентраций изученных веществ оценивалась по условию:

$K{r}_{sim}=\sqrt{\frac{\sum {\left(Y_{obs}-Y_{sim}\right)}^2}{\left(N-1\right)\times D_{obs}}}\le \mathrm{0,8}$, (12)

где Y_obs и Y_sim – измеренные и расчетные значения величины Y; D_obs – дисперсия измеренных значений Y; N – объем выборки.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования уравнений (2)–(9) для описания распространения изученных веществ (главные ионы, редкоземельные элементы) в торфяной залежи. Однако нельзя однозначно интерпретировать связь между составом воды и водных вытяжек из торфов, с одной стороны, и составом водных и кислотных вытяжек из торфов, с другой, по причине существенных различий в составе болотных вод, торфов, водных и кислотных вытяжек из торфов, в том числе с учетом разных методов определения [46–51].

С учетом этого нами в рассматриваемой работе использованы данные о составе болотных вод и кислотных вытяжек из торфов применительно к двум случаям при расчете: 1) горизонтального переноса от выпуска сточных вод или шламового амбара – по данным в слое 0,0–0,25 м, где наблюдаются относительно максимальные скорости адвективного переноса [39, 42]; 2) вертикального переноса по глубине торфяной залежи – по данным о составе болотных вод в слое 0,0–0,25 м и кислотных вытяжек (с использованием азотной кислоты [39]) по интервалам 0,25 от поверхности болота до минеральных грунтов включительно. Соответствующие исследования были выполнены в Томском политехническом университете (ТПУ) под руководством и при непосредственном участии авторов в период с 2001 по 2021 гг. с учетом требований [43, 52–55]. Районы исследования расположены на верховых участках Васюганского болота у села Полынянка [37–39, 52] и в верховом болоте в водосборе р. Васюган [14, 52], на участках низинного Обского болота у сел Нащеково (принят как фоновый участок без явного антропогенного загрязнения) и Мельниково (участок многолетнего сброса хозяйственно-бытовых стоков, образующихся при использовании подземных вод палеогенового комплекса (минерализация 0,7–1,1 г/дм³) в районе, примыкающем к северной оконечности Томь-Колыванской складчатой зоны с поправкой на влияние р. Оби [24, 25, 37, 40, 52]). При проведении исследований также использовались опубликованные материалы других авторов и организаций о структуре и свойствах торфяных залежей [6, 7, 56–59]. Схема размещения участков послойного изучения состава торфяной залежи приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема размещения участков исследования; условные обозначения: участки исследований распространения загрязняющих веществ по: 1 – плоскости в деятельном горизонте торфяной залежи (в водосборе р. Ягыльях, система «Ягыльях–Васюган–Обь»; Обское болото у села Мельниково); 2 – вертикали (Обское болото у сел Нащеково и Мельниково, Тимирязевское болото у г. Томска, восточный участок Васюганского болота у с. Полынянка); типы болот: I – низинные; II – переходные; III – верховые

Fig. 1. Layout of study sites; legend: study sites of pollutant distribution: 1) along the plane in the active horizon of the peat deposit (in the Yagylyakh basin, the Yagylyakh river – the Vasyugan river – the Ob river system; the Obskoe fen near the Melnikovo village); 2) vertically (the Obskoe fen near the Nashchekovo and Melnikovo villages, the Timiryazevskoe bog near the city of Tomsk, the eastern section of the Vasyugan bog near the Polynyanka village); peat bog types: I – low-moor; II – transition-moor; III – high moor

 

6. В рамках общей оценки химического состава болотных и сточных вод, а также растворов в шламовых амбарах было проведено обобщение результатов ранее выполненных исследований на территории Томского района и прилегающих участках Новосибирской, Омской областей и Ханты-Мансийского округа [14, 15], дополненных неопубликованными материалами, в том числе полученными в последние годы до 2023 г. включительно. Методика оора проб и определения их состава приведена в [24, 25, 40]. Погрешности d_A определения среднего арифметического A рассчитаны по формуле (13), верхняя граница G₁ среднего геометрического G – по формуле (14):

${\delta }_A\approx \frac{{\sigma }_C}{\sqrt{N}}$, (13)

$G_1=G\times \exp \left(\frac{{\sigma }_{\ln C}}{\sqrt{N}}\right)$, (14)

где s_С и s_lnС – средние квадратические отклонения концентраций С и их натуральных логарифмов lnC; N – объем выборки.

Результаты исследования и их обсуждение

С учетом требований [60], в пределах рассматриваемой территории в среднем водный раствор шламовых амбаров характеризуется как соленый (минерализация 10–50 г/дм³), хозяйственно-бытовые сточные воды, поступающие в болота, солоноватые (минерализация 1–10 г/дм³), в то время как болотные воды всех типов – пресные (минерализация до 1 г/дм³). По классификациям О.А. Алекина [61]: воды шламовых амбаров – «солоноватые», хлоридные натриевые III-го типа; хозяйственно-бытовые (если точнее – преимущественно хозяйственно-бытовые, но с примесью ливневых и производственных) – также «солоноватые», но хлоридные кальциевые I‑го типа; болотные воды: низинных болот – пресные со средней минерализацией, гидрокарбонатные кальциевые III-го типа; переходных и верховых болот – «пресные» с очень малой минерализацией, гидрокарбонатные кальциевые III-го типа (табл. 1, 2), с закономерным уменьшением суммы главных ионов от переходных болот к верховым. Соответственно, обнаружение болотных вод с минерализацией более 0,5 г/дм³ и с повышенными (абсолютно и относительно) содержаниями Na⁺, K⁺, Cl^–, SO₄^2– уже является основанием для необходимости оценки антропогенного влияния на болотные экосистемы, особенно в болотах переходного и верхового типов. Причем, судя по результатам сопоставления различных водных объектов [52, 62], этот вывод может рассматриваться как наиболее обоснованный и отражающий базовые постулаты теории формирования химического состава вод природно-техногенных объектов [34–36, 62].

 

Таблица 1. Среднемноголетний химический состав антропогенных вод

Table 1. Average long-term chemical composition of anthropogenic waters

Показатель Index	Ед. изм. Units	Шламовые амбары  Drilling waste storage				Сточные воды Wastewater
		A	dA	G	G1	A	dA	G	G1
рН	ед. рН pH units	7,99	0,59	7,89	8,48	7,49	0,08	7,48	7,56
Smi	мг/дм3 mg/dm3	11250,2	6933,2	4013,9	6262,9	2213,2	600,1	1240,4	1528,9
Ca2+	то же the same	449,9	303,2	130,6	208,6	81,7	30,0	64,7	88,7
Mg2+	–//–	27,9	9,0	20,1	26,8	15,0	3,2	13,1	16,0
Na+	–//–	2124,7	1344,1	948,5	1490,0	58,3	40,2	26,8	44,0
K+	–//–	202,2	142,7	48,1	77,7	6,2	3,7	3,7	5,9
HCO3–	–//–	338,3	106,1	190,7	251,9	391,4	74,2	186,2	220,0
Cl–	–//–	3874,4	2291,8	1297,4	2002,8	752,1	297,7	104,6	135,8
SO42–	–//–	388,1	313,3	6,0	10,0	17,6	3,4	11,5	13,5
NO3–	–//–	4,96	1,72	3,64	4,91	3,96	1,70	0,81	1,07
NO2–	–//–	0,03	0,02	0,01	0,01	0,42	0,20	0,01	0,01
NH4+	–//–	1,59	0,53	1,17	1,57	38,26	12,30	10,69	13,48
F–	–//–	–	–	–	–	0,99	0,43	0,13	0,18
Si	–//–	7,32	2,03	6,62	8,61	13,72	1,77	10,03	11,35
Fe	–//–	19,277	11,740	4,724	7,349	3,239	0,974	1,518	1,897
Al	мкг/дм3 mkg/dm3	–	–	–	–	2,5	0,0	2,5	2,5
Cu	то же the same	7,2	4,6	4,2	6,9	1,9	0,3	1,8	2,2
Zn	–//–	33,6	17,0	24,8	37,7	–	–	–	–
Pb	–//–	0,38	0,37	0,02	0,04	–	–	–	–
БПК5 BOD5	мгО2/дм3  mgO2/dm3	–	–	–	–	135,29	30,73	80,56	97,66
ПО/PO	мгО/дм3 mgO/dm3	62,70	13,59	54,12	66,33	187,40	70,99	96,84	133,59
БО/DO	мгО/дм3 mgO2/dm3	207,77	37,66	199,90	238,62	323,23	72,79	212,19	257,28
Нефтепродукты Petroleum products	мг/дм3 mg/dm3	–	–	–	–	0,269	0,140	0,036	0,049

Примечание: A и d_А – среднее арифметическое и погрешность его определения (13); G и G₁ – среднее геометрическое и принятый в работе верхний предел его изменения по (14); S_mi – сумма главных ионов (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, HCO₃^–, CO₃^2–, Cl^–, SO₄^2–); БПК₅, ПО и БО – биохимическое потребление за 5 суток, перманганатная и бихроматная окисляемости; прочерк означает отсутствие данных.

Note: A and d_А are the arithmetic mean and the error in its determination (13); G and G₁ are the geometric mean and the upper limit of its change adopted in the work according to (14); S_mi is the sum of the main ions (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, HCO₃^-, CO₃^2–, Cl^–, SO₄^2–); BOD₅, PO and DO are the biochemical consumption for 5 days, permanganate and dichromate oxidizability; a dash means no data.

 

Таблица 2. Среднемноголетний химический состав болотных вод в подзоне южной тайги без признаков явного загрязнения

Table 2. Average long-term chemical composition of swamp waters in the southern taiga subzone without signs of obvious pollution

Показатель Index	Ед. изм. Units	Низинные болота Low-moor peat bogs (fens)			Переходные болота Transtion-moor peat bogs			Верховые болота High-moor peat bogs
		A	dA	G	A	dA	G	A	dA	G
рН	Ед. рН pH units	6,27	0,15	6,15	4,90	0,16	4,78	4,49	0,10	4,41
Smi	мг/дм3   mg/dm3	293,5	33,9	157,0	63,7	11,0	38,1	36,2	4,9	23,7
Ca2+	то же the same	49,8	6,6	23,2	10,1	1,8	5,9	8,4	1,1	4,8
Mg2+	–//–	12,4	1,5	7,5	3,2	0,6	1,8	3,3	0,5	1,4
Na+	–//–	7,9	1,1	4,4	3,0	0,6	1,4	1,5	0,3	0,7
K+	–//–	1,8	0,2	1,1	1,6	0,2	1,0	0,8	0,1	0,5
HCO3–	–//–	200,4	26,7	67,3	30,2	8,6	6,6	12,2	2,7	4,4
Cl–	–//–	5,0	0,8	3,0	4,6	0,7	2,7	3,2	0,4	2,4
SO42–	–//–	2,5	0,7	0,8	8,8	1,3	2,3	3,0	0,6	0,7
NO3–	–//–	1,47	0,30	0,51	1,05	0,22	0,24	1,23	0,17	0,33
NO2–	–//–	0,33	0,27	0,01	0,04	0,01	0,01	0,05	0,01	0,01
NH4+	–//–	3,27	0,43	1,52	3,12	0,47	1,31	3,35	0,36	1,42
F–	–//–	0,15	0,05	0,06	0,08	0,02	0,04	0,05	0,01	0,03
Si	–//–	6,13	0,61	4,99	4,56	0,61	3,46	3,64	0,33	2,84
P	–//–	1,836	0,569	0,941	0,140	0,042	0,084	0,032	0,009	0,021
Fe	–//–	8,250	3,145	2,454	2,589	0,647	1,467	1,725	0,121	1,353
Al	мкг/дм3 mkg/dm3	106,0	29,6	26,0	511,8	170,0	124,1	470,7	63,0	230,2
Mn	то же the same	1171,6	498,4	278,1	182,5	49,5	104,9	102,2	12,0	88,3
Cu	–//–	3,0	1,0	0,9	21,2	10,4	2,6	3,6	0,8	1,3
Zn	–//–	28,6	5,4	14,9	33,4	8,2	12,0	30,8	5,6	13,1
Cd	–//–	0,15	0,07	0,02	0,91	0,40	0,04	0,07	0,03	0,01
Pb	–//–	2,15	0,50	0,56	3,74	1,24	0,58	2,12	0,92	0,29
La	–//–	0,213	0,102	0,042	0,436	0,170	0,195	0,111	0,023	0,091
Ce	–//–	0,451	0,220	0,091	0,920	0,374	0,422	0,247	0,040	0,214
Sm	–//–	0,054	0,023	0,009	0,102	0,038	0,054	0,030	0,005	0,026
Eu	–//–	0,045	0,013	0,029	0,027	0,010	0,012	0,006	0,001	0,004
ПО/PO	мгО/дм3 mgO/dm3	61,64	8,85	35,70	82,24	6,78	75,23	84,30	4,66	74,91
БО/DO	мгО/дм3 mgO/dm3	255,42	71,21	119,23	272,55	65,14	171,00	193,47	17,14	160,95
ФК/FA	мг/дм3   mg/dm3	116,35	37,44	75,11	121,32	17,64	100,82	145,92	9,44	144,30
ГК/HA	то же  the same	64,75	34,12	12,57	42,93	14,04	23,06	67,82	20,55	29,41
Нефтепродукты Petroleum product	–//–	0,233	0,073	0,043	0,108	0,054	0,013	0,303	0,095	0,050

Примечание: ФК и ГК – фульво- и гуминовые кислоты; прочие обозначения – в примечаниях к табл. 1.

Note: FA and HA are fulvic and humic acids; other designations are in the notes to Table 1.

 

Для получения более детальных количественных оценок антропогенного влияния на болотные экосистемы был проведен анализ изменения содержаний исследуемых веществ по глубине торфяной залежи в кислотных вытяжках как на «фоновых», так и на загрязненных участках болот (рис. 2). В результате выявлено, во-первых, существенно неоднородное распределение содержаний многих веществ в «фоновом» состоянии, связанное с наличием геохимических барьеров примерно на границе перехода от деятельного к инертному горизонту, а также вблизи минерального дна, что подтверждается и различиями состава минеральных включений в торфа [25, 39]. Во-вторых, на участке Обского болота наблюдается существенное снижение концентраций Na и Cl на глубинах 1–2 м даже в условиях многолетнего сброса сточных вод (рис. 2). В-третьих, по данным о химическом составе болотных вод в деятельном горизонте и кислотных вытяжек из торфов в слое 0,00–0,25 м методом общего понижающего градиента были определены значения параметров модели (5)–(7): для Na⁺ Kr_sim=0,004 (12); S_m0=7036,087; k(pH)= –1,246; k_s=0,008; k_m=0,158; k_p1=0,771; для Cl^– Kr_sim=0,039 (12); S_m0=35145,871; k(pH)= –1,732; k_s=0,022; k_m=0,368; k_p1=0,631. По полученным данным рассчитано распределение концентраций Na⁺ и Cl^– по глубине, согласующееся с результатами измерений в кислотных вытяжках из торфов, – антропогенное влияние в общих чертах приурочено к верхнему слою до 1–2 м (рис. 3).

 

Рис. 2. Изменение концентраций Na (a) и Cl (b) в кислотных вытяжках из торфов таежной зоны Западной Сибири в зависимости от относительной глубины h_i/h_p; условные обозначения: h_i – средняя глубина интервал опробования; h_p – глубина отложений торфа; при опробовании органо-минеральных отложений и минеральных грунтов (h_i/h_p>1); объекты: I – верховой участок Васюганского болота (грядово-мочажинный комплекс, гряда; 09.11.2018 г.); II – верховой участок Васюганского болота (сосново-сфагново-кустарничковое болото – «рям»; 21.03.2017 г.); III – верховой участок Васюганского болота («рям»; 09.11.2018 г.) ; IV – верховой участок Васюганского болота; 09.11.2018 г.); V – низинное Обское болото («фоновый» участок у с. Нащеково; 26.11.2018 г.); VI – низинное Обское болото (загрязненный участок у с. Мельниково; 26.11.2018 г.); переходное Тимирязевское болото (25.11.2019 г.): VII – центр болота; VIII – между центром и окраиной; IX – край болота с элементами евтрофной растительности

Fig. 2. Changes in Na (a) and Cl (b) concentrations in acidic extracts from peat in the taiga zone of Western Siberia depending on the relative depth h_i/h_p; legend: h_i is the average depth of the sampling interval; h_p is the depth of peat deposits; when sampling organo-mineral deposits and mineral soils (h_i/h_p>1); objects: I is the upland area of the Vasyugan bog (ridge-hollow complex, ridge; 09.11.2018); II is the upland area of the Vasyugan bog (pine-sphagnum-shrub bog is "ryam"; 21.03.2017); III is the high-moor-peat bog area of the Vasyugan bog ("ryam"; 09.11.2018); IV is the high-moor peat bog area of the Vasyugan bog; 09.11.2018); V is the low-moor peat Obskoe fen (the “background” area near the village of Nashchekovo; 26.11.2018); VI is the low-moor peat the Obskoe fen (polluted area near the village of Melnikovo; 26.11.2018); transitional Timiryazevskoe swamp (25.11.2019): VII is the center of the swamp; VIII is the area between the center and the outskirts; IX is the edge of the swamp with elements of eutrophic vegetation

 

Рис. 3. Изменение концентраций Na (a) и Cl (b) в кислотных вытяжках из торфов таежной зоны Западной Сибири в зависимости от относительной глубины h_i/h_p (h_i – средняя глубина интервал опробования; h_p – глубина отложений торфа; при опробовании органо-минеральных отложений и минеральных грунтов h_i/h_p>1)

Fig. 3. Changes in Na (a) and Cl (b) concentrations in acidic extracts from peat in the taiga zone of Western Siberia depending on the relative depth h_i/h_p (h_i is the average depth of the sampling interval; h_p is the depth of peat deposits; when sampling organomineral deposits and mineral soils h_i/h_p>1)

 

В-четвертых, на поверхности низинного Обского болота влияние многолетних сбросов сточных вод может сказываться на участках более 500 м, хотя обычно в пределах 100–200 м наблюдается существенное снижение минерализации и содержаний отдельных веществ (рис. 4). Еще меньше зона влияния шламового амбара на верховое болото на прилегающей территории (рис. 4). Но в данном случае, как мы полагаем, большое значение имеет качество гидроизоляции амбара.

 

Рис. 4. Изменение измеренных и расчетных концентраций ионов Na⁺ и Cl^– в водах (деятельный горизонт) низинного Обского болота (a) на участке сброса хозяйственно-бытовых стоков с. Мельниково (центр Шегарского административного района Томского района; 09.11.2018; исходные данные о химическом составе вод и торфов опубликованы в [14]; содержания Na⁺ и Cl^– рассчитаны по зависимости от удельной электропроводности) и верхового болота в районе размещения шламового амбара на Западно-Моисеевском нефтяном месторождении (b) в водосборе р. Васюган (14.08.2003 г.); условные обозначения: Ia и Ib – измеренные и рассчитанные (8), (9) концентрации Na⁺; IIa и IIb – измеренные и рассчитанные (8), (9) концентрации Cl^–; C – концентрация; L – расстояние от источника загрязнения: a) выпуска сточных вод; b) шламового амбара

Fig. 4. Changes in measured and calculated concentrations of Na⁺ and Cl^– ions in waters (active horizon) of the low-moor peat Obskoe fen (a) at the discharge site of domestic wastewater in the village of Melnikovo (the center of the Shegarsky administrative district of Tomsk region; 09.11.2018; the initial data on the chemical composition of waters and peat were published in [14]; Na⁺ and Cl^– contents were calculated based on the dependence on specific electrical conductivity) and the raised bog in the area of the sludge pit at the Zapadno-Moiseevskoe oil field (b) in the catchment area of the Vasyugan river (14.08.2003); legend: Ia and Ib are the measured and calculated (8), (9) Na⁺ concentrations; IIa and IIb are the measured and calculated (8), (9) Cl^– concentrations; C is the concentration; L is the distance from the source of pollution: a) wastewater outlet; b) sludge pit

 

В-пятых, используя условие (11) были рассчитаны допустимые концентрации в сточных водах (фильтрате из шламового амбара), в пределах которых статистически значимые изменения в составе болотных вод с уровнем значимости 5 % будут отсутствовать: a) для низинного Обского болота C_eq(Na⁺)=10,1 мг/дм³; C_lim(Na⁺)=21,5 мг/дм³; C_eq(Cl^–)=2,4 мг/дм³; C_lim(Cl^–)=42,7 мг/дм³; б) для верхового болота вблизи шламового амбара на Западно-Моисеевском месторождении C_eq(Na⁺)=0,7 мг/дм³; C_lim(Na⁺)=12,2 мг/дм³; C_eq(Cl^–)=1,8 мг/дм³; C_lim(Cl^–)=91,0 мг/дм³ (условно равновесные концентрации приняты как средние геометрические для «фонового» участка Обского болота у с. Нащеково и для верховых участков Васюганского болота, соответственно).

Заключение

На основе анализа многолетних исследований болот в таежной зоне Западной Сибири оценены средние значения геохимических показателей болотных вод и распределение химических элементов в кислотных вытяжках из торфов. На этой основе предложена методика оценки антропогенного влияния на болота в результате сброса сточных вод и геомиграции на участках размещения объектов нефтегазового комплекса. С использованием этой методики показано, что состояние изученных болот отличается от исходного, но эти изменения в основном ограничены по вертикали верхним слоем торфяной залежи до 1–2 м. По горизонтали влияние многолетнего сброса хозяйственно-бытовых стоков отражается на составе болотных вод деятельного горизонта на участках в основном до 500 м, на нефтяных месторождениях в отсутствие аварийных ситуаций – обычно не более 100–200 м. В целом значения допустимых концентраций C_lim по уравнению (11) можно оценивать как «относительно безопасный» уровень воздействия на болотные экосистемы, при котором не ожидается вторичного загрязнения болотных вод.

С учетом закономерностей формирования состава болотных вод и торфов, отраженных в общих чертах в модели (2)–(9), при проведении рекультивации целесообразно учитывать тип торфяной залежи и минимизировать внесение удобрений на нарушенные участки верховых болот с учетом вышеуказанных предложений [14, 15, 52, 63, 64]. По мнению авторов, игнорирование особенностей верховых болот может привести к возникновению достаточно устойчивых природно-техногенных болотных систем со свойствами, более характерными для низинных, а не для верховых болот.

作者简介

Oleg Savichev

National Research Tomsk Polytechnic University

编辑信件的主要联系方式.
Email: OSavichev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9561-953X

Dr. Sc., Professor

俄罗斯联邦, Tomsk

Elena Pasechnik

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: paseyu@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2207-9891

Cand. Sc., Associate Professor

俄罗斯联邦, Tomsk

参考

补充文件