2.4.4. Способы оценки состояния донных осадков водных объектов

Донные отложения при оценке состояния водного объекта, контроле загрязнения и мониторинге водной среды играют важную индикационную роль, что обусловлено в первую очередь информативностью получаемых результатов и их воспроизводимостью. Донные осадки относятся к консервативной системе, способной накапливать и хранить информацию о состоянии и изменении геохимических, динамических, климатических, неотектонических условий внешней среды, процессов массопереноса, в том числе вызванных техногенным воздействием. Реакция на них проявляется в трансформации гранулометрического, минералогического и химического составов, изменении окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий в донных осадках и водной среде, перераспределении литодинамических потоков, изменении скоростей осадконакопления и т. д. Исходя из этого, донные осадки могут рассматриваться в качестве основного объекта геоэкологических исследований аквальных геосистем.

В настоящее время предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в донных осадках не установлены, и в ближайшей перспективе такие нормативы вряд ли будут разработаны. Отсутствие критериев существенно сужает возможности аргументированного заключения по результатам исследований об эколого-геохимическом состоянии геологической среды аквальных геосистем, а также оценки экологического состояния донных осадков и их влияния на общее состояние водного объекта.

Современные подходы к оценке загрязнения донных осадков водных объектов можно разделить на два направления:

1) расчет различных индексов и нормированных показателей химического загрязнения с использованием шкал качественных оценок;

2) сравнительный анализ, построенный на сопоставлении содержаний загрязняющих веществ в донных осадках с нормативными показателями (ПДК в почвах или в воде; критерии загрязненности осадков в соответствии с Лондонской конвенцией и т. д.), с кларком литосферы, кларком осадочных пород или региональным фоном (современные осадки фоновых районов или подстилающие осадочные породы).

Среди многочисленных вариантов расчета индексов и нормированных показателей химического загрязнения донных осадков выделим лишь некоторые из них. В последнее время отечественными исследователями широко применяется суммарный индекс загрязнения донных осадков

Z_C=(n1),

где C_i– фактическое содержаниеi-го загрязняющего вещества в донных осадках;C_iФ– фоновое содержаниеi-го загрязняющего вещества в донных осадках;n– количество веществ (в расчет включаются только вещества, содержание которых превышает фоновые значения). По сути, это аналог суммарного индекса загрязнения почв (см. 2.4.3), а в окончательной интерпретации использовалась та же шкала экологического состояния донных осадков, что и для почв (табл. 22).

Однако Е.П. Янин на основе этой же формулы в 2002 году предложил несколько другой подход к оценке экологического состояния водного объекта, который основывается на эмпирическом материале и носит экспертный характер. В дополнение к суммарному показателю загрязнения донных осадков он ввел показатель санитарно-токсикологической опасности (Z_CТ). Его расчет выполняется по формуле дляZ_C, но только для веществ 1-го и 2-го классов опасности в водной среде. Итогом этого объединения стала ориентировочная шкала оценки состояния, которая была предложена для рек. Однако, по мнению авторов, она может использоваться для всех водных объектов суши (табл. 29).

В зарубежной научной литературе предлагаются свои варианты расчета многих индексов и коэффициентов. Большинство из них основано на сравнении современных отложений с подстилающими осадками, образовавшимися в доиндустриальный период: коэффициент и степень загрязнения (С_f иС_d); коэффициент культурного обогащения (CEF); коэффициент антропогенного обогащения (SAEF); индекс геоаккумуляции (J_geo) и другие.

Таблица 29. Ориентировочная шкала оценки степени загрязнения водных объектов по концентрациям химических элементов в донных отложениях (Янин, 2002)

ZC	ZCТ	Уровень техногенного загрязнения	Степень санитарно-токсикологической опасности	Содержание токсичных элементов в воде
< 10	< 10	Низкий	Допустимая	Большинство в пределах фона
10–30	10–30	Средний	Умеренная	Многие повышены относительно фона; некоторые эпизодически достигают ПДК
30–100	30–100	Высокий	Опасная	Многие элементы выше фона; некоторые превышают ПДК
100–300	100–300	Очень высокий	Очень опасная	Многие во много раз выше фона; некоторые стабильно превышают ПДК
> 300	> 300	Чрезвычайно высокий	Чрезвычайно опасная	Большинство во много раз выше фона; многие стабильно превышают ПДК

Например, в соответствии с методикой Л. Хокансона коэффициент загрязнения (C_f) дляi-го загрязняющего вещества определяется как

=,

где – содержаниеi-го загрязняющего вещества в поверхностном слое 0–1 см в донных осадках;– доиндустриальное значение содержанияi-го загрязняющего вещества, рассчитываемое как среднее фоновое значение плюс стандартное отклонение.

Коэффициент загрязнения определяется для каждого поллютанта. Оценка выполняется по предлагаемой ниже классификации:

< 1 – низкий коэффициент загрязнения (т. е. низкий уровень загрязнения данным поллютантом);

1 3 – умеренный коэффициент загрязнения;

3 6 – значительный коэффициент загрязнения;

 6 – высокий коэффициент загрязнения.

Затем степень загрязнения определяется как сумма всех коэффициентов загрязнения для данной пробы:

С_d=

Такой подход позволяет установить уровень общего загрязнения донных осадков. Используется следующая шкала с учетом количества проанализированных веществ (n):

С_d <n– низкая степень загрязнения;

nC_d< 2n– умеренная степень;

2nC_d< 4n– значительная степень;

C_d4n– высокая степень загрязнения.

При этом к обязательному условию относится идентичность сравниваемых осадков по гранулометрическому составу.

В Германии для оценки степени загрязнения донных отложений поль­зуют игео-классы или индексы геоаккумуляции (J_geo), разработанные более 30 лет назад Г. Мюллером (Muller, 1979) (табл. 30). Они рассчитываются по уравнению

J_geo = log₂(),

где С_i - измеренная концентрация i-элемента в донных отложениях (фракция < 0,020 мм);

В_i - фоновая концентрация i-элемента (табл.).

Таблица 30. Значения концентраций основных тяжелых металлов по игео-классам (по: Muller, 1979)

Эле­мент	Фон	Классы геоаккумуляции (Jgeo)
	элемента	0	1	2	3	4	5	6
Fe, %	4.72	7,08	14,16	28,32	56,64	>56,64	-	-
Μn, мг/кг	850,0	1275,0	2550,0	5100,0	10200,0	20400,0	40800,0	>40800
Cd, мг/кг	0,3	0,45	0,9	1,8	3,6	7,2	14,4	>14,4
Zn, мг/кг	95,0	142,5	285,0	570,0	1 140,0	2280,0	4560,0	>4560,0
Pb, мг/кг	20,0	30,0	60,0	120,0	240,0	480,0	960,0	>960,0
Сu. мг/кг	45,0	67,5	135,0	270,0	540,0	1080,0	2160,0	>2160,0
Ni, мг/кг	68,0	102,0	204,0	408,0	816,0	1632,0	3264,0	>3264,0
Со, мг/кг	19,0	28,5	57,0	114,0	228,0	456,0	912,0	>912,0
Сг, мг/кг	90,0	135,0	270,0	540,0	1080,0	2160,0	4320,0	>4320,0
As, мг/кг	13,0	19.5	39,0	78,0	156,0	312,0	624,0	>624,0
Hg, мг/кг	0,4	0.6	1,2	2,4	4,8	9,6	19.2	>19.2

Характеристика уровня загрязнения по игео-классам и техногенной нагрузки приводится в табл. 31. На основе данной классификации составляют карты загрязнения донных отложений по каждому тяжелому металлу. Серии таких карт позволяют адекватно оценить техногенную нагрузку на водный объект и определить состояние донных осадков.

Таблица 31. Характеристика уровня загрязнения донных отложений по игео-классам и техногенной нагрузке на водные экосистемы (цитируется по: Трофимов, Зилинг, 2002)

Игео-класс	Уровни загрязнения тяже-лыми металлами донных отложений (по Muller, 1979)	Техногенная нагрузка на водные экосистемы	Экологическая зона водных экосистем. Класс состояния донных осадков
0 1	Незагрязненные Незагрязненный до умеренно загрязненных	Слабая (малоопасная)	Зона нормы. Удовлетворительное (благоприятное) состояние
2 3	Умеренно загрязненные Средне загрязненные	Умеренная (умеренно опасная)	Зона риска. Неблагоприятное состояние
4 5	Сильно загрязненные Сильно загрязненные до чрезмерно загрязненных	Сильная (опасная)	Зона кризиса. Весьма неблагоприятное состояние
6	Чрезмерно загрязненные	Чрезмерная (чрезвычайно опасная)	Зона бедствия. Катастрофическое состояние

Использование нормативов ОДК или ПДК загрязняющих веществ в почвах применительно к донным отложениям в какой-то мере оправдано тем, что и те и другие представлены твердой фазой, имеют сходные условия формирования химического состава и близкую компонентную структуру. Однако, как было показано раньше (см. 2.2.4), пороговое количество загрязняющего вещества в почвах устанавливается по четырем лимитирующим признакам вредности: общесанитарному, водному миграционному, миграционному воздушному и транслокационному. В то же время для донных осадков условно можно выделить четыре основных ЛПВ, определяющих максимальное влияние загрязненных донных осадков на экосистемы и организмы:

1) токсикологическое воздействие на микробиологический комплекс осадков и бентос (токсикологический ЛПВ);

2) токсикологическое влияние на рыб-бентофагов (рыбохозяйственный ЛПВ);

3) токсикологическое воздействие на организмы, обитающие в толще воды, через процессы вторичного загрязнения в результате насыщения поровых вод и осадков подвижными химическими соединениями (водно-миграционный ЛПВ);

4) влияние на гидрохимический состав и санитарные показатели воды (санитарный ЛПВ).

В связи с этим использование норматива концентраций загрязняющих веществ в почвах применительно к донным осадкам при выполнении тех или иных экологических оценок должно быть обоснованным. По мнению Л.А. Лесникова (Методические указания, 1989) загрязнение донных осадков играет решающую роль в ухудшении качества воды и в снижении рыбопродуктивности водоемов. Этот вывод закономерен для составляющих основную часть уловов во внутренних водоемах России рыб-бентофагов, которые добывают пищу со дна. В связи с этим Л. А. Лесников предлагает в качестве ориентировочно допустимых концентраций загрязняющих веществ в донных осадках использовать ПДК загрязняющих веществ для воды рыбохозяйственного назначения, но в расчете на единицу массы грунта (мг/кг) с анализом твердой фракции и иловой воды как единого целого

В отсутствие нормативов содержание химических веществ часто сравнивают с кларком осадочных пород или с химическим составом глубоководных океанических осадков, выявляя тем самым превышения (или кларки концентраций) загрязняющих веществ в донных осадках. Но более корректно с нашей точки зрения сравнение с фоновыми показателями. Существуют два подхода к их установлению. Либо обосновывают региональный природный фон современных донных отложений, либо рассчитывают средние содержания химических элементов в подстилающих осадочных образованиях, как правило, позднеплейстоценовых и голоценовых, а также в современных, сформировавшихся в доиндустриальный период развития – 50–100 лет назад. В первом случае мы сталкиваемся с проблемой поиска незагрязненных акваторий при нарастающем антропогенном воздействии. Во втором возникает необходимость учета возможных фациально-генетических и вещественно-геологических различий в «древнем» и современном седиментогенезе.