ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2008, том 35, № 6, с. 730-736
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 550.46+556.314
О ПРИЧИНАХ ВЫСОКОГО СОДЕРЖАНИЯ МЕДИ И ЦИНКА В ВОДАХ НЕКОТОРЫХ ОЗЕР ЮЖНОГО УРАЛА1
© 2008 г. А. Г. Рогозин, С. В. Гаврилкина
Ильменский государственный заповедник Уральского отделения Российской академии наук
456317 Миасс, ул. Ильменский заповедник, 1 Поступила в редакцию 17.09.2007 г.
Исследовано содержание Cu и Zn в приповерхностном слое воды 7 южноуральских озер (восточно-предгорный лимнологический район). Озера расположены меридионально на разных расстояниях от Кара-башского медеплавильного комбината - зоны экологического бедствия, загрязняющего атмосферу выбросами токсических веществ. Методами математической статистики оценен вклад атмосферной эмиссии тяжелых металлов (на примере Cu и Zn) в их содержание в озерных водах. Исследования показали, что расстояние до источника эмиссии является определяющим в наблюдаемом содержании Cu в водоемах по крайней мере на расстоянии 50 км от комбината.
Повышенное содержание соединений тяжелых металлов в водах озер восточно-предгорного лимнологического района Южного Урала (классификация М.А. Андреевой [1]) является обычным явлением. Согласно распространенному мнению, это во многом связано с особенностями геологического строения региона. Значительное содержание халь-кофильных элементов (отличаются высоким сродством к сере, преимущественно Си и 2и) обычно рассматривается как природно-фоновое. Особенно это касается Си, внушительная концентрация которой в породах "медного пояса Урала" как бы подразумевает ее обнаружение в поверхностных водах в больших количествах.
В то же время, фактору токсификации озерных вод атмосферными выбросами промышленных предприятий индустриального региона до настоящего времени уделялось мало внимания. В качестве загрязнителей водоемов обычно рассматриваются сточные воды, т.е. изучается влияние на экосистему вредных веществ, непосредственно поступающих в нее с водотоком. Несомненно, техногенные соединения тяжелых металлов, выпадающие с минеральной пылью или с осадками на зеркала и водосборные площади озер, также активно участвуют в формировании химического состава поверхностных вод, тем более, что большинство озер восточно-предгорного лимнологического района имеет атмосферное питание [2, 3].
Восточно-предгорный лимнологический район представляет собой исключительно удобный полигон для изучения влияния техногенных выбросов и аэрального переноса на формирование химического состава поверхностных вод. Здесь распо-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства по радиационной и экологической безопасности Челябинской обл.
ложены мощные источники токсификации -многочисленные металлургические заводы, в частности, Карабашский медеплавильный комбинат (ЗАО Карабашмедь), уже много десятилетий назад превративший г. Карабаш и его окрестности в зону экологического бедствия, а результаты его деятельности официально признаны техногенной катастрофой. Предприятие выбрасывает в атмосферу ежегодно в виде оксидов 140-150 т Си и 1 тыс. т 2и. Меридионально на различных расстояниях от Карабаша расположены многочисленные озера.
Для выявления роли аэрального переноса в формировании химического состава озерных вод, а именно - в содержании тяжелых металлов (на примере Си и 2и), предполагалось: исследовать содержание Си и в приповерхностных слоях озер, расположенных на разных расстояниях от источника эмиссии - Карабашского комбината, выявить долю техногенной составляющей в наблюдаемых концентрациях Си и и, следовательно, оценить влияние аэрального переноса на формирование химического состава озерных вод. Техногенная составляющая может быть выявлена статистическими методами путем определения зависимости концентраций Си и
от параметров, характеризующих антропогенное влияние на состав озерных вод. В качестве таких параметров рассматриваются расстояние от водоема до источника эмиссии (косвенно отражает интенсивность аэральных выпадений), площадь водосбора и площадь водного зеркала (характеризуют размеры "мишени", принимающей выпадения минеральной пыли и осадков, содержащих тяжелые металлы).
Рис. 1. Карта-схема района исследований (восточные предгорья Южного Урала). ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ том 35 № 6 2008
Таблица 1. Содержание Си и в воде озер в 2005 г., мкг/дм3, и некоторые параметры исследования (Ы - число наблюдений, Ме - медиана, 25 и 75% - нижний и верхний квартили соответственно, й - межквартильный размах, й - расстояние до источника эмиссии, 5 - площадь водного зеркала, Р - площадь водосбора)
Водоем N Си 7п й, км 5 Р
Ме 25% 75% й Ме 25% 75% й км
Увильды 61 12.4 11.4 14.0 2.6 12.0 9.0 20.0 11.0 19.0 68.10 196.0
Большой Ишкуль 10 3.8 3.3 4.0 0.7 8.0 5.0 10.8 5.8 21.0 2.56 42.0
Тургояк 29 2.2 2.0 2.4 0.4 5.0 4.2 8.0 3.8 35.0 26.40 76.0
Большой Кисегач 28 1.8 0.5 2.0 1.5 5.0 3.0 9.0 6.0 48.0 15.40 114.0
Малый Теренкуль 12 1.0 0.4 1.1 0.7 8.0 5.8 13.3 7.5 51.4 0.98 21.0
Табанкуль 13 1.0 0.0 2.0 2.0 9.0 7.0 10.0 3.0 52.0 0.43 8.0
Еловое 13 1.0 1.0 1.5 0.5 6.0 3.0 7.8 4.8 53.4 3.12 14.5
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ РАБОТ
Объектами изучения были озера Большой Иш-куль, Большой Кисегач, Еловое, Малый Терен-куль, Табанкуль, Тургояк, Увильды (рис. 1). Приво-
Си, мг/дм3 0.020 г
0.016
0.012
0.008
0.004
мг/дм3 0.020
0.016
0.012
0.008
0.004
0
(а)
4=
_I Г~0~1
(б)
Т
Ш
т
Большой Большой Еловое Тургояк Кисегач Ишкуль
Малый
Табанкуль Увильды Теренкуль
Рис. 2. Результаты сравнения озер по содержанию Си (а) и 7п (б) в поверхностном слое воды. 1 - медиана; 2 - квартальный размах; 3 - размах минимум-максимум.
□ 1 Ф 2 1 3
дятся только те параметры озер, которые имеют значение в контексте исследования (табл. 1). Подробнее водоемы охарактеризованы в работе М.А. Андреевой [1].
Отбор проб проводился в 0.5 м от поверхности воды ежемесячно с мая по ноябрь 2005 г. в емкости объемом 1.5 дм3, изготовленные из полимерных материалов. Число точек отбора на каждом из озер было пропорционально площади акватории и колебалось от 1 (Табанкуль) до 8 (Увильды). Определение Си и 2п выполнено методом атомно-абсорбци-онной спектрометрии (Регк1п-Б1шег-3110) после стандартной пробоподготовки. Объем отработанного материала приведен в табл. 1. Расстояние до источника эмиссии (Карабашский комбинат) определялось от геометрического центра каждого озера по карте 1 : 100000. Статистическая обработка проведена с помощью пакета прикладных программ 8Ш1!ЗЙса 6.0.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные выборки концентраций Си и 2п были предварительно проверены на тип распределения с помощью теста Шапиро-Уилка. Во всех случаях оно оказалось значительно отличающимся от нормального. Ввиду этого обстоятельства, а также из-за небольшого объема выборок по некоторым озерам для характеристики центральных тенденций использовались медианы и межквартильные расстояния, а для дальнейшей статистической обработки применялись непараметрические методы.
Для достижения цели исследования обработка материала выполнялась в несколько этапов. Вначале предстояло выяснить, отличаются ли изучаемые озера по концентрации металлов в воде. Поскольку сравниваемые выборки по озерам являлись независимыми, был использован метод рангового анализа вариаций (АКОУА) Краскелла-Уоллеса. Графический результат анализа по Си представлен на
Таблица 2. Матрица статистической значимости различий озер по концентрации Си в поверхностном слое воды (здесь и в табл. 3 значения р, свидетельствующие о статистически значимых различиях, выделены жирным шрифтом; прочерк - диагональ матрицы)
Водоем Увильды Большой Ишкуль Тургояк Большой Кисегач Малый Теренкуль Табанкуль Еловое
Увильды - 0.0001 <0.0000 <0.0000 <0.0000 <0.0000 <0.0000
Большой Ишкуль 0.0001 - <0.0000 <0.0000 <0.0000 <0.0000 0.0001
Тургояк <0.0000 <0.0000 - 0.0007 0.0005 0.0017 0.0008
Большой Кисегач <0.0000 <0.0000 0.0007 - 0.2684 0.4664 0.4578
Малый Теренкуль <0.0000 <0.0000 0.0005 0.2684 - 0.8490 0.5496
Табанкуль <0.0000 <0.0000 0.0017 0.4664 0.8490 - 0.7976
Еловое <0.0000 0.0001 0.0008 0.4578 0.5496 0.7976 -
рис. 2а. Полученное значение теста (вероятность справедливости нулевой гипотезы р = 0.000) показывает, что сравниваемые озера в высшей степени значимо различаются по содержанию Си.
Следующим этапом стало попарное сравнение выборок по всем озерам методом Мэнна-Уитни. Ввиду большого числа пар для преодоления проблемы множественности сравнений уровень статистической значимости был увеличен до 0.01. Полученная матрица по Си приведена в табл. 2.
Анализ табл. 1, 2 показывает, что существует группа близлежащих озер (Большой Кисегач, Еловое, Малый Теренкуль, Табанкуль), концентрации Си в которых не отличаются на статистически значимом уровне. Остальные водоемы имеют существенные различия как между собой, так и с названной группой. Медианы концентрации Си убывают при увеличении расстояния до источника эмиссии (табл. 1). Возникает предположение о зависимости содержания Си от данного показателя.
На третьем этапе обработки материала была оценена сила статистической зависимости между концентрацией Си и расстоянием до источника с помощью коэффициента ранговой корреляции Спирмена. Его значение оказалось очень высоким (г = -0.96) и статистически высоко значимым (р = = 0.0005). Расстояние от водоема до источника загрязнения является косвенным показателем вклада аэрального переноса Си в ее содержание в водах озер и согласно полученному результату этот вклад существенен. Поскольку в данном случае трудно предположить опосредованное влияние третьих факторов, статистическую зависимость правомерно интерпретировать и как причинно-следственную.
Следующий этап обработки данных заключался в установлении вида зависимости между концентрацией Си и удалением озер от источника эмиссии. Для применимости линейного регрессионного анализа было необходимо привести выборку по концентрации Си к нормальному распределению, для чего она была прологарифмирована. Анализ обра-
ботанной таким образом выборки тестом Шапиро-Уилка показал, что она имеет приближенно нормальное ра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.