Характеристика элементного состава воды р. Шаган

Введение . Река Шаган на территории Семипалатинского испытательного полигона (СИП) является левобережным притоком р. Иртыш, единственным крупным и самым протяженным поверхностным водотоком. В рамках эксперимента по созданию искусственного водохранилища, в результате первого советского промышленного термоядерного взрыва 1965 г., в русле р. Шаган образовался искусственный водоём озеро Атомное. Этот экскавационный взрыв привел к существенному радиоактивному загрязнению компонентов экосистемы р. Шаган. Радиоэкологические исследования выявили наличие в водах реки аномально высоких концентраций техногенного радионуклида трития [1].

В течение многих лет бывший СИП обращал на себя внимание только как источник радиационной опасности для местного населения. На данный момент в пойме р. Шаган ведется несанкционированная хозяйственная деятельность – выпас табунов овец и лошадей. В то же время необходимо учесть, что радиационный фактор является не единственным, влияющим на показатели здоровья населения. Зачастую немаловажное значение приобретает качество объектов окружающей среды (прежде всего питьевой воды), характеризующееся, в частности, такими показателями, как содержание хлоридов, сульфитов, общая минерализация, наличие токсичных элементов. Единичные работы

[2], проведенные ранее по изучению содержания микроэлементов в воде р. Шаган, выявили повышенные содержания ряда элементов.

Цель исследования . Оценка качества элементного состава воды вдоль всего русла реки Шаган.

Методы исследования. С целью оценки химического состава воды р. Шаган в 2014– 2015 гг. были отобраны пробы воды вдоль всего русла от озера Атомное до впадения в р. Иртыш с шагом пробоотбора 1 км. На участке с 15 по 49 км от озера Атомное отбор проб не производился из-за отсутствия воды.

Отбор и консервирование проб воды осуществлялось согласно ГОСТ Р 51592-2000 [3]. Отбор производился во второй половине июля, так как в этот период снижалось влияние талых и паводковых вод на концентрацию химических элементов (ХЭ). На месте отбора проб определялись кислотно-щелочные (рН) показатели и окислительно-восстановительный потенциал воды (Eh).

Определение содержания ХЭ проводилось методом масс-спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой (ИСП-МС) на квадрупольном масс-спектрометре Agilent 7700x фирмы «Agilent Technologies» и «Elan 9000» фирмы «Perkin Elmer SCIEX» [4].

Результаты исследования и их обсуждение. В таблице представлены вариационностатистические показатели содержания ХЭ в воде р. Шаган. В качестве сравнения даны значения предельно допустимых концентраций (ПДК) и средние значения для речных вод.

Вариационно-статистические показатели содержания химических элементов в воде р. Шаган (n=71), мкг/л

Элемент	Х	Lim (min-max)	Ср. сод. в р. в. м.	ПДК для воды [6] (класс токсичности)
Li	150±6	5,0-340	1,84	30 (2)
Be	0,05±0,006	0,006-0,2	0,0089	0,2 (1)
V	22±1	2,0-40	0,71	100 (2)
Mn	260±50	4,0-2200	34	500 (3)
Fe	1100±100	90-8100	66	1000 (3)
Co	1,0±0,1	0,2-4,0	0,148	100 (2)
Ni	16±1	3,0-70	0,8	100 (3)
Cu	24±1	3,0-50	1,48	1000 (3)
Zn	40±8	3,0-500	0,60	5000 (3)
As	14±1	2,0-25	0,62	50 (2)
Sr	8800±360	470-16700	60	7000 (2)
Mo	9,0±1	1,0-25	0,42	250(2)
Cd	0,1±0,01	0,01-0,6	0,08	1 (2)
Pb	2,0±0,1	0,1-27	0,079	30 (2)
U	21±1	1,0-50	0,372	15*
pH	8,0±0,02	7,0-9,0	-	6-9
Eh	-56,1±0,02	-(25,5-122,3)	-	-

Примечание: ^Х – среднее арифметическое и его ошибка; Lim (min-max) – предел колебания;

ср. сод. в р.в.м. – среднее содержание в речных водах мира [5]; * – норматив ВОЗ для питьевой воды [7].

Максимальные превышения ПДК отмечены для лития (5 ПДК), железа, стронция и урана (1 ПДК). Убывающий ряд относительно средних значений для речных вод выглядит следующим образом: Sr 147 > Li 81 > Zn 66 >U 56 > V 31 > Pb 28 >

Mo 21 > Ni 20 > Fe 17 > Cu 16 > Mn 8 >Co 7 > Be 6 > As 2 >Cd 1,2 . Концентрации изученных элементов превышают средние значения для речных вод, в том числе содержание стронция в сотни раз, а остальные ХЭ – в десятки раз.

Вода р. Шаган по значению рН является слабощелочной. На некоторых участках р. Шаган (51, 58, 65, 83, 106 км от озера Атомное) выявлены щелочные воды (рН=8,5–9). Значения Еh в р. Шаган меньше нуля, т.е. среда восстановительная, в которой весьма высока миграционная подвижность ХЭ, так как большинство из них находится в виде свободных (незакомплексованных) ионов.

На рисунке представлено пространственное распределение в воде элементов с постоянной валентностью (Li, Sr), а также элементов с переменной валентностью вдоль русла р. Шаган. Для наглядности содержание элементов приведено в виде условной единицы, нормированной на среднее значение.

■оLi -Ж- Sr

1   2   3   4   5   6   7   8   9  10  11  12  13  14

Расстояние от "Атомного" озера, км

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11  12  13  14

Расстояние от "Атомного" озера, км

-О- U -Ж- Mo

Пространственное распределение ХЭ в воде вдоль русла р. Шаган

Содержание лития до 14 км от озера Атомное было ниже зафиксированных средних значений данного элемента по руслу. Однако в интервале с 71 по 95 км содержание лития увеличивалось в среднем в 1,5 раза. Максимальные повышения концентраций Li и Sr в воде были выявлены на 51, 64 и 66 км.

Выявлена общая тенденция распределения вдоль по руслу катионогенных элементов с переменной валентностью, таких как никель, ко- бальт и железо. Всплески концентраций относительно средних содержаний по руслу для данных элементов наблюдались на 64, 77 и 84 км.

Схожее пространственное распределение было выявлено также для группы анионогенных элементов: урана и молибдена. Так, с 3 по 14 км от озера Атомное в среднем по руслу наблюдалось повышенное содержание данных элементов. Напротив, на участках 64 и 84 км уста- новлено падение концентраций U и Mo относительно среднего содержания по руслу.

Установлены на всем протяжении русла резкие всплески и падения концентраций марганца в воде. Значительные повышения концентраций марганца (до 10 раз) над уровнем его средних значений по руслу были выявлены на участках 6 км, 14, 59, 73, 75, 77–79, 84, 91–92, 98, 103 км от озера Атомное.

Полагаем, что 10-кратное превышение в воде средних значений по марганцу носит природный характер. Растворимость соединений Mn в воде зависит от их степени окисления. Геохимию марганца в поверхностных водах определяют процессы образования труднорастворимых гидроксидных и оксидных соединений вследствие окисления ионов (Мn2+), сопровождаемого образованием взвешенных форм с постепенным осаждением (Мn4+) и, следовательно, уменьшением их концентрации в воде. По данным [8], указывается, что окисление марганца облегчается резким уменьшением электродного потенциала реакции при увеличении рН среды. При рН <8 даже в случае высоких концентраций Mn его осаждение из раствора происходит крайне медленно и только при участии Мn-окисляющих микроорганизмов. Это подтвердилось в ходе проведения наших исследований по р. Шаган, где в минимальных точках содержания марганца в воде были зафиксированы значения pH от 8 до 9 и минимальные значения Eh от -70 до -122.

Воды р. Шаган имеют очень высокое солесо-держание, по катионно-анионному составу воды они хлоридно-сульфатные, натриево-магниевые [2]. Диапазон значений общей минерализации составляет от 10 до 30 г/л, что относит их к типу соленых (10–50 г/л). Известно, что в условиях аридного климата соленость вод обусловлена процессами испарения концентрации солей. С одной стороны, в аридных областях высокие температуры способствуют увеличению испарения, следовательно, капиллярному поднятию к поверхности более минерализованных почвенных и грунтовых вод; с другой – концентрированию солей в речной воде. Такие подвижные элементы, как бром, бор, йод, сера, молибден, литий, стронций и другие, наряду с натрием и хлором способны к значительной концентрации в соленых водах. Следовательно, выявленные в данной работе высокие концентрации лития и стронция в воде можно объяснить высокой минерализацией вод р. Шаган.

Таким образом, по точкам отбора в целом повышенные концентрации ХЭ приурочены к участкам 4–6; 8–11; 50–54; 63–66; 73–79; 84 км от озера Атомное. Отмечается в среднем снижение изученных элементов на участке впадения р. Шаган в р. Иртыш (106 км).

Выводы. Из полученных данных следует, что в воде р. Шаган имеются зоны со значительным превышением средних содержаний в сравнении с природными водами и нормативными показателями по таким элементам, как стронций, литий, железо и уран, а в целом вода вдоль всего русла не загрязнена тяжелыми и токсичными элементами. Одна из причин высокой концентрации данных элементов связана с тем, что реки аридного климата характеризуются повышенной соленостью воды и такие элементы, как литий и стронций, способны к значительному концентрированию. Также выявлены участки (в начале русла от озера Атомное в точках 4–6; 8–11 км) с повышенным содержанием ХЭ, что, по данным предыдущих исследований [2, 9, 10], свидетельствует о поступлении элементов с грунтовыми водами по тектоническим разломам.

Таким образом, химический состав воды р. Шаган объясняется локально гидрогеохимиче-скими факторами и климатическими условиями.