Формирование химического состава озерных вод особо охраняемых территорий горного Алтая на примере бассейна р. Мульты

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Природа Горного Алтая, благодаря незначительной заселенности территории и отсутствию крупных промышленных объектов, слабо нарушена деятельностью человека, поэтому большей частью сохранила первозданный облик экосистем и чистоту природных вод. Исследование гидролого-гидрохимических характеристик малоизученных водных объектов высокогорных территорий Алтая, не подверженных антропогенному воздействию, дает возможность получить представление о фоновых характеристиках химического состава природных вод [33, 39]. Фоновое содержание загрязняющих веществ (ЗВ), особенно тяжелых металлов (ТМ), может быть экологическим эталоном при оценке состояния водных ресурсов.

Долина р. Мульты и каскад расположенных на ней и ее притоках ледниковых озер — одни из уникальных мест Горного Алтая, где обитают многие виды редких растений и животных. Мультинские озера — единственный в мире ареал горькушки Ревякиной [20]. В Усть-Коксинском районе произрастает более 30 растений-эндемиков, ареал которых ограничен горами на юге Сибири [1, 22, 23]. Необходимость сохранения экологического равновесия и природного потенциала Горного Алтая потребовала создания особо охраняемых природных территорий (рис. 1).

Высокогорья Горного Алтая традиционно являются центром активного туризма, и поэтому, несмотря на труднодоступность района, отсутствие дорог и жилых поселений, антропогенное воздействие на экосистемы с каждым годом возрастает. Развитие туризма на особо охраняемых территориях в пределах заповедников и природных парков, массовое посещение памятников природы Горно-Алтайской автономной области — водных объектов республиканского значения, к которым относятся в том числе и Мультинские озера, требуют пристального внимания к состоянию водных экосистем. Это особенно важно в связи с высокой чувствительностью горных озер к загрязнению, в результате которого происходит резкое изменение геохимических свойств водных объектов [7].

Основные причины высокой уязвимости экосистем горных озер — низкая минерализация воды (отсутствие потенциальных комплексообразователей для токсичных веществ) и их ультраолиготрофность, которая определяет низкий уровень биотрансформации ЗВ. Для озер высокогорной зоны характерно низкое видовое разнообразие сообществ гидробионтов, незначительное содержание биогенных веществ, а значит, большая чувствительность к эвтрофированию, низкая способность к нейтрализации кислотных осадков [5, 41].

 

Рис. 1. Картосхема особо охраняемых природных территорий в верховьях р. Катуни. Район исследования обозначен стрелкой, использованы данные [24].

 

ЗВ в виде аэрозолей могут длительное время находиться в атмосфере, что позволяет им перемещаться в удаленные высокогорные районы и накапливаться в снежниках и ледниках [5, 7]. Усиленное таяние ледников в горах и выветривание горных склонов приводит к высвобождению ЗВ и их поступлению в водоемы [5]. Источники ЗВ антропогенного происхождения, в основном токсичных металлов, попадающих в экосистемы Горного Алтая в результате трансграничного переноса, — Калгутинское и Холзунское горнодобывающие предприятия, Акташский горно-металлургический комбинат, а также предприятия Восточного Казахстана.

Нарушение экологического равновесия в регионе может иметь серьезные последствия, поскольку горные экосистемы восстанавливаются чрезвычайно медленно. Экологический мониторинг особо охраняемых природных объектов — необходимое условие их сохранения. Однако из-за труднодоступности объектов химический состав воды большинства озер высокогорья, в том числе особо охраняемых памятников природы, практически не изучен. Исследование группы Мультинских озер проведено для оценки изменения качества их воды и экологического состояния под влиянием антропогенных факторов. Особое внимание уделено оценке загрязнения озер ТМ и соответствия их содержания установленным нормативам. Перспективен в подобных исследованиях экологический мониторинг с использованием современных инструментальных методов, в том числе масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС, ICP-MS). Преимущества метода ICP-MS обеспечивают наилучшие результаты исследований химического состава ультрапресных водных объектов с экстремально низким содержанием микроэлементов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе представлены результаты по количественному определению 26 элементов в воде озер Мультинского бассейна. Концентрации растворенных форм металлов определены методом ICP-MS на масс-спектрометре высокого разрешения ELEMENT производства фирмы “Finnigan MAT” (Германия). Относительная погрешность анализов не превышала 10%. Анализы выполнены в Центре коллективного пользования Многоэлементных и изотопных исследований СО PAН в г. Новосибирске (аналитик И.В. Николаева). Отбор проб воды проводился в период с 4 по 8 августа 2012 г. и с 5 по 10 августа 2014 г. Пробы отбирались в местах максимального водообмена ― в зоне прибоя или течения, на открытой воде, вдали от застойных прибрежных зон, на расстоянии 1–3 м от берега, с глубины 0.5 м, чтобы уменьшить влияние неоднородности концентраций микроэлементов по площади поверхности и глубине озера в соответствии с требованиями [4, 26, 33]. Не допускалось взмучивание донных отложений. Пробы отбирали в чистую одноразовую полиэтиленовую посуду [12, 13, 18, 33]. Бутыли и крышки предварительно ополаскивали не менее трех раз отбираемой для анализа водой [4, 27]. На месте отбора пробы фильтровали через мембранные фильтры и консервировали очищенной азотной кислотой, которая использовалась в дальнейшем при выполнении масс-спектрального анализа этих образцов. Для фильтрации применялись одноразовые шприцевые фильтрующие насадки Minisart NML производства фирмы “Sartorius” (Германия) с размером пор 0.45 мкм. Фильтрат подкислялся до pH < 2 из расчета 3–5 мл концентрированной азотной кислоты на 1 л пробы [12, 13, 26]. Пробы транспортировали в темных контейнерах, хранили в прохладном месте, анализировали менее чем через 1 мес. с момента отбора [12, 13, 33].

ПРИРОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МУЛЬТИНСКИХ ОЗЕР

Мультинские озера (рис. 2) находятся в южной части Центрально-Алтайской физико-географической провинции и административно относятся к Усть-Коксинскому району Республики Алтай [23]. В геолого-структурном отношении эта территория расположена в западной части Холзунско-Чуйской структурно-формационной зоны, в пределах Холзунского антиклинория, сложенного метаморфизованными песчано-сланцевыми породами палеозоя [30]. Коренные горные породы, слагающие водосбор в верховьях р. Мульты, представлены в основном кристаллическими сланцами и гнейсами [25, 30]. Долина р. Мульты почти меридионального направления, заложена, возможно, по локальному тектоническому разлому, склоны преимущественно крутые, >20°. Площадь бассейна составляет ~450 км². В районе преобладают узкие гребневидные водоразделы с фрагментами древних пенепленов с закурумленными участками. В верхней и средней частях речной долины сохранились следы древних оледенений в форме трогов с мощными валами и грудами валунов ледникового происхождения [20].

 

Рис. 2. Картосхема верховьев р. Мульты с притоками. Озера и водопады: 1 — оз. Проездное, 2 — оз. Крепкое, 3 — оз. Верхнее Крепкое, 4 — оз. Славных девчат, 5 — оз. Тихое, 6 — оз. Нижнее Мультинское, 7 — водопад Шумы, 8 — оз. Среднее Мультинское, 9 — оз. Верхнее Мультинское, 10 — водопад Верхнемультинский, 11 — оз. Малое Сурочье, 12 — оз. Большое Сурочье, 13 — оз. Чаша братьев, 14 — оз. Паука, 15 — оз. Поперечное, 16 — оз. Верхнее Поперечное, 17 — оз. Куйгук, 18 — водопад Куйгук, 19 — оз. Высокогорное (2230); перевалы: 1 — Перевальный, 2 — Крепкий, 3 — Детский, 4 — Шершавый, 5 — Абитуриент(ов), 6 — Норильчан, 7 — Раздельный, 8 — Крутой, 9 — Таймений, 10 — Акчан Западный, 11 — Куйгук, 12 — ГАГПИ, 13 — Кураганный, 14 — ПГПИ. Использованы данные [24]. Точками отмечены места отбора образцов.

 

В бассейне р. Мульты насчитывается 42 озера. Среди них выделяется цепочка небольших озер карового и моренно-подпрудного генезиса, приуроченных к высотным ступеням троговой долины [19, 23]. Мульта соединяет систему трех наиболее крупных озер: она вытекает из Верхнего Мультинского озера и связывает Среднее и Нижнее Мультинские озера. Мульта — правый приток Катуни, общая ее длина — 39 км, берет начало на высоте 1798 м и впадает в Катунь на высоте 907 м вблизи деревень Замульты и Мульты [24]. Истоки ручьев, питающих Верхнее Мультинское озеро, — на высоте 2300–2500 м. К системе Мультинских озер также относятся озера Крепкое, Куйгук, Поперечное, Верхнее Поперечное. Нижнее и Среднее Мультинские озера имеют статус памятников природы гидролого-геоморфологического типа регионального значения. Озера Верхнее Мультинское и Поперечное входят в состав Катунского биосферного заповедника [23].

Нижнее Мультинское озеро (рис. 2) ― самое большое из системы Мультинских озер. Его длина 2700 м, ширина 800 м [24], максимальная глубина 20.2 м [39]. Берега представляют собой склоны гор с углами наклона до 30° (10–15° вблизи озера) и абсолютными высотами 2000–2500 м. Летом вода на поверхности озера может прогреваться до +15.5°C. На берегах произрастает смешанный лес с преобладанием хвойных пород [23]. Нижнее и Среднее Мультинские озера возникли в результате формирования моренной подпруды.

Перешеек между Нижним и Средним Мультинскими озерами шириной 250 м и высотой 30 м представляет собой моренный вал, сформированный во время максимума I мегастадиала и начала голоценовой деградации ледников [28]. Морена состоит из обломков различной величины (до 20 м в поперечнике) и является мощным моренным комплексом трех слившихся ледников, спускавшихся по рекам Мульта, Проездная Мульта и Крепкая. В тыловой части морены прослеживаются следы более высокого стояния вод Среднего Мультинского озера, превышающего современный уровень на 2 м. Здесь видна озерная терраса, сложенная сверху мелкой окатанной галькой, а ниже ― озерными песками и суглинками [19, 28].

Длина Среднего Мультинского озера 1770 м, ширина 660 м [24], максимальная глубина 16.8 м [39] (рис. 2). Борта долины в районе озера представляют собой крутые (20–30°) склоны гор с абсолютными высотами 2100–2800 м, поросшие хвойным лесом из лиственницы, кедра, пихты. Берега озера представлены задернованными каменными осыпями, местами заболочены. Среднее Мультинское озеро прогревается до +13.5°C у поверхности и +7.5°C на глубине 10 м [16]. Водные растения в Нижнем и Среднем Мультинских озерах развиты незначительно, из рыб присутствует хариус [23].

Верхнее Мультинское озеро (рис. 2) находится в ~7 км к югу от Среднего Мультинского. Его длина 1425 м, ширина 415 м, максимальная глубина 47.7 м [20]. Озеро расположено в цирке одного из главных отрогов Катунского хребта с абсолютными высотами до 2500–2800 м. Берега представляют собой крутые склоны до 25–30° в северной и 35–40° в южной частях, с каменными осыпями, местами задернованными. Для озерной котловины характерно значительное углубление в южной части, куда врезался спустившийся древний ледник и где достигается наибольшая глубина. Южный берег представляет собой крутой скальный склон с осыпью. С севера озеро подпружено моренным валом; в северной части у истока Мульты глубина озера ~10 м, а берега пологие [19, 23]. Колебания уровня воды в озере в течение года составляют ~1 м. Зимой озеро замерзает, на поверхности льда в северо-восточной части образуются надувы снега высотой до 70–100 см. Толщина льда к началу весны обычно достигает 1 м. На лед озера часто сходят лавины, в результате чего в его северной части формируется запруда из снесенного лавинами со склонов материала ― деревьев, веток, и она заболочена [20]. В летнее время вода в озере прогревается только в самых верхних слоях и не более чем до +10°C [16]. В августе 2014 г. в Верхнем Мультинском озере было отмечено присутствие рыбы.

Для поверхностных вод бассейна р. Мульты характерна низкая минерализация и малая концентрация микроэлементов, что обусловлено природно-климатическими особенностями данной территории, такими как распространение многолетней мерзлоты, снежно-ледниковое питание водных объектов и интенсивный водообмен в бассейне. Сильная расчлененность рельефа и большое количество осадков определяют повышенное значение модуля поверхностного и подземного стока и незначительное время контакта вод с породами [39].

В долине р. Мульты преобладают маломощные низкотравные горно-луговые почвы, сменяющиеся с набором высоты горно-тундровыми перегнойными почвами [23]. Малая мощность почв, их обедненность органическими остатками, широкое развитие мерзлотных почв вблизи ледников, а также недостаточное время контакта вод с породами не способствуют активному выщелачиванию горных пород и компонентов почвенного покрова и накоплению микроэлементов в почвенных растворах.

Мульта имеет преимущественно ледниковое и снеговое питание. В верховьях бассейна реки насчитывается 26 ледников общей площадью 14.3 км² [9, 34]. Площадь ледникового покрова за последнее столетие неуклонно сокращается. За период 1978–2000 гг. площадь карового ледника Томич, расположенного на высоте 2200–2800 м, сократилась на 8.3% (с 1.59 до 1.46 км²) [9, 31]. Аккумулируя пресную воду, ледники регулируют сток и водный режим горных рек, а также оказывают влияние на их питание [17]. За счет ускоренного таяния ледников увеличивается доля талых снеговых и ледниковых вод, что вызывает изменения не только гидрологического режима высокогорных рек, но и химического состава воды.

ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА В БАССЕЙНЕ Р. МУЛЬТЫ

Один из первых исследователей Мультинских озер — О.А. Алекин – в 1932/1933 г. провел частичный химический анализ воды и образцов ила [3]. Описание горно-ледникового пояса бассейна р. Мульты представлено в работах [29, 34]. Дальнейшие исследования водных объектов были продолжены лишь после создания Катунского биосферного заповедника (1991 г.) [6−8].

Согласно классификации О.А. Алекина [2], вода озер Мультинского каскада относилась к ультрапресным гидрокарбонатным кальциевым водам I типа. Реакция воды Мультинских озер, а также некоторых других озер Катунского хребта (Тайменьего, Аккемских, Кучерлинских, Прозрачных) была нейтральной (рН 6.8–7.3) [3, 16].

По результатам работ, проведенных химико-экологической лабораторией ГАГУ (г. Горно-Алтайск) в 1997 г., жесткость воды Нижнего Мультинского озера составляла 0.68–0.97 мг- экв/л, Среднего Мультинского озера — 0.71–0.92 мг- экв/л. Значения БПК₅ изменялись в пределах 0.5–1.17 мг О₂/л для Нижнего Мультинского, 0.39–0.93 мг О₂/л для Среднего Мультинского озер [17, 23], что значительно ниже предельно допустимой величины для водных объектов рекреационного использования (4 мг О₂/л) [37]. Вода семи озер бассейна р. Мульты слабокислая (рН 5.3–6.2) [8, 16]. Жесткость озерных вод варьирует от 0.4 до 1.47 мг-экв/л, и, согласно классификации [2, 38], ее можно отнести к очень мягкой (табл. 1).

 

Таблица 1. Химический состав водных объектов верховий бассейна р. Мульты, мг/л (1–9 — данные из [8]: 1 — оз. Нижнее Мультинское, северо-восточный берег; 2 — оз. Среднее Мультинское, юго-восточный берег; 3 — оз. Верхнее Мультинское, северо-восточный берег; 4 — оз. Поперечное, западный берег; 5 — оз. Поперечное, северо-восточный берег; 6 — оз. Паука, северо-восточный берег; 7 — оз. Чаша братьев, северо-восточный берег; 8 — оз. Большое Сурочье, северо-западный берег; 9 — оз. Большое Сурочье, восточный берег; 10–12 — данные из [34]: 10 — ледник Томич, снег; 11 — ледник Томич, фирн; 12 — ледник Томич, лед; высота — данные из [24]; Мин. — общая минерализация (сухой остаток), мг/л; ПО — перманганатная окисляемость, мг О₂/л; Ж — жесткость общая, мг-экв/л

Компонент	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Высота, м	1628	1650	1798	1887	1887	2253	2133	2259	2259
Ca	7.0	7.0	7.0	5.6	5.7	5.8	5.0	5.0	12.8
Mg	2.4	3.1	2.3	1.4	1.2	2.4	1.5	1.3	2.9
Na+K	4.6	6.2	3.0	3.8	4.6	9.0	11.6	2.9	7.6
HCO3	22.0	22.0	15.9	13.4	13.4	21.4	22.0	12.2	42.7
SO4	11.5	15.4	10.9	9.6	9.6	15.4	14.4	5.8	14.4
Cl-	4.6	6.1	6.1	4.6	5.3	6.1	6.4	5.3	6.1
NH4	-	0.02	-	0.37	-	0.07	-	-	-
NO2	-	-	-	0.008	0.004	0.008	-	-	0.004
NO3	0.33	0.99	-	0.33	-	9.24	0.33	-	-
PO4	0.07	0.04	0.05	0.04	-	0.04	0.19	0.05	0.05
Мин., мг/л	52.0	59.7	44.7	38.4	39.9	60.0	60.9	32.5	86.5
ПО, мгО2/л	0.31	0.40	6.09	0.33	0.24	0.36	0.22	5.33	6.09
Ж, мг-экв/л	0.55	0.61	0.54	0.40	0.39	0.49	0.37	0.36	1.47
pH	6.1	6.1	6.2	5.3	5.8	6.0	6.0	6.1	6.2
Компонент	10	11	12
Высота, м	2500	2500	2500
Mg	-	0.2	0.2
Na+K	2.9	3.4	3.7
HCO3	6.1	6.1	6.1
Cl-	1.1	2.5	2.8
Мин., мг/л	10.1	12.2	12.8

 

В июле 2008 г. в ходе экспедиции МГУ получены следующие результаты исследования водных объектов: величина рН менялась в диапазоне 5.9–7.2, минерализация воды не превышала 50 мг/л, содержание растворенного кислорода в Мультинских озерах изменялось от 10.2 мг/л в поверхностном слое до 5.1 мг/л у дна. Свежевыпавший снег и дождевая вода были слабокислыми (рН 5.3), их минерализация <2 мг/л [39] (табл. 2). Гораздо более высокая минерализация снега ледника Томич (10.1 мг/л) [34], возможно, объясняется тем, что для анализа был взят не свежевыпавший снег, а фирновый. Об этом свидетельствуют малые различия измеренной минерализации снега (10.1) и фирна (12.2 мг/л) (табл. 1). Преобразование химического состава свежевыпавшего снега происходит следующим образом: “Первоначальный химический состав льда и снега на леднике трансформируется под влиянием процессов испарения и конденсации на его поверхности, а также таяния и повторного замерзания воды в теплое время года. Фирн, отобранный на одном из ледников в верховьях бассейна р. Мульты, был значительно загрязнен минеральными частицами: его минерализация превосходила минерализацию снега почти в 7 раз. Подобное различие обусловлено более высоким содержанием гидрокарбонатных ионов и ионов кальция в пробе фирна” [39].

В табл. 2 приведены результаты определения содержания растворенных форм элементов в водных объектах бассейна р. Мульты. Общее содержание растворенных форм элементов в озерах Мультинского каскада мало и не превышает 6 мг/л. Более высоким содержанием отличается р. Поперечная ― 8.1 мг/л. По соотношению катионов озерная вода относится к кальциевой группе. Ca составляет в среднем половину (38–59%) общего количества катионов. Во всех объектах, кроме р. Поперечной, содержания Na (4–10), K (4–10) и Mg (6–11%) примерно равны и значительно меньше содержания Ca. В отличие от озер Мультинского каскада, в р. Поперечной содержание Na и K вместе (37%) соизмеримо с содержанием Ca (39%), при этом содержание K (22%) больше содержания Na (15%). Содержание Mg в р. Поперечной (3%) — наименьшее среди всех изученных объектов. Кроме Ca, значительные доли в составе всех водных объектов имеют Si, Mg, Na, K, Fe, Al. Суммарное содержание этих веществ достигает 97.9–99.4% общего количества растворенных элементов.

 

Таблица 2. Результаты ИСП-МС определения содержания растворенных форм элементов в водных пробах, мкг/л. Погрешность определения не превышает 10%. 1 — B-1-12 — Нижнее Мультинское озеро, северный берег; 2 — B-5-14 — Нижнее Мультинское озеро, южный берег; 3 — р. Мульта, исток из Нижнего Мультинского озера [39]; 4 — B-6-14 — р. Мульта, Шумы; 5 — B-2-12 — Среднее Мультинское озеро, юго-восточный берег; 6 — B-7-14 — Среднее Мультинское озеро, северо-восточный берег; 7 — B-8-14 — р. Поперечная, устье; 8 — р. Поперечная [39]; 9 — B-9-14 — р. Мульта, исток из Верхнего Мультинского озера; 10 — B-3-12 — Верхнее Мультинское озеро, северный берег; 11 — р. Мульта, исток из Верхнего Мультинского озера [39]; 12 — B-10-14 — Верхнее Мультинское озеро, северо-восточный берег; 13 — B-11-14 — Верхнее Мультинское озеро, восточный берег; 14 — Верхнее Мультинское озеро, поверхность [39]; 15 — B-12-14 — руч. Сурочий, впадающий в Верхнее Мультинское озеро, устье; 16 — ручей, впадающий в Верхнее Мультинское озеро [39]; 17 — р. Мульта (Маральник) [39]; 18 — дождь [39]; 19 — р. Мульта [21]; 20 — р. Кокса (с. Усть-Кокса) [21]; 21 — р. Катунь (с. Усть-Кокса) [21]; 22 — ПО-12 — пределы обнаружения для анализов, выполненных в 2012 г. (B-1-12 — B-3-12); 23 — ПО-14 — в 2014 г. (B-5-14 — B-12-14); 24 — [32]: 1 — полифосфаты (олиготрофные водоемы), 2 — для водоемов с минерализацией до 100 мг/л; 25 — ПДК питьевой воды согласно: 1 — [35], 2 — [10], 3 — [14, 15], 4 — [11]; 26 — первая категория [36]; 27 — высшая категория [36]. Подчеркнуты показатели, превышающие ПДК

Компонент	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	B-1-12	В-5-14		В-6-14	B-2-12	В-7-14	В-8-14		В-9-14
Na	348	352	-	332	538	498	1222	-	248
Mg	319	279	-	300	412	313	278	-	431
Al	54	22	-	22	106	26	126	-	27
Si	638	1321*	-	1348*	1415	1583	1319*	-	1053*
P	28.7*	6.9*	-	8.9*	17.2*	9.1	34.3	-	7.9*
K	429	334	-	335	466	304	1795	-	218
Ca	2223	2368	-	2414	2086	2744	3197	-	2893
Sc	0.03*	<0.02	-	<0.02	0.06*	<0.02	<0.02	-	<0.02
Ti	<1	<0.6	-	<0.6	1.9*	<0.6	<0.6	-	0.6*
V	0.17	0.17	0.13	0.15	0.23	0.28	0.29	0.12	0.13
Cr	0.34	0.4*	0.11	0.42*	<0.1	0.44*	0.57*	0.11	0.51*
Mn	7.9	1.7	-	2.2	11.7	2.4	4.6	-	1.9
Fe	58	20	-	39	210	39	35	-	41
Co	0.28	<0.04	0.02	<0.04	0.15	<0.04	<0.04	0.01	<0.04
Ni	<1	<5	0.12	<5	<1	<5	<5	0.07	<5
Cu	1.47	0.88	0.77	0.99	1.74	1.16	11.4	0.47	0.87
Zn	2.8*	4.6	-	4.1	1.6*	3.9	60.1	-	4.4
Rb	0.76	0.50	-	0.54	0.83	0.52	2.29	-	0.55
Sr	10.6	12.5	-	13.1	13.0	14.9	15.3	-	17.3
Mo	0.27	0.35	0.24	0.35	0.23	0.28	0.29	0.22	0.32
Cd	0.02*	<0.01	0.01	0.01*	0.02*	0.01*	0.12	0.01	0.01*
Sn	<0.1	<0.1	-	<0.1	<0.1	<0.1	<0.1	-	<0.1
Ba	7.5	2.8	-	2.7	8.7	2.6	4.8	-	4.4
Hg	<0.01	-	-	-	<0.01	-	-	-	-
Pb	0.14	0.15*	0.09	0.14*	0.19	0.16*	2.81	0.16	0.30*
U	0.07	0.09	-	0.09	0.06	0.07	0.07	-	0.09
Сумма	4130	4728	-	4823	5290	5541	8109	-	4949
Компонент	10	11	12	13	14	15	16	17	18
	B-3-12		В-10-14	В-11-14		В-12-14
Na	240	-	265	270	-	378	-	-	-
Mg	654	-	432	430	-	312	-	-	-
Al	498	-	53	36	-	13*	-	-	-
Si	967	-	1605	1236*	-	1135*	-	-	-
P	26.1*	-	9.4	7.6*	-	8.2*	-	-	-
K	405	-	249	251	-	244	-	-	-
Ca	2174	-	2804	2880	-	2882	-	-	-
Sc	0.04*	-	<0.02	<0.02	-	<0.02	-	-	-
Ti	17.6	-	2.4	1.0*	-	<0.6	-	-	-
V	1.25	0.15	0.16	0.13	0.11	0.08	0.12	0.25	0.02
Cr	0.93	0.14	0.53*	0.54*	0.11	0.20*	0.12	0.09	0.07
Mn	35.2	-	2.6	2.2	-	0.3*	-	-	-
Fe	659	-	61	52	-	9*	-	-	-
Co	0.41	0.03	<0.04	<0.04	0.03	<0.04	0.01	0.01	0.01
Ni	1.4*	0.15	<5	<5	0.12	<5	0.08	0.10	0.23
Cu	3.42	0.64	1.31	1.06	0.47	0.84	0.48	0.76	0.55
Zn	4.3	-	11.6	4.6	-	4.2	-	-	-
Rb	1.42	-	0.55	0.52	-	0.33	-	-	-
Sr	12.7	-	17.6	16.6	-	12.3	-	-	-
Mo	0.17	0.22	0.43	0.39	0.20	0.48	0.25	0.31	0.04
Cd	0.02*	0.01	0.01*	0.01*	0.01	0.01*	-	0.01	0.01
Sn	<0.1	-	<0.1	<0.1	-	<0.1	-	-	-
Ba	12.4	-	4.0	3.5	-	3.5	-	-	-
Hg	<0.01	-	-	-	-	-	-	-	-
Pb	0.92	0.08	0.40	0.21*	0.08	0.14*	0.05	0.06	0.15
U	0.15	-	0.09	0.08	-	0.07	-	-	-
Сумма	5715	-	5520	5193	-	5004	-	-	<2000
Компонент	19	20	21	22	23	24	25	26	27
Na	-	-	-	10	10	120 000	200 0001−3	200 000	20 000
Mg	335	5893	1807	3	3	40 000	50 0002	65 000	5000−50 000
Al	-	-	-	10	5	40	2002	200	100
Si	-	-	-	200	500	-	10 0001,2	10 000	10 000
P	-	-	-	10	3	501	35001,2	-	-
K	-	-	-	10	30	10 0002	12 0003	20 000	2000−20 000
Ca	3808	21936	4754	300	500	180 000	100 0003	130 000	25 000−80 000
Sc	0.8	1.24	0.85	0.025	0.02	-	-	-	-
Ti	0.37	28.4	0.35	1	0.6	60	1002	-	-
V	3.9	3.3	3.0	0.01	0.01	1	1001,2	-	-
Cr	4.1	10.4	3.3	0.1	0.2	20	501,4	50	30
Mn	-	-	-	0.2	0.2	10	1001,2	50	50
Fe	44.4	104.4	42.6	0.1	5	100	3001,2	300	300
Co	-	-	-	0.01	0.04	10	1001,2	100	100
Ni	0.28	0.60	0.25	1	5	10	202	20	20
Cu	-	-	-	0.25	0.25	1	10001,4	1000	1000
Zn	-	-	-	1	1	10	10002	5000	3000
Rb	-	-	-	0.05	0.1	100	1001	-	-
Sr	23.0	120.2	35.3	1	1	400	70001,2	7000	7000
Mo	0.17	0.50	0.10	0.01	0.01	1	704	70	70
Cd	-	-	-	0.01	0.01	5	11,2	1	1
Sn	-	-	-	0.1	0.1	112	-	-	-
Ba	-	-	-	0.1	0.1	740	1001	700	100
Hg	0.11	0.15	0.13	0.01	-	0.01	0.51,2	0.5	0.2
Pb	-	-	-	0.03	0.1	6	102	10	5
U	0.05	0.13	0.03	0.001	0.01	-	154	-	-
Cs	1.06	0.93	0.97	-	-	1000	-	-	-
As	1.65	9.88	1.73	-	-	50	102	10	6
Se	2.12	2.12	2.08	-	-	2	101,2	10	10
Br	82.4	79.8	74.3	-	-	1350	2001,2	200	100
Sb	0.07	0.09	0.06	-	-	-	52	5	5
W	0.20	4.02	0.08	-	-	0.8	501,2	-	-
Сумма	13 000	74 000	18 000	-	-	-	-	-	-

* Концентрации элементов близки к пределу обнаружения, погрешность до 100% (данные по содержанию этих элементов следует считать оценочными).

 

Корреляционные матрицы позволяют установить статистически значимую связь между содержаниями растворенных форм элементов. Для озер Мультинского каскада выявлены статистически значимые (r > 0.8) корреляционные связи между следующими элементами: Mg, Al, V, Mn, Fe, Co, Cu, Rb, Ba, Pb, U. Большинство элементов имеет тесную корреляцию, что, вероятно, отражает связь химического состава водных объектов с природным источником этих элементов. Отсутствие корреляции между содержанием Na, Si, K, Ca и других элементов, вероятно, связано с их участием в биогенных процессах. Содержание Mo, Zn и Sr не коррелирует с содержаниями большинства элементов.

Содержание некоторых элементов в воде р. Поперечной существенно выше, чем в озерах Мультинского каскада, например Na (1222), P (34.3), K (1795), Cu (11.4), Zn (60.1), Rb (2.3), Cd (0.12), Pb (2.8 мкг/л). Содержание остальных элементов на том же уровне, что и в озерах Мультинского каскада. В водных объектах, включая озера Мультинского каскада и р. Поперечную, в составе вод наблюдаются устойчивые корреляционные связи между элементами, имеющими повышенное содержание в речной воде: Na, P, K, Cu, Zn, Rb, Pb, что может свидетельствовать об их сходном происхождении. Установлены статистически значимые (r > 0.8) корреляционные связи между элементами: Na, Mg, Al, P, K, V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Rb, Ba, Pb, U. Содержание Si, Ca, Mo, Sr не коррелирует с содержаниями большинства элементов.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Согласно данным [3], в 1932–1933 гг. рН в озерах Мультинского каскада — 6.8–7.3 (в среднем 7.1). В 2003 г. pH воды озер Мультинского каскада было на уровне 6.1–6.2 [8]. В 2008 г. значение pH поверхностных вод бассейна Мульты варьировало от 5.9 до 7.2 (в среднем 6.6) [39]. Близким к этому было значение pH воды других озер Мультинского бассейна (Паука, Чаши братьев, Сурочьего ― от 6.0 до 6.2). Для воды оз. Поперечного характерны самые низкие величины pH (5.3–5.8) [8] (табл. 1). Современные данные свидетельствуют об уменьшении величины pH по сравнению с 1932–1933 гг. В настоящее время в озерах Мультинского каскада наблюдается уменьшение величины pH на 0.5–1.0 с “нейтральной” (6.8–7.3) до “слабокислой” (5.9–7.2) реакции. Причиной такого изменения может быть увеличение в регионе эмиссии в атмосферу окислов серы при сжигании топлива, главным образом в течение отопительного сезона. Действительно, pH атмосферных осадков и снежного покрова на высоте 1900–2200 м в районе Катунского хребта значительно ниже pH озерных вод и варьирует от 3.9 до 5.3 [21, 39]. Более низкое значение pH в воде оз. Поперечного (5.3–5.8) может быть связано с большим вкладом талых снеговых и ледниковых вод в питание этого озера по сравнению с озерами Мультинского каскада.

Химический состав вод в верховьях горных рек формируется на твердоскальных породах альпийского-субальпийского пояса и зависит главным образом от химического состава снега и льда. В годовом стоке рек Мультинского бассейна, расположенного на высотах 1500–2500 м, основное значение имеют талые воды ледников и снежников, что объясняет низкую минерализацию природных вод [21]. Ниже по течению возрастает роль подстилающих горных пород. В пределах горно-лесного пояса возрастают мощность рыхлых отложений и глубина эрозионного вреза, увеличивается продолжительность контакта водных потоков с почвами и горными породами. Таким образом, происходит увеличение минерализации воды малых рек от истока к устью.

Концентрация ЗВ, в частности ТМ, в водах горных рек зависит как от количества этих веществ в талых снежно-ледниковых водах, питающих исток, так и от их концентрации в подстилающих горных породах ниже по течению. Если главный источник ТМ — подстилающие горные породы, то их концентрация вниз по течению реки возрастает. Например, содержание V в воде озер Мультинского каскада (за исключением заболоченной части Верхнего Мультинского) не превышает 0.11–0.28, а в р. Мульте — 3.9 мкг/л. Содержание Cr в воде озер Мультинского каскада — 0.11–0.34, в р. Мульте — 4.1 мкг/л. Максимальное содержание Mo, наоборот, наблюдается ближе к истокам (0.32–0.48 мкг/л) и уменьшается вниз по течению реки (0.17 мкг/л) (табл. 2).

Согласно результатам определения содержания металлов в водных объектах, наблюдается превышение их ПДК, установленных для водных объектов рыбохозяйственного значения [32]. Содержание Cu в озерах Мультинского каскада составляет 1.1–3.4 ПДК, в устье р. Поперечной — 11.4 ПДК. Содержание Zn в Верхнем Мультинском озере — 1.2 ПДК, в р. Поперечной — 6 ПДК. В северной части Верхнего Мультинского озера содержание Al составляет 12.5 ПДК, Mn — 3.5 ПДК, Fe — 6.6 ПДК, V — 1.3 ПДК. У юго-восточного берега Среднего Мультинского озера содержание Mn достигает 1.2 ПДК, Fe — 2.1 ПДК (табл. 2).

Анализ корреляционных матриц содержания микроэлементов в озерах Мультинского каскада показал, что большая их часть имеет прямые корреляционные связи с содержанием других элементов и поступает в водные объекты из природных источников: Mg, Al, V, Mn, Fe, Co, Cu, Rb, Ba, Pb, U. Повышенные содержания Na, P, K, Cu, Zn, Rb, Pb, характерные для р. Поперечной, вероятно, связаны с их дополнительным поступлением из обогащенного этими элементами источника. Это могли быть породы, залегающие в пределах водосбора р. Поперечной, а гидрологические условия территории способствовали поступлению этих элементов в водный объект. Корреляционные связи между элементами вод озер Мультинского каскада и р. Поперечной позволяют отнести к элементам природного происхождения Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Rb, Ba, Pb, U.

Повышенное содержание Zn (оз. Верхнее Мультинское и р. Поперечная), вероятно, не только обусловлено природными особенностями этого района, но и связано с аэротехногенным загрязнением. Высокое содержание Cu, напротив, скорее всего, объясняется высоким содержанием этого элемента в подстилающих горных породах. Высокие содержания Al, V, Mn, Fe и Zn в северной и северо-восточной частях Верхнего Мультинского озера, вероятно, связаны с накоплением элементов вследствие заболоченности этого участка (табл. 2).

Для природных вод бассейна р. Поперечной, включая озера Паука и Чаша братьев, по сравнению с водами озер Мультинского каскада характерен несколько иной микроэлементный состав, более низкий pH и более высокое содержание ионов щелочных металлов при преобладании K над Na (табл. 1, 2). В верховьях бассейна р. Катуни и ее притоков зафиксировано высокое содержание Hg — 11–15 ПДК и V — 3–4 ПДК [21, 32]. Содержание Se и Fe также немного выше нормы [32] (табл. 2). Высокое содержание Hg и сопутствующих ТМ в воде рек верхней части бассейна Катуни, вероятно, связано с тем, что на этой территории находятся два крупных месторождения Hg и множество ее рудопроявлений.

По некоторым параметрам химический состав воды в бассейне р. Мульты не соответствует установленным нормативам качества питьевой воды. К особенностям химического состава природных вод Горного Алтая относятся малая минерализация и низкое содержание Ca, Mg и Na [40]. Нижний предел минерализации питьевой воды, при котором поддерживается гомеостаз организма, — сухой остаток 100 мг/л [36]. Общая минерализация всех исследованных водных объектов в среднем в 2 раза ниже этого уровня. Содержание Ca меньше нижнего предела в 2–5, Mg — в 2–4, гидрокарбонатов — в 1.5 раза. Величина перманганатной окисляемости в воде озер Верхнее Мультинское (6.1 мгО₂/л) и Большое Сурочье (5.3–6.1 мг О₂/л) выше ПДК для питьевой воды [8, 35] (табл. 1). Содержание растворенных форм элементов в озерах Мультинского каскада и р. Поперечной не превышает ПДК ЗВ в питьевой воде, за исключением Al (2.5 ПДК) и Fe (2.2 ПДК) в пробе из северной части Верхнего Мультинского озера [10, 35] (табл. 2).

ВЫВОДЫ

Гидрохимический состав водных объектов бассейна р. Мульты формируется за счет выщелачивания из подстилающих горных пород и почв химических элементов, их поступления с талыми ледниковыми водами и атмосферного переноса. Низкая минерализация вод бассейна р. Мульты связана с природно-климатическими особенностями района и гидрологическим режимом рек. Для водных объектов бассейна р. Мульты характерно преимущественно снежно-ледниковое питание и интенсивный водообмен, с одной стороны, и обедненность почв органическими остатками и недостаточное время контакта вод с породами — с другой. Тем не менее определяющий фактор обогащения природных водотоков микроэлементами — выщелачивание подстилающих горных пород и накопление микроэлементов в почвенных растворах.

По результатам корреляционного анализа, большая часть элементов поступает в озера Мультинского каскада и р. Поперечную из природных источников: Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Rb, Ba, Pb, U. Содержание в водных объектах Moи Sr не имеет статистически значимой связи с содержанием большинства других элементов.

Вода озер Мультинского бассейна ультрапресная (<100 мг/л), очень мягкая (<1.5 мг-экв/л), гидрокарбонатная I типа; кальциевая — в озерах Мультинского каскада, Поперечном и Сурочьем; вероятно, натриевая — в озерах Паука и Чаша Братьев. Различия в химическом составе воды озер Мультинского каскада и бассейна р. Поперечной могут быть обусловлены различиями в составе подстилающего грунта. По сравнению с данными 1932–1933 гг. [3], современные исследования свидетельствуют об уменьшении величины pH в озерах Мультинского каскада на 0.5–1 — с “нейтральной” (6.8–7.3) до “слабокислой” (5.9–7.2) реакции. Причиной такого изменения может быть увеличение выбросов в атмосферу окислов серы в регионе при сжигании топлива.

В исследованных водных объектах наблюдается превышение ПДК, установленных для водных объектов рыбохозяйственного значения [32]: для Cu (озера Мультинского каскада и устье р. Поперечной), Zn (Верхнее Мультинское озеро и р. Поперечная), Al, V, Mn, Fe (северная часть Верхнего Мультинского озера), Mn и Fe (юго-восточный берег Среднего Мультинского озера). Повышенные концентрации Al, V, Mn, Fe, Cu (оз. Верхнее Мультинское), Mn, Fe, Cu (оз. Среднее Мультинское), Cu (оз. Нижнее Мультинское и р. Поперечная), по-видимому, обусловлены высоким содержанием этих элементов в подстилающих горных породах и биохимическими процессами в заболоченной части озера.

Каскадные системы Мультинских озер — природные ловушки для взвешенного материала и зона концентрации растворенных веществ. Поэтому для более полного представления о состоянии экосистем в дальнейшем необходимо изучать в комплексе три составляющие – поверхностные воды, взвешенные вещества и донные отложения.

Благодарности

Авторы выражают искреннюю благодарность Лукьянчиковой Н.В. (ИХБФМ СО РАН) за помощь в проведении экспедиционных работ, Николаевой И.В. (ИГМ СО РАН) за помощь в аналитических исследованиях, Лазаревой  Е.В. (ИГМ СО РАН) за ряд полезных замечаний.

 

Работа выполнена по государственному заданию ИГМ СО РАН. Финансирующая организация: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации.

Об авторах

Е. В. Бородина

Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: borev@igm.nsc.ru
Россия, Новосибирск

У. О. Бородина

Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

Email: borev@igm.nsc.ru
Россия, Новосибирск

Список литературы

Дополнительные файлы