АНТРОПОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ТРАНСПОРТ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПО ДЛИНЕ РЕКИ КУБАНИ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 504.064

АНТРОПОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ТРАНСПОРТ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПО ДЛИНЕ РЕКИ КУБАНИ

© 2013 г. А.М. Никаноров, В.А. Брызгало, О.С. Решетняк, Л.С. Косменко, М.Ю. Кондакова

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрохимический институт» Росгидромета, г. Ростов-на-Дону

Ключевые слова: р. Кубань, загрязняющие и химические вещества, состояние водных экосистем.

На основе обобщения многолетней режимной гидрохимической информации рассмотрена изменчивость компонентного состава водной среды и состояния экосистем по длине р. Кубани. Важность таких исследований обусловлена происходящими изменениями экологического состояния и ухудшением качества водной среды рек в современных условиях антропогенного воздействия. Изучена трансформация экологического состояния экосистем отдельных участков по длине р. Кубани как следствие антропогенного влияния на речные экосистемы бассейна. Выполнен расчет объемов притока химических веществ по длине водотока и рассмотрен транспорт загрязняющих веществ вниз по течению реки.

Введение

Река Кубань играет важное значение для юга России, где проблема недостаточности водных ресурсов стоит наиболее остро, чем в других регионах страны. Объем безвозвратного водопотребления, несмотря на сокращение к середине 1990-х годов, остается здесь высоким и в отдельные годы достигает 60 % годового стока [1]. Гидрохимический режим, характер внутриводо-емных процессов и антропогенное загрязнение водных объектов бассейна Кубани являются важными факторами формирования их экологического состояния.

Цель настоящей работы - оценить изменчивость экологического состояния водных экосистем, проследить транспорт загрязняющих веществ по длине р. Кубани. Исследование включало оценку изменчивости компонентного состава водной среды по длине р. Кубани и состояния экосистем различных участков реки по антропогенной нагрузке и системообразующим показателям состояния. Выполнен расчет объемов притока химических веществ по длине водотока и рассмотрен транспорт загрязняющих веществ вниз по течению реки. Полученные результаты могут быть использованы для экологического обоснования водоохранных мероприятий в регионе.

Водное хозяйство России № 2, 2013

Водное хозяйство России

Характеристика объекта исследования

Река Кубань берет свое начало в районе горы Эльбрус. Бассейн реки расположен преимущественно в западной части северного склона Большого Кавказа и только незначительная его часть лежит в южном районе Западного Предкавказья. Кубань является главной водной артерией юга России, длина реки 870 км, площадь бассейна 58 тыс. км2. Река протекает по территории Карачаево-Черкесской Республики, Ставропольского и Краснодарского краев (662 км) и Адыгеи. Равнинная часть бассейна - Прикубанская наклонная предгорная равнина, охватывающая левобережье Кубани и ее дельту. При впадении в Азовское море река образует крупную заболоченную, но высокопродуктивную Кубанскую дельту площадью около 4300 км2.

Река Кубань играет большую роль в водном балансе Азовского моря, обеспечивая до 30 % речного стока. Общий сток реки в Азовское море составляет около 11,0 км3 в год [2].

Речная сеть бассейна Кубани включает самые малые, малые, средние и большие реки. Самых малых рек, длиной не более 25 км, насчитывается 14 376 общей протяженностью 31 785 км, малых рек, длиной до 100 км, 115 при общей длине 5146 км и средних рек, длиной до 500 км, всего 24 протяженностью 3806 км. Все основные притоки как по площади водосбора, так и водности впадают в р. Кубань с левой стороны -это реки Уллукам, Учкулан, Теберда, Малый и Большой Зеленчук, Лаба, Белая и др. Правых притоков у Кубани мало и они небольшие, особенно по водности.

Долина р. Кубани разделяется на три участка: верхний - от слияния составляющих до г. Невинномысска, средний - от г. Невинномысска до г. Краснодара и нижний - от г. Краснодара до впадения в Азовское море. По всей длине реки проводятся регулярные гидрохимические наблюдения. Расположение пунктов режимных наблюдений Государственной наблюдательной сети (ГНС) Росгидромета представлено на рисунке.

Бассейн р. Кубани имеет важное социально-экономическое значение как источник водных ресурсов для промышленного и сельскохозяйственного развития регионов юга России и как водная экосистема, где сосредоточены естественные нерестилища промысловых видов рыб (осетровых, рыбца, шемаи, судака, тарани) и осетровые заводы. В дельте Кубани находится крупнейший в России рисовый массив, который занимает важное место в экономике Краснодарского края.

В регионе насчитывается более 200 водопользователей, ежегодно сбрасывающих около 1 млрд м3 сточных вод в природные водные объекты. Основные водопользователи - промышленное производство (30-35 % объема безвозвратного водопотребления) и орошаемое земледелие (более 40 %).

Водное хозяйство России № 2, 2013

Водное хозяйство России

Водное хозяйство России

При таком интенсивном использовании водных ресурсов антропогенное загрязнение водных объектов бассейна р. Кубани, их гидрохимический режим, характер внутриводоемных процессов становятся важными факторами, влияющими на эколого-экономическое состояние крупного региона России.

Естественный природный компонентный состав водной среды р. Кубани формируется под влиянием многих факторов: атмосферные осадки, таяние ледников, снежников, питание грунтовыми водами, геологическое строение русловых пород, тип почв на водосборах. Он различен на разных участках р. Кубани, т. к. отдельные части бассейна реки расположены в разных физико-географических условиях, отличающихся как по высоте (от снежных вершин гор до равнинной степной зоны), так и по составу горных пород, слагающих эти части бассейна.

Однако на характер изменчивости компонентного состава водной среды по длине рек влияют и такие антропогенные факторы, как транзитный перенос загрязняющих веществ от истоков к устью реки, сброс недостаточно очищенных и загрязненных сточных вод промышленных предприятий, смыв минеральных удобрений и органических веществ с сельхозугодий и животноводческих ферм, поступление пестицидов со сбросными водами оросительных систем, маломерный флот. На уровне загрязнения сказываются также аварийные ситуации и стихийные бедствия, прежде всего наводнения, ставшие нередкими в последние годы [2].

Антропогенная трансформация экологического состояния водных экосистем по длине р. Кубани

Анализ многолетней режимной гидрохимической информации Государственной службы наблюдений за состоянием окружающей среды (ГСН) [3] показал, что за период 2000-2010 гг. кратность превышения ПДК по максимальным концентрациям изменялась по длине реки по соединениям (табл. 1):

- железа от 53 ПДК у г. Армавира до 4,6 ПДК у хут. Тиховский;

- меди от 47 ПДК у ст-цы Ладожская до 18-20 ПДК у г. Краснодара и хут. Тиховский;

- цинка от 7,4-7,3 ПДК у г. Кропоткин и г. Краснодара до 1,6 ПДК у хут. Тиховский.

В целом по длине водотока наблюдается снижение содержания соединений железа, меди и цинка, а по нефтепродуктам - увеличение к устью реки до 5,6 ПДК. Концентрация фенолов варьирует по длине водотока до 3,0-6,0 ПДК.

Водное хозяйство России № 2, 2013

Водное хозяйство России

Таблица 1. Изменчивость содержания приоритетных загрязняющих веществ по длине р. Кубани в 2000-2010 гг.

Загрязняющее

Диапазон колебания концентрации в ПДК

Пункт режимных наблюдений (расстояние от устья, км)

вещество г. Невинномысск (713) г. Армавир (586) г. Кропоткин (471) ст-ца Ладожская (354) г. Краснодар (226) хут. Тиховский (111)

Соединения железа 0,90-31 0,10-53 0,90-37 1,3-47 1,1-17 0,60-4,6

Соединения меди н.о .-23 н.о.-40 н.о.-26 1,0-47 н.о.-18 н.о.-20

Соединения цинка н.о .-3,9 н.о.-3,3 н.о.-7,4 н.о.-5,7 н.о.-7,3 0,40-1,6

ЛООВ (по БПК5) 0,50-2,0 0,50-1,7 0,50-1,8 0,50-2,9 0,50-3,4 0,50-1,0

Нефтепродукты 0,20-0,80 н.о.-0,80 н.о.-0,60 н.о.-0,60 н.о.-2,8 0,50-5,6

Фенолы н.о.-4,0 н.о.-4,0 н.о.-5,0 н.о.-4,0 н.о.-6,0 н.о.-3,0

Азот аммонийный н.о.-1,3 н.о.-1,6 н.о.-2,0 н.о.-1,7 н.о.-3,0 0,10-1,4

Азот нитритный 0,05-1,7 0,05-2,2 0,05-1,9 н.о.-1,8 н.о.-3,9 0,20-1,8

Примечание: н.о. - ниже предела обнаружения; ЛООВ - легкоокисляемые органические вещества, определяемые по БПК5.

Такая изменчивость компонентного состава водной среды и высокое содержание некоторых загрязняющих веществ определяют степень загрязненности водной среды на уровне (см. рисунок):

- «очень загрязненная» на участках ниже г. Невинномысска, выше г. Армавира, ниже г. Краснодара и у хут. Тиховский;

- переходная от «очень загрязненной» к «грязной» на участке от г. Армавира до г. Краснодара.

На некоторых участках реки такие высокие концентрации загрязняющих веществ является основной причиной возникновения случаев высокого (ВЗ) и экстремально высокого (ЭВЗ) уровня загрязнения воды. За период с 2000 по 2010 гг. случаи ВЗ отмечены на участке от г. Невинномысск -ст-ца Ладожская по соединениям железа и меди, а у г. Темрюк - по соединениям ртути и ДДТ (табл. 2). Случаи ЭВЗ единичны для р. Кубани.

При таком уровне антропогенной нагрузки на водные экосистемы различных участков р. Кубани возможно ухудшение их экологического состояния. Оценка последнего может быть проведена как по уровню антропогенной нагрузки, так и по системообразующим показателям состояния с использованием разработанного в Гидрохимическом институте классификатора [4].

Водное хозяйство России № 2, 2013

Водное хозяйство России

Таблица 2. Повторяемость случаев ВЗ и ЭВЗ по длине р. Кубани в 2000-2010 гг.

Пункт режимных наблюдений г. Невинномысск Уровень загрязненности водной среды

высокий (ВЗ) экстремально высокий (ЭВЗ)

повторяемость 2 загрязняющее вещество соединения железа повторяемость загрязняющее вещество

г. Армавир 9 соединения железа 1 соединения железа

г. Кропоткин 5 соединения железа - -

ст-ца Ладожская 5 соединения железа соединения меди - -

г. Темрюк 9 соединения ртути ДДТ 7 соединения ртути

Примечание: ЭВЗ не регистрировались.

Состояние экосистемы, оцениваемое по уровню антропогенной нагрузки с использованием расчетных характеристик доли и степени антропогенного воздействия, проводится в соответствии с Р 52.24.661-2004. При этом доля антропогенного воздействия оценивает антропогенную составляющую в формировании компонентного состава абиотической части экосистемы, а степень антропогенного воздействия - долю загрязняющих веществ в общем числе нормируемых ингредиентов.

Долю антропогенного воздействия рассчитывают по формуле [4]

N

Д = ^-100,

N

(1)

где N - число ингредиентов, превышающих ПДК;

N - общее число нормируемых приоритетных загрязняющих веществ. Степень антропогенного воздействия рассчитывают по формуле [4]

N

С = ^-100,

N

(2)

где N - число ингредиентов, превышающих 10 ПДК;

N - число ингредиентов, превышающих ПДК.

В период с 2000 по 2010 гг. состояние экосистем на различных участках р. Кубани оценивается по доле антропогенного воздействия как переходное из кризисного в критическое и по степени антропогенного воздействия - переходное из кризисного в естественное (табл. 3). Оценку экологического состояния по системообразующим показателям

Водное хозяйство России № 2, 2013

Водное хозяйств

о Рос

сии

Таблица 3. Изменчивость состояния водных экосистем различных участков р. Кубани по антропогенной нагрузке в 2000-2010 гг.

Пункт режимных наблюдений Модальный интервал значений доли антропогенного воздействия, % Состояние экосистемы Модальный интервал значений степени антропогенного воздействия, % Состояние экосистемы

г. Невинномысск 42-54 кризисное 12-17 кризисное

г. Армавир 46-54 кризисное 14-28 переходное из

кризисного в

критическое

г. Кропоткин 46-54 кризисное 12-17 кризисное

ст-ца Ладожская 42-57 кризисное 0-17 переходное из

равновесного в

кризисное

г. Краснодар 53-61 критическое 0 естественное

хут. Тиховский 46-54 кризисное 0 естественное

Примечание: модальный интервал значений - статистическая характеристика вариационного ряда.

с использованием разработанного в Гидрохимическом институте классификатора проводили на основе статистических характеристик вариационного ряда значений концентраций легкоокисляемых органических веществ (по БПК5), соединений азота аммонийного и значений содержания растворенного в воде кислорода [4].

Приведенные в табл. 4 данные показывают, что состояние водных экосистем на различных участках р. Кубани по системообразующим показателям характеризуется как естественное или равновесное и свидетельствуют о стабильности экосистемы реки.

Таким образом, региональные особенности гидрохимического режима и высокая самоочищающая способность реки обеспечивают ее возможности по переработке поступающих извне химических веществ.

Таблица 4. Изменчивость состояния водных экосистем различных участков р. Кубани по системообразующим показателям в 2000-2010 гг.

Пункт режимных наблюдений Модальный интервал значений концентрации ЛООВ (по БПК5), мг/л Состояние экосистемы Модальный интервал значений концентрации азота аммонийного, мг/л Состояние экосистемы

г. Невинномысск 0,50-1,4 равновесное н.о.-0,31 равновесное

г. Армавир 0,50-0,90 естественное н.о.-0,26 равновесное

г. Кропоткин 0,50-0,90 естественное н.о.-0,23 равновесное

ст-ца Ладожская 0,50-1,0 естественное н.о.-0,28 равновесное

г. Краснодар 0,50-1,0 естественное н.о.-0,41 равновесное

Примечание: модальный интервал значений системообразующие показатели - показатели функционирование.

- статистическая характеристика вариационного ряда; состояния экосистемы, обеспечивающие ее нормальное

Водное хозяйство России № 2, 2013

Водное хозяйство России

Транспорт загрязняющих веществ по длине р. Кубани

Результаты расчета среднегодовых и среднемноголетних за 19902010 гг. объемов притока [5] химических и загрязняющих веществ показали, что по длине р. Кубани в наибольших объемах транспортируются соединения железа, легкоокисляемые органические вещества (по БПК5) и нефтепродукты. Для соединений железа, меди, биогенных и ЛООВ наблюдается тенденция повышения их содержания у г. Краснодара с последующим снижением к устью реки (табл. 5). По содержанию

Таблица 5. Пространственная изменчивость по длине р. Кубани

объемов притока (тыс. т/год) химических и загрязняющих веществ за 1990-2010 гг.

Загрязняющее вещество Пункты режимных наблюдений

Показатель г. Армавир ст-ца Ладожская г. Краснодар хут. Тиховский

Диапазон значений 1,52-20,4 0,920-7,56 3,21-8,41 1,37-6,74

среднегодового объема притока

Соединения Среднемноголетний 6,45 4,14 6,18 2,95

железа объем притока 0,416 0,428 1,28 1,31

Кратность 15,5 9,7 4,8 2,2

превышения

допустимого по ПДК

Диапазон значений 0,004- 0,017- 0,030- 0,011-

среднегодового 0,098 0,122 0,132 0,054

объема притока

Соединения Среднемноголетний 0,014 0,046 0,074 0,027

меди объем притока 0,004 0,004 0,013 0,013

Кратность 10,0 11,0 5,7 2,1

превышения

допустимого по ПДК

Диапазон значений 0,005- 0,004- 0,013- 0,058-

среднегодового 0,151 0,199 0,436 0,245

объема притока

Соединения Среднемноголетний 0,043 0,059 0,150 0,138

цинка объем притока 0,042 0,043 0,128 0,131

Кратность 1,0 1,4 1,2 1,0

превышения

допустимого по ПДК

Диапазон значений 0,025- 0,018- 0,220- 1,12-

среднегодового 1,03 0,735 3,94 9,67

объема притока

Азот Среднемноголетний 0,215 0,199 1,27 3,42

аммонийный объем притока 1,62 1,67 4,99 5,10

Кратность < 1 < 1 < 1 < 1

превышения

допустимого по ПДК

Водное хозяйство России № 2, 2013

Водное хозяйство России

Окончание табл. 5.

Загрязняющее вещество Показатель Пункты режимных наблюдений

г. Армавир ст-ца Ладожская г. Краснодар хут. Тиховский

Диапазон значений среднегодового объема притока 0,0330,842 0,0420,177 0,1572,10 0,1440,578

Азот Среднемноголетний 0,170 0,075 0,497 0,292

нитритный объем притока Кратность 0,083 0,086 0,256 0,261

превышения 2,0 0,87 1,9 1,1

допустимого по ПДК

Диапазон значений

среднегодового 5,28-17,4 4,81-28,7 17,4-61,5 13,7-32,8

объема притока

ЛООВ Среднемноголетний 8,49 12,8 34,0 18,4

(по БПК5) объем притока Кратность 8,32 8,56 25,6 26,1

превышения 1,0 1,5 1,3 0,7

допустимого по ПДК

Диапазон значений

среднегодового н.о.-0,034 н.о.-0,011 н.о.-0,034 0,011-0,052

объема притока

Фенолы Среднемноголетний 0,005 0,004 0,014 0,019

объем притока Кратность 0,004 0,004 0,013 0,013

превышения 1,2 1,0 1,1 1,5

допустимого по ПДК

Диапазон значений среднегодового 0,0292,62 0,019-2,50 0,128-6,59 0,820-7,08

объема притока

Нефтепродукты Среднемноголетний объем притока Кратность 0,688 0,208 0,647 0,214 1,98 0,639 2,88 0,654

превышения 3,3 3,0 3,1 4,4

допустимого по ПДК

Примечание: в числителе - среднемноголетний объем притока, в знаменателе - среднемноголетний допустимый по ПДК объем притока; н.о. - ниже предела обнаружения.

в водной среде нефтепродуктов четко прослеживается увеличение как среднегодовых, так и среднемноголетних значений объемов их притока вниз по течению р. Кубани. На участке реки от г. Армавира до г. Краснодара кратность превышения допустимых по ПДК объемов притока соединений железа и соединений меди достигала 5-15 раз.

Водное хозяйство России

Заключение

На основе обобщения многолетней режимной гидрохимической информации, полученной государственной наблюдательной сетью, рассмотрена изменчивость компонентного состава водной среды, а также трансформация состояния водных экосистем отдельных участков по длине р. Кубани как следствие антропогенного влияния на речные экосистемы бассейна.

Выявлена тенденция сохранения высоких концентраций соединений железа и меди в водной среде реки, что может являться основной причиной возникновения высокого уровня загрязненности по данным веществам на участке реки от г. Невинномысска до ст-цы Ладожская.

Дана оценка изменчивости экологического состояния водных экосистем отдельных участков реки. По доле и степени антропогенного воздействия прослежен переход их состояния из кризисного в критическое и из кризисного в естественное вниз по течению реки, а по системообразующим показателям состояние характеризуется как естественное или равновесное. Высокая самоочищающая способность реки обеспечивает ее возможности по переработке поступающих извне химических веществ.

Расчет объемов притока химических веществ по длине водотока позволил оценить транспорт загрязняющих веществ вниз по течению р. Кубани. Следует отметить, что в наибольших объемах транспортируются соединения железа, легкоокисляемые органические вещества (по БПК5) и нефтепродукты. Наиболее напряженным является участок в районе г. Краснодара, где наблюдаются максимальные значения объемов притока химических веществ с последующим снижением их к устью реки.

Данное исследование является обобщающей работой по оценке изменчивости компонентного состава водной среды и состояния экосистем отдельных участков р. Кубани. Впервые выполнен расчет объемов притока химических веществ по длине водотока и рассмотрен транспорт загрязняющих веществ вниз по течению реки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чебанов М.С. Экологические основы воспроизводства проходных и полупроходных рыб

в условиях зарегулированного стока (на примере реки Кубани): автореф. дис. ... докт. биол. наук. М.: ВНИПР, 1996. 49 с.

2. Лурье П.М., Панов В.Д., Ткаченко Ю.Ю. Река Кубань. Гидрография и режим стока. СПб.:

Гидрометеоиздат, 2005. 498 с.

3. Ежегодники качества поверхностных вод по гидрохимическим показателям на территории

деятельности Северо-Кавказского УГМС (бассейны рек Дон, Северский Донец, Кубань) за 1990-2010 гг. Ростов-на-Дону. 1991-2011.

Водное хозяйство России № 2, 2013

Водное хозяйство России

4. Р 52.24.661-2004. Рекомендации. Оценка риска антропогенного воздействия приоритет-

ных загрязняющих веществ на поверхностные воды суши. М.: Изд-во Метеоагентства Росгидромета, 2006. 26 с.

5. Методические рекомендации по обоснованию системы наблюдений и расчету выноса с

речным стоком нефтепродуктов. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 19 с.

Сведения об авторах:

Никаноров Анатолий Максимович, д. г.-м. н., профессор, член-корреспондент Российской академии наук, директор, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрохимический институт» Росгидромета (ФГБУ «Гидрохимический институт»), 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, д. 198

Брызгало Валентина Александровна, к. х. н., ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрохимический институт» Росгидромета (ФГБУ «Гидрохимический институт»), 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, д. 198

Решетняк Ольга Сергеевна, к. г. н., старший научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрохимический институт» Росгидромета (ФГБУ «Гидрохимический институт»), 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, д. 198; e-mail: [email protected]

Косменко Людмила Семеновна, к. х. н., ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрохимический институт» Росгидромета (ФГБУ «Гидрохимический институт»), 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, д. 198

Кондакова Мария Юрьевна, к. б. н., старший научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрохимический институт» Росгидромета (ФГБУ «Гидрохимический институт»), 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, д. 198

Водное хозяйство России