CC BY
117
Труды Карельского научного центра РАН № 5. 2016. С. 35-52 DOI: 10.17076/lim303
гидрохимия вод и донныХ отложений
УДК 556.114.6. :556.555.8 (282.242.211)
биогенная нагрузка на онежское озеро по данным натурных наблюдений
п. А. Яозовик1, Г. С. Бородулина1, Ю. в. Карпечко1, С. А. Кондратьев2, А. в. Яитвиненко1, и. А. Яитвинова1
1 Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН
2 Институт озероведения РАН
На основании данных по химическому составу и объему воды источников формирования гидрохимического режима Онежского озера, а также сведений по количеству выращенной товарной форели в его бассейне приведена оценка биогенной фосфорной и азотной нагрузок на озеро, включая их отдельные составляющие от различных источников. Установлены природная и антропогенная нагрузки на озеро и выполнено сопоставление последней с ассимиляционной способностью водоема. Расчеты биогенной нагрузки по натурным данным согласуются с результатами математического моделирования с использованием модели ILLM Института озероведения РАН.
Ключевые слова: Онежское озеро; биогенная нагрузка; речные воды; подземные воды; селитебные территории; свалки бытовых отходов; лесо- и сельскохозяйственные объекты; рыбоводческие хозяйства; ассимиляционная способность.
P. A. Lozovik, G. S. Borodulina, Yu. V. Karpechko, S. A. Kondratyev, A. V. Litvinenko, I. A. Litvinova. NUTRIENT LOAD ON LAKE ONEGO ACCORDING TO FIELD DATA
The phosphorus and nitrogen loads on Lake Onego, including individual components of the nutrients from different sources, were estimated from the data on the chemical composition and the water volume of the sources that form the hydrochemical regime of Lake Onego, and from the data on the volumes of commercial trout farming in the lake catchment. Natural and anthropogenic load on the lake was determined, and the latter was compared to the lake's assimilative capacity. Nutrient load estimates based on observed data are in good agreement with the results of mathematical modeling carried out at the Institute of Limnology RAS by means of the ILLM model.
Keywords: Lake Onego; nutrient load; river water; groundwater; residential areas; municipal landfills; forestry and agricultural sites; fish farms; assimilative capacity.
0
введение
Онежское озеро является вторым по величине крупнейшим пресноводным водоемом Европы. Оно испытывает антропогенное влияние вследствие поступления сточных вод, сель-ско- и лесохозяйственной деятельности на его водосборе, развития форелеводства и выноса веществ со свалок и селитебных территорий. В настоящее время по содержанию общего фосфора озеро достигло верхней границы для олиготрофных водоемов, тогда как концентрации форм азота в нем остаются неизменными за многолетний период наблюдений [Сабы-лина, 2007]. Целью работы было установить нагрузку на озеро от различных источников поступления биогенных веществ. Количественная оценка биогенной нагрузки на озеро имеет большое практическое значение для разработки мероприятий по ее снижению и предотвращению евтрофирования водоема.
объекты и методы исследования
Оценка биогенной нагрузки на озеро проводилась с учетом непосредственно речного притока в озеро и подземного стока с межустьевых участков, атмосферных осадков, сточных вод, сбрасываемых в озеро, стока с селитебных территорий, находящихся на побережье озера, рыбоводческих хозяйств на акватории озера (рис. 1). Для решения этой задачи были собраны данные по объему и химическому составу вод, поступавших в озеро различными путями. Отдельно рассматривалось поступление веществ от антропогенных источников, расположенных на водосборе озера.
Для оценки антропогенной составляющей в речном химическом стоке были определены фоновые концентрации биогенных элементов (БЭ). Это в конечном итоге позволило
определить нагрузку от сельско- и лесохозяй-ственных объектов.
Использовались данные по химическому составу воды притоков озера, полученные в 2007-2008 гг. по гидрологическим сезонам года, сведения о составе сточных вод 15 водо-выпусков, химическом составе атмосферных осадков незагрязненных районов бассейна озера, а также данные по составу дренажных и ливневых вод с территории г. Петрозаводска и городской свалки бытовых отходов. Форелевые хозяйства были учтены по выносу БЭ с 1 т товарной продукции.
Все химические анализы выполнены по аттестованным методикам [Руководство..., 2009] в лаборатории гидрохимии и гидрогеологии ИВПС КарНЦ РАН, аккредитованной в системе аккредитации аналитических лабораторий России. Достоверность химических анализов проверялась внутренним и внешним контролем. Последний осуществлялся в рамках международного проекта ICP-Waters [1^егсотро^оп..., 2015] и внутрироссийского проекта «Межлабораторное сличение результатов анализа органического вещества и биогенных элементов в природных водах» [2015], осуществленного лабораторией в 2015 г.
результаты и обсуждение
Водный баланс Онежского озера
В приходной части водного баланса озера основной составляющей является речной приток с водосбора (рис. 2). В среднем он составляет 17,3 км3 (73 %). В маловодные годы его доля уменьшается до 65 % (1960 г.), в многоводные (1962 г.) увеличивается до 81 % общего прихода. Подземный приток с межустьевых территорий, оцененный в объеме 0,14 км3, составляет менее 1 % от речного притока.
Рис. 1. Составляющие биогенной нагрузки на Онежское озеро
36
речной приток и подземный приток с межбассейновых территорий 17.4 км3
речной сток
18.8 км3
Рис. 2. Структура многолетнего водного баланса Онежского озера
Доля атмосферных осадков в приходной части баланса изменяется от 19 до 34 %. Количество осадков получено по данным наблюдений пяти прибрежных метеостанций: Петрозаводск, Кондопога, Медвежьегорск, Пудож и Вытегра. Сток по р. Свири составляет 84 % расходной части водного баланса за многолетний период. В 1962 г. его доля составляла 91 % общего расхода, в 1960 г. - около 76 %. Испарение с акватории озера было рассчитано Ю. А. Сало по уравнению водного баланса [Онежское озеро..., 2010]. На долю испарения с водной поверхности озера приходится от 9 % (1962 г.) до 24 % (1960 г.) общего расхода воды. Период условного водообмена озера по стоку составляет 15,7 года.
Биогенный речной сток в озеро
средневзвешенные концентрации БЭ приняты и для необследованных притоков.
Проведенные расчеты показали, что поступление Робщ с речным стоком в озеро составляет 656 т/год, из которого 24 % приходится на Р . Сток общего азота значительно больше -
мин 1
10 172 т/год. Превалирует (8079 т, 79 %), на долю NH4+ (900 т) и NOз- (1159 т) приходится по 10 %. В распределении речного стока БЭ нет ничего удивительного: фактически он отражает содержание БЭ в поверхностных водах Карелии, в которых, за исключением больших стратифицированных озер, преобладает а содержание Рмин составляет 10-20 % от Робщ [Лозовик, 2006].мин
Поступление биогенных элементов в озеро с атмосферными осадками
Для расчета биогенной речной нагрузки на озеро вначале выполнялся расчет средневзвешенной по объему концентрации БЭ в каждом притоке с учетом сезонного распределения его стока. Затем рассчитывалась средневзвешенная по объему концентрация БЭ во всех притоках. Для этого использованы среднегодовое распределение стока по всем обследованным притокам и среднегодовые концентрации БЭ (табл. 1).
Так как среднегодовой сток обследованных притоков составил 14,93 км3, или 86 % от общего речного стока в озеро, то рассчитанные
Атмосферные осадки играют важную роль в балансе биогенных элементов озер с большой водной поверхностью. Объем осадков, выпадающих на поверхность Онежского озера, площадь зеркала которого составляет 9840 км2, достигает 6,4 км3/год. Для характеристики химических выпадений с атмосферными осадками на акваторию озера использовались данные, обобщенные в монографии [Состояние., 2007], а также материалы последних лет наблюдений (2008-2014 гг.) (табл. 2). Следует отметить, что существенной разницы в составе осадков разных лет не наблюдается.
Таблица 1. Среднегодовой сток и среднегодовые концентрации биогенных элементов в воде притоков Онежского озера по данным наблюдений в 2007-2008 гг.
Река Q, км3/год Р Р мин Р б общ NH4+ N0, - N03 - N орг N б общ
мкг/л мг^л
Суна 0,02 0,001 65 96 0,06 0,002 0,04 0,56 0,66
Кондопожский канал 2,32 0,155 1 11 0,03 0,002 0,10 0,34 0,47
Лижма 0,28 0,019 2 12 0,03 0,002 0,03 0,46 0,52
Уница 0,13 0,009 3 22 0,06 0,002 0,07 0,48 0,61
Кумса 0,26 0,018 2 17 0,04 0,002 0,07 0,36 0,47
Вичка 0,04 0,003 2 21 0,06 0,003 0,26 0,39 0,71
Сапеница 0,05 0,003 11 48 0,05 0,002 0,14 0,48 0,67
ББК 0,35 0,023 3 34 0,06 0,001 0,02 0,36 0,44
Немина 0,29 0,020 24 59 0,06 0,001 0,04 0,50 0,60
Пяльма 0,37 0,025 8 34 0,04 0,001 0,05 0,55 0,64
Туба 0,12 0,008 3 23 0,05 0,001 0,05 0,56 0,66
Водла 4,63 0,310 8 38 0,04 0,001 0,04 0,56 0,64
Черная 0,25 0,017 23 78 0,10 0,002 0,05 0,68 0,83
Андома 1,09 0,073 13 57 0,04 0,001 0,07 0,49 0,60
Вытегра 0,58 0,039 21 72 0,05 0,007 0,17 0,40 0,62
Мегра 0,57 0,038 17 62 0,04 0,002 0,05 0,57 0,66
Водлица 0,15 0,010 10 50 0,04 0,002 0,05 0,57 0,66
Ошта 0,11 0,007 8 39 0,05 0,002 0,12 0,38 0,55
Гимрека 0,02 0,001 24 68 0,06 0,002 0,02 0,67 0,75
Рыбрека 0,01 0,001 11 55 0,06 0,003 0,10 0,66 0,82
Шокса 0,04 0,003 20 57 0,07 0,002 0,13 0,58 0,78
Пухта 0,04 0,003 12 43 0,05 0,002 0,02 0,74 0,81
Уя 0,02 0,001 4 24 0,03 0,002 0,04 0,64 0,71
Деревянка 0,03 0,002 42 73 0,05 0,005 0,19 0,60 0,84
Орзега 0,02 0,001 35 75 0,24 0,002 0,01 0,45 0,70
Нелукса 0,01 0,001 10 31 0,36 0,005 1,13 1,97 3,46
Лососинка 0,11 0,007 38 69 0,04 0,004 0,16 0,52 0,73
Неглинка 0,02 0,001 51 80 0,07 0,010 1,21 1,23 2,52
Шуя 3,00 0,201 10 41 0,09 0,001 0,06 0,37 0,52
Всего 14,93 1,000
Средневзвешенные концентрации 9,2 37,9 0,052 0,002 0,067 0,467 0,59
Вынос (фосфор - т/год, формы N - т^год) 17,3 1,000 159 656 900 34,6 1159 8079 10172
Примечание. р - доля водного стока; Робщ - общее содержание всех форм фосфора в нефильтрованных пробах воды.
Таблица 2. Содержание и выпадение биогенных элементов с атмосферными осадками на территорию Карелии
Район Р мин Р б общ NH4+ N02 - N03 - N орг N б общ
мкг/л мг^л
Центральный 1 10 0,075 0,001 0,18 0,06 0,32
Южный 3 8 0,114 0,001 0,24 0,06 0,41
Восточный 1 11 0,107 0,001 0,18 0,04 0,33
Среднее 2 10 0,10 0,001 0,20 0,05 0,35
Выпадения (Р - т/год, формы N - т^год) 12,8 64,0 640 6,4 1280 320 2246
% от общих форм 19 100 29 0,3 57 14 100
38
Как видно из табл. 2, выпадение Робщ составляет 64 т/год, ^бщ - 2240 т/год. С атмосферными осадками поступает значительное количество нитратов (57 % от ^бщ), на втором месте находится NH4+ (29 %) и третьем - (14 %). Таким образом, в выпадениях с осадками превалируют минеральные формы азота, а не органические, как это имеет место в поверхностных водах Карелии, в том числе и в притоках Онежского озера.
Водный и биогенный подземный сток
в озеро, минуя речную сеть
В расчете водного и химического баланса озер Карелии, в том числе и Онежского озера, приход подземных вод количественно учтен в объеме среднемноголетнего речного стока [Иешина и др., 1987]. Прямой же приток подземных вод с прибрежной территории, не подверженной дренирующему воздействию рек и ручьев, не принимался во внимание. Но именно в этой части водосборной площади озер располагаются основные очаги загрязнения подземных вод: урбанизированные и сельскохозяйственные территории, свалки, карьеры и другие хозяйственные объекты.
В пределах основных водоносных комплексов побережья озера выделены участки со сходными гидрогеологическими условиями, в пределах которых гидродинамическим методом рассчитаны расходы потоков подземных вод, направленных непосредственно в озеро, минуя речную сеть. Этим методом рассчитан общий подземный сток в Онежское озеро в объеме 140,3 млн м3/год [Бородулина, 2011]. Для оценки загрязненного подземного (грунтового) стока была выделена общая ширина фронта потока с селитебных прибрежных территорий (152 км), что составляет 8,4 % от
общей длины береговой линии озера. Загрязненный сток формируется в верхней гидрогеохимической зоне, средняя мощность водоносных отложений составила 10 м, средние коэффициенты фильтрации для озерно-лед-никовых и ледниковых супесчаных отложений принимались 0,3 м/сут, для флювиогляциаль-ных - 4 м/сут, средний гидравлический уклон 0,01. Расчетный подземный сток с селитебных территорий составил 3,21 млн м3/год.
Для расчета загрязненного грунтового стока с селитебных территорий приняты средние величины содержания биогенных соединений в колодцах и родниках населенных пунктов прибрежной зоны озера. Для расчета поступления с природной части водосбора приняты региональные медианные концентрации соединений азота и фосфора. В отличие от фоновых территорий, где содержание азотных соединений невысокое (0,01-0,1 мг^л), в пределах населенных пунктов нитратное загрязнение часто достигает значительной интенсивности и даже критической (>10 м^/л), средняя концентрация составляет 8,14 м^/л (табл. 3). Источником нитратного загрязнения являются хозяйственно-бытовые отходы [Лозовик, Бородулина, 2009].
Содержание фосфора в подземных водах изменяется в широком диапазоне (от микрограммовых количеств до 4 мг/л), но в целом низкое и сравнимо с фоновыми концентрациями в поверхностных водах (17 мкг/л) [Лозовик, 2006]. В отличие от поверхностных вод, в которых преобладающей формой является органо-железосвязанный фосфор, в подземных ведущая роль принадлежит минеральным формам [Бородулина, 2012]. Средние концентрации Робщ и Рмин в пробах грунтовых вод селитебной территории составили 25 и 19 мкг/л соответственно.
Таблица 3. Вынос азота с подземным стоком в Онежское озеро
Расчетные территории Водный сток, млн м3/год N03 - N0, - N44+ Всего N т/год
С, мгЫ/л Вынос, т/год С, м^/л Вынос, т/год С, мг^л Вынос, т/год
Загрязненные 3,2 8,14 26,1 0,02 <0,1 0,07 0,2 26,4
Природные 137,1 0,11 15,1 0,01 1,4 0,13 17,8 34,3
Вся территория стока 140,3 0,29 41,2 0,01 1,4 0,13 18,0 60,7
Таблица 4. Вынос фосфора с подземным стоком в Онежское озеро
Расчетные территории Водный сток, Р мин Р б общ
млн м3/год С, мкг/л Вынос, т/год С, мкг/л Вынос, т/год
Загрязненные 3,2 19 <0,1 25 <0,1
Природные 137,1 13 1,8 17 2,3
Вся территория стока 140,3 13 1,8 17 2,4
<39)
Результаты расчета выноса биогенных элементов с подземным стоком представлены в табл. 3 и 4.
На основании проведенных расчетов установлено, что, несмотря на относительно небольшое количество загрязненных подземных вод (2 %), поступающих непосредственно в озеро, вынос азота с ними сравним с его поступлением с остальной прибрежной территории. Поступление фосфора происходит в основном с природных территорий.
Биогенный сток от точечных источников
загрязнения
При расчете биогенного стока от точечных источников загрязнения учитывалось, что часть сточных вод поступает через водо-выпуски непосредственно в озеро, а часть -в водные объекты, расположенные на его водосборе. Точечные источники загрязнения, расположенные на водосборе, учитываются в химическом стоке рек, а расположенные на побережье следует принимать во внимание при оценке внешней биогенной нагрузки на водоем. Для объективной оценки биогенной нагрузки от точечных источников загрязнения необходимо брать данные по водоотведению за 2007-2008 гг., поскольку речной сток оценен
для этого периода. Следует отметить, что объем сточных вод в настоящее время существенно сократился по сравнению с 2007-2008 гг. в связи с введением контроля коммунального водопотребления, экономного расхода воды потребителями и ряда социально-экономических причин. Что касается данных о химическом составе сточных вод, то здесь существует большая проблема. К сожалению, данные ста-тотчетности «2ТП-водхоз» для расчета использовать нельзя. Во-первых, в них отсутствуют сведения по содержанию Робщ и ^бщ, необходимые для оценки биогенной нагрузки на озеро. Во-вторых, нет уверенности в достоверности значений содержания остальных контролируемых элементов. Поэтому в работе использованы данные по составу сточных вод, полученные ИВПС КарНЦ РАН.
В целом в бассейне Онежского озера было обследовано 15 выпусков сточных вод, составляющих 71 % от общего объема водоотведе-ния. Из числа обследованных выпусков в 12 имеются биологические очистные сооружения, в 3 пунктах (г. Медвежьегорск, о. Кижи и ТЭЦ г. Петрозаводска) сточные воды сбрасываются без очистки. Судя по результатам определения органического вещества, взвешенных веществ и БЭ (табл. 5), в 7 пунктах биологические очистные сооружения работают неэффективно,
Таблица 5. Содержание биогенных элементов в сточных водах
Сточные воды населенных пунктов Р Р мин Р б общ N44+ N02 - N орг N б общ
мкг/л мг^л
г. Кондопога, ОАО «Кондопога» 0,686 300 665 0,36 0,009 6,7 8,6 15,7
г. Петрозаводск, ОАО «Петрозаводские коммунальные системы» 0,265 3984 4256 4,4 0,120 19,2 1,6 25,3
пос. Пудож, ООО «Пудожское ВХК» 0,008 6037 6768 73,2 0,001 0,02 8,0 81,2
г. Медвежьегорск, ООО «Водоканал» 0,012 3543 4462 22,7 <0,001 0,01 12,6 35,3
о. Кижи, Пожарная часть № 14 0,004 9 9 0,03 0,001 0,03 0,7 0,76
г. Петрозаводск, ТЭЦ 0,003 149 426 0,05 <0,001 0,82 1,4 2,3
пос. Марциальные Воды ООО «Санаторий Марциальные воды» 0,003 675 825 21,8 0,048 15,8 2,4 40,0
пос. Шуя, ОАО «Петрозаводские коммунальные системы» 0,001 6112 6487 61,5 0,126 16,5 3,4 80,5
пос. Новая Вилга, ОАО «Петрозаводские коммунальные системы» 0,001 5615 6524 46,6 0,001 0,27 6,3 53,2
пос. Мелиоративный, ОАО «Петрозаводские коммунальные системы» 0,002 53 459 4,6 0,139 8,1 1,6 16,2
пос. Пиндуши, ООО «Водоканал» 0,006 2775 3394 26,3 0,001 <0,01 10,1 36,4
пос. Матросы, ООО «Рубин» 0,001 3872 4040 43,3 0,004 13,0 3,8 60,1
пос. Эссойла, ЗАО «Эссойла» 0,001 4612 4594 39,6 0,463 6,3 5,7 52,1
пос. Деревянка, ОАО «Петрозаводские коммунальные системы» 0,001 1612 1996 23,9 0,023 16,6 1,9 42,4
г. Суоярви, ООО «Экотехнология» 0,004 1238 1364 0,42 0,059 23,5 5,7 29,7
Средневзвешенные концентрации 1399 1699 2,7 0,04 9,9 6,7 19,34
Примечание. р* - доля сточных вод в общем объеме обследованных источников.
Таблица 6. Биогенная нагрузка в бассейне Онежского озера от точечных источников загрязнения
Сточные воды объем, Р мин Р б общ мн4+ N0, - N03 - N орг N б общ
тыс. м3/год т/год т1\1/год
Прямой сброс в озеро 102576 144 174 277 4,1 1016 687 1984
Фон 0,6 2,9 4,1 0,2 3,1 42,1 49,4
Истинное значение 143 171 273 3,9 1013 645 1935
На водосборе 39 085 54,6 66,4 106 1,6 387 262 757
Фон 0,2 1,1 1,6 0,1 1,2 16,0 18,8
Истинное значение 54,4 65,3 104 1,5 386 246 738
Всего 141661 199 240 383 5,7 1403 949 2741
Истинное значение 197 236 377 5,4 1399 891 2673
% от общих форм по истинным значениям 83 100 14 0,2 52 33 100
Таблица 7. Химический состав дренажных и ливневых вод г. Петрозаводска
Объекты Р мин Р б общ NH4+ N03 - N б общ
мкг/л м^/л
Ручей Студенец 21 70 0,08 3,79 14,40
Труба по ул. Мелентьевой 94 135 0,35 3,14 5,66
Труба по ул. Московской 133 160 0,40 2,71 5,22
Труба по ул. Еремеева 100 110 0,07 2,52 6,03
Остальные водовыпуски (средние значения по 5 выпускам) 40 66 0,16 0,76 2,50
Средняя концентрация 78 108 0,21 2,58 6,76
а правильнее будет сказать - вообще не работают. Так, величина БПК5 в этих выпусках достигала 13-184 мгО2/л, содержание NH4+ -23-73 м^/л, а N03" - до 6 м^/л, взвешенных веществ - 88-350 мг/л. Более низкое содержание N0^ по сравнению с NH4+ наряду с высокими значениями БПК5 и содержанием взвешенных веществ свидетельствует об отсутствии аэробной очистки сточных вод.
На основании химического состава сточных вод и их объема (по средним данным за 2007 и 2008 гг.) было рассчитано поступление БЭ в бассейн Онежского озера от точечных источников загрязнения, расположенных на побережье озера и его водосборе, сток от которых поступает в озеро с речными водами. В расчетах учтен вклад фонового поступления БЭ в сточные воды, которое определялось по природным концентрациям БЭ в речных водах. По разности общего и фонового оценивалось собственно антропогенное поступление от точечных источников (табл. 6). Для оценки суммарного объема сточных вод, поступающих на водосбор Онежского озера и непосредственно в озеро, использовались данные статистической отчетности «2ТП-водхоз» за 2007-2008 гг. для Карелии и Вытегорского района Вологодской обл.
Как видно из таблицы 6, поступление БЭ непосредственно в озеро со сточными водами более чем в 3 раза выше, чем с водосбора, поскольку 72 % от общего водоотведения
приходится на промышленные центры, расположенные на побережье озера (Петрозаводск, Кондопога, Медвежьегорск, Пиндуши). Сток Робщ от всех точечных источников загрязнения составил 236 т/год, а - 2673 т/год. Доля минеральных форм в поступлении Робщ составляет 83 %, а в стоке превалирует N0^ (52 %) и (33 %), на N4/ приходится 14 %, а на сток N0^ - менее 1 %.
Биогенный сток с селитебных территорий
Для оценки биогенного стока с селитебных территорий использовались данные по химическому составу дренажных и ливневых вод с территории г. Петрозаводска [Современное состояние..., 1998] (табл. 7). Для остальных селитебных территорий на водосборе озера использовались эти же данные, поскольку обследование их не проводилось.
Для селитебных территорий также необходимо раздельно рассчитывать сток с прибрежных участков, с которых он поступает непосредственно в озеро, и с водосбора озера в речную сеть. Объем стока с селитебных территорий на побережье озера (площадь 144,4 км2, население 328 тыс. человек, средний слой стока 388 мм) равен 56 027 тыс. м3. Условно принимая для остальной части бассейна с численностью населения 62 тыс. человек плотность застройки аналогично городской, получаем значение площади селитебных территорий
Таблица 8. Биогенный сток с селитебных территорий в бассейне Онежского озера
Селитебные V, Р мин Р б общ ми4+ 1Ч02 - N03 - N орг N б общ
территории тыс. м3/год т/год тЫ/год
Расположенные на побережье 56 027 4,4 6,1 11,8 0,6 145 222 379
Фон 0,3 1,6 2,2 0,1 1,7 23,0 27,0
Истинное значение 4,1 4,5 9,6 0,5 143 199 352
Расположенные на водосборе 9 770 0,8 1,1 2,1 0,1 25,2 38,8 66,2
Фон 0,1 0,3 0,4 0,02 0,3 4,0 4,7
Истинное значение 0,7 0,8 1,7 0,1 24,9 34,8 61,5
Всего 65 797 5,2 7,2 13,9 0,7 170 261 445
Истинное значение 4,8 5,3 11,3 0,6 168 234 414
% от общих форм по истинным значениям 91 100 3 0,1 41 57 100
Таблица 9. Биогенные элементы в воде р. Нелуксы и мелиоративной канавы
Объект Р мин Р б общ ми4+ 1Ч02 - N03 - N орг N б общ
мкг/л мг1\1/л
Мелиоративная канава 301 526 3,20 0,50 15,0 9,8 28,5
р. Нелукса (исток из оз. Уварово) 27 89 0,22 0,001 0,01 0,27 0,50
р. Нелукса (ниже впадения мелиоративной канавы) 7 31 0,79 0,046 3,69 1,32 5,85
р. Нелукса(устье) 3 22 0,03 0,001 0,66 0,89 1,58
Таблица 10. Биогенный сток со свалок в бассейне Онежского озера
Нагрузка Р мин Р б общ ми4+ 1Ч02 - N03 - N орг N б общ
т/год т1\1/год
Общая 1,2 2,1 12,6 2,0 59,1 38,6 112
Фон 0,02 0,1 0,16 0,01 0,12 1,6 1,9
Истинное значение 1,2 2,0 12,4 2,0 59,0 37,0 110
% от общих форм по истинным значениям 60 100 11 2 54 34 100
27,1 км2. Тогда сток с селитебных территорий на водосборе при среднем слое стока 360 мм составит 9770 тыс. м3.
Слой стока (У) с селитебных территорий определялся по уравнению водного баланса для многолетнего периода (У = Р - Е), при этом суммарное испарение (Е) определялось с учетом влияний различных элементов территорий [Карпечко, 2004], а осадки (Р) - по ближайшим метеостанциям. Разница в слоях стока с селитебных территорий побережий (388 мм) и с территорий, расположенных на остальной части водосбора (360 мм), обусловлена в основном различием в количестве осадков.
С учетом фоновых концентраций в речных водах рассчитано антропогенное поступление БЭ с селитебных территорий в бассейне Онежского озера (табл. 8). Его величина относительно невелика: Робщ - 5,3 т/год, ^бщ -414 т/год. В стоке Робщ 91 % приходится на Рмин, а в стоке N й - 57 % на N и 41 % на N0". Не"-
общ орг 3
значительны доли NH4+ (3 %) и N0,/ (0,1 %). Такая картина распределения в стоке форм азота является закономерной, поскольку дренажные и ливневые воды с селитебных территорий
хорошо насыщены кислородом и процесс нитрификации в них заканчивается образованием нитратов.
Водный и биогенный сток с территории
свалок
В бассейне Онежского озера находятся в основном свалки бытовых и строительных отходов. Промышленных свалок практически нет в связи с незначительными объемами производства. Поскольку сток со свалок поступает в основном в речную сеть, то их влияние рассматривается только на водосборе, и оно опосредованно учитывается в биогенном стоке рек.
Слой стока с территории свалки вблизи г. Петрозаводска составляет 350 мм. Эта величина была получена при осреднении стока расположенных вблизи города рек, на которых проводятся наблюдения за расходом воды. Для остальной территории водосбора Онежского озера слой стока можно принять равным 322 мм. Данное значение получено при осреднении стока всех изученных рек водосбора Онежского озера.
(42)
Таблица 11. Поступление биогенных элементов от форелеводческих хозяйств в бассейне Онежского озера
Расположение хозяйств Товарная Р мин Р б общ NH4+ N03 - N орг N б общ
продукция, т т/год тN/год
На акватории озера 3213 19,3 25,7 20 20 121 161
На водоемах водосбора 2535 15,2 20,3 16 16 95 127
Всего 5748 34,5 46,0 36 36 216 288
Таблица 12. Поступление биогенных элементов в Онежское озеро
Источник Р мин Р б общ NH4+ N02 - N03 - N орг N б общ
т/год тN/год
Речные воды 159 657 900 34,6 1159 8079 10173
Атмосферные осадки 12,8 64,0 640 6,4 1280 320 2246
Подземные воды 1,9 2,4 18 1,4 41,2 - 60,6
Сточные воды 144 174 277 4,1 1016 687 1984
Селитебные территории 4,4 6,1 11,8 0,6 145 222 379
Форелевые хозяйства 15,2 20,3 20 - 20 121 161
Итого 337 924 1867 47,1 3661 9429 15004
% от общих форм 36 100 12 0,3 24 63 100
Средневзвешенная концентрация в приточных водах (по стоку из озера) (Р - мкг/л, формы N - мг^л) 17,9 49,1 0,10 0,003 0,20 0,50 0,80
Удерживающая способность озера 0,89 0,79 0,80 - - 0,70 0,35
Данные по составу дренажных вод, поступающих со свалки г. Петрозаводска в мелиоративную канаву, и воды их водоприемника -р. Нелуксы, впадающей в Онежское озеро, приведены в таблице 9.
Наибольшее влияние свалки сказывается на химическом составе воды мелиоративной канавы, тогда как при впадении ее в р. Нелуксу показатели существенно уменьшаются и к устью становятся близкими к речным водам бассейна. Площадь водосбора мелиоративной канавы до точки отбора пробы составила 7,94 км2, а объем стока - 2778 тыс. м3. Для всего бассейна условный объем стока с территории свалок рассчитан пропорционально численности населения: 2778 • 390 / 275 = 3940 тыс. м3. Такое приближение обусловлено отсутствием данных по другим свалкам на водосборе Онежского озера. В таблице 10 приведен расчетный вынос БЭ с территории свалок в бассейне Онежского озера.
В сравнении с общим речным биогенным стоком с территории свалок поступает незначительное количество биогенных элементов. В стоке Робщ доля минерального составляет 60 %, а в стоке доминируют N0^ (54 %). Меньшую долю составляют N (34 %) и NH4+ (11 %), на N0^ приходится всего 2 %.
Поступление биогенных элементов от рыбоводческих хозяйств
внутренних водоемах (преимущественно форелеводство). По объему производимой продукции Карелия занимает первое место в России. Так, в 2014 г. было выращено 15,8 тыс. т товарной форели, в том числе на акватории Онежского озера 4,5 тыс. т и на водоемах его бассейна 3,5 тыс. т. Поскольку речной биогенный сток оценен для 2007-2008 гг., то и объем выращивания форели принят для этих лет (3213 т/год на акватории озера и 2535 т/год на водоемах его бассейна). Для оценки биогенной нагрузки от форелеводческих хозяйств использованы данные выноса БЭ с 1 т товарной продукции (8 кг Робщ и 50 кг ^бщ), полученные авторами [Китаев и др., 2006] по пяти методикам. Эти величины близки к рекомендациям ХЕЛКОМ: 7 кг Робщ и 50 кг на 1 т товарной продукции [HEL-ТОМ..., 2007]. К сожалению, в обоих случаях отсутствуют данные по выносу отдельных форм БЭ. Чтобы получить единую со всеми рассмотренными антропогенными источниками картину по стоку БЭ, примем, что на Рмин и N приходится 75 % от общих форм, а на NH4+ и N0^ - 25 % в равных долях. Результаты выполненных расчетов с учетом распределения форм БЭ приведены в таблице 11. Итоговая величина выноса от форелеводческих хозяйств в 2007-2008 гг. Робщ составила 40 т/год, - 288 т/год.
Биогенная нагрузка на Онежское озеро
В Карелии в последние годы получило бурное развитие товарное рыбоводство на
Для достоверной оценки биогенной нагрузки на водоем требуется информация по
поступлению веществ от всех источников формирования химического состава воды. Применительно к Онежскому озеру у нас имеются данные по поступлению БЭ с речными водами, атмосферными осадками, со сточными и подземными водами, поступающими непосредственно в озеро, с прибрежных селитебных территорий и от рыбоводческих хозяйств, расположенных на акватории озера. В речном химическом стоке отражается поступление БЭ не только с неосвоенных территорий, но и от всех антропогенных источников, расположенных на его водосборе, в том числе и от сельско- и ле-сохозяйственных объектов. В таблице 12 представлено поступление БЭ в Онежское озеро от всех указанных выше источников.
В целом поступление Робщ в озеро составляет 924 т/год, а ^^ - 15 004 т/год. Наибольшее количество БЭ приносят речные воды (около 70 %) и наименьшее - подземные воды, разгружающиеся непосредственно в озеро (<1 %). Существенный вклад в баланс Робщ и ^^ вносят сточные воды (19 % от всего стока Робщ и 13 % от стока ^бщ) и атмосферные осадки (7 % Робщ и 15 % ^бщ). В общем стоке доля Рмин выше, чем в речном, и составляет 36 % Робщ, а в общем стоке ^бщ отмечается более высокая доля минеральных форм (N0^ 24 %, NH4+ 12 %) и меньшая органических (63 %), чем в речном стоке (79 %).
Имеющиеся данные по балансу БЭ позволяют оценить удерживающую способность озера (Я) по этим элементам: Я = (С - С ) / С , где
^ ' * прит оз' ' оз' ^
Сприт и Соз - средневзвешенная концентрация вещества в приточных водах и в озере соответственно. Под приточными водами в данном случае понимаются все виды вод, поступающие в озеро (речные, подземные, сточные, дренажные, ливневые, атмосферные осадки).
Наибольший интерес представляет удерживающая способность озера к Робщ, как основному лимитирующему биогенному элементу, и ^^ как главному компоненту, отражающему трансформацию соединений азота в озере. Содержание N0^ в озере выше, чем в приточных водах, и это связано с превращением ^^ в нитраты в ходе процессов аммонификации и нитрификации. Органическое вещество в озере представлено автохтонным и аллохтонным ОВ, в состав которых входит ^^ При образовании автохтонного ОВ потребляются в основном нитраты. Поэтому удерживающую способность озера к ^^ следует рассматривать по отношению к ^^ входящему в состав аллохтонно-го ОВ. Учитывая, что доля аллохтонного ОВ в озере составляет 60 %, примем эту величину и за долю аллохтонного ^^ Тогда концентрация N аллохтонного происхождения составит
0,15 мг/л, а удерживающая способность к азоту в аллохтонном ОВ: Я = 0,70.
Используя формулу связи удерживающей способности с периодом водообмена озера (т) и константой скорости трансформации веществ (к) в озере Я = кт / (1 + кте-1/т) [Лозовик, 2015а], можно рассчитать указанную константу и ассимиляцию вещества в водоеме As = кСоз Vстока (т + 1) [Лозовик, 2015б]. Выполненные расчеты дали следующие значения: к (РобЩ) = 0,194 год-1, к (^рГ) алл = 0,130 год-1, As (Робщ) = 624 т/год, As (^рГ) _ = 6 122 т/год.
На основании проведенных расчетов установлено, что в год в озерной котловине ассимилируется 624 т Робщ (67 % от его внешнего поступления), а азота органического - 6122 т (65 %). Таким образом, благодаря внутриводоемным процессам существенно снижается концентрации Робщ и ^бщ, поступающих в озеро с приточными водами.
Согласно полученным константам скорости трансформации Робщ и ^^ периоды полупревращения этих элементов составляют 3,6 и 5,3 года соответственно. Установленные значения указывают, что трансформация соединений фосфора и азота в речных водах происходит очень медленно, и можно с полной уверенностью считать, что БЭ, которые поступают от антропогенных источников в речную сеть на водосборе озера, привносятся в Онежское озеро практически без изменения.
Биогенная нагрузка на Онежское озеро от
сельско- и лесохозяйственных объектов
Оценка биогенной нагрузки на озеро от сельскохозяйственных объектов и других видов хозяйственной деятельности на водосборе, основанная на показателях выноса БЭ от различных источников, в настоящее время является достаточно сложной задачей. Сказанное объясняется недостаточностью и труднодоступ-ностью исходной информации, необходимой для выполнения расчетов. Преодолеть возникшие сложности с информационным обеспечением и оценить биогенную нагрузку на Онежское озеро без использования данных государственной статистической отчетности можно на основе косвенного метода оценки нагрузки, разработанного в ИВПС КарНЦ РАН и базирующегося на балансовых соотношениях с учетом знания фоновой составляющей нагрузки.
Для определения фонового содержания Робщ в притоках озера воспользуемся геохимической классификацией водных объектов по их щелочности и гумусности [Лозовик, 2013]. Для различных классов гумусности и щелочности
Таблица 13. Геохимическая классификация притоков Онежского озера и фоновые концентрации Робщ в их воде по данным наблюдений в 2007-2008 гг.
Река А1к, мгНС03-/л Нит Геохимический класс Р к набл. общ мк Р « фон общ т г/л
Суна 51,2 37 мезополигумусный среднещелочностной 96 35
Кондопожский канал 8,6 26 мезогумусный среднещелочностной 11 11*
Лижма 21,6 20 мезогумусный среднещелочностной 12 12*
Уница 12,6 70 мезополигумусный среднещелочностной 22 22*
Кумса 19,6 33 мезогумусный среднещелочностной 17 17*
Вичка 29,5 35 мезополигумусный среднещелочностной 21 21*
Сапеница 20,9 66 мезополигумусный среднещелочностной 48 35
ББК 9,7 41 мезополигумусный среднещелочностной 34 34*
Немина 10,2 60 мезополигумусный среднещелочностной 59 35
Пяльма 21,8 70 мезополигумусный среднещелочностной 34 34*
Туба 21,5 52 мезополигумусный среднещелочностной 23 23*
Водла 14,0 56 мезополигумусный среднещелочностной 38 35
Черная 24,6 97 полигумусный среднещелочностной 78 48
Андома 22,2 68 мезополигумусный среднещелочностной 57 35
Вытегра 113,5 28 мезогумусный высокощелочностной 72 30
Мегра 45,6 68 мезополигумусный среднещелочностной 62 35
Водлица 16,7 72 мезополигумусный среднещелочностной 50 35
Ошта 55,5 43 мезополигумусный среднещелочностной 39 35
Гимрека 15,1 95 полигумусный среднещелочностной 68 48
Рыбрека 14,6 81 полигумусный среднещелочностной 55 48
Шокша 27,0 73 полигумусный среднещелочностной 57 48
Пухта 17,3 71 мезополигумусный среднещелочностной 43 35
Примечание. *Для рек, у наблюдаемых, в качестве
которых фоновые концентрации Робщ по геохимическим классам воды были выше фоновых принимались последние.
установлены фоновые концентрации Робщ для природных поверхностных вод Карелии (рис. 3) [Лозовик, 2006].
С использованием фоновых концентраций Робщ для различных притоков Онежского озера (табл. 13) установлена фоновая средневзвешенная по объему концентрация Робщ в притоках озера, которая составляет 30,1 мкг/л.
Второй способ расчета средневзвешенной фоновой концентрации Робщ в притоках может быть выполнен по удерживающей способности и по фоновой концентрации Робщ в озере (6 мкг/л). Тогда средневзвешенная фоновая концентрация Робщ в приточных водах составит 28,6 мкг/л, а фоновое количество Робщ
в притоках озера, рассчитанное по объему стока из озера (18,8 км3/год) за вычетом его выпадений с осадками и поступлений с подземными водами, равно 471,2 т/год. Расчетная фоновая концентрация Робщ в речных водах (приток 17,3 км3/год) составит 27,2 мкг/л.
Средняя фоновая концентрация Робщ в притоках Онежского озера по двум вариантам расчета 28,7 мкг/л. За фоновую концентрацию Рмин примем 20 % от Робщ (5,7 мкг/л).
Что касается определения фоновых концентраций форм азота, то здесь ситуация более сложная, чем с Робщ. По вышеуказанной классификации вод не получено существенных отличий в их распределении. Поэтому приходится
О -I-1-1-1-1-
1 2 3 4 5
Классы щелочности
Рис. 3. Распределение средних значений содержания Робщ по классам гумусности и щелочности. Классы щелочности и рН: 1 - бесщелочностные кислые, 2 - низкощелочностные слабокислые кислые, 3 - слабощелочностные слабокислые, 4 - среднещелочностные циркумнейтральные, 5 - слабощелочностные слабощелочные
ориентироваться на геохимические особенности поверхностных вод Карелии. Для чистых незагрязненных рек известно среднее содержание, м^/л: NH4+ - 0,04; N0," - 0,002; N03- -0,03 [Лозовик, 2006]. Низкое содержание NH4+ обусловлено тем, что скорость нитрификации выше, чем скорость аммонификации [Рыжаков, 2012], поэтому в воде, насыщенной кислородом, не происходит накопления NH4+. Повышенные концентрации N0^ (>5 мк^/л) в природных водах также маловероятны, поскольку скорость II стадии нитрификации (N0^ ^ N0^) выше скорости I стадии ^Н4+ ^ N03-). Содержание N в природных водах зависит в первую очередь от количества органического вещества, поэтому использование среднерегиональ-ных концентраций N для притоков Онежского озера не является оправданным. Единственный выход - попытаться рассчитать фоновую концентрацию N в притоках по удерживающей способности озера к этому элементу. За природную фоновую концентрацию ^орг)алл примем его содержание в воде озера в современный период (0,15 мг/л). Это является вполне обоснованным, поскольку в озере наблюдаются стабильные и постоянные концентрации форм азота. Антропогенное влияние на озеро не привело еще к изменению содержания соединений азота [Сабылина, 2007].
По аналогии с расчетом фоновой концентрации Робщ по удерживающей способности получим величину фоновой концентрации N
в приточных водах (0,50 мг/л). Тогда общее поступление N с приточными водами (объем 18,8 км3) составит 9 400 т/год, а с вычетом поступлений с атмосферными осадками и подземным стоком - 7093 т. Фоновая концентрация в речных водах (объем 17,3 км3) составит 0,41 мг/л. В отличие от расчета фоновой концентрации фосфора для азота в атмосферных осадках и подземных водах принималось его общее содержание с допущением, что минеральные формы в озере перейдут в органическую. Фоновую концентрацию в речных водах определим как сумму фоновых концентраций форм азота: 0,04 ^Н4+) + 0,002 (N0^) + 0,03 (N0^) + 0,41 ^орг) = 0,482 мг/л. Установленные фоновые концентрации БЭ в речных водах позволяют оценить природный биогенный речной сток в озеро, и в конечном итоге, используя балансовый метод, удается вычислить нагрузку от сельско- и лесохозяйственных объектов. Биогенная нагрузка от последних рассчитана как разность между общим биогенным речным стоком и суммой его составляющих (табл. 14).
Расчеты показали, что антропогенный вынос Р с сельско- и лесохозяйственных объ-
общ
ектов на водосборе составляет 70 т/год (11 % от речного стока), а - 988 т/год (10 %). Полученные значения оказались достаточно низкими, указанные объекты дают небольшой вклад в общую биогенную нагрузку на озеро, поскольку сельское хозяйство в бассейне
Таблица 14. Биогенный сток с сельско- и лесохозяйственных объектов
Источник Р мин Р б общ NH4+ N0, - N03 - N орг N б общ
т/год т^год
Сток 159 656 900 34,6 1159 8079 10175
в том числе:
1. Природный речной сток 86,5 497 692 17,3 519 6920 8148
2. Сточные воды 54,4 65,3 104 1,5 386 246 738
3. Селитебные территории 0,8 1,1 1,7 0,1 24,9 34,8 61,5
4. Свалки 1,2 2,1 12,4 2,0 59,0 37,0 110
5. Форелевые хозяйства 15,2 20,3 16 - 16 95 127
Всего 158,1 585,8 826,1 20,9 1005 7333 9187
Сельско- и лесохозяйственные объекты 0,9 70,2 73,9 13,7 154 746 988
% от общих форм 1 100 7 1 16 76 100
Онежского озера развито слабо, количество земель сельскохозяйственного назначения невелико (около 5 % от площади водосбора), а лесное хозяйство слабо отражается на выносе веществ.
Низкую роль леса в формировании биогенной нагрузки на озеро можно объяснить тем, что количество потребляемых древостоем питательных веществ из почвы на прирост фито-массы превышает их возврат с опадом на протяжении длительного периода роста и развития леса [Казимиров и др., 1977]. Эта разница не компенсируется, как показали наши предварительные расчеты, поступлением минеральных веществ с атмосферными осадками. Значительное количество БЭ закрепляется в фито-массе древостоя. Некоторого увеличения биогенной нагрузки можно ожидать в первый год после сплошных рубок. Однако площадь ежегодных рубок составляет менее 1 % всей лесо-покрытой части водосбора, и предварительные оценки показали, что на вынос биогенных веществ заметного влияния это воздействие не оказывает. В частности, после удаления соснового и елового древостоя в объемах расчетной лесосеки (объем вырубаемого леса) увеличение выноса общего фосфора может составить соответственно от 0 до 22 т, а общего азота -от 25 до 80 т со всего водосбора.
Гидротехническая мелиорация для целей сельского и лесного хозяйства также не может существенно повлиять на поступление биогенных элементов в озеро, поскольку после ее проведения прошло около 30 лет. Выполненный анализ показал [Карпечко, 2004], что наиболее интенсивный преобразовательный процесс при гидролесомелиорации, которой охвачено около 5 % площади водосбора Онежского озера, продолжается не более 10 лет. В дальнейшем функционирование лесного биогеоценоза осуществляется уже на новом уровне его
развития, и в настоящее время формирование водного и химического стока на осушаемых болотах и заболоченных землях происходит так же, как и на остальных участках леса.
Оценка современной диффузной биогенной нагрузки на Онежское озеро с выделением ее естественной и антропогенной составляющих
Полученные в предыдущих разделах данные позволяют оценить современную диффузную биогенную нагрузку на Онежское озеро от природных и антропогенных источников. К природным отнесен диффузный вынос веществ с водосборной территории, находящейся в естественном состоянии, который можно рассчитать по фоновым концентрациям БЭ в притоках и объему речного стока в озеро. Кроме того, необходимо учитывать поступление БЭ с подземными водами, разгружающимися непосредственно в озеро. К диффузным природным источникам отнесены и атмосферные выпадения БЭ, поскольку для их расчета использовались данные по химическому составу атмосферных осадков Карелии на территориях, удаленных от промышленных центров.
К антропогенным диффузным источникам поступления БЭ отнесены селитебные территории, свалки бытовых и промышленных отходов, форелевые хозяйства, сельско-и лесохозяйст-венные объекты на водосборе озера (рис. 1).
Оценка диффузного поступления БЭ с водосборной территории Онежского озера выполнена для РобЩ и МобЩ (табл. 15).
Результаты оценки свидетельствуют, что для Онежского озера диффузное поступление БЭ связано в основном с природными источниками (около 85 %, как по Робщ, так и по ^бщ). Роль антропогенных источников незначительная (менее 20 % от диффузной нагрузки Робщ
Таблица 15. Диффузная биогенная нагрузка на Онежское озеро с водосборной территории
Вид нагрузки Р б общ N б общ
т/год % т/год %
Природная, в том числе 567 85 10 491 86
- речной сток 497 72 8148 67
- атмосферные осадки 64 9 2240 18
- подземные воды 2,3 0,3 34,3 0,3
- техногенные воды (фон) 4,0 0,6 68,2 0,6
Антропогенная, в том числе 97,8 15 1665 14
- селитебные территории 5,3 0,8 440 3,2
- свалки 2,0 0,3 110 0,2
- форелевые хозяйства (на водосборе) 20,3 3 127 1
- сельско- и лесохозяйственные объекты 70,2 10 988 8
Общая диффузная нагрузка по натурным данным 670 100 12 156 100
Общая диффузная нагрузка по модели ^М (50 % обеспеченности) (данные ИНОЗ РАН) 669 11 981
и No6[y). В природную диффузную нагрузку наибольший вклад вносят речные воды (88 % по Ро6щ и 78 % по ^6щ от природной нагрузки). Существенна роль и атмосферных осадков (11 % по Ро6щ и 21 % по ^6щ от природной нагрузки). Что касается антропогенных источников, то наи6ольший вклад вносят сельско- и лесохо-зяйственные о6ъекты (72 % по Ро6щ и 59 % по ^6щ от антропогенной нагрузки этими элементами), форелевые хозяйства по Ро6щ (21 % от антропогенной нагрузки) и селите6ные территории по ^6щ (25 % от антропогенной нагрузки). К сожалению, отдельно установить вынос БЭ с сельско- и лесохозяйственных о6ъектов не представляется возможным в связи с отсутствием нео6ходимой информации.
Кроме того, в рамках исследований 6иоген-ной нагрузки на Онежское озеро проведены ра6оты по моделированию формирования нагрузки о6щим азотом и о6щим фосфором от рассеянных источников. Расчеты выполнялись с использованием модели ILLM-Institute of Limnology Load Model, разра6отанной в Институте озероведения РАН на основе отечественного и зару6ежного опыта моделирования стока и выноса 6иогенных веществ с водос6орных территорий [Кондратьев и др., 2011], а также рекомендаций ХЕЛКОМ по оценке нагрузки на водные о6ъекты 6ассейна Балтийского моря [Guidelines., 2005]. Модель предназначена для решения задач, связанных с количественной оценкой 6иогенной нагрузки, сформированной точечными и рассеянными источниками загрязнения, и прогнозом ее изменения под влиянием возможных антропогенных и климатических изменений. Модель ориентирована на существующие ограниченные возможности информационного о6еспечения со стороны системы государственного мониторинга водных о6ъектов Роскомгидромета и структур государственной статистической отчетности о с6росах
сточных вод и сельскохозяйственной деятельности на водосборах РФ.
Нагрузка общим фосфором и общим азотом на водоем-водоприемник (L) со стороны водосбора рассчитывалась как сумма биогенной нагрузки на гидрографическую сеть водосбора, сформированную сельхозпредприятиями (L), и нагрузку, сформированную естественными и антропогенными ландшафтами, не подверженными в настоящее время сельскохозяйственному воздействию (Lc). Кроме того, в формировании нагрузки принимают участие точечные источники загрязнения, сточные воды которых поступают в гидрографическую сеть (Lp1) и непосредственно в водоем-водоприемник (Lp2) [Кондратьев и др., 2011]:
L = (L + L + L ) (1 - R) + L 2,
' agr c p1' i ' p2'
где R - безразмерный коэффициент удержания гидрографической сетью водосбора. Все остальные члены уравнения имеют размерность [т/ год].
В качестве источника информации о площадях различных типов подстилающей поверхности, которые характеризуются различными значениями потока азота и фосфора с поверхностным стоком, удалось использовать результаты дешифрирования космических снимков, находящихся в режиме свободного доступа. Для распознавания типов поверхностей использовались данные семи каналов космического аппарата Landsat-8 (видимого и ближнего инфракрасного диапазонов съемки) и данные двух каналов космического аппарата Terra/ MODIS. Идентифицировались следующие типы подстилающей поверхности: леса; поля; луга; болота; селитебные зоны, свалки и заброшенные территории; водные объекты. Значения стока азота и фосфора с указанных типов подстилающей поверхности задавались по результатам данных натурных исследований на
Таблица 16. Природная и антропогенная нагрузка на Онежское озеро
Вид нагрузки Р б общ N б общ
т/год % т/год %
Природная 567 61 10 491 70
Антропогенная, 359 39 4499 30
в том числе
- от точечных источников 236 25 2673 18
- от рассеянных источников 123 13 1826 12
Общая нагрузка 926 100 14 990 100
водосборах северо-запада России [Кондратьев и др., 2011].
По результатам математического моделирования установлено, что поступление Робщ в бассейн Онежского озера от рассеянных источников составляет 669 т/год, а Ыобщ -11 981 т/год. Расчет биогенной нагрузки по натурным данным (табл. 15) хорошо согласуется с результатами моделирования, что свидетельствует о достоверности обоих методов оценки.
Сравнение значений диффузной нагрузки
с другими составляющими общей нагрузки
Данные по природным и антропогенным биогенным нагрузкам на Онежское озеро представлены в таблице 16.
Природная фосфорная нагрузка составляет 567 т/год, а азотная - 10 491 т/год, или 61 и 70 % от их общей нагрузки соответственно. Общая фосфорная и азотная нагрузки равняются 926 и 14 990 т/год соответственно (некоторое расхождение значений по сравнению с табл. 13 связано с округлением данных). Точечные источники дают в 1,5-1,9 раза больший вклад в общую биогенную нагрузку, чем рассеянные. Полученная картина в распределении различных видов биогенной нагрузки в бассейне Онежского озера является вполне закономерной и отражает хозяйственную деятельность в его бассейне. Более высокая плотность населения в бассейне озера, чем в других районах Карелии, обусловливает значительное поступление сточных вод. Слабое развитие сельского хозяйства приводит к незначительному поступлению БЭ от сельскохозяйственных источников загрязнения. В то же время в бассейне озера получает активное развитие рыбоводство, вследствие чего диффузная нагрузка от этого источника увеличивается. Наглядным примером этого может быть Ладожское озеро, на территории бассейна которого сельское хозяйство развито в большей степени, чем в бассейне Онежского озера, и биогенная нагрузка от сельскохозяйственных объектов доминирует над другими видами антропогенного влияния, причем нагрузка от
форелевых хозяйств превысила нагрузку от точечных источников загрязнения.
Выводы
С использованием натурных данных по химическому составу и объему воды от различных источников формирования гидрохимического режима Онежского озера, а также сведений по количественному выращиванию товарной форели в его бассейне удалось надежно определить биогенную фосфорную и азотную нагрузку на озеро (Робщ - 926 т/год, Ыобщ - 14 990 т/год), включая их отдельные составляющие (речной биогенный сток, поступление веществ с атмосферными осадками, подземными водами, с селитебных территорий, со свалок, рыбоводческих хозяйств, сельско- и лесохозяйственных объектов). Результаты расчета биогенной нагрузки хорошо согласуются с данными математического моделирования.
Антропогенная нагрузка по Робщ составляет 359 т/год, или 39 % от общей нагрузки, и озеро исчерпало свой самоочистительный потенциал по этому элементу. По Ыобщ антропогенная составляющая (4500 т/год) достигла 30 % от общей азотной нагрузки, и она меньше природной ассимиляционной способности озера. Больший вклад в антропогенную биогенную нагрузку на озеро дают точечные источники загрязнения, чем рассеянные, поэтому в первую очередь требуется снижение поступления общего фосфора со сточными водами.
Литература
Бородулина Г. С. Роль подземного стока в формировании химического состава поверхностных вод Карелии // Труды КарНЦ РАН. 2011. № 4. С. 108-116.
Бородулина Г. С. Биогенные элементы в подземных водах Карелии и их поступление с подземным стоком в озера // Органическое вещество и биогенные элементы во внутренних водоемах и морских водах: материалы V Всероссийского симпозиума с международным участием (10-14 сентября 2012 г. Петрозаводск, Республика Карелия). Петрозаводск, 2012. С.254-258.
©
Иешина А. В., Поленов И. К., Богачев М. А. и др. Ресурсы и геохимия подземных вод Карелии. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1987. 151 с.
Казимиров Н. И., Волков А. Д., Зябченко С. С. и др. Обмен веществ и энергии в сосновых лесах Европейского Севера. Л.: Наука, 1977. 304 с.
Карпечко Ю. В. Гидрологическая оценка антропогенного воздействия на водосборы в таежной зоне Европейского Севера России: автореф. дис. ... докт. геогр. наук. Петрозаводск, 2004. 49 с.
Китаев С. Н., Ильмаст Н. В., Стерлигова О. П. Методы оценки биогенной нагрузки от форелевых ферм на водные экосистемы. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2006. 38 с.
Кондратьев С. А., Казмина М. В., Шмакова М. В., Маркова Е. Г. Метод расчета биогенной нагрузки на водные объекты // Региональная экология. 2011. № 3-4. С. 50-59.
ЛозовикП. А. Гидрогеохимические критерии состояния поверхностных вод гумидной зоны и их устойчивости к антропогенному воздействию: автореф. дис. ... докт. хим. наук. М., 2006. 56 с.
Лозовик П. А., Бородулина Г. С. Соединения азота в поверхностных и подземных водах Карелии // Водные ресурсы. 2009. Т. 36, № 6. С. 694-704.
Лозовик П. А. Геохимическая классификация поверхностных вод гумидной зоны на основе их кислотно-основного равновесия // Водные ресурсы. 2013. № 6. С. 583-588.
Лозовик П. А. Оценка состояния и загрязнения водных объектов и нормирование допустимой антропогенной нагрузки на них с учетом процессов, происходящих в водной среде // Современные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод: материалы научной конференции с международным участием. Ч. 2 (Ростов-на-Дону, 8-10 сентября 2015 г.). Ростов-на-Дону, 2015а. С. 252-256.
Лозовик П. А. Процессы формирования химического состава поверхностных вод гумидной зоны // Фундаментальные про6лемы воды и водных ресурсов: Труды Четвертой Всероссийской научной конференции с международным участием, Москва, 1518 сентя6ря 2015 г. М.: ИВП РАН, 20156. С. 178-181.
Межлабораторное сличение результатов анализа органического вещества и 6иогенных элементов в природных водах. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2015. 66 с.
Онежское озеро. Атлас / Под ред. Н. Н. Филатова. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2010. 151 с.
Руководство по химическому анализу вод суши. Ч. 1. Ростов-на-Дону: НОК, 2009. 1045 с.
Рыжаков А. В. Кинетические характеристики трансформации азотсодержащих соединений в природной воде // Экологическая химия. 2012. Т. 21, вып. 2. С. 117-124.
Сабылина А. В. Онежское озеро и его притоки // Состояние водных о6ъектов Респу6лики Карелия. По результатам мониторинга 1998-2006 гг. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. С. 17-40.
Современное состояние водных о6ъектов Рес-пу6лики Карелия. По результатам мониторинга 1992-1997 гг. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 1998. 188 с.
Guidelines for the compilation of waterborne pollution to the Baltic Sea (PLC-water). HELCOM Publ. Helsinki, Finland. 2005. 80 p.
HELCOM Baltic Sea Action Plan. Helsinki Commission Publ. Helsinki, 2007. 103 p.
Intercomparison 1529: pH, Conductivity, Alkalinity, NO3-N, Cl, SO4, Ca, Mg, Na, K, TOC, Al, Fe, Mn, Cd, Pb, Cu, Ni, and Zn. Oslo: Norwegian Institute for Water Research, September 2015. 86 p.
Поступила в редакцию 10.02.2016
References
Borodulina G. S. Rol podzemnogo stoka v formirova-nii himicheskogo sostava poverhnostnyh vod Karelii [Role of groundwater flow in formation of the chemical composition of lake water]. Trudy Karel'skogo nauch-nogo centra RAN [Trans. KarRC of RAS]. 2011. No. 4. P. 108-116.
Borodulina G. S. Biogennye elementy v podzem-nyh vodah Karelii i ih postuplenie s podzemnym stokom v ozera [Nutrients in groundwater of Karelia and their runoff into lakes]. Organicheskoe veshhestvo i biogennye jelementy vo vnutrennih vodoemah i morskih vodah: Materialy V Vserossijskogo simpoziuma s mezhdunarod-nym uchastiem [Organic matter and biogenic elements in inland waters and marine waters: Proc. 5th all-Russian Symposium with intern. participation]. September 10-14, 2012, Petrozavodsk, Republic of Karelia, Russia. Petrozavodsk. 2012. P. 254-258.
leshina A. V., Polenov I. K., Bogachev M. A., Teru-kov V. S. i dr. Resursy i geohimija podzemnyh vod Kareli [Resources and geochemistry of ground waters of Karelia]. Petrozavodsk: Karel. fil. AN SSSR, 1987. 151 p.
KazimirovN. I., Volkov A. D., Zjabchenko S. S., Ivanchikov A. A., Morozova R. M. Obmen veshhestv i jenergii v sosnovyh lesah Evropejskogo Severa [Metabolism and energy exchange in pine forests of the European North]. Leningrad: Nauka, 1977. 304 p.
Karpechko Ju. V. Gidrologicheskaja ocenka antro-pogennogo vozdejstvija na vodosbory v taezhnoj zone Evropejskogo Severa Rossii [Hydrological assessment of anthropogenic impact on the watersheds in the taiga zone of Russian European North]: Summary of PhD (Dr. of Geogr.) thesis. Petrozavodsk, 2004. 49 p.
Kitaev S. N., Il'mast N. V., Sterligova O. P. Metody ocenki biogennoj nagruzki ot forelevyh ferm na vodnye jekosistemy [Methods for assessing biogenic loads from trout farms on aquatic ecosystems]. Petrozavodsk: KarRC of RAS, 2006. 38 p.
Kondratyev S. A., Kazmina M. V., Shmakova M. V., Markova E. G. Metod rascheta biogennoj nagruzki na vodnye objekty [A method for calculation of the nutrient load on water bodies]. Regional'naya ekologiya [Regional ecology]. 2011. No. 3-4. P. 50-59.
0
Lozovik P. A. Gidrogeohimicheskie kriterii sostoja-nija poverhnostnyh vod gumidnoj zony i ih ustojchivosti k antropogennomu vozdejstviju [Hydrogeochemical criteria of surface water condition in humid areas and their resistance to human impact]: Summary of PhD (Dr. of Chem.) thesis. Moscow, 2006. 56 p.
Lozovik P. A., Borodulina G. S. Soedinenija azota v poverhnostnyh i podzemnyh vodah Karelii [Nitrogen compounds in the surface and subsurface waters of Karelia]. Vodnye resursy [Water resources]. 2009. Vol. 36, no. 6. P. 694-704.
Lozovik P. A. Geohimicheskaja klassifikacija poverhnostnyh vod gumidnoj zony na osnove ih kislotno-osnovnogo ravnovesija [Geochemical classification of surface waters in humid zone based on their acid-base equilibrium]. Vodnye resursy [Water resources]. 2013. No. 6. P. 583-588.
Lozovik P. A. Ocenka sostojanija i zagrjaznenija vod-nyh objektov i normirovanie dopustimoj antropogennoj nagruzki na nih s uchetom processov, proishodjashhih v vodnoj sredy [State estimation and pollution of water objects and rationing of permissible anthropogenic load with account of processes happening in aquatic environment]. Materialy nauchnoj konferencii s mezhduna-rodnym uchastiem "Sovremennye problemy gidrohimii i monitoringa kachestva poverhnostnyh vod" [Proc. sci. conf. with intern. participation "Current problems of hy-drochemistry and monitoring of surface water quality"]. Part 2. September 8-10, 2015 in Rostov-on-Don. Rostov-on-Don, 2015a. P. 252-256.
Lozovik P. A. Processy formirovanija himicheskogo sostava poverhnostnyh vod gumidnoj zony [The processes of formation of surface water chemical composition in humid zone]. Fundamentalnye problemy vody i vodnyh resursov [Fundamental problems of water and water resources]: Proc. 4th all-Russian sci. conf. with intern. participation, Moscow, Russia, 15-18 September 2015. Moscow: IWP RAS, 20156. P. 178-181.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Лозовик Петр Александрович
зав. лабораторией гидрохимии и гидрогеологии, д. х. н.
Институт водных проблем Севера
Карельского научного центра РАН
пр. А. Невского, 50, Петрозаводск, Республика Карелия,
Россия, 185030
эл. почта: [email protected] тел.: (8142) 576541
Бородулина Галина Сергеевна
старший научный сотрудник, к. г.-м. н.
Институт водных проблем Севера
Карельского научного центра РАН,
пр. А. Невского, 50, Петрозаводск, Республика Карелия,
Россия, 185030
эл. почта: [email protected]
тел.: +79114094171
Mezhlaboratornoe slichenie rezultatov analiza or-ganicheskogo veshhestva i biogennyh jelementov v prirodnyh vodah [Interlaboratory comparison of analysis of organic substances and biogenic elements in natural waters]. Petrozavodsk: KarRC of RAS, 2015. 66 p.
Onezhskoe ozero. Atlas [Lake Onega. Atlas]. Petrozavodsk: KarRC of RAS, 2010. 151 p.
Rukovodstvo po himicheskomu analizu vod sushi [Manual for chemical analysis of land surface waters]. Part 1. Rostov-on-Don: NOK, 2009. 1045 p.
Ryzhakov A. V. Kineticheskie harakteristiki trans-formacii azotsoderzhashhih soedinenij v prirodnoj vode [Kinetic parameters of the transformation of nitrogen-containing compounds in natural water]. Ekologiches-kaya himiya [Ecological chemistry]. 2012, Vol. 21, iss. 2. P. 117-124.
Sabylina A. V. Onezhskoe ozero i ego pritoki [Lake Onega and its tributaries]. Sostojanie vodnyh objektov Respubliki Karelija. Po rezultatam monitoringa 19982006 gg. [The state of water bodies of the Republic of Karelia based on monitoring results of 1998-2006]. Petrozavodsk: KarRC of RAS, 2007. P. 17-40
Sovremennoe sostojanie vodnyh objektov Respubliki Karelija. Po rezultatam monitoringa 1992-1997 gg. [The present-day state of water bodies of the Republic of Karelia according to the results of monitoring of 19921997]. Petrozavodsk: KarRC of RAS, 1998. 188 p.
Guidelines for the compilation of waterborne pollution to the Baltic Sea (PLC-water) HELCOM Publ. Helsinki, Finland. 2005. 80 p.
HELCOM Baltic Sea Action Plan. Helsinki Commission Publ. Helsinki, 2007. 103 p.
Intercomparison 1529: pH, Conductivity, Alkalinity, NO3-N, Cl, SO4, Ca, Mg, Na, K, TOC, Al, Fe, Mn, Cd, Pb, Cu, Ni, and Zn. Norwegian Institute for Water Research, Oslo. September 2015. 86 p.
Received February 10, 2016
CONTRIBUTORS:
Lozovik, Petr
Northern Water Problems Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences
50 A. Nevsky St., 185030 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: [email protected] tel.: (8142) 576541
Borodulina, Galina
Northern Water Problems Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences
50 A. Nevsky St., 185030 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: [email protected] tel.: +79114094171
©
Карпечко Юрий васильевич
ведущий научный сотрудник, д. г. н.
Институт водных проблем Севера
Карельского научного центра РАН
пр. А. Невского, 50, Петрозаводск, Республика Карелия,
Россия, 185030
эл. почта: karp@nwpi. krc.karelia.ru тел.: (8142) 578569
Karpechko, Yury
Northern Water Problems Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences
50 A. Nevsky St., 185030 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: [email protected] tel.: (8142) 578569
Кондратьев сергей Алексеевич
зам. директора по научной работе, д. ф.-м. н. Институт озероведения РАН
ул. Севастьянова, 9, Санкт-Петербург, Россия, 196105 эл. почта: [email protected] тел.: (812) 3870276
Kondratyev, Sergey
Institute of limnology, Russian Academy of Sciences 9 Sevastyanov St., 196105 St. Petersburg, Russia e-mail: [email protected] tel.: (812) 3870276
литвиненко александр васильевич
старший научный сотрудник
Институт водных проблем Севера
Карельского научного центра РАН
пр. А. Невского, 50, Петрозаводск, Республика Карелия,
Россия, 185030
эл. почта: [email protected] тел.: +79212239383
Litvinenko, Alexander
Northern Water Problems Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences
50 A. Nevsky St., 185030 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: [email protected] tel.: +7 9212239383
литвинова ирина абрамовна
инженер-исследователь
Институт водных проблем Севера
Карельского научного центра РАН
пр. А. Невского, 50, Петрозаводск, Республика Карелия,
Россия, 185030
эл. почта: [email protected]
тел.: +79535284996
Litvinova, Irina
Northern Water Problems Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences
50 A. Nevsky St., 185030 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: [email protected] tel.: +79535284996
