CC BY
37УДК 504.455
динамика качества воды цимлянского водохранилища
(за период с 1979 по 2014 годы)
© 2016 г. Е.Е. Лобченко, Л.И. Минина, И.П. Ничипорова, О.А. Первышева
ФГБУ «Гидрохимический институт», г. Ростов-на-Дону, Россия
Ключевые слова: Цимлянское водохранилище, формирование поверхностных вод, антропогенное воздействие, режим биогенных веществ, загрязняющие вещества, эвтрофирование.
Е.Е. Лобченко Л.И. Минина И.П. Ничипорова О.А. Первышева
На единой методико-методологической основе выполнен анализ многолетней гидрохимической информации государственной сети наблюдений Росгидромета, позволяющий оценить изменение содержания характерных для Цимлянского водохранилища загрязняющих веществ за период 1979-2014 гг. Изучена динамика легкоокисляемых органических веществ (по БПК5) и органических веществ (по ХПК), а также изменение среднемноголетних сезонных концентраций аммонийного, нитритного, нитратного азота и фосфатов, наиболее активно участвующих в жизнедеятельности водных организмов, т. к. для Цимлянского водохранилища характерно обусловленное появлением синезеленых водорослей «цветение». Концентрации этих биогенных элементов в воде в значительной степени зависят от интенсивности протекающих в водных объектах биологических процессов. Показано, что для содержания органических веществ, минеральных форм азота и фосфора в воде Цимлянского водохранилища характерны сезонные колебания, а их повышение может способствовать усилению его эвтрофирования.
Для оценки качества воды использовалось сравнение полученных данных с величинами предельно допустимых концентраций. Проведена комплексная оценка динамики качества воды Цимлянского водохранилища в наиболее под-
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
водное хозяйство России
верженных антропогенным влияниям створах. Предложены направления совершенствования системы мониторинга Цимлянского водохранилища в условиях сложившейся сложной гидрологической ситуации, обусловленной чередой лет (с 2010 по 2014 гг.) маловодья в бассейне Дона, предусматривающие совмещение пунктов гидрохимических, гидробиологических наблюдений с гидрологическими постами. С учетом того, что большая роль в формировании качества воды Цимлянского водохранилища принадлежит внутриводоемным процессам трансформации химических веществ и их перераспределению с точки зрения функционирования и устойчивости водной экосистемы водохранилища, подчеркнута важность изучения процессов обмена в системе вода - донные отложения.
Цимлянское водохранилище по объему наполнения и площади водного зеркала является одним из крупнейших в степной части юга России и Российской Федерации. Оно имеет вытянутую форму с северо-востока на юго-запад. Площадь водохранилища 2700 км2, длина 281 км, объем 23,7 км3. Водохранилище расположено на территории Ростовской и Волгоградской областей. По его берегам размещено значительное количество хозяйственных объектов: порты, причалы и пристани, железнодорожные и автомобильные мосты, нефтебазы, водозаборы для орошения, рыбозаводы и рыболовецкие хозяйства, дома отдыха, турбазы, охотничьи хозяйства и заказники. Площадь водосбора водохранилища в створе плотины составляет 255 тыс. км2 (60,4 % всего бассейна), в т. ч. 46 тыс. км2 приходится на боковую приточность, которая включает 25 рек длиной от 10 до 369 км, причем 8 рек имеют длину более 100 км. Самыми крупными притоками являются реки Чир и Иловля. Водосборная площадь боковых притоков, непосредственно впадающих в водохранилище, расчленена сетью балок на множество межбалочных водоразделов, характеризующихся несимметричным строением. Затопленные устьевые части рек Цимла, Чир и Россошь образуют самые большие заливы Цимлянского водохранилища [1].
Наполнение водохранилища происходит в основном за счет стока талых вод весеннего половодья с водосборной площади бассейна Дона, а также боковой приточности впадающих в водохранилище рек - Карповка, Донская Царица, Мышковка, Чир, Есауловский Аксай, Курмоярский Аксай, Цимла и др.
На всем побережье водохранилища преобладающим является каштановый тип почв. Эти почвы образуют как самостоятельные контуры, так и комплексы с солонцами, содержание которых колеблется от 10 до 50 % и более. Почвы в значительной степени эрозированы. В зависимости от слагающих покровных пород (лессовидных суглинков и песков) преобладает водная или ветровая эрозия.
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
Для Цимлянского водохранилища характерно заиление, обусловленное взвешенными и влекомыми наносами, поступающими как по руслу Дона, так и из примыкающих к водохранилищу рек, ручьев и балок; материалом переработки берегов, характер которого зависит от морфологии и геолого-литологического строения склонов речной долины, ветрового и волнового воздействий. За время функционирования Цимлянского водохранилища на дно оседало в среднем около 15,8 млн м3 ила в год [2]. На верхнем участке водохранилища донные отложения накапливаются главным образом за счет наносов, поступающих по Дону, а на центральном и приплотинном участках - преимущественно за счет материала обрушения и переформирования берегов.
Значительное влияние на формирование гидрохимического режима Цимлянского водохранилища оказывают поступление химических веществ с атмосферными осадками, поверхностным и подземным стоком, а также внутриводоемные процессы (абразия берегов, продукция и деструкция органических веществ, седиментация и диффузия из донных отложений). В современных условиях наиболее важными являются гидрологический и антропогенный факторы.
Актуальность надежной оценки качества поверхностных вод бассейна Цимлянского водохранилища и его изменения в перспективе под влиянием все возрастающей хозяйственной деятельности продолжает обостряться в связи с явным проявлением изменений как в региональных, так и глобальных климатических характеристиках, способных привести к гидрологическим изменениям речного стока, его распределению во времени и пространстве. В свою очередь изменение гидрологических характеристик неизбежно скажется и на формировании гидрохимического режима рек, находящихся в условиях влияния сточных вод предприятий промышленности.
Цимлянскоеводохранилище,расположенноенаразвитойпромышленно-аграрной территории, подвержено антропогенным воздействиям: с притоками воды в него поступает значительное количество загрязняющих веществ, в т. ч. органических и биогенных, способствующих эвтрофирова-нию водоема. В свою очередь эвтрофирование вызывает изменение структуры гидробиоценоза и ухудшение качества воды, способствует дополнительному образованию органических веществ в экосистеме. Эти процессы вызывают нарушение кислородного режима водоема и создают условия для интенсивного развития патогенной микрофлоры и синезеленых водорослей - продуцентов токсичных галогенметанов. Нарушение режима растворенного в воде кислорода приводит к нарушению процессов трансформации загрязняющих веществ в водоеме.
Гидрохимическая сеть Росгидромета на Цимлянском водохранилище ведет наблюдения на пяти пунктах III категории [3], обуславливающей еже-
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
месячный отбор проб воды и химический анализ в среднем по 24-30 ингредиентам и показателям качества воды. При анализе гидрохимических данных используются параметрические и непараметрические статистические характеристики. Характерными загрязняющими веществами Цимлянского водохранилища в течение длительного времени являются органические вещества (по БПК5 и ХПК), соединения меди, в отдельные годы соединения железа; у с. Ложки и х. Красноярский с 2007 г. к ним добавились фенолы, нитритный азот и соединения цинка (рис. 1) [4]. Концентрации большинства из них колебались в пределах: среднегодовые 2-3 ПДК [5, 6], максимальные 2-6 ПДК, в отдельные периоды 2007-2014 гг. концентрации нитритного азота достигали 7-9 ПДК. Повторяемость случаев превышения ПДК составила 50-100 % отобранных проб. С 2011 по 2014 гг. среднегодовое содержание соединений железа (с. Ложки, х. Красноярский) и цинка было на уровне или незначительно превышало ПДК. В воде водохранилища у с. Ложки в 2009-2010 гг. фиксировали единичные случаи высоких концентраций нефтепродуктов до 30-38 ПДК.
Рис. 1. Качество воды Цимлянского водохранилища в 2014 г.
В Цимлянском водохранилище ежегодно отмечается обильное «цветение» воды, обусловленное появлением синезеленых водорослей, с развитием которых связано и изменение содержания растворенного в воде кислорода. С одной стороны, кислород продуцируется водорослями при фотосинтезе, с другой - потребляется при разложении органического вещества отмершего фитопланктона.
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
Содержание в воде органических веществ является одним из наиболее важных показателей качества поверхностных вод, их образование, трансформация, распад и минерализация оказывают существенное влияние на изменение химического состава поверхностных вод, в т. ч. и на изменение концентраций минеральных форм азота и фосфора. Анализ среднегодовых величин органических веществ по БПК5 и ХПК в многолетнем плане свидетельствует о постоянном их наличии в воде Цимлянского водохранилища в концентрациях, превышающих предельно допустимые (рис. 2).
Рис. 2. Динамика среднегодового содержания органических веществ по БПК5 (ПДК = 2,00 мг/л) и ХПК (ПДК = 15,0 мг/л) в воде Цимлянского водохранилища в створах: а - 1,5 км ниже х. Красноярский; б - 3,5 км к северу от
г. Волгодонска.
В 2014 г. в воде большинства наблюдаемых створов водохранилища содержание легкоокисляемых органических веществ (по БПК5), превышение нормативов которыми в два раза отмечали в 83-100 % отобранных проб, не изменилось. Возросла повторяемость случаев превышения ПДК органическими веществами (по ХПК) до 93-98 % в большинстве створов, не измени-
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
лась и составила 100 % проб у с. Ложки и х. Красноярский, среднегодовые концентрации колебались в пределах 1-2 ПДК, максимальные достигали 3 ПДК у х. Красноярский.
Режим биогенных веществ в водохранилище определяется стоком Дона, интенсивностью биологического распада органических веществ и процессов жизнедеятельности водных организмов. Ежегодно с водосборной площади в водохранилище поступают десятки тонн азота и фосфора. Существенную роль играет поступление биогенных элементов с абразивным материалом, эти два фактора обуславливают интенсивность процессов эвтрофирования.
Распределение аммонийного азота в незагрязненных поверхностных водах, называемое классическим, характеризуется понижением концентраций весной и в начале лета в период интенсивной фотосинтетической деятельности фитопланктона, повышением концентраций в конце лета - начале осени при усилении процессов бактериального разложения органических веществ в периоды отмирания водных организмов, особенно в зонах их скопления: в придонном слое водоема, слоях повышенной плотности фито- и бактерио-планктона. В осенне-зимний период повышение содержания аммонийного азота связано с продолжающейся минерализацией органических веществ в условиях слабого потребления ионов аммония фитопланктоном и уменьшения скорости их биохимического окисления из-за низких температур.
Анализ динамики среднемноголетних сезонных концентраций аммонийного азота в воде Цимлянского водохранилища классической закономерности не показал: более низкие концентрации отмечены не только весной, но и в зимнюю межень. Повышенное содержание аммонийного азота в осенне-зимнюю межень, скорее всего, связано с продолжающейся минерализацией органических веществ в условиях слабого потребления фитопланктоном и в результате анаэробных процессов восстановления нитратов и нитритов, поступивших в водоем с бытовыми сточными водами и сточными водами предприятий пищевой, химической и других отраслей промышленности (рис. 3).
Среднегодовое содержание аммонийного азота в воде водохранилища в 2014 г. было ниже или в пределах ПДК, максимальные концентрации в большинстве створов незначительно превышали ПДК: у х. Красноярский -до 2 ПДК. Наблюдалось снижение повторяемости случаев превышения ПДК аммонийным азотом до 17-42 % отобранных проб.
Нитриты - неустойчивые компоненты поверхностных вод, промежуточный продукт биохимического окисления ионов аммония и восстановления нитратов. Появление нитритного азота в поверхностных водах связано с процессами минерализации органических веществ и нитрификации. Повы-
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
0,45
0,40
0,35
3 0,30 Е
пГ 0,25
го
Г 0,20
I
ф
1 0,15
о ^
0,10 0,05 0,00
□ ВДХР ЦИМЛЯНСКОЕ;, 1 КМ ВЫШЕ С. ЖУКОВСКОЕ
□ ВДХР ЦИМЛЯНСКОЕ;, 3,5 КМ К СЕВЕРУ ОТ Г. ВОЛГОДОНСКА
зимняя межень
IV | V | VI
половодье
VII I VIII | IX | X летне-осенняя межень
XI | XII
зимняя межень
Месяц
Рис. 3.
азота
Динамика среднемноголетних сезонных концентраций аммонийного (ПДК = 0,4 мг/л) в воде Цимлянского водохранилища за период
1979-2013 гг.
шенное содержание нитритов указывает на усиление процессов биохимического разложения органических остатков в условиях дефицита кислорода и является одним из критериев сильного загрязнения водного объекта. При благоприятных для окисления условиях в Цимлянском водохранилище содержание нитритного азота практически во все сезоны года не превышает сотых долей мг/л, в январе-декабре - тысячных долей мг/л. Повышенное содержание в июле, сентябре может быть связано с восстановлением нитратов, активностью фитопланктона, поскольку известна способность диатомовых и зеленых водорослей восстанавливать нитраты до нитритов. Несколько повышенная до 0,030-0,040 мг/л концентрация нитритного азота в июле и сентябре может быть результатом промежуточной стадии восстановления нитратов до нитритов в придонном слое водохранилища (рис. 4).
В 2014 г. отмечен рост среднегодового и максимального содержания нитритного азота в воде у с. Жуковское до 3 и 5 ПДК, севернее г. Волгодонска до 2 и 6,5 ПДК, а также увеличение повторяемости числа случаев превышения ПДК от 19 и 25 до 80 и 88 % отобранных проб соответственно. Присутствие нитратных ионов в Цимлянском водохранилище связано с рядом факторов и, в первую очередь, с процессами нитрификации - окислением аммонийных ионов под действием нитрифицирующих бактерий при среднегодовых концентрациях растворенного в воде Цимлянского водохранилища кислорода в пределах 6,63-10,7 мг/л.
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
0,050 0,045 0,040 -0,035 0 0,030 0- 0,025 -
го CL
0 0,020 ZT
° 0,015 0,010 -0,005 0,000
□ ВДХР ЦИГИЛЯНСК01Е:, 1 HIM ВЫШЕ С. Ж УК ОВСКОЕ ■ ВДХР ЦИМЛЯНСКОЕ, 3,5 КМ К СЕВЕРУ ОТ Г. ВОЛГОДОНСКА
зимняя межень
IV | V
половодье
летне-осенняя меж ень
зимняя меж ень
Месяц
Рис. 4. Динамика среднемноголетних сезонных концентраций нитритного азота (ПДК = 0,02 мг/л) в воде Цимлянского водохранилища за период
1979-2013 гг.
X
Важным источником наличия в поверхностных водах нитратного азота являются образующиеся при атмосферных электрических разрядах окислы минерального азота, которые с атмосферными осадками попадают в поверхностные воды. Значительное количество нитратов может попадать в поверхностные воды с промышленными и бытовыми сточными водами, особенно после их биологической очистки.
Для Цимлянского водохранилища характерно низкое содержание нитратного азота, вместе с тем в 2014 г. наблюдалась тенденция незначительного увеличения его среднегодового содержания до 0,593 мг/л в районе г. Волгодонска, до 0,801 мг/л у с. Жуковское, до 0,918 мг/л у с. Ложки. Низкие концентрации нитратов являются следствием их потребления при интенсивном «цветении» водоема и от того, какой из процессов (деструкция или продукция) превалирует, зависит характер режима растворенного в воде кислорода. Акватория верхней части водохранилища, так называемые Верхний и Чирский плесы, по режиму растворенного в воде кислорода на протяжении всего вегетационного периода достаточно благополучна. Это обусловлено высокой проточностью и, соответственно, аэрируемостью данного участка. Для района Потемкинского и Предплотинного плесов водохранилища, напротив, характерен напряженный кислородный режим: в отдельные годы глубокий дефицит растворенного в воде кислорода, его концентрация снижается до 1-2 мг/л при достаточно высокой концентрации (выше 4-5 мг/л) в поверхностном слое. Это является причиной возник-
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
новения заморов рыбы на мелководных участках водохранилища с низким содержанием растворенного в воде кислорода (ниже 2 мг/л). Благодаря хорошему ветровому перемешиванию водных масс заморы рыб в Цимлянском водохранилище не носят хронического характера. Однако в случае продолжительного штиля происходит поднятие границ острого дефицита кислорода к поверхности воды даже в глубоководных заливах [7].
При анализе распределения многолетних данных по содержанию нитратного азота по сезонам года в воде Цимлянского водохранилища отмечено, что вегетационный период (весенне-летний сезон) характеризуется низкими значениями концентраций нитратного азота в пределах 0,128-0,204 мг/л (апрель-август), более высокие концентрации до 0,410-0,718 мг/л отмечены в сентябре, что связано с распадом органических веществ и переходом органических форм азота в минеральные. Повышенное содержание нитратного азота свидетельствует об ухудшении санитарного состояния водоема. Амплитуда его сезонных колебаний является одним из показателей эвтро-фирования водоема и степени его загрязненности органическими азотсодержащими веществами, поступающими с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными сточными водами (рис. 5).
0,80 -|
0,70 -
0,60 -
0,50 -
-•
п:
-г 0,40 -
го
н
43 -3 0,30 -
I
0,20 -
0,10 -
0,00
□ ВДХР ЦИМЛЯНСКОЕ, 1 КМ ВЫШЕ С. ЖУКОВСКОЕ
□ ВДХР ЦИМЛЯНСКОЕ, 3,5 КМ К СЕВЕРУ ОТ Г". ВОЛГОДОНСКА
зимняя межень
IV | V
половодье
летне-осенняя межень
зимняя межень
Месяц
Рис. 5. Динамика среднемноголетних сезонных концентраций нитратного азота (ПДК = 9,00 мг/л) в воде Цимлянского водохранилища за период
1979-2013 гг.
Фосфор - один из главных биогенных элементов, определяющих продуктивность водоема. Соединения фосфора встречаются во всех живых организмах и регулируют энергетические процессы клеточного обмена.
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
X
В поверхностные воды они поступают в результате процессов жизнедеятельности и посмертного распада водных организмов, выветривания и растворения пород, содержащих ортофосфаты, обмена с донными отложениями, а также с поверхности водосбора. Одним из важных факторов повышения содержания соединений фосфора в воде Цимлянского водохранилища является хозяйственная деятельность. Источниками поступления этих соединений в поверхностные воды становятся широко применяемые фосфорные удобрения, полифосфаты, содержащиеся в моющих средствах, флотореагентах и умягчителях воды. Органические и минеральные соединения фосфора образуются при биологической переработке бытовых сточных вод и пищевых отходов, а также промышленных стоков в процессах биологической очистки. В поверхностных водах они находятся в растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях. Под влиянием происходящих в естественных водоемах физических, химических и биологических процессов достаточно легко осуществляются переходы соединений фосфора из одной формы в другую.
Растворенный фосфор представляет собой неорганические орто-, пиро-, мета- и полифосфаты, органические фосфаты. Взвешенный фосфор также может быть неорганического (фосфорсодержащие минералы) и органического происхождения. По сравнению с другими биогенными элементами фосфор значительно быстрее переходит из органических в минеральные формы. Поскольку фосфор является элементом, лимитирующим развитие водных организмов, оценка его концентрации в поверхностных водах и характер распределения имеют большое значение при определении настоящей и потенциальной биологической продуктивности водоема.
Содержание фосфатов в воде Цимлянского водохранилища хорошо сочетается с классическими сезонными колебаниями: минимальные концентрации 0,084-0,088 мг/л определяли в весенне-летний период, максимальные 0,142-0,166 мг/л в осенне-зимний (рис. 6).
В большинстве створов Цимлянского водохранилища в течение последних трех лет отмечалась незначительная тенденция увеличения среднегодового содержания фосфатов: от 0,071-0,123 мг/л в 2011 г. до 0,108-0,136 мг/л в 2013 г.; в 2014 г. среднегодовые концентрации фосфатов мало изменились и составляли 0,086-0,129 мг/л, максимальная незначительно превышала ПДК у с. Ложки (2013 г. - 0,240 мг/л, 2014 г. - 0,282 мг/л).
Чтобы получить полную картину изменения содержания основных загрязняющих веществ в воде Цимлянского водохранилища, была изучена динамика за период 1990-2014 гг. среднегодовых концентраций соединений цинка, меди, железа у наиболее загрязненных пунктов на акватории водохранилища (рис. 7). В разные годы наиболее высокие среднегодовые концентрации отмечены у х. Красноярский и в районе г. Волгодонска: соединений меди 16 и 14; железа 3 и 3; цинка 2 и 2 ПДК соответственно.
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
0,180 0,160 0,140
¡_ 0,120
Ï
к 0,100 s
¡0 0,080 I
<а
о 0,060 0,040 0,020 0,000
Рис. 6.
(ПДК = 0:
□ ВДХР ЦИМЛЯНСКОЕ, 1 КМ ВЫШЕ С. ЖУКОВСКОЕ
□ ВДХР ЦИМЛЯНСКОЕ, 3,5 КМ К СЕ ВЕРУ ОТ Г. ВОЛ ГОДОНСКА
зимняя межень
IV I V половодье
летне-осенняя меж ень
зимняя меж ень
Месяц
Динамика среднемноголетних сезонных концентраций фосфатов 20 мг/л) в воде Цимлянского водохранилища за период 1979-2013 гг.
-- 0,05 =с
O^HtNm^TLntDI^COCTI СЛСТ1СТ1СЛСЛСЛСЛСЛСЛСЛ СЛСТ1СТ1СЛСЛСЛСЛСЛСЛСЛ
(N(N(N(N(N(N(N(N(N(N(N(N(N(N(N
Годы
Рис. 7. Динамика среднегодовых концентраций соединений цинка (ПДК = 0,01 мг/л), меди (ПДК = 0,001 мг/л), железа (ПДК = 0,10 мг/л) в воде Цимлянского водохранилища в створах: а - 1,5 км ниже х. Красноярский; б - 3,5 км к северу
от г. Волгодонска.
X
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
Наибольшая загрязненность воды соединениями меди отмечена в 2001-2002 гг. 15-24 ПДК, в остальные годы она не превышала 2-7 ПДК. Среднегодовые концентрации в 2009-2014 гг. мало изменялись и колебались в пределах 2-3 ПДК, за исключением 2011 г. у с. Жуковское (4 ПДК). В отдельные годы в Цимлянском водохранилище на участке пгт Нижний Чир - г. Волгодонск зафиксировано повышенное содержание в воде соединений железа, в среднем до 2-3 ПДК. Максимальная концентрация в 2013 г. достигала 8 ПДК у пгт Нижний Чир и 9 ПДК у с. Жуковское, в 2014 г. снизилась и не превышала 3 ПДК у пгт Нижний Чир.
К 2007 г. возросло содержание соединений цинка в воде водохранилища у с. Ложки и х. Красноярский в среднем до 2 ПДК, оставаясь на этом уровне до 2010 г., с 2011 по 2014 гг. снизилось до незначительно превышающего предельно допустимый уровень.
С 2003 по 2013 гг. преобладала тенденция увеличения среднегодового содержания в воде сульфатов в большинстве створов водохранилища от 52,4-82,4 мг/л в 2003 г. до 97,9-119 мг/л в 2013 г. и 65,3-116 мг/л в 2014 г. Максимальная концентрация в 2013 г. превышала ПДК, достигая 159 мг/л в створе 3,5 км севернее г. Волгодонска, в 2014 г. - 160 мг/л у пгт Нижний Чир. Содержание хлоридов в наблюдаемый период было низкое, незначительно колебалось, соединений магния в отдельные годы соответствовало ПДК (рис. 8).
Минерализация воды водохранилища в течение многолетнего периода была невысокой с незначительными колебаниями в большую или меньшую сторону, среднегодовые значения составляли 335-417 мг/л в 2003 г., 447-574 мг/л в 2013 г. и 383-549 мг/л в 2014 г. Наибольшие максимальные значения регистрировали в 2011 г. у х. Красноярский (839 мг/л), в 2014 г. у с. Ложки (742 мг/л).
Комплексная оценка качества воды [8] Цимлянского водохранилища по гидрохимическим показателям свидетельствует о том, что, исходя из многолетних данных, наименее загрязненной вода большинства наблюдаемых створов водохранилища была в 2003-2005 гг. и характеризовалась 2 классом качества («слабо загрязненная»). С 2006-2007 гг. качество воды ухудшилось до 4 класса разряда «а» («грязная») у с. Ложки и х. Красноярский, в остальных створах до 3 класса в основном разряда «б» («очень загрязненная»). В 2014 г. отмечено незначительное улучшение качества воды у с. Ложки, в результате чего вода из разряда «грязная» перешла в разряд «очень загрязненная».
Критический уровень [8] устойчивости загрязненности воды наблюдался по нитритному азоту и нефтепродуктам в 2009 г. у с. Ложки; легкоокис-ляемым органическим веществам (по БПК5) и нитритному азоту в 2003 г., нитритному азоту в 2011 г. у х. Красноярский, среднегодовые (максимальные) концентрации которых составляли 3 (9) и 8 (38), 3 (3) и 8 (39), 3 (9) ПДК
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
а)
б )
140
120
100
80
60
40
20
сульфаты
хлориды
00 от о
О H (N Ш ^ 1Л Ш CTtCTtCTtCTtCTtCTtCTtCTtCTtCTt CTtCTtCTtCTtCTtCTtCTtCTtCTtCTt
(Nm^LntDr^OOCn 000000000 0000000000000
222222222222222
Год
140 120 100 80 60 40 20
ачачс^с^с^с^ачачс^с^ооооооооооооооо 1111111111222222222222222
Год
Рис. 8. Динамика среднегодовых концентраций загрязняющих веществ: магния (ПДК = 40 мг/л), сульфатов (ПДК = 100 мг/л), хлоридов (ПДК = 300 мг/л) в воде Цимлянского водохранилища в створах: а - 1,5 км ниже х. Красноярский; б - 3,5 км к северу от г. Волгодонска.
0
0
соответственно. В течение многолетнего периода наблюдений периодически отмечали случаи высокого загрязнения, последний был зарегистрирован в 2009 г. по нефтепродуктам в с. Ложки.
Менее загрязнено в 2014 г. Цимлянское водохранилище было в створе 3,5 км севернее г. Волгодонска, где вода характеризовалась как «очень загрязненная». Характерными загрязняющими веществами являлись лег-коокисляемые органические вещества (по БПК5), соединения меди, железа, нитритный азот, среднегодовые концентрации которых не превышали 2 ПДК, максимальные 2-6,5 ПДК при повторяемости случаев превышения ПДК 75-98 % отобранных проб. Загрязненность органическими веществами (по ХПК) и сульфатами была в пределах или незначительно превышала 1 ПДК. Незначительное превышение ПДК отмечали по аммонийному азоту в 17 % проб. Значения минерализации колебались в пределах 415-480 мг/л.
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
Сульфиды и сероводород, определяемые до 2001 г., в последующие годы в Цимлянском водохранилище не обнаружены.
Режим растворенного в воде кислорода был удовлетворительным, минимальная концентрация его в 2014 г. не снижалась ниже 6,40 мг/л (в створе ниже пгт Нижний Чир). Хлорорганические пестициды в воде Цимлянского водохранилища не выявлены.
Уникальность экологической системы р. Дон в том, что формирование речного стока происходит за счет водотоков, расположенных на территории нескольких субъектов Российской Федерации: Белгородской, Воронежской, Курской, Липецкой, Тамбовской, в нижнем течении Ростовской областей. На территории Ростовской области поверхностные воды бассейна испытывают негативное влияние сточных вод многочисленных предприятий, расположенных в верхнем течении реки в пределах Российской Федерации, а также загрязненных вод после интенсивного использования трансграничных водных объектов Харьковской, Донецкой и Луганской областей.
Для всех питающих Дон рек типично весеннее половодье и очень маловодная межень в остальную часть года. Пик весеннего половодья проходит обычно в апреле-мае. 2014 гидрологический год характеризовался как маловодный, ввиду неустойчивой зимы сроки половодья были очень изменчивы, ниже нормы. За период весеннего половодья в Цимлянское водохранилище поступило 5,9 км3 воды, что составило 53 % нормы при среднем многолетнем показателе 11,1 км3. Запас воды в снеге на территории Донского бассейна выше Цимлянского водохранилища также был ниже нормы на 46 % и несколько ниже запасов воды в снеге в 2013 г. [9].
Происходящие в последнее десятилетие климатические изменения оказывают негативное влияние на формирование водного режима рек бассейна Дона, величину их годового и меженного стока, высоту весеннего половодья и другие гидрологические характеристики. Бассейн Дона - развитый в хозяйственном отношении регион Европейской территории России, относится к территориям, где происходящие климатические изменения проявляются особенно заметно. Естественный режим формирования речного стока большинства рек бассейна нарушен хозяйственной деятельностью. В период после 1970 г. по настоящее время отмечается устойчивое снижение максимальных расходов воды на территории бассейна Верхнего Дона [10]. Также неуклонно сокращается объем стока в половодье в целом в бассейне Дона [11]. Нарушение гидроэкологической безопасности в бассейне Дона связано с наступлением ряда маловодных лет, а также прохождением зимних и весенних паводков до основной волны половодья [12, 13].
Маловодье отдельных рек не представляет большой угрозы, но в бассейне Дона маловодье продолжалось с 2010 по 2014 гг., что обусловило сложную
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
гидрологическую ситуацию. С уменьшением водности в годы маловодья за счет снижения разбавляющей и трансформирующей способности потока увеличиваются концентрации загрязняющих веществ не только в воде, но и в донных отложениях водных объектов, куда поступают загрязняющие вещества со сточными водами многочисленных предприятий, расположенных в бассейне Дона.
В данной работе было оценено изменение уровня загрязненности воды Цимлянского водохранилища в многолетнем плане, поскольку содержание загрязняющих веществ в водохранилище теснейшим образом зависит от водного режима питающих его рек (рис. 9).
Качество воды * ¡8]
1 [у нет и ь: «-Г -
о о о — —
гч Г-1 ' 1 гч Г\| гч гч гч гч гч ГЧ
с. Ложки
пгт Нижний Чир
х. Красноярский
с. Жуковское
г. Волгодонск
* I I слабо загрязненная вода 1Р II загрязненная вода НИ грязная вода Рис. 9. Динамика качества воды Цимлянского водохранилища в 2003-2014 гг.
В настоящее время гидрохимический режим Цимлянского водохранилища формируется под влиянием смыва с водосбора, подсланевых вод маломерного флота, сброса недостаточно очищенных сточных вод предприятий Цимлянска и Волгодонска, рыбного и сельского хозяйства [14].
Цимлянское водохранилище имеет исключительное значение для Южного региона. Одной из главных целей его создания было обеспечение транспортной глубоководной магистрали между Волгой и Азовским морем. После зарегулирования Дона в 1952-1999 гг. экосистема бассейна функционировала преимущественно в условиях средне-маловодного, а в весеннее время - исключительно маловодного типа стока. В 1950-е годы сток Дона сократился из-за интенсивной хозяйственной деятельности: забор воды осуществлялся на орошение, обводнение, а также на переброску в бассейны других рек. В настоящее время водохозяйственную обстановку
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
усугубляет высокая плотность населения и его неравномерное размещение на территории Нижнего Дона.
Цимлянское водохранилище - большая открытая экосистема, подвергающаяся непрерывному воздействию различных экологических факторов окружающей среды. Ветровая и водная эрозия ежегодно меняют конфигурацию водохранилища, его площадь, глубину, воздействуют на животный и растительный мир. Обрушающаяся почва уменьшает глубину водохранилища, что приводит к увеличению площади всего водохранилища и создает условия для дальнейшего размыва берегов на фоне незначительного течения, которое не в состоянии вымыть донные отложения и органические вещества, что в свою очередь замедляет процессы самоочищения и приводит к заиливанию. Заиливание создает благоприятные условия для эвтрофи-рования не только Цимлянского водохранилища, но и всего бассейна, т. к. донные отложения скапливаются в устьях малых рек и озерных проток.
Основным фактором, влияющим на состояние и динамику экосистемы Цимлянского водохранилища, является антропогенный, включающий транспортную, мелиоративную, энергетическую, бытовую составляющую и др. Основная площадь орошаемых земель расположена в Ростовской области. Энергетика представлена Цимлянской ГЭС и Ростовской АЭС. После спада экономики в 1990-е годы к настоящему времени потребление воды в регионе вновь возросло, дефицит по-прежнему существует и продолжает расти. В связи с этим, наряду с определением водного стока в условиях глобального потепления необходим прогноз динамики качества воды в бассейне Дона в целом и, как его неотъемлемой части, Цимлянского водохранилища.
Большую роль в формировании качества воды Цимлянского водохранилища играют внутриводоемные процессы трансформации химических веществ и их перераспределение в водной экосистеме. С точки зрения функционирования и устойчивости водной экосистемы наиболее важны процессы обмена в системе вода - донные отложения. Известно, что часть растворенных в воде химических веществ, в т. ч. токсичных и опасных, выводится из водной толщи, сорбируясь на взвешенных веществах и донных отложениях. Вследствие происходящих в воде гидродинамических процессов, а также судоходства, дноуглубительных работ другая часть химических веществ поступает в водную толщу, приводя к вторичному загрязнению воды.
Программой Государственной сети наблюдений (ГСН) Росгидромета предусмотрен отбор проб воды в Цимлянском водохранилище в придонном слое в с. Жуковское и г. Волгодонске. К сожалению, из-за отсутствия транспортных средств с 1995 по 2014 гг. пробы воды в придонном слое и пробы донных отложений не отбирались. Отсутствие очень ценной информации по содержанию растворенного в воде придонного слоя кислорода,
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
как индикатора возможного появления заморов в водохранилище на мелководных участках, значительно снижает роль и значимость мониторинга Цимлянского водохранилища.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ многолетней гидрохимической информации за период 19792014 гг. показал, что качество воды Цимлянского водохранилища ухудшалось до 2008-2009 гг., в последние годы стабилизировалось в большинстве створов на уровне 3 класса разряда «б», у х. Красноярский - 4 класса разряда «а», незначительно улучшилось в 2014 г. у с. Ложки до 3 класса разряда «б» («очень загрязненная»). К характерным загрязняющим веществам воды водохранилища, у которых повторяемость в году числа случаев превышающих ПДК концентраций составляет более 50 % отобранных проб, относились органические вещества (по БПК5 и по ХПК), соединения металлов (меди, на отдельных участках в разные годы цинка, железа), фенолы, нитритный азот. Следует отметить, что соединения меди, цинка, железа с изменением гидрологических условий могут вымываться из донных отложений и взвешенных веществ, увеличивая тем самым уровень загрязненности воды водохранилища.
Проведенные исследования показали: решение задач рационального использования водных ресурсов бассейна Дона, включая Цимлянское водохранилище, связано с изучением пространственно-временных закономерностей изменения качества воды в тесной взаимосвязи с сезонной изменчивостью водного стока, содержанием в воде загрязняющих веществ, из которых наиболее важное значение имеет уровень концентраций соединений минерального азота и фосфора. Существующая сеть и периодичность гидрохимических наблюдений на Цимлянском водохранилище не позволяют обеспечить достаточный объем информации для проведения фундаментальных исследований происходящих изменений, включая процессы самоочищения.
Проводимая в последние годы оптимизация Государственной сети наблюдений Росгидромета предусматривает закрытие отдельных пунктов наблюдений на водных объектах, изменение программ наблюдений (в худшем варианте - уменьшение числа определяемых химических веществ), сокращение частоты отбора проб воды и т. д. Недостаточность финансирования в предыдущие годы уже сказалась на уменьшении частоты отбора проб воды и, соответственно, на уровне оценки динамики качества воды Цимлянского водохранилища, в т. ч. и на наиболее загрязненных участках. В связи с этим целесообразно возобновить наблюдения на притоках Цимлянского водохранилища - реках Чир (устье); Курмоярский Аксай (устье); р. Цимла (устье), где гидрохимические наблюдения не проводились в 1996-1999 гг. и окончательно были прекращены с 2001 г.
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
Необходимо, на наш взгляд, совместить пункты гидрохимических наблюдений с гидрологическими постами, обеспечивающими данными не только по расходам и скорости течения воды, распределению годового водного стока в различные фазы гидрологического режима, но и данными сезонного водного стока наносов, гранулометрического состава наносов, донных отложений и взвешенных веществ.
Следует расширить программу проведения наблюдений по гидрохимическим показателям отбора проб воды в придонном слое, проб донных отложений как в водохранилище, так и в реках, впадающих в него, установив периодичность и сроки проведения наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях в соответствии с требованиями нормативных документов [5].
Уровень содержания органических веществ в Цимлянском водохранилище связан не только с антропогенными факторами, но и с их поступлением с водосборной площади, осадками в виде дождя и снега. С целью выявления роли биохимических процессов в балансе минеральных форм азота, фосфора, органических веществ целесообразно в бассейне Цимлянского водохранилища наряду с гидрохимическими организовать гидробиологические и токсикологические наблюдения.
Развитие системы мониторинга Цимлянского водохранилища обеспечит получение репрезентативной, своевременной и адресной информации о текущем состоянии и тенденциях изменения уровня загрязненности воды, позволит прогнозировать состояние водной экосистемы как с точки зрения эвтрофирования, так и изменения загрязненности воды в многолетнем плане. Комплексный подход необходим не только для определения уровня воздействия антропогенных факторов на экосистему Цимлянского водохранилища, но и для формирования направлений ее оздоровления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Панов В.Д., Лурье П.М., Ларионов Ю.А. Климат Ростовской области вчера, сегодня, завтра. Р.-на-Д.: Донской издательский дом, 2006. С. 59-61.
2. Шаврак Е.И., Фесенко Л.Н., Генераленко И.А. Оценка перспектив использования водных ресурсов Цимлянского водохранилища // Экология и промышленность России. 2011. Сентябрь. С. 32-36.
3. РД 52.24.309-2011. Организация и проведение режимных наблюдений за состоянием и загрязнением поверхностных вод суши. Р.-на-Д. 2011. 58 с.
4. Никаноров А.М., Минина Л.И., Лобченко Е.Е., Ничипорова И.П. Динамика качества поверхностных вод юга России // Водное хозяйство России. 2013. № 6. С.57-72.
5. ГН 2.1.5.1315-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Утв. Гл. гос. сан. врачом РФ 27 апреля 2003 г.
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
6. Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения. Утв. приказом Росрыболовства № 20 от 18.01 2010. Зарег. в Минюсте РФ 09.02.2010, № 16326. М.: ВНИРО, 2011. 213 с.
7. Вода России. Водохранилища / под ред. А.М. Черняева. ФГУП РосНИИВХ. Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2001. 700 с.
8. РД 52.24.643-2002. Методические указания. Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. 49 с.
9. Экологический вестник Дона. О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2014 г. Р.-на-Д. 2015. 379 с.
10. Дмитриева А.В. Экстремальная водность как фактор нарушения гидроэкологической безопасности в бассейне Верхнего Дона // Аридные экосистемы. 2014. Т. 20. № 2 (59). С. 12-18.
11. Киреева М.Б., Фролова Н.Л. Современные особенности весеннего половодья рек бассейна Дона // Водное хозяйство России. 2013. № 1. С. 60-76.
12. Лурье П.М., Панов В.Д. Влияние изменений климата на гидрологический режим р. Дон в начале XXI столетия // Метеорология и гидрология. 1999. № 4. С. 90-100.
13. Коронкевич Н.И., Зайцева И.С., Барабанова Е.А. Экстремальные гидрологические ситуации и мероприятия по защите от них [Электр. ресурс] // Труды XIV съезда РГО. 2010. Т. III. Ч. 2. С. 165-168 [CD-ROM].
14. Водная экосистема Нижнего Дона: многолетние изменения качества воды. СПб.: Гидрометеоиздат, 2006. С. 79-82.
Сведения об авторах:
Лобченко Евгения Ефимовна, канд. хим. наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУ «Гидрохимический институт» Росгидромета (ФГБУ ГХИ), Россия, 344090, Ростов-на-Дону, просп. Стачки, 198; e-mail: [email protected]
Минина Лидия Ивановна, канд. хим. наук, заместитель директора по научной работе, ФГБУ «Гидрохимический институт» Росгидромета (ФГБУ ГХИ), Россия, 344090, Ростов-на-Дону, просп. Стачки, 198; e-mail: [email protected]
Ничипорова Ирина Павловна, старший научный сотрудник, ФГБУ «Гидрохимический институт» Росгидромета (ФГБУ ГХИ), Россия, 344090, Ростов-на-Дону, просп. Стачки, 198. e-mail: [email protected]
Первышева Ольга Александровна, научный сотрудник, ФГБУ «Гидрохимический институт» Росгидромета (ФГБУ ГХИ), Россия, 344090, Ростов-на-Дону, просп. Стачки, 198; e-mail: [email protected]
Водное хозяйство России № 6, 2016 г.
