CC BY
75
УДК 574.5
DOI: 10.24411/1728-323X-2019-14064
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЯЧЕНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА ГОРОДА КАЛУГИ
И. Н. Лыков, д. б. н., профессор, научный руководитель института естествознания, КГУ им. К. Э. Циолковского, linprof47@yandex.ru, Калуга, Россия, Н. Б. Лобода, к. б. н, зав. кафедрой медико-биологических дисциплин института естествознания, КГУ им. К. Э. Циолковского, medbiokaf@yandex.ru,Калуга, Россия, Е. Э. Кубо, студентка 4 курса КГУ им. К. Э. Циолковского, koobo97@icloud.com, Калуга, Россия
В статье представлены основные характеристики Яченского водохранилища, которое является наиболее посещаемым эколого-культурным и рекреационным объектом города Калуги. Приведены результаты многолетних гидрохимических и микробиологических наблюдений за качественными показателями воды Яченского водохранилища. Отмечены особенности изменения сезонной динамики количественных характеристик химического и биохимического потребления кислорода (ХПК и БПК) и фосфатов. Статья содержит сведения о ежегодном поступлении наносов в водохранилище в составе поверхностного стока. Показано, что основная часть наносов поступает в период весеннего половодья и во время дождей. Известно, что донные отложения, и в первую очередь илы, содержащие большое количество органики и микроорганизмов, являются сорбентами тяжелых металлов. Исследования показали незначительное превышение ПДК подвижных форм металлов, содержащихся в илах Яченского водохранилища. Показана многолетняя динамика содержания тяжелых металлов в пробах воды и грунта Яченского водохранилища. Дана ретроспективная оценка микробиологического загрязнения водоема кишечной микрофлорой. Полученные результаты имеют существенное значение в оценке и прогнозировании геоэкологической ситуации с целью принятия управленческих решений. Это необходимо также для обеспечения устойчивого развития города.
The article presents the main characteristics of the Yachensky Reservoir, which is the most visited ecological-cultural and recreational object of the city of Kaluga. The results of long-term hydro-chemical and microbiological observations of the water quality indicators of the Yachensky Reservoir are given. The features of changes in the seasonal dynamics of the quantitative characteristics of chemical and biochemical oxygen consumption (COD and BOD) and phosphates are identified. The article contains the data on the annual flow of sediment into the reservoir in the composition of surface runoff. It is shown that the main part of sediment flows during the spring flood and during the rains. It is known that the bottom sediments, and first of all the sludge, containing a large amount of organic matter and microorganisms, are sorbents of heavy metals. The studies have shown a slight excess of the MPC of mobile forms of metals contained in silts of the Yachensky Reservoir. The long-term dynamics of the content of heavy metals in water and soil samples of the Yachensky Reservoir is shown. The retrospective assessment of microbiological contamination of the reservoir by intestinal microflora is given. The results obtained are essential in assessing and predicting the geo-ecological situation in order to make management decisions. It is also necessary to ensure the sustainable development of the city.
Ключевые слова: водохранилище, физико-химические исследования, микробиологические показатели.
Keywords: reservoir, physical-chemical studies, microbiological indicators.
Введение. Городские пруды и озера обладают особой рекреационной привлекательностью. Они являются прекрасным композиционным элементом городского ландшафта и зачастую становятся одним из главных факторов организации повседневного отдыха населения, улучшения окружающей среды городов. Их рекреационный потенциал является наиболее важным аспектом экосистемных услуг для городских жителей [1—3].
Самым большим искусственным водоемом города Калуги является Яченское водохранилище. Оно является наиболее посещаемым эколого-культурным и рекреационным объектом города. Поэтому эколо-го-гигиенический мониторинг этого водохранилища приобретает особую актуальность.
Методы исследования
Для проведения исследований с акватории водохранилища в течение нескольких лет в различные сезоны года отбирали пробы воды и грунта (ила) из 7 точек (рис. 1).
Большинство проб отобраны по периметру водохранилища на расстоянии 3 м от берега. Одна проба (4) отобрана в средней части водохранилища (400 м от берега). Пробы отбирали с помощью батометра. В пробах воды из точек 1—7 исследовали физико-химические и микробиологические показатели. Пробы ила отбирали в точках 1, 2, 3, 4, 7. Объем и методы исследований представлены в таблице 1.
Результаты исследования
Яченское водохранилище создано в 1979 году в устье реки Яченки и заполнено в паводок 1980 года в результате перекрытия приустьевой части долины реки Ячейки каменно-набросной плотиной у южной окраины г. Калуги. Длина водохранилища 2,5 км, максимальная ширина — 800 м, максимальная глубина — 7 м, а средняя глубина — 1,3 м. Площадь зеркала водохранилища составляет 230 га, полный объем — 6500 тыс. м3. Донные отложения Яченского водохранилища представлены серыми илами мощ-
о2
О1
40
Яченское бд*о 6
Г/
7 /
^ Музей истории КРСНОНЗКГИкИ
Щ!
5о*
№
Ш
у. т.
'"У*,
СЕ
Уп.
к
Л-
Рис. 1. Точки отбора проб воды и грунта из Яченского водохранилища
ностью 0,2—0,9 м, в наиболее глубоких местах — до 1,9 м, покрывающих заиленную почву и пески.
Водный баланс водохранилища определяется поступлением воды из реки Яченки и ее расходом на водосливе. Годовой сток реки Яченки на входе в Яченское водохранилище колеблется от 209 тыс. м3 в феврале до 17 275 тыс. м3 в апреле. Средний годовой сток реки Яченки составляет 2111,75 тыс. м3.
Общий объем организованных стоков, поступающих со стороны города в водохранилище через водоотводящую систему поверхностного стока, составляет около 609 тыс. м3 в год. В структуре стоков преобладают ливневые воды (50 %). Объем талых вод составляет 30 % годового стока, что в значительной степени обусловлено зимней уборкой территорий с вывозом снега.
Сток воды в сухую погоду обусловлен дренажными водами и водами естественных ручьев, заключенных в коллекторы. Сток воды в дождь характеризует смыв с водосборных территорий. Эти особенности влияют на состав сточных вод, образующихся на урбанизированных частях водосборной площади водохранилища (табл. 2).
Наглядным показателем, характеризующим содержание в воде органических и минеральных веществ, является химическое потребление кислорода. Этот показатель является наиболее информативным и интегральным при оценке антропогенного загрязнения вод [4]. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в теплый период значения ХПК и БПК5 возрастают по сравнению с холодным периодом (рис. 2). Это связано с изменением температуры
воды, влияющей на химические и биологические процессы.
Превышение БПК5 в 3—5 раз свидетельствует о повышенном суммарном содержании органических веществ в водоеме [4]. Но соотношение БПК5/ХПК свидетельствует об устойчивости
Таблица 1
Объем и методы исследований проб воды и ила Яченского водохранилища
Объем исследований
Водородный показатель (рН) Массовая концентрация растворенного кислорода Биохимическое потребление кислорода (БПК5) Химическое потребление кислорода (ХПК) Содержание хлоридов Содержание сульфатов Массовая концентрация ионов аммония
Массовая концентрация нитрит-ионов
Массовая концентрация нитрат-ионов
Массовая концентрация нефтепродуктов
Содержание фосфатов Массовая концентрация тяжелых металлов
Общие колиформные, термотолерантные колиформные бактерии, коли-фаги
Методы исследований
ПНД Ф14.1:2:3:4.121-97 ПНД Ф 14.1:2.101-97
ПНД Ф 14.1:2:3:4.12397
ПНД Ф 14.1:2:4.190-03
ПНД Ф 14.1:2.96-97 ПНД Ф 14.1:2.159-2000 ПНД Ф 14.1:2.1-95
ПНДФ 14.1:2:4.3-95
ПНД Ф 14.1:2:4.4-95
ПНД Ф 14.1:2:4.128-98
ГОСТ 18309-2014 ПНД Ф 14.1:2:4.214-06
МУК 4.2.1884-04
Таблица 2
Результаты физико-химического исследования стока воды, поступающей в водоем с территории города
Концентрация, мг/дм3
Показатели ПДК сток воды из коллектора сток воды с водосборных территорий в дождь
Водородный 7,5 7,6 ± 0,3 6,7 ± 0,2
показатель (рН)
Сухой остаток 1000 573 ± 14,8 465 ± 15,1
Сульфаты 100 88,5 ± 2,4 43,7 ± 1,6
Хлориды 300 108,6 ± 11,3 48,6 ± 5,3
БПК5, _ не более 7,6 ± 0,44 27,1 ± 1,8
мгО^дм3 2,1
Азот 0,5 0,98 ± 0,12 0,19 ± 0,02
аммонийный
Азот нитритный 0,02 0,13 ± 0,02 0,015 ± 0,001
Азот нитратный 40,0 2,75 ± 0,6 0,91 ± 0,03
Железо 0,1 1,8 ± 0,03 4,5 ± 0,1
Медь 0,001 0,026 ± 0,03 0,054 ± 0,01
Цинк 0,01 0,18 ± 0,01 1,23 ± 0,3
Хром 0,05 0,007 ± 0,0001 0,009 ± 0,0001
Никель 0,01 0,065 ± 0,002 0,98 ± 0,005
Марганец 0,01 0,019 ± 0,0001 0,27 ± 0,004
Январь Апрель Июль Сентябрь Декабрь
Рис. 2. Динамика изменений показателей ХПК и БПК5 в воде Яченского водохранилища в зависимости от времени года
-- .Ж----- /1 жч 1\ • Азот аммонийный • Азот нитритный -Ж - Азот нитратный • Фосфаты
ж 14 X.
-- / -1-
Январь Апрель
Июль
Сентябрь Декабрь
Рис. 3. Динамика поступления соединений азота и фосфатов в Яченское водохранилище
водной экосистемы Яченского водохранилища. Критерий устойчивости находится в пределах 0,2—0,34 при рекомендуемом < 0,5 [4].
Величины других показателей, за исключением нитритов, не превышали значений, регламентированных ПДК для рыбохозяйственных водоемов (табл. 3).
Большой интерес представляют компоненты азотной группы и фосфаты как питательные вещества, способствующие росту и развитию микроводорослей. Азотная группа представлена аммонием, нитритами и нитратами, количественные характеристики которых зависят от времени года. С наступлением теплого периода содержание нитритов снижается, а концентрация нитратов увеличивается, что свидетельствует об активизации процессов самоочищения.
В результате более активного поступления органических загрязнений во время весеннего половодья увеличивается концентрация азота аммонийного и фосфора. Наибольшее количество фосфатов, нитритов и нитратов фиксируется в
весенний период, а аммонийного азота — в летний период (рис. 3).
К наиболее значимым компонентам поверхностных вод городских водохранилищ относятся тяжелые металлы. Многие металлы образуют прочные комплексы с органикой и являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах [5]. Проведенные нами исследования показали устойчивое снижение концентрации тяжелых металлов в воде водохранилища за последние 12 лет и постепенное их накопление в богатых органикой донных отложениях Яченс-кого водохранилища. Причем динамика содержания тяжелых металлов в воде водоема корре-лируется с динамикой накопления валовых форм тяжелых металлов в илах. С одной стороны, это свидетельствует о процессах самоочищения, а с другой — о потенциальной опасности десорбции. Процессы десорбции могут активизироваться при подкислении воды водохранилища. Содержание тяжелых металлов в воде водохранилища представлено в таблице 4.
Таблица 3
Результаты физико-химического исследования проб воды Яченского водохранилища
Точки отбора
1 2 3 4 5 6 7
6,5 ± 0,1 6,7 ± 0,2 6,4 ± 0,1 6,7 ± 0,3 6,6 ± 0,2 6,4 ± 0,1 6,5 ± 0,2
12,1 ± 0,3 12,4 ± 0,3 17,7 ± 0,5 14.6 ± 0,3 11,1 ± 0,2 12,8 ± 0,3 15,1 ± 0,3
5,8 ± 0,4 9,7 ± 0,4 7,7 ± 0,3 7,1 ± 0,4 5,9 ± 0,3 6,6 ± 0,2 7,8 ± 0,2
29,3 33,7 30,3 0,4 ± 0,5 ± 0,2 ± 0,2 0,02 28,7 33,1 31,1 0,43 ± 0,3 ± 0,2 ± 0,2 ± 0,02 31.8 ± 33.9 ± 32,8 ± 0,51 ± 0,4 0,3 0,3 0,01 27,7 ± 0,5 33,3 ± 0,3 32,2 ± 0,2 0,45 ± 0,01 25.3 30.4 29,3 0,5 ± ± 0,3 ± 0,2 ± 0,2 0,03 21,1 ± 29,1 ± 28,6 ± 0,47 ± 0,3 0,2 0,2 0,02 20,8 ± 28,7 ± 27,4 ± 0,41 ± 0,3 0,2 0,2 0,02
0,05 ± 0,001 0,04 ± 0,001 0,05 ± 0,01 0,049 ± 0,002 0,03 ± 0,01 0,033 ± 0,01 0,02 ± 0,01
0,23 ± 0,02 0,38 ± 0,01 0,55 ± 0,02 0,043 ± 0,03 0,27 ± 0,01 0,23 ± 0,01 0,029 ± 0,02
Показатели
ПДК,
мг/дм3
Водородный показатель, ед. рН Растворенный кислород БПК5, мгО^дм
3
ХПК, мгО2/дм3 Хлориды, мг/дм3 Сульфаты, мг/дм3 Азот аммонийный, мг/дм3
Азот нитритный, мг/дм3
Азот нитратный, мг/дм3
6,5—8,5
не менее 6,0 не более 2,1 до 30,0 300 100 0,5
0,02
40,0
Железо ♦ Медь ■ Цинк Хром • Никель -ж- Марганец
2006 2008
2010 2012 2014 Годы наблщдений
2016 2018
Рис. 4. Многолетняя динамика содержания тяжелых металлов в воде Яченского водохранилища
250
200-
1995
2000
2005 2010 Годы наблюдений
2015
2018
Рис. 5. Многолетняя динамика изменения валового содержания тяжелых металлов в илах Яченского водохранилища
Сокращение объема сбросов в водохранилище сточных вод промышленных предприятий способствовало снижению концентраций тяжелых металлов (рис. 4).
Одним из факторов, способствующих деградации водохранилищ, является их заиление. Донные отложения, и в первую очередь илы, содержащие большое количество органики и микроорганизмов, являются сорбентами тяжелых металлов [6]. Исследования показали незначительное превышение ПДК подвижных форм металлов, содержащихся в илах Яченского водохранилища (табл. 5). Но поскольку илы являются хорошим сорбентом тяжелых металлов, то наблюдается динамика увеличения их валового содержания (рис. 5, 6).
Накопление тяжелых металлов свидетельствует о хорошей сорбционной способности донных илов и процессах самоочищения водоема.
Одним из важных показателей санитарно-гигиенического состояния водоема является бакте-
40000
1995 2000 2005 2010 2015 Годы наблюдений
2018
Рис. 6. Многолетняя динамика валового содержания тяжелых металлов в илах Яченского водохранилища
риальное загрязнение и присутствие возбудителей бактериальных кишечных инфекций. Результаты ретроспективных исследований (рис. 7) показывают постепенное снижение количества термотолерантных колиформных бактерий (ТКБ),
Содержание тяжелых металлов (мг/дм3) в воде Яченского водохранилища
Таблица 4
Показатели ПДК, мг/дм3 Точки отбора
1 2 3 4 5 6 7
Железо Медь Цинк Хром Никель Марганец 0,1 0,001 0,01 0,05 0,01 0,01 0,15 ± 0,01 0,001 ± 0,0004 0,007 ± 0,001 0,003 ± 0,001 0,005 ± 0,0001 0,01 ± 0,001 0,17 ± 0,02 0,0009 ± 0,0001 0,007 ± 0,001 0,002 ± 0,0001 0,003 ± 0,0001 0,01 ± 0,001 0,34 ± 0,03 0,001 ± 0,0004 0,009 ± 0,001 0,009 ± 0,0002 0,007 ± 0,0002 0,017 ± 0,002 0,17 ± 0,02 0,0009 ± 0,0001 0,007 ± 0,001 0,005 ± 0,0001 0,006 ± 0,0001 0,009 ± 0,0001 0,16 ± 00,2 0,0009 ± 0,0001 0,007 ± 0,001 0,003 ± 0,0001 0,004 ± 0,0001 0,009 ± 0,0001 0,14 ± 0,01 0,0009 ± 0,0001 0,007 ± 0,001 0,003 ± 0,0001 0,002 ± 0,0001 0,009 ± 0,0001 0,11 ± 0,01 0,001 ± 0,0004 0,007 ± 0,001 0,003 ± 0,0001 0,001 ± 0,0001 0,009 ± 0,0001
Таблица 5
Содержание подвижных форм тяжелых металлов (мг/кг) в илах Яченского водохранилища
Показатели ПДК, мг/кг Точки отбора
1 2 3 4 7
Медь Цинк Никель Марганец 3,0 23,0 4,0 1500,0 3,6 ± 0,55 19,8 ± 0,81 1,1 ± 0,03 640,0 ± 112 3,4 ± 0,62 17,7 ± 0,47 0,95 ± 0,06 791 ± 134 11,3 ± 0,74 26,5 ± 5,3 2,8 ± 0,32 1670 + 231 3,9 ± 0,91 21,8 ± 0,72 0,75 ± 0,05 814 ± 113 2,72 ± 0,33 17,3 ± 0,41 0,84 ± 0,04 717 ± 192
2500-
2000-
1500-
1000-
500
1995
2000
2005
2015
2018
Рис. 7. Динамика изменений микробиологических показателей воды Яченского водохранилища
общих колиформных бактерий (ОКБ) и кишечных фагов (коли-фаги).
Это возможно связано с уменьшением объемов сброса сточных вод промышленных предприятий и ливневых вод. Однако эти показатели превышают нормативные требования, что не позволяет в полной мере использовать водоем для купания.
Выводы
1. Качество воды в водохранилище по отдельным показателям превышает нормативы для ры-бохозяйственных водоемов, но соответствует требованиям, установленным для водоемов культурно-бытового водопользования.
2. Соотношение БПК5/ХПК (критерий устойчивости 0,2—0,34) свидетельствует об устойчивости водной экосистемы Яченского водохранилища.
3. Во время весеннего половодья увеличивается концентрация азота аммонийного и фосфора.
4. Наблюдается устойчивое снижение концентрации тяжелых металлов в воде водохранилища за последние 12 лет и постепенное их накопление в богатых органикой донных отложениях Яченс-кого водохранилища.
5. Полученные результаты имеют существенное значение в оценке и прогнозировании геоэкологической ситуации с целью принятия управленческих решений для улучшения экологи -ческой ситуации на Яченском водохранилище и полноценной реализации экосистемных услуг.
Библиографический список
1. Steinman A. D., Cardinale B. J., Munns W. R. Jr., Ogdahl M. E. et al. Ecosystem services in the Great Lakes. // Journal of Great Lakes Research. 2017. V. 43, Issue 3, Р. 161—168.
2. Grunewald K., Bastian O. Maintaining Ecosystem Services to Support Urban Needs. // Sustainability. 2017, V. 9 (9). Р. 1647. https://doi.org/10.3390/su9091647
3. Schallenberg M., de Winton M. D., Verburg P., et al. Ecosystem services of lakes. Ecosystem services in New Zealand — conditions and trends. Manaaki Whenua Press, Lincoln, New Zealand (PDF) Ecosystem Services of Lakes. 2013. Р. 115—225.
4. Пономарева Л. С. К вопросу о плате за загрязнение водных объектов // Водоснабжение и санитарная техника. 2010. № 9. С. 20—30.
5. Фащевская Т. Б., Мотовилов Ю. Г., Шадиянова Н. Б. Природные и антропогенные изменения содержания железа, меди и цинка в водотоках республики Башкортостан // Водные ресурсы. 2018. Т. 45. № 6. С. 619—633.
6. Лыков И. Н., Логинов А. А., Кулишов С. А. Использование процессов биосорбции для повышения эффективности очистки сточных вод и предотвращения экологического ущерба // Вестник Калужского университета. 2014. № 3. С. 5—10.
GEO-ECOLOGICAL FEATURES OF THE YACHENSKY RESERVOIR OF THE CITY OF KALUGA
I. N. Lykov, Ph. D. (Biology), Dr. Habil., Professor Kaluga State University named after K. E. Tsiolkovsky Scientific supervisor of Institute of Natural sciences, linprof47@yandex.ru, Kaluga, Russia,
N. B. Loboda, Ph. D. (Biology), Tsiolkovsky Kaluga State University Head of the Department of Biomedical Disciplines of the Institute of Natural Sciences, medbiokaf@yandex.ru, Kaluga, Russia;
E. E. Kubo, Undergraduate, Tsiolkovsky Kaluga State University, koobo97@icloud.com, Kaluga, Russia References
1. Steinman A. D., Cardinale B. J., Munns W. R. Jr., Ogdahl M. E. et al. Ecosystem services in the Great Lakes. Journal of Great Lakes Research. 2017. V. 43, Issue 3, P. 161—168.
2. Grunewald K., Bastian O. Maintaining Ecosystem Services to Support Urban Needs. Sustainability. 2017, V. 9 (9). P. 1647. Electronic resource evaluable at: https://doi.org/10.3390/su9091647
3. Schallenberg M., de Winton M. D., Verburg P., et al. Ecosystem services of lakes. Ecosystem services in New Zealand — conditions and trends. Manaaki Whenua Press, Lincoln, New Zealand (PDF) Ecosystem Services of Lakes. 2013. P. 115—225.
4. Ponomareva L. S. K voprosu o plate za zagryaznenie vodnyh ob'ektov [On the issue of payment for pollution of water bodies]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika. 2010. No. 9. P. 20—30. [in Russian].
5. Fashchevskaya T. B., Motovilov Yu. G., Shadiyanova N. B. Prirodnye i antropogennye izmeneniya soderzhaniya zheleza, medi i cinka v vodotokah respubliki Bashkortostan [Natural and anthropogenic changes in the content of iron, copper and zinc in the waterways of the Republic of Bashkortostan]. Vodnye resursy. 2018. Vol. 45. No. 6. P. 619—633. [in Russian].
6. Lykov I. N., Loginov A. A., Kulishov S. A. Ispol'zovanie processov biosorbcii dlya povysheniya effektivnosti ochistki stochnyh vod i predotvrashcheniya ekologicheskogo ushcherba [The use of biosorption processes to improve the efficiency of wastewater treatment and prevent environmental damage]. Vestnik Kaluzhskogo universiteta. 2014. No. 3. P. 5—10. [in Russian].
