CC BY
35УДК 504.064 doi:10.23968/2305-3488.2017.22.4.26-39
ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ СТОК РЕК БАССЕЙНА ОКИ
Джамалов Р. Г., Мягкова К. Г., Никаноров А. М., Решетняк О. С., Сафронова Т. И., Трофимчук М. М.
HYDROCHEMICAL RUNOFF OF THE OKA BASIN'S RIVERS
Dzhamalov R. G., Myagkova K. G., Nikanorov A. M., Reshetnyak O. S., Safronova T. I., Trofimchuk M. M.
Аннотация
Рассмотрено изменение динамики и направленность при-родно-антропогенных гидрохимических процессов. Выполнен пространственно-временной анализ распределения основных источников загрязнения и влияния основных химических показателей на качество природных вод бассейна Оки. Представлены карты распределения критических показателей загрязненности вод по площади бассейна, а также площадное распределение удельного комбинаторного индекса загрязненности вод за различные временные интервалы. Приведены показатели качества речных вод Оки и их динамика за 1990-2015 гг.
Ключевые слова: речной сток, подземные воды, загрязнение, химические ингредиенты, качество воды, экология
Введение
Прогрессирующее загрязнение компонентов окружающей среды атмосферными выпадениями и сточными водами в течение последних десятилетий вызвало изменение динамики и направленность природно-антропогенных гидрохимических процессов. Различные источники загрязнения оказывают существенное непосредственное влияние на поверхностные и подземные воды как основной среды и фактора миграции и трансформации химических элементов и их соединений.
Многочисленные исследования количественных и качественных изменений в состоянии водных объектов (рек, озер, водоносных горизонтов) направлены не только на выявление региональных пространственно-временных закономерностей, но и на разработку и обоснование прогнозов гидробиогеохимических характеристик водной среды в ближайшей и отдаленной перспективе при различных сценариях эволюции климата и развития экономики.
Abstract
The dynamics change and the direction of natural-anthropogenic hydrochemical processes are considered. A spatio-temporal analysis of the distribution of major sources of pollution and the influence of basic chemical indicators on the quality of the natural waters of the Oka basin has been performed. Maps of the distribution of critical indicators of water pollution by area of the basin are presented, as well as the area distribution of the specific combinatorial index of water pollution at different time intervals. The indicators of the quality of the Oka river waters and their dynamics for 1990-2015 are given.
Keywords: river run-off, groundwater, contamination, chemical ingredients, water quality, ecology
Высокая нагрузка на водные ресурсы и гидроэкосистемы и изменение естественных условий стока гидротехническими сооружениями привели к нарушению компонентного состава водной среды, гидрохимических и внутриводоемных процессов. Данные мониторинга водных объектов свидетельствуют о постоянных изменениях в содержании основных контролируемых абиотических и биотических параметрах водной среды. Под влиянием постоянных воздействий на наиболее загрязненных участках речных и озерных систем нередко наблюдается экологический регресс отдельных сообществ водных организмов. Таким образом, количественное истощение и ухудшение качества водных ресурсов — наиболее актуальная проблема отдельных регионов страны и речных бассейнов, включая р. Оку.
Река Ока — крупный правый приток р. Волги, на долю которого в волжском бассейне приходится 18 % территории и 16 % объема водных ресурсов. Длина реки составляет 1500 км. Общая площадь бассейна Оки составляет 245 тыс. км2 в центре Европейской части России и охватывает
16 административных субъектов Российской Федерации, включая Москву, несколько областных центров, сотни городов и поселков городского типа, тысячи сельских населенных пунктов.
В бассейне Оки насчитывается 19 234 реки, из них 17 618 (или 91,6 %) малые реки с длиной менее 10 км. Общая длина всех рек бассейна оценивается в 90,6 тыс. км. Средняя густота речной сети — 0,37 км/км2. Она снижается до 0,2-0,3 км/км2 на территории Мещёрской низменности (р. Пра, Гусь) и карстовых районах (р. Теша, Зуша) и возрастает до 0,5-0,6 км/км2 в пределах Смоленско-Московской возвышенности (р. Воря, Пекша, Колокша). Самые крупные притоки Оки — р. Мокша с притоком Цной, Клязьма, Москва, Угра [2].
Вода служит ведущим лимитирующим фактором социально-экономического развития районов бассейна. В связи с этим выполнен анализ пространственно-временного распределения современных водных ресурсов бассейна р. Оки и степени их изменений за последние десятилетия под влиянием климата и антропогенных воздействий. Наряду с этим уточнены факторы формирования химического состава речных и подземных вод бассейна, а также источники основных загрязнений и их динамика с построением хронологических графиков и карт распространения основных химических показателей.
Климат на территории бассейна Оки умеренно-континентальный с холодной зимой и относительно теплым летом. Континентальность климата увеличивается с северо-запада на юго-восток. Среднегодовая температура воздуха изменяется от 1,4 °С на северо-востоке до 4,8 °С на юге и юго-западе.
Средняя многолетняя сумма осадков уменьшается с северо-запада на юго-восток от 800 до 600 мм/год. В многолетнем колебании суммы осадков прослеживается некоторая цикличность с чередованием маловодных и многоводных периодов продолжительностью от 2-4 до 10-20 лет. Во влажные годы, повторяемостью 1 раз в 20 лет (5 %-ная обеспеченность), объем осадков на 3340 % выше, а в сухие годы с периодичностью от 2 до 7-10 лет — на 30-40 % ниже нормы. Большая часть осадков (60-70 %) выпадает в тёплый период с апреля по октябрь, с максимумом в июле-августе, а наименьшее их количество приходит-
ся на февраль-март. Жидкие осадки составляют 60-70 %, твердые — 15-25 и смешанные около 10-15 % общего их количества [2].
Потепление на территории России в ее регионах продолжает развиваться и в 2016 г., который стал пятым среди самых теплых лет с 1936 г., а лето оказалось рекордно теплым с аномалией 1,78 °С (предыдущий максимум зафиксирован летом 2010 г. — 1,77 °С). Скорость потепления зимних, весенних, летних сезонов по сравнению с 1976-2015 гг. в среднем по регионам увеличилась на ~ 0,02 °С за 10 лет. Средняя годовая сумма осадков в 2016 г. по России составила 107 % нормы. Избыток осадков наблюдался в европейской части России (кроме севера и востока). Зимой 2015/16 гг. в целом по РФ выпало 121 % нормы осадков, а на территории европейской части России — 138 % (исторический максимум). Кроме того, на большей части европейской части России в теплый сезон также наблюдался некоторый избыток осадков в сентябре (в Приволжском ФО выпало 173 % нормы) [14].
Устойчивый снежный покров на северо-востоке бассейна образуется во второй половине ноября, на юго-западе — в первой декаде декабря. Наибольшая высота снежного покрова составляет на северо-востоке 55-65 см, в центральной части — 35-55 см и на юге — 25-30 см.
Снеговое питание рек бассейна Оки преобладает над другими генетическими составляющими речного стока и достигает 60-65 %. Однако в последние десятилетия роль подземной составляющей постепенно возрастает до 35-40 % и более. В многоводный паводок подъем уровня в Оке достигает 12 м у г. Каширы. Скорость течения в паводок составляет 2,5 м/с, в межень снижается до 0,6-1 м/с [2, 8].
Речной сток бассейна Оки отражают фоновые условия его формирования в центральной части европейской России. Разностные интегральные кривые для четырех характеристик стока (годовой, меженный, минимальный месячный сток зимней и летней межени) показывают общее увеличение водности для всех характеристик с середины семидесятых годов.
Колебания среднегодовых расходов воды Оки в г. Горбатове в 1930-х годах составляли 1000-1200, тогда как в 2000-х годах они достигали уже 1300-1400 м3/с, т. е. среднее увеличение
расходов воды за 1930-2012 гг. составило свыше 40 м3/с за 10 лет.
При анализе многолетних колебаний стока рек бассейна проявляется цикличность этого процесса при общей тенденции к его увеличению, т. е. прослеживается чередование фаз повышенной и пониженной водности. Продолжительность полного цикла колебаний стока составляет примерно 30 лет, что соответствует репрезентативной длине ряда гидролого-климатических характеристик.
Среднемноголетние величины стока снижаются с северо-запада на юго-восток. Его удельные характеристики в верхнем течении Оки (до г. Калуги) составляют 6-7 л/(скм2). Наибольшие значения (7-9 л/(с км2)) наблюдаются в северной и северо-западной частях региона — в бассейнах рр. Москвы, Нерли, Клязьмы. Правобережные притоки нижнего течения Оки отличаются более низкими значениями модуля стока — 4-5, снижаясь в бассейне Цны до 3-4 л/(скм2). Аналогичный характер колебаний прослеживаются для характеристик подземного стока в наиболее критический лимитирующий месяц как в течение летне-осеннего (У1-Х), так и зимнего (Х1-Ш) периодов [6].
Вместе с тем в бассейне прослеживается увеличение роли базисного, преимущественно подземного, стока в суммарном годовом стоке. За период с 1930 по 2012 год его роль возросла примерно в 1,5 раза. Столь существенный рост подземной составляющей речного стока обусловлен потеплением холодного сезона в течение 1975-2016 гг., что приводит к снижению промерзания почвы, увеличению влажности зоны аэрации и соответствующему повышению абсолютной и удельной величин питания подземных вод, их стока и возобновляемых ресурсов.
Колебания стока подземных вод по площади бассейна носят синхронный характер, что говорит о том, что даже на малых водосборах сказалось общее увеличение увлажненности. Наиболее высокие значения стока (6-8 л/(скм2)) свойственны бассейну р. Москвы, низовьям Оки (от г. Касимова до г. Горбатова) и нижнему течению р. Клязьмы. Наименьшими величинами стока подземных вод обладает юго-восточная часть бассейна, но на участке с минимальными модулями подземного стока наблюдается их наибольшее увеличение, до 100 %. Здесь же происходит рост характеристик летней и зимней межени, а также минимальных месячных модулей стока.
Современные суммарные водные ресурсы в бассейне Оки составляют 43,1 км3/год и возросли за 1976-2012 гг. в среднем на 18 % (табл. 1) Проведенный статистический анализ выявил существование неоднородности в многолетних колебаниях стока по всем исследуемым характеристикам (критерий Стьюдента), а также снижение изменчивости минимального месячного зимнего и летнего стока [7, 8].
Главную роль в формировании речного стока и его генетических составляющих играет, прежде всего, климат, с которым преимущественно связаны изменения удельных и абсолютных характеристик стока последних десятилетий. Существенное влияние на режим стока имеют особенности распределения годовых и сезонных температур и осадков по территории речного бассейна. От особенностей отмеченного выше пространственно-временного изменения этих характеристик существенно зависят величины поверхностного и подземного стока. Наибольшая водность для большинства рек бассейна на-
Таблица 1
Водные ресурсы в бассейне Оки и их изменение (Су) за 1932-2012 гг. (р. Ока - г. Горбатов) [5]
Период Показатель Ш, км3/год Ш , км3/год подз' ^ Ш . месячный, км3/год мин ' ^
Зима Лето-осень
1946-1977 Среднее 36,5 20,2 14,5 16,6
СУ 0,22 0,21 0,24 0,23
1978-2012 Среднее 43,1 29,4 24,3 23,8
СУ 0,18 0,15 0,21 0,18
Изменение, % 18 46 67 43
F — критерий Фишера 0,97 1,10 2,20 1,29
t — критерий Стьюдента -3,54 -9,02 -9,30 -7,46
а)
Кос тройская о»
Рис. 1. Годовой (а) и меженный (б) сток бассейна Оки (осредненные за период 1978-2012 гг.) [1, 5]
блюдалась в 1994 г. и составляла 100-171 % от средней многолетней, а наименьшая водность в 2011 г. 58-80 % от средних значений.
Изменения общих величин стока в бассейне составляют 20-30 % (рис. 1, а). При этом интенсивный рост стока (до 50 %) наблюдается на участках от г. Каширы до с. Половского и от г. Касимова до г. Горбатова. Наиболее высокая изменчивость общего стока свойственна юго-восточной части бассейна, правобережным притокам нижнего течения Оки (бассейны рр. Цны, Мокши, Теши, Вады). Распределение меженного (подземного) стока в Окском бассейне носит неравномерный характер (рис. 1, б). Наиболее высокие его значения характерны нижнему течению Оки (от г. Касимова до г. Горбатова), бассейнам р. Москвы и Клязьмы, где модули стока достигают 7-8 л/(скм2). Для остальных рек прирост величин меженного стока составляет около 50-70 %, снижаясь на участках от г. Калуги до г. Каширы и от с. Половского до г. Касимова до 15-20 %.
Химический состав речных вод
В зависимости от ландшафтно-климатических условий водосборов рек и состава водовмещаю-щих пород водоносных горизонтов в бассейне выделяются участки рек с различной минерализацией: очень малой — менее 100 мг/дм3, малой — 100-200 мг/дм3, средней — 200-500 мг/дм3, повышенной — 500-1000 мг/дм3 и высокой минерализацией воды — свыше 1000 мг/дм3 [10, 11].
Известно, что ухудшение качества вод бассейна помимо природных факторов их формирования связано с развитием металлургической, химической, целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей и других видов промышленности в бассейне с токсичными отходами.
Отрицательные тенденции в качестве вод приводят к ухудшению экологического состояния водотоков и водоемов, что обусловлено, прежде всего, сбросом неочищенных стоков с территорий городов, сельскохозугодий и предприятий. Кроме того, практически постоянным источником вторичного загрязнения речных вод служат донные отложения.
Методика исследования
Оценка многолетней динамики качества воды и степени ее загрязненности проведена на основе сочетания дифференцированного и комплексного способов оценки. Комплексная оценка позволяет судить о гидрохимическом состоянии водной среды по ряду показателей качества воды и классифицировать степень ее загрязненности при антропогенной нагрузке. К наиболее информативным комплексным показателям качества воды относятся [1]:
• удельный комбинаторный индекс загрязненности воды (УКИЗВ);
• класс качества воды (ККВ).
Значение УКИЗВ изменяются в зависимости от степени загрязненности вод от 1 до 16. Большему значению индекса соответствует худшее
Таблица 2
Характеристика качества речных вод бассейна Оки
Наименование водного объекта, пункта наблюдений, расположение створа Средняя концентрация загрязняющих веществ (Сср), мг/л
бпк5 ХПК N(NO3) Р(РО43-) НФПР
р. Ока, г. Орел; 4 км выше города 2,65 18,20 0,525 0,026 1,005 0,042 0,04
р. Ока, г .Калуга; 4 км выше города 1,58 12,68 0,378 0,022 0,465 0,078 0,01
р. Ока, г. Алексин; 5 км выше города 2,49 21,66 0,331 0,019 1,059 0,058 0,06
р. Ока, г. Серпухов; 4,5 км выше впад. р. Нары 3,05 20,90 0,651 0,039 0,720 0,106 0,10
р. Ока, г. Кашира; выше города 3,40 21,93 0,666 0,042 0,662 0,113 0,11
р. Ока, г. Коломна; 0,2 км выше города 2,98 23,00 0,724 0,050 0,786 0,099 0,09
р. Ока, г. Рязань; 13 км выше города 2,61 17,08 0,631 0,075 1,686 0,240 0,04
р. Ока, г. Касимов; 2 км выше города 3,07 22,98 0,510 0,043 1,522 0,151 0,09
р. Ока, г. Муром; 4 км выше города 5,07 20,35 0,458 0,028 1,018 0,210 -
р .Ока, г. Горбатов; в черте города 2,87 28,86 0,317 0,034 1,665 0,108 0,04
р. Упа, г Тула; 3 км выше города 2,95 23,76 0,468 0,093 2,643 0,094 0,07
р. Москва, г Звенигород; 0,3 км выше города 2,76 19,46 0,597 0,028 0,539 0,067 0,10
р. Москва, г Коломна; 0,1 км выше устья реки 4,69 32,73 2,526 0,203 3,001 0,540 0,17
р. Истра, д. Павловская Слобода 3,24 23,16 0,676 0,053 0,847 0,120 0,12
р. Цна, г. Тамбов; 3 км выше города 1,39 13,5 0,227 0,028 0,304 0,097 0,13
р. Клязьма, г Орехово-Зуево; 0,5 км выше города 4,04 28,18 1,556 0,097 1,590 0,168 0,12
р. Клязьма, г Владимир; в черте города 3,50 34,48 0,832 0,042 1,084 0,111 -
р. Клязьма, г Ковров; в черте города 3,03 36,77 0,609 0,043 0,883 0,154 -
качество воды. При оценке комплексного показателя оптимальное число учитываемых ингредиентов составляет от 10 до 15. Поэтому этот метод позволяет оценить и классифицировать загрязненность воды по широкому спектру ингредиентов и показателей ее качества. Обычно в качестве норматива используют ПДК вредных веществ для водных объектов рыбохозяйствен-ного, хозяйственно-питьевого или культурно-бытового водопользования, т. е. методической основой комплексного способа служит оценка степени загрязненности воды по совокупности загрязняющих веществ (ЗВ) с выделением из них так называемых характерных ЗВ, частота превышения ПДК которых более 50 % случаев. Основа дифференцированного способа — оценка качества воды водных объектов по отдельным загрязняющим веществам с использованием их ПДК и статистических методов [1].
Классификация качества воды, проведенная на основе значений УКИЗВ, позволяет разделять поверхностные воды на 5 классов в зависимости от степени их загрязненности: 1-й класс — условно чистая; 2-й класс — слабо загрязненная; 3-й класс — загрязненная; 4-й класс — грязная; 5-й класс — экстремально грязная [1].
Оценка качества воды по отдельным загрязняющим веществам
Изменчивость химического состава воды р. Оки за период 2000-2013 гг. рассмотрена по таким показателям, как растворенный в воде кислород, хлориды, сульфаты, азот аммонийный, азот нитритный, азот нитратный, соединения железа (общего), меди, цинка, никеля, фенолы летучие, нефтепродукты, легкоокисляемые органические вещества (по БПК5) и трудноокисляемые органические вещества (по ХПК).
Анализировались данные гидрохимических наблюдений Росгидромета, проводимых в 18 створах государственной системы наблюдений (ГСН) на водных объектах бассейна Оки. Оценка состояния качества природных вод проведена на соответствие существующей нормативной базе по среднегодовым значениям показателей качества воды (табл. 2).
Вода в верховье Оки (от г. Орла до впадения р. Зуша) по нефтепродуктам как лимитирующему показателю может быть отнесена к «загрязненной» и местами даже к «грязной». На разных участках в среднем течении речная вода Оки соответствует 3-му классу качества «удовлетворительной чистоты» (от впадения р. Упы до г. Тарусы); 4-му классу — «загрязненная» (ниже
г. Тарусы до впадения р. Лопасни); 5-му классу — «грязная» (выше г. Каширы до впадения р. Осётра) с нефтепродуктами и фосфором в качестве приоритетных показателей. В нижнем течении вода реки характеризуется в основном как «загрязненная» с преобладанием фосфора как приоритетного ЗВ. Только в приустьевом участке Оки происходит некоторое улучшение качества воды, и она соответствует 3-му классу «удовлетворительной чистоты» [2, 4, 10].
Загрязняющими веществами вод бассейна Оки часто является повышенное содержание соединений минерального азота, фосфора, легко-окисляемых органических веществ (по БПК5), органических веществ (по ХПК) и ряд других ингредиентов. Выделено 10 загрязняющих веществ, концентрации которых в среднем превышают нормативы по бассейну р. Оки. К ним относятся: взвешенные вещества, БПК5, железо общее, медь, цинк, фенолы, нефтепродукты, аммонийный и нитритный азот, марганец. Эти ЗВ приняты в качестве потенциально опасных для экологической системы р. Оки [12].
Для получения расчетных значений и построения карт современного состояния качества воды и степени ее загрязнения использованы средне-
годовые концентрации указанных ЗВ в речных водах бассейна Оки [13].
По данным наблюдений за величинами ХПК, БПК5, содержанием взвешенных веществ, фосфора общего и нефтепродуктов построены и проанализированы их хронологические графики с 1989 г. по 2013 г. для створа в г. Муроме. На этом створе, расположенном в нижнем течение Оки, проводятся гидрологические и гидрохимические наблюдения. Он характеризует качество вод и их загрязнение практически для всего бассейна.
Содержание органических веществ по БПК5 и ХПК определяются в водах для оценки количества органических веществ, окисляемых в результате жизнедеятельности бактерий и химических реакций окисления, что в совокупности служит интегральным показателем и доказательством степени антропогенного загрязнения вод.
Величины БПК5 контролирует эффективность работы очистных сооружений городов и предприятий и соответственно характеризует условия обитания гидробионтов. В поверхностных водах величины БПК5 обычно изменяются в пределах 0,5-4,0 мг 02/дм3 и подвержены сезонным и суточным колебаниям.
Анализ хронологического графика величины БПК5 показал, что в речной воде с 2001 г. отмеча-
Рис. 2. Карта стока органических веществ и хронологический график распределения БПК5 и ХПК в бассейне р. Оки
ется стабилизация содержания легкоокисляемых органических веществ. При этом среднегодовые концентрации в створе г. Мурома колеблются от 1,41-2,03 до 4,0-4,2 мг 02/дм3 и в отдельные годы в городах превышают ПДКрыб, что связано с неудовлетворительной очисткой сточных вод (рис. 2).
Концентрации трудноокисляемых органических веществ по ХПК довольно часто превышают ПДКрыб (15 мг/л), что свидетельствует о поступлении большого количества загрязняющих веществ со сточными водами. Начиная с 2001 г. наблюдаются довольно близкие и сравнительно высокие значения ХПК в речной воде, что служит доказательством постоянного антропогенного загрязнения воды практически по всей длине реки (рис. 2).
Содержание биогенов (соединений азота и фосфора)
Азот и фосфор — биогенные элементы. Соединения азота поступают в речные воды в восстановительной форме NH4+ преимущественно от антропогенных источников. В результате окисления кислородом азот переходит в форму нитрит-ионов, а затем — нитрат-ионов. Поэтому концентрации различных соединений азота свидетельствуют не только об их эволюции в результате биохимических реакций, но и о времени
пребывания этих биогенов в водном объекте, так как концентрации нитрат-ионов сообщают о постоянном и прогрессирующем загрязнении водотока, в частности, сточными водами. Измеренные максимальные концентрации аммонийного азота чаще всего находятся в пределах 0,4-0,8 мг/л.
В соответствии с требованиями системы мониторинга состояния среды (ГСМОС/GEMS) нитрит- и нитрат-ионы входят в программы обязательных наблюдений за составом питьевой воды и служат важными показателями степени загрязнения и трофического статуса природных водоемов. Сезонные колебания нитритов характеризуются резким снижением их содержания зимой и появлением весной при разложении органического вещества. Наибольшая концентрация наблюдается в конце лета, что связано с активностью фитопланктона. К осени их содержание уменьшается.
Фосфор, как биогенный элемент, лимитирует развитие биопродукции в водной массе. Избыток соединений фосфора в водоеме при поступлении с водосбора неочищенных сточных вод приводит к резкому неконтролируемому приросту растительной биомассы, в частности сине-зеленых водорослей. Концентрация общего растворенного фосфора в незагрязненных природных водах
Рис. 3. Карта стока биогенов и хронологический график их распределения в бассейне р. Оки
изменяется от 5 до 200 мкг/л. Превышения ПДК наблюдались в 1994 и 1995 гг. (рис. 3).
Содержание нефтепродуктов — один из основных индикаторов влияния техногенных источников загрязнения на качество природных вод.
Превышение ПДК по нефтепродуктам в водотоках и водоемах фиксируется наиболее часто.
Хронологический график содержания нефтепродуктов в воде р. Оки показал, что с 2001 г. произошло существенное уменьшение их концентраций до значений ниже ПДК (рис. 4).
Однако небольшие реки бассейна подвержены более сильной антропогенной нагрузке и могут оказывать значительное влияние на уровень
» 100 150
Рис. 4. Карта стока нефтепродуктов и хронологический график их распределения в бассейне р. Оки
■ Водный сток
-реобщ
-ПДК
К О 60 120 Ш
Рис. 5. Карта стока железа и хронологический график его распределения в бассейне р. Оки
загрязнения самой Оки, что нивелируется за счет процессов разбавления и самоочищения.
Содержание металлов
Соединения железа и марганца, меди, цинка служат характерными загрязняющими веществами природных вод и поступают в реки за счет природных и антропогенных источников: растворения (выщелачивания) горных пород и поступления техногенных стоков.
Железо относится к числу наиболее распространенных элементов. Преобладающее содержание его находится в пределах от 1 до 10 ПДК. В пределах крупных городов и широкого развития болот в связи с природным и техногенным загрязнением содержание соединений железа может превышать 10 ПДК (рис. 5). При этом уровень железа в реках и озерах имеет сезонные колебания. Самые высокие концентрации наблюдаются зимой и летом, а весной и осенью заметно их снижение за счет питания талыми и дождевыми водами.
Марганец поступает в реки часто совместно с железом при выщелачивании минералов и руд с содержанием элемента. Кроме того, промстоки также играют большую роль в загрязнении природных вод марганцем, повышенное содержание которого (1-3 ПДК) характерно для подземных вод четвертичных отложений, используемых для местного хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Содержание меди в природных водах по всей длине реки превышает нормативы. Исключения составляют районы с неблагоприятной экологической обстановкой и близким расположением техногенных объектов. Среднегодовые концентрации соединений меди после 1997 г. по длине реки изменяются в пределах 0,005-0,007 мг/л с довольно резкими колебаниями в отдельные годы (рис. 6) [14].
Цинк и его соединения в ионной форме или в минеральных и органических комплексах поступают в природные воды при выщелачивании горных пород и со сточными водами гальванических цехов, производств пергаментной бумаги и др. Превышений ПДК в речных водах не обнаружено. Качество подземных вод Основными веществами для рек Европейской части России 1-го и 2-го классов опасности, ухудшающими качество питьевых подземных вод, являются литий, фтор, стронций, мышьяк, кремний, бор.
По данным за 2000-2009 гг. превышение ПДК по содержанию лития отмечено в 20,6 % водопунктов. В подземных водах основных эксплуатационных горизонтов (за исключением бобриковско-тульского водоносного подгори-зонта) превышение ПДК по содержанию лития зафиксировано от 4,0 % водопунктов (четвер-
тичный комплекс) до 31,6 % водопунктов (по-дольско-мячковский горизонт). Территориально, наибольшее количество таких водопунктов отмечено во Владимирской (32,1 %), Рязанской (31,6 %) и Московской (24,9 %) областях.
По содержанию фтора превышение ПДК в подземных водах отмечено в 13,5 % водопунктов (Рязанская область — 34,3 %, Владимирская область — 16,5 %, Московская область — 16,0 %). Максимальная частота превышения ПДК по фтору отмечена для алексинско-протвин-ского (29,8 %), каширского (27,3 %) и подольско-мячковского (16,1 %) водоносных горизонтов.
По содержанию стронция превышение ПДК в подземных водах отмечено в 9,0 % водопунк-тов, максимальное количество зафиксировано в Рязанской (20,7 %) и Московской (11,8 %) областях. Максимальное количество скважин со сверхнормативным содержанием стронция относится к алексинско-протвинскому (26,5 %), вер-хнефранско-фаменскому (22,2 % скважин) и каширскому (15,4 %) водоносным горизонтам.
По содержанию мышьяка превышение ПДК в питьевой воде зафиксировано в 8,2 % опробованных водопунктов (Костромская область — 33,3 %, Ивановская — 19,1 %, Ярославская — 14,6 %). Максимальное количество таких водопунктов относится к татарско-ветлужскому водоносному горизонту (25,0 %) и четвертичному водоносному комплексу (15,9 %).
По содержанию кремния в подземных водах превышение ПДК отмечено в 8,0 % водопунктов (Владимирская область — 17,6 %, Московская — 9,8 %). Максимальная встречаемость превышения ПДК кремния отмечена для верхнефранско-фа-менского (12,5 % водопунктов) и подольско-мяч-ковского (11,7 %) водоносных горизонтов.
По содержанию бора превышение ПДК в подземных водах отмечено в 5,8 % опробованных водопунктов. Наибольше количество таких во-допунктов зафиксировано в Ивановской (30,6 %) и Рязанской (8,8 %) областях. Максимальная встречаемость превышения ПДК бора отмечена в скважинах, эксплуатирующих татарско-вет-лужский (45,7 %) и алексинско-протвинский водоносные горизонты (17,7 %).
Загрязнение подземных вод часто связано с коммунальными, промышленными и сельскохозяйственными объектами. Масштабы и сте-
пень загрязнения в значительной степени зависят от естественной защищённости подземных вод, связанных с обогащенными органикой почвами и слабопроницаемыми глинистыми отложениями в зоне аэрации и кровле эксплуатируемых горизонтов. Антропогенное загрязнение наблюдается, прежде всего, в верхних водоносных горизонтах четвертичного и неоген-четвертичного возрастов, особенно на участках без организации зон санитарной охраны. В районах интенсивного водоотбора подземных вод происходит активизация процессов карстообразования и подтягивание природных некондиционных вод. В районах развития региональных депрессионных воронок на территории Московской и Тульской областей и в районах областных центров (Воронеж, Калуга, Белгород, Курск и др.) фиксируются сравнительно высокие концентрации указанных выше химических элементов.
Индикаторами изменения химического состава подземных вод служит рост содержания хлоридов и сульфатов, а также наличие таких привнесенных ингредиентов, как нефтепродукты, фенолы, азотсодержащие вещества в количествах выше нормативного. Из перечисленных веществ антропогенного происхождения наиболее часто отмечается превышение ПДК по нефтепродуктам — преимущественно в четвертичном водоносном горизонте, по биогенам — практически во всех основных водоносных горизонтах, по содержанию ПАВ — в подольскомячковском и четвертичном водоносных горизонтах. Однако техногенное загрязнение подземных вод носит локальный характер в местах расположения источников. Так, высокие содержания нитратов (2-8 ПДК) и аммония (2-4 ПДК) связаны с плотно заселенными районами — Московской градопромышленной зоной, долиной р. Волги и Иваньковским водохранилищем, долиной р. Клязьмы и др.). Источником этих аномалий служит коммунальнобытовое загрязнение. Характерной особенностью микрокомпонентного состава подземных вод четвертичного водоносного горизонта является повышенное содержание марганца, бора, мышьяка, кремния, свинца, магния, никеля и брома.
Следует подчеркнуть, что во многих эксплуатируемых водоносных горизонтах среднее содержание железа в подземных водах превышает
а) 1990-1999 гг.
) 2000-2005 гг.
Гш.д.
в) 2006-2015 гг.
Условные обозначения
Удельный комплексный индекс {агридненнопн вод дли харакл еркых пумь-гов наблюдении
О <2.0
• 2,0-3,0 О 3,0-4,0 О 4,0 - 5,0
• 5,0 - 6,0
• >6,0
Значении удельною комплексною индекса загридненности вод с 2006-2015 г.г.
Рис. 7. Степень загрязненности рек бассейна Оки по удельному комбинаторному индексу загрязненности воды (УКИЗВ)
нормативное значение от 2 до 8 ПДК и более, что снижает качество питьевых вод по органолепти-ческим показателям (цвет, запах). Наряду с этим, превышение ПДК по величине общей жесткости в среднем иногда достигает 70 % скважин. Превышение ПДК по общей а-радиоактивности зафиксировано во всех опробованных эксплуатационных горизонтах, причем число случаев в каширским водоносном горизонте превышает 60 %.
Территории распространения подземных вод с интенсивным загрязнением относятся преиму-
щественно к Московской и Владимирской областям. Загрязнения выявлены и в пределах других областей, но они обычно носят очаговый характер и связаны в основном с ЗВ из шламонакопителей, золоотвалов, нефтебаз, полигонов промотходов (свыше 50 % участков), а также с крупными птицеводческими и животноводческими комплексами (свыше 20 % участков). С объектами коммунального хозяйства (полигоны ТБО, очистные сооружения, поля фильтрации и др.) связаны свыше 10 % участков загрязнения. Среди многочислен-
ных водозаборов на подземные воды свыше 950 не соответствуют стандартам качества на питьевую воду, и это количество растет. Большинство участков загрязнения подземных вод расположены на территории или вблизи крупных промышленных центров и установлены на территории Московской (280), Воронежской (122) и Курской (28) областей. Интенсивность загрязнения в большинстве случаев составляет 1-10 ПДК (свыше 53 %), в пределах 10-100 ПДК (около 30 %), для 15 % участков ПДК превышают 100.
Так, в Рязанской области более 3,5 тыс. скважин эксплуатируют подземные воды каменноугольных и девонских отложений. Качество подземных вод в основном соответствует питьевым стандартам. Однако в ряде водозаборов выявлено превышение норм ПДК по железу, магнию, марганцу и цинку. Кроме того, к распространенным ЗВ с превышением ПДК относятся также азотсодержащие соединения, что может говорить о загрязнении подземных вод ОВ. Со стоками предприятий в источники водоснабжения часто попадают тяжелые металлы.
Динамика качества и степень загрязненности поверхностных вод Оки
Анализ многолетней режимной гидрохимической информации с учетом показателей удельного комбинаторного индекса загрязненности воды (УКИЗВ) позволил выявить некоторые тенденции в динамике изменения степени загрязненности водной среды в бассейне Оки:
• загрязнение вод реки отмечается по показателям: взвешенные вещества, БПК5, ХПК, медь, нефтепродукты, аммонийный и нитритный азот, фосфор общий и марганец;
• в уровень загрязненности вод бассейна основной вклад вносят ХПК, аммонийный и нитритный азот, фосфор общий, нефтепродукты, медь;
• на экосистемы бассейна существенное влияние оказывают взвешенные вещества;
• концентрации биогенов (соединений азота и общего фосфора) зависят от общих процессов загрязнения реки и могут быть снижены при сбросе нормативно чистых стоков городов и предприятий.
Наибольшее поступление взвешенных веществ, органических соединений и биогенов связано со сточными водами городов и других населенных пунктов с современной системой ЖКХ.
Промышленность и сельское хозяйство служат сосредоточенными и диффузными источниками загрязнения природных вод тяжелыми металлами, нефтепродуктами, фенолами и другими ингредиентами.
Воды бассейна характеризуются классами качества 3-м (3 «А» и 3 «Б») и 4-м (4 «А» и 4-м («Б» — грязная), а в критические показатели загрязненности (КПЗ) чаще всего входят азот нит-ритный и аммонийный, легкоокисляемые органические вещества (по БПК5), соединения меди, марганца и железа, фенолы и нефтепродукты. Высокая степень загрязненности воды обусловлена широким перечнем КПЗ. Именно их высокие концентрации ухудшают в значительной степени качество речной воды в бассейне не только Оки, но и ряда других рек европейской России.
Качество воды за рассмотренный период (1990-2015 гг.) изменилось незначительно, поскольку для большинства речных участков (более 52 %) в многолетнем аспекте происходит незначительная изменчивость степени загрязненности воды рек в границах одного класса. Вместе с тем для 37 % участков реки намечается тенденция некоторого улучшения качества воды.
Анализ пространственно-временной динамики показателей УКИЗВ выявляет определенные тенденции в степени загрязненности воды бассейна реки Ока. Самая благоприятная обстановка складывается в пределах рр. Угры, Жиз-дры, Зушы и Цны. С другой стороны, наиболее загрязненным участком остается Центральный район бассейна в пределах Московской области (притоки рр. Москвы, Осётра и Нары), где р. Ока имеет качество воды 4-го класса — «загрязненная», а на отдельных участках, ниже г. Серпухова и в нижнем течении реки, 5-го класса — «грязная». При этом наиболее загрязненными остаются воды в пределах крупных городов, таких как Москва, Коломна, Рязань, Тула (рис. 7).
К 2015 году на территории бассейна р. Оки не произошло значительных изменений. Качество воды в бассейне Оки в последние годы существенно не меняется и остается в пределах 3-го класса — «загрязненная».
Полученные результаты имеют не только научно-методическую, но и практическую значимость, поскольку могут быть использованы при выявлении региональных особенностей
загрязнения природных вод на различных участках реки и во временном диапазоне, а также для разработки рекомендаций по оценке качества воды и состояния водных экосистем и других аспектов охраны водных ресурсов.
Заключение
Бассейн р. Оки расположен в регионе с высокой плотностью населения, развитым промышленным производством, и, как следствие, со значительными антропогенными нагрузками на водные объекты. Основным источником загрязнения речных и подземных вод бассейна служат недоочищенные и загрязненные сточные воды городов и предприятий Московской, Калужской, Нижегородской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Ивановской областей. В среднем загрязнение вод рек связано с взвешенными веществами, ХПК, БПК5, медью, нефтепродуктами, аммонийным и нитритным азотом, фенолами, фосфором общим и марганцем. Наибольший вклад в уровень загрязненности вод вносят органические вещества (по ХПК), фосфор общий, аммонийный и нитритный азот, нефтепродукты и медь.
В последние годы качество воды на большей части бассейна существенно не меняется и остается в пределах 3-го класса («загрязненная»), за исключением Московской области, где р. Ока имеет качество воды 4-го класса («грязная»), а ниже г. Серпухова и в нижнем течении реки — 5-го класса («экстремально грязная»). В связи с этим, по своему качеству природные воды бассейна не соответствуют стандартам непосредственного использования для хозяйственно-питьевого водоснабжения и рекреации, а на отдельных участках на производственные цели и сельское хозяйство.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект N° 1717-01262).
Литература
1. (2003). Методические указания РД 52.24.643-2002. Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод суши по гидрохимическим показателям. СПб.: Гидрометеоиздат, 49 с.
2. (2010). Схема комплексного использования и охраны водных объектов бассейна реки Ока. М.: Московско-Окское БВУ, 152 с.
3. Kirchner, J. W. (2003). A double paradox in catchment hydrology and geochemistry. Hydrological Processes, V. 17, pp. 871-874.
4. Абрамова, Е. А. (2011). Оценка уровня антропогенной нагрузки на бассейн реки Оки в пределах Московской области. Электронный журнал «Вестник Московского государственного областного университета», вып. 2. География, с. 20.
5. Геолого-гидрогеологические условия Рязанской области. Геоцентр-Москва URL: http://geocentr-msk.ru/content/view/191 (дата обращения: 25.08.2016). Режим доступа: свободный.
6. Гришанова, Ю. С., Решетняк, О. С. (2015). Оценка влияния крупного города на качество воды реки Ока (на примере г. Дзержинска) в сб. Актуальные проблемы наук о Земле. Ростов: Изд-во ЮФУ, сс. 335-337.
7. Джамалов, Р. Г. (ред.) (2015). Атлас возобновляемых водных ресурсов Европейской части России. М.: ИВП РАН, 96 с.
8. Джамалов, Р. Г. (ред.) (2015). Современные ресурсы подземных и поверхностных вод Европейской части России. М.: ГЕОС, 320 с.
9. Джамалов, Р. Г., Фролова, Н. Л. (2015). Особенности формирования современных ресурсов подземных вод европейской части России. Водные ресурсы, том 42, № 5, сс. 457-466.
10. Никаноров, А. М. (2011). Региональная гидрохимия. Ростов-на-Дону: Изд-во «НОК», 388 с.
11. Никаноров, А. М. (2015). Фундаментальные и прикладные проблемы гидрохимии и гидроэкологии. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 735 с.
12. Никаноров, А. М., Минина, Л. И. (2016). Динамика качества поверхностных вод крупных речных бассейнов Российской Федерации. Ростов-на-Дону: Изд-во ГХИ, 294 с.
13. Решетняк, О. С., Никаноров А. М., Трофимчук М. М., Гришанова Ю. С. (2017). Оценка гидроэкологического риска в бассейне реки Ока. Вода и экология: проблемы и решения, № 3, сс. 158-170.
14. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (2017). Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2016 год. Москва, 70 с.
15. Шикломанов, И. А. (ред.) (2008). Водные ресурсы России и их использование. СПб.: ГГИ, 598 с.
References
1. (2003). Metodicheskie ukazaniya RD 52.24.6432002. Metod kompleksnoj ocenki stepeni zagryaznennosti poverhnostnyh vod sushi po gidrohimicheskim pokazatelyam [The method of integrated assessment of the degree of contamination of surface waters of the land by hydrochemical indicators]. SPb.: Gidrometeoizdat, 49 p. (in Russian)
2. (2010). Skhema kompleksnogo ispol'zovaniya i ohrany vodnyh ob'ektov bassejna reki Oka [Scheme of integrated use and protection of water bodies in the Oka river basin]. Moskva: Moskovsko-Okskoe BVU, 152 p. (in Russian)
3. Kirchner, J. W. (2003). A double paradox in catchment hydrology and geochemistry. Hydrological Processes. V. 17. P. 871-874.
4. Abramova, E. A. (2011). Ocenka urovnya antropogennoj nagruzki na bassejn reki Oki v predelah Moskovskoj oblasti [Assessment of the level of anthropogenic pressure on the Oka river basin within the Moscow Region]. Ehlektronnyj zhurnal «Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo oblastnogo universiteta», 2 Geografiya. p. 20. (in Russian)
5. Geologo-gidrogeologicheskie usloviya Ryazanskoj oblasti [Geological and hydrogeological conditions of the Ryazan region]. URL: http://geocentr-msk.ru/content/view/191 (accessed on 25.08.2016). (in Russian)
6. Grishanova, Yu. S., Reshetnyak, O. S. (2015). Ocenka vliyaniya krupnogo goroda na kachestvo vody reki Oka (na primere g. Dzerzhinsk) [Evaluation of the influence of a large city on the quality of the Oka river water (by the example of Dzerzhinsk)]. Aktual'nye problemy nauk o Zemle. Rostov: Izd-vo YUFU, pp. 335-337. (in Russian)
7. Dzhamalov, R. G. (red.) (2015). Atlas vozobnovlyaemyh vodnyh resursov Evropejskoj chasti Rossii [Atlas of renewable water resources in the European part of Russia]. M.:I VP RAN, 96 p. (in Russian)
8. Dzhamalov, R. G. (red.) (2015). Sovremennye resursy podzemnyh i poverhnostnyh vod Evropejskoj chasti Rossii [Modern resources of underground and surface waters of the European part of Russia]. M.: GEOS, 320 p. (in Russian)
9. Dzhamalov, R. G., Frolova, N. L. (2015). Osobennosti formirovaniya sovremennyh resursov podzemnyh vod evropejskoj chasti Rossii [Features of the formation of modern groundwater resources of the European part of Russia]. Vodnye resursy, vol. 42, № 5, pp. 457-466. (in Russian)
10. Nikanorov, A. M. (2011). Regional'naya gidrohimiya. [Regional hydrochemistry]. Rostov-n/D: Izd-vo «NOK», 388 p. (in Russian)
11. Nikanorov, A. M. (2015). Fundamental'nye i prikladnye problemy gidrohimii i gidroehkologii [Fundamental and applied problems of hydrochemistry and hydroecology]. Rostov: Izd-vo YUFU, 735 p. (in Russian)
12. Nikanorov, A. M., Minina, L. I. (2016). Dinamika kachestva poverhnostnyh vod krupnyh rechnyh bassejnov Rossijskoj Federacii [The dynamics of the quality of surface water in large river basins of the Russian Federation]. Rostov-n/D: Izd-vo GHI. 294 p. (in Russian)
13. Reshetnyak, O. S., Nikanorov A. M., Trofimchuk M. M., Grishanova YU. S. (2017). Ocenka gidroehkologicheskogo riska v bassejne reki Oka [Assessment of hydroecological risk in the Oka river basin]. Voda i ehkologiya: problemy i resheniya, № 3. pp. 158-170. (in Russian)
14. (2017). Doklad ob osobennostyah klimata na territorii Rossijskoj Federacii za 2016 god [Report on the peculiarities of climate on the territory of the Russian Federation for 2016]. Moskva, 70 p. (in Russian)
15. Shiklomanov, I. A. (red.) (2008). Vodnye resursy Rossii i ih ispol'zovanie ispol'zovanie [Water resources of Russia and their use]. SPb.: GGI, 598 p. (in Russian)
Авторы
Джамалов Роальд Гамидович, д-р геол.-минерал. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ
1. Институт водных проблем РАН, Москва
2. Государственный университет «Дубна», г. Дубна
E-mail: roald@iwp.ru
Никаноров Анатолий Максимович чл.корр. РАН, д-р геол.-минерал. наук, профессор
1. Гидрохимический институт, г. Ростов-на-Дону
2. Институт водных проблем РАН, Москва
3. Институт наук о Земле Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону
E-mail: a.nikanorov@gidrohim.com
Решетняк Ольга Сергеевна, канд. географ.х наук.
1. Гидрохимический институт, г. Ростов-на-Дону
2. Институт водных проблем РАН, Москва
3. Институт наук о Земле Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону
E-mail: olgare1@mail.ru
Сафронова Татьяна Ивановна
Институт водных проблем РАН, Москва E-mail: tisafr@yandex.ru
Мягкова Кристина Геннадьевна
Институт водных проблем РАН E-mail: kristina3286@yandex.ru
Трофимчук Михаил Михайлович
Гидрохимический институт, г. Ростов-на-Дону E-mail: m.trofimchuk@gidrohim.com
Authors
Dzhamalov Roald Gamidovich, Dr. Sci.
1. Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow
2. Dubna University, Dubna E-mail roald@iwp.ru
Nikanorov Anatoly Maksimovich, member of corr. RAS, Dr. Sci. in Geology and Mineralogy, Professor
1. Chief Scientific Officer of the Hydrochemical Institute, Rostov-na-Donu
2. Head Department of Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow
3. Professor of the Earth Sciences Institute of Southern Federal University, Rostov-na-Donu
E-mail: a.nikanorov@gidrohim.com
Reshetnyak Olga Sergeevna, PhD of Geographical sciences:
1. Senior Researcher of the Hydrochemical Institute, Rostov-na-Donu
2. Senior Researcher of the Institute of Water Problems of the Russian Academy of Sciences, Moscow
3. Associate Professor of the Earth Sciences Institute of Southern Federal University, Rostov-na-Donu
E-mail: olgare1@mail.ru
Safronova Tatiana Ivanovna
Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow
E-mail: tisafr@yandex.ru
Myagkova Kristina Gennadievna
Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow
E-mail: kristina3286@yandex.ru
Trofimchuk Mihail Mihailovich
Hydrochemical Institute, Rostov-na-Donu E-mail: m.trofimchuk@gidrohim.com
