CC BY
3318 Norwegian Journal of development of the International Science No 14/2018
УДК 556.114
HYDROCHEMICAL RIVER OF RIVERS FROM STRONGLY SHOCKED TERRITORIES BY THE
EXAMPLE OF THE ILAS BOG
Kashtanenko V.
Saint-Petersburg State University, Institute of Earths Sciences
Potapova T.
Saint-Petersburg State University, Institute of Earths Sciences
Romanov S.
Saint-Petersburg State University, Institute of Earths Sciences
ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ СТОК РЕК С СИЛЬНО ЗАБОЛОЧЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ПРИМЕРЕ ИЛАССКОГО БОЛОТНОГО МАССИВА
Каштаненко В.И.
Санкт-Петербургский государственный университет, Институт наук о Земле
Потапова Т.М.
Санкт-Петербургский государственный университет, Институт наук о Земле
Романов С.Г.
Санкт-Петербургский государственный университет, Институт наук о Земле
Abstract
The chemical composition of the water and the hydrochemical drainage of the river draining the Ilas bog swamp of the Arkhangelsk region has been estimated. General and distinctive features of the chemical composition of bog and river waters are established. Extreme and background values Rc = 19 ^o f the moduli of the runoff of mineral, organic, biogenic and polluting substances were calculated. Black. A significant excess of the organic carbon runoff relative to the background values(Rc = 4,5 for the rivers of the Arctic Ocean basin was detected. The distribution of ion runoff and runoff of organic substances by seasons is established.
Аннотация
Проведена оценка химического состава воды и гидрохимического стока реки, дренирующей Иласский верховой болотный массив Архангельской области. Установлены общие и отличительные признаки химического состава болотных и речных вод. Рассчитаны экстремальные и фоновые значения модулей стока минеральных, органических, биогенных и загрязняющих веществ р. Черной. Выявлено значительное превышение модуля стока органического углерода (Rc = 19-^) относительно фоновых значений (Rc =
т
кМ2
4,5 —) для рек бассейна Северного Ледовитого океана (СЛО). Установлено распределение ионного стока и стока органических веществ по сезонам.
Keywords: swamp catchment area, hydrochemical background, hydrochemical runoff, flow module.
Ключевые слова: болотный водосбор, гидрохимический фон, гидрохимический сток, модуль стока.
Вопросам оценки геохимического стока рек районе Архангельской области общей площадью 89
бассейнов морей СЛО посвящено значительное ко- км2. Болото расположено на водоразделе трех рек,
личество работ [5, 444 с.; 1, 76 с.]. Влияние болот входящих в бассейн р. Северной Двины. Рельеф
на химический состав вод рек с сильно заболочен- окружающей местности равнинный, к северу от бо-
ными водосборами освещено в литературе в мень- лота местами всхолмленный, северные берега изре-
шей степени. Оценка гидрохимического стока рек, заны оврагами. Наиболее распространенными ти-
являющихся водоприемниками болот, представ- пами микроландшафтов на болоте являются гря-
лена в статьях [2, 98 с.; 6, 85 с.]. В настоящей работе дово-озерковый, грядово-мочажинный, сфагново-
на основе обобщения кадастровых гидрологиче- пушицево-кустарничковый с единичными соснами
ских и гидрохимических данных [4, 111 с.] прове- высотой до 3 м и сфагново-кустарничково-пушице-
дена оценка стока различных химических веществ, вый с редкой сосной [4, с.111].
включающих и загрязняющие вещества (нефтепро- Гидрографическая сеть Иласского болота
дукты, тяжелые металлы) для регулируемых боло- представлена многочисленными озерками, озе-
тами рек на примере Иласского болотного массива рами, реками и ручьями, являющимися водоприем-
за современный период 1993 - 2017 гг. Такая никами болотной системы. Наибольшее обводне-
оценка приводится в литературе впервые. ние болота наблюдается в центральных частях, где
Иласское болото относится к типичным оли- располагаются грядово-озерковые комплексы. готрофным болотам и располагается в Приморском
Таблица 1.
Гидрографическая характеристика водотоков_
Река-пункт Площадь водосбора, км2 Заболоченность, % Лесистость, % Озерность, % Среднемноголетний расход воды л/с
р. Брусовица - 29 км от устья 145 40 57 1 1180
р. Бабья - 12 км от устья 4,2 64 26 9 37
р. Черная - 7,6 км от устья 8,9 63 24 2 68
Оценка фоновых показателей и стока химических веществ проведена для р. Черной вследствие наличия длительного ряда гидрохимических наблюдений и высокой площади болотного водосбора (до 60%); для характеристики болотного гидрохимического фона выбран грядово-мочажинный комплекс (скв. 205) как наиболее характерный микроландшафт исследуемого болота. Оценка фоновых содержаний болотных и речных вод проведена
в соответствии с рекомендованными на сети Росгидромета Методическими указаниями [7, 43 е.] на основе статистического анализа данных по программе Есхе1. Установленные фоновые содержания основных компонентов химического состава болотных и речных вод приведены в табл. 2, средние содержания загрязняющих веществ - в табл. 3.
Таблица 2
Фоновые гидрохимические характеристики реки Черной и грядово-мочажинного комплекса (скв.205)
Иласского болота за период 1993 - 2010 гг.
Характеристика Речные воды Болотные воды
Число проб cv Df Число проб с. О/
рН 83 0,18 5,1 ± 0,19 83 0,10 4,3 ± 0,09
Минерализация, мг/л 74 1,25 33 ± 8,9 78 0,52 26 ±2,9
Цветность, градусы 83 0,55 398 ± 45,9 83 0,40 943 ± 79,6
Бихроматная окисляе-мость, мгО/л 83 0,50 79 ± 8,5 83 0,34 210 ± 15,5
Фосфор минеральный, мгР/л 83 0,64 0,01 ± 0,001 83 1,04 0,04 ± 0,01
Фосфор общий, мгР/л 83 1,27 0,03 ± 0,01 83 0,74 0,10 ± 0,02
Азот нитратный, мгМл 83 1,06 0,05 ± 0,01 82 0,99 0,13 ± 0,03
Азот нитритный, мгМл 83 3,49 0,002 ± 0,001 82 2,22 0,003 ± 0,002
Азот аммонийный, мгМл 83 0,63 0,07 ± 0,01 83 0,82 0,16 ± 0,03
Кремний, мг81/л 83 0,74 1,8 ± 0,28 83 0,60 1,8 ± 0,23
Железо общее, м^е/л 81 0,65 0,9 ± 0,13 82 0,48 2,6 ±0,27
Примечание: ГМК* - грядово-мочажинный комплекс (скв. 205); Су - коэффициент вариации; - фоновое содержание компонента
Сопоставление фоновых содержаний гидрохимических показателей болотных и речных вод позволяет установить общие и отличительные признаки исследованных вод. Несмотря на близкие значения фоновых содержаний основных гидрохимических показателей (кислая и слабокислая реакция рН, ультрамалая общая минерализация (<50
Таблица 3
Средние концентрации загрязняющих веществ (мкг/л) в болотных и речных водах Иласского массива за
2016 - 2017 гг.
мг/л), низкий уровень содержаний окисленных форм азота и фосфора (на уровне 0,01-0,1 мг/л), высокий уровень содержаний органических веществ (ХПК = 80 - 200 мгО/л), общего железа (>1 мг/л) в химическом составе болотных и речных вод существуют принципиальные различия.
Пункт отбора проб Cr Mn Pb Ni Cu Zn Н/у Фенолы
Река Черная 0,25 65 1 1 1 9 10 6
Скв 205 6 70 3 4 5 20 10 20
Примечание: н/п - нефтеуглеводороды
На основе корреляционного анализа репрезентативных выборок с числом членов более 50 установлены принципиальные различия корреляционных связей исследованных болотных и речных вод. Несмотря на близкие значения рН, коэффициенты корреляции между рН и минерализацией (М) существенно отличаются: в болотных водах Д = -0,1, в речных водах Д = +0,60, что указывает на прямо пропорциональную зависимость минерализации от рН в речных водах. Кроме того, в болотных водах наиболее тесная связь установлена в системе: минерализация - сульфат ион Д = +0,79, тогда как в речных водах связь между минерализацией и сульфат ионом отсутствует (Д = -0,08) при тесной связи минерализации с гидрокарбонатами. Это указывает на принципиально иные условия формирования химического состава вод реки в сравнении с болотными водами, которые определяются повышенной аэрацией в условиях открытой воды рек, что приводит к усилению окислительных процессов, снижению (в 3 раза) содержания органических веществ, появлению гидрокарбонатов и переформатированию ионного состава речных вод (М - № (Са)) - НСО3) в сравнению с болотными (М - Cа (№) - SO4). Из сопоставления средних содержаний загрязняющих веществ (табл.3) можно отметить повышенный уровень концентраций в болотных водах по сравнению с речными, особенно выраженный для фенолов, меди и цинка на фоне близких
значений без превышения ПДК для нефтеуглеводо-родов.
Значительное место в работе занимает анализ стока растворенных гидрохимических веществ, являющийся базовой характеристикой, учитываемой в различных проектных изысканиях, а также показателем загрязнения поверхностных вод.
На основе установленных фоновых содержаний минеральных, биогенных и органических веществ и среднемноголетнего расхода воды за период 1993 - 2010 гг. были рассчитаны модули гидрохимического речного стока Иласского болота, приведенные в табл.4. Модули речного стока загрязняющих веществ приведены в табл. 5.
Расчет среднемноголетних значений модулей стока растворенных веществ проводился по формуле [5, 233 с.]:
Р = Q-C
т
1000000 год где Q - расход воды, л/с, С - концентрация химического вещества, мг/л (мкг/л), т - число секунд в году. Модуль стока вычислялся по формуле [5, 233 с.]:
Р
Я=Г
где Р - годовой сток растворенных веществ (тонн, кг или г), ,Р - площадь водосбора, км2.
Таблица 4
Сток растворенных веществ по р. Черной за период 1993 - 2010 гг. (Иласский болотный массив)
е а С
Модуль ионного стока
о
U
к в.
Модуль органического вещества
о
U
о в.
Модуль биогенных веществ
о
U
U Ьй
г
а.
о
U
U Ьй
о й. а.
о
U
U Ьй
I*.
а.
о
U
U Ьй
а.
91,9
10,8
25,7
39
3,3
293
586
2,4 - 16,5
8,5 - 36,7
18 - 90
1,9 - 5
84 - 472
70 - 838
т
Примечание: в числителе - среднемноголетние значения гидрохимического стока, в знаменателе - минимальные и максимальные значения величин R. Модуль стока минерального азота определен как сумма аммонийного, нитритного и нитратного азота; модуль стока минерального фосфора-по фоновому содержанию фосфора фосфатов, модуль стока органического углерода - по содержанию ХПК
Таблица 5
Модули стока загрязняющих веществ по р. Черной кг/км2 в сравнении с литературными данными
е л в а т с о п о
U
2016 -2017 гг.
о
U
а
Is
3,3
о
U
U Ьй
а.
1,98
о
U
U Ьй
S
S
а.
21,5
о
U
U Ьй
■о а.
а.
0,33
о
U
U Ьй
г а.
0,33
о
U
U Ьй
0,33
2,97
Литературные данные
12
0,6
1,0
2,0
Анализ установленных модулей стока с литературными данными показывает значительное увеличение (в 4 - 5 раз) модуля стока органических веществ и, наоборот снижение модуля ионного стока (в 1,5 - 2 раза) в р. Черной по сравнению с фоновыми значениями рек СЛО [5, 233 с.; 3, 76 с.]. Модули стока биогенных элементов (минеральных форм азота и фосфора) близки к фоновым значениям для речных вод; модули стока общего железа (293 мг/л) и кремния (586 мг/л) превышают фоновые в 2 - 4 раза. Сопоставление полученных значения модулей стока загрязняющих веществ с литературными данными выявляет ряд интересных особенностей, а именно, значительно более низкие модули стока нефтеуглеводородов и меди, и более
„ 18,0 -
| 16,0 -
^ 14,0 -
§ 12,0 -
н
£ 10,0 -
1 8,0 -
0 6,0 -
-а 4,0 -
ч
и 2,0
1 0,0
зима весна лето Сезон
высокие значения стока фенолов в болотной реке по сравнению с фоновыми.
Изучение зависимости модулей гидрохимического стока от водности позволяет сделать вывод о статистически значимом увеличении (в 1,5 - 2 раза) стока органических и биогенных веществ, включая общее железо и кремний, в многоводные годы; значимой изменчивости модулей ионного стока для лет разной водности не выявлено. Очевидно, это обусловлено разнонаправленными изменениями концентраций и расходов воды: в многоводные годы концентрации ионов уменьшаются на фоне увеличения расходов воды, а маловодные - концентрации увеличиваются при уменьшении расходов воды.
50,0 -
| 45,0 -
& 40,0 -
£ <2 35,0 -
я й
я 30,0 -
§" ц- 25,0 -
- Ц 20,0 -
Э 15,0 -
е
а 10,0 -
5,0 0,0
зима весна лето
Сезон
а б
Рис. 1. Сезонный сток минеральных (а) и органических веществ (б) р. Черной Иласского болотного
массива
Сезонное распределение ионного стока и стока органических веществ, рассчитанное за многолетний период наблюдений, имеет ряд существенных различий (Рис. 1 а, б). Ход кривой изменения модуля стока органических веществ (Рис. 1 б) совпадает с ходом гидрографа и коррелирует с увеличением бихроматной окисляемости при максимальных расходах воды. Ход кривой модуля ионного стока имеет несколько иной характер (Рис. 1 а). Относительно небольшое различие модулей ионного стока в периоды весеннего половодья и летней межени обусловлено разнонаправленным характером изменения расходов и общей минерализации воды: уменьшением минерализации в весенний период на фоне увеличения расходов воды и, наоборот увеличением минерализации в летний период при уменьшающихся расходах воды. При этом максимальные значения как модуля ионного стока (РИ = (15,4 т/км2), так и модуля стока органических вещества (Рс =47,5 т/км2) установлены в период весеннего половодья.
В заключение отметим, что установленные нами фоновые значения модулей речного стока различных химических веществ для верховых болот и их зависимость от водности могут быть положены в основу разработки различных нормативных документов, направленных на сохранение или восстановление водно-болотных угодий нашей страны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Брызгало В. А., Иванов В.В. Сток растворенных веществ на замыкающих створах бассейнов арктических морей России. //Экологическая химия, 2000 N9, с. 76 - 89;
2. Калюжный И.Л. Оценка выноса органического вещества водами олиготрофного болотного массива, Метеорология и гидрология, 1999, №11, с. 98 - 104;
3. Мальцева А. В., Тарасов М. Н., Смирнов М.П. Сток органических веществ с территории СССР//Гидрохимические материалы, 1987, т. 102, с.76 - 97;
4. Материалы наблюдения болотных станций за 1975 год. Выпуск 1, Северо-Западное УГМС, 1976, с. 111 - 115;
5. Никаноров А.М. Гидрохимия: Учебник СПБ, Гидрометеоиздат, 2001 - 233 с.;
6. Потапова Т.М., Новиков С.М. Оценка антропогенных изменений химического состава болотных вод и стока растворённых веществ с территории естественных и мелиорированных верховых болот // Вестник СПбГУ, сер.7, 2006, вып. 2, с. 85 -95;
7. РД 52.24.643-2002 Методические указания, Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям - СПб: Гидрометеоиздат, 2002 - 43 с.
