CC BY
49
УДК 504.453
DOI: https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2020.4.61
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЕЧНОЙ СЕТИ РЕСПУБЛИКИ МАРИЙ ЭЛ
Е. А. Гончаров, М. А. Ануфриев, А. Г. Обухов, Л. И. Севостьянова
Поволжский государственный технологический университет, Российская Федерация, 424000, Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3 E-mail: GoncharovEA@volgatech.net
В статье рассмотрены эколого-гидрологические характеристики и система мониторинга водных объектов Республики Марий Эл. На основе сформированной базы данных определены параметры речных бассейнов: густота речной сети (варьирует от 0,18 до 0,85 км/км2 при среднем значении 0,47 км/км2), залесённость (от 2 до 90 % при среднем значении 57 %), среднегодовые сбросы сточных вод в водные объекты (56 млн. м3) и на водосборные площади (6 млн. м3). С использованием ГИС-технологий построены региональные тематические карты актуализированных гидрологических показателей речного стока (модули среднегодового стока, стока весеннего половодья и стока летне-осенней межени; максимальный слой дождевых паводков); размещения пунктов мониторинга и объектов негативного воздействия на водотоки и их водосборные площади. Установлено, что наибольшую нагрузку испытывают верховья и среднее течение рек Малой Кокшаги, Илети, Немды и Уржумки, бассейны рек правобережья р. Волги. В составе загрязнителей преобладают хлориды и сульфаты (84 %), взвешенные (9 %) и органические вещества (по БПК - 6 %). Мониторинг истоков рек показывает стабильные превышения нормативов качества воды по содержанию марганца, меди и железа.
Ключевые слова: речная сеть; речной сток; геоинформационные системы (ГИС); тематическое картографирование; экологическое состояние; мониторинг.
Введение. Климатические изменения существенно влияют на условия формирования поверхностного стока [1, 2]. Особую роль при этом играет повышение зимних температур и связанное с ним возрастание частоты и продолжительности зимних оттепелей [3], что определяет изменение интенсивности стока в течение года, снижает аккумуляцию влаги в почвенном покрове и оказывает влияние как на процессы формирования диффузного загрязнения, так и самоочищения водных объектов.
В связи с этим задача актуализации гидрологических характеристик территорий имеет значение для обеспечения всех
видов строительства, природоохранных мероприятий и сельского хозяйства. При этом для отображения пространственного распределения гидрологических параметров активно применяются методы гидрологического картографирования.
Развитие геоинформационных технологий (ГИС) привело к их широкому внедрению в процессы изучения поверхностных вод [4-8]. В настоящее время ГИС широко используются для гидрологических расчётов на основе моделирования рельефа, определения географических и гидрологических характеристик водных бассейнов, мониторинга водных объектов и представления результатов наблюдения.
© Гончаров Е. А., Ануфриев М. А., Обухов А. Г., Севостьянова Л. И., 2020.
Для цитирования: Гончаров Е. А., Ануфриев М. А., Обухов А. Г., Севостьянова Л. И. Характеристики пространственного распределения гидрологических и экологических показателей речной сети Республики Марий Эл // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. 2020. № 4 (48). С. 61-76. DOI: https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2020.4.61
Целью данной работы стало формирование актуализированной пространственной базы гидрологических, орографических и мониторинговых данных для оценки распределения, стока и качества поверхностных вод Республики Марий Эл на основе применения ГИС-технологий. При этом ставились задачи: выполнить анализ факторов формирования речного стока территории исследования; создать базу данных гидрологических и гидрохимических наблюдений, объектов негативного воздействия на водотоки и их водосборные площади; разработать тематические карты, характеризующие гидрологические параметры и экологическое состояние речного стока региона.
Методы исследования. В ходе выполнения исследований применялись следующие методы: картографический метод анализа количественных и качественных параметров окружающей среды, тематическое картографирование с использованием геоинформационных технологий.
Исходными данными для выполнения работы послужили: литературные источники [9-14], топографические карты, результаты интерферометрической обработки радарной топографической съёмки (SRTM - Shuttle radar topographic mission) с использованием программы Global Map-
per, гидрологического
1,2,3
гидрохимиче-
1 Основные гидрологические характеристики рек бассейна Нижней Волги [Электронный ресурс]. URL: http://www.hydrology.ru/ru/content/osnovnye-gidrologicheskie-harakteristiki-rek-basseyna-nizhney-volgi (дата обращения: 10.11.2020).
2 Основные гидрологические характеристики рек бассейна Верхней Волги [Электронный ресурс]. URL: http://www.hydrology.ru/ru/content/osnovnye-gidrologicheskie-harakteristiki-rek-basseyna-verhney-volgi (дата обращения: 10.11.2020).
3 Основные гидрологические характеристики рек бассейна Камы [Электронный ресурс]. URL: http://www.hydrology.ru/ru/content/osnovnye-gidrolo-gicheskie-harakteristiki-rek-basseyna-kamy (дата обращения: 10.11.2020).
ского4 и социально-гигиенического мониторинга водных объектов5, статистические сведения об использовании воды (за 2010-2019 гг.)4.
В рамках разработки Эколого-географического атласа Республики Марий Эл для характеристики и изучения поверхностных вод региона в программной среде MapInfo Professional была создана ГИС «Поверхностные воды Республики Марий Эл» [15], содержащая следующие векторные слои: гидрологические объекты (реки, озёра, водохранилища, болота, родники), рельеф (слой изогипс и слой поверхности высот по данным SRTM), гидрологические посты и пункты экологического и санитарно-гигиенического мониторинга, объекты негативного воздействия на окружающую среду. С учётом рельефа были выделены и определены параметры водосборных бассейнов.
К точечным объектам были добавлены атрибутивные данные, содержащие гидрологические характеристики, количество и состав сточных вод. При этом исходные данные гидрологических наблюдений были приведены к многолетнему периоду согласно общепринятым методикам [16-18].
В результате работы над ГИС «Поверхностные воды Республики Марий Эл» были созданы тематические карты с использованием растровых поверхностей, круговых картодиаграмм и размерных символов. Карты растровых поверхностей (модуль среднегодового стока, модуль стока весеннего половодья, модуль стока летне-осенней межени, максимальный
4 Автоматизированная информационная система государственного мониторинга водных объектов (АИС ГМВО) [Электронный ресурс]. URL: https://gmvo.skniivh.ru/ (дата обращения: 10.11.2020).
5 Социально-гигиенический мониторинг [Электронный ресурс]. URL: http://12.ros-potrebnadzor.ru/directions/sgm (дата обращения: 10.11.2020).
слой дождевых паводков) были построены методом интерполирования на основе триангуляции по данным гидрологических постов Республики Марий и прилегающих субъектов РФ. При построении карт использовались стандартные способы картирования гидрологических величин - расчётные значения относились к центрам тяжести водосборов. Для информативности по растровым поверхностям строились изолинии, интервалы между которыми заполнялись количественным фоном.
Характеристика факторов формирования поверхностных вод территории исследования. Республика Марий Эл расположена на Восточно-Европейской равнине в восточной её части. В тектоническом плане территория исследований расположена на востоке Русской платформы, в северо-западной части Волжско-Камской антеклизы, вблизи её сочленения с Московской синеклизой. Кристаллический фундамент архейско-нижнепроте-розойского возраста залегает на глубине 1,5-2,2 км, перекрыт осадочными отложениями девонского, каменноугольного, пермского, юрского, неогенового и четвертичного возрастов. Четвертичные отложения залегают сплошным чехлом (мощностью от 0,2-1,5 м на вершинах и верхних частях склонов водоразделов до 80 м в долинах крупных рек) и представлены комплексом аллювиальных, водно-ледниковых, элювиальных, делювиальных, проблематичных, озёрных и болотных образований песчано-глинистого состава [13]. По рельефу и поверхностным отложениям территория Марий Эл делится на три района: Приволжский, Западное Левобережье и Восточное Левобережье. Приволжский район (правобережная часть республики) имеет двухъярусный, ступенчатый денудационный рельеф (абсолютные высоты 60-200 м, глубина эрозионного расчленения в среднем составляет 123 м, густота оврагов - 0,28 км/км2, балок - 1,34 км/км2). Марийская низменность имеет одноярусный рельеф и в свою очередь делится на подрайоны: Марий-
ское Полесье (абсолютные высоты 70125 м, глубина эрозионного расчленения -43 м, густота оврагов - 0,01 км/км2, балок - 0,05 км/км2) и Оршанско-Кокшагская равнина (абсолютные высоты 125-175 м, глубина эрозионного расчленения - 59 м, густота оврагов - 0,05 км/км2, балок - 0,30 км/км2). Восточное Левобережье имеет трёхъярусный ступенчатый денудационный рельеф и делится на Марийско-Вятский Увал (куполовидные поднятия с абсолютными высотами 170-280 м, глубина эрозионного расчленения - 90 м, густота оврагов 0,05 км/км2, балок 0,32 км/км2) и Мари-Турекское плато (с абсолютными высотами 150-190 м, глубина эрозионного расчленения - 74 м, густота оврагов 0,06 км/км2, балок 0,31 км/км2). Поверхность крупных форм рельефа осложнена речными долинами, балками и оврагами [14].
Климат Республики Марий Эл - умеренно континентальный с неустойчивым увлажнением. За год в среднем выпадает 520-550 мм осадков: в теплый период (апрель-октябрь) выпадает 360-380 мм с максимумом 60-70 мм в июне-июле; в холодный период (ноябрь-март) - 150-180 мм с минимумом в феврале 22-30 мм6.
Река Волга является границей двух природных зон: таёжной (в левобережной части республики: на западе с южнотаёжными и подтаёжными сосновыми, на востоке - с пихтово-еловыми и широколист-венно-пихтово-еловыми лесами) и широколиственных лесов (в правобережной части республики с липово-дубовыми лесами). В настоящее время 57 % территории региона занимают леса, 33 % - сельскохозяйственные угодья (из которых 60 % приходится на пашню).
Речная сеть республики принадлежит бассейну реки Волги и её главного притока р. Камы и включает 169 рек протяжённостью более 10 км и более 300 малых рек
6 Эколого-географический атлас Республики Марий Эл [Электронный ресурс]. URL: http ://гео 12 .рф/atlas/ (дата обращения 24.11.2020).
и ручьёв, известно около 800 родников. Питание рек смешанное, в основном за счёт талых вод. Режим рек характеризуется высоким весенним половодьем, летней и зимней меженью. Озёра республики по происхождению относятся к пойменным, карстовым, суффозионным, междюнным и сложного происхождения (карстово-суффозионным или суффозионно-карстовым): на водоразделах расположено 168 озёр, в руслах рек - 58, в поймах рек -более 400. По характеру питания озёра относятся к смешанному типу с обязательными составляющими из атмосферного и грунтового питания. Также в регионе насчитывается 184 водохранилища комплексного назначения, образованные гидротехническими сооружениями, в т. ч. участки Чебоксарского и Куйбышевского водохранилищ на р. Волге площадью соответственно 60 тыс. га и 7,8 тыс. га [9].
Болота на территории Республики Марий Эл занимают площадь 98 тыс. га, при этом на низинные болота приходится 56 % площади, верховые - 40 % [11]. Болотные воды являются природным источником Fe2+, Мп2+, РО43-, растворённого органического вещества [19].
Грунтовое питание водных объектов обеспечивается водоносными локально водоносными свитами и комплексами: нижнечетвертично-современным аллювиальным, аллю виально-флю виогляциаль-ным комплексом (центральная и западная части региона, долины основных рек -Волги (левобережье), Ветлуги, Рутки, Большой и Малой Кокшаги, Илети и их водоразделы); котельничским терриген-ным комплексом (правобережье Волги, северные части водосборных бассейнов Рутки, Большой и Малой Кокшаги); верхнеуржумской и нижнеуржумской терри-генно-карбонатными свитами (восточная часть республики); верхнеказанской и нижнеказанской терригенно-карбонат-ными свитами (ось Марийско-Вятского Увала). Грунтовые воды, как правило,
гидрокарбонатные, в основном, магниево-кальциевые с минерализацией 0,05-0,6 г/л и жёсткостью 0,3-8,2 мг-экв/л. Для водоносного нижнечетвертично-современного аллювиального, аллювиально-флювиогля-циального комплекса характерно повсеместное повышенное содержание железа (1,3-24,7 ПДК), а на отдельных участках -марганца (до 1,5 ПДК и более)6.
По химическому составу воды рек Республики Марий Эл - гидрокарбонатно-кальциевые с минерализацией 0,1-0,5 г/л, за исключением реки Илеть, минерализация которой возрастает в межень до 1,4 г/л [9]. По химическому составу озёра республики относятся к гидрокарбонатной и сульфатной гидрохимическим формациям. Озёрные воды гидрокарбонатной формации имеют минерализацию 0,20,3 г/л. Большая минерализация характерна для озёр с водами сульфатной формации 1,9-4,2 г/л [10].
Результаты и их обсуждение. В геоинформационной среде на основе синтеза данных топокарт и результатов интерфе-рометрической обработки радарной топографической съёмки была получена тематическая карта «Бассейны рек» (рис. 1) и рассчитаны параметры водотоков и их водосборных площадей (табл. 1).
Густота речной сети в регионе составляет в среднем 0,47 км/км2, наименьший показатель в бассейне р. Парат - 0,18 км/км2, наибольший - в бассейне р. Малая Юнга - 0,85 км/км2. Залесённость водосборных поверхностей составляет в среднем 57 %, наименьшая лесистость 2-7 % сформировалась в результате сельскохозяйственного освоения возвышенных сильно расчленённых территорий правобережья р. Волги (бассейны Юнги, Малой Юнги и Сундыря) и северо-восточной части республики (бассейн Немды), а также в верховьях водосборных площадей рек Малой Кокшаги, Илети, Буя и Уржумки; минимальная 85-90 % - в бассейнах рек Марийского Полесья (р. Рутка, р. Парат).
Рис. 1. Бассейны рек Характеристика бассейнов рек
Таблица 1
Название реки Куда впадает Площадь водосбора в пределах республики, км2 Густота речной сети Лесистость, %
Сура Волга 91 0,61 64
Дорогуча Волга 94 0,58 69
Ветлуга Волга 2 240 0,36 75
Сумка Волга 188 0,65 16
Юнга Волга 178 0,70 7
Малая Юнга Волга 77 0,85 2
Сундырь Волга 176 0,38 7
Рутка Волга 1304 0,51 86
Парат Волга 291 0,18 88
Арда Волга 351 0,53 59
Большая Кокшага Волга 3192 0,45 75
Малая Кокшага Волга 4760 0,51 50
Илеть Волга 5056 0,49 62
Малые притоки Волги Волга 718 0,39 67
Немда Пижма/Вятка/Кама 2190 0,51 6
Буй Вятка/Кама 388 0,40 16
Уржумка Вятка/Кама 1163 0,42 31
Малые притоки Шошмы Шошма/Вятка/Кама 269 0,52 18
По справочным данным наблюдений, на гидрологических постах1'2'3 Республики Марий Эл и прилегающих субъектов РФ (табл. 2) в ГИС были построены следующие тематические карты: «Гидропосты и расход
стока рек» (рис. 2), «Модуль среднегодового стока» (рис. 3), «Модуль стока весеннего половодья» (рис. 4), «Модуль стока летне-осенней межени» (рис. 5), «Максимальный слой дождевых паводков» (рис. 6).
Таблица 2
Исходные данные для тематического картографирования [16-19]
Наименование гидропоста, адрес Площадь бассейна в створе гидропоста, км2 Модуль среднегодового стока, л/(с км2) Коэффициент вариации модуля среднегодового стока, Су Модуль стока весеннего половодья, л/(с км2) Коэффициент вариации модуля стока весеннего половодья, Су Модуль стока летне-осенней межени, л/(с км2) Коэффициент вариации модуля стока летне-осенней межени, Су Максимальный слой дождевых паводков вероятностью превышения 1 %, мм Коэффициент вариации максимального слоя дождевых паводков, Су
р. Немда - д. Луговая 3 250 6,9 0,43 261 0,41 1,42 0,57 38 1,21
р. Уржумка - с. Лопьял 1 330 5,1 0,16 158 0,44 1,64 0,49 15 0,77
р. Шошма - с. Большие Лызи 573 9,0 0,26 343 0,29 2,45 0,36 нет данных нет данных
р. Юронга - д. Малая Юронга 776 5,7 0,29 62 0,39 2,13 0,48 нет данных нет данных
р. Люнда - д. Копылово 475 5,3 0,34 165 0,67 0,99 0,67 60 0,88
р. Рутка - п. Три Рутки 1 590 7,8 0,37 97 0,44 1,68 0,35 59 0,69
р. Большая Кокшага - п. Санчурск 2 140 6,0 0,37 143 0,50 1,34 0,66 72 0,90
р. Большая Кокшага - д. Гришкино 5 750 5,5 0,28 102 0,61 2,07 0,60 59 0,70
р. Большой Кундыш - д. Петропав-лово 1 130 5,5 0,29 106 0,41 1,35 0,52 38 0,50
р. Малая Кокшага - п. Куяр 2 630 5,1 0,19 101 0,48 1,23 0,44 28 0,60
р. Илеть - п. Красногорский 5 920 5,2 0,18 82 0,55 2,16 0,26 27 0,60
р. Юшут - д. Помаштур 1 070 3,9 0,23 64 0,44 1,74 0,52 15 0,60
Рис. 2. Гидропосты и расход стока рек
Среднемноголетние ресурсы речного стока на территории Республики Марий Эл составляют 123,8 км3/год, в т. ч. местный сток 4,5 км3/год [9]. Среднегодовые модули местного стока для рек республики довольно устойчивые и составляют в среднем 5-6 л/(скм2), достигая максимума 7-9 л/(скм2) на северо-западе и юго-востоке региона (рис. 3), что соответствует распределению атмосферных осадков6.
Изменчивость годового стока характеризуется коэффициентом вариации (отношением среднего квадратического отклонения к среднему значению), значения которого в среднем составляют 0,20-0,30, на западе в бассейне Рутки коэффициент
увеличивается до 0,37, на севере-востоке (в бассейне Немды) до 0,43.
Максимальные расходы и модули стока воды на реках республики наблюдаются в периоды весеннего половодья, когда таяние снега нередко сопровождается выпадением дождей, и летне-осенних дождевых паводков. Модули стока весеннего половодья составляют на большей части территории 100-150 л/(скм2), увеличиваясь до 250-300 л/(с км2) на юго-востоке региона (рис. 4). Изменчивость стока весеннего половодья в среднем составляет 0,40-0,50, на северо-западе, в бассейне Люнды, увеличивается до 0,67, а на востоке, в бассейне Шошмы, коэффициент вариации понижается до 0,30.
Рис. 3. Модуль среднегодового стока
Рис. 4. Модуль стока
Минимальный сток наблюдается в период летне-осенней и зимней межени. Средний многолетний минимальный сток летне-осенней межени (за 30-суточный непрерывный период) составляет 12 л/(скм2) (рис. 5). Изменчивость стока летне-осенней межени в среднем составляет 0,40-0,50, увеличиваясь до 0,60-0,67 в бассейне Большой Кокшаги и Люнды.
Сток летней межени почти ежегодно нарушается дождевыми паводками. Дож-
весеннего половодья
девые паводки могут иметь место в каждом из месяцев тёплого периода года с мая по октябрь. Наибольшая продолжительность паводков характерна для рек лесной зоны республики, сток которых регулируется озёрами, болотами и песчаными почвами. Максимальный слой дождевых паводков вероятностью превышения 1 % для большей территории республики составляет 30-50 мм (рис. 6).
Рис. 5. Средний многолетний минимальный модуль стока летне-осенней межени (за 30-суточний непрерывный период)
Рис. 6. Максимальный слой дождевых паводков вероятностью превышения 1 %
Сеть мониторинга наблюдений за состоянием речной сети Республики Марий Эл включает следующие элементы:
1) государственная сеть наблюдений Росгидромета (р. Малая Кокшага (п. Куяр), р. Илеть (п. Красногорский) и р. Ветлуга (д. Марьино) гидрологические и гидрохимические наблюдения; р. Волга (г. Козьмодемьянск), р. Рутка (д. Три Рут-ки) - гидрологические)4;
2) пункты регионального мониторинга гидрохимических показателей (Минприроды Республики Марий Эл)4 приурочены к истокам, устьям рек, участкам перехода границ субъектов РФ и выпускам (до и после) сточных вод с очистных сооружений крупных населённых пунктов: на р. Ветлуга (2 - здесь и далее указано количество пунктов наблюдений), р. Сура
(1), р. Большая Кокшага (4) и её притоке р. Килемарка (2), на р. Малая Кокшага (до 22) и её притоках (р. Большая Ошла (4), р. Малая Ошла (6), р. Пижанка (2), р. Пе-чуморка (2), р. Нолька (до 7), р. Куярка
(2), р. Ронга (2)), р. Илеть (4) и её притоках (р. Параньгинка (4), р. Юшут (2)), р. Немда (4) и её притоках (р. Толмань (2), р. Она (2), р. Сердяжка (4)), р. Буй (4) и её притоке р. Амбанурка (2), р. Уржумка (2) и её притоках (р. Ноля (2), р. Туречка (2), р. Ирека (1)), притоках р. Шошма (р. Ар-борка (1), р. Сарда (1));
3) сеть социально-гигиенического мониторинга Роспотребнадзора5 на рекреационных участках (пляжах) и ниже сброса очистных сооружений по санитарно-химическим, микробиологическим, пара-зитологическим и радиологическим показателям: р. Волга (г. Волжск - 5 пунктов, г. Звенигово - 3 пункта, г. Козьмодемь-янск - 3 пункта, п. Юрино), р. Кожважка (с. Кожважка), р. Малая Юнга (д. Клим-кино), р. Большой Кундыш (д. Кундыш) и её приток р. Килемарка (п. Килемары); р. Малая Кокшага (г. Йошкар-Ола - 4 пункта, п. Куяр, с. Великополье) и её притоки р. Малая Ошла (п. Оршанка - 2 пункта), р. Пижанка (с. Табашино), р. Ма-
лый Кундыш (п. Голубой), р. Ронга (п. Советский - 2 пункта), р. Норка (пруд п. Силикатный); р. Илеть (д. Фадейкино, п. Красногорский, д. Березники) и её притоки р. Параньгинка (д. Ляжбердино), р. Ировка (д. Ирмучаш, мост на автодороге Морки-Шиньша); р. Немда (п. Куженер - 2 пункта, п. Новый Торъял - 2 пункта, мост на автодороге Н. Рушенер-Кукнур) и её притоки р. Туньинка (п. Одобеляк), р. Шукшан (п. Новый Торъял), р. Лаж (д. Лажъял), р. Сердяжка (д. Б. Сердеж), р. Она (с. Марисола); р. Буй (д. Сысоево); р. Уржумка (д. Мари-Билямор) и её притоки р. Ноля (д. Алашайка, д. Мари-Возармаш), р. Койла (д. Портчара), р. Ту-речка (д. Н. Турек), р. Руянка (д. Хлебни-ково); а также оз. Яльчик, оз. Кичиер, оз. Таир, оз. Молевое, оз. Шап, оз. Кугуер, оз. Малое;
4) государственный мониторинг состояния участков Чебоксарского и Куйбышевского водохранилищ в границах республики;
5) наблюдение за водными объектами и их водоохранными зонами водопользователями.
Сброс сточных вод на территории республики осуществляется в 22 водных объекта:
1) в бассейне р. Камы: р. Немда и её притоки: р. Толмань, р. Сердяжка, р. Она; р. Ноля (приток р. Уржумки), р. Буй и её приток р. Амбанурка;
2) в бассейне р. Волги: Чебоксарское вдхр. (г. Козьмодемьянск), р. Килемарка (бассейн р. Большой Кокшаги); р. Малая Кокшага и её притоки: р. Большая Ошла, р. Малая Ошла, р. Пижанка, р. Монага, р. Ронга, р. Печуморка, р. Нолька, р. Куярка; р. Илеть и её притоки: р. Пара-ньгинка, р. Юшут; Куйбышевское вдхр. (г. Звенигово и г. Волжск); ручей Чёрный.
Следует отметить транзитное загрязнение с речным стоком р. Волги, р. Суры, р. Ветлуги и её притоков (в частности р. Люнды), р. Сундырь, р. Большой Кок-шаги, притоков р. Илети (р. Ашит и
р. Петъялка), образующееся при сбросе сточных вод на территории Нижегородской, Кировской областей, республик Чувашия и Татарстан.
Существенное воздействие на качество поверхностных и грунтовых вод оказывает диффузное загрязнение с территорий сельскохозяйственных угодий, населённых пунктов, не подключённых к системам централизованной канализации [20,
21], а также предприятия и организации, осуществляющие сброс на рельеф местности (около 150 хозяйствующих субъектов).
По данным о пространственном расположении пунктов мониторинга и сброса сточных вод были разработаны карты «Объекты негативного воздействия и сеть мониторинга поверхностных вод» (рис. 7) и «Объёмы и состав сброса сточных вод» (рис. 8).
Рис. 7. Объекты негативного воздействия и сеть мониторинга поверхностных вод
Рис. 8. Объёмы и состав сточных вод
Общий сброс сточных вод на территории Республики Марий Эл в среднем составляет 56 млн. м3 в год (1,2 % местного речного стока), при этом объём недостаточно очищенных сточных вод составляет 84 %. 50-56 % сбросов приходится на р. Малую Кокшагу (до створа в п. Куяр), что составляет 6,8-7,2 % от годового стока этой реки. В составе загрязнителей преобладают хлориды и сульфаты (84 %), взвешенные вещества (9 %) и органические вещества (по БПК - 6 %). Основными загрязняющими веществами также являются азот аммонийный, нитриты, фосфаты (по фосфору), нефтепродукты. Специфические загрязняющие вещества в значимом количестве присутствуют в сбросах г. Йошкар-Олы и г. Волжска.
Объём ежегодного сброса сточных вод на рельеф местности (поля фильтрации, орошение сельскохозяйственных угодий) составляет в среднем 4,6 млн. м3 (табл. 3).
Значительное антропогенное воздействие испытывают верховья бассейнов рек
Малой Кокшаги, Немды, Буя и Уржумки, бассейны рек правобережья р. Волги за счёт диффузного загрязнения с сельскохозяйственных угодий и территорий населённых пунктов, а также водотоки в черте городов и на участках сбросов с муниципальных очистных сооружений. Качество вод ухудшается в створах ниже сброса сточных вод с очистных сооружений канализации, что в основном связано с изношенностью очистных сооружений канализации, несовершенством конструкций и технологии очистки.
Мониторинг истоков р. Малая Кокша-га и её притока р. Нолька, р. Илеть и её притока р. Параньгинка, р. Буй, р. Ур-жумка и её притока р. Туречка показывает стабильные превышения нормативов качества воды по содержанию марганца, меди и железа. Отсутствие в бассейнах перечисленных рек промышленных источников данных элементов доказывает их природное происхождение, что подтверждается гидрохимическими характеристиками грунтовых вод.
Таблица 3
Название реки Сброс сточных вод в водные объекты, тыс. м3/год Сброс сточных вод на рельеф местности
всего, тыс. м3/год на водосборную площадь, м3/км2
Ветлуга - 22,8 10
Сумка - 48,3 257
Юнга - 52,0 292
Сундырь - 21,0 119
Рутка - 6,1 5
Большая Кокшага 55,6 507,0 159
Малая Кокшага 27 814,6 2 292,4 482
Илеть 333,6 1 153,4 228
Малые притоки Волги - 107,5 150
Волга (участки Чебоксарского и Куйбышевского вдхр.) 24 540,8 - -
Немда 3 278,4 127,2 58
Буй 24,6 25,3 65
Уржумка 26,9 194,1 167
Малые притоки Шошмы - 18,0 67
Сброс сточных вод в пределах Республики Марий Эл
Выводы
С использованием ГИС-технологий на основе сформированной базы данных был определён ряд параметров речной сети Республики Марий Эл; разработаны тематические карты, характеризующие пространственное распределение актуализированных гидрологических показателей речного стока, размещение пунктов мониторинга и объектов негативного воздействия на водотоки и их водосборные площади.
Густота речной сети в регионе составляет в среднем 0,47 км/км2, наименьший показатель в бассейне р. Парат - 0,18 км/км2, наибольший - в бассейне р. Малая Юнга - 0,85 км/км2.
Минимальные площади лесов (2-7 % от площади водосбора) сохранились в районах сельскохозяйственного освоения возвышенных сильно расчленённых территорий правобережья р. Волги (бассейны Юнги, Малой Юнги и Сундыря) и северовосточной части республики (бассейн Немды), а также в верховьях водосборных площадей рек Малой Кокшаги, Илети, Буя и Уржумки; максимальные площади лесов (85-90 %) - в бассейнах рек Марийского Полесья (р. Рутка, р. Парат).
Методом интерполирования на основе триангуляции в ГИС были построены карты модулей среднегодового стока, стока весеннего половодья и летне-осенней межени, максимального слоя дождевых паводков:
- среднегодовые модули местного стока для рек республики довольно устойчивые и составляют в среднем 5-6 л/(скм2), достигая максимума 7-9 л/(с км2) на северо-западе и юго-востоке региона;
- модули стока весеннего половодья составляют на большей части территории 100-150 л/(с км2), увеличиваясь до 250300 л/(скм2) на юго-востоке региона;
- минимальный сток летне-осенней межени (за 30-суточный непрерывный период) составляет 1-2 л/(скм2);
- максимальный слой дождевых паводков вероятностью превышения 1 % для большей территории республики составляет 30-50 мм.
Система мониторинга за состоянием речной сети Республики Марий Эл включает: гидрологические и гидрохимические пункты наблюдений Росгидромета; пункты социально-гигиенического мониторинга Роспотребнадзора (на участках рекреации и ниже сброса очистных сооружений); пункты региональных гидрохимических наблюдений (Минприроды Республики Марий Эл) в истоках и устьях основных рек, а также на участках перехода границ субъектов РФ и влияния очистных сооружений крупных населённых пунктов; государственный мониторинг состояния участков Чебоксарского и Куйбышевского водохранилищ в границах республики; наблюдение водопользователями за водными объектами и их водоохранными зонами.
Сброс сточных вод на территории республики осуществляется в 22 водных объекта и в среднем составляет 56 млн. м3/год (или 1,2 % местного речного стока), при этом объём недостаточно очищенных сточных вод достигает 84 %.
В составе загрязнителей преобладают хлориды и сульфаты (84 %), взвешенные вещества (9 %) и органические вещества (по БПК - 6 %).
Мониторинг истоков рек показывает стабильные превышения нормативов качества воды по содержанию марганца, меди и железа, имеющих природное происхождение.
Существенное воздействие на качество поверхностных и грунтовых вод оказывает диффузное загрязнение с территорий сельскохозяйственных угодий, населённых пунктов, не подключённых к системам централизованной канализации, а также предприятия и организации, осуществляющие сброс на рельеф местности.
Работа выполнена при поддержке ВОО «Русское географическое общество», гранты № 12/2017-Р, № 25/2019-Р.
Список литературы
1. Коронкевич Н.И., Барабанова Е.А., Зайцева И. С. Влияние изменения годовых значений температуры воздуха и осадков на сток рек Русской равнины // Известия РАН. Сер. Географическая. 2007. № 5. С. 64-70.
2. Yasinskii S.V., Kashutina E.A. Effect of regional climate variations and economic activity on changes in the hydrological regime of watersheds and small-river runoff // Water Resources. 2012. Vol. 39. No 3. P. 272-293. DOI: 10.1134/S0097807812020091.
3. Лавров С.А., Калюжный И.А. Физические процессы и закономерности формирования зимнего и весеннего стока бассейна Волги в условиях изменения климата // Водное хозяйство России: Проблемы, технологии, управление. 2012. № 4. С. 74-84.
4. GIS and distributed watershed models. I: Data coverages and sources / J. Garbrecht, F.L. Ogden, P.A. DeBarry et al. // Journal of Hydrologic Engineering. 2001. Vol. 6. Iss. 6. P. 506-514. DOI: 10.1061/(ASCE)1084-0699(2001)6:6(506).
5. GIS and distributed watershed models. II: Modules, interfaces, and models / F.L. Ogden, J. Garbrecht, P.A. DeBarry et al. // Journal of Hydro-logic Engineering. 2001. Vol. 6. Iss. 6. P. 515-523. DOI: 10.1061/(ASCE)1084-0699(2001)6:6(515).
6. Orlova E.V. Definition of the Pechora basin geographical and hydrological characteristics using GIS technology // Russian meteorology and hydrology. 2008. Vol. 33. No 4 Pp. 253-258/ DOI: 10.3103/S1068373908040092.
7. Zatserkovnyi V., Plichko L., Martsenyuk V. Analysis of approaches to river basin management in moritoring surfase water quality using GIS // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM Vol. 18(2.2). 2018. P. 57-64. DOI: 10.5593/sgem2018/2.2/S08.008.
8. Johnson L.E. Geographic Information Systems in Water Resources Engineering. CRC Press, 2020. 338 p.
9. Республика Марий Эл. Водные ресурсы. Н.Новгород: Типография «Деловая Полиграфия», 2012. 96 с.
10. Озера Среднего Поволжья. Л.: Наука, 1976. 236 с.
11. Кусакин А.В. Болота Марий Эл: охрана и рациональное использование. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000. 200 с.
12. Столяров А.А. Природа, население и хозяйство Республики Марий Эл. Часть I: Природа Республики Марий Эл. Йошкар-Ола: ООО ИПФ «СТРИНГ», 2015. 292 с.
13. Энциклопедия Марий Эл. Йошкар-Ола, 2009. 872 с.
14. Севостьянова Л.И., Гончаров Е.А., Ануфриев М.А. Анализ овражно-балочной сети на территории Республики Марий Эл // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2018. Т. 42. № 2. С. 152— 161. DOI: 10.18413/2075-4671-2018-42-2-152-161.
15. Гончаров Е.А., Ануфриев М.А. Разработка регионального атласа экологических и географических данных на примере Республики Марий Эл // ИнтерКарто. ИнтерГИС. Геоинформационное обеспечение устойчивого развития территорий: Материалы Междунар. конф. M: Издательство Московского университета, 2020. Т. 26. Ч. 1. С. 533-546. DOI: 10.35595/2414-9179-2020-1-26-533-546.
16. СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. М.: Госстрой России, 2004. 73 с.
17. Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений. Санкт-Петербург: Государственное учреждение «Государственный гидрологический институт», 2005. 123 с.
18. Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при недостаточности данных гидрометрических наблюдений. Санкт-Петербург: Государственное учреждение «Государственный гидрологический институт», 2004. 67 с.
19. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 610 с.
20. Specific features of the formation of water flow and pollution export from agricultural, forest, and urbanized landscapes / N.I. Koronkevich, S.V. Dolgov, E.A. Kashutina et al. // Water Resources. 2019. Vol. 46. № S1. Р. 137-144. DOI: 10.1134/S0097807819070121.
21. Anthropogenic Load and the Effect of Drainage Area on the Diffuse Runoff of Nutrients into a Large Water Body: Case Study of the Cheboksary Reservoir / S.V. Yasinskii, E.A. Kashutina, M.V. Sidorova et al. // Water Resources. 2020. Vol. 47. № 5. P. 810-827. DOI: 10.1134/S009780782005022X.
Статья поступила в редакцию 24.11.2020 Принята к публикации 15.12.2020
Информация об авторах
ГОНЧАРОВ Евгений Алексеевич - кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий кафедрой экологии, почвоведения и природопользования, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - экологическое картографирование, геохимия ландшафтов. Автор 90 научных публикаций.
АНУФРИЕВ Максим Александрович - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры экологии, почвоведения и природопользования, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - экологическое картографирование. Автор 20 научных публикаций.
ОБУХОВ Александр Геннадьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций и водоснабжения, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - гидрология. Автор 65 научных публикаций.
СЕВОСТЬЯНОВА Лидия Ивановна - кандидат географических наук, доцент кафедры экологии, почвоведения и природопользования, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - ландшафтоведение. Автор 45 научных публикаций.
UDC 504.453
DOI: https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2020.4.61
CHARACTERISTICS OF SPACIAL DISTRIBUTION OF HYDROLOGIC AND ECOLOGICAL FIGURES OF RIVER NET IN MARI EL REPUBLIC
E. A. Goncharov, M. A. Anufriev, A. G. Obukhov, L. I. Sevostianova Volga State University of Technology,
3 Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000, Russian Federation E-mail: GoncharovEA@volgatech.net
Keywords: river net; river runoff; geoinformation systems (GIS); thematic mapping; ecological state; monitoring.
ABSTRACT
Introduction. Against the background of climatic changes, an updating of hydrologic characteristics of the regions takes on special significance both for the support of agriculture and construction, and implementation of environmental protection measures. The goal of the research is to develop an updated special database of hydrologic, orographic and monitoring data in order to assess the spread, runoff and quality of Mari El surface waters using GIS technologies. Research methods. The basin approach method, cartographic method of analysis of qualitative and quantitative characteristics of environment, thematic mapping with the use of GIS technologies were used for the research. Results and discussion. First, an analysis of factors for surface water formation in the research region was carried out. Based on various manuals on basins of major rivers of the region, a database of hydrologic and ecological data was developed. The drainage network density in the region is on average 0.47 km/km2 (the lowest rate is in the basin of the Parat, 0.18 km/km2; the highest rate is in the basin of the Malaya Yunga, 0.85 km/km2). The forestry area in the river basins varies from 2-7% (basin of the Yunga, the Malaya Yunga, the Nemda) to 8590% (basin of the Rutka and the Parat). Annual discharge of sewage waters into rivers is 56 mln. m3 (more than half of sewage waters are released into up- and midstream of the Malaya Kokshaga) and about 6 mln. m 3 are released in the basins (mainly, the Malaya Kokshaga and the Ilet). Of the contaminants, chlorides and sulfates prevail (84%), suspended matters take 9% of all contaminants, organic matters - 6%. With the use of GIS technologies, regional thematic maps of updated hydrologic data of river runoff, distribution of monitoring facilities and facilities of negative impact on the runoffs and their basins were generated. The value of average annual local runoff is on average 5-6 l/(s^km2), maximum figures are observed in North-West and South-East of the region (7-9 l/(skm2)). The unit runoff rate in spring flood is mainly 100-150 l/(s^km2), up to 250-300 l/(s^km2) in South-East of the region. Minimum runoff in estivo-autumnal low-water level is 1-2 l/(s^km2); maximum layer of rainfall flood with 1 % exceedance probability for almost all the region is 30-50 mm. Conclusion. A geo-information system describing a river net of Mari El was developed. It was demonstrated that upper and middle reaches of the Malaya Kokshaga, the Ilet, the Nemda, the Urzhumka, and basins of the rivers of the right bank of the Volga were under the highest load. The surface waters quality is found to be of impact (releases of waste plants) and diffusive (releases from agricultural lands, populated localities not in the system of centralised canalisation as well as enterprises and institutions, releasing wastes in the local area) pollution. Natural factors have a significant impact on the normative quality of waters.
The research was funded by the Russian Geographical Society, Grant No 12/2017-P, No 25/2019-P.
REFERENCES
1. Koronkevich N.I., Barabanova E.A., Zaitseva I.S. Vliyaniye izmeneniya godovykh znacheniy tem-peratury vozdukha i osadkov na stok rek Russkoy ravniny [Influence of annual value changes of air temperature and precipitation on the river runoff in the Russian Plain]. Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya.[Bulletin of Russian Academy of Sciences. Series Geographical.]. 2007. No 5. Pp. 64-70. (In Russ.).
2. Yasinskii S.V., Kashutina E.A. Effect of regional climate variations and economic activity on changes in the hydrological regime of watersheds and small-river runoff. Water Resources. 2012. Vol. 39. No 3. P. 272-293. DOI: 10.1134/S0097807812020091
3. Lavrov S.A. Kalyuzhnyi I.A. Fizicheskiye protsessy i zakonomernosti formirovaniya zimnego i vesennego stoka basseyna Volgi v usloviyakh izmeneniya klimata [Physical processes and patterns of formation of winter and spring runoff in the Volga basin under climate change]. Vodnoye khozyaystvo Rossii: Problemy, tekhnologii, upravleniye. [Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management.]. 2012. No. 4. Pp. 74-84. (In Russ.).
4. Garbrecht J., Ogden F.L. , DeBarry P.A. et al. GIS and distributed watershed models. I: Data coverages and sources. Journal of Hydrologie Engineering. 2001. Vol. 6. Iss. 6. P. 506-514. DOI: 10.1061/(ASCE)1084-0699(2001)6:6(506).
5. Ogden F.L. , Garbrecht J., DeBarry P.A. et al.GIS and distributed watershed models. II: Modules, interfaces, and models. Journal of Hydrologie Engineering. 2001. Vol. 6. Iss. 6. P. 515-523. DOI: 10.1061/(ASCE)1084-0699(2001)6:6(515).
6. Orlova E.V. Definition of the Pechora basin geographical and hydrological characteristics using GIS technology. Russian meteorology and hydrology. 2008. Vol. 33. No 4 Pp. 253-258/ DOI: 10.3103/S1068373908040092.
7. Zatserkovnyi V., Plichko L., Martsenyuk V. Analysis of approaches to river basin management in moritoring surfase water quality using GIS. International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM Vol. 18(2.2). 2018. P. 57-64. DOI: 10.5593/sgem2018/2.2/S08.008.
8. Johnson L.E. Geographic Information Systems in Water Resources Engineering. CRC Press, 2020. 338 p.
9. Respublika Mariy El. Vodnyye resursy [Mari El Republic. Water resources]. Nizhny Novgorod: Delovaya Poligrafiya, 2012. 96 p. (In Russ.).
10. Ozera Srednego Povolzya [Lakes of the Middle Volga Region]. Leningrad: Nauka, 1976. 236 p. (In Russ.).
11. Kusakin A.V. Bolota Mariy El: okhrana i ratsional'noe ispol'zovanie [Mari El swamps: protec-
tion and harmonious exploitation]. Yoshkar-Ola: MarGTU, 2000. 200 p. (In Russ.).
12. Stoliarov A.A. Priroda, naseleniye i khozyaystvo Respubliki Mariy El. Chast' I: Priroda Respubliki Mariy El [Nature, population and economy of the Republic of Mari El. Part I: Nature of the Republic of Mari El]. Yoshkar-Ola: STRING, 2015. 292 p. (In Russ.).
13. Entsiklopediya Marii El [Encyclopedia of Mari El]. Yoshkar-Ola, 2009. 872 p. (In Russ.).
14. Analiz ovrazhno-balochnoy seti na territorii respubliki Mariy El [Analysis of erosion network in the Republic of Mari El]. Nauchnyye vedomosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennyye nauki. [Bulletin of Belgorod State University. Series:Natural Sciences]. 2018. Vol. 42. No 2. Pp. 152-161. DOI: 10.18413/20754671-2018-42-2-152-161 (In Russ.).
15. Goncharov E.A., Anufriev M.A. Razrabotka regional'nogo atlasa ekologicheskikh i geograficheskikh dannykh na primere Respubliki Mariy El [Development of regional atlas of environmental and geographical data on the example of Mari El Republic]. InterKarto. InterGIS. Geoinformatsionnoe obespechenie ustoychivogo razvitiya territoriy: Materialy Mezhdunar. konf. [InterCarto. InterGIS. GI support of sustainable development of territories: proceedings of the International conference]. Moscow: Izdatelstvo Moskovskogo universiteta, 2020. Vol. 26. Part 1. Pp. 533-546. DOI: 10.35595/2414-9179-2020-1-26533-546 (In Russ.).
16. SP 33-101-2003. Opredeleniye osnovnykh raschetnykh gidrologicheskikh kharakteristik [SP 33101-2003. Determination of the main calculated hydrological characteristics]. Moscow: Gosstroy Rossii. 2004. 73 p. (In Russ.).
17. Metodicheskiye rekomendatsii po opredeleniyu raschetnykh gidrologicheskikh kharakteristik pri nalichii dannykh gidrometricheskikh nablyudeniy [Methodological recommendations for determining the calculated hydrological characteristics in the presence of hydrometric observation data]. St. Petersburg: Gosudarstvennoye uchrezhdeniye «Gosudarstvennyy gidrologicheskiy institut». 2005. 123 p. (In Russ.).
18. Metodicheskiye rekomendatsii po opredeleniyu raschetnykh gidrologicheskikh kharakteristik pri nedostatochnosti dannykh gidrometricheskikh nablyudeniy [Methodical recommendations for determining the calculated hydrological characteristics in case of insufficient data from hydrometric observations]. St. Petersburg: Gosudarstvennoye uchrezhdeniye «Gosudarstvennyy gidrologicheskiy institut», 2004. 67 p. (In Russ.).
19. Perelman A.I., Kasimov N.S. Geokhimiya landshafta [Landscape geochemistry]. Moscow: Astreya-2000, 1999. 610 p. (In Russ.).
20. Koronkevich N.I., Dolgov S.V. , Kashutina E.A. et al. Specific features of the formation of water flow and pollution export from agricultural, forest, and urbanized landscapes. Water
Resources. 2019. Vol. 46. № S1. P. 137-144. DOI: 10.1134/S0097807819070121.
21. Yasinskii S.V., Kashutina E.A., Si-dorova M.V. et al. Anthropogenic Load and the Effect of Drainage Area on the Diffuse Runoff of Nutrients into a Large Water Body: Case Study of the Cheboksary Reservoir. Water Resources. 2020. Vol. 47. № 5. P. 810-827. DOI: 10.1134/S009780782005022X.
The article was received 24.11.2020 Accepted for publication 15.12.2020
For citation: Goncharov E. A., Anufriev M. A., Obukhov A. G., Sevostianova L. I. Characteristics of Spa-cial Distribution of Hydrologic and Ecological Figures of River Net in Mari el Republic. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Forest. Ecology. Nature Management. 2020. No 4 (48). Pp. 61-76. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2827.2020.4.61
Information about authors
Evgenii A. Goncharov - Candidate of Agricultural Sciences, Head of the Chair of Ecology, Pedology and Nature Management, Volga State University of Technology. Research interests -ecological mapping, landscape geochemistry. Author of 90 scientific publications.
Maksim A. Anufriev - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor of the Chair of Ecology, Pedology and Nature Management, Volga State University of Technology. Research interests - ecological mapping. Author of 20 scientific publications.
Aleksandr G. Obukhov - Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Chair of Building Structures and Water Supply, Volga State University of Technology. Research interests - hydrology. Author of 65 scientific publications.
Lidiia I. Sevostianova - Candidate of Geographical Sciences, Associate Professor of the Chair of Ecology, Pedology and Nature Management, Volga State University of Technology. Research interests - landscape science. Author of 45 scientific publications.
