CC BY
35
УДК 504.3.054
Е. А. Минакова, А. П. Шлычков, И. Г. Шайхиев
МНОГОЛЕТНЯЯ ДИНАМИКА БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ КУЙБЫШЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В СОВРЕМЕННЫЙ ПЕРИОД
Ключевые слова: Куйбышевское водохранилище, биогенные вещества, динамика и тренд концентраций биогенных веществ.
Приведены результаты анализа загрязнения биогенными веществами вод Куйбышевского водохранилища за период 2009-2015 г.г. Выполнена оценка динамики средних годовых концентраций биогенных веществ и сравнение с рыбохозяйственными нормативами. Получены тренды средних годовых концентраций биогенных веществ в воде Куйбышевского водохранилища, описывающие общие тенденции динамики биогенных веществ за исследуемый период времени.
Keywords: Kuibyshev reservoir, quality of water, pollution, nutrients, trend changes in the concentration of nutrients.
The article presents the results of the analysis of nutrient pollution of waters of the Kuibyshev reservoir during 20092015 yrs. are given. The assessment of dynamics of average annual concentration of nutrient pollution and comparison with fishery standards is presents. The trends of average annual concentration in water of the Kuibyshev reservoir describing the general tendencies of dynamics of nutrient pollution for the studied time period are received.
Введение
Куйбышевское водохранилище входит в первую десятку крупнейших по площади водного зеркала водохранилищ Мира (6,5 тыс. км2). Это самое крупное водохранилище Волжско-Камского каскада, которое контролирует 97 % водных ресурсов Волги [1]. Функционально Куйбышевское водохранилище является водоемом сезонного регулирования и многоцелевого назначения, которое используется в интересах целого ряда отраслей экономики: промышленность и энергетика, питьевое и хозяйственно-бытовое водоснабжение, здравоохранение, сельское, рыбное, лесное и охотничье хозяйство, добыча полезных ископаемых, транспорт, рекреация, строительство, пожарная безопасность и т. д. [2].
Качество воды Куйбышевского водохранилища формируется под влиянием транзитного переноса загрязняющих веществ с вышележащих субъектов Российской Федерации, а также за счет сбросов недостаточно очищенных сточных вод промышленных и коммунальных предприятий и поверхностного стока с урбанизированной территории, примыкающей к акватории водохранилища [3, 4]. Основной вклад в загрязнение воды Куйбышевского водохранилища вносит транзитный перенос загрязняющих веществ с территорий вышележащих субъектов Российской Федерации. При этом, основной сток загрязняющих веществ осуществляется по русловой части водохранилища. Ввиду того, что на водохранилище наблюдаются существенные колебания уровня воды, обусловленные процессами выравнивания зеркала водохранилища в период половодья, изменениями режима работы Куйбышевской ГЭС и ветровыми нагонами, часть загрязняющих веществ может поступать из русловой части водохранилища на мелководья. Кроме того, существенный вклад в загрязнение водных объектов вносит геологическая среда и аэротехногенное загрязнение [5-7]. И это далеко не полный перечень наиболее значимых факторов, которые обуславливают загрязнение водных ресурсов Куйбышевского водохранилища и его притоков.
В настоящее время антропогенное эвтрофирова-ние является наиболее значимой проблемой Куй-
бышевского водохранилища. Прежде всего, подобный интерес обусловлен тесной связью последствий биогенного загрязнения с формированием и трансформацией качества воды водохранилища как источника водоснабжения [8, 9].
Кроме того, чрезмерное привнесение биогенных веществ в условиях замедленного водообмена вызывает массовое развитие сине-зеленых водорослей и «цветение» воды, что значительно ухудшает её качество, снижает рекреационный и рыбохозяй-ственный потенциал водохранилища [4].
Данная статья является продолжением серии работ [10-15], посвященных оценке качества вод, нормированию химической нагрузки и оценке загрязнения биогенными веществами Куйбышевского водохранилища и его притоков.
Материалы и методы исследований
В качестве исходных материалов использованы систематические наблюдения ФГБУ «Сред-волгаводхоз» за загрязнением воды Куйбышевского водохранилища на напряженных участках водопользования, а также на границах между субъектами Российской Федерации. Отбор проб воды выполнялся в основные фазы водного режима: зимняя межень, половодье (на подъеме, пике и спаде), летняя межень, осенью перед ледоставом, а также при прохождении дождевого паводка. В 2009 г. наблюдения и гидрохимический анализ проб проводился на 8 постах, а в 2015 г. наблюдения за загрязнением воды Куйбышевского водохранилища осуществлялось уже на 12 постах (рис. 1).
По результатам гидрохимического анализа рассчитаны средние годовые и средние за 2009-2015 гг. значения концентраций биогенных веществ в долях ПДКрх. в целом по Куйбышевскому водохранилищу.
С целью получения сопоставимой информации обработка данных наблюдений за загрязнением воды Куйбышевского водохранилища проводилась с использованием физико-статистических методов анализа приведенных в [16, 17].
Рис. 1 - Карта-схема пунктов наблюдений ФГБУ «Средволгаводхоз» за загрязнением воды Куйбышевского водохранилища
Результаты и их обсуждение
Ионы аммония. Динамика и тренд средних годовых концентраций ионов аммония в долях ПДКрх. за период 2009-2015 г.г. в воде Куйбышевского водохранилища приведены на рис. 2.
Рис. 2 - Многолетняя динамика и тренд средних годовых концентраций ионов аммония за период 2009-2015 г.г. в воде Куйбышевского водохранилища, ПДКр.х.
Средняя многолетняя концентрация ионов аммония за период с 2009 по 2015 г.г. составила 0,86 ПДКрх.. Максимальная средняя многолетняя концентрация 1,5 ПДКрх. наблюдалась в 2010 г., а минимальная - 0,55 ПДКрх. в 2011 г. В среднем концентрация ионов аммония снижалась на 0,09 ПДКрх. с каждым годом.
Превышение рыбохозяйственных нормативов зарегистрировано в 2009 и 2010 г.г. в 1,37 и 1,5 раза, соответственно. Анализ рис. 2 показывает, что за период 2009-2015 г.г. в воде Куйбышевского водохранилища отмечалась умеренная тенденция снижения средних годовых концентраций ионов аммония.
Нитрит- и нитрат-ионы. Динамика и тренд средних годовых концентраций нитрат-ионов в долях ПДКрх. за период 2009-2015 г.г. в воде Куйбышевского водохранилища приведены на рис. 3.
Рис. 3 - Многолетняя динамика и тренд средних годовых концентраций нитрат-ионов за период
2009-2015 г.г. в воде Куйбышевского водохранилища, ПДКр.х.
Средняя многолетняя концентрация нитрат-ионов за период с 2009 по 2015 г.г. составила 0,07 ПДКрх.. Максимальная средняя многолетняя концентрация нитрат-ионов 0,08 ПДКрх. наблюдалась в 2013-2014 г.г., а минимальная - 0,06 ПДКрх. в
2010-2011 г.г. В среднем концентрация нитрат-ионов росла на 0,0001 ПДКрх. с каждым годом. Превышения рыбохозяйственных нормативов средними многолетними концентрациями нитрат-ионов в воде Куйбышевского водохранилища за период 20092015 г.г. не выявлены.
Анализ рис. 3 показывает, что в период 20092015 гг. в воде Куйбышевского водохранилища отмечалась слабая тенденция роста средних годовых концентраций нитрат-ионов.
Многолетняя динамика и тренд средних годовых концентраций нитрит-ионов в воде Куйбышевского водохранилища за период 2009-2015 г.г. приведена на рис. 4.
Рис. 4 - Многолетняя динамика и тренд средних годовых концентраций нитрит-ионов в воде Куйбышевского водохранилища за период 20092015 г.г.
Средняя многолетняя концентрация нитрит-ионов за период с 2009 по 2015 г.г. составила
0,44 ПДКрх.. Максимальная средняя многолетняя концентрация нитрит-ионов 0,70 ПДКрх. наблюдалась в 2014 г., а минимальная - 0,27 ПДКр.х. - в 2009 г. В среднем, концентрация нитрит-ионов увеличивалась на 0,03 ПДКрх. с каждым годом. Превышения рыбохозяйственных нормативов по нитрит-ионам в воде Куйбышевского водохранилища за период 2009-2015 г.г. не выявлено.
Анализ рис. 4 показывает, что в период 20092015 г.г. в воде Куйбышевского водохранилища отмечалась заметная тенденция роста средних годовых концентраций нитрит-ионов.
Фосфат-ионы. Многолетняя динамика и тренд средних годовых концентраций фосфат-ионов в воде Куйбышевского водохранилища за период 20092015 г.г. приведена на рис. 5.
летней динамике величины БПК5 в воде Куйбышевского водохранилища, за исключением 2009 г.
Рис. 5 - Многолетняя динамика и тренд средних годовых концентраций фосфат-ионов в воде Куйбышевского водохранилища за период 20092015 г.г.
Средняя многолетняя концентрация фосфат-ионов за период с 2009 по 2015 г.г. составила 0,47 ПДКрх.. Максимальная средняя многолетняя концентрация фосфат-ионов 0,65 ПДКр.х. наблюдалась в 2013 г., а минимальная - 0,28 ПДДКрх. - в 2009 г. В среднем, концентрация фосфат-ионов увеличивалась на 0,02 ПДКрх. с каждым годом. Превышения рыбохозяйственных нормативов фосфат-ионов в воде Куйбышевского водохранилища за период 2009-2015 г.г. не выявлено. В целом, за рассмотренный период в воде Куйбышевского водохранилища отмечалась умеренная тенденция роста среднегодовых концентраций фосфат-ионов.
Биологическое потребление кислорода.В данной работе проанализирована динамика показателя биологическое потребление кислорода (БПК5) как основного критерия загрязнения органическими и биогенными веществами.
Средняя многолетняя динамика и тренд средних годовых значений величины БПК5 за период 20092015 г.г. в воде Куйбышевского водохранилища приведены на рис. 6.
Средняя многолетняя величина БПК5 за период с 2009 по 2015 г.г. составила 1,35. Максимальная средняя многолетняя величина БПК5 1,71 наблюдалась в 2010 г., а минимальная - 0,99 в 2009 г.
В течение периода наблюдений выявлены превышения рыбохозяйственных нормативов в много-
Рис. 6 - Многолетняя динамика и тренд средних годовых значений величины БПК5 за период 20092015 г.г. в воде Куйбышевского водохранилища
Анализ рис. 6 показывает, что за период 20092015 г.г. в воде Куйбышевского водохранилища не выявлена тенденция средних годовых значений величины БПК5.
Изменения химического состава воды водохранилища в ретроспективе лет приведены в табл. 1. В период формирования водохранилища (1957-1959 г.г.) произошло возрастание по сравнению с 19521954 г.г. основных биогенных веществ - фосфат-ионов в 2,9 раза, нитрит-ионов в 4 раза, нитрат-ионов в 1,8 раза и ионов аммония в 3,0 раза.
В 1960-1963 г.г. в период стабилизации водохранилища содержание биогенных веществ находилось на сравнительно низком уровне.
В 1964-1978 г.г. по сравнению с 1952-1954 г.г. превышение фосфат-ионов наблюдалось в 1,5 раза, что несколько ниже, чем в предыдущие годы, в тоже время зарегистрирован существенный рост нитрит-ионов в 13 раз. По содержанию в воде водохранилища нитрат-ионов и ионов аммония существенной динамики не наблюдалось.
В 2001-2005 г.г. по сравнению с 1952-1954 г.г. зарегистрирован рост фосфат-ионов в 2,7 раза, аммоний-ионов в 4,0 раза, что несколько выше, чем в предыдущий период. Рост нитрат-ионов наблюдался в 1,4 раза, что несколько ниже, чем в предыдущий период. Рост нитрит-ионов наблюдался в 13,0 раз и не изменился по сравнению с предыдущим периодом.
Таблица 1 - Изменения химического состава воды водохранилища в ретроспективе лет
Периоды Биогенные вещества
РО4,3" мг/дм3 N02, мг/ дм3 N03, мг/дм3 ЫН4, мг/дм3
р. Волга, 1952-1954 г.г. [18] 0,015 0,001 0,18 0,02
Формирования, 1958-1959 г.г. [18] 0,043 0,004 0,32 0,06
Стабилизации, 1960-1963 г.г. [18] 0,034 0,003 0,34 0,06
1964-1978 г.г. [18] 0,023 0,013 0,3 0,06
2001-2005 г.г. [19] 0,041 0,013 0,26 0,08
2009-2015 г.г. 0,094 0,035 2,8 0,46
Следует отметить, что в современный период 2009-2015 г.г. отмечен существенный рост по сравнению с 1952-1954 г.г. и предыдущим периодом концентрации основных биогенных веществ - фосфат-ионов в 6,3 раза, нитрит-ионов в 35,0 раз, нитрат-ионов в 15,6 раза и ионов аммония в 23,0 раза.
Заключение
Результаты проведенного анализа показывают, что в 2009-2015 г.г. средние годовые концентрации нитрат-ионов, нитрит-ионов, фосфат-ионов в воде Куйбышевского водохранилища, не превышали ры-бохозяйственных нормативов. За рассмотренный период средние годовые концентрации ионов аммония превышали рыбохозяйственные нормативы лишь в 2009 и 2010 г.г. в 1,37 и 1,50 раз, соответственно.
Обнаружено, что за весь период наблюдения с 2009 по 2015 г.г. показатель БПК5 превышал рыбо-хозяйственные нормативы (за исключением 2009 г.).
Получены тренды динамики средних годовых концентраций изученных биогенных веществ в воде Куйбышевского водохранилища, описывающие общие тенденции данных веществ во времени:
- умеренная тенденция снижения средних годовых концентраций ионов аммония,
- слабая тенденция роста средних годовых концентраций нитрат-ионов,
- умеренная тенденция роста средних годовых концентраций фосфат-ионов,
- заметная тенденция роста средних годовых концентраций нитрит-ионов.
В целях улучшения качества вод Куйбышевского водохранилища необходимо снижение биогенной нагрузки за счет уменьшения диффузного сброса путем очистки сточных и талых вод с территории крупных промышленных комплексов, расположенных на водосборной площади Куйбышевского водохранилища, а также залесение и залужение водоохранных зон. Кроме того, необходимо продолжить работы по дальнейшему совершенствованию очистки сточных вод промышленных и коммунальных предприятий, осуществляющих сбросы в Куйбышевское водохранилище и его притоки.
Полученные результаты могут быть использованы при планировании мероприятий по снижению биогенной нагрузки на воды Куйбышевского водохранилища и его притоков.
Литература
1. Г.С. Розенберг, Волжский бассейн: на пути к устойчивому развитию, Кассандра, Тольятти, 2009. 477 с.
2. Куйбышевское водохранилище: экологические аспекты водохозяйственной деятельности, Под ред. В.З. Латыповой, О.П. Ермолаева. Казань: Изд-во «Фоли-антъ», 2007. 320 с.
3. М.Г. Хубларян, Т.И. Моисеенко, Вестник Российской Академии наук, 79, 5, 403-410 (2009).
4. Вопросы экологического нормирования и разработка системы оценки состояния водоемов, Материалы Объединенного Пленума Научного совета ОБН РАН по гидробиологии и ихтиологии, Гидробиологического общества при РАН и Межведомственной ихтиологической комиссии, Товарищество научных изданий КМК, М., 2011. 196 с.
5. Г.Р. Булка, В.З. Латыпова, Е.А. Шлычкова, А.П. Шлыч-ков, Международная конференция «Экологическая геология и рациональное недропользование. Становление научного направления и образования», Санкт - Петербург, 1997. С. 60-61.
6. А.Р. Валетдинов, Ф.Р. Валетдинов, А.Т. Горшкова, С.В. Фридланд, А.П. Шлычков, Безопасность жизнедеятельности, 12, 13-16 (2006).
7. А.Р. Валетдинов, Р.К. Валетдинов, Ф.Р. Валетдинов, А.Т. Горшкова, С.В. Фридланд, А.П. Шлычков, Безопасность жизнедеятельности, 10, 17-20 (2008).
8. Ю.С. Даценко, Эвтрофирование водохранилищ: гидролого-гидрохимические аспекты, ГЕОС, М., 2007. 232 с.
9. А.В. Селезнёва, Экологическое нормирование антропогенной нагрузки на водные объекты, Самарский НЦ РАН, Самара, 2007.107 с.
10. Е.А. Минакова, В.З. Латыпова, Н.Ю. Степанова, Безопасность жизнедеятельности, 4, 3-10 (2004).
11. Е.А. Минакова, дисс.... канд. географич. Наук, СПб, 2004. 147 с.
12. В.З. Латыпова, С.Ю. Селивановская, Н.Ю. Степанова, Е.А. Минакова, Ученые записки Казанского государственного университета, 147, кн.1, 159 - 170 (2005).
13. А.П. Шлычков, В.З. Латыпова, Е.А. Минакова, Р.Н. Давыдов, А.Р. Ильясова, Проблемы региональной экологии, 5, 7-13 (2012).
14. Е.А. Минакова, А.П. Шлычков, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 19, 24, 149-153 (2016).
15. Е.С. Корчева, С.В. Степанова, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 19, 20, 186-189 (2016).
16. Г.А. Алексеев, Метеорология и гидрология, 11, 56-68 (1969)..
17. А.А. Исаев, Статистика в метеорологии и климатологии, Изд-во Моск. ун-та, М., 1988. 245 с.
18. Куйбышевское водохранилище, Наука, Л., 1983. 214 с.
19. Куйбышевское водохранилище (научно-информационный справочник) / Отв. ред. Г.С. Розенберг, Л.А. Выхристюк. - Тольятти: ИЭВБ РАН, 2008. 123 с.
© Е. А. Минакова - к.г.н., доцент кафедры биоэкологии, Казанский (Приволжский) федеральный университет. ekology-hel@mail.ru; А. П. Шлычков - к.г.н., старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, anatoliy.shlychkov@yandex.ru; И. Г. Шайхиев - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной экологии, Казанский национальный исследовательский технологический университет.
© E. A. Minakova - Ph.D., assistant professor of bio-ecology, Kazan (Volga) Federal University, ekologyhel@mail.ru; A. P. Shlychkov - Ph.D., Senior Research Fellow, Institute of Ecology and Mineral Sciences of the Republic of Tatarstan, ana-toliy.shlychkov@yandex.ru; I. G. Shaikhiev - Professor, Head of Department of Environmental Engineering, Kazan National Research Technological University.
