CC BY
9УДК 556.114.6
многолетняя динамика содержания и стока аммонийного азота в воде среднего амура
© 2015 г. В.П. Шестеркин, Н.М. Шестеркина
ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук», г. Хабаровск
Ключевые слова: Средний Амур, аммонийный азот, содержание, сток, антропогенная составляющая.
Рассмотрена многолетняя динамика содержания и стока аммонийного азота в воде Среднего Амура. Отмечено снижение стока аммонийного азота в 1,4 раза по сравнению с 1981-2000 гг., доминирование в последние годы нитратного азота в стоке минеральных форм. Дано предположение, что тенденции изменения стока обусловлены преобразованиями на водосборе. Антропогенная составляющая стока в
настоящее время ф°рмируется за счет в.п. Шестеркин Н.М. Шестеркина р. Сунгари и в большей степени проявляется в зимнюю межень.
Большие экономические преобразования в бассейне Среднего Амура, прежде всего в китайской его части (рост численности населения, развитие химической промышленности, широкое использование минеральных удобрений и др.), не могли не оказать влияния на вынос растворенных веществ в Охотское море. Среди этих веществ особое место занимает аммонийный азот, концентрация которого лимитирует качество поверхностных вод и определяет биологическую продуктивность водных объектов.
В настоящее время на основе материалов Росгидромета рядом исследователей дана оценка выноса аммонийного азота водами Амура в Тихий Океан в многолетнем аспекте [1, 2]. Зимний же сток этого вещества в наиболее сложный для речных экосистем период, когда в условиях малой водности и большой длительности ледостава влияние антропогенных факторов проявляется наиболее сильно, до сих пор остается слабо изученным.
Цель данной работы - изучение динамики содержания и стока аммонийного азота в воде Среднего Амура в многолетнем аспекте.
Водное хозяйство России № 2, 2015 г.
водное хозяйство России
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Гидрохимические исследования осуществлялись на р. Амур в 19962014 гг. у г. Хабаровска, где площадь водосбора составляет 1 630 тыс. км2 (87,9 % от общей площади бассейна). Выбор этого участка реки обусловлен его наибольшей гидрологической и гидрохимической изученностью (пункты наблюдений Росгидромета за загрязненностью поверхностных вод Амура между городами Благовещенск и Хабаровск отсутствуют). Пробы воды отбирали с поверхности на 5-6 равномерно распределенных по ширине реки вертикалях: в декабре-марте 1-2 раза в месяц, в период открытого русла (май-октябрь) 1-2 раза за фазу водного режима. На пограничных участках Среднего Амура в районе сел Амурзет и Нижнеленинское -на трех, равномерно расположенных по ширине реки от российского до китайского берега вертикалях. Схема расположения пунктов наблюдений представлена на рис. 1.
Образцы воды анализировали в аккредитованном Межрегиональном центре экологического мониторинга гидроузлов (Аттестат аккредитации № ИОСС Ии 0001 515988) при Институте водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИВЭП ДВО РАН). Содержание аммонийного азота в отфильтрованных через мембранные фильтры (0,45 мкм) пробах воды определяли фотометрически по ПНД Ф 14.1:2.1-95 [3], с 2014 г.- по ПНД Ф 14.2:4. 209-05 [4].
Водное хозяйство России № 2, 2015 г.
Сопоставление результатов анализа при параллельном определении по обеим методикам показало хорошую сходимость при предварительной коагуляции проб воды (при цветности выше 20°) гидроксидом алюминия при определении с реактивом Несслера.
В работе использованы материалы Амурского бассейнового водохозяйственного управления Федерального агентства водных ресурсов по гидрологии Бурейской и Зейской ГЭС, данные Дальневосточного управления по гидрометеорологии и контролю природной среды по гидрологии Амура.
результаты исследований
Первые сведения о содержании аммонийного азота (до 2 % от общего солевого состава) в воде р. Амур у Хабаровска были получены в 1895 г. фармацевтом Бобрицким [5]. Наблюдения на входе городского водовода в 1953 -1955 гг. свидетельствовали о низкой концентрации (0,01-0,08 мг Ы/дм3) аммонийного азота в зимнюю межень и повышенной в период открытого русла (0,07-0,62 мг Ы/дм3) [6].
С 1975 г. мониторинг за содержанием аммонийного азота начинает осуществлять Росгидромет. Водность Амура у г. Хабаровска в это время определялась в основном зарегулированным стоком р. Зея (54,7 %). Сток р. Сунгари составлял 35,1, Верхнего Амура - 7,4, р. Бурея - 2,8 % [7].
Несмотря на доминирование вод р. зея в стоке Среднего Амура и невысокие концентрации аммонийного азота в воде этой реки (в среднем до 0,65 мг Ы/дм3), его повышенное содержание в амурской воде зимой стало отмечаться с первых лет наблюдений. Высокие концентрации, превышающие ПДКрх (предельно допустимые концентрации рыбохозяйственные) в три и более раз, наблюдались в 1977, 1984 и 1987 гг. Максимальная концентрация аммонийного азота достигала 2,26 мг Ы/дм3 (1984 г.) [7]. Снижение качества вод Амура в эти годы было обусловлено ухудшением кислородного режима вследствие высоких темпов развития промышленности и сельского хозяйства в бассейне р. Сунгари [8].
Преобладание аммонийной формы в стоке минеральных форм азота отмечалось во все годы наблюдений за исключением 1982 и 1986 гг. Средняя многолетняя концентрация аммонийного азота за период 1975-1988 гг. составила 0,84 мг Ы/дм3, что соответствовало стоку 2124 т/мес. Концентрация и сток нитратного азота были ниже - 0,20 мг Ы/дм3 и 507 т/мес. соответственно [9].
Гидрохимические исследования в 1997-2014 гг. позволили более детально рассмотреть многолетнюю динамику содержания и стока аммонийного азота. В многолетнем аспекте в 1997-2003 гг. отмечается небольшое межгодовое варьирование содержания аммонийного азота и незначительное снижение средней многолетней концентрации (0,74 мг Ы/дм3) по сравнению с предыдущим периодом (1975-1988 гг.).
Водное хозяйство России № 2, 2015 г.
Определенной зависимости между содержанием аммонийного азота и расходами воды в зимнюю межень нет. Пониженные концентрации наблюдались зимой 1999 г. после катастрофического паводка летом 1998 г. в бассейне р. Сунгари, когда большая часть загрязняющих веществ была смыта с поверхности водосбора (см. таблицу). Повышенные концентрации отмечались в средний по водности (2000) и маловодные (2002 и 2003) годы.
Максимальный сток аммонийного азота наблюдался в феврале 2000 г. (7540 т). В маловодные (2002, 2003 гг.) сток был значительно ниже (рис. 2). В среднем сток аммонийного азота в этот период составил 3488 т/мес., т. е. увеличился по сравнению с 1975-1988 гг. в 1,6 раза [7]. Для сравнения: содержание и сток нитратного азота в этот период выросли в 1,8 и 3,3 раза соответственно [9].
Повышенный сток аммонийного азота указывает на активизацию хозяйственной деятельности в бассейне Амура, прежде всего в его китайской части. Об этом свидетельствует характер распределения содержания аммонийного азота по ширине Амура на пограничных участках выше и ниже устья р. Сунгари. Выше устья (в районе с. Амурзет) отсутствовали различия в распределении содержания аммонийного азота по ширине Амура, а концентрации не превышали 0,28 мг Ы/дм3. Ниже устья (в районе с. Нижнеленинское) максимальные концентрации (до 2,42 мг Ы/дм3) наблюдались на фарватере и в китайской части Амура [7].
6000 -|
14000
о 2000 н
0
1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013
Годы
■ Аммонийный в Нитратный
Рис. 2. Многолетняя динамика стока минерального азота в воде р. Амур у г. Хабаровска в зимнюю межень 1997-2013 гг.
Водное хозяйство России № 2, 2015 г.
таблица. Многолетняя динамика содержания аммонийного азота в воде р. Амур у г. Хабаровска
Год Содержание аммонийного азота, мг Ы/дм3
п Зимняя межень п Открытое русло
1997 17 0,66±0,29 13 0,43±0,27
0,24-1,31 0,07-0,80
1998 15 0,68±0,36 15 0,19±0,16
0,23-1,20 0,05-0,58
1999 26 0,53±0,19 14 0,32±0,12
0,13-0,91 0,17-0,64
2000 29 1,26±0,42 21 0,76±0,63
0,58-2,09 0,09-2,43
2001 33 0,59±0,26 5 0,26±0,09
0,07-0,92 0,17-0,39
2002 24 0,79±0,27 4 0,30±0,31
0,36-1,29 0,05-0,75
2003 40 0,71±0,43 0,07-1,62 - -
2004 30 0,53±0,20 6 0,22±0,15
0,20-0,88 0,05-0,48
2005 20 0,57±0,33 14 0,15±0,19
0,03-1,02 0,05-0,59
2006 15 0,57±0,25 24 0,28±0,15
0,16-0,88 0,05-0,67
2007 12 0,63±0,31 6 0,17±0,12
0,11-0,95 0,05-0,33
2008 37 0,44±0,28 8 0,16±0,19
0,03-0,84 0,05-0,54
2009 24 0,41±0,18 12 0,23±0,09
0,13-0,75 0,13-0,41
2010 40 0,32±0,23 15 0,30±0,10
0,02-0,79 0,12-0,47
2011 20 0,63±0,25 12 0,21±0,14
0,23-0,95 0,05-0,40
2012 36 0,18±0,07 11 0,34±0,09
0,04-0,40 0,19-0,52
2013 35 0,29±0,18 46 0,07±0,08
0,02-0,61 < 0,02-0,42
2014 26 0,23±0,12 14 0,05±0,02
0,09-0,45 < 0,02-0,07
Примечание: в числителе - среднее и среднеквадратичное отклонение; в знаменателе - минимальное и максимальное значения; прочерк - отсутствие данных; п - число проб).
Водное хозяйство России № 2, 2015 г.
В 2004-2009 гг. содержание аммонийного азота по сравнению с предыдущим периодом (1997-2003 гг.) снизилось в 1,4 раза. Улучшение качества вод Амура в эти годы было обусловлено повышением водности р. Бурея и увеличением ее доли в зимнем стоке Амура. После зарегулирования сток ниже плотины Бурейской ГЭС вырос за 2004-2009 гг. в среднем с 220 до 583 м3/с, содержание аммонийного азота в воде реки не превышало 0,37 мг Ы/л [10].
Основные источники поступления аммонийного азота в эти годы, как и ранее, находились в бассейне р. Сунгари. Наблюдения у с. Нижнеленинское в декабре 2005 г. свидетельствовали о повышенном содержании аммонийного азота в китайской части Амура (1,09-1,46 мг Ы/дм3) по сравнению с российской частью (0,38 мг Ы/дм3) [11]. В марте 2006 г. превышение у китайского берега составило 10 раз, в феврале 2008 г. - 8 раз (рис. 3). Выше устья р. Сунгари (с. Амурзет) содержание аммонийного азота по ширине Амура распределялось, как и ранее, относительно равномерно и не превышало 0,27 мг Ы/дм3.
В районе г. Хабаровска наименьшие концентрации, а соответственно, и сток аммонийного азота отмечались в маловодные (2008-2009) годы. Впервые за наблюдаемый период зафиксировано изменение структуры стока минерального азота: преобладание нитратного над аммонийным азотом (см. рис. 2). В среднем сток аммонийного азота в воде р. Амур зимой
з и
2006 2008 2011 2012 2013 2014
Годы
и Правобережная часть □ Середина и Левобережная часть
Рис. 3. Изменение содержания аммонийного азота в воде р. Амур в зимнюю межень 2006, 2008, 2011-2014 гг. в районе с. Нижленинское.
Водное хозяйство России № 2, 2015 г.
2004-2009 гг. составил 2057 т/мес., т. е. снизился в 1,7 раза по сравнению с 1997-2003 гг. Последние годы (2010-2014) характеризуются повышенной водностью Амура в зимнюю межень, обусловленной возросшими сбросами воды Зейского и Бурейского водохранилищ (суммарный средний многолетний за зимнюю межень сток составлял 1405-2161 м3/с). Наименьшие сбросы воды наблюдались в маловодную зиму 2012 г., максимальные -в 2014 г. после исторического наводнения в бассейне Амура летом 2013 г. Большое влияние на формирование зимнего стока в этот период могли оказывать и водохранилища Китая, но такой информацией авторы данной статьи не располагают.
Концентрации аммонийного азота в зимнюю межень 2010-2014 гг. в среднем составили 0,35 мг Ы/дм3. Наблюдаемое снижение содержания аммонийного азота в воде р. Амур в эти годы обусловлено улучшением качества воды р. Сунгари за счет увеличения количества очистных сооружений (см. рис. 3).
Наибольшие концентрации (см. таблицу) и сток (4316 т/мес.) отмечались в многоводном 2011 г., минимальные - в маловодном 2012 г. (885 т/мес.) и многоводном 2014 г. (1484 т/мес.) после исторического наводнения 2013 г.
Сток аммонийного азота в среднем 2327 т/мес. был незначительно выше по сравнению с 1975-1988 гг. (2124 т/мес.) и 2004-2009 гг. (2057 т/мес.), несмотря на значительно возросший после зарегулирования р. Бурея водный сток Амура в зимнюю межень. В структуре форм минерального азота в основном преобладал сток нитратного над аммонийным азотом (см. рис. 2). Лишь зимой 2011 г. наблюдалась обратная картина. В условиях стабильных сбросов воды рек Зея и Бурея ниже ГЭС (1610-1693 м3/с) в амурской воде отмечалось резкое возрастание водности, вызванное, вероятно, повышенными расходами воды р. Сунгари после наводнения 2010 г. Данное предположение подтверждают материалы гидрохимических наблюдений в районе с. Нижнеленинское, согласно которым в китайской части Амура в зимнюю межень 2011 г., в отличие от наблюдений прошлых лет, отмечались нехарактерные повышенные значения цветности (40о) воды и низкие минерализации (111 мг/дм3).
В период открытого русла концентрация аммонийного азота снижается. Среднее за 1997-2014 гг. значение составило 0,25 мг Ы/дм3 (см. таблицу), сток - 9623 т/мес. Межгодовые колебания концентраций относительно среднего значения незначительные за исключением 2000 г., когда, как и в зимнюю межень 2000 г., концентрации были максимальные. За период наблюдений, как и в зимнюю межень, отмечается снижение содержания и стока аммонийного азота, обусловленное изменениями на водосборе. В 1997-2003 гг. концентрация и сток аммонийного азота в среднем составляли 0,39 мг Ы/дм3 и 14484 т/мес., в 2004-2009 гг. - 0,20 мг Ы/дм3 и 6088 т/мес., в 2010-2014 гг. - 0,18 мг Ы/дм3 и 8297 т/мес.
Водное хозяйство России № 2, 2015 г.
В период открытого русла прослеживается слабая положительная связь концентраций аммонийного азота с расходами воды (г = 0,30). В половодье и паводки содержание минеральных форм азота повышается, причем в большей степени увеличивается вынос окисленных форм. Во время половодья в мае 2010 г. содержание нитратного азота было выше аммонийного в 2,6 раза. Возросший вынос окисленных соединений минерального азота указывает, с одной стороны, на активизацию хозяйственной деятельности в бассейне Амура, с другой, свидетельствует о том, что процессы нитрификации интенсивно протекают в летний период, обеспечивая утилизацию поступающего аммонийного азота.
Среднегодовой сток аммонийного азота р. Амур у г. хабаровска за наблюдаемый период (1997-2014 гг.) составил 108 тыс. т. По сравнению с выносом на замыкающем створе (с. Богородское) в 1981-2000 гг. [2] он снизился в 1,4 раза.
выводы
Сравнительный анализ материалов наблюдений свидетельствует о постепенном снижении содержания аммонийного азота, в большей степени - в зимнюю межень: 0,74 (1997-2003 гг.); 0,52 (2004-2009 гг.); 0,35 (2010-2014 гг.) мг Ы/л соответственно. Значительные колебания характерны для стока аммонийного азота: наибольшие значения наблюдались для периода 1997-2003 гг. (3488 т/мес. зимой и 14484 т/мес. летом), наименьшие в 2004-2009 годы (2057 т/мес. зимой и 6088 т/мес. летом).
Проведенные исследования (1997-2014 гг.) показали снижение годового стока аммонийного азота в 1,4 раза по сравнению с 1981-2000 гг., преобладание в последние годы в стоке минерального азота окисленных форм во все фазы водного режима за исключением летней межени.
Антропогенная составляющая стока аммонийного азота р. Амур формируется за счет стока р. Сунгари, о чем свидетельствуют распределение этого вещества по поперечному и продольному профилю Амура на пограничных участках (с. Амурзет, с. Нижнеленинское). Высокая насыщенность бассейна р. Сунгари промышленными предприятиями и широкое использование минеральных удобрений в сельском хозяйстве создают постоянный риск загрязнения р. Амур аммонийным азотом, особенно в зимний период.
Авторы выражают благодарность сотрудникам ФГБУ «Дальневосточное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды», принимавшим участие в отборе проб воды на пограничных участках Амура в 2009-2014 гг.
Водное хозяйство России № 2, 2015 г.
список литературы
1. Смирнов М.П. Оценка стока биогенных элементов и его антропогенной составляющей в моря Северного Ледовитого и Тихого океанов // Гидрохимические материалы. Л.: ГИМИЗ, 1994. Т. 113. С. 121-137.
2. Никаноров А.М., Смирнов М.П., Клименко О.А. Многолетние тенденции общего и антропогенного выноса органических и биогенных веществ реками России в Арктические и Тихоокеанские моря // Водные ресурсы. 2010. Т. 37. № 3. С. 318-328.
3. ПНД Ф 14.1:2.1-95 МВИ массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера. Утв. Минприроды России, 20.03.1995.
4. ПНД Ф 14. 2:4. 209-05 МВИ массовой концентрации аммоний-ионов в пробах питьевых и природных вод фотометрическим методом в виде индофенолово-го синего. Утв. ФГУ «Федеральный центр анализа и оценки техногенного воздействия», 15.06.2005
5. Приамурские ведомости. 1896. 18 февраля. № 112.
6. Жданов П.С. Санитарная оценка р. Амур как источника водоснабжения г. Хабаровск: автореф. дис. ... канд. мед. наук. Хабаровск, 1957. 24 с.
7. Шестеркин В.П., Шестеркина Н.М. Содержание аммонийного азота в воде Среднего Амура в зимнюю межень // География и природные ресурсы. 2003. № 2. С. 93-97.
8. Шестеркин В.П. зимний кислородный режим вод Амура // География и природные ресурсы. 2004. № 1. С. 148-151.
9. Шестеркин В.П., Шестеркина Н.М. Многолетняя изменчивость стока нитратного и нитритного азота в р. Амур у Хабаровска // Водные ресурсы. 2014. Т. 41. № 4. С. 412-418.
10. Шестеркин В.П., Сиротский С.Е., Шестеркина Н.М. Воздействие гидроэнергетического строительства на содержание и сток растворенных веществ в воде реки Бурея // Водное хозяйство России. 2014. № 4. С. 72-83.
11. Шестеркин В.П., Шестеркина Н.М., Форина Ю.А., Ри Т.Д. Трансграничное загрязнение Амура в зимнюю межень 2005-2006 гг. // География и природные ресурсы. 2007. № 2. С. 40-44.
сведения об авторах:
Шестеркин Владимир Павлович, канд. геогр. наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук», 680000, г. Хабаровск, ул. Дикопольцева, 56; e-mail: shesterkin@ivep.as.khb.ru
Шестеркина Нина Михайловна, старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук», 680000, г. Хабаровск, ул. Дикопольцева, 56; e-mail: shesterkina@ivep.as.khb.ru
Водное хозяйство России № 2, 2015 г.
