CC BY
28
УДК 556.555.6
Д.В. Иванов, Р.Р. Шагидуллин, И.И. Зиганшин, Э.Е. Паймикина, А.А. Марасов,В.В. Маланин, Р.Р. Хасанов, Л.К. Мустафина
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, water-rf@mail.ru
МОНИТОРИНГ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ КАЗАНКА
В статье дана характеристика поверхностных донных отложений нижнего течения р. Казанка от Голубых озер до устья, включая Казанский залив Куйбышевского водохранилища. В пределах руслового участка реки грунтовый комплекс представлен песчаными типами отложений с содержанием пелитовой фракции не более 20%. В Казанском заливе в структуре отложений доминирующее положение занимают глинистые илы. Физические свойства донных отложений (влажность, плотность) закономерно изменяются в зависимости от их гранулометрического состава: минимальная плотность и максимальная влажность характерны для иловых водохранилищных отложений. Накопление в донных отложениях органического вещества, азота и фосфора внутри исследованного участка дифференцировано и находится в зависимости от гидрологических, продукционных характеристик водного объекта, а в черте г. Казани - под влиянием многочисленных сбросов сточных вод. Высокие концентрации общего фосфора в донных отложениях (до 0.5%) определяют высокие значения внутренней биогенной нагрузки на водные массы Казанского залива водохранилища.
Ключевые слова: донные отложения; р. Казанка; Куйбышевское водохранилище; биогенная нагрузка.
Введение
Государственный мониторинг поверхностных водных объектов в Российской Федерации, осуществляемый уполномоченными органами, ставит целью оценку состояния водных объектов, прогноз изменения этого состояния под влиянием различных факторов, своевременное выявление негативных процессов, влияющих на качество воды, разработку и реализацию мер по предотвращению негативных последствий этих процессов, информационное обеспечение и контроль в области использования и охраны водных объектов (Положение ..., 2007). В последние десятилетия количество постов мониторинга за качеством вод существенно сократилось. Например, в Республике Татарстан Управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды имеет 26 гидрохимических пунктов наблюдений на реках, озерах и водохранилищах. На р. Казанка (протяженность 140 км) в настоящее время функционирует всего 2 поста, расположенные в устьевой части реки. При этом если качество воды по гидрохимическим и в значительно меньшем объеме по гидробиологическим показателям контролируется, то мониторингу донных отложений не уделяется должного внимания. Во многом это связано с отсутствием нормативных концентраций в них загрязняющих веществ. При этом именно донные отложения являются той важной составляющей водных эко-
систем, где аккумулируется большая часть органических и неорганических соединений, попадающих с водосборной территории в виде диффузного и сосредоточенного стока, и образующихся непосредственно в водоеме.Негативная сторона этой депонирующей функции иловых отложений связана с возможностью вторичного загрязнения водных масс биогенными элементами и различными токсикантами в результате диффузии из по-ровых растворов.
Для р. Казанка, одной из ключевых водных артерий республики, испытывающей комплексное воздействие сельскохозяйственных, коммунальных и промышленных стоков,изучение и оценка качества донных отложений представляются актуальными и практически значимыми. Особый интерес представляет участок нижнего течения реки, охватывающий русловую часть и Казанский залив Куйбышевского водохранилища, где под влиянием подпора происходит максимальное илонакопление (Экологические ..., 2003).
Анализ литературы показал, что донные отложения р. Казанка отличаются недостаточной изученностью. Наиболее полная сводка, отражающая состав и некоторые свойства донных отложений реки в ее нижнем течении, дана в монографии «Экологические проблемы малых рек Республики Татарстан» (2003). Отмечено, что в Казанке представлен широкий спектр минераль-
ных отложений при отсутствии органических осадков. При этом наиболее разнообразны по структуре и составу были отложения Казанского залива Куйбышевского водохранилища: здесь отмечены как сильно заиленные участки (районы 3 транспортной дамбы, Кировского моста, стоянка ГИМС), так и участки ложа с песчаными осадками высокой степени сортировки (Бол.Дербышки, санаторий «Ливадия»).
Средняя скорость осадконакопления в Казанском заливе оценивалась на тот период величиной 17 мм в год (Экологические ..., 2003), т.е. в 4 раза выше, чем в Куйбышевском водохранилище (Законнов, 2007). Это связано с явлением подпора водохранилища, вызывающим гашение скоростей речного потока и осаждение на дно тонкодисперсных взвесей.
За прошедшие 15 лет обстановка в пределах Казанского залива существенно изменилась: здесь были выполнены дноуглубительные работы и проведена корректировка береговой линии при строительстве объектов Универсиады-2013, образована бетонная набережная, отсыпана песчаная зона по правому берегу, частично ликвидированы мелководные зоны. Все это, несомненно, повлияло и на структуру донных отложений русловых и мелководных зон. Неоднократно за последние годы в летний период в акватории Казанского залива были отмечены заморы рыбы, которые могли быть спровоцированы как дефицитом кислорода и вторичным загрязнением воды от донных отложений, так и токсическим эффектом от сине-зеленых водорослей, однако однозначной связи между этими экологическими фактами установить пока не удалось (Шагидуллин и др., 2017а,б). Таким образом, актуальная информация о современном состоянии грунтового комплекса р. Казанка как фактора формирования качества воды на участке нижнего течения представляет значительный интерес и для решения практических природоохранных проблем, включая нормирование антропогенных нагрузок и управление эвтрофированием.
Материал и методика исследования
Исследования, направленные на установление характера пространственного распределения и химического состава донных отложений в нижнем течении р. Казанка, были выполнены осенью 2017 г. путем маршрутного мониторинга. Станции отбора проб располагались на участке от Голубых озер до современного устья, находящегося в районе п. Малые Дербышки (ст. 1-6), и далее в пределах Казанского залива Куйбышевского водохранилища (ст. 7-13) (рис. 1). На этом отрез-
Рис. 1. Карта точек отбора проб донных отложений в нижнем течении р. Казанка
ке течения в р. Казанка впадают рр. Солонка (ст. 297), Сухая (ст. 298) и Нокса (ст. 299), в устьевых частях которых были также отобраны пробы донных отложений.
Пробы поверхностных донных отложений отбирали при помощи дночерпателя Петерсена в соответствии с ГОСТ 17.1.5.01-80. После отбора проб проводили их морфологическое описание, включавшее определение цвета, запаха, консистенции и наличия включений. В общей сложности на исследованном участке протяженностью ~26 км было отобрано 28 проб донных отложений, относящихся к различным типам. Образцы высушивали при комнатной температуре и просеивали через сито с диаметром ячеек 1 мм. Тип отложений определяли на основании гранулометрического анализа (ГОСТ 12536-79) в зависимости от процентного содержания пелитовых частиц <0.01 мм по В.П. Курдину (1959) и В.В. Законнову (2007). Содержание органического вещества оценивали по методу И.В. Тюрина (ГОСТ 26213-91), валовых азота и фосфора - сжиганием в серной кислоте из одной навески (Аринушкина, 1961), реакцию среды - по ГОСТ 26423-85, влажность и плотность - по ГОСТ 5180-2015.
Результаты количественного определения показателей состава и свойств донных отложений обрабатывали в программах Excel и Statistica 10.0.
Результаты и их обсуждение
Как показали полевые исследования и ре-
12
российский журннл ииой экологии
Таблица. Показатели вариации содержания размерных фракций частиц в донных отложениях р. Казанка, %
Размерные фракции, мм M±m* Me Min Max 5 V, %
1-0.25 35.0+0.5 29.9 1.3 89.9 28.9 82.5
0.25-0.05 23.4+2.6 21.9 3.5 50.1 13.5 57.8
0.05-0.01 20.1+2.2 18.0 2.0 45.0 11.5 57.6
0.01-0.005 6.1+0.9 3.7 0.7 17.8 5.0 81.8
0.005-0.001 6.5+0.9 5.2 0.9 19.8 5.0 77.0
<0.001 9.3+0.9 7.8 2.4 21.7 4.9 52.4
<0.01 21.9+2.6 16.0 4.7 55.9 13.8 62.8
* М±т - среднее арифметическое и ошибка среднего, Me - медиа на, Min - минимум, Max - максимум, с - стандартное отклонение, V - коэффициент вариации.
зультаты гранулометрического анализа (табл.), в нижнем течении р. Казанка обнаруживаются все литологические типы минеральных отложений. В гранулометрическом спектре доминируют фракции мелкого и среднего песка (1-0.25 мм), доля пелитовых частиц в среднем составляет 22%, что соответствует типу «песчанистый ил».
На участке от Голубых озер до п. М. Дербыш-ки (рис. 2) на формирование речных осадков и их гранулометрический состав оказывает влияние характер дна и течений. Наличие достаточно выраженного течения (0.1-0.3 м/св межень и 0.7-0.8 м/с в паводок) и характерные глубины 2-3 м способствует формированию здесь хорошо сортированных песчаных аллювиальных отложений. Доля фракции 1-0.25 мм в отдельных образцах аллювия доходила до 90%. При этом количество тонкодисперсных частиц в отложениях практически нигде не превышало 20% и в среднем составляло 14.4%. Только на осложненных карстовыми провалами участках русла (ст. 1-1) можно наблюдать значительный рост глинистой составляющей.
Содержание пелитовых частиц постепенно начинает расти на фоне замедления скоростей течения в зоне выклинивания подпора водохранилища и особенно в образованном им Казанском заливе (ст. 8-13), где в среднем достигает уже 27.6%. Формируемые здесь отложения принадлежат к типу «глинистых илов». Между мостом «Миллениум» и 3 транспортной дамбой, а также в акватории у Ленинской дамбы, где ранее были выполнены дноуглубительные работы по изъятию накопившегося ила, вновь отмечено возрастание доли отложений с высоким содержанием песчаных фракций.
По усредненным данным многолетних рядов наблюдений за режимом взвешенных веществ и
составом донных отложений р. Казанка, медианный диаметр частиц аллювиальных отложений в речных пробах в период летней межени составляет 0.095 мм, а в Казанском заливе - 0.030 мм (Мозжерин и др., 2007). Причина такого рода различий уже была отмечена и связана с падением скорости потока по мере приближения к водохранилищу.
В местах впадения притоков аналогичные описанным выше закономерности приводят к выпадению взвесей в зоне подпора основной реки: в устьях рек Солонка, Сухая и Нокса содержание частиц глины в отложениях достигает 20%, хотя в гранулометрическом спектре по-прежнему доминируют фракции песка, составляя 58-71% от массы отложений.
Наряду с гранулометрическим составом, в число важных диагностических признаков донных отложений входят величины их объемной влажности и объемного веса (плотности в ненарушенном сложении).
Влажность как речных, так и водохранилищ-ных осадков варьировала в довольно узком диапазоне значений - от 8.5 до 23.8%, в среднем составляя 16.4%. Только в глинистых илах залива она превышала 20%. Доля влаги закономерно увеличивалась параллельно с ростом содержания пелитовых частиц (г=0.81, р<0.05), напротив, плотность соответствующим образом снижалась (г=-0.83, р<0.05). Естественная плотность отложений находится в прямой зависимости от величины их пористости, обнаруживая тесную обратную корреляцию с содержанием в них влаги (рис. 3). В среднем ее величина составила 1.0 г/см3 при вариациях от 0.5 г/см3 в илах до 1.6 г/см3 в песчаных осадках. Между показателями влажности (В) и плотности (П) отложений р. Казанка существу-
Рис. 2. Динамика содержания пелитовых частиц в донных отложениях
П. г/куб см В,%
1,8 О
Станции отбора проб
Рис. 3. Динамика влажности и плотности отложений по течению р. Казанка
ет линейная зависимость (г=-0.93, р<0.05):
В = 28.9 - 12.5 •П, что, в принципе, позволяет ограничиваться инструментальным определением только одного из показателей.
В пределах Казанского залива плотность отложений была ниже, чем на русловом участке (0.78 и 1.27 г/см3, соответственно), а отложения здесь относительно насыщены влагой. Такие свойства осадка весьма благоприятны для протекания физико-химических обменных процессов между поверхностным слоем отложений и придонными слоями воды, в т.ч. соединениями загрязняющих веществ и биогенных элементов.
Результаты мониторинга донных отложений по величине рН водной вытяжки показали, что для неё характерен узкий диапазон измеренных значений - 7.2-8.1, варьирующих в нейтрально-слабощелочном интервале. Последнее связано с богатством пород бассейна р. Казанка соединениями щелочных и щелочноземельных металлов, среди которых доминирующее значение имеют карбонаты и сульфаты Са и Mg. Как и реакция среды водных масс, формирование кислотно-основных свойств донных отложений происходит под влиянием осаждаемых в них продуктов эрозии, биогенного накопления, а также в результате химических реакций осаждения соединений кальция и магния.
Начиная от п. Щербаковка была заметна некоторая тенденция к снижению величины рН с 8.1 до 7.4 (рис. 4), возможно, связанная с постепенным ослабеванием влияния на формирование химического состава Казанки водных масс Голубых озер по мере продвижения к устью реки. Затем, при вхождении в Казанский залив, величина рН грунтов вновь возрастала, но уже не поднималась выше 7.6. Щелочные условия водных масс и грунтов залива следует охарактеризовать как весьма благоприятные для роста и размножения
токсичных сине-зеленых водорослей, которые отдельные стадии развития проходят на дне водоема.
Известно, что величина реакции среды донных отложений связана обратной зависимостью с содержанием в них органического вещества, т.к. в процессе минерализации накапливаемого в течение года на дне органического детрита выделяется углекислый газ и органические кислоты, которые оказывают подкисляющее действие на поровые воды и придонные слои воды. В грунтах р. Казанки уровень такой связи выражался коэффициентом корреляции г=-0.57 (р<0.05).
Диапазон варьирования органического вещества, характерный для нижнего течения реки, составил 0.2-12.8% при средней величине 2.6% и коэффициенте вариации 101%. Аналогичный размах концентраций органического углерода был определен по результатам ранее проведенных исследований (Экологические ..., 2003: Калайда, Иванов, 1997). Таким образом, за последние 20 лет существенных изменений в содержании органического вещества в донных отложениях нижнего течения р. Казанка не произошло.
В пространственном отношении относительный рост органического углерода становится заметен только в Казанском заливе Куйбышевского водохранилища (рис. 5), будучи связан с биопродукционными характеристиками водоема, наличием здесь заросших мелководий, а также мест сброса сточных вод. Именно в пределах залива ежегодно отмечается интенсивное цветение воды в летний период (Шагидуллин и др., 2017 а,б; Яковлев и др., 2003), что ведет к накоплению отмирающей биомассы в иловых отложениях. Максимальное количество органических веществ в речных грунтах обнаруживалось в непосредственной близости от мест сброса сточных вод (ст. 8а, 9а), а также в мелководных слабопроточных заливах, отличающихся высокой продуктив-
8.2
".2
7 -ч—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—н
т—| г»| I—| тТ 1—| г4! с*1 ' V© Г ОС" ® С^ т—I ^ О т-н I г«1
"" •• III СЮ I С^, I ' ' ' —I —I —I
н н N г^ ^ тГ тГ О ООО
Станции отбора проб
Рис. 4. Динамика реакции среды донных отложений по течению реки
14
российский журннл лриклнлной экологии
Станции отбора проб
Рис. 5. Изменение содержания органического вещества, азота и фосфора в донных отложениях по течению реки
ностью гидрофитоценозов.
Аналогичным образом с природными и антропогенными источниками связана аккумуляция в донных отложениях р. Казанка и, особенно, расположенного в черте г. Казани Казанского залива, биогенных элементов - азота и фосфора.
Распределение в донных отложениях азота следует за распределением органического вещества, в состав которого он входит как биогенный элемент (рис. 5). Здесь минимальные значения отличаются от максимальных на два порядка (0.004-0.236%) при средней концентрации азота 0.082%. Градаций речных и водохранилищных отложений по уровню накопления азота не существует, однако можно утверждать, что это довольно низкие показатели, которые указывают на активные процессы минерализации органического вещества осадка и высокую скорость оборачиваемости минерального азота, пополняющего свои резервы в водных массах реки. Кроме того, такие же концентрации органического азота характерны для всей протяженности р. Казанка, установлены ранее по результатам мониторинга 1990-х гг. (Экологические ..., 2003).
Для Казанского залива как наиболее типичные можно отметить концентрации общего азота от 0.1 до 0.2%. Иловые отложения залива представляют собой существенный источник вторичного загрязнения водных масс соединениями минерального азота, который необходимо принимать во внимание при оценке величины суммарной биогенной нагрузки на его акваторию.
В донных отложениях р. Казанка отношение углерода к азоту, как одна из характеристик генезиса органического вещества, в среднем равно 19, что одновременно является характерным значением для дерново-подзолистых и серых лесных почв её бассейна. Отсюда, можно предполагать, что устойчивая часть органического вещества отложений и связанных с ним соединений азота имеет почвенное (природное) происхождение.
Наблюдаемое в отдельных пробах расширенное отношение С/К может косвенно указывать на антропогенные источники поступления соединений углерода в водоем в составе сточных вод.
Фосфор как биогенный элемент определяет продуктивность водоемов и при избыточных концентрациях вызывает эвтрофикацию и повышение трофического статуса водного объекта. Один из механизмов самоочищения водных масс от соединений фосфора связан с его аккумуляцией в донных отложениях. В зависимости от свойств отложений (уровня карбонатности, содержания железа, глинистых частиц), накопление в них фосфора может достигать высоких значений.
В донных отложениях нижнего течения р. Казанка накопление фосфора дифференцировано по участкам реки и находится в соответствии с уровнем накопления органического вещества (рис. 5). При вариации от 0.03 до 0.49% среднее значение валового Р в отложениях составляет 0.15%. Фосфор тесно коррелирует с содержанием тонкодисперсных пелитовых частиц (г=0.66, р<0.05), которые служат сорбентами его соединений из водных масс.
Антропогенные источники фосфора хорошо диагностируются по уровням его содержания в донных отложениях каналов ливневого стока, ведущих в р. Казанка из жилых массивов Ново-Са-виновского района г. Казани (ст. 8а, 9а), где оно достигает 0.25-0.50% (рис. 5).
Концентрация фосфора в илах Казанского залива, испытывающего непосредственное влияние сосредоточенных источников загрязнения (промышленные и коммунальные стоки), существенно больше, чем на расположенных выше участках. В этой связи удаление накопленных иловых отложений в пределах затопленного русла на участке Казанского залива могло бы способствовать снижению не только биогенной нагрузки на водоем, но и проявлений эвтрофирующих эффектов, сопровождающих процессы цветения воды в период вегетации.
Заключение
Результаты мониторинга донных отложений нижнего течения р. Казанки и Казанского залива Куйбышевского водохранилища позволили установить, что характер пространственного распределения различных типов минеральных отложений в значительной мере определяется гидрологическими особенностями водоема: на участке речного русла доминируют пески, илистые пески и песчанистые илы, в пределах затопленного водохранилищем устья в результате подпора аккумулируются глинистые илы с высоким содержа-
нием пелитовых частиц.
При падении скорости течения р. Казанка при переходе от руслового участка к водохранилищ-ному происходит накопление в донных отложениях Казанского залива органического вещества и связанных с ним соединений биогенных элементов - азота (до 0.23%) и фосфора (до 0.50%).
Необходимо продолжить мониторинг состояния донных отложений в пределах устьевого участка р. Казанка для выяснения динамики накопления в них загрязняющих веществ и научного обоснования необходимости проведения дноуглубительных и иных работ по экологической реабилитации водного объекта.
Список литературы
1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1961. 491 с.
2. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава.
3. ГОСТ 17.1.5.01-80. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность.
4. ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества.
5. ГОСТ 26423-85. Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, рН и плотного остатка водной вытяжки.
6. ГОСТ 5180-2015. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.
7. Законнов В.В. Осадкообразование в водохранилищах Волжского каскада: Дисс. ... д-ра геогр. наук. М., 2007. 379 с.
8. Иванов Д.В., Зиганшин И.И., Шамаев Д.Е., Маланин
B.В., Марасов А.А. Формы тяжелых металлов в донных отложениях старицы р. Казанка // XVI Междунар. конф. «Химия и инженерная экология» / Сб. докладов. Казань: Изд-во «Фолиант», 2016. С.157-161.
9. Калайда М.Л., Иванов Д.В. Оценка содержания тяжелых металлов в донных отложениях и гидробионтах р. Казанки // Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан / Тез.докл. 3 респ. научной конф. Казань, 1997.
C.31.
10. Курдин В.П. Классификация и распределение грунтов Рыбинского водохранилища // Тр. Ин-та биологии водохранилищ. 1959. Вып. 1/4. С.25-37.
12. Методические указания по осуществлению государственного мониторинга водных объектов в части организации наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях водных объектов. Утв. приказом Минприроды России от 24.02.2014 №112.
13. Положение об осуществлении государственного мониторинга водных объектов. Утв. Постановлением Правительства Российской Федерации от 10.04.2007 г №219.
14. РД 52.24.609-2013 Организация и проведение наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных от-
ложениях водных объектов.
15. Шагидуллин Р.Р., Иванов Д.В., Горшкова А.Т., Токи-нова Р.П., Аськеев О.В., Мустафина Л.К., Шурмина Н.В., Абдуллина Ф.М. Богданова О.А.Современная экологическая ситуация на устьевом участке р. Казанка // Устойчивое развитие: опыт, проблемы, перспективы / Матер. Междунар. науч-но-практ. конф. Казань: Изд-во АН РТ, 2017а. С. 162-165.
16. Шагидуллин Р.Р., Иванов Д.В., Горшкова А.Т., Ур-банова О.Н., Мустафина Л.К., Шурмина Н.В., Абдуллина Ф.М., Богданова О.А., Токинова Р.П., Абрамова К.И., Вали-ев В.С, Зиганшин И.И., Шамаев Д.Е., Хасанов Р.Р. Качество воды в реке Казанка: теоремы и аксиомы // Сб. трудов меж-дунар. конгресса «Чистая вода. Казань». Казань: ООО «Новое знание», 2017б. С. 258-262.
17. Экологические проблемы малых рек Республики Татарстан (на примере Меши, Казанки и Свияги). Казань: Изд-во «Фэн», 2003. 289 с.
18. Яковлев В.А., Горшкова А.Т., Зиганшин И.И., Иванов Д.В., Кондратьева Т.А., Халиуллина Л.Ю. Экологические проблемы охраняемых водных объектов Республики Татарстан (озера Предкамья и р. Казанка) // Заповедное дело России: принципы, проблемы, приоритеты / Материалы международной конференции. Бахилова Поляна, 2003. С.507-510.
Ivanov D.V., Shagidullin R.R., Ziganshin I.I., Pai-mikina E.E., Marasov A.A., Malanin V.V., Khasanov R.R., Mustafina L.K. Sediments monitoring of the lower reaches of the river Kazanka.
The article gives a description of the surface bottom sediments of the lower reaches of the river Kazanka from the Blue Lakes to the mouth, including the Kazan bay of the Kuibyshev Reservoir. Within the channel section of the river, the ground complex is represented by sandy types of sediments with pelite fraction content of no more than 20%. The dominant position in the structure of deposits of the Kazan bay is occupied by clayey silts. The physical properties of the bottom sediments (humidity, density) naturally vary depending on their granulometric composition: the minimum density and the maximum moisture are characteristic for silt reservoirs. The accumulation of organic matter, nitrogen and phosphorus in the bottom sediments within the investigated area is differentiated and depends on the hydrological and production characteristics of the water body, and in the city of Kazan - under the influence of numerous wastewater discharges. High concentrations of total phosphorus in the bottom sediments (up to 0.5%) determine high values of the internal biogenic load on the water masses of the Kazan bayreservoir.
Keywords: bottom sediments; Kazanka river; Kuibyshev reservoir; biogenic load.
16
российский ЖУРНАЛ приклноной экологии
