CC BY
15УДК 556.535.8
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ СРЕДНЕГО АМУРА*
© 2012 г. В.П. Шестеркин, Н.М. Шестеркина
Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук, г. Хабаровск
Ключевые слова: средний Амур, р. Сунгари, трансформация стока, химический состав воды, минерализация, биогенные вещества.
В.П. Шестеркин Н.М. Шестеркина
Рассмотрена пространственная и сезонная изменчивость химического состава воды среднего Амура. Показано влияние хозяйственной деятельности на содержание растворенных веществ. Установлена приоритетная роль р. Сунгари в выносе минеральных форм азота и фосфора в р. Амур.
Введение
Средний Амур - участок р. Амур от Благовещенска до Хабаровска длиной 980 км, химический состав воды которого в основном формируется водами верхнего Амура, рек Зея, Бурея и Сунгари. В китайской части бассейна среднего Амура проживает около 80 млн чел., построены целлюлозно-бумажные, химические и нефтехимические предприятия,
"Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 10-05-00227).
Водное хозяйство России № 5, 2012
Водное хозяйство России
освоены заболоченные земли равнины Саньцзян, существенно возросло использование минеральных удобрений на полях. Значительные преобразования в Китае на фоне низкой численности населения (1,1 млн чел.) в российской части бассейна среднего Амура и слабом его промышленном освоении (исключением является гидроэнергетика) оказывают большое влияние на качество воды Амура - основного источника хозяйственно-питьевого водоснабжения городов Хабаровск, Амурск и Комсомольск-на-Амуре. Наиболее остро проблемы загрязнения Амура проявились в «химическом» запахе воды зимой 1996-2008 гг., риске загрязнения воды нефтепродуктами после катастрофического паводка на р. Сунгари в августе 1998 г. и нитробензолом после аварии в декабре 2005 г. в г. Цзилинь в Китае, когда в Сунгари попало около 100 т загрязняющих веществ.
Гидрохимическая изученность среднего Амура низкая. Мониторинг качества воды осуществляется Росгидрометом в черте городов Благовещенск и Хабаровск, что недостаточно для такого протяженного участка. Опубликованные ранее материалы о химическом составе воды среднего Амура [1-4] в последние годы дополнены новыми данными, которые позволяют получить более полную картину о содержании и сезонной динамике компонентов химического состава. Основной целью данной работы является изучение пространственной и сезонной изменчивости химического состава воды среднего Амура.
Объекты и методы
Исследования осуществлялись в 2009-2012 гг. у с. Ленинское на трех равномерно распределенных по ширине Амура вертикалях. На участке Амура между Благовещенском и Хабаровском наблюдения проводили на фарватере в июле 2009 г. через 50-100 км, в августе 2011 г. - через 50200 км, причем на 800, 400, 240 и 58 км при сближении фарватера и правого берега - на трех равномерно распределенных по ширине реки вертикалях. Схема расположения и характеристика основных пунктов наблюдений представлены на рис. 1 и в табл. 1. Пробы воды отбирали батометром из поверхностного слоя.
Аналитические работы осуществляли по общепринятым при гидрохимических исследованиях методам [6]. В экспедиционных условиях определяли величину рН, часть пробы фильтровали через мембранные фильтры и замораживали. Химический анализ проб воды на содержание главных ионов (№+, К+, Са2+, Ые2+, НС03-, 8042-, С1), биогенных (Ш3-, Ш2-, КН4+: НР042-, Реобщ) и органических (перманганатная окисляемость (ПО), цветность) веществ проводили в Межрегиональном центре экологического мо-
Водное хозяйство России № 5, 2012
Водное хозяйство России
ниторинга гидроузлов (Аттестат аккредитации № ЯОСС ЯИ 0001 515988) при ИВЭП ДВО РАН.
В работе использованы гидрологические данные Амурского БВУ, Росгидромета и Центра гидрометеорологических наблюдений провинции Хэй-лунцзян, а при оценке степени загрязненности воды - предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воде объектов рыбохозяй-ственного значения.
Таблица 1. Характеристика основных пунктов наблюдений на среднем Амуре [5]
Пункт наблюдений Расстояние от Хабаровска, км Площадь водосбора, км2
г. Благовещенск 980 493 000
с. Гродеково 959 726 000
с. Поярково 811 741 000
с. Пашково 571 856 000
с. Амурзет 400 864 000
с. Ленинское 230 1 410 000
с. Нижнеспасское 50 1 440 000
Водное хозяйство России
Обсуждение результатов
Наблюдения зимой 1998 и 2000-2002 гг. в районе с. Нагибово свидетельствовали о нормальном содержании кислорода, низких концентрациях главных ионов и биогенных веществ, повышенном содержании органического вещества, отсутствии резких различий в распределении концентраций веществ по ширине реки.
Ниже устья р. Сунгари в районе с. Ленинское у левого берега Амура состав воды не менялся, на фарватере (государственной границе) появлялся «химический» запах, отмечались дефицит кислорода [1] и повышение концентраций растворенных веществ [2]. Наибольшие различия в содержании по ширине реки наблюдались для сульфатного иона, нитритного и аммонийного азота, наименьшие - для нитратного азота, ионов кальция и магния. Концентрации аммонийного и нитритного азота в начале зимы превышали значения ПДК в 3,8 и 1,4 раза, в конце - в 6,2 и 1,9 раза, т. е. качество воды в течение ледостава ухудшалось [2]. В районе с. Нижнеспасское различия в содержании растворенных веществ по ширине Амура сглаживались. Концентрации аммонийного азота снижались с 6,2 до 4,2 ПДК, а нитритного были ниже значения ПДК.
Исследования в декабре 2005 г. после аварии в Китае свидетельствовали о более высоком [3], чем ранее, содержании в воде сульфатного иона (37 мг/дм3) и нитратного азота (1,9 мг К/дм3), минерализации воды (197 мг/дм3). Концентрация фосфора у правого берега была выше, чем у левого в 5 раз, нитратного, нитритного и аммонийного азота - в 8,0; 3,9 и 4,2 раза соответственно, что для последнего составляло 2,8-3,7 ПДК и указывало на хроническое загрязнение р. Сунгари аммонийным азотом.
Загрязнение воды аммонийным и нитритным азотом, повышенное содержание фосфора и нитратного азота в устье р. Сунгари отмечалось в марте 2006 г. [4]. Поэтому концентрации минеральных форм азота у правого берега в районе с. Ленинское были значительно выше, чем у левого, в течение ледостава содержание аммонийного и нитритного азота возрастало в 5,5 и 6,0 раз и составляло 6,0 и 2,5 ПДК соответственно. В районе г. Фуюань различия в содержании этих веществ по ширине Амура были ниже, но концентрации аммонийного и нитритного азота у правого берега продолжали превышать значения ПДК в 2,6 и 1,4 раза соответственно.
Исследования в марте 2011-2012 гг. свидетельствовали об изменении химического состава амурской воды. Выше устья р. Сунгари они были обусловлены повышением доли стока зарегулированных рек Зея и Бурея в стоке Амура. Если в январе-феврале 2005-2006 гг. суммарные расходы воды этих рек ниже ГЭС в среднем составляли 1141 м3/с, то в 2010-2011 гг. возросли в 1,5 раза. Поступление маломинерализованных вод рек Зея и Бурея обусло-
Водное хозяйство России № 5, 2012
Водное хозяйство России
Таблица 2. Показатели качества воды среднего Амура у с. Ленинское в 2009-2012 гг.
Дата Часть реки М Са2+ С1- 80„2- МИ4+ мо3- НР0„2-
отбора мг/дм3 мг №дм 3 мг Р/дм3
Зимняя межень
15.03.2011 Лево- 42,0 5,4 2,1 0,6 4,8 0,23 0,15 0,002 <0,010
23.02.2012 бережная 37,7 5,7 2,1 0,7 3,8 0,21 0,22 0,001 <0,010
15.03.2011 Право- 111,0 14,8 8,7 6,5 11,8 1,10 1,00 0,008 0,034
23.02.2012 бережная 177,5 22,8 13,8 10,4 29,8 0,84 1,01 0,005 <0,010
Весеннее половодье
18.05.2009 Лево- 48,4 6,0 2,1 1,0 12,1 0,14 <0,01 0,001 <0,010
12.05.2010 бережная 67,4 8,7 3,2 1,4 9,1 0,14 0,13 0,002 <0,010
17.05.2011 60,2 7,4 3,6 1,7 9,8 0,23 0,06 0,003 <0,010
18.05.2009 12.05.2010 Правобережная 123 99 15,1 12,6 10,1 7,5 7,8 6,5 24,2 24,0 <0,04 0,19 0,47 1,18 0,007 0,103 <0,010 0,023
17.05.2011 121 14,9 10,9 8,2 18,3 0,30 0,55 0,040 0,011
Дождевые паводки
9.09.2009 12.08.2010 Левобережная 53,8 54,4 7,1 5,9 2,4 2,6 1,0 1,0 5,7 7,5 0,27 0,34 0,04 0,05 0,001 0,002 0,012 <0,010
22.06.2011 43,6 6,2 1,2 0,6 3,8 0,40 0,07 0,001 <0,010
9.09.2009 12.08.2010 Правобережная 117,3 119 14,6 15,8 8,9 9,7 5,5 18,5 18,8 <0,04 <0,04 0,81 1,16 0,001 0,001 0,049 0,061
22.06.2011 80,6 10,7 3,2 3,9 13,3 0,21 0,83 0,006 0,011
вило низкие концентрации главных ионов (табл. 2) и высокие - органического вещества (цветность до 55 градусов цветности, ПО - до 10,1 мгО/дм3) и железа (до 0,28 мг/дм3) в воде левобережной части Амура у с. Ленинское. Минерализация воды не превышала 45 мг/дм3, значение рН 6,80.
Как и ранее, минерализация воды ниже устья р. Сунгари резко возрастает в правобережной части Амура. В отличие от прошлых лет, концентрация растворенных веществ в этой части реки изменялась в более широких пределах (см. табл. 2), при этом на середине и у правого берега различия были не столь существенны (рис. 2). Данная ситуация могла быть обусловлена нестабильными расходами воды р. Сунгари из-за деятельности гидротехнических сооружений, о чем в частности свидетельствует значительный интервал колебаний среднемесячных расходов воды р. Сунгари у г. Цзямусы (270 км от устья) в феврале 1973-1987 гг. (от 132 до 850 м3/с). Изменения отмечались в содержании минеральных форм азота. Концентрация аммонийного азота в воде снизилась в среднем в 2,5 раза, а нитратного азота возросла в 1,25 раза. Ниже значения ПДК стало содержание нитритного азота, отмечалось отсутствие в воде «химического» запаха. Эти изменения состава воды на данном участке р. Амур свидетельствуют об определенном
Водное хозяйство России № 5, 2012
Водное хозяйство России
мг/дм3 140
120 -|
100 -
80 -
60 -
40
20
0
февраль
август
О Левобережная часть ¡¡^ Середина Правобережная часть
Рис. 2. Изменение минерализации воды по ширине среднего Амура в районе с. Ленинское в 2011 г.
улучшении качества воды р. Сунгари, возможно, за счет появления новых очистных сооружений.
После впадения р. Сунгари минерализация воды в Амуре возрастает в среднем до 90-100 мг/дм3, содержание сульфатных и хлоридных ионов -в 8 и 4 раза соответственно, нитратного и аммонийного азота - в 2,5 и 2,3 раза. Цветность воды и содержание железа снижаются в 1,5 и 1,4 раза соответственно. Максимальная концентрация железа, обусловленная влиянием Бурейского и Зейского водохранилищ, составляла 0,24-0,28 мг/дм3 возле левого берега, у правого 0,10-0,19 мг/дм3, т. е. незначительно превышала значение ПДК (0,1 мг/дм3).
Большие изменения произошли в химическом составе воды среднего Амура в период открытого русла за счет снижения доли стока зарегулированных рек Зея и Бурея в стоке среднего Амура. Если до сооружения ГЭС среднемноголетний сток р. Бурея у с. Каменка в мае составлял 1730 м3/с (1911-1962 гг.), то после окончания строительства 626 м3/с (2009-2011 гг.), т. е. снизился в 2,8 раза. Поэтому до зарегулирования р. Бурея вода р. Амур в районе с. Пашково в половодье в мае 2002 г. характеризовалась высокой
Водное хозяйство России № 5, 2012
Водное хозяйство России
июнь
цветностью (125-190 градусов цветности) и значением ПО (23,9-27,2 мгО/дм3), повышенным содержанием аммонийного азота (0,58—0,83 мгК/дм3) и низкой величиной минерализации. После зарегулирования р. Бурея минерализация амурской воды в 2005 г. возросла в среднем на 10-15 мг/дм3. Среди главных ионов наибольшее увеличение отмечалось для сульфатного иона. Меньше стали цветность воды (60-70 градусов цветности) и значения ПО (12-16 мгО/дм3). Снизилось содержание аммонийного азота в левобережной части Амура у с. Ленинское (см. табл. 2). Минерализация воды данного участка Амура в 2009-2011 гг. в период половодья в среднем составляла 59 мг/дм3 и была на 15-20 мг/дм3 выше по сравнению с зимней меженью.
Значительное влияние на химический состав воды Амура во время половодья оказывает р. Сунгари, характеризующаяся слабощелочной реакцией воды (рН = 7,65), повышенным содержанием нитратного азота и фосфора и загрязнением нитритным азотом (1,2 ПДК) [4]. Поэтому ниже устья р. Сунгари, так же как и зимой, максимальные минерализация воды (см. рис. 2), концентрации главных ионов, нитритного и нитратного азота в амурской воде отмечались у правого берега (см. табл. 2), цветность воды (60-70 градусов цветности) и содержание железа (до 0,18 мг/дм3) - у левого. Наибольшие за наблюдаемый период концентрации фосфора и нитратного азота, загрязнение нитритным азотом (до 5 ПДК) отмечались в многоводном 2010 г., когда сельскохозяйственные поля в Китае оказались под водой, что привело к выносу в Амур минеральных удобрений. Довольно значительным был и сток этих биогенных веществ в мае у Хабаровска (22,3; 681 и 14,3 т/сут соответственно). Более чем в два раза ниже был сток этих веществ в мае 2011 г. Минерализация воды в 2010-2011 гг. в половодье в среднем составляла 87 мг/дм3, т. е. мало отличалась от зимних значений.
Дождевые паводки являются характерной особенностью бассейна Амура, имеют частую повторяемость, паводковые воды затапливают большие территории. Их формирование обусловлено выходом в июле-сентябре южных циклонов и тайфунов, несущих много влаги. В бассейне Амура паводки формируются в бассейнах крупных притоков, за исключением зарегулированной р. Бурея, меньше р. Зея (в июле 2007 г. наибольший приток воды составил 15 200 м3/с, а сбросы через плотину 4700 м3/с).
В июле-августе 1998 г. обильные осадки (2-3 нормы) в Китае сформировали на р. Сунгари паводки редкой повторяемости (1 раз в 100-150 лет). В районе Харбина наибольший расход воды составлял 17 400 м3/с [7]. С затопленных сельхозугодий паводковыми водами в Амур было вынесено большое, ненаблюдаемое ранее, количество растворенных веществ [4]. В августе на пике паводка на 122 км выше Хабаровска минерализация воды на фарватере составляла 83,5 мг/дм3, у левого берега 77,3 мг/дм3. Значительными были различия в содержании нитратного азота
Водное хозяйство России № 5, 2012
Водное хозяйство России
(0,41-0,68 мг К/дм3) и фосфора (0,022-0,085 мг Р/дм). Максимальный сток фосфора и нитратного азота на пике паводка у Хабаровска при расходе воды 31 900 м3/с составил 304 и 2687 т/сут соответственно. Повышенной была концентрация нитратного азота во время паводков в 2002 и 2005 гг. до 0,92 и 0,64 мг К/дм3 соответственно.
Наблюдения в июле 2009 г. на участке Амура между устьями рек Зея и Сунгари свидетельствовали о больших различиях в минерализации воды (33,659,6 мг/дм3), содержании аммонийного (0,18-0,46 мг К/дм3) и нитратного азота (0,01-0,08 мг К/дм3), фосфора (0,001-0,003 мг Р/дм3), обусловленных боковой приточностью. Ниже устья р. Сунгари минерализация воды возросла до 70 мг/дм3, а концентрация сульфатного иона до 16,6 мг/дм3, что вызвало изменение гидрокарбонатно-кальциевого состава воды на гидрокарбонатно-сульфат-ный кальциевый. Доминирующей формой азота стала нитратная (рис. 3).
Повышенные концентрации сохранялись в середине июля и сентябре 2009 г., когда сформированные в бассейне р. Сунгари паводки обусловили на их пике высокую минерализацию воды (в 2 раза) у правого берега Амура по сравнению с левым. Минерализация амурской воды в среднем составила 86 мг/дм3, т. е. была такой же, как и в зимнюю межень. Крайне неравномерно распределялось по ширине реки содержание нитратного азота и фосфора (см. табл. 2). В районе Хабаровска сток этих веществ в августе составил 703 и 39 т/сут. Учитывая продолжительность паводка (88 дней) можно говорить о значительном выносе этих веществ.
Аналогичное распределение растворенных веществ в амурской воде ниже устья р. Сунгари наблюдалось в 2010 г. Правобережная часть реки, как и ранее, характеризовалась повышенными значениями рН = 7,65; содержанием главных ионов, фосфора и нитратного азота (см. табл. 2) и более низкими железа (0,02 мг/дм3) и цветности воды (15 градусов цветности). Минерализация воды составляла в среднем 96,7 мг/дм3, т. е. была выше, чем зимой и весной.
Во время формирующихся на верхнем Амуре паводков различия в распределении растворенных веществ по ширине среднего Амура более сглажены, в большей степени это относится к главным ионам. На пике паводка в июне 2011 г. минерализация воды ниже устья р. Сунгари у правого берега Амура была выше на 37 мг/дм3, чем у левого, среднее значение составляло 57 мг/дм3. Различия в распределении биогенных веществ более существенны (см. табл. 2).
Наблюдения в августе 2011 г. на участке между устьями рек Зея и Сунгари свидетельствуют о небольших различиях в минерализации воды (53,163,2 мг/дм3), низком содержании аммонийного (0,16-0,28 мг К/дм3) и нитратного азота (0,03-0,11 мг К/дм3), железа (0,07-0,13 мг/дм3). Ниже устья р. Сунгари минерализация воды возле правого берега Амура возрастала до 105 мг/дм3 (рис. 4), а среднее значение достигало 75 мг/дм3. Среди биоген-
Водное хозяйство России № 5, 2012
Водное хозяйство России
Водное хозяйство России
ных веществ большие различия в распределении по ширине Амура отмечались для нитратного азота. Возле левого берега его содержание составляло 0,08 мг К/дм3, а у правого 1,04 мг К/дм3.
Выводы
Основное влияние на пространственную и сезонную изменчивость химического состава воды среднего Амура на современном этапе оказали гидроэнергетическое строительство в российской части и интенсивное развитие промышленности и сельскохозяйственной деятельности в китайской части бассейна Амура.
Зарегулирование рек Зея и Бурея обусловило понижение величины минерализации, концентраций главных ионов, повышение содержания органических веществ в воде р. Амур на участке между устьями рек Зея и Сунгари в зимний период.
Развитие промышленности и сельского хозяйства в бассейне р. Сунгари является основным фактором увеличения стока растворенных веществ воды р. Амур, загрязнения его вод в зимнюю межень аммонийным, а в период половодья - нитритным азотом, повышенного содержания нитратного азота и фосфора. Снижение содержания аммонийного азота в зимнюю межень 2011-2012 гг. свидетельствует об определенном улучшении качества воды р. Сунгари.
Наибольшее поступление фосфора и минеральных форм азота в Амур отмечается во время паводков, сформированных в бассейне р. Сунгари.
Благодарности
Авторы выражают благодарность сотрудникам ДВ УГМС, принимавших участие в отборе проб воды у с. Ленинское в 2009-2012 гг.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шестеркин В.П. Зимний кислородный режим вод Амура // География и природные ресур-
сы. 2004. № 1. С. 148-151.
2. Шестеркин В.П., Шестеркина Н.М. Роль р. Сунгари в формировании химического соста-
ва воды Среднего Амура в зимнюю межень // Биогеохимические и гидроэкологические оценки наземных и пресноводных экосистем. Вып. 13. Владивосток: Дальнаука, 2003. С. 106-120.
3. 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.
4. Шестеркин В.П., Шестеркина Н.М. Особенности качества воды р. Сунгари // Геоэкология,
инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2009. № 1. С. 50-53.
Водное хозяйство России № 5, 2012
Водное хозяйство России
