CC BY
46
УДК: 504.064
Р.Ч. Юранец-Лужаева1, О.Ю. Тарасов1, P.P. Шагидуллин1, A.C. Бодяжин2
'Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Казань 2Министерство 'экологии и природных ресурсов РТ, Казань
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОД КУЙБЫШЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
Исследована изменчивость химических показателей качества вод Куйбышевского водохранилища в пределах Республики Татарстан в пространственной и временной динамике. Построены обобщенные среднесезонные зависимости концентраций химических веществ.
Ключевые слова: поверхностные воды, Куйбышевское водохранилище, состав и качество вод.
Введение
На современном этапе развития общества возрастает необходимость контроля и прогнозирования качества поверхностных вод. Урбанизация, рост промышленности, интенсификация сельского хозяйства, наблюдаемые изменения климата оказывают непосредственное влияние на формирование химического состава природных вод. Химический состав зависит также от гидрогеологических (состав пород, гидродинамика) и физико-географических факторов (температура, почвенный покров, осадки и др.). В контроле экологического состояния водного объекта важным вопросом является поиск и оценка вклада природного гидрохимического фоном и поступлений загрязняющих веществ в водный объект с организованными сбросами сточных вод, а также поверхностным стоком с водосборной площади.
Цель настоящих исследований - оценка сезонных изменений химического состава вод Куйбышевского водохра-
нилища, обусловленных природным и антропогенным поступлением загрязняющих веществ. Эти данные необходимы для государственного управления водными ресурсами, экоаналитического контроля и нормирования воздействия на водные объекты, а также при планировании наблюдений за загрязнением поверхностных вод с использованием автоматизированных гидрохимических станций.
Экспериментальная часть
Куйбышевское водохранилище - наиболее крупный искусственный водоем на реке Волга. Возникло в 19551957 гг. после завершения строительства плотины ГЭС, перегородившей долину Волги у города Тольятти.
Нормальный подпорный уровень водохранилища составляет 53 абс.м. Максимальные глубины при НПУ в Камском Устье - 19-21 м, у Казани - 16-18 м, у Лаишево - 19 м, в районе Чистополя - 12-14 м. Средняя глубина водоема около 9 м.
Вдоль левого берега водохранилища, в заливах, образованных впадающими притоками, а также на участках переменного подпора расположена зона мелководий, площадь которой с глубинами до 2 м составляет около 530 тыс. га, т.е. около 16% площади водоема (Петров, 2004). По мере сработки уровня воды в течение навигации площадь мелководий увеличивается, а глубина водохранилища уменьшается, что более всего проявляется на верхних участках водоема.
4 станция 3 станция 0
-2
-4 -6 -8 -10 -12 -14 -16
2 станция 1 станция
1 IX VI illl • 1
VII IV
/ \ "i
VIII
Правый берег Левый берег
Рис. 1. Створыг контроля качества поверхностным вод на Волжском и Камском участках Куйбыгшевского водохранилища и его основныгх притоках.
Рис. 2. Поперечное сечение водоема в створе у н.п. Кзыгл Бай-рак с точками пробоотбора (04.09.2003 г., экопатрульное судно «Фламинго»).
научно-технический журнал
I еоресурсы 5 ир 2011
160 140
ms 120 | 100 80 60 40 20 0
О
Полный объем водохранилища при НПУ составляет 57300 м3, а полезный - 33900 м3. Площадь зеркала водохранилища изменяется в сезонном цикле от 3 до 6.5 тыс. км2, при НПУ она составляет 6.15 тыс. км2.
50,7% акватории водоема, а это более 3,1 тыс. км2, протяженностью 174 км по Волжскому направлению и 280 км по Камскому, расположено на территории РТ.
В работе рассматривается акватория Куй- ^
бышевского водохранилища в пределах Республики Татарстан. Контрольные створы наблюдения устанавливались вблизи крупных городов, притоков и на трансграничных между субъектами РФ участках (Рис. 1) в соответствии с действующими нормативными документами (Рекомендации ..., 2004). Наблюдения проводились с 2003 по 2008 годы по основным химическим веществам и обобщенным характеристикам, концентрации которых определяли по стандартным аттестованным методикам (Перечень методик.). Пробы воды для физико-химического анализа отбирались на нескольких вертикалях с учетом глубины водоема (Рис. 2). Результаты измерений статистически обработаны и оценены по различным критериям (Дерфель, 1994). Для оценки различий между двумя выборками использовался и-критерий Манна-Уитни.
- правый берег -левый берег
400
350
300
250
S 200
О 150
100
50
0
Сульфаты
3 4 5 6 Точки отбора
Гидрокарбонаты
Сухой остаток
-10 -12 -14 -16 -18
i XIII XI IX »VII .V
Villip—^"Ч
yv \ т/
Правыиберег Левый берег
<Vi^<V<VrV<V<V<V<VrVrV /$ Я & 19 IS ts IS ^
Рис. 3. Изменение концентрации сульфатов, гидрокарбонатов, сухого остатка в точках створа у н.п. Кзыл Байрак (дата отбора проб 04.09.2003 г.).
0 -2 -4 -6
Рис. 4. Поперечное сечение водоема в трансграничном створе выгше г. Зеленодольск с точками пробоотбора (17.09.2003 г., экопатрульное судно «Фламинго»).
ё /
</ - С Дата отбора
Рис. 5. Изменение концентрации сульфатов в створе выгше г.Зеленодольск на правом и левом берегах.
■ ■ •• <V • •
«V
«V
<v
•V
<V
/ / / / / / / ^ у у / £ ^ * / / / / / / / / /
Дата отбора
♦ хлориды - левый берег ж жесткость - левый берег
■ хлориды - правый берег ■ жесткость - правый берег
Рис. 6. Сезонныге изменения жесткости и концентрации хлоридов на правом и левом берегах в створе выгше г. Зелено-дольск.
<# £
#
*
Результаты и их обсуждение
Для большинства исследованных створов наблюдается статистически обоснованная однородность в распределении показателей химического состава как по глубине, так и по ширине водного потока (Табл., Рис. 2, 3). Результаты, для которых значение и находится в области неопределенности или значимости, характерны для веществ преимущественно антропогенного происхождения (нитриты, фосфаты и др.).
В створе, расположенном выше г.Зеленодольск, отмечены существенные различия концентраций ряда веществ, особенно сульфатов, в водах правого и левого берегов (Рис. 4, 5). Обычно они достигают максимума в зимнюю и летнюю межени, когда различия достигают 50%. В период половодья разница в концентрациях сглаживается ввиду практически полного смешения вдоль-береговых и русловых течений. Подобная неоднородность характерна и для некоторых других показателей: жесткости, гидрокарбонатов, кальция (Рис. 6) и, соответственно, величины сухого остатка, но при это статистически она не подтверждается (Рис. 7). Наиболее вероятно, что на состав воды у левого берега в описываемом
5 (41) 2011
^научно-техническим журнал
Георесурсы
S U
створе оказывает влияние левый приток водохранилища - р. Илеть, воды которой сильно минерализованы и содержат высокие концентрации сульфатов и солей жесткости, а морфометрические особенности ложа водохранилища в этом районе (Рис. 4) препятствуют эффективному смешению вод притока с собственно волжскими водами основного русла. Влияние минерализованных притоков на состав воды водохранилища наблюдается также в устьях Свияги и Казанки, однако за счет процессов смешения
гидрохимические неоднородности фиксируются на достаточно узких приустьевых участках акватории (Шагидуллин и др., 2007).
Сезонные изменения концентраций прослеживаются во всех изученных створах водохранилища, но выражены не так характерно, как на его притоках (Тарасов и др., 2009).
Для притоков водохранилища (р.р. Илеть, Свияга, Ка-
Дата отбора
Сульфаты -1 км выше Казани Гидрокарбонаты -1 км выше Казани Сухой остаток -1 км выше Казани
Сульфаты - 4,7 км ниже Казани Гидрокарбонаты - 4,7 км ниже Казани Сухой остаток - 4,7 км ниже Казани
U
600 500 400 300 200 100 0
левый берег правый берег
$
/
£
f
t i
f
£ %
t
<v
<v
/ Дата отбора
#
£
•V £
t t
Рис. 7. Сезонные изменения сухого остатка на правом и левом берегах в створе выше г. Зеленодолъск.
Ингредиенты Створ у н.п. Кзыл-Байрак Створ у н.п. Сорочьи Горы Створ у н.п.Тетюпш
(Uo,oi=0, Uo.o5=2) Оценка значимости U3mn. (Uo.oi -> U0.05=0) Оценка значимости U3mn. (Uo,oi=l, Uo.o5=4) Оценка значимости
Сульфаты 5,5 Незнач. 4 Незнач. 10 Незнач.
Хлориды 8,5 Незнач. 4 Незнач. 7 Незнач.
Кальций 3 Незнач. 4 Незнач. 7,5 Незнач.
Гидрокарбонаты 9,5 Незнач. 2,5 Незнач. 10 Незнач.
Сухой остаток 8 Незнач. 1 Незнач. 12 Незнач.
Аммоний ион 7 Незнач. 2,5 Незнач. 10 Незнач.
Нитриты 2 Неопред. 0 Знач. 12,5 Незнач.
Нитраты 4,5 Незнач. 1 Незнач. 12 Незнач.
Фосфаты 10 Незнач. 0 Знач. 10 Незнач.
АСПАВ 9 Незнач. 4 Незнач. 8,5 Незнач.
Табл. Оценка значимости по и-критерию резулътатов измерений проб воды, отобранных на поверхности и глубине в Куйбышевском водохранилище.
Рис. 8. Сезонные изменения концентраций сухого остатка, сулъфатов, гидрокарбонатов в створах, расположенных 1 км выше и 4,7 км ниже г. Казани.
занка, Меша) наблюдается статистически обоснованная сезонная изменчивость по ряду компонентов согласно общепринятым представлениям (половодье, меженный период), с межгодовой повторяемостью. Данный факт позволяет сделать вывод о содержании этих химических веществ на уровне естественно сформировавшихся концентраций. К таким компонентам относятся основные ионы и связанные с ними показатели: сульфаты, хлориды, металлы жесткости, гидрокарбонаты, общая минерализация (сухой остаток).
Показатели, традиционно относимые к антропогенным загрязнителям - аммоний-ион, нитриты, нитраты, нефтепродукты, фосфаты, АПАВ и некоторые другие, не проявляют многолетней сезонной периодичности, их концентрации плохо коррелируют с основными гидрологическими фазами водотоков.
Для оценки антропогенной нагрузки на поверхностные воды водохранилища интересно было рассмотреть контрольные створы, расположенные выше (1 км) и ниже (4.7 км) г. Казань, крупнейшего в республике источника организованных и неорганизованных сбросов. Обобщенным показателем содержания химических веществ в воде является сухой остаток. Основной вклад в величину сухого остатка вносят сульфаты, гидрокарбонаты и некоторые другие вещества. Как видно из рисунка 8 концентрации данных веществ в обоих контрольных створах практически одинаковы. Это подтверждается данными статистической обработки.
Антропогенные загрязнители, предельно допустимые
т » »— научно-технический журнал
ШЬ Георесурсы 5 ир 2011
? # .# # # .# # .# # #
О/ fy ^ ^ fy 'V 'V <у 'V f>
л * £ J= <v <v
//У///////////////
-1 км выше Казани
Дата отбора
—■— 4,7 км ниже Казани
-ПДК
Рис. 9. Сезонные изменения концентрации ионов аммония в створах, расположенных 1 км выше и 4,7 км ниже г. Казани.
S
et
О
a i
<V "V <у
//////////////////
-1 км выше Казани
Дата отбора
—■—4,7 км ниже Казани
-ПДК
Рис. 10. Сезонные изменения концентрации нитритов в створах, расположенных 1 км выше и 4,7 км ниже г. Казани.
300
250
m 700
я
.ti
и S 150
о
100
50
0
Криуши Казань 1 Казань Кзыл Тетюши км выше 4,7 км Байрак ниже
Сухой остаток
Сульфаты
—■— Гидрокарбонаты--линейный тренд
Рис. 11. Среднегодовые (летний период 2003-2008 гг.) значения содержания сухого остатка, гидрокарбонатов, сульфатов по акватории Куйбышевского водохранилища.
концентрации (ПДК) для которых установлены на уровне долей мг/дм3 - аммоний-ион, нитриты, фосфаты, АПАВ и др., не проявляют обычной сезонной изменчивости, и их концентрации не зависят от места отбора (Рис. 9, 10). Большие превышения значений ПДК наблюдаются как ниже города по течению, так и выше, что связано, по-видимому, с залповыми или локальными сбросами. В целом химический состав поверхностных вод Куй-
бышевского водохранилища на территории РТ относительно постоянен. Так, анализ данных по створам (результаты усреднены за летний период с 2003 по 2008 гг.) показал, что для ряда компонентов наблюдаются даже отрицательные тренды, то есть происходит некоторое уменьшение концентраций по длине водохранилища при движении от верхней по течению административной границы к нижней (Рис. 11).
Выводы
На основании проведенных исследований построены обобщенные среднесезонные зависимости концентраций химических веществ, что позволяет прогнозировать их содержание в поверхностных водах в различные гидрологические фазы и может быть использовано при разработке программ наблюдений за качеством поверхностных вод, с выбором оптимизированного количества приоритетных показателей и обоснованием оптимальной частоты пробоотбора.
Литература
Дерфель К. Статистика в аналитической химии. М.: Мир. 1994. 268.
Перечень методик, внесенных в государственный реестр методик количественного химического анализа. 4.I. Количественный химический анализ вод. [Электронный ресурс] http:/ /www.fcao.ru/metodikakha.html.
Петров Б.Г. Куйбышевское водохранилище. Географические аспекты водоохранных мероприятий. М.: Экопресс. 2004. 320.
Рекомендации. Р 52.24.309-2004. «Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Росгидромета»
Тарасов О.Ю., Шагидуллин Р.Р., Юранец-Лужаева Р.Ч. Природные факторы формирования гидрохимического состава поверхностных вод на примере водных объектов Республики Татарстан. Тезисы докладов VII Всероссийской конференция по анализу объектов окружающей средыг «Экоаналитика-2009». Йошкар-Ола. 211-212.
Шагидуллин Р.Р., Бодяжин A.C., Трофанчук В.М., Тарасов О.Ю. Обобщенные физико-химические показатели и оценка качества поверхностных вод. Журнал экологии и промышленной безопасности. 2007. 4. 33-34.
R.Ch. Yuranets-Lugaeva, O.Yu. Tarasov, R.R. Shagidullin, A.S. Bodyagin. Spatial and time variability of the chemical composition of the water of Kuibyshev reservoir.
Variability of chemical indicators of water quality of the Kuibyshev reservoir within the Republic of Tatarstan in spatial and time dynamics is investigated. Generalized average seasonal dependences of chemical substances' concentration are constructed.
Keywords: surface water, water quality, Kuibyshev reservoir.
Регина Чеславовна Юранец-Лужаева научный сотрудник лаборатории эколого-аналитичес-ких измерений и мониторинга окружающей среды Института проблем экологии и недропользования АН РТ. Научные интересы: аналитическая химия, экологический мониторинг.
420087, Казань, ул. Даурская, 28. Тел.: (843) 299-35-02.
^научно-техническим журнал
s (41) 2011 Георесурсы
