CC BY
58DOI: 10.24411/9999-010A-2019-10097 В.Н. РЕШЕТНЯК1'4, К.Г. МЯГКОВА2, О.С. РЕШЕТНЯК1'2'3
1 Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия
2 Институт водных проблем РАН, г. Москва, Россия
3 Гидрохимический институт, г. Ростов-на-Дону, Россия
4 ВНИГРИУголь, г. Ростов-на-Дону, Россия
РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОДЫ В БАССЕЙНЕ
НИЖНЕЙ ВОЛГИ
Введение
В современных условиях интенсивного антропогенного воздействия происходит качественное и количественное истощение водных ресурсов, деградация малых рек и усиление экологической напряженности на водных объектах, особенно в промышленно развитых регионах страны.
Высокое антропогенное воздействие и зарегулирование стока Волги привели к изменениям экологических условий на всем протяжении реки и, особенно, в нижнем ее течении. Интенсивное водопользование, безвозвратное изъятие воды и химическое загрязнение нарушают уникальную экосистему Нижней Волги. Изменения экологической обстановки проявляются в нарушении естественных биологических циклов водных экосистем, снижении биоразнообразия и биопродуктивности (Решетняк и др., 2013; Решетняк, 2014). Основной опасностью длительного антропогенного воздействия на экосистемы является возникновение чрезвычайных экологических ситуаций. Несмотря на достаточно высокую способность к самоочищению, речные экосистемы весьма чувствительны к антропогенным воздействиям и отвечают на испытываемую внешнюю нагрузку изменением компонентного состава водной среды (Никаноров и др., 2012).
В таком контексте изучение региональных особенностей трансформации химического состава и уровня загрязненности воды в бассейне Нижней Волги становится особенно актуальным.
К основным экологическим проблемам территории Нижней Волги можно отнести повышенное содержание ряда загрязняющих веществ в воде, ухудшение ее качества и состояния сообществ водных организмов на фоне меняющегося гидрологического режима (Брызгало и др., 2013, 2015). При этом водные объекты здесь функционируют в условиях повышенной антропогенной нагрузки, как со стороны основных источников загрязнения, так и за счет дополнительного поступления загрязняющих веществ с речным стоком (Никаноров и др., 2010), что снижает самоочищающую способность экосистем и приводит к ухудшению качества воды.
Объекты исследования - отдельные участки рек в бассейне Нижней Волги (рр. Сок, Сургут, Падовая, Чапаевка, Самара и др.), подверженные загрязнению сточными водами различных промышленных предприятий, а также хозяйственно-бытовыми и сельскохозяйственными стоками.
Материал исследования - многолетняя (1990-2015гг.) гидрохимическая информация Государственной системы наблюдения (ГСН) Росгидромета и данные режимно-справочных изданий Гидрохимического института.
Источники загрязнения речных вод
Водная экосистем а Нижней Волги испытывает влияние источников загрязнения
© 2019 Решетняк Виктор Николаевич, vnresh3@gmail.com; Мягкова Кристина Геннадьевна; Решетняк Ольга Сергеевна
разного масштаба и разной степени опасности. Антропогенное влияние на экологическое состояние нижних участков реки и её притоков происходит за счет таких регио -нальных факторов, как перенос загрязненных сточных вод вниз по течению реки; сброс загрязненных и недостаточно очищенных сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий; влияние маломерного флота; регулирование речного стока и др. Все это обусловливает снижение самоочищающей способности реки. Значительное влияние на состояние водных экосистем оказывают и локальные источники загрязнения (Решетняк и др., 2013).
В настоящее время в бассейне Волги наиболее высокий коэффициент водооборо-та отмечается в Нижней Волги (92,7%), что объясняется развитием здесь топливной, металлургической и химической отраслей промышленности, которые широко используют оборотное водоснабжение. В силу климатических и почвенных условий орошаемое земледелие наиболее развито также в засушливой части бассейна. На долю Нижней Волги приходится 60% орошаемых земель Волжского бассейна (Дёмин, 2017).
В последние годы отмечается сокращение водопотребления в жилищно-коммунальном и сельском хозяйствах, снизился сброс промышленных сточных вод и шахто-рудничных и коллекторно-дренажных стоков (Дёмин, 2017). Но, несмотря на это, в динамике качества воды в бассейне Волги и в нижнем её течении значительного улучшения не наблюдается. Напротив, отмечается усиление роли диффузных источников загрязнения, которые сопоставимы, а в некоторых случаях, могут и превосходить точечное загрязнение.
Результаты и их обсуждение
Минерализация воды и содержания главных ионов в речных водах Нижней Волги меняется в широких пределах от 100,5 мг/дм3 (р. Чагра) до 5368,7 мг/дм3 (р. Сургут), и даже среднемноголетние значения минерализации значительно варьируют - 337,51162,2 мг/дм3. Поэтому по данному показателю речные воды относятся к пресным и солоноватым поверхностным водам. Наибольшая минерализация воды характерна для таких рек, как Сок, Сургут, Чапаевка, Чагра, Бол. Кинель и Падовая.
Повышенная минерализация воды и более высокие концентрации главных ионов в речных водах Нижней Волги по сравнению с остальной частью бассейна обусловлены естественными и природными причинами. По химическому составу воды большинство рек относятся к хлоридному или сульфатному классу с доминированием ионов кальция или суммы ионов натрия и калия. Что вполне согласуется с принципом гидрохимической зональностью химического состава природных вод в пределах ЕЧР и сменой класса и типа воды в более южных районах.
Содержание биогенных веществ в речных водах Нижней Волги
Как известно, азот относится к числу биогенных элементов, содержание которого в водной среде влияет на различные внутриводоемные процессы. С одной стороны, недостаток азотсодержащих соединений подавляет рост и развитие водной растительности и гидробионтов, с другой - их избыток способствует процессам эвтрофикации и ухудшению качества воды. Поэтому содержание биогенных веществ в поверхностных водах используется не только с целью оценки трофности водоема, но и для характеристики условий обитания гидробионтов и качества водной среды.
Для водных объектов южных регионов, находящихся в условиях засушливого климата и пониженной водности, особенно остро стоит проблема эвтрофирования вод и, в связи с этим, оценка изменчивости концентраций минеральных форм азота и фосфора приобретает особую значимость.
В пределах территории Нижней Волги концентрации биогенных веществ значительно колеблются от значений ниже предела обнаружения метода до 12,4 мг/дм3 (р. Падовая) по азоту аммонийному; до значений 0,910-0,958 мг/дм3 (рр. Падовая и Бол.
Кинель) по азоту нитритному; до 3,47 мг/дм3 (р. Падовая) по фосфатам (таблица). Среднемноголетние концентрации изменяются в более узких диапазонах:
- по азоту аммонийному от 0,03 до 1,27 и 1,73 мг/дм3 (рр. Чапаевка и Падовая);
- по азоту нитритному от 0,020 до 0,079 и 0,100 мг/дм3 (рр. Чапаевка и Падовая);
- по фосфору фосфатному от 0,03 до 0,36 мг/дм3 (р. Падовая).
Таким образом, наибольшее биогенное загрязнение речных вод наблюдается для реки Падовая, для которой выявлены самые высокие концентрации по всем рассмотренным соединениям азота и фосфора, что может вызывать усиление процесса эвтро-фирования экосистемы реки.
Таблица. Изменчивость содержания биогенных веществ (в мг/дм3) в речных водах в бассейне Нижней Волги за многолетний период (1990-2015 гг.)
Река, пункт наблюдений Азот аммонийный (NH4+) Азот нитритный NO- Фосфор фосфатный (РО43-)
C C C ^ср C ^min C C ср C C C ср
Притоки Нижней Волги
р. Бол. Черемшан, ниже с. Новочеремшанск <0,0025 1,97 0,41 <0,0005* 0,600 0,061 0,014 0,42 0,14
р. Сок, с. Красный Яр <0,0025 3,38 0,43 <0,0005 0,566 0,029 <0,0025* 0,30 0,04
р. Сок, р.п. Сергиевск <0,0025 3,53 0,48 <0,0005 0,410 0,023 <0,0025 0,76 0,03
р. Сургут, г. Серно-водск <0,0025 2,93 0,42 <0,0005 0,650 0,042 <0,0025 0,59 0,03
р. Чапаевка, ниже г. Чапаевск <0,0025 11,64 1,27 <0,0005 0,629 0,079 <0,0025 0,67 0,08
р. Чагра, с. Новотулка <0,0025 7,10 0,46 <0,0005 0,302 0,022 <0,0025 1,33 0,10
р. Бол. Иргиз, г. Пугачев <0,0025 1,59 0,34 <0,0005 0,185 0,027 <0,0025 0,23 0,07
р. Самара, г. Бузулук <0,0025 3,28 0,51 0,010 0,546 0,068 0,004 0,27 0,05
р. Самара, ниже пгт Алексеевка <0,0025 1,05 0,34 <0,0005 0,700 0,038 <0,0025 0,18 0,04
р. Ток, с. Ероховка 0,040 2,09 0,41 0,010 0,183 0,050 <0,0025 0,37 0,05
р. Бузулук, с. Перевозниково 0,050 1,78 0,41 <0,0005 0,187 0,052 0,008 0,30 0,06
р. Бол. Кинель, пгт Тимашево <0,0025 3,99 0,39 <0,0005 0,958 0,042 <0,0025 0,61 0,05
р. Падовая, г. Самара <0,0025 12,4 1,73 <0,0005 0,910 0,100 <0,0025 3,47 0,36
Устьевая область Волги
р. Волга, г. Астрахань; выше города <0,0025 0,55 0,04 <0,0005 0,367 0,020 <0,0025 0,35 0,03
р. Волга, г. Астрахань; ниже города <0,0025 0,57 0,03 <0,0005 0,477 0,020 <0,0025 0,66 0,03
Примечания: *предел чувствительности метода определения. Цветом выделена кратность превышения ПДК:
- в 1-2 раза;
- в 3-10 раз;
- в более, чем 10 раз.
Содержание органических веществ в речных водах Нижней Волги
За многолетний период содержание органических веществ в целом высокое и меняется в широких пределах от 0,25 мг/дм3 (р. Волга, г. Астрахань) до 36,56 мг/дм3 (р. Чапаевка) по содержанию легкоокисляемых органических веществ (ЛООВ по БПК5) и от 1,30 мг/дм3 (р. Чапаевка) до 420-441 мг/дм3 (р. Бол. Кинель) по содержанию труд-382
ноокисляемых органических веществ (ТООВ по ХПК). Концентрации нефтепродуктов в речных водах Нижней Волги значительно варьируют от значений ниже предела обнаружения (<0,10 мг/дм3) до 2,71-4,29 мг/дм3 (в устьевой области р. Волга). Однако, эти аномально высокие значения нефтепродуктов носят эпизодический характер и относятся к случаям экстремально уровня загрязнения (ЭВЗ) воды (Никаноров и др., 2012; Решетняк, 2014).
Средне многолетние значения концентраций органических веществ имеют меньший разброс и в пределах водосборной территории Нижней Волги меняются от 1,88— 1,91 мг/дм3 (р. Бол. Иргиз) до 3,59-3,96 мг/дм3 (рр. Чапаевка и Падовая) по содержанию ЛООВ; от 23,64 мг/дм3 (р. Бол. Черемшан) до 47,2 мг/дм3 (р. Падовая) по содержанию ТООВ; от 0,03 мг/дм3 (р. Бол. Черемшан) до 0,14-0,18 мг/дм3 (в устьевой области р. Волга) по нефтепродуктам.
Анализ пространственной и временной изменчивости содержания органических веществ в водотоках Нижней Волги показал отсутствие четких тенденций. Речные воды повсеместно обогащены органическими соединениями, а по нефтепродуктам наблюдается рост их концентраций вниз по течению Волги, причиной чего может являться возрастание роли речного стока, смыва с водосборной территории и интенсивности судоходства.
Содержание соединений тяжелых металлов в речных водах Нижней Волги характеризуется высокой вариабельностью, а наибольший разброс значений концентраций отмечается для железа, цинка, марганца. Так, общий диапазон концентраций изменяется в пределах от значений ниже предела обнаружения до величин 1,90 мг/дм3 по железу, 77 мкг/дм3 по меди, 492 мкг/дм3 по цинку, 1461,2 мкг/дм3 по марганцу и 82 мкг/дм3 по свинцу, что соответствует превышениям ПДК в десятки раз. Содержание соединений никеля и кадмия более однородно и колеблется от <1,50 до 50,0 мкг/дм3 для никеля (в низовьях Волги) и от <0,02 до 11,2 мкг/дм3 для кадмия (р. Сургут).
Аналогично описанным выше особенностям, по среднемноголетним концентрациям соединений тяжелых металлов превышение нормативов достигают всего нескольких ПДК (по соединениям железа до 2 ПДК, цинка - до 2,7 ПДК и меди - до 6,0 ПДК, по другим металлам превышений нет в водотоках Нижней Волги).
Многолетняя изменчивость качества речных вод в бассейне Нижней Волги
Анализ изменчивости степени загрязненности и класса качества воды за многолетний период показал, что в целом качество речных вод Нижней Волги характеризуется 3-м («3 А» и «3Б» - «загрязненная» и «очень загрязненная») и 4-м («4 А» - «грязная») классами качества. Такая высокая степень загрязненности воды вызвана высокими концентрациями целого ряда загрязняющих веществ - критических показателей загрязненности (КПЗ) воды - соединениями марганца, меди, железа, фенолами, азотом аммонийным, нитритами, фосфатами и органическими веществами.
Оценка временной динамики качества воды водотоков в бассейне Нижней Волги показала следующее:
1) тенденция улучшения качества воды прослеживается на всех участках рек в бассейне реки Самара, здесь качество воды меняется с 4 «А-Б» «грязная» на 3 «А-Б» «загрязненная или очень загрязненная» (за исключением р. Падовая) и незначительное улучшение качества воды отмечено для р. Сок, особенно в последние годы;
3) ухудшение качества воды происходит на участках рек Бол. Иргиз (с 3-го на 4-й класс) и Падовая (с 4-го на 5-й класс «экстремально грязная»);
3) стабильно высокое загрязнение речных экосистем и отсутствие четкой тенденции изменчивости качества воды характерно для рр. Бол. Черемшан, Сургут, Чапаевка и в устьевой области реки Волга у г. Астрахань.
Заключение
Анализ многолетней гидрохимической информации позволил выявить региональные особенности химического состава речных вод в бассейне Нижней Волги. По ионному составу воды в бассейне Нижней Волги относятся к пресным и солоноватым поверхностным водам. Для отдельных притоков Нижней Волги характерно высокое содержание сульфатов и хлоридов в воде - это рр. Сок, Сургут, Чапаевка, Чагра, Бол. Ки-нель и Падовая, которые по химическому составу воды относятся к хлоридному или сульфатному классу с доминированием кальция или ионов натрия и калия.
Содержание биогенных и органических веществ в речных водах меняется в широких пределах и периодически превышает ПДК в десятки раз. Самые высокие концентрации приурочены к водосборам рек Падовая и Чапаевка. Это может стать причиной усиления процесса антропогенного эвтрофирования речных экосистем Нижней Волги. Речные воды также характеризуются высокими концентрациями соединений тяжелых металлов, особенно железа, меди и марганца, концентрации которых изменяются в широких пределах, достигая уровней ЭВЗ.
Качество речных вод в бассейне Нижней Волги в целом варьирует между катего -риями 3-го и 4-го классов качества, «загрязненная», «очень загрязненная» или «грязная», «очень грязная» за счет высокого содержания целого ряда загрязнителей (марганца, меди, железа, фенолов, биогенных и органических веществ).
Выявление региональных особенностей химического состава и качества воды в бассейне Нижней Волги особенно актуально в современных условиях антропогенного воздействия не только для поддержания экологической безопасности этой уникальной природной территории, но и для принятия мер по восстановлению водных ресурсов в регионе. Это позволит не только усовершенствовать систему наблюдения за состоянием водных объектов в регионе, но и повысить эффективность водоохранных мероприятий, направленных на улучшение экологического состояния водных экосистем.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-17-01262).
Список литературы
Брызгало В.А., Никаноров А.М., Решетняк О.С. Изменчивость экологического состояния речных зон устьевых экосистем крупных рек России // Вода: химия и экология. 2013. № 12. С. 15-21.
Брызгало В.А., Никаноров А.М., Косменко Л.С., Решетняк О.С. Устьевые экосистемы крупных рек России: антропогенная нагрузка и экологическое состояние. Ростов-на-Дону, 2015. 164 с.
Демин А.П. Сточные воды и качество воды в бассейне реки Волга (2000-2015 гг.) // Учен. зап. Российск. гос. гидрометеорологич. ун-та. Научно-теоретич. журн. 2017. № 48. С. 55-71.
Никаноров А.М., Брызгало В.А., Косменко Л.С., Кондакова М.Ю., Решетняк О.С. Роль речного притока растворенных химических веществ
в антропогенной трансформации состояния водной среды устьевой области р. Волга // Вода: химия и экология. 2010. № 7. С. 6-12.
Никаноров А.М., Брызгало В.А., Решетняк О.С. Реки России в условиях чрезвычайных экологических ситуаций. Ростов-на-Дону, 2012. 308 с.
Решетняк О.С. Особенности экстремально высокого уровня загрязнения воды экосистемы Нижней Волги // Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. 2014. Т. 23, № 2. С. 103-106.
Решетняк О.С., Никаноров А.М., Брызгало В. А., Косменко Л.С. Антропогенная трансформация водной экосистемы Нижней Волги // Водные ресурсы. 2013. Т. 40, № 6. С. 623632.
