CC BY
7УДК 556.55
солевой состав вод зейского водохранилища
© 2015 г. В.п. Шестеркин
ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук», г. Хабаровск
Ключевые слова: Зейское водохранилище, минерализация, главные ионы.
rel
В.П. Шестеркин
Рассмотрено формирование солевого состава вод Зейского водохранилища за многолетний период. Определены максимальные концентрации главных ионов и минерализация в придонных слоях воды в период наполнения, зафиксированы наименьшие значения минерализации и отсутствие стратификации в 1988 г. Показаны равномерное распределение концентраций главных ионов по акватории водохранилища в современных условиях и очень низкая минерализация воды.
Зейское водохранилище - наиболее крупное в бассейне р. Амур. Помимо использования энергетического потенциала реки его сооружение снизило риск наводнений в нижнем течении р. Зея, способствовало сохранению экологического состояния реки и судоходства ниже плотины.
Плотина Зейской ГЭС расположена в 649 км от устья р. Зеи. После завершения строительства в 1980 г. она создала при НПУ 315,0 м абс. водохранилище многолетнего регулирования глубиной 98 м с полным и полезным объемом воды 68,4 и 32,3 км3 соответственно, площадью зеркала - 2420 км2. Длина водохранилища составляет 225 км, площадь водосбора 82 500 км2. Максимальные приток и сброс воды в последние 30 лет отмечались в 2007 г. (15 200 и 4843 м3/с) и 2013 г. (11 700 и 4964 м3/с). Наибольший уровень воды (319,48 м абс.) наблюдался в 2013 г. Параметры Зейского водохранилища в 2005-2014 гг. приведены в табл. 1.
Зейское водохранилище, в отличие от многих других водохранилищ Сибири и Дальнего Востока (Вилюйского, Братского и др. [1]), характеризуется длительным периодом наполнения (1975-1985 гг.), который обусловил продолжительное по времени поступление в его воду минеральных веществ из затопленных почв и растительности. Такие особенности формирования качества воды, наряду с гидрологическими особенностями (малый водный
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
водное хозяйство россии
обмен, большие сработка и глубины в нижней части и др.) оказали влияние на гидрохимический режим Зейского водохранилища, в том числе - содержание главных ионов.
Формирование солевого состава вод Зейского водохранилища изучено лишь в период наполнения [2]. В последующие, включая и наиболее многоводные 2012 и 2013 годы, информация о содержании главных ионов, их пространственном распределении в воде водохранилища в научной литературе отсутствовала. Данная работа призвана восполнить этот пробел.
Таблица 1. Параметры Зейского водохранилища в 2005-2014 гг.
Характеристика Годы
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Приток, км3 26,9 30,1 37,9 25,0 30,2 28,0 18,0 38,3 47,6 25,7
Максимальный объем, км3 70,9 74,5 77,6 68,6 73,2 67,9 61,4 75,0 80,2 63,8
Сток в Х11-111, км3 7,1 7,7 8,2 8,6 8,2 9,9 9,0 7,3 14,6 14,8
Сток в 1У-Х1, км3 12,4 21,2 36,1 14,7 18,5 24,1 16,5 17,7 40,2 20,7
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Мониторинг качества воды Зейского водохранилища осуществляется Дальневосточным управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ДВ УГМС) на Приплотинном и Алгинском (0,1 и 10 км выше плотины) створах с 1977 г., пункте у с. Бомнак - с 1984 г. Специалисты Института водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИВЭП ДВО РАН) проводили наблюдения в летний период 1979, 1994, 2004 и 2013 гг. на 4-8 участках, полностью охватывающих акваторию водохранилища. Схема расположения участков приведена на рис. 1. Пробы воды отбирали с поверхности, среднего и придонного горизонтов.
Аналитические работы проводили в Межрегиональном центре экологического мониторинга гидроузлов (Аттестат аккредитации № ИОСС Ии. 0001. 515988) при ИВЭП ДВО РАН по принятым при гидрохимических исследованиях методам [3]. В работе использованы данные ДВ УГМС 19771988 гг. и Амурского бассейнового водохозяйственного управления Федерального агентства водных ресурсов 2005-2014 гг.
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
Рис. 1. Схема Зейского водохранилища. 1 - Приплотинный, 2 - Гилюйский, 3 - Снежногорский, 4 - Центральный, 5 - Хвойный, 6 - Мальмуганский, 7 - Горный, 8 - Бомнакский участки, штрихами показаны границы участков.
В формировании солевого состава Зейского водохранилища, как и любого другого, выделяются тесно связанные с особенностями его наполнения этапы:
- начало наполнения (1975-1978 гг.), объем водохранилища вырос до 23,3 км3, площадь зеркала до 1256 км2;
- максимальное наполнение (1982 г.), объем водохранилища увеличился до 51,0 км3, площадь зеркала до 1840 км2;
- заполнение до НПУ (1985-2014 гг.), объем воды водохранилища и площадь зеркала достигли максимальных значений.
В соответствии с этими этапами рассмотрим солевой состав вод Зейско-го водохранилища, который формировался в основном водами питающих его рек Зея и Гилюй в условиях слабой хозяйственной деятельности на водосборе. В начале наполнения часть солей поступала в воду из затопленных почв и растительности.
Вода рек бассейна р. Зея характеризуется невысокой минерализацией 14100 мг/дм3, в половодье и дождевые паводки не превышающей 50 мг/дм3 [4].
обсуждение результатов
По классификации О.А. Алекина [5], речные воды бассейна относятся к гидрокарбонатному классу, группе кальция, первому типу. Содержание главных ионов изменяется в широких пределах. Максимальные значения минерализации наблюдаются в период зимней межени (содержание иона кальция в воде р. Гилюй достигало 50 мг/дм3, иона магния 10,9 мг/дм3). В воде остальных притоков р. Зея содержание солей ниже. Наименьшие концентрации отмечаются в половодье и летне-осенние паводки: иона кальция изменяются от 2,1 до 3,7 мг/дм3, иона магния - от 0,4 до 2,2 мг/дм3. Содержание ионов натрия и калия суммарно ниже 9,0 мг/дм3, хлоридного иона в пределах 1,2-5,0 мг/дм3, сульфатного иона 1,3-25,9 мг/дм3 [2].
В начале наполнения водохранилища (1975-1978 гг.) выщелачивание солей из затопленных почв и растительности обусловило появление максимальных за период наблюдений концентраций главных ионов (табл. 2), наибольшие значения которых отмечались в придонных слоях воды. На Приплотинном участке содержание иона кальция в этих слоях зимой превышало 6,0 мг/дм3, иона магния - 1,7 мг/дм3. В поверхностных горизонтах значения были ниже на 1,8-3,6 и 1,0-1,7 мг/дм3 соответственно. Аналогичная стратификация отмечена и для анионов: так, содержание хлоридного иона в поверхностных слоях воды превышало 1,6 мг/дм3, в придонных -2,3 мг/дм3. Для гидрокарбонатного и сульфатного ионов эти значения составили 12,2 и 3,0 мг/дм3 и 23,8 и 4,3 мг/дм3 соответственно.
Существенно различалась по глубине минерализация в целом (рис. 2), значения которой рассчитывались без учета содержания ионов натрия и калия. В поверхностных слоях она в среднем составляла 30,1 мг/дм3, придонных - 48,2 мг/дм3. Максимальное ее значение (52,1 мг/дм3) отмечено в придонных слоях воды в марте 1980 г.
Весной поступление талых снеговых вод и весенняя циркуляция обусловили снижение и выравнивание концентраций главных ионов по глубине. В связи с этим в летний период содержание ионов кальция и магния в придонных слоях воды было ниже 5,7 и 2,7 мг/дм3, в поверхностных - 4,3 и 1,9 мг/дм3. Концентрация иона натрия не превышала 1,0 мг/дм3, иона калия - 1,2 мг/дм3. Соответственно изменилось и содержание анионов: концентрации гидрокарбонатного и хлоридного ионов в поверхностных слоях воды в этот период находились в пределах 10,4-14,0 мг/дм3 и 1,6-2,0 мг/дм3 соответственно. В придонных горизонтах содержание этих ионов на 1,83,1 мг/дм3 и 0,5-0,7 мг/дм3, соответственно, было выше. Подобная стратификация характерна для сульфатного иона, концентрация которого в поверхностных слоях воды варьировала от 6,2 до 7,5 мг/дм3, в придонных - от 6,1 до 12,8 мг/дм3. В отличие от остальных ионов его содержание летом и осенью из-за окисления соединений серы, образующихся при деструкции затопленной древесины, было выше, чем зимой. Такое распределение суль-
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
Таблица 2. Содержание главных ионов и минерализация в воде Приплотинного участка Зейского водохранилища, мг/дм3
Год Са2+ Мд2+ нсо3- БО/- С1- М
1978 3,1-7,7 5,0 0,7-3,6 1,5 9,2-30,5 14,5 2,0-12,8 7,4 1,3-3,4 2,2 20,8-48,9 31,2
1982 - 0,7-2,1 1.4 - 4,4-10,3 8.8 0,5-1,4 0,9 14,9-39,0 22,4
1985 3,0-3,4 3.2 1,5-1,8 1.6 8,5-13,4 11,4 3,4-6,0 4,6 0,5-0.9 0,8 18,2-23,3 21,4
1988 2,2-3,6 3,0 1,0-2,1 1,4 7,3-11,6 9,2 3,7-6,8 4.9 0,8-1,1 0.7 15,9-25,5 19,7
1994 3,0-3,6 3,5 1,2-1,6 1,3 11,4-13,4 12,6 4,0-5,6 4,8 0,6-0,9 0,7 22,0-26,2 24,1
2004 2013 3,1-4,6 4.0 3,9-4,3 4.1 0,7-1,7 1,5 1,2-1,4 1,3 13,4-19,5 16,0 14,0-15,2 14,8 <1,0-4,0 2,4 <1,0-3,3 2,3 <0,5 0,6-0,8 0,7 21,1-31,6 25,6 23,0-26,5 24,8
Примечание: числитель - интервал концентраций; знаменатель - среднее значение.
фатов по глубине отмечалось и при изучении гидрохимического режима Вилюйского [6] и Хантайского водохранилищ [7].
Минерализация воды весной значительно снижается, причем в придонных слоях в большей степени, чем в поверхностных (рис. 2). Различия в значениях минерализации между этими горизонтами составляли 3,9-12,6 мг/дм3. Осенью содержание солей распределялось по глубине относительно равномерно. Подобная сезонная динамика отмечена во все годы наблюдений (рис. 2). Низкая минерализация воды Зейского водохранилища обусловлена следующими факторами:
- в составе постилающих пород водосбора водохранилища в основном преобладают хорошо промытые четвертичные отложения (пески, супеси и др.), трудно выщелачиваемые интрузивные и метаморфизованные породы [8];
- почвенный покров водосбора водохранилища представлен подзолистыми буроземами, пойменными аллювиально-слоистыми, луговыми и болотными почвами, промытыми атмосферными осадками [9];
- в бассейне водохранилища отсутствуют крупные источники загрязнения.
Наблюдения, проведенные в октябре 1979 г., свидетельствовали о низком содержании ионов натрия, калия и хлоридного, концентрации которых в основном не превышали 1,3; 0,6 и 1,1 мг/дм3 соответственно, т. е. были на
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
Месяцы
■ поверхностный ■ средний ■ придонный
Рис. 2. Сезонная динамика минерализации воды Приплотинного участка Зейского водохранилища в 1978, 1982, 1988 гг.
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
уровне их содержания в воде ледниковых озер Приамурья [10]. По акватории и вертикальному разрезу водохранилища больших различий не отмечалось. Концентрации остальных ионов в пространственном отношении распределялись неравномерно. На Приплотинном и Гилюйском участках содержание ионов кальция, магния и гидрокарбонатного иона было максимальным в придонных слоях воды, Центральном и Мальмуганском участках различия в их концентрациях по вертикальному разрезу отсутствовали.
Длительный и этапный период наполнения водохранилища обусловил растянутое во времени поступление солей из затопленных почв и растительности, что, в свою очередь, определило более низкие, чем при разовом заполнении всего объема, значения минерализации (рис. 2).
В 1982 г. максимальное содержание главных ионов отмечено в придонных слоях воды, минимальное - в поверхностных. В сезонном отношении наибольшие концентрации иона магния и сульфатного иона наблюдались зимой. Летом и осенью содержание иона магния и хлоридного иона в поверхностных горизонтах воды не превышало 1,5 и 1,2 мг/дм3, в придонных -2,1 и 1,4 мг/дм3 соответственно, т. е. было низким. Повышенными оставались концентрации сульфатного иона: в придонных слоях они изменялись от 4,9 до 7,1 мг/дм3, в поверхностных - от 6,5 до 9,0 мг/дм3.
С достижением НПУ в 1985 г. концентрации главных ионов и амплитуда их колебаний стали меньше, причем сульфатных ионов значительно (табл. 2), что свидетельствовало о постепенном снижении активности процессов разложения затопленной древесины. Подобное поведение сульфатов отмечалось в воде Бурейского водохранилища в начале его наполнения [11].
По вертикальному разрезу концентрации главных ионов распределялись относительно равномерно. Небольшие различия в составе воды свидетельствовали о стабилизации содержания главных ионов, которые стали определяться в основном содержанием их в водах питающих водохранилище рек.
В последующие годы концентрации главных ионов в воде Приплотинного участка постепенно уменьшались (табл. 2), хотя наибольшие значения, как и раньше, отмечались зимой, а наименьшие - весной (рис. 2). Однако сезонные различия в их содержании стали меньше, более равномерно соли распределились по глубине (рис. 2). В многоводном 1988 г. (приток воды в водохранилище составил 31,3 км3) наибольшая минерализация в придонных слоях воды зимой достигала 25,5 мг/дм3, летом и весной снижалась до 20,0 мг/дм3. Среднегодовое содержание кальция, гидрокарбонатного иона и в целом минерализации в это время имели самые низкие за период наблюдений значения (табл. 2), что могло быть вызвано поступлением в нижнюю часть водохранилища больших масс воды р. Гилюй, минерализация которых в это время достигала 15,3 мг/дм3.
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
Гидрохимические исследования в среднем по водности 1994 г. (приток воды в апреле-июле составил 16,6 км3) показали более высокие, чем в 1988 г., концентрации иона кальция и гидрокарбонатного иона, а соответственно и минерализации (табл. 2), относительно равномерное распределение солей по акватории и глубине (рис. 3). Исключение составляли сульфаты, содержание которых на всех участках, за исключением Центрального, распределялось относительно равномерно. На Центральном участке водохранилища концентрация сульфатов в поверхностном слое воды составляла 4,2 мг/дм3, в придонном - 7,7 мг/дм3.
Слабый приток воды в водохранилище в 2000-2003 гг. (19,0-25,2 км3) и апреле-июле 2004 г. (12,6 км3) обусловил в августе 2004 г. некоторое увеличение содержания иона кальция, гидрокарбонатного иона, значения минерализации (табл. 2). Концентрация сульфатного иона снизилась в среднем в два раза, причем в отдельных горизонтах воды находилась ниже предела обнаружения. По глубине и акватории какой-либо закономерности в распределении концентрации солей не отмечалось. Среднее значение минерализации воды Зейского водохранилища не превышало 26 мг/дм3, т. е. являлось наиболее низким по сравнению с водохранилищами Сибири и Дальнего Востока [6, 7, 12, 13 и др.].
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
В 2013 г. содержание главных ионов в воде исследуемого водохранилища находилось на уровне 2004 г. (табл. 2), хотя большой приток воды в 2012 г. (табл. 1) и апреле-июне 2013 г. (13,4 км3) обусловили выход водохранилища на НПУ уже в середине июля. Содержание ионов натрия и калия, как и в предыдущие годы, не превышало 1,0 и 0,5 мг/дм3. По акватории и глубине водохранилища содержание большинства главных ионов распределялось относительно равномерно. Исключение составляли сульфаты, концентрации которых распределялись мозаично: наибольшие значения на Приплотинном и Гилюйском участках наблюдались в придонных слоях, на Центральном и Снежногорском участках - в поверхностных. Причем в придонных слоях воды Центрального и Снежногорского участков сульфаты находились ниже предела обнаружения.
Среди анионов в составе воды отмечено выраженное преобладание гидрокарбонатного иона (39-42 %-экв), значительно меньше содержание сульфатного (< 12 %-экв) и хлоридного (< 4,0 %-экв) ионов. В катионном составе доминировали ионы кальция (26-29 %-экв). Содержание магния находилось в пределах 13-16 %-экв, натрия не превышало 7 %-экв. (рис. 4)
Минерализация воды основной части водохранилища не превышала 25 мг/дм3, т. е. с 1982 г. практически осталась на прежнем уровне (табл. 2). Не замечены большие различия и в распределении ее по акватории. Исключение составили приустьевые участки малых рек Большой Гармакан,
28
■ Поверхностный ■ Средний ■ Придонный
Рис. 4. Распределение минерализации по акватории и глубине Зейского водохранилища в июле 2013 г.
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
Широковка, которые дренировали карбонатные отложения хр. Тукурин-гра. Концентрации ионов кальция и сульфатного на таких участках достигали 19,0 и 14 мг/дм3, минерализация - 110 мг/дм3. Повышенными были концентрации этих ионов и в воде р. Матовая - притоке р. Гилюй (8,2, 9,9 и 53,8 мг/дм3 соответственно).
ВЫВОДЫ
Максимальные концентрации главных ионов и минерализация, крайне неравномерное их распределение по глубине и акватории отмечены в период наполнения водохранилища (1977-1982 гг.). Наименьшее содержание главных ионов и минерализация, отсутствие больших различий по глубине, акватории и в сезонном отношении наблюдались в многоводном 1988 г.
В современных условиях содержание главных ионов в воде по акватории и глубине водохранилища распределено относительно равномерно, за исключением приустьевых участков рек, дренирующих карбонатные отложения. Минерализация вод Зейского водохранилища не превышает 26 мг/дм3 и является наименьшей среди водохранилищ Сибири и Дальнего Востока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авакян А.Б., Салтанкин В.П., Шарапов В.А. Водохранилища. М.: Мысль, 1987. 325 с.
Мордовин А.М., Петров Ю.С., Шестеркин В.П. Гидроклиматология и гидрохимия Зейского водохранилища. Владивосток-Хабаровск: Дальнаука, 1997. 138 с. Федеральный перечень методик выполнения измерений, допущенных к применению при выполнении работ в области мониторинга загрязнения окружающей природной среды РД 52.18.595-96 (в ред. Изменения № 1, утв. Росгидрометом 11.10.2002, Изменения № 2, утв. Росгидрометом 28.10.2009). Тарасов М.Н., Лапшина Т.П., Башмакова О.И. Гидрохимия рек трассы БАМ. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 75 с.
Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 444 с. Лабутина Т.М. Формирование и прогнозирование гидрохимического режима водохранилищ Северо-Востока СССР. Якутск: Наука, 1985. 114 с. Дрюккер В.В., Домышева Н.Г., Шевелева Н.Г., Кузьмина И.Г., Никулина И.М., Балонов И.М., Шишкин Б.А. Гидрохимические и гидробиологические исследования Хантайского водохранилища. Новосибирск: Наука, 1986. 120 с. Гидрогеология СССР. Т. XXIII. Хабаровский край и Амурская область. ДТГУ / под ред. Н.А. Маринова. М.: Недра, 1971. 514 с.
Гришин И.А, Матюшкина Л.А. Почвы долин в районах водохранилищ Зей-ской и Бурейской ГЭС // Вопросы географии Дальнего Востока. 1979. Сб. 19. С. 42-58.
10. Мордовин А.М., Шестеркин В.П., Антонов А.Л. Река Бурея: гидрология, гидрохимия, ихтиофауна. Хабаровск: ИВЭП ДВО РАН, 2006. 149 с.
2.
3.
8.
9.
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
11. 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.
12. Верблова Н.В. Формирование гидрохимического режима Братского водохранилища // Формирование планктона и гидрохимия Братского водохранилища. Новосибирск: Наука, 1973. С. 78-118.
13. Шестеркин В.П., Сиротский С.Е., Таловская В.С. Минерализация и содержание органического вещества в воде Бурейского водохранилища в первые годы заполнения // Водное хозяйство России. 2011. № 4. С. 33-40.
Сведения об авторе:
Шестеркин Владимир Павлович, канд. геогр. наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук», 680000, Хабаровск, ул. Дикопольцева, 56; e-mail: shesterkin@ivep.as.khb.ru
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
