Состав и многолетняя динамика гидрохимического стока заболоченныхводосборов с олиготрофно сопряженными ландшафтами Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 556.551.3/.4

Л. И. Дубровская, Е. С. Брежнева

СОСТАВ И МНОГОЛЕТНЯЯ ДИНАМИКА ГИДРОХИМИЧЕСКОГО СТОКА ЗАБОЛОЧЕННЫХ ВОДОСБОРОВ С ОЛИГОТРОФНО СОПРЯЖЕННЫМИ ЛАНДШАФТАМИ

Анализируется динамика макрокомпонентного состава гидрохимического стока малой заболоченной реки за вегетационные периоды восьми лет. Оценены средние значения концентраций химических элементов, статистические характеристики временных рядов, модуль ионного стока (1.38 г/(с-км2) с репрезентативного заболоченного водосбора на отрогах Васюганского болота.

Ключевые слова: концентрация, макроэлементы, органические вещества, минерализация, модуль ионного стока, фоновое содержание, многолетняя динамика, Васюганское болото.

Западная Сибирь является крупнейшим регионом в мире по масштабу распространения болотных систем на ее территории. Для зоны избыточного увлажнения Западной Сибири характерно широкое распространение заболоченных водосборов на водораздельных равнинах, гидрохимический сток с которых играет важную роль в формировании химического состава речных вод притоков Средней Оби и экологогеохимической ситуации на этой территории в целом.

В настоящее время накоплен довольно обширный фактический материал по гидрохимии природных вод в бассейне р. Оби, например [1-3], позволяющий выявить и дать количественную оценку роли групп и отдельных составляющих в формировании химического состава, в загрязнении и самоочищении речных вод. По приближенным оценкам [3] влияние заболоченности на гидрохимический сток в бассейне Средней Оби проявляется в уменьшении стока макрокомпонентов на 7 %, увеличении стока органических веществ на 12 % и Бе - на 5 %. Все эти расчеты осуществляются на основании среднемноголетних концентраций химических элементов в речных водах.

В то же время водный и гидрохимический режим речного стока, в особенности малых и средних рек, в многолетнем разрезе не являются стационарными процессами. Нарушения стационарности в таких речных бассейнах могут происходить не только в результате возросшей антропогенной нагрузки, но также в связи с вариацией естественных факторов, в том числе и климатических. Тенденции изменения речного стока в целом и его химической составляющей в частности остаются важной и недостаточно освещенной проблемой, решение которой необходимо для составления эталонных материалов для мониторинговых исследований и, следовательно, для прогнозирования возможных изменений экологической ситуации, корректировки планов осушительных мелиораций и т. д.

Цель данной работы состояла в изучении особенностей макрокомпонентного состава речных вод, свойственных заболоченным водосборам; динамики их концентраций в многолетнем разрезе и климатических условий формирования выноса химических

элементов и органического вещества водами рек-водоприемников верховых болот.

Объектом исследований является малый репрезентативный речной водосбор р. Ключ с площадью 58 км2 и заболоченностью 70 %, являющийся составной частью Васюганской болотной системы (Большое Васюганское болото), которая состоит из 135 обособленных участков и занимает площадь до 55 тыс. км2 [4] с преобладанием выпуклых олигот-рофных (сфагновых) болот в южно-таежной подзоне Западно-Сибирской равнины. Исследуемый водосбор расположен в междуречьи рек Бакчар и Икса в пределах Бакчарского района Томской области. Район исследований, согласно районированию болот, отнесен к западно-сибирской таежной зоне бореально-ат-лантических выпуклых олиготрофных моховых болот активного заболачивания.

Истоки реки расположены на периферии болотного массива, и гидрологический режим р. Ключ зависит от водообмена между болотным массивом и окружающей территорией. Ложе сформировано карбонатными суглинками, врез русла при впадении в р. Бакчар составляет 20-25 м. Характерными типами биогеоценозов являются сосново-кустарничково-сфагновый с высокой сосной (верхний рям), сосно-во-кустарничково-сфагновый с низкой сосной (низкий рям), осоково-сфагновая топь, грядово-мочажин-ный комплекс. Более подробно условия формирования болотного массива приведены в монографии [5].

Исходный материал и методы исследований

В основу работы положены материалы изучения гидрохимического состава речных вод и водного режима в двух пунктах - при выходе из болота (верхний пункт) и в 3 км ниже по течению (нижний пункт) за период наблюдений 1998-2005 гг., а также водного режима р. Бакчар за 31 год. Всего в работе использованы анализы 78 проб воды на содержание 18 макрокомпонентов за вегетационные периоды (май-сентябрь) 1998-2005 гг.

Для корректности выводов о норме и направленности многолетней изменчивости гидрохимических характеристик речного стока из базы данных были удалены концентрации гидрохимических показателей,

выходящие за пределы Хсред ± 3о, где о - среднее квадратическое отклонение ряда значений Х. Статистическая обработка фактических данных осуществлялась стандартными методами математической статистики: согласие с нормальным законом распределения проверялось по критериям Колмогорова-Смирнова, Лилиефорса, х2, нормальным вероятностным графикам; однородность - по критерию Стьюдента и Манна-Уитни; внутрирядная связность оценивалась по автокорреляционной функции.

Средние концентрации химических элементов за вегетационный период в верхнем и нижнем пунктах р. Ключ определялись методом средневзвешенного по формуле

п

ц = —-------,

Гср. п ’

IV

1=1

где ц,, л2лп- срочные значения концентраций макро

- и микроэлементов (мг/л); V, У2,---, V - объемы стока между датами забора проб (м1), п - количество анализов.

Обсуждение результатов. Результаты изучения концентраций химических элементов в р. Ключ выявляют их значительную и разнонаправленную изменчивость в отдельные годы и гидрологические фазы стока, что сильно затрудняет их достоверную фоновую оценку, как точку отсчета при изменении экологической ситуации или планировании осушительных мелиораций.

К многочисленным факторам формирования гидрохимического состава речного стока добавляются дополнительные для заболоченных водосборов - особенности биохимических процессов, протекающих в деятельном слое торфяной залежи при участии атмосферных осадков и приточных вод. При такой многофакторности формирования химического состава речных вод представляется правомерным считать его

случайным процессом и рассматривать полученные в разные годы количественные значения концентраций конкретного химического элемента в виде единого хронологического ряда. Статистически для этого необходимо выполнение двух условий - соответствие нормальному закону распределения и отсутствие внутрирядной связности (значимых автокорреляций) в хронологических рядах.

При анализе динамики макрокомпонентного состава речных вод более подробно будем останавливаться на наиболее важных химических элементах: гуми-новые вещества - гуминовые кислоты (ГК) и фуль-вокислоты (ФК), кальций (Са2+), магний (М§2+), карбонаты и гидрокарбонаты (НС03).

Органические вещества. Речные воды заболоченных водосборов обогащены органическим веществом гумусовой природы. Гуминовые кислоты принимают участие в геохимической миграции минеральных компонентов, катионов и анионов, в комплексообразо-вании, окислении и восстановлении элементов, несут энергетические запасы, необходимые для биоты, а кинетика выделения С02 является итоговым показателем трансформационных процессов в торфяных залежах всех биогеоценозов.

Органические вещества, статистические характеристики которых приведены в табл. 1, образуют наиболее устойчивую группу в многолетнем разрезе. За исключением С02 св. и бихроматной окисляемости, у которых обнаружен значимый тренд (при уровне значимости 5 %) (рис. 1), концентрации гуминовых кислот, фульвокислот и остальных форм углерода (Си С ) образуют независимые, однородные

4 ост вод.раств/ Г */ ’ Г

ряды, распределенные по нормальному закону, и для них можно найти интервальную оценку математического ожидания концентрации в виде, например, 90 %-го доверительного интервала (табл. 1). Эти значения можно использовать как эталонные при мониторинговых исследованиях.

1

Т аблица

Статистические характеристики концентраций органических веществ в р. Ключ за вегетационные периоды 1998-2005 гг., мг/дм3

Компонент п Мини- мальная Макси- мальная Средние концентрации Су, %

ср. арифм. ср. взвеш. медиана

С О Ю О и 36 5.28 26.4 13.71 13.38 13.20 54

Углерод остат., г/л 39 0.03 0.37 0.21±0.01 0.18 0.21 33

Углерод в/раств. 28 8.04 98.50 69.13±7.17 54.45 63.75 32

Бихроматная окисляемость 34 35.16 523.94 214.16 186.52 204.96 57

Г уминовые кислоты 39 0.32 14.62 7.62±1.07 7.52 7.31 52

Фульвокислоты 38 32.12 111.98 62.47±6.92 56.09 62.18 35

Примечание: п - количество анализов, Су - коэффициент вариации.

600

500

400

л (и ° § а 8 X <и « й

РЧ

300

200

100

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Годы

Годы

Рис. 1. Хронологические графики бихроматной окисляемости и С02 св. с линейным (слева) и полиномиальным (справа) значимыми

трендами

У биохроматной окисляемости в водах р. Ключ наблюдается устойчивое повышение, свидетельствующее о значительном увеличении содержания болотного гумуса в воде (рис. 1).

Для С02 св. и бихроматной окисляемости рекомендуется использовать средневзвешенные значения или медианные.

Вынос растворенного углерода - важной статьи расхода органического углерода в форме фенольных, альдегидных, карбоксильных, а также фульво- и гу-миновых кислот рассчитывался по срочным значениям концентраций и объемов стока за вегетационные периоды каждого года. За рассматриваемые годы его модуль стока изменялся от 0.12 до 0.7 со средним значением 0.41 г/(с-км2). У него обнаружено достоверное (на уровне значимости 5 %) падение концентрации в водах р. Ключ.

Солевой режим. Из главных ионов (Са2+, М§2+, НС03-, №+, К+, Б042-,СГ) только изменения катиона кальция представляют собой однородный независимый временной ряд, распределенный по нормальному закону, и поэтому его среднее арифметическое значение (19.2 мг/дм3) можно считать нормой (табл. 2). Все остальные, кроме возрастающего аниона хлора (рис. 2), имеют значимые убывающие тренды.

В соответствии с классификацией 0. А. Алекина [6] речные воды рассматриваемой территории относятся по преобладающему аниону к гидрокарбонатному классу, по катиону - к группе кальция, первому типу слабощелочной среды.

Ионы в речных водах р. Ключ по степени убывания концентрации (табл. 2) распределяются в следующий ряд, совпадающий с рядом водной миграции в болотных водах:

- катионы - Са2+ > М§2+ > №+ > К+> КН4+ > Бе3+,

- анионы - НС03- > С1- > Б04- > К03- .

Минерализация речных вод тесно связана с условиями формирования водного режима. Увеличение поверхностного стока приводит к уменьшению минерализации речной воды, а его снижение и увеличение грунтового питания способствуют повышению минерализации. Поэтому показатели устоявшегося солевого режима определяют по ряду средних по водности лет.

Так как восьми лет наблюдений за стоком недостаточно для корректного определения водности, то для контроля привлекались данные по водному стоку реки-аналога Бакчар (31 год наблюдений). Результаты анализа водности лет наблюдений совпали, что вполне объяснимо территориальной близостью и схо-

Т аблица 2

Статистические характеристики концентраций главных ионов в р. Ключ за вегетационные периоды 1998-2005 гг., мг/дм3

0

Компонент п Мини- мальная Макси- мальная Средние концентрации с \--V9 %

ср. арифм. ср. взвеш. медиана

К+ 31 0.14 3.03 1.50 1.65 1.53 0.61

18 0.32 6.90 1.78 1.35 0.98 1.06

А л О 38 3.01 46.50 19.21±3.13 15.21 16.54 0.60

Мм2+ 35 0.78 15.20 6.49 6.14 6.08 0.54

С1- 21 0.70 98.39 32.03 33.19 34.22 0.65

8042- 21 0.57 10.80 4.42 4.31 3.50 0.74

НС0э- 31 0.70 244.10 59.79 58.06 50.43 0.87

Примечание: п - количество анализов, Су - коэффициент вариации.

(Ч (Ч (Ч (Ч (Ч (Ч

Годы

Рис. 2. Хронологические графики ионов

жестью условий формирования стока. В качестве маловодных лет были выбраны 2000, 2004 гг.; средних по водности - 2001, 2003, 2005 гг.; многоводных

- 1998, 1999, 2002 гг.

Реки, вытекающие из болот, имеют мало минерализованную воду. Общая минерализация за вегетационные периоды средних по водности лет имеет значительный разброс - от 39.3 до 98.3, в среднем 68.7 мг/ дм3 (табл. 3). В многоводные годы и минерализация и модуль ионного стока имеют наибольшие значения.

Т аблица 3

Минерализация и общий ионный сток р. Ключ за вегетационные периоды 1998-2005 гг., (нижний створ)

Год Минера- лизация, мг/дм3 Ионный сток, г/с Модуль ионного стока, г/(с*км2)

1998 280.49 77.64 4.84

1999 253.7 111.41 4.37

2000 94.69 131.122 1.63

2001 98.33 82.48 1.70

2002 426.96 109.067 7.36

2003 103.23 82.27 1.78

2004 131.76 108.29 2.27

2005 39.631 68.165 0.68

Примечание: Средние по водности годы выделены жирным шрифтом.

Модуль ионного стока, как наиболее информативная характеристика этого показателя для территориальных обобщений, рассчитывался для вегетационного периода каждого года как сумма произведений срочных концентраций на объемы воды между сроками отбора проб, отнесенная к площади водосбора и длительности сезона, по формуле

М = -------,

п '

£ т?

1=1

где М - модуль ионного стока, г/(с-км2); Ср. - концентрация суммы ионов в 1-й пробе (мг/л); п - число проб за сезон; Q. - расход воды в момент отбора 1-й

(4<4<4<4<4<4

Годы

хлора (с линейным трендом) и кальция

пробы (м3/с); Т. - период времени между пробами (с); ? - площадь водосбора (км2).

Модуль ионного стока - сильно варьирующая величина, зависящая от водности года (табл. 3). Для средних по водности лет среднее значение модуля ионного стока составило 1.38 г/(с-км2), что выше приведенных в работе [3] среднемноголетних значений для данной территории.

В средние по водности годы общая жесткость имеет значения, существенно меньшие 2 мг-экв/л, кроме маловодного 2004 г., т. е. речные воды с сильно заболоченных водосборов с верховыми болотами относятся к категории мягких, хотя в отдельные экстремальные годы могут быть и жесткими.

Величина рН изменяется от 6.30 до 7.40, среднее значение - 6.85. Благодаря высокой выщелачивающей способности карбонатных пород, распространенных на незаболоченной части бассейна, реакция воды по всей длине реки, несмотря на обилие гумусовых веществ, остается слабощелочной. Это положительно сказывается на качестве воды для различных целей народнохозяйственного использования, жизнедеятельности планктона и протекания биохимических процессов, например нитрификации.

Биогенные элементы. Из минеральных форм азота в речных водах преобладает наряду с ионами аммония нитратная форма (табл. 4). В результате нитри-фикационных процессов в речных водах, насыщенных кислородом, аммонийные ионы переходят в нитрат-ионы и нитриты со значительным доминированием первых.

По среднему содержанию аммонийного азота речные воды близки к предельно допустимой концентрации (ПДК) для водных объектов, составляющей 0.39 мг/дм3 [7]. Концентрация аммонийного азота резко возрастает в июне-июле, т. е. в период сокращения стока в летнюю межень, и может достигать 2 ПДК. Такое природное высокое содержание КН4 также является следствием формирующего воздействия болот на химический состав речных вод. Концентрации нитратов и нитритов при этом никогда не превышают ПДК.

Средняя концентрация Беобщ близка к предельно допустимым значениям для водоемов санитарно-быто-

Т аблица 4

Статистические характеристики концентраций биогенных элементов в р. Ключ за вегетационные периоды 1998-2005 гг., мг/дм3

Компонент n Мини- мальная Макси- мальная Средние концентрации О4 и

ср. арифм. ср. взвеш. медиана

nh4 Зб G.G63 G.743 G.33S G.2SG G.296 5G.9

NO3- 3S G.G11 2.G5 G.673 G.65G G.5G4 77.6

NO2- 11 G G.G22 G.GG9 G.GG9 G.GG9 SS.9

Fe общ зз G.GS5 G.94G G.41G G.394 G.375 6G.G

Примечание: n - количество анализов, Cv - коэффициент вариации.

вого назначения (0.5 мг/дм3), хотя в отдельные годы может достигать 1.5-2 ПДК в июле-августе. Четкие связи с водностью года не прослеживаются.

Выводы. Низкая скорость водообмена, процессы гумификации и торфообразования обусловливают слабый вынос органического вещества с болотными водами. Тем не менее в реке-водоприемнике во все годы наблюдений преобладает органическая компонента, о чем свидетельствуют высокие значения бих-роматной окисляемости, гуминовых и фульвокислот в водах реки.

Модуль ионного стока сильно варьирует в зависимости от водности года, а внутри вегетационного периода - от гидрологической фазы стока. Для средних по водности лет он составляет 1.38 г/(с-км2).

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ (№ 09-05-00395-а, № 09-05-00235-а), Федерального агентства по науке и инновациям (Госконтракт № 02.740.11.0325).

Список литературы

1. Инишева Л. И., Езупенок Е. Э. Болотные воды и их влияние на формирование химического состава рек // Мат-лы регион. совещания по созданию регистра выбросов и переноса загрязнителей. Барнаул: Учетиздат, 2004. С.187—197.

2. Шварцев С. Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. М.: Недра, 1998. 366 с.

3. Савичев О. Г. Условия формирования ионного стока в бассейне Средней Оби // Изв. Томского политехн. ун-та. 2005. Т. 308. № 2.

С. 54-58.

4. Русинов И. Ф. Мелиорация земель Западной Сибири. М.: Колос, 1975. 156 с.

5. Васюганское болото (природные условия, структура и функционирование) / под ред. чл.-корр. РАСХН Л. И. Инишевой: 2-е изд. Томск: ЦНТИ, 2003. 212 с.

6. Алекин О. А. и др. Руководство по химическому анализу вод суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 225 с.

7. Обобщенный перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вред-

ных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов / Минрыбхоз СССР М., 1990. 265 с.

Дубровская Л. И., кандидат физико-математических наук, доцент.

Томский государственный университет.

Ул. Ленина, Зб, г. Томск, Томская область, Россия, 634G5G.

E-mail: dubrli@mail.ru

Брежнева Е. С., мл. научный сотрудник.

Томский государственный университет

Ул. Ленина, Зб, г. Томск, Томская область, Россия, 634G5G.

E-mail hydro@ggf.tsu.ru

Материал поступил в редакцию 10. 02.2010

L. I. Dubrovskaya, E. S. Brezhneva

COMPOSITION AND TIMES DYNAMIC OF HYDROHIMICHAL FLOW WITH RIVER-WATER FROM OLIGOTROPHIC

ASSOCIATE LANDSCAPE

The aim of this study is to investigate composition and dynamics of hydrohimichal flow with river-water from oligotrophic deposits in North-eastern part of Vasyugan Mire. Module of the ion sewer has formed 1.38 g/(s-km2).

Key words: concentration, macrocomponents, organic substances, a mineralization, the module of an ionic sewer, the background content, time dynamic, Vasyugan mire.

Dubrovskaya L. I.

Tomsk State University.

Ul. Lenina, 36, Tomsk, Tomskaya oblast, Russia, 634050.

E-mail: dubrli@sibmail.com

Brezhneva E. S.

Tomsk State University.

Ul. Lenina, 36, Tomsk, Tomskaya oblast, Russia, 634050.

E-mail: hydro@ggf.tsu.ru