CC BY
151
: ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ———
УДК 556
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ В РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ1
© 2010 г. С. В. Долгов, С. И. Шапоренко*, Н. И. Сенцова**
* Учреждение Российской академии наук Институт географии РАН
Россия, 119017Москва, Старомонетный переулок, д. 29. E-mail: hydro-igras@yandex.ru Учреждение Российской академии наук Институт водных проблем РАН
Россия, 119333 Москва, ул. Губкина, д. 3. E-mail: sentsova@yandex.ru
Реферат. Оценена динамика современных антропогенных воздействий на водные ресурсы и выявлены особенности их реакции на произошедшие изменения. Установлено, что качество воды по ряду гидрохимических показателей улучшилось, но остается в целом неудовлетворительным, особенно по гидробиологическим показателям. Весьма высоким остается уровень биогенного загрязнения многих малых рек и грунтовых вод. Показано, что ежегодно возобновляемым источником биогенов и других химических веществ, поступающих в подземные и поверхностные воды, является растительность. Ключевые слова: водные ресурсы, современное состояние, антропогенные воздействия, реки, грунтовые воды, растительность.
Современный (с начала 1990-х гг.) период характеризуется специфическими особенностями формирования водных ресурсов. Они обусловлены, с одной стороны, противоречивым антропогенным воздействием в условиях значительного падения промышленного и сельскохозяйственного производства, а с другой - ослаблением водоохранной деятельности, появлением новых форм ведения хозяйства. Свои коррективы вносят также и природные факторы. Интегральный гидрологический и экологический результат этих трансформаций изучен пока еще слабо.
Основная задача выполненного нами исследования заключалась в оценке реакции водных ресурсов в бассейне Нижнего Дона (в пределах Ростовской обл.) на произошедшие в 1990-е и 2000-е гг. изменения в структуре и интенсивности антропогенной нагрузки на системы «водосбор - река». Предпринята также попытка оценить влияние элементов вертикальной гидрологической структуры речных бассейнов на состояние водных ресурсов.
Водные ресурсы Ростовской области
Местные ресурсы речного стока, по существу ресурсы малых и средних рек, оцениваются в 3.36 км3/год или в 33 мм слоя стока (Водные ресурсы..., 1967). За счет притока с соседних территорий (в основном за счет рек Дон и Северский Донец) фактически общие ресурсы стока Ростовской области намного больше местных ресурсов. Величина притока оценивается в 26.6 км3 (на бассейн Дона приходится 26.4 км3). С его учетом общая водосборная площадь области составляет 436.4 тыс. км2, ресурсы стока - 30 км3 (почти в 10 раз больше местных ресурсов), в том числе в годы 75% и 95% обеспеченности соответственно 21.2 и 13.5 км3/год (Коронкевич и др., 1999).
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 09-05-00665) и программы фундаментальных
исследований Отделения наук о Земле РАН (№ 10).
Слой стока более чем в 7 раз уступает среднему российскому показателю, а в расчете на одного жителя (2.4 тыс. м3/чел.) - более чем в 10 раз. При этом водные ресурсы весьма неравномерно распределяются по территории и во времени. В северо-западных районах слой стока достигает 70 мм, а в юго-восточных - немногим превышает 10 мм. Причем 70%, а на юго-востоке области - до 90% годового стока, приходится на период кратковременного весеннего половодья.
По межгодовой динамике общие и местные ресурсы разнятся. Так, в среднем за 1990-е гг. местный сток был на 16% выше нормы, в то время как общие ресурсы были около нормы. За период 2000-2007 гг. ресурсы местного стока были на 20% ниже нормы, а общие оставались близкими к среднемноголетней величине. В годы с низким местным стоком складывается наиболее экологически неблагоприятная ситуация для малых рек. За период 1990-2007 гг. маловодными были 1990 г. (41% ниже нормы), 1992 г. (23%), 1993 г. (32%), 2002 г. (38%), 2006 г. (35%), 2007 г. (менее 20%). Но в то же время в 1995-2000 гг. местный сток значительно увеличивался - более чем на 30% от нормы.
Особенности современных антропогенных воздействий
Нагрузка на речные экосистемы со стороны водного хозяйства (Гос. доклад..., 1997, 1998, 2000), имеющая «точечный» характер и сконцентрированная в основном в населенных пунктах, в 1990-е гг. существенно снизилась (рис. 1-а). Так, в 1999 г. по отношению к 1992 г. водозабор сократился на 20%, а сброс сточных вод - на 34%. В то же время суммарный сброс вод без очистки и недостаточно очищенных сточных вод оставался практически без изменений.
В 1990-е гг. негативное влияние сосредоточенных источников загрязнения снизилось по большинству наименований загрязняющих веществ. Так, в 1999 г. (по отношению к 1992 г.) со сточными водами нефтепродуктов в реки поступило меньше на 93%, железа - 52%, меди - 66%, органических веществ (по БПК) - 46%. Увеличилось поступление лишь некоторых ингредиентов, например, сульфатов - на 10%, хлоридов - 27% . В 1990-е годы не только сократилось количество содержащихся в сточных водах загрязняющих веществ, но уменьшилась и их суммарная концентрация, т.е. сточные воды стали более "чистыми" (Россия и ее регионы., 2001).
На фоне сокращения поступления загрязняющих веществ в водные объекты вследствие резкого спада промышленного и сельскохозяйственного производства увеличилась доля дорожно-транспортной нагрузки в их суммарном загрязнении. Парк всех автомобилей в области к 1999 г. увеличился на 45%, только легковых - на 51% (Ростов. обл., 2000). Быстро развивалась также дорожная инфраструктура. Но гораздо меньшими темпами увеличивалась дорожная сеть, что привело к резкому увеличению интенсивности ее эксплуатации, придорожному накоплению загрязняющих веществ и миграции их в речные русла.
В условиях Ростовской области ведущим региональным фактором, определяющим формирование качества водных ресурсов, является сельскохозяйственное производство. Социально-экономический кризис привел к снижению в целом сельскохозяйственной нагрузки на водные экосистемы (Ростовская область., 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2007). Так, с 1989 г. по 1999 г. поголовье скота (КРС, свиней, овец и коз) в хозяйствах всех категорий уменьшилось более чем на 76%, не восстановилось оно и в 2000-е гг. (рис. 1-б). Резко сократилось и количество внесенных минеральных и органических удобрений, составив от уровня 1989 г. соответственно лишь 5.6% и 11.1%. В 1999 г. физическая площадь, удобренная сельскохозяйственными предприятиями, составила всего лишь 5.1% от
площади Ростовской области. Столь резкое снижение применения удобрений (рис. 1-в) с одной стороны способствует улучшению гидроэкологической ситуации, а с другой -предопределяет истощение и деградацию почв.
Рис.1. Индикаторы антропогенного воздействия в Ростовской области. A - Динамика использования водных ресурсов. Б - Животноводство (крупный рогатый скот, свиньи, мелкий рогатый скот). В -Применение минеральных удобрений. Г - Динамика посевных площадей. Д - Продуктивность озимой пшеницы. Fig. 1. Indicators of the anthropogenous loading in the Rostov region. A - Dynamics of the water resources use. Б - Livestock (cattle, pigs, sheep and goats). В - Application of the mineral fertilizers. Г -Dynamics of an area under crops. Д - Productivity of a winter wheat.
Вся посевная площадь за 1991-1999 гг. уменьшилась на 25.3% (рис. 1-г), а валовой сбор зерна - на 58%, т.е. снизилась и удельная нагрузка на единицу посевной площади. В 1990-е гг. изменилась структура землепользования - снизилась доля кукурузы и увеличилась доля
многолетних трав, но значительно выросла доля подсолнечника. В структуре посевной площади все более заметную роль играют фермерские хозяйства и хозяйства населения.
В 1990-е гг. произошло перераспределение интенсивности сельскохозяйственной нагрузки на геосистемы речных водосборов. На фоне снижения активности сельскохозяйственной деятельности на плакорах наблюдалось ее усиление в речных долинах и прилегающих территориях. Увеличение здесь нагрузки обусловлено ростом производства в хозяйствах населения (личных подсобных хозяйствах - ЛПХ). Большинство их сосредоточено вблизи рек. Они представляют собой источник повышенной, прежде всего биогенной, нагрузки на водные ресурсы. Возросшая роль хозяйств населения привела к территориальному перераспределению и животноводческой нагрузки, ее концентрации не на крупных животноводческих комплексах и фермах, а по многочисленным сельским населенным пунктам (всего 2300), тяготеющих к речной сети.
Значительную «точечную» антропогенную нагрузку испытывают участки рек на селитебных территориях. Из сопоставления химического состава воды в створах Севкавгидромета, расположенных на реках выше и ниже населенных пунктов, следует, что по крупным рекам - Дон и Северский Донец - качество водных ресурсов ухудшается на 16% (в среднем по 9 показателям за 2006 г.). Еще более оно снижается по получившему широкое распространение в последние годы загрязнению нефтепродуктами - от 3 до 29%. Наиболее интенсивному загрязнению подвержены низовья Дона на 55-километровом участке от ст. Багаевской до г. Ростова-на-Дону (в среднем на 48%, по нефтепродуктам - на 55%). Здесь сконцентрированы все существующие виды антропогенной нагрузки, включая промышленную, сельскохозяйственную и дорожно-транспортную. В результате в городскую черту поступает донская вода уже значительно загрязненная, и негативное влияние самого города с населением более 1 млн. чел. оказывается даже менее заметным. В 2006 г. оно обнаруживалось лишь по 4 показателям, в том числе по увеличению содержания аммонийного азота (на 29%), нитритов (57%), железа (80%) и меди (2.4%).
Более высокую удельную антропогенную нагрузку испытывают средние и малые реки вследствие их меньшей водности. Населенными пунктами, расположенными по берегам этих рек, качество водных ресурсов снижается в среднем на 6-18%, а по загрязнению нефтепродуктами ухудшение составило от 6 (р. Глубокая) до 24% (рр. Кундрючья, Миус).
В 2000-е гг. резкий спад сельскохозяйственного производства 1990-х гг. сменился его постепенным ростом. Увеличилась посевная площадь (рис. 1-г), больше стали вносить минеральных удобрений (рис. 1-в). Благоприятные погодные условия способствовали увеличению урожайности озимой пшеницы - с 24 до 28 ц/га (рис. 1-д) и повышенному выносу биогенных элементов из почвы. Сохранились и получили развитие негативные тенденции в изменении структуры сельскохозяйственной нагрузки, возникшие в 1990-е гг., прежде всего, экологически необоснованный резкий рост посевов подсолнечника, а также чрезмерно высокая концентрация сельскохозяйственного производства в населенных пунктах, вблизи речной сети. Суммарная сельскохозяйственная нагрузка, хотя в целом за 2000-е гг. и увеличилась (по сравнению с 1990-ми гг.), главным образом со стороны растениеводства, но пока еще не достигла своего максимума, отмечавшегося в конце 1980-х гг.
В итоге для 2000-х гг. также характерно несовпадение тенденций отдельных видов антропогенных воздействий на речные водосборы - с одной стороны, увеличились региональная площадная (сельскохозяйственная) и линейная (дорожно-транспортная) нагрузки, но уменьшилась локальная нагрузка сточными водами, сократился водозабор. Интенсивность и территориальная структура антропогенных воздействий на многие водосборы малых рек остаются вне экологически допустимых пределов.
Динамика качественного состояния водных ресурсов
Для оценки реакции экосистем больших и средних рек на произошедшие в 1990-е гг. изменения в интенсивности и характере антропогенного пресса выполнен анализ гидрохимических данных Севкав гидромета по 38 наблюдательным пунктам за 1991, 1999, 2006 гг. В качестве приоритетных показателей были отобраны Б042", БПК5, Реобщ., ХПК, К02" , фенолы, нефтепродукты, Си2+, минерализация. По ним по состоянию на 1991 г. зафиксировано максимальное число случаев превышения предельно допустимой концентрации (ПДК). При оценке интенсивности загрязнения для данного года по каждому из девяти частных показателей и каждому створу определялась величина среднегодового превышения ПДК (пробы без превышения ПДК исключались из расчетов) и умножалась на весовой коэффициент - число случаев превышения за год в долях от единицы (рис. 2).
Качество речных вод Ростовской области в целом к 1999 г. практически стабилизировалось и соответствовало изменившейся антропогенной нагрузке. В 1999 г. по сравнению с 1991 г. пробы с превышением ПДК стали встречаться реже на 9%. Интенсивность загрязнения речных вод в 1999 г. по области в среднем уменьшилась на 22.1% (рис. 2).
В 1999 г. (относительно 1991 г.) наблюдалось уменьшение загрязнения фенолами (по числу случаев превышения ПДК - на 59.1%; по интенсивности превышения ПДК - на 93.3%), нитритами (соответственно - 17.8 и 48.5%), железом (43.2 и 67.7%). В меньшей мере снизилось содержание легкоокисляемых органических веществ - БПК5 (1.9 и 11.8%) и сульфатов (6 и 32.4%), несколько уменьшилась минерализация (10.8 и 0.5%). Но в то же время значительно увеличилось содержание нефтепродуктов (17.6 и 72.7%), меди (38 и 50%), практически не улучшился показатель ХПК (2.6 и 0%).
Оценка динамики состояния вод по другому показателю - индексу загрязненности вод (ИЗВ) (Методические рекомендации..., 1988) дала близкие результаты. По области в целом по отношению к 1991 г. ИЗВ уменьшился в 1999 г. на 13.1%. Но класс качества воды при этом не изменился, и реки в своем большинстве по-прежнему оставались умеренно загрязненными. Заметим, что выполненная оценка относится в первую очередь все же к большим и средним рекам. В большинстве случаев стационарные посты находятся в городах и крупных населенных пунктах или вблизи от них. В динамике качества водной среды на таких участках рек отразился в первую очередь спад промышленного производства, приведший к уменьшению не только объема сбрасываемых в реки сточных вод, но и количества загрязняющих веществ.
При расчете тенденций ИЗВ с целью исключения возможного влияния колебаний водности и случайных факторов усреднялись данные за три года с наиболее интенсивной антропогенной нагрузкой - 1986-1988, и за три последних года с наиболее низким ее уровнем - 1997-1999. Оказалось, что качество речных вод за 1986-1999 гг. улучшилось на большей части территории Ростовской области. Наиболее существенно - на 45-75%, уменьшился ИЗВ на участке р. Дон от г. Константиновска до устья р. Северский Донец, а также р. Калитвы. На фоне преобладающего по территории области оздоровления гидроэкологической ситуации по-прежнему оставался высокий уровень загрязненности только р. Ср.Егорлык у г. Сальска. Но в данном случае он обусловлен не столько уровнем современной антропогенной нагрузки, сколько сохраняющимися последствиями более интенсивной нагрузки за годы, предшествующие анализируемому периоду. Существенно ухудшилось качество воды лишь в р. Цимле на границе с Волгоградской областью.
пдк
б ■ 5 -
4 -3
7
1 "
о -
о
ий
с
w
ПДК
б -
5 -
4
3 -2 -1 О
□ I
г-1
о
1991
—
з
s
1999
пдк
6 1
M
си
с
м
И
О 2;
5 о
-Sr-
к
5Г S
2006
Рис.2. Интенсивность превышения ПДК. Fig. 2. Intensity of excess of the maximum permissible concentration (MPC)
При анализе многолетних колебаний ИЗВ было установлено, что по области в целом тенденция к улучшению качества стала проявляться начиная с 1988 г., а по отдельным рекам - с 1986-1987 гг. Например, "переломной" точкой для р. Дон у ст. Раздорской можно считать 1986 г. Качество речных вод, отвечающее новому уровню общей антропогенной нагрузки, сформировалось в 1993-1995 гг. То есть, это произошло практически одновременно с
окончанием резкого снижения внесения минеральных удобрений и количества содержащихся в сточных водах загрязняющих веществ.
Если за 1990-е гг. качество воды в больших и средних реках в целом по Ростовской области заметно улучшилось (по разным показателям в среднем на 20-35%), то в 2000-е гг. наметилась тенденция к ухудшению гидроэкологической ситуации. Чаще (в среднем на 12.7% за 2000-2006 гг.) стали наблюдаться случаи превышения ПДК. Увеличилась интенсивность загрязнения речных вод (на 9.8%), в том числе биогенами.
Несмотря на некоторое оздоровление гидроэкологической ситуации, уровень общей антропогенной нагрузки на речные экосистемы продолжает оставаться все же выше экологически приемлемой его величины. В первую очередь это относится к биогенной нагрузке, особенно на малые реки. В ходе экспедиционного обследования на отдельных их участках в летнюю межень наблюдался дефицит растворенного кислорода и развитие в водной среде токсичной по отношению к гидробионтам обстановки. Для многих малых рек характерен процесс антропогенного эвтрофирования с весьма высоким содержанием в речной воде азота и фосфора (табл. 1). Нередко к этому приводит разгрузка в реки пойменных грунтовых вод, обычно обогащенных биогенами. Помимо антропогенного фактора увеличению биогенной нагрузки именно в поймах (по сравнению с плакорами) способствует и обычная для них высокая годичная продукция фитомассы, способная поставлять в водные экосистемы немало азота и фосфора. Уровень же антропогенной нагрузки на поймы в 1990-е гг., как уже отмечалось, благодаря возросшей активности хозяйств населения не только не уменьшился, но заметно усилился. Другая немаловажная причина может заключаться в высокой степени инерционности эвтрофированных речных экосистем Ростовской области - медленной их реакции на изменения в антропогенной нагрузке.
О наблюдаемом и в последние годы низком качестве воды в малых реках свидетельствуют и другие показатели. В частности, вследствие усилившейся дорожно-транспортной нагрузки в речной воде нередко обнаруживается превышение ПДК нефтепродуктами (табл. 1).
В условиях разнообразной и интенсивной антропогенной нагрузки количество вредных примесей в природных водах и продуктов их распада, в том числе - токсичных, может достигать миллиона наименований (Крайнюкова, 1988). Подавляющее их большинство находится в диапазоне столь малой концентрации, что даже не обеспечено надежными методами анализа. В связи с этим определенные перспективы имеют интегральные гидробиологические методы оценки состояния вод, позволяющие учесть совокупное влияние различных веществ. Гидробиологическая оценка была выполнена путем экспедиционного обследования «ключевых» речных участков и анализа отобранных проб в Гидрохимическом институте (к.б.н. Л.С. Косменко) и в ИБХФ РАН (к.б.н. Н.Б. Козлова).
Результаты гидробиологических исследований (Закруткин и др., 2004) показали, что, несмотря на существенный спад производства, состояние водных биоценозов в 1990-е гг. продолжало оставаться далеким от экологического благополучия. С помощью биотестирования речных вод по приросту клеток инфузорий Tetrahymena pyriformis, выживаемости рачков Daphnia magna и по изменению репродуктивности дафний Ceriodaphnia dubia был зафиксирован даже токсический эффект антропогенного воздействия (табл. 2). Острой токсичности (определяемой по выживаемости цериодафний в пробе воды в течение 24 часов) не наблюдалось.
Таблица 1. Результаты гидрохимического обследования малых рек (25-29 июля 2000 г., химические анализы выполнены на кафедре аналитической химии МГУ). Table 1. Results of hydrochemical study of the small rivers (25-29 July, 2000, chemical analyses are executed on analytical chemistry department of the Moscow State University).
№ п/п O2, Nобщ., Робщ., nh4+, БПК5, ХПК, Нефте-
Место отбора проб воды мг мг мг продук-
мг/л мг/л мг/л N/л О2/л О2/л ты, мг/л
ПДК 6 0.4 2 15 0.05
1 р.Эльбузд - п. Эльбузд 2.6 15.2 0.4 0.49 15.8 190 0.018
2 р. Мечетка - д. Двуречье 4.8 7.5 0.5 0.24 9.4 90 0.078
3 р. Кагальник - 150 м выше устья р. Мечетки 6.7 6.3 0.4 0.21 9.2 80 0.070
4 р. Кагальник - с. Кагальничек >13 7.5 0.3 0.22 7.3 55 0.020
5 р. Ср.Егорлык - 1 км выше г. Сальска >13 17.0 0.1 0.50 21.5 269 0.047
6 р. Ср.Егорлык - 8 км ниже г. Сальска 9 16.4 0.3 0.53 23.3 280 0.226
7 р. Кундрючья - а/д Ростов -Москва 8 2.1 0.3 0.06 8.1 65 0.023
8 р. Гнилуша - г. Красный Сулин 7.9 2.8 0.1 0.08 8.8 65 0.030
9 р. Кундрючья - п. Соколово -Кундрюченский 8.1 15.0 0.4 <0.0 1 4.4 35 0.010
10 р. Глубокая - с. Дячкино 1.2 7.2 0.6 10.8 105 0.090
11 р. Россошь - п. Тарасовский - 3.2 1.2 0.19 8.3 90 0.070
12 р. Б. Калитвинец - д. 2.7 45.6 1.9 0.10 11.7 122 0.097
Мартыновка 3.5 9.6 0.8 1.52 8.5 75 0.058
13 р. Большая - с. Большинка 7.5 4.8 1.6 0.30 6.9 65 0.032
14 р. Ольховая - д. Новопавловка - 8.6 1.6 0.15 9.6 90 0.075
15 р. Чир - а/д Миллерово -Вешенская 0.26
Однако, в четырех из семи обследованных реках вода оказалась с отчетливо выраженной хронической токсичностью (реки Глубокая, Калитва, Большая, Дубровая). Она устанавливалась по изменению репродуктивности по сравнению с контрольной водой на протяжении 3-х поколений дафний.
Для многих малых рек Ростовской области характерны низкий уровень развития и небольшое видовое разнообразие фитопланктона, доминирование группы диатомовых и протококковых водорослей (более устойчивых к токсичности). На Нижнем Дону вторая половина лета - наиболее благоприятный период для усиления антропогенного эвтрофирования. Однако во время экспедиционных исследований численность фитопланктона не превышала 1.3 тыс. клеток/мл, чаще - 0.28-0.53 тыс. клеток/мл, а видовое разнообразие - 8-19, чаще 13-19 видов. То есть, экосистемы находились в состоянии экологического регресса или в состоянии близком от него (Абакумов, 1991). Из анализа другого информативного показателя - численности бактериопланктона, изменявшейся преимущественно в интервале от 1.4 до 3.2 млн клеток/мл, следует, что преобладающим было состояние с элементами экологического регресса. Кроме того, на отдельных участках рек (например, р. Кагальник - 150 м выше устья р. Мечетки, р. Кундрючья у автодороги
Москва - Ростов) зообентос был угнетен и представлен в основном олигохетами -типичными обитателями загрязненных участков дна. Наблюдаемая в настоящее время антропогенная нагрузка на экосистемы малых рек может привести к дальнейшей их деградации.
Таблица 2. Результаты биотестирования речной воды (10-12 сентября 1999 г.). Table 2. Results of the river water biotesting (on September, 10-12th, 1999).
№ Место отбора пробы воды Тест - объект Tetrahymena pyriformis Тест - объект Ceriodaphnia dubia
Коэф. при роста Крит. достовер н.-td % прирос * та Сред. число молоди Крит. достоверн. td % прирос та % прирос ** та
1 р.Дубровая - х.Гороховский 3.08 7.23 64 15.4 3.58 296 78
2 р. Глубокая - п. Глубокий 3.02 5.44 63 2.8 1.50 54 77
3 р.Чир - п.Лиховидовский 4.35 2.00 90 3.3 1.00 63 104
4 р.Калитва - с.Колушкино 2.47 7.10 51 8.9 1.51 171 63
5 р. Большая - с.Большинка 2.61 13.96 65 15.0 3.32 290 66
6 Контроль - р.Усмань 4.2 1.89 87 7.2 0.76 139 100
7 Контроль - вода из аквариума 4.82 100 5.2 100
Примечание: * - Жирным шрифтом отмечены пробы со статистически достоверной токсичностью. ** -Курсивом отмечены результаты тестирования при использовании в качестве контроля воды из р. Усмань (Воронежский заповедник). Note: - The bold type marks tests with statistically authentic toxicity. - Italics marks results of testing at use as the control of water from Usman river (the Voronezh forest reserve).
Таким образом, тенденция к улучшению качества поверхностных вод стала проявляться с 1986-1988 гг. Состояние воды в средних и больших реках, отвечающее новому уровню общей антропогенной нагрузки, сформировалось в 1993-1995 гг. Это произошло практически одновременно с окончанием резкого снижения внесения минеральных удобрений и количества содержащихся в сточных водах загрязняющих веществ. За 1990-е гг. качество воды в больших и средних реках в целом по Ростовской области улучшилось (по разным показателям в среднем на 20-35%), хотя и неадекватно темпам спада антропогенной нагрузки. В 2000-е гг. наметилась тенденция к ухудшению гидроэкологической ситуации, увеличилась интенсивность загрязнения речных вод, остается стабильно высоким уровень биогенного загрязнения и степень эвтрофирования особенно малых рек.
Для выявления причин неадекватной реакции водных ресурсов на значительное снижение антропогенной нагрузки, в том числе продолжающейся эвтрофикации малых рек при современном низком уровне использования удобрений, особый интерес представляет изучение закономерностей вещественного обмена в системах «водосбор - река». Более полные знания, как нам представляется, могут быть получены исходя из представлений о вертикальной гидрологической структуре речного бассейна (Долгов, Коронкевич, 2010). К основным стокообразующим его слоям относятся растительность, пахотный слой почв, зона аэрации и зона насыщения. На пути от водораздела до русла воднобалансовая и гидрохимическая специфика функционирования отдельных элементов вертикального разреза существенно и закономерно изменяется.
Закономерности гидрохимического функционирования элементов высотно-пространственной структуры водосборов
К сожалению, на гидрологических стационарах не проводятся комплексные синхронные наблюдения за элементами водного и водносолевого баланса, которые охватывали бы все элементы вертикальной стратификации речных бассейнов. Поэтому методическая особенность исследований заключалась в попытке компенсировать отсутствие наблюдательной сети за миграцией биогенов с водосборов химическим анализом водных вытяжек из образцов травянистых дикорастущих и сельскохозяйственных растений, степной подстилки, почв и грунтов зоны аэрации, а также проб поверхностных и подземных вод. Экспедиционные гидрохимические исследования были выполнены в июле и октябре 2001 г. на репрезентативных водосборах малых рек Кумшак и Россошь (правобережье Цимлянского водохранилища). Наиболее детальные исследования проводились на фоновом поперечном профиле через водосбор балки Тимохинской (в 4 км к северо-востоку от ст. Терновской). Эти исследования были дополнены обследованием (2001-2004 гг.) 10 «ключевых» участков рек Сал, Глубокая, Калитва, Чир, Кагальник, Кундрючья и др., и их водосборов.
Миграционные возможности биогенов оценивались нами по водным вытяжкам из образцов растений, почв и грунтов зоны аэрации при соотношении их с дистиллированной водой 1:100 и при 30-минутном взбалтывании. Результаты химических анализов водных вытяжек из образцов растений и почвогрунтов, отобранных в июле 2001 г. на водосборе балки Тимохинской, в расчете на 10 г сухого вещества и 20 мм слоя дождевых осадков (соответствующего слою среднего многолетнего поверхностного склонового стока, осредненного по Ростовской области) приведены в работе В.Е. Закруткина и др. (2004).
Из описаний растительности (составленных с.н.с. ИГ РАН Е.А. Денисенко) балки Тимохинской следует, что увлажняющее влияние водохранилища вносит свои коррективы в сукцессионный ряд - дает возможность произрастания на побережье разнотравно-ковыльных степей, в фитоценозах становится более заметным участие растений-мезофитов, в то время как зональным условиям здесь соответствуют сухие злаковые степи. Во-вторых, обращает на себя внимание максимум фитомассы (урожая на корню) в днище обследованной балки, где ее больше на 22% по сравнению с плакором, и на 65% больше по сравнению со склоном. Но высокая величина фитомассы, тем более продуцируемой на действующей площади малого водосбора вблизи его тальвега, и есть весьма существенный, ежегодно возобновляемый, источник поступления биогенов в водохранилище. Причем, создаются хорошие условия для их миграции, как с поверхностным склоновым стоком, так и с подземным.
Результаты исследований показали, что особенности высотно-пространственной структуры речных бассейнов начинают сказываться на качестве водных ресурсов уже в начальной стадии их формирования. Наименьшее содержание биогенов наблюдается в дождевых водах и снеге. В формировании вещественного состава поверхностного склонового стока важную роль играют биотические факторы. Заметные изменения в химическом составе дождевых осадков наблюдаются сразу же (в течение нескольких минут) при контакте их с травянистой растительностью и кронами деревьев. Выщелачивание химических элементов из живых тканей, растворение накопившихся на поверхности растений аэрозольных частиц и продуктов метаболизма в период вегетации может приводить к заметному подкислению дождевых осадков и увеличению их минерализации более чем в 10-15 раз. В образующихся растворах биогены содержатся в более высоких концентрациях, чем в прибрежной зоне Цимлянского водохранилища. Из минеральных форм азота наиболее интенсивно обогащение осадков аммонийным азотом и нитратами.
Особую роль в пополнении запасов биогенов в малых реках и в Цимлянском
водохранилище играет прибрежная и водная растительность (ситняг, рдест, тростник и др.). Даже без учета различий в урожае на корню она способна поставлять азота и фосфора минерального в водную среду соответственно в 5 и 2 раза больше, чем степная растительность склона и плакора.
Результаты обследования балки Тимохинской показали, что интенсивность вещественного обмена поверхности ее водосбора с грунтовыми водами на плакоре выше, чем на склоне, и далее к днищу балки она также увеличивается. На плакоре водосбора балки Тимохинской соединения азота (в отличие от соединений фосфора они обладают повышенной миграционной способностью) были обнаружены во всех горизонтах (особенно много в подстилке, горизонт Ао) разреза светло-каштановой почвы и даже на глубине 180 см - в лессовидных суглинках (горизонт С). Это свидетельствует о возможности здесь инфильтрационного питания подземных вод, несмотря на большую глубину их залегания. Фосфаты ниже пахотного слоя почвы в этом разрезе не встречались.
Вследствие разомкнутости вещественного обмена в системе "почва - растительность" немало биогенов растительного происхождения с инфильтрующейся влагой может достигать грунтовых вод. В границах речных бассейнов в направлении от плакоров к склонам и террасам содержание биогенов несколько уменьшается (на 9%), далее в поймах резко увеличивается (на 53%). Нередко даже за пределами сельских населенных пунктов в Ростовской области грунтовые воды обладают низким качеством. И в первую очередь это относится к активно мигрирующим нитратам, которых в грунтовых водах обычно содержится существенно больше, чем в реках (рис. 3). Во многом это обусловлено и самой распашкой, резко активизировавшей процессы аммонификации и нитрификации (Агроценозы..., 1984).
Рис. 3. Состав биогенных компонентов в природных водах бассейна р. Дон в межень 1993-2004 гг. ПДК сред. = (Скоз/ ПДК no3+Cno2/ ПДК no2+CnhV ПДК мш+СроУ ПДК po4)/4. C - концентрация. Fig. 3. The content of biogenic components in the natural waters of the Don river basin in the summer low water period in 1993-2004 years. MPC av. = (Скоз/ MPC no3+Cno2/ MPC no2+CnhV MPC nh4+CpoV MPC po4)/4. С -concentration
Примечательно, что подземные воды после попадания их в реки приобретают существенно другое качество. В реках происходит значительное снижение содержания
биогенов (в среднем на 38%). Происходит это по той причине, что, во-первых, в поймах существует окислительно-восстановительный геохимический барьер, во-вторых, травянистая и древесная растительность в поймах и на прибрежных участках, а также фитопланктон в самих реках, в процессе жизнедеятельности биогены активно потребляют. Тем самым, осуществляется биотическая регуляция химического состава речных вод.
Наиболее интенсивно выщелачиваются осадками из растений аммонийный азот и фосфаты, содержание которых в малых реках летом часто превышает ПДК. Соединения азота и фосфора наиболее активно вымываются как из пожнивных остатков, так и из зеленой массы выращиваемых культур - кукурузы, подсолнечника, озимых (5-11 мг/л минерального азота и 2-8 мг/л фосфора из 10 г сухого вещества). Пшеница (2.7 мг/л азота и 1.8 мг/л фосфора) характеризуется меньшей гидрохимической активностью.
Однако современный высокий уровень биогенной нагрузки на водные экосистемы не обусловлен именно выращиванием сельскохозяйственных культур. Значительное поступление азота в грунтовые воды и накопление в них возможны и в естественных условиях, а не только на сельскохозяйственных угодьях. Повсеместно выращиваемые растения - пшеница и ячмень, мало отличаются в гидрохимическом отношении от степных травянистых растений - эдификаторов. Более важным представляется способность водоносных горизонтов накапливать биогены за длительный многолетний период, а также повышенная гидрохимическая активность травянистой растительности в поймах. Своему высокому содержанию в поймах биогены обязаны не только большой величине фитомассы произрастающей в них растительности, но и испарению неглубоких аллювиальных грунтовых вод. Ежегодно значительная часть биогенов пойменного происхождения поверхностным или подземным путем достаточно быстро попадает в речные русла.
Влияние лишенной растительности поверхности черноземной и каштановой почвы на химический состав образующихся на ней водных растворов (особенно на сельскохозяйственных полях) не столь значительно по сравнению с растительностью. Нередко в таких растворах содержится меньше солей и биогенов, чем в растворах, образующихся при вымывании атмосферными осадками из растений. В условиях низкого уровня использования удобрений минеральным азотом обогащаются талые и дождевые воды, прежде всего, на нераспаханных (используемых только для выпаса) плакорных и склоновых участках, и особенно в поймах. Потери азота из поверхностного слоя каштановых почв на целинных участках и залежи на 19% даже больше, чем из почв под сельскохозяйственными культурами. Для черноземов эта разница еще более возрастает, достигая 21%. Вследствие более низкой миграционной активности фосфора разница в потерях из почв нераспаханных и занятых выращиваемыми культурами выражена слабо.
Заключение
Состояние водных ресурсов рек тесным образом связано с природными и антропогенными процессами на их водосборах. Интегральный их результат зависит и от особенностей гидрохимического функционирования элементов высотно-пространственной структуры речных бассейнов - растительности, поверхностного слоя почв, зоны аэрации и зоны насыщения.
В 1990-е гг. на фоне общего снижения антропогенной нагрузки значительно усилилось негативное влияние на состояние рек индивидуальных хозяйств населения и дорожно-транспортной нагрузки, стала менее «экологичной» структура посевных площадей. Для 2000-х гг. характерно несовпадение тенденций отдельных видов антропогенных воздействий - с одной стороны, увеличились региональная площадная (сельскохозяйственная) и линейная
(дорожно-транспортная) нагрузки, но уменьшилась локальная нагрузка сточными водами, сократился водозабор.
Разнонаправленное изменение и территориальное перераспределение различных видов антропогенной нагрузки привело к тому, что состояние многих рек, хотя и улучшилось по большинству показателей химического состава, но остается в целом неудовлетворительным, особенно по гидробиологическим показателям. Экосистемы многих малых рек продолжают деградировать. Биогенное загрязнение и эвтрофикация носят региональный характер.
Установлена способность грунтовых вод накапливать биогены, в том числе растительного происхождения, в количествах, значительно превышающих ПДК. Во многих случаях, даже за пределами сельских населенных пунктов, грунтовые воды характеризуются низким качеством.
Оценено влияние на состояние рек различных элементов высотно-пространственной структуры речных бассейнов, в том числе - сельскохозяйственных и дикорастущих растений, черноземных и каштановых почв. Показана возможность поступления биогенов, инициирующих эвтрофикацию, в речные русла с подземным и поверхностным склоновым стоком, при вымывании их осадками из растительности и почвогрунтов зоны аэрации.
Для выявления генезиса негативных гидроэкологических ситуаций, нормирования антропогенных воздействий и прогноза состояния речных вод особенно перспективным представляется координация усилий гидрологов, почвоведов, гидрогеологов, биогеографов и агрометеорологов в области обобщения и получения новых данных о влагообмене и вещественном обмене между элементами высотно-пространственной структуры речных бассейнов на воднобалансовых, почвенных, гидрогеологических и агрометеорологических стационарах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Абакумов В.А. 1991. Экологические модификации и критерии экологического нормирования.
Труды Международного симпозиума. Л.: Гидрометеоиздат. 334 с. Агроценозы степной зоны. 1984. Под ред. В.Б. Ильина. Новосибирск: Наука. 246 с. Водные ресурсы и водный баланс территории Советского Союза. 1967. Л.: Гидрометеоиздат. 200 с.
Государственный доклад "О состоянии окружающей природной среды Ростовской области в
1996 году". 1997. Ростов-на-Дону. 243 с.
Государственный доклад "О состоянии окружающей природной среды Ростовской области в
1997 году". 1998. Ростов-на-Дону. 287 с.
Государственный доклад "О состоянии окружающей природной среды Ростовской области в
1999 году". 2000. Ростов-на-Дону. 279 с. Долгов С.В., Коронкевич Н.И. 2010. Высотно-пространственный и пространственно-временной анализ водного баланса Европейской части России // Водн. ресурсы. Т. 37. № 2. С. 134-149.
Закруткин В.Е., Коронкевич Н.И., Шишкина Д.Ю., Долгов С.В. 2004. Закономерности антропогенного преобразования малых водосборов степной зоны Юга России (в пределах Ростовской области). Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. ун-та. 252 с. Коронкевич Н.И., Закруткин В.Е., Долгов С.В., Зайцева И.С., Подольский А.Д., Шапоренко С.И. 1999. Антропогенные изменения водного компонента окружающей среды в Ростовской области // Изв. РАН Сер. геогр. № 6. С. 50-56. Крайнюкова А.Н. 1988. Биотестирование в охране вод от загрязнения / Методы биотестирования вод. Черноголовка. С. 4-14.
Методические рекомендации по формализованной комплексной оценке качества поверхностных и морских вод по гидрохимическим показателям. 1988. М.: Госкомгидромет СССР. 73 с. Россия и ее регионы: Внешние и внутренние экологические угрозы. 2001. М.: Наука. 216 с. Ростовская область. Статистический ежегодник. 1996. 1997. Ростов-на-Дону: Облкомстат. 729 с.
Ростовская область. Статистический ежегодник. 1997. 1998. Ростов-на-Дону: Облкомстат. 743 с.
Ростовская область. Статистический ежегодник. 1998. 1999. Ростов-на-Дону: Облкомстат. 757 с.
Ростовская область. Статистический ежегодник. 1999. 2000. Ростов-на-Дону: Облкомстат. 822 с.
Ростовская область. Статистический ежегодник. 2000. 2001. Ростов-на-Дону: Облкомстат. 864 с.
Ростовская область. Статистический ежегодник. 2006. 2007. Ростов-на-Дону: Облкомстат. 961 с.
PRESENT STATE OF WATER RESOURCES IN ROSTOV REGION
© 2010. S. V. Dolgov, S. I. Shaporenko *, N. I. Sentsova **
* Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences Russia, 119017Moscow, Staromonetnyiper., 29, E-mail: hydro-igras@yandex.ru Institute of Water Problems of the Russian Academy of Sciences Russia, 119333, Moscow, 3, Gubkin Str., E-mail: sentsova@yandex.ru
Abstract. Dynamics of modern anthropogenic impact on water resources is studied and features of their reaction to the occurred changes are revealed. It is stated that the quality of water according to a number of hydrochemical indicators has been improved, but remains in general unsatisfactory, especially by hydrobiological features. A level of the pollution with biogenic chemical is very high in many small rivers and in ground waters. The vegetation is the main and annually renewed source of biogenic chemical substances to ground and surface waters. Key words: water resources, anthropogenic impact, rivers, ground waters, vegetation.
i The paper has been prepared under financial support of the Russian Foundation for Basic Researches (the project 09-05-00665) and programs for fundamental researches of Russian Academy of Sciences (№ 10).
