CC BY
3УДК 504.455
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-1376-1382
СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ВОДОХРАНИЛИЩ
КАЛМЫКИИ
MODERN GEOECOLOGICAL PROBLEMS OF RESERVOIRS IN KALMYKIA
Уланова С. С.
Ulanova S.S.
БНУ РК «Институт комплексных исследований аридных территорий», Элиста, Россия The Institute of Complex Research of Arid Areas, Elista, Russia
E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье рассмотрены результаты долговременных (2001-2023 гг.) мониторинговых исследований водохранилищ Калмыкии и их экотонных систем. Исследования включали получение количественных значений нескольких показателей: гидрологических (уровень, объем, площадь водоема), гидрохимических (минерализация, тип химизма, определение показателя химического загрязнения ПХЗ-10 на основе ПДК), экологических - показатели флоры и растительности экотонной системы «вода-суша» на побережье. Выполненная оценка гидрологических показателей водохранилищ на основе разновременной космической информации показала значительное обмеление некоторых изучаемых водоемов и уменьшение площади их водной поверхности. Гидрохимические исследования качества вод проводили на основе расчета интегрального Показателя химического загрязнения, рассчитываемого по десяти веществам, максимально превышающим ПДК для рыбохозяйственных водоемов. В исследуемых водохранилищах было выявлено многократное превышение ПДК химических веществ, таких как сера, магний, марганец, медь, бериллий, молибден, свинец, селен и фосфор. Экологическое состояние водоемов Чограй, Деед-Хулсун и Красинское, оцененное по среднему значению ПХЗ-10 во всех пробах каждого из них за три года, соответствует категории «неудовлетворительное», а водоемов Аршань-Зельмень и Цаган-Нур - как «чрезвычайно опасное». Основными геоэкологическими проблемами водохранилищ Калмыкии являются: обмеление, ухудшение качества поверхностных вод, рост минерализации воды, накопление токсических веществ, снижение биоразнообразия экотонных территорий.
Ключевые слова: водохранилища, площади, обмеление, минерализация, экотонные системы «вода-суша».
Abstract. The article discusses the results of long-term (2001-2023) monitoring studies of reservoirs in Kalmykia and their ecotone systems. The research included obtaining quantitative values of several indicators: hydrological (level, volume, area of the reservoir), hydrochemical (mineralization, type of chemistry, determination of the chemical pollution indicator PCP-10 based on maximum permissible concentration), environmental - indicators of flora and vegetation of the water-land ecotone system on the coast. The assessment of the hydrological indicators of reservoirs based on multi-temporal space information showed a significant shallowing of some of the studied reservoirs and a decrease in the area of their water surface. Hydrochemical studies of water quality were carried out based on the calculation of the integral indicator of chemical pollution, calculated for ten substances that maximally exceed the maximum permissible concentration for fishery reservoirs. In the studied reservoirs, multiple excesses of the maximum permissible concentration of chemicals such as sulfur, magnesium, manganese, copper, beryllium, molybdenum, lead, selenium and phosphorus were revealed. The ecological state of the Chogray, Deed-Khulsun and Krasinskoye reservoirs, assessed by the average PCP-10 value in all samples of each of them for three years, corresponds to the category "unsatisfactory", and the Arshan-Zelmen and Tsagan-Nur reservoirs - as «extremely dangerous». The main geo-ecological problems of reservoirs in Kalmykia are: shallowing, deterioration of surface water quality, increased water mineralization, accumulation of toxic substances, and decreased biodiversity of ecotone territories.
Key words: reservoirs, areas, shallowing, mineralization, ecotonic systems "water-land".
Введение. Геоэкологическая проблема - это изменение природной среды в результате антропогенных воздействий, ведущее к нарушению структуры и функционирования природных систем и их компонентов и приводящее к негативным социальным, экономическим и иным последствиям [1]. Выявление геоэкологических проблем есть не что иное, как выявление последствий использования тех или иных природных систем. В этой связи целью данной статьи является определение последствий использования водных объектов в аридном регионе Калмыкии на основе собственных многолетних геоэкологических исследований.
Республика Калмыкия с населением 267,756 тыс. человек является самым аридным вододефицитным регионом, расположенным на крайнем юго-востоке Европейской части России.
Собственные водные ресурсы республики составляют менее 3%, остальные 97 % водных ресурсов поступают из сопредельных территорий других регионов. Внешними водоисточниками являются - поверхностные воды рек Терек, Волга и Кума, подаваемые через каналы оросительно-обводнительной системы, и подземные воды Северо-Левокумского месторождения Ставропольского края. Среднемноголетний объем годового стока составляет 1,64 км3/год, потенциальная водообеспеченность одного жителя суммарными водными ресурсами 5,61 тыс. м3/год [2]. Из 314 водных объектов республики, 256 - это искусственно созданные водоемы (135 водохранилищ и 121 пруд), остальные - не имеющие антропогенного вмешательства -природные (15 озер и 43 малые реки). Водоемы республики, в большинстве своем, имеют небольшие размеры, мелководны, с замедленным водообменном, имеют повышенную минерализацию. Очень ограниченное количество водных объектов Калмыкии (всего 7 источников) используют для целей питьевого-хозяйственного водоснабжения населения и для орошения (90,3 тыс. га мелиорируемых земель). Практически все водные источники служат для водопоя скота.
Материалы и методы. Объекты исследований - наиболее значимые в водном хозяйстве республики водохранилища, отличающиеся по назначению, режиму и ландшафтной приуроченности: вдхр. Аршань-Зельмень - в условиях сухой степи на восточном склоне возвышенности Ергени; вдхр. Цаган-Нур и Деед-Хулсун - в условиях опустыненной степи на Прикаспийской низменности; вдхр. Чограйское - в условиях сухой степи в Кумо-Манычской впадине, Состинские водоемы - в условиях остепненной пустыни в Кумо-Манычской впадине, Красинское вдхр. - в условиях остепненной пустыни на Прикаспийской низменности (рисунок 1).
Для определения совокупности показателей, характеризующих последствия антропогенных изменений геосистем за длительный период эксплуатации водоемов, проводились мониторинговые долговременные (2001-2023 гг.) исследования компонентного состава и межкомпонентных связей непосредственно водных объектов и экотонных систем «вода-суша» на их побережьях. Мониторинг включал получение в течение года количественных значений нескольких показателей. К ним относились гидрологические показатели (уровень, объем, площадь водоема), гидрохимические (минерализация, тип химизма, определение показателя химического загрязнения ПХЗ-10 на основе ПДК, определение фосфорной нагрузки), экологические - функционирование экотонной системы «вода-суша» на побережье.
Рисунок 1. Ключевые объекты исследований.
Гидрометрические параметры водоемов определяли по материалам дистанционного зондирования Земли за период 1975-2023 гг., также использовали картографические материалы различного масштаба, фондовые материалы по гидрорежиму водоемов, литературные источники.
Методологическая основа проведения полевых работ - экотонная концепция «вода-суша» В.С. Залетаева [3], согласно которой вокруг водоемов выделяются блоки-пояса растительности, формирующиеся под различным влиянием водного объекта, в зависимости от его удаленности. Экотонные системы «вода-суша» имеют 6 основных блоков: аквальный -акватория, с глубинами более 1,5-2,5 м (лишенная макрофитов); амфибиальный - литтораль, с периодическим обсыханием в период сработки вод водоемов, флуктуационный - ежегодно заливаемый участок побережья; динамический - заливаемый не ежегодно, в годы максимального половодья; дистантный - незаливаемая территория, но испытывающая воздействие неглубоко (до 3-5 м) залегающих грунтовых вод, и маргинальный - воздействие водоема передается через микроклимат предыдущих блоков (переходный к зональному).
Исследования включали заложение топоэкологических профилей весной и осенью от уреза воды и до зональной растительности, произрастающей на коренном берегу, на ключевых участках, расположенных в разных частях водохранилища: в приплотинной части, центральной и в зоне выклинивания подпора. В пределах каждого блока экотона отбирались грунтовые воды на минерализацию, отмечалась их глубина залегания, отбирались почвенные пробы, выполнялось стандартное геоботаническое описание и отбор растительных укосов на биологическую продуктивность.
Всего с 2001 по 2023 г. было выполнено более 1200 геоботанических описаний, отобрано более 500 проб поверхностных и грунтовых вод, более 900 растительных укосов на урожайность, более 300 проб почв. Итогом исследований стала База Данных, содержащая сведения о водоемах и компонентах ландшафтов, находящихся в зоне их влияния - подземных водах, почвах, растительности.
В работе использовались традиционные методы полевых ландшафтно-экологических исследований, дешифрирование дистанционных материалов проводили инструментально-визуальным методом, создание ГИС - по общим технологиям для создания картографической базы.
Результаты и обсуждение. Исследуемые водохранилища различаются по ландшафтной приуроченности, типу питания, использованию. Основные характеристики водоемов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики изучаемых водохранилищ
Водохранилища
Характеристики Аршань-Зельмень Деед-Хулсун Цаган-Нур Чограйское
Год заполнения 1936 1975 1978-1979 1970
Бассейн реки р. Аршань-Зельмень р. Яшкуль Реликт древнего русла р. Волги р. Восточный Маныч
Тип водохранилища Балочный Балочный Русловой Долинный
Длина, км (при НПУ) 5,5 13 45 48,8
Ширина, км (при НПУ) 1,7 3-4 0,7-1,5 8,8
Средняя глубина, м 1,5 2,2 1,15 3,7
Максимальная 10,6 5 2 10,8
глубина, м
Площадь водного зеркала при НПУ, км2 8,11 22 45,41 193
Полезный объем, 26,6 18 62 670
млн. м3 (при НПУ)
Полный объем, млн м3 (при НПУ) 29,4 22,1 84 720
НПУ 33,0 -7,0 -0,68 22,4
Характеристики Водохранилища
Аршань-Зельмень Деед-Хулсун Цаган-Нур Чограйское
ФПУ 33,7 25,30
УМО 26,0 -2,10 18,0
ГТС: плотина
Ширина, м 10 7 10 8
Длина, м 340 1200 2000 9850
Питание водохранилища Атмосферные осадки, грунтовые воды, р. Аршань-Зельмень По каналам Черноземельской ООС из Чограйского вдхр., р. Яшкуль Волжской водой, сброшенной по каналу ВР-1 после орошения рисовых чеков Из рек Терек и Кума по Терско-Кумскому каналу, р. Голубь, Рагули, Чограй
Первоначальное назначение водохранилища Орошение на площади 1,2 тыс. га, рыболовство, рекреация, водопой скота Приемник сбросных вод, заказник, рыбоводство, лиманное орошение, рекреация, водопой скота Водоприемник сбросных вод с орошаемых Сарпинской ООС, орошение на площади до 67,78 тыс. га; промысловое рыболовство; региональный заказник Питьевое и хозяйственно-бытовое водоснабжениеорошение, обводнение, промысловое рыболовство, рыбоводство, организованная рекреация (2 пионерлагеря), водопой скота
Современное использование Любительское рыболовство, водопой скота Приемник сбросных вод, заказник, рыбоводство, лиманное орошение, рекреация, водопой скота Водоприемник сбросных вод; заказник Орошение и техническое водоснабжение (в меньшем объеме), водопой скота
Основной геоэкологической проблемой Калмыкии стало обмеление водоемов республики и связанное с ним увеличение их минерализации. Выполненная оценка гидрологических показателей водохранилищ (площадь, уровень, объем) на основе материалов дистанционного зондирования со времени их создания по настоящее время показала значительное обмеление некоторых изучаемых водоемов и уменьшение площади их водной поверхности (таблица 2). С течением времени в связи с ухудшением качества их вод изменилось и их современное использование (таблица 1).
Таблица 2
Изменение площади водной поверхности по материалам разновременной космической информации (ИСЗ «ЬаМ8а1;-7,8» камера ЕТМ+; ОЫ-ТТЯЗ)
' ■—-—Водоем Годы ' Аршань-Зельмень Деед-Хулсун Чограй Цаган-Нур
2001 4,31 11,97 130,4 45,41
2003 5,87 12,86 130,6 59,27
2004 6,26 13,14 130,4 60,8
2012 6,72 12,72 112,1 31,63
2017 2,57 12,11 114,72 12,57
2019 4,79 12,22 68,18 1,7
2020 1,7 11,56 65,64 1,83
2021 1,1 8,1 63,71 2,09
2022 0,12 11,95 59,67 7,19
2023 2,2 12,44 59,22 19,22
Анализ материалов разновременной космической информации показал, что с 2017 года по 2022 г. произошло значительное обмеление исследуемых водохранилищ. Очень сильно обмелело водохранилище Цаган-Нур, расположенное на севере республики. Его площадь была максимальной в 2004 г. (60,80 км2), а к весне 2019 года уменьшилась в 35 (!) раз и составила 1,7 км2. Причина обмеления - уменьшение подачи воды из Волги вследствие уменьшения площади орошаемых рисовых массивов. Уменьшение объема воды привело к увеличению минерализации, в последнее время качество вод водоема ухудшалось с каждым годом: 12,4 г/л (2014 г.); 22,1 (2015 г.), 70,24 г/л (2018 г.); 107,73 г/л (2019 г.) Зона выклинивания подпора и центральная часть водоема вследствие обсыхания практически перестала существовать, превратившись в солончаковое болото. Обмеление водохранилища повлекло за собой понижение уровня грунтовых вод, в результате чего сплошные тамариксовые заросли, высотой до 3 м, произраставшие ранее на первой пойменной террасе, к 2019 году полностью высохли.
Чограйское водохранилище, расположенное на юге Калмыкии, более 30 лет являлось источником питьевого водоснабжения и орошения г. Элисты и 4-х административных районов республики. Кроме того, из Чограйского водохранилища берет начало самая крупная в республике Черноземельская оросительно-обводнительная система. Однако, в 2013 году водохранилище начали спускать в целях реконструкции плотины и до настоящего времени ремонт так и не закончили. Площадь водохранилища уменьшилась втрое по сравнению с годом ввода в эксплуатацию (1969 г.) Зона выклинивания подпора водохранилища высохла полностью, в центральной части водоема вода отошла от берега более чем на 300 м по сравнению со среднемноголетним урезом. Тростниковые плавни в зоне выклинивания подпора погибли, покинули места обитания лимнофильные виды птиц. В приплотинной части Чограйского водохранилища вода значительно отошла от тела плотины, обнажив острова. Анализ минерализации поверхностных вод показывает ее увеличение: 1,47 г/л (2015), 1,7 г/л (2016 г.), 1,9 г/л (2017), 2,2 г/л (2018 г.) В 2023 году минерализация поверхностных вод центральной части Чограйского водохранилища составила в весенний период 1,99 г/л, в осенний 1,63 г/л. Засоление вод в этой части водоема сильно не изменилось за последние 5 лет. Тип засоления вод -гидрокарбонатно-натриево-хлоридный. Однако, грунтовые воды экотонов центральной части водохранилища во всех скважинах увеличили свою минерализацию в 1,5 раза, по сравнению с 2018 годом. Тип засоления грунтовых вод во всех скважинах - натриево-сульфатно-хлоридный.
Анализ таблицы 2 показывает, что в 2023 году, впервые за последние годы, были выявлены небольшие положительные изменения. Так, у водоемов Аршань-Зельмень, Цаган-Нур и Деед-Хулсун площади водного зеркала по сравнению с предыдущими годами, хоть незначительно, но увеличились. Результаты полевых исследований 2023 года показали, что минерализация водоема Аршань-Зельмень составила в мае 2023 года - 5,58 г/л, в сентябре - 21,72 г/л. Это все еще высокое значение по сравнению со среднемноголетними показателями водоема по засолению, но уже вдвое ниже, чем в 2022 году. Минерализация водохранилища Цаган-Нур также снизилась: в мае 2023 года засоление в приплотинной части составило 13,42 г/л, а в сентябре - 9,65 г/л. Минерализация водохранилища Деед-Хулсун также снизилась по сравнению с 2022 годом и у плотины в мае 2023 года составила 7,28 г/л, в сентябре - 8,7 г/л. Тип засоления поверхностных вод преимущественно натриево-хлоридно-сульфатный и натриево-сульфатно-хлоридный. Причины этих небольших положительных изменений различны: на вдхр. Аршань-Зельмень, имеющим атмосферное питание, сказались условия более влажного 2023 года; на вдхр. Цаган-Нур - подача значительных объемов воды из р. Волга, на вдхр. Деед-Хулсун - сброс воды из Чограйского водохранилища, в связи с продолжающимся ремонтом плотины последнего. Но, несмотря на некоторое улучшение по данным 2023 года, в целом показатели превышают среднемноголетние значения по минерализации в два-три раза.
В 2013, 2015 и 2023 гг. нами были проведены гидрохимические исследования качества вод на основе расчета интегрального Показателя химического загрязнения (ПХЗ-10). Для этого были проанализированы 38 проб воды, в каждой из которых изучалось содержание 70 химических веществ. ПХЗ-10 рассчитывается по десяти веществам, максимально превышающим ПДКр. Он позволяет оценить качественное состояние водоема, сформировавшееся за длительный период его эксплуатации. Исследования показали, что экологическое состояние водоемов Чограй, Деед-Хулсун и Красинское, оцененное по среднему значению ПХЗ-10 во всех пробах каждого из них за три года, соответствует категории «неудовлетворительное», а водоемов Аршань-Зельмень и Цаган-Нур - как «чрезвычайно опасное». Основными загрязняющими химическими веществами, учтенными при расчете показателя химического загрязнения (ПХЗ-
10) наиболее крупных водоемов Калмыкии, являются шестнадцать, относящихся к 3-4 классам опасности. Во всех пробах постоянно присутствуют (100%) в составе ПХЗ-10 такие элементы, как: сера и марганец. Именно сера делает значение ПХЗ-10 высоким. Содержание марганца также очень высокое, максимальное превышение ПДК составило в 160 раз. К этой группе близки (присутствие 97%) стронций и магний, которые учитывались при подсчете Показателя во всех пробах, кроме одной. Медь присутствовала во всех пробах, кроме 4 (88%). Бор (85%) во всех пробах, кроме пяти. Натрий и ванадий (82%), отсутствовали только при подсчете в 6-ти пробах. Группу химических элементов 1-2 класса опасности составляют бериллий, молибден, свинец, селен и фосфор. Превышение ПДК фосфором имело исключительно высокие значения в 2013 и 2015 гг. и только по этому показателю экологическое состояние водоемов было оценено как «экологическое бедствие» [4]. Однако в 2023 году превышение ПДК фосфором значительно снизилось на всех водоемах.
Важной геоэкологической проблемой водоемов Калмыкии является потеря биоразнообразия. Происходящие процессы обмеления водоемов не могут не оказывать влияние на прилегающие к ним экотонные территории. Уникальное видовое и биологическое разнообразие, возникающее на пространстве контакта воды и суши, становится возможным благодаря увеличению количества экологических ниш. В условиях высокой аридности территории Калмыкии и разреженности пустынно-степных ландшафтов, масштабы «краевого эффекта» в экотонных зонах хорошо заметны, и потому они являются важными ландшафтными резерватами сохранения степной и пустынной биоты [5, 6, 7]. Экотоны искусственных водоемов Калмыкии являются опорными элементами регионального экологического каркаса территории, а сами водные объекты являются ядрами заказников федерального и республиканского значений. Обмеление водохранилищ в первую очередь приводит к гибели тростниковых плавней, которые чаще всего произрастают в зоне выклинивания подпора водохранилищ. С их отсутствием исчезают виды лимнофильной орнитофауны, гнездящиеся здесь либо бывшие на пролете. Кроме того, с течением времени в результатате обмеления и снижения уровня грунтовых вод происходят постепенные процессы изменения растительности в блоках экотонных систем (таблица 3).
Таблица 3
Значения показателей растительности в блоках экотонной системы «вода-суша» левого побережья при разных уровнях Чограйского водохранилища
Блоки Флуктуационный Динамиче ский Дистантный Маргинальный
Количество видов растений
Годы Уровни, м
2004 22,4 24 26 18 21
2014 22,0 10 23 18 29
2019 19,3 2 11 8 23
Общее проективное покрытие травостоя
2002 22,4 65-45% 40-30% 45% 65-55%
2014 22,0 5-35% 50-40% 50-40% 30-50%
2019 19,3 <1% 60-30% 55-30% 55-25%
Количество многолетних* видов / количество малолетних видов
2002 22,4 15 / 9 11 /15 8 /10
2014 22,0 8 / 2 14 /9 10 /8 14 /15
2019 19,3 - 3 /8 6 /2 9 /14
* - помимо многолетних травянистых видов, включили кустарники, полукустарники,
полукустарнички.
Длительное падение уровня Чограйского водохранилища привело к следующим изменениям в растительности экотонных систем. К 2019 году из-за обмеления и засоления во флуктуационном блоке насчитывалось всего два вида растений. Позднее эта территория стала зарастать солелюбивыми видами растений. Количество видов в динамическом и дистантном блоках уменьшилось вдвое. В маргинальном блоке, напротив, произошло увеличение количества
видов, однако оно связано с увеличением количества сорных и рудеральных видов. Общее проективное покрытие растений значительно снижается во флуктуационном блоке (таблица 3). В остальных блоках, несмотря на устойчивые цифры по ОПП, происходят процессы смены доминирующих видов. Так, например, в динамическом блоке экотона произошло усыхание, а затем и полная гибель видов Tamarix laxa, T. ramosissima, связанная с увеличением минерализации и глубины залегания грунтовых вод. Также произошло выпадение полыни Лерха из-за чрезмерного стравливания скотом, выпасаемых на этой территории. Но, несмотря на это, ОПП растительности блока не снизилось, а местами даже увеличилось из-за вселения сорных видов. В дистантном блоке в течение ряда лет произошла смена доминирующих видов полыней: Artemisia santonica сменилась на Artemisia austriaca, а к 2019 году стала преобладать Artemisia taurica, практически непоедаемая скотом и потому более устойчивая к стравливанию. В маргинальном блоке количество видов и доминанты фитоценозов практически не изменились, однако в составе фитоценоза стало очень много сорных и вредных видов (Anabasis aphylla, Anisantha tectorum, Cardaria draba и др.), эфемеров и эфемероидов (Poa bulbosa), вызванное увеличением нагрузки скотом данной территории.
Выводы. Таким образом, исследования показали, что основными последствиями использования водохранилищ и геоэкологическими проблемами Калмыкии являются: обмеление, ухудшение качества поверхностных вод, рост минерализации воды. В исследуемых водохранилищах было выявлено многократное превышение ПДК химических веществ, таких как сера, магний, марганец, медь, бериллий, молибден, свинец, селен и фосфор. Обмеление водохранилищ в аридной зоне ведет к снижению биоразнообразия флоры и фауны. Водоемы и их экотонные системы «вода-суша» в засушливых условиях являются очень чувствительными к антропогенным нагрузкам и одними из самых уязвимых элементов степных и пустынных ландшафтов.
Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда № 23-27-10017 «Геоэкологическая оценка водных объектов Республики Калмыкия и прилегающих к ним территорий», https://rscf.ru/project/23-27-10017/.
Список литературы
1. Кочуров Б.И. Геоэкология: экодиагностика и эколого-хозяйственный баланс территории. Смоленск: СГУ, 1999. 154 с.
2. Водные ресурсы России и их использование / Под ред. проф. И.А. Шикломанова. СПб.: Государственный гидрологический институт. 2008. 600 с.
3. Залетаев В.С. Структурная организация экотонов в контексте управления // Экотоны в биосфере. М.: РАСХН, 1997. С. 11-30.
4. Уланова С.С., Новикова Н.М. Экологическое состояние искусственных водоемов Калмыкии, оцененное по показателю химического загрязнения ПХЗ-10 // Вода: химия и экология. 2017. N° 4. С. 10-21.
5. Кузьмина Ж.В. Анализ изменений многолетних метеорологических характеристик для оценки динамики экосистем // Отчет ИПВ РАН по теме «Оценка трансформации природных комплексов под влиянием природных и антропогенных изменений вод суши». М.: ИВП РАН, 2005. С. 8-18.
6. Новикова Н.М. Достижения и задачи в изучении экотонных систем // Аридные экосистемы, 2006. Т. 12. № 30-31. С. 17-24.
7. Подольский С.А., Соколов И.В. Выделение экологического каркаса как методологический подход к сохранению животного населения и устойчивого развития регионов с различным уровнем антропогенного освоения на примере Подмосковья и Приамурья // Экосистемы: экология и динамика. 2019. Т. 3. № 1. С. 98-118.
