Возможность использования ГИС-технологий для выявления факторов, оказывающих влияние на качественные показатели воды реки Ишим Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Дмитриев Павел Станиславович

кандидат биологических наук, доцент, заведующий кафедрой географии и экологии, Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева Петропавловск, Казахстан [email protected]

Голодова Ирина Викторовна

кандидат химических наук, доцент, декан факультета естественных и сельскохозяйственных наук, Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева Петропавловск, Казахстан igolodova@inbox. ru

Фомин Иван Александрович

преподаватель, кафедра географии и экологии, Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева Петропавловск, Казахстан iafom in @mail. ru

Никифоров Назим Игоревич

магистрант, специальность «Экология», Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева Петропавловск, Казахстан n-a-z-i-m1989@mail. ru

Есимов Куан Досович

магистрант, специальность «География», Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева Петропавловск, Казахстан kuan_0193 @mail. ru

УДК 911.9

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ФАКТОРОВ, ОКАЗЫВАЮЩИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

ВОДЫ РЕКИ ИШИМ

Статья анализирует возможность использования программы Mapinfo Professional для расчета площади водосбора трансграничной реки Ишим, протекающей по территории Казахстана и России и являющейся основной водной артерией и централизованным источником пресной питьевой воды для Северо-Казахстанской области. Качество поверхностных вод СевероКазахстанской области связано с сезонной сменой времен года, обеспечивающей физико-химические процессы в поверхностных и подземных

водах. Происходящее вследствие этого загрязнение водной среды региона сказывается на качестве питьевой воды. Требуется проведение дополнительных исследований для определения химических загрязнителей, которые попадают с территории водораздела в процессе вымывания.

Ключевые слова: качество воды, антропогенный фактор, геоинформационные технологии, геоэкологические факторы.

На качество воды источника водоснабжения напрямую оказывает влияние территория водосбора. В связи с этим, необходимо определить границы водосборной территории, изучить их качественный состав, т.е определить геоэкологические факторы [6]. Для этого используются как классические, так и современные методы исследований. Нами предлагается комплексное использование ретроспективного анализа имеющихся материалов, мониторинговых исследований, инструментальных исследований, использование геоинформационных систем и т.д. [5].

На основании анализа, выявлено, что бассейн реки Ишим на территории Северо-Казахстанской области расположен в большей степени на южной окраине Западно-Сибирской равнины, где отметки поверхности не превышают 200 м над уровнем моря, и относится к древнеозерным неогеновым плато, занимающим большие пространства между долинами рек Тобол и Иртыш [1].

В орографическом отношении территория области относится к внешнему поясу наклонных равнин Западной Сибири, для которых характерна слабая расчлененность, волнистость, общие уклоны к внутренней ее части. Однако, основная часть бассейна реки Ишим расположена в северной части Казахского мелкосопочника.

Именно на территории Казахского мелкосопочника происходит формирование стока реки. В горах Нияз (Сарыарка) на высоте 560 м над уровнем моря (50°38' с.ш., 73°12' в.д.) река Ишим берет свое начало. Одними из крупных притоков реки Ишим являются реки Терисаккан, Жиланды, Аршалы, Баксук, Колутон, Жабак, Акканбурлык, Иманбурлык и др.

Одной из наиболее распространенных в нашей стране инструментальных ГИС настольного типа является MapInfo Professional, позволяющая создавать пространственные объекты путем ввода координат с клавиатуры, оцифровкой по растровому изображению, вводом информации с GPS-приемника и других геодезических приборов, а также импортом графических данных из других ГИС.

Перед началом обработки цифрового графического изображения проведен анализ изолиний высот по средствам карт Google Earth. В заключительном этапе на основе изолиний в Mapinfo Professional построены линии водоразделов, которые отражают территорию водосбора.

Используя программу Mapinfo Professional нами рассчитана площадь водосбора трансграничной реки Ишим, протекающей по территории Казахстана и России, являющейся основной водной артерией, централизованным

источником пресной питьевой воды для Северо-Казахстанской области. Общая площадь водосбора составляет около 177 тыс. км2.

В пределах Республики Казахстан формируется основная площадь водосбора реки и составляет 120 тыс. км2. Длина реки от истока до устья 2450 км (в пределах Казахстана 1425 км), падение реки от истока до устья - 513 м, средний уклон - 21 см/км (в пределах РК падение составляет 475 м, с уклоном 33 см/км) [7].

Данные показатели определяют гидрохимические, гидробиологические, гидрологические особенности водной артерии р. Ишим.

Велико значение особенностей геологического строения, морфологии и морфометрии изучаемой территории. Ишим-Тобольское и Ишим-Иртышское междуречья равнинной части области с поверхности сложены слоями плотных глинистых пород неогенового возраста и озерного генезиса. Четвертичный покров в пределах междуречий незначителен. Уровень поверхности равнинной части области лежит на высотах 125-200 метров над уровнем моря.

Внутриматериковое положение территории в зоне умеренных широт Евразии, где процессы образования климата обусловлены господством умеренных воздушных масс, определяет особенности климата. Особенности климата оказывают большое влияние на гидрологический и гидрохимический состав воды, на динамику водных масс, на эволюцию озерных котловин.

Климат приближен к резко континентальному. Континентальность выражается большой разницей (амплитудой) летних и зимних температур и недостаточностью увлажнения. Суммарная радиация в среднем составляет около 95 ккал/ см в год, из которых около 65 приходится на прямую, около 30 - на рассеянную радиацию.

На тепловой режим территории очень большое влияние оказывает также циркуляция воздушных масс. В целом движение воздуха подчиняется ведущему потоку умеренных широт с преобладанием ветров с западной составляющей: юго-западных, западных, северо-западных. В этом же направлении перемещаются в основном атмосферные вихри-циклоны и антициклоны.

Среднегодовое количество осадков области около 350 мм, распределены они по территории относительно равномерно. Однако, количество осадков заметно отличается по годам. Естественно меняются и среднегодовые значения температур и осадков. Особенности данного аспекта определили тип питания реки Ишим.

Ишим относится к типу рек с исключительно снеговым питанием, дающим более 80% годового стока. Режим реки отличается ярко выраженным весенним половодьем, начало которого обычно приходится на 10-12 апреля, а пик - на третью декаду апреля.

Питание за счет притока подземных вод и водоотдачи поймой на участке в границах области незначительно, однако достаточно, для поддержания постоянного стока воды в реке в течение летне-осенне-зимней межени. За время наблюдений отмечено пересыхание реки в 1937 году и перемерзание в 1936-1939 и 1986 годах.

Река Ишим имеет хорошо разработанную пойму, ширина которой меняется от нескольких метров до 9-10 км в северной части (рис. 1).

Рис. 1. Космический снимок широкой части поймы р. Ишим

Среднемноголетняя величина среднегодового расхода р. Ишим у города Петропавловск, рассчитанная по наблюдениям за 100 лет, составляет 76,0 м /сек, по годам она значительно меняется. За этот период всего 8 раз среднегодовой расход был близок к этой величине. В 35 случаях он был выше нормы, до 280,0 м /сек в 1908 году, и в 58 случаях - ниже нормы, уменьшаясь до 1,57 м /сек в 1968 году.

Климат, сложившийся на изучаемой территории определяет особенности гидрологии и гидрохимии реки. Среднегодовой сток реки составляет около 2,5 м3. Ледостав наступает во второй половине ноября, продолжительность ледостава - 5 месяцев. Ишим относится к рекам с повышенной минерализацией воды, что обусловлено засушливостью климата водосборного бассейна и высокой соленостью подземных вод, подпитывающих реку. Общая минерализация достигает 500-800 г/л в меженные периоды, вода жесткая. Кислородный режим удовлетворительный.

Наибольшей ширины она достигает на участке в районе с. Чириковка и с. Луговое (Есильского района Северо-Казахстанской области). Глубина долины также увеличивается вниз по течению: от 25-30 м у южных границ области до 40-45м - у северных. Долина асимметрична: правый склон крутой, подмываемый рекой, отступающий, левый - пологий, широкий, наращивающийся. Вдоль склонов устанавливаются уступы трех надпойменных террас [7].

Дно долины занято поймой с двумя уровнями, прорезанной неглубоким извилистым свободно меандрирующим руслом. Пойма располагается по обе стороны русла, но ширина ее непостоянна: по своему рисунку в плане она имеет «четковидное» строение - широкие ее участки (7-10 км между

основаниями склонов террасы) чередуются с узкими, в несколько десятков метров (рис.2).

Пойма изобилует многочисленными формами рельефа - свидетелями перемещений русла по дну долины: старицами разной величины и формы, протоками, котловинами, пойменными гривами, прирусловыми валами и т.д.

Первая надпойменная терраса развита фрагментарно и преимущественно вдоль левого склона. Поверхность ее лежит на высоте в среднем 10-12 м относительно уреза воды в реке. От поймы она отграничена слабо и отличается от последней наличием развитой почвы и равнинным рельефом. Участки первой террасы во многих местах разбросаны среди поймы в виде останцов, на которых нередко расположены села, например, сс. Новоникольское, Надежка, Озерное (Прибрежное).

Вторая надпойменная терраса в пределах области имеет высоту в среднем 18-20 м над урезом воды. Она хорошо выражена на левом склоне долины, но отдельными фрагментами встречается и вдоль правого - у г. Петропавловск. На правобережных фрагментах второй террасы находятся с. Бишкуль, с. Водопроводное. Ширина правобережной второй террасы менее 3-4 км, левобережной - до 10-14 км. Эта терраса с хорошо выраженным уступом опускается к первой террасе или к пойме. Поверхность ее иногда осложнена вторичными положительными и отрицательными формами. Понижения обычно заняты солеными или пресными озерами, болотами, солончаками. Ближе к тыловому шву цепочкообразно располагаются крупные озера: Кыздыколь, Шалково. На второй надпойменной террасе левого берега расположены такие села как Боголюбово, Вознесенка.

Третья надпойменная терраса имеет высоту в среднем около 30м у с. Семиполатное и около 45м у г. Петропавловск. Она не сплошная, морфологически выражена нечетко. Склоновые процессы способствовали

Рис.2. Космический снимок формы поймы р. Ишим (участок от границы Есильского района до г.Петропавловск)

превращению ее в единую наклонную поверхность, где трудно визуально определить основные элементы террасы: тыловой шов, бровку, площадку.

Таким образом, особенности геологического строения, морфометрии и морфологии влияют на количественные и качественные гидрологические показатели и относятся к естественным или природным факторам. В основном в долине реки Ишим встречаются временно проточные водоемы. Однако в связи с большими паводками 2015-2017 годов пойменные водоемы полноводны.

Для Петропавловска источником воды является Петропавловское водохранилище на реке Ишим руслового типа с площадью бассейна 9,7 км2. Средняя глубина водохранилища составляет 4-5 м, а объем около 19,2 км . По данным Северо-Казахстанского филиала РГП «Казгидромет» за 2016 год в водохранилище среднее значение водородного показателя составило 7,50; концентрация растворенного в воде кислорода в среднем составляла 10,60

3 3

мг/дм , БПК5 в среднем - 2,08 мг/дм . Качество воды в водохранилище оценивается как «умеренного загрязнения». Превышения ПДК были зафиксированы по показателям из групп главных ионов (сульфаты - 1,2 ПДК, натрий - 1,1 ПДК), биогенных веществ (железо общее - 1,9 ПДК), тяжелых металлов (медь - 3,3 ПДК). Согласно ГОСТу 2761-84 вода в Петропавловском водохранилище соответствует 2 классу качества. Превышений по ГОСТу нет. В воде в течение года наблюдались превышения ПДК меди и железа, с декабря по март были зарегистрированы превышения ПДК сульфатов и натрия, так же были зафиксирован в отдельные месяцы превышения магния и никеля. Максимальное значение превышения концентрации в воде для меди составило 4 ПДК, для железа - 3,7 ПДК [4].

Качество воды Северо-Казахстанской области связано с сезонной сменой времен года, обеспечивающей физико-химические процессы в поверхностных и подземных водах, обуславливающих загрязнение водной среды региона, что, в свою очередь, сказывается на качестве питьевой воды. Также, сбросы в окружающую среду неочищенных вод промышленного и бытового происхождения обуславливают миграцию химических элементов в водные системы региона, нарушая их естественный баланс микро- и макроэлементов, влекущих за собой снижение качества питьевой воды области [2,3].

Таким образом, среди факторов, оказывающих влияние на качество воды, по мнению экологов, главенствующую роль отводят антропогенному. Но стоит обратить внимание, что с водосборной площади вода, поступая в водоем в своем химическом составе, может содержать не только прямые антропогенные химические загрязнители, но и природные, попадающие с территории водораздела в процессе вымывания, так как химические элементы подвержены миграции, способны абсорбироваться, аккумулироваться в структуре водных объектов. Стоит задача изучить не только сбросы со стороны хозяйственных предприятий находящихся на водосборной территории реки Ишим, но и ее химический состав почв, геологическое строение. Данные факторы могут суммироваться, формируя в результате различные соединения, в том числе негативно влияющие на здоровье.

Список использованных источников

1. Белецкая Н. П. Этапы развития территории Петропавловского Приишимья в кайнозое / Н. П. Белецкая // История развития речных долин и проблемы мелиорации земель. Западная Сибирь и средняя Азия. -Новосибирск, 1979. - С. 38-51.

2. Питьевые воды различных источников водоснабжения как фактор риска здоровью населения Северо-Казахстанской области / Н. П. Белецкая, А. В. Пузанов, И. Н. Лиходумова, С. В. Бабошкина // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. - Семипалатинск, 2010. - № 1 (12). - С. 108-113.

3. Дмитриев П. С. Обеспечение населения доброкачественной питьевой водой как важнейшая задача Республики Казахстан / П. С. Дмитриев, Н. П. Белецкая // Козыбаевские чтения - 2014: Роль Казахстана в интеграции евразийского пространства : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 14 нояб. 2014 г., г. Петропавловск / СКГУ им. М. Козыбаева. - Петропавловск, 2014. -С.178-182.

4. Дмитриев П. С. Мониторинговые исследования при изучении влияния антропогенного фактора на качество воды реки Ишим / П. С. Дмитриев, И. А. Фомин, Е. П. Алексеева // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. - 2016. - № 1 (084). - С. 177-180.

5. Дмитриев П. С. Технология мониторинга экологической обстановки озер Северо-Казахстанской области посредством программы Mapinfo Professional 7.5 / П. С. Дмитриев, И. А. Фомин // Актуальные проблемы науки и образования в области естественных и сельскохозяйственных наук : материалы 2 Междунар. науч.-практ. конф., 18 апр. 2014 г., г. Петропавловск / СКГУ им. М. Козыбаева. - Петропавловск, 2014. - С. 84-89.

6. Дмитриев П. С. Современное состояние водоемов СевероКазахстанской области в условиях влияния естественного и антропогенного факторов / П. С. Дмитриев, И. А. Фомин, В. В. Глинских // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. - 2016. - № 2 (85), ч. 4. - С. 811.

7. Природные ресурсы Северо-Казахстанской области / П. С. Дмитриев, Н. П. Белецкая, Л. С. Каиржанова, И. А. Фомин. - Петропавловск : СКГУ им. М. Козыбаева, 2017. - 184 с.

Dmitriev Pavel

Associate Professor, Doctor of Biology, Head of Department Geography and Ecology, M. Kozybayev North Kazakhstan State University

Petropavlovsk, Kazakhstan

[email protected]

Golodova Irina

Associate Professor, Ph.D., Dean of the Faculty of Natural and Agricultural Sciences, M. Kozybayev North Kazakhstan State University

Petropavlovsk, Kazakhstan

igolodova@,inbox. ru

Fomin Ivan

Teacher, Department Geography and Ecology, M. Kozybayev North Kazakhstan State University

Petropavlovsk, Kazakhstan iafom in @mail. ru

Nikiforov Nazim

master student, line "Ecology", University,

Petropavlovsk, Kazakhstan n-a-z-i-m1989@mail. ru

M. Kozybayev North Kazakhstan State

Esimov Kuan

master student, line "Geography", M. Kozybayev North Kazakhstan State University

Petropavlovsk, Kazakhstan kuan_0193 @mail. ru

THE POSSIBILITY OF GIS-TECHNOLOGIES USING TO IDENTIFY FACTORS, THAT AFFECT THE WATER QUALITY INDICATORS

OF ISHIM RIVER

The article analyzes the possibility of using of Mapinfo Professional program to calculate the catchment area of a transboundary Ishim- river, which flows through the territory of Kazakhstan and Russia and is the main waterway, and a centralized source of fresh drinking water for the North-Kazakhstan region. The quality of surface waters in the North-Kazakhstan region due to seasonal changes, which provides physico-chemical processes in surface and groundwater. The water pollution in the region affects the quality of drinking water. In this connection, you need to execute the additional studies to determine the chemical pollutants that enter from the watershed through leaching.

Keywords: water quality, anthropogenic factor, geoinformation technologies, geoecological factors.