МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
«РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК»
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2007


УДК 502.656
Эколого-водохозяйственная оценка водосбора и водных
объектов бассейна Иртыша

В.В. Шабанов, М.Е. Вершинская, В.Н. Маркин
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия

1. Основные методические положения оценки потенциала активности самоочищения водосборной площади

   Потенциал самоочищения природной среды водосборных площадей водных объектов выступает как интегральная экологическая оценка тех сложных процессов и явлений, которые возникают при техногенном загрязнении. Именно через определение потенциала самоочищения природной среды возможно установить степень участия водосборных площадей в формировании эколого-водохозяйственного состояния водных объектов. Потенциал самоочищения природной среды есть потенциал ее устойчивости к техногенным воздействиям. Методическое решение данной задачи осуществляется эмпирически. Прежде всего, используется одно из центральных теоретических понятий - идея о структурной организации природных систем, включающих анализ специфики радиальной (вертикальной) и латеральной геохимической дифференциации веществ и миграционных потоков, внутрисистемных  и межсистемных связей.
Экологическое состояние водного объекта определяется двумя разнонаправленными процессами: способностью защиты природной среды водосборных площадей от выноса загрязняющих веществ в водные объекты и способностью выноса с водосбора  радиальными и латериальными  потоковыми структурами избыточного объема вод совместно с поллютантами в водные объекты.

   Таким образом, при решении данной задачи решается два основных вопроса, связанных с разнонаправленностью процессов:
определение возможности и активности закрепления в природной среде водосборной площади поступивших на ее поверхность или в ее тело продуктов техногенеза- потенциал депонирования поллютантов;
определение основных типов потоков водной миграции независимыми и зависимыми мигрантами, а также их степени активности функционирования - потенциал самоочищения природной среды водосборных площадей.
Оба эти процесса взаимосвязаны  и осуществляются одновременно, но зависимость второго от первого намного больше, чем первого от второго. Однако эти два процесса должны оцениваться раздельно, так как обладают свойством эмерджентности и не могут суммироваться.

   Потенциальная активность депонирования зависит от внутренних факторов. К ним относятся: показатели активной поверхности компонентов почвенно-грунтовой массы, ее структурная организация, строение почвенного поглощающего комплекса, щелочно-кислотные и оскислительно-восстановительные условия. Для органогенных горизонтов значительную роль играет ботанический состав растений, формирующих эти горизонты, степени разложения органической массы. В разных генетических горизонтах почв характер и уровень взаимодействия загрязнителей с почвенной массой меняются неоднозначно.  Почвы являются средой, на пути движения поллютантов, где осуществляются их физико-химическая, микробиологическая деструкция с последующим переносом, рассеиванием загрязнителей и их продуктов распада, как по радиальным, так и латеральным внутрипочвенным направлениям потоков.
Все пространственные закономерности процессов перераспределения, выноса, разбавления независимого мигранта - вода и с ней  зависимых - поллютантов, продуктов их распада обуславливают потенциал активности функционирования миграционных водных потоков. Именно эти потоки принимают на себя функции самоочищения  природной среды водосборов с последующими процессами удаления избыточных объемов вод и поступивших в них загрязнителей за пределы своей водосборной площади.

   Суммарная активность структурных элементов миграционных потоков, как и каждого из них, зависит от наличия - отсутствия миграционной фазы - воды, обусловленной не только атмосферными осадками, но и другими типами водного питания водосборных площадей. В то же время каждый тип миграционных потоков определяется различными факторами. Миграционная специфика радиального перемещения поллютантов зависит от: гравитации, пленочно-капиллярных сил, наличия порово-трещинного пространства, радиальных геохимических барьеров в профиле почв и т.д.
Процессы радиальной миграции зависимых и независимых мигрантов осложняются наличием в почвах экранирующих - «запирающих» геохимических барьеров, переводящих радиальные потоки в латеральные внутрипочвенные и которые в последствии могут выйти на поверхность.

   Отсутствие экранирующих барьеров в почвенном профиле резко увеличивает вероятность поступления загрязнителей в грунтовые воды с последующим возможным их выносом в линейные водные объекты. Тем самым экологический «удар» переносится с водосборной площади на водные объекты.

   Резкая смена почв в почвенном покрове (степень контрастности) определяется контрастностью их латеральных геохимических барьеров, что значительно снижает возможности самоочищения водосборных площадей.
Движение миграционных потоков на поверхности водосборной площади происходит по латеральным каналам связей, формирующихся по ослабленным зонам гравитационного поля той морфогенетической структуры, на которой формируются их водные бассейны, в данной климатической зоне. Латериальные миграционные потоки есть естественные дренажные системы всей водосборной площади водного объекта. Их генетическое назначение в водной системе - удаление избыточных масс воды с целью поддержания гомеостаза не только в системе, но и во всех ее элементах и компонентах. Гомеостаз определяет тот структурный уровень организации водного бассейна, который может измениться только при изменении внешних природных факторов или техногенного вмешательства.
Любое техногенное вмешательство в структуру поверхностных миграционных каналов на водосборной площади  влечет за собой прямую и/или обратную цепную реакцию экологических нарушений в её природной среде, а также в конечном транс - аккумулятивном водном объекте.

   Каждый водоток водосборной площади находится в едином гравитационном поле с другими водотоками бассейна. Эти связи объединяют их между собой в единую геохимическую катену, обладающую информацией о экологическом состоянии всей природной среды бассейна и наоборот, имея данные о экологическом состоянии водотока (без учета прямого техногенного воздействия) и, зная характеристики процессов самоочищения водосборной площади, можно судить о её устойчивости к техногенным воздействиям. При этом необходимо учитывать, что в самом водотоке также происходят процессы самоочищения.

2. Краткая характеристика природных условий

   Территория бассейна р. Иртыш в пределах Российской Федерации расположена в юго-западной части Западно-Сибирской низменной равнины. Границей западного крыла бассейна служит водораздел Южного и Среднего Урала.  На севере она проходит по водоразделу нижнего (положительной морфоструктуры) - Сосьвинско-Тавдинского плато. На севере и северо-востоке границей бассейна является водораздел между Среднеобской низменностью и Васюганским плато. На юго-востоке она проходит по северной части Барабинской низменности, а  на юге по Ишимской равнине.
Важнейшими чертами климата являются: континентальность; вариабельность тепло-влагоресурсов, как в многолетнем, так и годовом разрезе. Местные климатические различия формируются за счет строения рельефа внутренних частей бассейна и характера его подстилающей поверхности.
Ниже приводятся основные климатические показатели за теплый период времени (табл. 1).

Таблица 1
Основные показатели климата за теплый период года бассейна реки Иртыш

Природные зоны и
подзоны

Радиационный баланс (V-VIII),
ккал/см2

St?100

Испаряемость, мм

Атмосферные осадки, мм

ГТК

Средняя тайга

17-19

> 1600

300-400

500-550

>1,4

Южная тайга

19-21

1600-1700

400-450

550-500

1,4-1,3

Подтайга

21-23

1700-1800

450-500

500-450

1,3-1,2

Лесостепь

23-24,5

1800-1900

500-550

450-400

1,2-1,0

Северная часть степи

24,5-26

1900-2000

550-600

450-350

1,0-0,9

   В рельефе территории бассейна р. Иртыш к наиболее высоким его орографическим элементам относятся: Зауральское, Сосьво-Тавдинское, Васюганское плато. Они образуют высокую ступень котловины, где поверхности имеют пологоволнистый и грядоволнистый характер со средними абсолютными отметками от 170 до 190 м. К средней ступени следует отнести Ишимскую равнину, преобладающие абсолютные отметки которой изменяются в интервале 140-150 м. Для этой равнины характерны плоские поверхности с развитым мезо-микро рельефом. Наиболее пониженную часть рельефа бассейна Иртыша составляют Тобол-Иртышская и Барабинская низменность.

   Особенности речных долин во многом оказывают влияние на гидрогеологические условия водосборных площадей. Территория бассейна р. Иртыш характеризуется сложными разнообразными элементам рельефа по условиям естественной дренированности, водным режимом почвогрунтовой толщи, неоднородностью литологического состава. Как правило, степень естественной дренированности незначительно увеличивается к долинам рек. В этом же направлении изменяется тип водного питания земель - от атмосферного на водоразделах до грунтово-напорного в крупных долинах рек. Вместе с тем отдельные части бассейна (морфогенетические структуры) четко обособлены по сочетанию этих факторов.
Своеобразие почв и почвенного покрова водосборных площадей определяется суровыми климатическими условиями и наличием в профиле почв реликтовых признаков. Так в таежной зоне распространены почвы с реликтовым вторым гумусовым горизонтом, что создает предпосылки к их большей сорбционной емкости. В подтаежной и лесостепной зонах отмечается большое распространение солонцеватости и специфические физико-химические свойства почв. Длительное промерзание почв приводит к периодическому образованию почвенно-грунтовой верховодки, которая вызывает явление поверхностной глееватости и признаки глубинной глееватости в почвах средней подтайги и процессы оглеения в нижней части профиля почв южной подзоны. Все указанные свойства почв ухудшают почвенно-геохимические условия их активности потенциала самоочищения из-за дополнительных радиальных барьеров.

   Основной особенностью географии почв является резкая контрастность почвенного покрова узких приречных дренированных участков и заболоченных плоских или с незначительными уклонами поверхностей междуречий, что определяет наличие латеральных геохимических барьеров.

   Болотообразовательные процессы на территории бассейна р. Иртыш, с самого начала голоцена происходят очень интенсивно, образуя обширные болотные системы. Бурное развитие болот продолжается и в наше время. Болотные биогеоценозы обладают некоторой автономностью по отношению к внешним воздействиям и способностью к гомеостазу. Однако последнее ее свойство чрезвычайно легко теряет свое динамическое равновесие при условии техногенного загрязнения даже одного из ее компонентов. По определению М.А. Глазовской, любое попадание загрязнителей в торфяную или торфяно-перегнойную массу приводит к образованию вторичных экологических «бомб» замедленного действия с трудно прогнозируемыми последствиями. Из-за гомогенной структуры торфяной залежи и высокой степени обводненности радиальный вынос поллютантов или становиться затрудненным, или на продолжительное время невозможным. Латеральный вынос заторможен и всегда растянут во времени. В целом процессы потенциальной активности самоочищения почв и почвенного покрова водосборных площадей с одной стороны указывают на сдерживание процессов выноса загрязнителей в водные объекты на какой-то отрезок времени, а с другой указывают, что этот процесс растянут во времени и недостаточно прогнозируем.

   Краткое рассмотрение природной среды бассейна указывает, что компоненты среды обладают крайней неустойчивостью во времени и изменчивостью в пространстве, что создает условия, на преобладающей части территории, инертности, растянутости во времени потенциальной активности процессов ее самоочищения при техногенных воздействиях (табл. 2).

Потенциальная активность почв и водосборных площадей реки Иртыш

Морфогенетические структуры

Потенциальная активность самоочищения  ведущих почв

Потенциальная активность самоочищения водосборных площадей

Радиальным стоком

Латеральным
стоком

Предгорная равнина

высокая

средняя

высокая

Плато

высокая – средняя

средняя

высокая – заторможенная

Равнины

средняя – низкая

средняя

средняя – низкая

Низменности

заторможенная

низкая

средняя 

3. Оценка качества воды и экологического состояния водных объектов

   Для оценки качества водных ресурсов и экологического состояния водных экосистем в практике водного хозяйства широко используются  методы, основанные на использовании комплексных показателей [1-5]. 
В данной работе качество природных вод оценивается по методу Шабанова В.В., с помощью коэффициента предельной загрязненности (Кпз) [6]


,


где i – номер загрязняющего воду вещества; N – количество учитываемых веществ.
Качество воды определяется в соответствии с табл. 3.
Таблица 3
Классификация качества воды по показателю Кпз

Очень
чистая

Чистая

Умеренно
загрязненная

Загрязненная

Грязная

Очень грязная

?-0,8

-0,8-0

0-1

1-3

3-5

>5

Оценка экологического состояния водной экосистемы. Оценка экологического состояния водной экосистемы проводится на основе определения индекса Шеннона (Н). 
Индекс Шеннона определялся на основе его связи с Кпз  по классификационным таблицам качества вод [6-8]. Для этого использовалась кривая связи (коэффициент корреляции  r= -0.85)


.


Оценка качества воды реки Иртыш проведена для створов на  реке Иртыш и ее притоков (по данным на 2001-2005 годы). В результате расчетов получены характеристики качества воды  для лет отчетного периода и для лет разной  обеспеченности: Р = 25, 50,  75, 95 %.
В таблице 3 приведен пример расчета показателя Кпз и оценки качества воды для створа реки Иртыш, пограничного с республикой Казахстан. Качество воды оценивается на уровне «грязная».

Таблица 3

Концентрации загрязняющих веществ в речной воде их ПДК и расчет Кпз

 

Загрязняющие
вещества

Концентрация, мг/л

С,  мг/л

ПДК

О2

10,3

12

-0,14

БПК5

4,4

3

0,47

NH4

0,4

0,5

-0,20

NO2

0,015

0,08

-0,81

NO3

0,2

9,1

-0,98

Fe

0,8

0,3

1,67

Cu

0,01

0,001

9,00

Zn

0,03

0,01

2,00

Ni

0,004

0,01

-0,60

Фенол

0,01

0,001

9,00

Нефть

1,6

0,05

31,00

СПАВ

0,05

0,5

-0,90

                  Кпз 

4,13

Рис.1. Изменение качества воды при проведении водоохранных мероприятий,
 позволяющих очистить воду от наиболее опасных загрязнителей

Наиболее опасными загрязнителями являются: нефтепродукты, медь, фенол, цинк и железо.
Оценка качества воды и состояния водной экосистемы с помощью показателя Кпз дает возможность учета экологической эффективности намечаемых водоохранных мероприятий, и планировать требуемую их эффективность, необходимую для доведения качества воды и состояния водных объектов до требуемого уровня. В этом случае значения коэффициента предельной загрязненности с учетом водоохранных мероприятий (КВОМпз)  пересчитываются по формуле

КВОМпз = (Кпз + 1) ? (1 - Э) - 1,


где   Э – эффективность водоохранных мероприятий;
Кпз – коэффициент предельной загрязненности без учета водоохранных мероприятий.
Рисунок 2 показывает, что в результате проведения водоохранных мероприятий создаются условия для восстановления видового разнообразия водной системы. Создать условия для вывода водной системы на олиготрофный уровень возможно уже при проведении водоохранных мероприятий с эффективностью 60-80 %. 

Рис. 2. Кривые обеспеченности индекса Шеннона (Н) без учета
и с учетом водоохранных мероприятий разной эффективности (Э)

Рис. 3. Кривые обеспеченности коэффициентов предельной загрязненности (Кпз)
для лет разной обеспеченности по стоку, с учетом и без учета
планируемых водоохранных мероприятий

Расчеты показывают, что качество воды в реке Иртыш на современный период не отвечает нормативам качества. Ее загрязненность изменяется от «грязной», в пограничном с Казахстаном створе,  до «загрязненной» в месте впадения в Обь.  В среднем течении реки отмечается некоторое улучшение качества воды за счет самоочищения до состояния умеренно загрязненная». В нижней части качество воды  ухудшается до состояния «грязная» в створе г. Тобольск, за счет городских сбросов и впадения «загрязненных» вод р. Тобол.

Класс качества воды в реках: Тобол, Ишим, Тура, Конда, Исеть  в настоящее время соответствует уровню «загрязненная», что говорит о слабом протекании процессов самоочищения воды и постоянности потоков загрязненных стоков. Отличаются повышенной загрязненностью такие притоки как:  Тагил, Тавда,  Вагай, Уй. Качество воды в реке Тавда соответствует «очень грязная», что особо опасно для Иртыша, в связи с большим объемом стока Тавды, несущим загрязняющие вещества.

Таблица  4
Сводная таблица оценки качества воды  рек бассейна реки Иртыш

Кпз

Класс качества

Река

Кпз

Класс качества

Река

1,83

Загрязненная

Иртыш

4,27

Грязная

Вагай

2,12

Загрязненная

Ишим

5,81

Очень грязная

Уй

1,92

Загрязненная

Тобол

1,50

Загрязненная

Синара

3,01

Грязная

Тура

1,85

Загрязненная

Теча

2,74

Загрязненная

Тагил

1,03

Загрязненная

Миасс

5,14

Очень грязная

Тавда

2,48

Загрязненная

Исеть

1,63

Загрязненная

Конда

 

 

 

Наибольшую опасность загрязнения представляют такие вещества как: медь, цинк, марганец и нефтепродукты. Водоохранная деятельность должна быть направлена на улучшение качества воды, путем очистки сточных вод от данных загрязнителей.

Оценка направленности водоохраной деятельности проводится с целью определения требуемой эффективности водоохранных мероприятий для  улучшения качества воды в реке, что создаст условия для улучшения состояния водного объекта в целом.

В таблице 5 представлены значения требуемой эффективности водоохранных мероприятий, для доведения качества воды в реке Иртыш до состояния «умеренно загрязненная».

Таблица 5

Требуемая эффективность и места проведения водоохранных мероприятий для
доведения качества воды в реке Иртыш до класса «умеренно загрязненная»
в годы обеспеченностью 75 и 95%

Водоохранные мероприятие

Обеспеченность, %

75

95

Улучшение качества воды в пограничном с республикой Казахстан створе

 

64

 

73

Очистка стоков г. Тобольск

76

80

Улучшение качества воды р. Тобол

43

53

Библиографический список

  1.    Дмитриев В.В. Оценка экологического состояния водных объектов суши. Экология. Безопасность. Жизнь. Экологический опыт гражданских, общественных инициатив.         – Гатчина,  1999.
  2.    Оценка экологического состояния р. Охта на основе гидрохимических и гидробиологических методов /03.03-83.179/ Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон: Международная научная конференция, Санкт-Петербург , 18-20 окт., 2000 . Материалы конференции. – СПб., 2000. С. 11-12.
  3.    Снакин В.В., Мельченко В.Е., Бутовский Р.О. и др. Оценка состояния и устойчивости геосистем. – М.: ВНИИ природа, 1992. 127 с.
  4.    Современное состояние методов оценки качества поверхностных вод суши. Гидрометеорология. Сер. Контроль загрязнения природной среды. – Обнинск, 1985. Вып. 1.
  5.    Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы, критерии, решения. – М.: Наука, 2005. 2 кн.
  6.    Шабанов В.В., Маркин В.Н. Метод оценки качества вод и состояния водных экосистем в схемах. – М.: Деп. в ВИНИТИ 06.11.07  № 10211  - 52174 / 37  а – 39,  2007
  7.    Алимов А.Ф. Основные положения теории функционирования водных экосистем. //Гидробиология. 1990.  № 6. Т. 26. С. 3-12.
  8.    Алимов А.Ф.Территориальность у водных животных и их размеры. //Известия АН. Сер. Биологическая. 2003. № 1. С. 93-100.