Исследование динамики загрязненности воды Ветлянского водохранилища (2000-2012 гг. )

УДК 504.455

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОДЫ ВЕТЛЯНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

© В.А. Шабанов, А.В. Шабанова

Ключевые слова: Ветлянское водохранилище; качество воды; марганец; сульфаты; медь; цинк; взвешенные вещества.

Оценена динамика загрязненности воды Ветлянского водохранилища (Самарская область). За период 20002011 гг. отмечен рост содержания марганца и снижение содержания цинка и растворенного кислорода. Показана роль донных отложений в формировании уровня загрязненности водохранилища марганцем.

К середине 1950-х гг. в Среднем Поволжье было создано 5782 искусственных водоема, общим объемом 214,6 млн м3 и площадью водного зеркала 144,64 км2, из них на территории Самарской области - 1574 [1]. В это число входят крупнейшие искусственные водохранилища. Эти водохранилища используются для орошения, хозяйственных и культурно-бытовых целей. Между тем их экологическое состояние и качество воды остается малоизученным. В областной целевой программе «Развитие водохозяйственного комплекса Самарской области в 2013-2020 годах» отмечается, что качество воды поверхностных водных объектов в Самарской области не отвечает санитарным требованиям по химическому потреблению кислорода (ХПК), а также по содержанию фенолов, взвешенных веществ, соединений цинка, марганца, меди, железа. Поэтому оценка состояния водохранилищ Самарской области является актуальной задачей, позволяющей определить приоритеты в природоохранной деятельности и при эксплуатации водных объектов. В настоящей работе объектом исследования является Ветлянское водохранилище.

Ветлянское водохранилище располагается в Нефтегорском районе. Водохранилище было создано на базе р. Ветлянки, притоке р. Съезжей.

Ветлянское водохранилище располагается в степной зоне. Количество осадков составляет 300-350 мм в год. Ледовый покров появляется с конца октября и сохраняется до конца апреля, толщина льда достигает 0,9 м. Донные отложения представлены песком, глиной и мелкоземом с примесью растительных остатков. Кое-где попадаются участки с галькой. Рельеф в его окружении ровный, без заметных возвышенностей, характер ландшафта степной. Район беден грунтовыми и поверхностными водами.

Особенностью воды Ветлянского водохранилища является ее высокая минерализация: так, в 2011 г. она составляла 1054 мг/л, а в 2009 г. - 3179 мг/л [2]. К приоритетным загрязняющим веществам воды относятся марганец, цинк, медь, сульфаты, содержание трудно-окисляемых (ХПК) и легкоокисляемых (БПК5) органических соединений, а также взвешенные вещества. Нами были проанализированы тенденции изменения этих показателей.

Аппроксимируя ряд наблюдаемых величин и соответствующий временной ряд линейной зависимостью, были получены уравнения линий тренда. На графиках она изображена сплошной линией и обозначена у3(Г). Предварительный визуальный анализ наблюдений показал, что они могут иметь также и периодическую составляющую. Для выделения периодической составляющей нами был использован способ, предложенный в работе [3].

Был определен интервал, на котором можно было ожидать проявление периодичности. В данном случае он был принят равным периоду наблюдений. И эти наблюдения являются реализацией функции у1(Г). Начало наблюдений соответствует моменту Г = 0, а окончание - = 7. При этих допущениях наблюдения со-

ставят индексированный ряд, значения которого будут т1( = 0 ... п. Далее была выделена линейная составляющая в ряде наблюдений у0(Г) = а + рг, которая удовлетворяла следующим граничным условиям: у0(0) =

\ •-» ти — т^

= т, у0(Г) = т, откуда а= т0, р = —-------0.

Введем новую функцию у(ґ) = у1(ґ) - у0(ґ), которая имеет нулевые значения на концах интервала. Эту функцию можно разложить в конечный ряд по синусам. Всего может быть взято п-2 члена. Общий вид к -ж-ґ

членов ряда а - 8Іп(—-------- ) . Здесь к - индексирован-

7 п 1

ная переменная, принимающая значения ] = 1 ... п - 1. а - коэффициент ряда.

Полный ряд запишется так:

Л-ж-ґ. . .2-ж-ґ.

у(ґ) = а - 8іп(--------) + а - іп(--) +

п п

. 3-ж-/ч . Хп -1)-ж-/ч

+а - іп(-------) +...+а! - зт(----------).

Используя данный ряд в качестве аппроксимирующей функции, находятся коэффициенты ряда.

Найденный таким образом ряд можно рассматривать и как интерполирующий, т. к. его значения в точке I совпадают с измеренными значениями. Но он стати-

п

п

п

1737

стически приближенно описывает процесс, поскольку коэффициенты ряда содержат ошибки наблюдений.

Окончательный вид аппроксимирующей функции будет y1

Марганец. Роль соединений марганца в водных экосистемах зависит от его концентрации в воде: при концентрациях < 0,1 мг/л он стимулирует фотосинтез и защищает клетки от свободных радикалов, при более высоких концентрациях - задерживает рост водорослей. Избыточное накопление марганца в организме человека ухудшает его здоровье [4].

Среднегодовая концентрация марганца превышала нормативные значения (ПДК для рыбохозяйственных водоемов) на протяжении всего рассматриваемого периода (рис. 1). Содержание марганца в воде Ветлянско-го водохранилища возрастает (линия тренда - пунктир, рис. 1). В 2005 [5] и 2011 гг. [6] был зарегистрирован высокий уровень загрязнения марганцем, а в 2005 г. -экстремально высокий (98 ПДК). Интересно отметить, что по уровню загрязненности марганцем вода Ветлян-ского водохранилища сопоставима с водой Ижевского пруда, вблизи которого располагается шлакоотвал ПО «Ижсталь» [7]!

В работе [8], посвященной изучению повышенного содержания марганца в водах р. Большой Иргиз, в качестве возможной его причины упоминаются низкие скорости течения и дефицит кислорода в придонных слоях, что приводит к постоянному накоплению марганца в донных отложениях. Речной ил в свою очередь является источником соединений марганца, который вовлекается в биогеохимический круговорот в речной экосистеме. Восстановление нерастворимого марганца (IV) до растворимого марганца (II) и является причиной возникновения «марганцевых аномалий». Поскольку Ветлянское водохранилище является практически бессточным водоемом, то для процессов, ведущих к восстановлению марганца, создаются благоприятные условия.

Медь. На примере меди рассмотрим методику обработки измерений концентрации. Годы наблюдений представим в виде списка T = [04,05,06,07,08,09,10,11]. Преобразуем ряд наблюдений в список времени наблюдений T1 = [0,1,2,3,4,5,6,7]. Ряд наблюдений (крат-

ность превышения ПДК) представим в виде Си = [2,5,3.5,2.6,4,5,2.1,5]. Линейная функция у0 для рассматриваемого примера будет иметь вид 3-Г

у0(Г)=2 + — =2 +0,429Г . Вычтем значения функции у0

в точках наблюдения, представленных в ряде Т1 из Си. Получим новый ряд наблюдений Си1, имеющий на границах интервала нулевые значения. Аппроксимируем этот ряд функцией, принимая п = 7. Суммируя линейную и периодическую составляющую, получим:

1 • к • t 2 • к • t

y1(t) = 0,236 • sln(—-—) + 0,946 • sln(—-—) +

3 • к • t 4 • к • t 5 • к • t

+ 0,303 • sln(----) +1,648 • sln(----) - 0,445 • sln(---) +

6 • к • t

+ 0,402 • sln(———) + 2 + 0,429t.

Содержание меди в воде Ветлянского водохранилища медленно возрастает (линия тренда - пунктир, рис. 2).

Уравнение линии тренда имеет вид y3(t) = =3,133 + 0,148t, т. е. зависимость концентрации от времени выражена слабо. Для содержания меди также характерны колебания с периодом в четыре года. Превышение ПДК в 100 % проб воды Ветлянского водохранилища отмечалось в 2005 [5], 2007 [9], 2010 [10], 2011 [6] гг. Максимальная кратность превышения ПДК изменялось от 3 до 9. В работе [11] показано, что чем выше концентрация меди в воде, тем меньше в ней содержится взвешенных веществ, поскольку они адсорбируют на поверхности гидроксида меди (II).

Цинк. На протяжении данного периода загрязненность цинком имеет тенденцию к снижению с 3 до 1,5 ПДК. Уравнение линии тренда имеет вид у = 2,75 - 0,18? , что позволяет оценивать уровень загрязнения как стабильный.

Сульфаты. Основным источником поступления сульфатов является химическое выветривание. Их повышенное содержание отмечается практически для всех водных объектов Самарской области [2; 5-6; 12].

Содержание сульфатов с 2004 по 2011 гг. оставалось стабильным и не превышало 3 ПДК. Для содержания сульфатов отмечаются колебания с периодом в пять лет.

Рис. 1. Загрязненность воды Ветлянского водохранилища марганцем

Рис. 2. Загрязненность воды Ветлянского водохранилища медью

1738

Рис. 3. Содержание растворенного кислорода в воде Ветлянского водохранилища

Уравнение линии тренда имеет вид у = 1,84+0,025, т. е. зависимость концентрации от времени практически отсутствует.

Растворенный кислород. К важнейшим экологическим показателям состояния водного объекта относится содержание растворенного кислорода. Оно определяет интенсивность и направленность окислительновосстановительных процессов, а следовательно, и процессов самоочищения и самозагрязнения водной среды [9]. Зависимость содержания растворенного кислорода в воде Ветлянского водохранилища представлена на рис. 3.

На протяжении рассматриваемого периода содержание растворенного кислорода сохранялось удовлетворительным - от 6,2 (2011 г. [4]) до 9,2 мг/л (2007 г. [13]). Тем не менее есть устойчивая тенденция к снижению этого показателя: уравнение линии тренда имеет вид у = 10,125-0,3t. Период колебаний составляет три года.

Взвешенные вещества. Питание Ветлянского водохранилища и р. Ветлянки происходит за счет атмосферных осадков. В связи с развитием сельского хозяйства водосборная территория р. Ветлянки в настоящее время более чем на 75 % распахана, что привело к уменьшению ее водности, увеличению потока твердого материала в водохранилище и, как следствие этого, его интенсивному заилению.

За рассматриваемый период (рис. 4) содержание взвешенных веществ в воде Ветлянского водохранилища снижалось. Уравнение линии тренда имеет вид у = 56,5 -3,55?, т. е. зависимость концентрации от времени ярко выражена. Период колебаний этого показателя составил шесть лет.

Химическое потребление кислорода (ХПК) и биологическое потребление кислорода (БПК5). Оба этих показателя на протяжении рассматриваемого периода оставались практически постоянными.

Среднее значение БПК5 составило 3,8 мг/л, что позволяет охарактеризовать воду как загрязненную [14]. ХПК (среднее) было равно 43,5 мг/л. На протяжении рассматриваемого периода превышение нормативного значения ХПК отмечалось в 100 % проб. Соотношение величин ХПК и БПК5 позволяет говорить о том, что сре-

Tl.t

Рис. 4. Содержание взвешенных веществ в воде Ветлянского водохранилища

ди органических соединений в воде Ветлянского водохранилища преобладают трудноокисляемые.

ВЫВОДЫ

В настоящей работе выполнен анализ загрязненности воды Ветлянского водохранилища. Для ряда показателей (марганец, цинк, медь, сульфаты, содержание растворенного кислорода и взвешенных веществ, ХПК и БПК5) оценены тенденции изменения за период с 2000 по 2011 гг. Показано, что наиболее тревожная ситуация складывается с содержанием марганца: оно неуклонно растет, достигая высоких (2011 г.) и экстремально высоких (2005 г.) уровней загрязнения. В этом процессе большую роль играют донные отложения, являющиеся своеобразным «депо» марганца. Создание и поддержание благоприятного для бактериальных окислительных процессов кислородного режима возможно при условии удаления части донных отложений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соловьева В.В. Эколого-экономические проблемы создания и использования искусственных водоемов Среднего Поволжья // Известия Самар. науч. центра РАН. Самара, 2008. Т. 10. № 2. С. 590602.

2. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 2009 году. Самара, 2010. Вып. 20.

342 с.

3. Ланцош К Практические методы прикладного анализа. М.: Физ-матгиз, 1961. 524 с.

4. Мартынова М.В. О содержании марганца в илах Можайского водохранилища // Водные ресурсы. 2012. Т. 39. № 2. С. 212-217.

5. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 2005 году. Самара, 2006. Вып. 16. 298 с.

6. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 2011 году. Самара, 2006. Вып. 22.

343 с.

7. Слободина В.Ш., Газизуллина Л.Н., Максютова Е.А. Мониторинг содержания ионов марганца (II) в воде, донных отложениях, снежном покрове Ижевского пруда // Вестник Удмурт. ун-та. Сер.: Химия. 2005. № 8. С. 123-126.

8. Доронин С.Ю., Макаров В. З., Чернова Р. К, Чумаченко А.Н., Данилов В.А., Федоров А.В., Юрасов Н.А. Анализ и оценка загрязненности речной воды и донных отложений р. Большой Иргиз соединениями марганца // Известия Саратов. ун-та. Новая серия. Сер.: Науки о Земле. Самара, 2010. Т. 10. Вып. 1. С. 9-15.

1739

9. Государственный доклад о состоянии окружающей среды и природных ресурсов в Самарской области в 2007 году. Самара, 2008. Вып. 18. 336 с.

10. Государственный доклад о состоянии окружающей среды и природных ресурсов Самарской области за 2010 год. Самара, 2011. Вып. 21. 336 с.

11. Королева А.И., Василевская Е.С., Булатова К.Ф. Определение содержания и форм существования меди (II) в прибрежных водах Таганрогского залива // Известия Южного федерального ун-та. Сер.: Технические науки. 2008. Т. 78. № 1. С. 223-224.

12. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 2006 году. Самара, 2007. Вып. 17. С. 325.

13. Богомолова Т.Г. Анализ влияния загрязненных донных отложений на кислородный режим водоема // Вестник МГСУ. 2009. № 4. С. 36-38.

14. Локтионова Е.Г., Яковлева Л.В. Применение санитарных показателей для оценки качества вод урбанизированных территорий

дельты Волги // Современные проблемы науки и образования.

2G12. № 4. С. 281-281.

Поступила в редакцию 17 мая 2014 г.

Shabanov V.A., Shabanova A.V. STUDY OF THE DYNAMICS OF WATER POLLUTION VETLYANSK RESERVOIR

The dynamics of water pollution Vetlyansk reservoir (Samara region) is studied. During the period 2GGG-2G11 the increase in the content of manganese and zinc and reduction of dissolved oxygen is marked. The role of sediment in the formation of the pollution level of the reservoir manganese is discussed.

Key words: Vetlyansk reservoir water quality; manganese; sulfates; copper; zinc; suspended solids.

Шабанов Всеволод Александрович, Самарский государственный архитектурно'-строительный университет, г. Самара, Российская Федерация, кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры природоохранного и гидротехнического строительства, e-mail: moineau@yandex.ru

Shabanov Vsevolod Aleksandrovich, Samara State University of Architecture and Civil Engineering, Samara, Russian Federation, Candidate of Technics, Professor, Professor of Nature Security and Hydro-technical Building Department, e-mail: moineau@yandex.ru

Шабанова Анна Всеволодовна, Самарский государственный архитектурно-строительный университет, г. Самара, Российская Федерация, кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры природоохранного и гидротехнического строительства, e-mail: moineau@yandex.ru

Shabanova Anna Vsevolodovna, Samara State University of Architecture and Civil Engineering, Samara, Russian Federation, Candidate of Chemistry, Associate Professor, Associate Professor of Nature Security and Hydro-technical Building Department, e-mail: moineau@yandex.ru

174G