ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТРАНСФОРМАЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДАХ НИЗОВЬЯ РЕКИ СЫРДАРЬИ

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология № 1 2017

УДК 502.656

Доктор техн. наук Ж.С. Мустафаев 1 Доктор техн. наук А.Т. Козыкеева 1

К.С. Абдывалиева 2

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТРАНСФОРМАЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДАХ НИЗОВЬЯ РЕКИ СЫРДАРЬИ

Ключевые слова: анализ, оценка, система, систематизация, загрязнения, вода, вещества, экология, состояние, антропогенная, природа, методика, трансформация

На основе систематизации и системного анализа многолетних информационно-аналитических материалов РГП «Казгидромет» по загрязнению воды низовьях реки Сырдарьи произведена оценка качества воды и их экологического состояния, которые позволяют определить интенсивность и направленность трансформации загрязняющих вещества в пространственно-временных масштабах в условиях антропогенной деятельности.

Актуальность. Рациональное использование и охрана водных ресурсов от загрязнения и истощения в бассейне Аральского моря были и остаются одной из важнейших гидроэкологических проблем в системе природопользования и обустройства речных бассейнов. Все более актуальной становится проблема загрязнения водных ресурсов Амударьи и Сырдарьи, являющихся основными водными объектами для бассейна Аральского моря в конце 20 и в начале 21 века, поскольку непрерывно увеличивается антропогенная нагрузка и темпы использования водных ресурсов в несколько раз превышают возможно-допустимые приделы природной системы. При очень высоком темпе антропогенного воздействия и чрезмерную техногенную нагрузку на природную систему бассейна Аральского моря, происходило изменение качества воды и нарушение существующих биоценозов рек Амударьи и Сырдарьи.

Таким образом, Амударья и Сырдарья находятся под многофакторным антропогенным воздействием, которое распространяется на био-

1 Казахский национальный аграрный университет, г. Алматы, Казахстан;

2 КазНИИ рисоводства им. Ы. Жакаева, г. Кызылорда, Казахстан 160

тические и абиотические характеристики. Для эффективного управления гидроэкологическим состоянием рек необходимо иметь многолетние информационно-аналитические данные, характеризующие состояние управляемой системы. Эти данные получают при проведении гидрологических, гидрохимических и гидробиологических наблюдений за водными объектами. Также необходимы данные обо всех существенных факторах влияния на состояние системы с использованием методов всесторонней оценки, позволяющей оценить качество воды.

Цель исследования - провести оценку экологического состояния нижнего течения р. Сырдарьи на основе многолетних наблюдений с помощью гидрохимических и гидробиологических показателей, а также определения индекса Шеннона, для выявления факторов негативно влияющих на ее экологическое состояние.

Материалы и методы исследования. Информационной базой для исследования послужили данные [1] и многолетние фондовые и литературные источники по гидрохимическим показателям [2, 5; 6], включающие данные по биохимическому потреблению кислорода (БПК5), азоту аммонийному (ЫН4), азоту нитритному (Ы02), азоту нитратному (Ы03),

хлоридам (С1), сульфатам (Б04), меди (Си ), цинку (Хп), натрию (Ыа ) и нефтепродуктам (табл. 1).

Таблица 1

Концентрация загрязняющих веществ в речной воде низовьев р. Сырдарьи в пространственно-временных масштабах, мг/дм3

Вещество Год

1985 1990 2000 2005 2010

Кокбулак

бпк5 1,130

ЫНА 0,09 0,05 0,040 0,040 0,045

N02 0,21 0,07 0,050 0,060 0,078

ЫОз 3,19 4,33 3,650 2,660 8,55

С1 83,44 117,70 268,960 78,520 135,0

Си 0,85 6,01 3,480 3,530 2,250

2п 2,25 3,84 6,560 5,210 5,683

Ыа 199,35 161,91 50,220 114,93 335,0

4 451,63 462,43 424,31 518,22 941,0

Нефть 0,09 0,100 0,050 0,110 0,097

Вещество Год

1985 1990 2000 2005 2010

Шардара

бпк5 1,710

МИ4 0,120 0,050 0,050 0,050 0,053

N02 0,100 0,040 0,030 0,040 0,032

м0ъ 2,580 2,950 2,420 1,850 9,34

С1 115,74 84,97 78,08 88,01 156,0

Си 0,140 3,170 3,040 3,130 2,500

2п 1,080 2,600 3,370 6,010 6,967

Ш 180,34 102,70 96,06 120,14 285,0

4 514,70 526,34 487,47 526,19 845,0

Нефть 0,09 0,080 0,080 0,090 0,052

Кызылорда

БПК5 3,140 2,325

МИ4 0,090 0,060 0,050 0,070 0,105

N02 0,0з0 0,030 0,020 0,010 0,010

МОз 2,180 2,690 2,410 1,060 3,47

С1 124,82 84,19 85,01 121,80 214,7

Си 1,100 2,740 3,850 2,80 2,500

2п 2,470 1,740 7,10 3,40 5,20

Ш 188,98 126,00 111,92 188,14 603,0

4 471,73 513,75 525,06 388,19 620,0

Нефть 0,08 0,120 0,120 0,061 0,30

Казалинск

БПК5 3,530 2,606

МИ4 0,090 0,080 0,050 0,080 0,138

N02 0,020 0,030 0,020 0,020 0,012

м0з 1,720 2,550 2,150 1,240 5,10

С1 156,06 92,73 123,37 123,23 298,0

Си 1,090 0,340 4,08 3,10 7,80

2п 2,71 0,030 5,47 4,590 8,80

Ш 208,08 172,33 147,03 176,95 630,3

4 650,81 643,33 566,98 398,38 1383,0

Нефть 0,240 0,100 0,030 0,102 0,102

В теоретическом и методологическом отношении исследования основываются на современных представлениях о системоформирующей

роли речного стока, структуре и функциях водосборов, определяющих условия жизни людей и функционирование экологических систем.

Для оценки качества водных ресурсов и экологического состояния водных экосистем в практике водного хозяйства широко используются методы, основанные на использовании комплексных показателей. Это предел допустимых изменений (ПДИ) [8], порог критического действия (ПДВВ) [10], предельно-допустимая концентрация (ПДК) [10], гидрохимический индекс загрязнения (ГЗВ) [10], а также методологическое обеспечение Н.Г. Булгакова [3], В.П. Емельяновой [7], Т.Н. Моисеенко [9], М.Ж. Бурлибаева [4] и В В. Шабанова [11].

Оценка качества воды и экологического состояния водных объектов в бассейне Сырдарьи оценивается по методу В.В. Шабанова, с помощью коэффициента предельного загрязнения (Кпз) [11]:

1 М С

К = .1. У-С--1

м N 1=1 ПДК '

где I - номер загрязняющего воду вещества; N - количество учитываемых веществ; ПДК{ - предельно-допустимая концентрации учитываемых веществ; С{ - фактическая концентрация учитываемых веществ; Кпз - коэффициент, характеризующий качество воды, состояние водного объекта и его водохозяйственное значение. Классификация Кпз приведена в табл. 2.

Таблица 2

Классификация качества воды по показателю Кпз, [11]

Очень чистая Чистая Умеренно чистая Загрязненная Грязная Очень грязная

< -0,80 -0,81...0,00 0,01.1,00 1,1.3,0 3,1.5,0 > 5,1

Результаты исследования. Интенсивное использование водных ресурсов Сырдарьи, резкое изменение её гидрохимических параметров, в результате сброса в воду самых разнообразных загрязнителей антропогенного происхождения, способствует разрушению естественных экосистем. Оценка качества воды и экологического состояния водных объектов необходима на территории Кызылординской области, потому что она является зоной маганизирования поверхностного стока бассейна Аральского моря. Оценка качества воды и экологического состояния в низовьях р. Сырдарьи проводилась с интервалом в пять лет. Это необходимо для выявления направленности и интенсивности гидрохимического процесса в экосистемах Кызылординской области, как среды обитания человека (табл. 3).

Таблица 3

Оценка загрязненности воды в низовье р. Сырдарьи по коэффициенту предельной загрязненности

Вещество ПДК, Год

мг/л 1985 1990 2000 2005 2010

Кокбулак

бпк5 3 -0,623

ми 4 0,5 -0,820 -0,900 -0,920 -0,920 -0,910

n02 0,08 1,625 -0,125 -0,375 -0,250 -0,025

М03 9,1 -0,650 -0,524 -0,599 -0,707 -0,060

С1 300,0 -0,722 -0,608 -0,103 -0,738 -0,550

Си 1,0 -0,150 5,010 1,480 2,350 1,250

2п 1,0 1,250 1,840 5,560 4,210 4,683

Ма 120,0 0,661 0,349 -0,581 -0,042 1,792

100,0 3,519 3,624 3,243 4,182 8,410

Нефть 0,10 -0,100 0,000 -0,500 0,100 -0,030

К пз 0,512 0,963 0,800 0,909 1,394

Шардара

бпк5 3 -0,430

ми 4 0,5 -0,760 -0,900 -0,900 -0,900 -0,894

n02 0,08 0,250 -0,500 -0,625 -0,500 -0,600

N03 9,1 -0,716 -0,576 -0,731 -0,796 -0,026

С1 300,0 -0,614 -0,716 -0,740 -0,707 -0,480

Си 1,0 0,400 2,170 2,040 2,130 1,500

2п 1,0 0,080 1,600 2,370 5,010 5,967

Ма 120,0 0,503 -0,144 -0,199 0,001 1,375

Б0А 100,0 4,147 4,263 3,875 4,262 7,450

Нефть 0,10 -0,100 -0,200 -0,200 -0,100 -0,480

К пз 0,354 0,555 0,543 0,933 1,338

Кызылорда

бпк5 3 0,047 -0,225

ми 4 0,5 -0,820 -0,880 -0,900 -0,860 -0,790

n02 0,08 -0,625 -0,625 -0,750 -0,875 -0,875

N03 9,1 -0,760 -0,704 -0,735 -0,884 -0,618

С1 300,0 -0,584 -0,719 -0,716 -0,594 -0,284

Си 1,0 0,100 1,740 2,850 1,800 1,500

2п 1,0 1,470 0,740 6,100 2,400 4,200

Ма 120,0 0,575 0,050 - 0,067 0,568 4,038

Вещество пдк, Год

мг/л 1985 1990 2000 2005 2010

100,0 3,717 4,137 4,251 2,882 5,200

Нефть 0,10 -0,200 0,200 0,200 -0,390 2,000

К пз 0,319 0,415 1,137 0,409 1,415

Казалинск

бпк5 3 0,177 -0,131

NN4 0,5 -0,820 -0,840 -0,900 -0,840 -0,724

N02 0,08 -0,750 -0,625 -0,725 -0,725 -0,850

N03 9,1 -0,811 0,719 -0,764 -0,864 -0,439

С1 300,0 -0,480 -0,691 -0,589 -0,589 -0,007

Си 1,0 0,090 -0,660 3,080 2,100 6,800

Хп 1,0 1,710 -0,970 4,470 3,590 7,800

N0. 120,0 0,734 0,436 0,225 0,474 4,250

804 100,0 5,508 5,433 4,669 2,984 12,830

Нефть 0,10 1,400 0,000 -0,700 0,020 0,020

К пз 0,731 0,311 0,974 0,633 2,955

Исследования качества воды в низовье р. Сырдарьи, начиная с границы Республики Узбекстан (ГП Кокбулак) до устья реки (ГП Казалинск) позволили определить направленность и интенсивность загрязнения главными ионами (С1, Na, 80 4), биогенными элементами (NN4, N0-2^, NO3) и тяжелыми металлами (Си, Хп ). Как видно из данных табл. 3 вода в низовье Сырдарьи в основном загрязнена тяжелыми металлами (Си, Хп), сульфатами (804) и нефтепродуктами. Это необходимо учитывать при разработке природоохранных мероприятий в исследуемом районе.

Следует отметить, что Кпз увеличивается от ГП Кокбулак до

ГП Казалинск и по величине относится к категории загрязненных вод.

Для оценки экологического состояния водной экосистемы использованы зависимости индекс Шеннона (Н) и коэффициента предельной загрязненности В.В. Шабанова (Кпз), которые имеют следующей вид: Кпз =-7,17 • 1пН + 6,104, Я2 = 0,921 ; Н = 2,2882 • ехр (-0,128 • Кт ), Я2 = 0,921 .

На основе уравнения связи индекса Шеннона ( Н ) и коэффициента предельной загрязненности ( Кпз ) определены их количественные значе-

ния по гидрологическими постами расположенным в низовье р. Сырдарьи во временном масштабе (табл. 4).

Таблица 4

Сравнительная оценка экологического состояния водной экосистемы по индексу Шеннона

Пост Показатель Год

1985 1990 2000 2005 2015

Кокбулак К пз 0,512 0,963 0,800 0,909 1,394

Н 1,935 2,023 2,065 2,036 1,914

Шардара К пз 0,354 0,555 0,543 0,933 1,338

Н 2,187 2,099 2,135 2,031 1,928

Кызылорда К пз 0,319 0,415 1,137 0,409 1,415

Н 2,197 2,170 1,978 2,172 1,909

Казалинск К пз 0,731 0,311 0,974 0,633 2,955

Н 2,034 2,199 2,020 2,110 1,568

Представленные в табл. 4 значения, позволили получить характеристику качества воды (рис. 1, табл. 5).

Кв 3,0

2,5 - 1

2,0 _ 3

1,5 -о- - 4

1,0

0,5 ~~~~~~~____

о*—

0,0 I 1 1 1

0 20 40 60 Й0 100

Обеспеченность °о

Рис. 1. Кривая обеспеченности коэффициента предельной загрязненности.

1 - Кокбулак, 2 - Шардара, 3 - Кызылорда, 4 - Казалинск.

Зависимость коэффициента предельной загрязненности (Кпз) в

расчетной обеспеченности (Р) были аппроксимированы функцией, представляющей собой экспоненты (табл. 5).

На основе данных табл. 4 построены кривые зависимости индекса Шеннона ( Н ) в расчетной обеспеченности ( Р ) и по ним получена кривая связи (табл. 6, рис. 2). 166

Таблица 5

Зависимость коэффициента предельной загрязненности (Кпз) в расчетной обеспеченности (Р ) для различных гидрологических постов

Пост Уравнение связи Коэффициент детерминации

Кокбулак К пз = 0,459 • exp(0,012 • Р) Я2 = 0,915

Шардара К пз = 0,255 • exp(0,019 • Р) Я2 = 0,955

Кызылорда Кпз = 0,175 • exp(0,026 • Р) Я2 = 0,853

Казалинск Кпз = 0,185 • exp(0,030 • Р) Я2 = 0,905

н

2,5 2,4 2,3

1,5 -1-1-1-1-1-1-1-1-1

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Обеспеченность %

Рис. 2. Кривая обеспеченности индекса Шеннона (Н). 1 - Кокбулак, 2 - Шардара, 3 - Кызылорда, 4 - Казалинск.

Таблица 6

Зависимость индекса Шеннона (Н ) в расчетной обеспеченности (Р) для различных гидрологических постов в низовье р. Сырдарьи

Пост Уравнение связи Коэффициент детерминации

Кокбулак Н = 0,119 • 1П(Р) + 1,599 Я2 = 0,930

Шардара Н = 0,153 • 1П(Р) + 1,513 Я2 = 0,975

Кызылорда Н = 0,190 • 1П(Р) + 1,380 Я2 = 0,909

Казалинск Н = 0,351 1П(Р) + 0,681 Я2 = 0,878

Таким образом, на основе системного анализа и прогнозных расчетов по определению коэффициента предельной загрязненности и индекса Шеннона оценено качество воды и экологическое состояние водной экосистемы в низовье р. Сырдарьи, т.е. качество воды оценивается как «умеренно-загрязненное (мезоэвтрофные)» и «загрязненное (эвтрофные)».

Обсуждение. Оценено качество воды и экологического состояния водной экосистемы в низовье р. Сырдарьи, что позволило определить степень, интенсивность, направленность и характер загрязнения водных объектов в пространственно-временном масштабе. Получена зависимость коэффициента предельной загрязненности (Кпз) и индекса Шеннона (Н ) в

расчетной обеспеченности ( Р ). Подобные исследования дают возможность разработать систему мероприятий по рациональному природопользованию и предотвращению возможных чрезвычайных ситуаций, на основе количественных характеристик процессов естественного самоочищения природных систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аналитический отчет «Качество воды в бассейнах рек Амударья и Сырдарья». - Ташкент: (РЭЦ ЦА), 2011. - 31 с.

2. Базарбаев С.К., Бурлибаев М.Ж., Кудеков Т.К., Муртазин Е.Ж. Современное состояние загрязнения основных водотоков Казахстана ионами тяжелых металлов. - Алматы: Канагат, 2002. - 196 с.

3. Булгаков Н.Г. Экологически допустимые уровни абиотических факторов в водоемах России и сопредельных стран. Зависимость от географических и климатических особенностей // Водные ресурсы. - 2004. -№2. - Том 31. - С. 193-198.

4. Бурлибаев М,Ж., Фащевский Б.В., Опп К., Бурлибаева Д.Ж., Кайдарова Р.К., Вагапова А.Р. Научные основы нормирования экологического стока рек Казахстана. - Алматы: 2014. - 408 с.

5. Бурлибаев М.Ж., Амиргалиев Н.А., Шенбергер И.В., Сокальский В.А., Бурлибаева Д.М., Уваров Д.В., Симернова Д.А., Ефимонко А.В., Милюков Д.Ю. Проблемы загрязнения основных трансграничных рек Казахстана. - Алматы: Канагат, 2014. - Том 1. - 742 с.

6. Бурлибаев М.Ж., Муртазин Е.Ж., Искаков Н.А., Кудеков Т.К., Базарбаев С.К. Биогенные вещества в основных водотоках Казахстана. -Алматы: Канагат, 2003. - 723 с.

7. Емельянова В.П., Данилова Г.Н., Родзиллер И.Д. Способ обобщения показателей для оценки качества поверхностных вод // Гидрохимические материалы. - 1980. - Т. 77. - С. 88-96.

8. Калихман А.Д., Педерсен А.Д., Савенкова Т.П., Сукнев А.Я. Методика «пределов допустимых изменений» на Байкале - участке Всемирного наследия ЮНЕСКО. - Иркутск: Оттиск, 1999.

9. Моисеенко Т.И. Методические подходы к нормированию антропогенных нагрузок на водоемы Субарктики (на примере Кольского севера) / Проблемы химического и биологического мониторинга экологического состояния водных объектов Кольского севера. - Аппатиты: Кольский научный центр, 1995. - С. 7-23.

10. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения. - М.: Минздрав СССР. - 1988. - 74 с.

11. Шабанов В.В., Маркин В.Н. Метод оценки качества вод и состояния водных экосистем. - М: МГУП, 2009. - 154 с.

Поступила 8.02.2017

Техн. гылымд. докторы Ж.С. М^стафаев Техн. гылымд. докторы Э.Т. ^озыкеева

К.С. Абдывалиева

СЫРДАРЬЯ еЗЕНшщ ТеМЕНП саласындагы суындагы ЗАСТАУШЫ ЗАТТАРДЬщ ЦОЙЫРТПАГЫНЬщ ТАСЫМАЛДАУ ДЭРЕЖЕС1Н ГЕОЭКОЛОГИЯЛЬЩ Т¥РГЫДА БАГАЛАУ

Тушн свздер: талдау, багалау, жYЙе, жуйелеу, ластану, су, заттар, экология, жагдай, техногендiк, табигат, эдiстеме, трансформация

«/азгидромет» ужымыныц квп жылдъщ Сырдарья озентщ твменг1 саласыныц ластануы туралы ащпараттыщ-талдамалыщ мэл!меттер1н жуйелеу жэне жуйелгк талдаудыц неггзгнде, оныц суыныц сапасын жэне экологиялыщ жагдайын багалауды жург1зудщ нэтижеанде, табиги-техногендт жагдайдагы ластаушы заттардыц ке^стт-уащыт масштабындагы тасмалдау багыты жэне щарщыны аныщталган.

Mustafayev ZH.S., Kozykeeva A.T., Abdiyvaliyeva K.S.

GEO-ECOLOGICAL ASSESSMENT TRANSFORMATION CONCENTRATION OF POLLUTANTS IN THE LOWER REACHES

SYRDARIA WATERS

Keywords: analysis, evaluation system, systematization, dirt, water, material, ecology, state, anthropogenic nature, methods, transformation

On the basis of ordering and system analysis of long-term information and analytical materials RSE «Kazhydromet» Pollution of water downstream of the Syr Darya evaluated water quality and environmental conditions that allow us to determine the intensity and direction of the transformation of pollutants in the space-time scale in terms of human activities.