Геоэкологический мониторинг искусственных водоемов Республики Калмыкия на базе геосистемного подхода

УДК 574.24

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ИСКУССТВЕННЫХ ВОДОЕМОВ РЕСПУБЛИКИ КАЛМЫКИЯ НА БАЗЕ ГЕОСИСТЕМНОГО ПОДХОДА

© С.С. Уланова

Ключевые слова: искусственные водоемы; мониторинг; площадь водной поверхности; экотонные системы; растительность.

Представлены результаты долговременного геоэкологического мониторинга по Чограйскому водохранилищу -изменение гидрологических параметров 1969-2013 гг. Рассмотрено влияние водохранилища на экотонную систему «вода-суша» в нижнем бьефе Чограя, в русле реки Восточный Маныч.

Организация специальной информационной системы наблюдения и анализа состояния природной среды -комплексного геоэкологического мониторинга водохранилищ на базе геосистемного подхода - в настоящее время является одной из актуальных задач современного природопользования [1]. Сущность этого подхода состоит в рассмотрении природных образований как целостных объектов (ландшафтов, геосистем, экосистем), выявлении взаимосвязей между ними и их компонентами, изучении их как среды жизни и деятельности человека [2]. К важнейшим функциям геоэкологического мониторинга относится оценка состояния и изменения окружающей природной среды. Оценка предполагает сравнение фактического или прогнозируемого состояния среды с заранее определенными критериями, в качестве которых могут выступать либо показатели исходного (фонового) состояния наблюдаемых компонентов и комплексов, либо различные нормативные показатели, характеризующие меру возможного воздействия человека на природу. Геоэкологическая оценка искусственных водоемов, в нашем понимании, - совокупность показателей, характеризующих последствия антропогенных изменений геосистем за более или менее длительный промежуток времени (чаще всего - за несколько лет) [3]. Основным методическим приемом в исследованиях было рассмотрение территории, подверженной влиянию, как экотонной системы «вода-суша» и состоящей из участков территории (структурно-функциональных блоков), испытывающих разное воздействие водохранилища: волновую абразию и длительное заливание на обнажающемся дне водохранилища (флуктуационный блок); заливание, абразию и аккумуляцию отложений на кратковременно заливаемом участке территории побережья (динамический блок); подтопление неглубоко залегающими к поверхности грунтовыми водами на более удаленном от уреза воды участке побережья (дистантный блок); косвенное влияние водоема через микроклимат - маргинальный блок [4].

Для оценки степени химического загрязнения поверхностных вод были проведены исследования проб воды по 70 химическим элементам в лаборатории Всероссийского научно-исследовательского института минерального сырья им. Н.М. Федоровского. Метода-

ми анализа масс послужили: спектральный с индуктивно-связанной плазмой (МС) и атомно-эмиссионный с индуктивно-связанной плазмой (АЭ) по методикам НСАМ № 480-ХС и ГОСТ Р 51309-99. Определение экологического состояния водного объекта оценивали по показателю химического загрязнения воды (ПХЗ-10) [5].

Исследования проводились согласно созданной и апробированной ранее нами методике комплексного изучения искусственных водоемов и экотонных зон «вода-суша» для аридных территорий, сочетающей наземные исследования с геоинформационными технологиями. Во время полевых работ проводилось топо-экологическое инструментальное профилирование прилегающих к водоемам территорий, сопровождающееся заложением ключевых участков и отбором проб для изучения: минерализации поверхностных вод; структуры и солевого режима почв; видового состава, обилия, проективного покрытия растительных сообществ; глубины залегания и минерализации грунтовых вод [6].

Чограйское водохранилище - один из крупных искусственных водоемов в Кумо-Манычском физикогеографическом районе. Оно было создано в 1969 г. в долине реки Восточный Маныч, которая сформировалась на сильно засоленных отложениях морского происхождения. Водные ресурсы Чограйского водохранилища слагаются из вод местного стока с водосборной площадью 13600 км2, водосборов балок Голубь, Чо-грай, Рагули площадью 4500 км2. Средняя минерализация вод местного стока составляет 5 г/л. Приточность воды в водохранилище из этих источников - примерно 26 млн м3 в год при обеспеченности Р = 75 %. Остальной сток задерживается 32 прудами. Однако основное питание Чограйского водохранилища - это привлеченный сток с рек Терек и Кума, поступающих по Терско-Манычскому водному тракту. Минерализация воды, текущей в Чограй по Кумо-Манычскому каналу, изменяется в пределах от 1,0 до 1,4 г/л при довольно благоприятном химическом составе - сульфатно-натриевокальциевом. Лимит водоподачи по Кумо-Манычскому каналу в Чограйское водохранилище составляет 536,9 млн м3. Водохранилище создавалось для многоцелевого использования: питьевого водоснабжения, ирригации, рыбоводства, рыболовства, рекреации. Водо-

1597

Таблица 1

Гидрологические параметры Чограйского водохранилища

Год S, км2 V, млн м3 Н, м Минерализация, г/л

1969 193 720 24,2 1,1

1975 142,5 408 22,8 1,5

1991 132,7 415 22,2 1,4

1999 113,4 300 21,0 2,5

2001 130,4 410 22,0 1,3

2003 130,6 410 22,1 1,4

2004 130,4 408 22,0 1,4

2007 79 190 19,6 1,7

2008 60 110 19,3 1,8

2009 93,2 265 20,9 2,6

2010 123,8 360 21,2 1,4

2011 125,9 400 21,9 1,6

2012 112,1 295 21,0 1,9

2013 78,67 190 19,9 2,9

Примечание: 1969 г. - фондовые данные; 1975 г. - топо-карта; 1991-1999 гг. - ИСЗ «Terra» EOS; 2001-2013 гг. - ИСЗ «Landsat-7» ETM+

хранилище простирается с запада на восток на 48,8 км. Наибольшая ширина у плотины - 8,8 км. Площадь акватории при НПУ 24,2 м составляет 193 км2. Полезный объем 0,67 км3. Средняя глубина водохранилища 3,7 м [7].

Многолетний геоинформационный мониторинг Чо-грайского водохранилища по данным материалов космической информации выявил значительную динамику гидрометрических параметров водного объекта в зависимости от антропогенного воздействия (табл. 1).

Более чем за 40-летний период функционирования площадь водоема несколько раз сокращалась до критических размеров. Минимальные значения площади были отмечены в 1999, 2007, 2008, 2013 гг. Причиной таких резких сокращений площади водного зеркала в 1999 г. явилась значительная сработка водохранилища в летний период в различных целях: в 1999-2000 гг. -для снижения минерализации водоема с последующим наполнением его преимущественно терской водой; в 2006-2008 и в 2012-2013 гг. - в связи с ремонтом плотины. В результате резких колебаний уровня воды, достаточно короткий промежуток времени и длительное маловодие привели к засолению водоема, гибели обширных массивов тростниковых плавней. Это, в свою очередь, повлияло на места обитания и гнездовий краснокнижных видов птиц, ухудшение почвенного покрова и снижение биоразнообразия растительности [6].

Таблица 2

Компоненты природных комплексов в блоках экотонной системы «вода-суша» в нижнем бьефе Чограйского водохранилища, на побережье р. В. Маныч

Компоненты экосистем

Блоки и их протяженность, м

в блоках Флуктуационный Динамический Дистантный Маргинальный

№ скважины 0 1 2 3 4

Расстояние от уреза воды, м 0 12,8 44,4 79,4 100 -

Превышение над урезом воды, м 0 0,28 1,03 1,49 1,8

УГВ, м, весна/осень 0 0,67/1,30 1/1,75 2,6/2,9 3,5 и >

Минерализация ГВ, г/л, весна/осень 1,73/1,89 7,56/20,85 16,60/62,67 63,69/68,15 -

Химизм, ГВ, г/л Ca2+-Cl- -SO42- Ca2+-Cl--SO42- 1 24 04 5 - +c3 Cl 1 24 04 5 Cl -

Почва (название) Солончак сульфатно- хлоридный луговый Солончак сульфатно- хлоридный луговый Луговые незасоленные глубоко- солончаковатые Светло-каштановые в комплексе с солонцами

max солей, % 1,68 3,42 0,38 -

Глубина его залегания, см 0-6 0-6 32-50 -

Средневзвешенный сухой остаток,% 1,34 1,94 0,19 -

Тип засоления почвы Na+-Cl--SO42- Na+-Cl--SO42- №+-а--Са2+ -

Укос, воздушно-сухой вес, г/м2, весна/осень 30/274 34/182 22/254 20/232

Количество видов растений, весна/осень 7/6 9/8 7/8 6/6

Сообщество Tamarix ramosissima- Phragmites australis-Scirpus lacustris- Salicornia europaea Petrosimonia triandra- Eremopyrum triticeum-Suaeda salsa Halocnemum strobilaceum -Eremopyrum triticeum-Poa bulbosa) Artemisia austriaca- Halocnemum strobilaceum

1598

Таблица 3

Химический состав поверхностных вод Чограйского водохранилища в центральной зоне

№ Элемент Содержание, мкг/дм3 Метод анализа № Элемент Содержание, мкг/дм3 Метод анализа

1. Литий 56 МС, АЭ 36. Серебро 0,33 МС

2. Бериллий <0,03 МС 37. Кадмий <0,04 МС, АЭ

3. Бор 420 МС, АЭ 38. Индий <0,02 МС

4. Натрий 180000 АЭ 39. Олово <0,40 МС

5. Магний 71000 АЭ 40. Сурьма 2,60 МС

6. Алюминий 24 МС, АЭ 41. Теллур <0,20 МС

7. Кремний 4300 АЭ 42. Цезий <0,03 МС

8. Фосфор общ. 63 МС, АЭ 43. Барий 53 МС, АЭ

9. Сера общая 210000 АЭ 44. Лантан <0,20 МС

10. Калий 12000 АЭ 45. Церий 0,17 МС

11. Кальций 89000 АЭ 46. Празеодим 0,022 МС

12. Скандий <3 МС 47. Неодим 0,080 МС

13. Титан <0,60 МС, АЭ 48. Самарий <0,02 МС

14. Ванадий <0,70 МС, АЭ 49. Европий <0,01 МС

15. Хром <0,60 МС, АЭ 50. Г адолиний <0,009 МС

16. Марганец 17 МС, АЭ 51. Тербий <0,02 МС

17. Железо 61 АЭ 52. Диспрозий <0,01 МС

18. Кобальт 0,46 МС, АЭ 53. Гольмий <0,02 МС

19. Никель 3,80 МС, АЭ 54. Эрбий <0,01 МС

20. Медь <2 МС, АЭ 55. Тулий <0,02 МС

21. Цинк <7 МС, АЭ 56. Иттербий <0,02 МС

22. Галлий <0,06 МС 57. Лютеций <0,02 МС

23. Германий <0,08 МС 58. Гафний <0,02 МС

24. Мышьяк <2 МС 59. Тантал <0,09 МС

25. Бром 610 МС 60. Вольфрам 0,30 МС

26. Селен <2 МС 61. Рений 0,10 МС

27. Рубидий 1,60 МС 62. Осмий <0,10 МС

28. Стронций 1900 МС, АЭ 63. Иридий <0,01 МС

29. Иттрий 0,08 МС 64. Платина <0,03 МС

30. Цирконий <0,20 МС 65. Золото <0,20 МС

31. Ниобий <0,06 МС 66. Таллий <0,02 МС

32. Молибден 8 МС 67. Свинец <0,50 МС, АЭ

33. Рутений <0,05 МС 68. Висмут <0,02 МС

34. Родий <0,03 МС 69. Торий <0,04 МС

35. Палладий <0,05 МС 70. Уран 5,50 МС

Таблица 4

Расчет формализованного показателя химического загрязнения (ПХЗ-10) для различных зон Чограйского водохранилища по веществам 3-4 класса опасности

№ п/п Зоны водохранилища Зона выклинивания подпора Центральная часть Приплотинная часть

Показатель ПДК Сі, мг/дм3 С / ПДК Сі, мг/дм3 Сі / ПДК Сі, мг/дм3 С / ПДК

1 Натрий 120 360 3 180 1,500 130 1,080

2 Магний 40 220 5,500 71 1,780 49 1,230

3 Стронций 0,400 5,900 14,750 1,900 4,750 1,600 4

4 Марганец 0,010 0,170 17 0,017 1,700 0,039 3,900

5 Сера 10 740 74 210 21 160 16

6 Медь 0,001 0,005 5,400 0,002 2 0,002 2

7 Молибден 0,001 0,018 18 0,008 8 0,007 7,200

8 Кальций 180 330 1,830 89 0,490 90 0,500

9 Железо 0,100 0,360 3,600 0,061 0,610 0,100 1

10 Бром 1,350 2,100 1,560 0,610 0,450 0,400 0,300

ПХЗ-10 144,638 42,281 37,204

1599

Результаты долговременного гидрологического мониторинга водохранилища показывают значительное увеличение его минерализации со времени ввода в эксплуатацию (табл. 1). Максимального значения она достигала в периоды наибольшего водосброса (20082009, 2012-2013 гг.).

Для изучения и оценки биоразнообразия экотонных систем и определения ресурсного потенциала побережий были выбраны ключевые участки, характеризующие различные биотопы побережий: в зоне выклинивания подпора, центральной, приплотинной части водоема [6], в нижнем бьефе водохранилища. Наиболее полно рассматривается нижний бьеф водохранилища. Топоэкологический профиль был заложен на расстоянии 5,7 км за плотиной по течению русла реки Восточный Маныч. Характеристики компонентов блоков: относительные отметки высот, УГВ, химизм, тип почв и их засоление, воздушно-сухой вес и количество произрастающих видов подробно представлены в табл. 2.

Минерализация поверхностных вод в русле реки Восточный Маныч (нижнем бьефе Чограя) оказалась в апреле и сентябре 2013 г. примерно одинаковой, с незначительным превышением в осенний период, составив 1,72 и 1,89 г/л, соответственно. Тип засоления с весны по осень изменился с кальциево-хлоридно-сульфатного на сульфатно-хлоридно-натриевый.

Оценку качества вод экологического состояния среды проводили по показателю химического загрязнения воды (ПХЗ-10). Критериям качества воды являются две величины показателя химического загрязнения природной воды (ПХЗ-10 веществ 1-2 классов опасности и ПХЗ-10 веществ 3-4 классов опасности) с их нормативными значениями. Качество воды определяется словами: экологическая обстановка исследуемой воды «относительно удовлетворительная» (ПХЗ-10 1-2 кл. оп. - 1; ПХЗ-10 3-4 кл. оп. - 10), или «чрезвычайная экологическая ситуация» (ПХЗ-10 1-2 кл. оп. -35-80; ПХЗ-10 3-4 кл. оп. - 500), или «экологическое бедствие» (ПХЗ-10 1-2 кл. оп. - более 80; ПХЗ-10 3-4 кл. оп. - более 500). Суммарный показатель химического загрязнения вод ПХЗ-10 рассчитывается по десяти соединениям, максимально превышающим ПДКр, с использованием формулы суммирования воздействий: ПХЗ-10 = (С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + ... + С10/ПДК10), где ПДКі - рыбохозяйственные нормативы (утв. приказом Росрыболовства № 20 от 18.01.2010 г.); Сі - концентрация химических веществ в воде. Станции для отбора проб поверхностных вод были расположены по профилю водохранилища: в зоне выклинивания подпора, в центральной зоне и у плотины. Результаты лабораторных испытаний были сведены в табл. 3.

Используя полученные показатели для каждого их трех ключевых участков водоема, был рассчитан формализованный индекс по десяти соединениям, максимально превышающим ПДКр (табл. 4).

В результате были получены следующие данные: ПХЗ-10 для зоны выклинивания подпора составило 144,64; ПХЗ-10 для центральной части - 42,28; для приплотинной части оказался равен 37,20. Согласно полученным значениям ПХЗ-10 (табл. 4) состояние водного объекта оценивается как чрезвычайная экологическая ситуация.

Таким образом, Чограйское водохранилище, испытывающее в настоящее время значительную антропогенную трансформацию, используется преимущественно для технического водоснабжения, ирригации (в меньшем объеме), водопоя скота, неорганизованной рекреации. По качественному составу воды водохранилище не соответствует государственным санитарноэпидемиологическим правилам и нормативам для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения.

Установленные закономерности свидетельствуют о необходимости пополнения вод водохранилища, При регулировании его уровня (водоподача и водосброс) нельзя допускать резких колебаний уровня, т. к. очень важная природоохранная функция перестает выполняться водоемом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курбатова И.Е. Космический мониторинг негативных ситуаций в прибрежных зонах крупных водоемов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 2. С. 52-59.

2. Емельянов А.Г. Комплексный геоэкологический мониторинг. Тверь: Твер. гос. ун-т, 1994. 263 с.

3. Новикова Н.М., Уланова С.С. Эколого-географическая оценка искусственных водоемов Калмыкии и экотонных систем «вода-суша» на их побережьях // Проблемы региональной экологии. 2008. № 2. С. 33-39.

4. Залетаев В.С. Структурная организация экотонов в контексте управления // Экотоны в биосфере / под ред. В.С. Залетаева. М.: РАСХН, 1997. С. 11-30.

5. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. 463 с.

6. Уланова С.С. Эколого-географическая оценка искусственных водоемов Калмыкии и экотонных систем «вода-суша» на их побережьях / отв. ред. Н.М. Новикова. М.: РАСХН, 2010. 254 с.

7. Химический состав и качественные показатели оросительных вод Калмыкии: отчет НИР / под ред. Л.В. Рудневой, В.Ф. Шматкина. Элиста: Кф ВНИИГиМ, 1999. 32 с.

Поступила в редакцию 20 мая 2014 г.

Ulanova S.S. GEOECOLOGICAL MONITORING OF ARTIFICIAL RESERVOIRS OF REPUBLIC OF KALMYKIA ON BASE OF GEOSYSTEM APPROACH

The results of long-term monitoring by Chograysky reservoir - changing hydrological parameters from 1969 to 2013. The effect of reservoir on the ecotone of the system of “water-land” in the downstream Chogray in the river bed East Manych.

Key words: artificial ponds; monitoring; water surface area; ecoton systems; vegetation.

Уланова Светлана Сергеевна, Институт комплексных исследований аридных территорий, г. Элиста, Республика Калмыкия, Российская Федерация, кандидат географических наук, зав. отделом экологических исследований, е-mail: svetaulanova@yandex.ru

Ulanova Svetlana Sergeyevna, Institute of Complex Researches of Arid Territories, Elista, Republic of Kalmykia, Russian Federation, Candidate of Geography, Head of Ecological Researches Department, е-mail: svetaulanova@yandex.ru

1600