Эколого-гидрогеохимические особенности формирования качества вод в москворецкой и волжской водохозяйственных системах

УДК [911.2:550.4]574

DOI: 10.24411/1728-323X-2019-13052

ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОД В МОСКВОРЕЦКОЙ И ВОЛЖСКОЙ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ

М. А. Хрусталева, кандидат географических наук, с. н. с. кафедры физической географии и ландшафтоведения МГУ им. М. В. Ломоносова (ФГБОУ ВО МГУ им. М. В. Ломоносова), Москва, Россия,

С. В. Суслов, кандидат географических наук, ст. преподаватель кафедры земледелия и растениеводства Государственный университет по землеустройству (ФГБОУ ВО ГУЗ), Москва, Россия

Эколого-гидрогеохимические современные комплексные экспедиционные, стационарные, режимные, экспериментальные исследования компонентов ландшафтов весьма актуальны в XXI веке и имеют научное и практическое значение для оценки экологического состояния и определения количественного содержания элементов в их компонентах с учетом результатов данных химических анализов, которые определяют пути миграции, аккумуляцию для выявления источников загрязнения с целью уменьшения степени негативного воздействия на ландшафты путем разработки и внедрения новых инноваций, направленных на улучшение экологической обстановки при введении рационального природопользования и эффективной охраны. При формировании химического состава вод важно учитывать вынос весенними водами элементов из ландшафтов. Для примера приводим экспериментальные данные наших наблюдений и расчетов по выносу биогенных элементов из антропогенных ландшафтов, которые превышали таковые в лесных и луговых в 2—9 раз.

Modem complex ecological and hydro-geochemical expeditionary, stationary, regime, and experimental studies of landscape components are highly relevant in the 21st century and have scientific and practical significance for assessing the ecological state and determining the quantitative content of the elements in their components, taking into account the results of these chemical analyzes that determine migration routes, accumulation to identify sources of pollution in order to reduce the degree of negative impact on the landscapes by developing and introducing new innovations aimed at improving the environmental situation with the introduction of environmental management and effective protection. When forming the chemical composition of water, it is important to take into account the removal of the elements from landscapes by spring waters. For example, we give the experimental data of our observations and calculations on the removal of biogenic elements from anthropogenic landscapes, which were 2 to 9 times higher than those in the forest and meadow.

Ключевые слова: ландшафты, компоненты, элементы, миграция, аккумуляция, барьеры, загрязнение, мониторинг, рациональное природопользование, охрана, новые инновации.

Keywords: landscapes, components, elements, migration, accumulation, barriers, pollution, monitoring, rational nature management, protection, new innovations.

Введение. Эколого-гидрогеохимические комплексные мониторинговые исследования имеют важное научное и практическое значение для улучшения экологии и качества вод.

Исследования проводили в бассейнах ландшафтов Москворецкой и Волжской водохозяйственных систем Московского региона, приуроченных к подзоне хвойно-широколист-венных лесов с зональными дерново-подзолистыми почвами [2, 3]. Заметим, что создание водохранилищ в Европейской части России относится к XX веку. При их образовании ставили цели бесперебойного снабжения населения, промышленности и сельского хозяйства чистой пресной водой. Одновременно создание многих водохранилищ улучшало условия судоходства на реках, обеспеченность народного хозяйства электроэнергией ГЭС. Вместе с тем в результате создания водохранилищ возникло много новых проблем, связанных с их негативным влиянием на окружающую среду. Многие неблагоприятные последствия связаны с затоплением плодородных пойменных земель и изъятием их из сельскохозяйственного оборота. Заполнение чаши водохранилищ привело к подъему уровня грунтовых вод. На прилегающих к водохранилищам ландшафтах значительные площади подтопленных пашен не пришлось использовать.

Важная роль в исследовании особенностей формирования качества вод в ландшафтах уделялась изучению эколого-гид-рогеохимических мониторинговых комплексных исследований, которые имеют важное научное и практическое значение. Они велись в бассейнах ландшафтов Москворецкой и Волжской водохозяйственных систем [2, 3]. Особое значение уделяли выявлению особенностей формирования качества вод в водохозяйственных системах [2, 4], установлению закономерностей миграции и аккумуляции химических элементов на биогеохимических барьерах [5, 8], выявлению источников загрязнения с экологической оценкой их состояния.

Объекты и методы исследования

Экспедиционные исследования проводили ландшафтно-геохимическим методом, когда профиля закладывали в направлении потока вещества — от автономных позиций к подчиненным. Объектами исследований являются следующие виды ландшафтов: лесные, луговые, гидроморфные, антропо-

генные, а также аквальные и трансаквальные с отбором и последующим химическим анализом проб: атмосферных осадков (твердых и жидких), вод весеннего половодья и летне-осенних паводков, поверхностных, грунтовых и подземных [3]. Отбирали для анализа — растительность: укосы и отдельные виды растений; фракции древесных и кустарниковых пород, лесной опад [7]; береговые и затопленные водами водохранилищ почвы [8], весенние наилки, почвообразующие породы, донные отложения водоемов и рек.

Формирование химического состава вод происходит в основном на поверхности почвы, а в лесных ландшафтах — еще и в лесной подстилке. Поверхность исследованных ландшафтов неоднократно подвергалась воздействию оледенений, которые формировали плоский и волнистый, грядово-холмистый рельеф с абсолютными высотами 209—240 м [2, 3]. Формирование современных ландшафтов относится к позднеголоце-новому времени, а завершение их оформления — к концу четвертичного периода.

Миграция вещества в ландшафтах происходит воздушным, водным и биогенным путем в латеральном и радиальном направлении. Для определения количественных показателей во временном аспекте выявляли пути миграции, аккумуляцию, источники поступления загрязнителей от автотранспорта, ТЭЦ, АЗС; животноводческих, птицеводческих, свиноводческих комплексов, различных стоков; от внесения удобрений без соблюдения норм и правил; дачных кооперативов, радиации, рекреации и других источников [9] с последующей разработкой и внедрением новых инноваций в производство для ликвидации или уменьшения негативного воздействия на ландшафты.

Заметим, что наиболее подвижной фазой вещества в ландшафтах является водная, которая играет главную роль в формировании гидрогеохимических свойств ландшафтов.

При формировании химического состава вод уделяется особое внимание составу пород, которые и определяют состав вод. Следует отметить, что особенности формирования компонентов ландшафтов обусловливает литогенная основа, представленная породами карбона (известняками, доломитами, мергелями) и частично глинами юры. Известно, что химический состав поверхностных, почвенных, грунтовых и подземных вод тесно связан с составом пород. Порода оказывает влияние на концентрацию химических элементов в них.

Источником поступления кальция в воды являются известняки и доломиты, известковистый

цемент пород карбона, растворение которых происходит по следующему уравнению:

СаСО3 + СО2 + Н2О о Са(НСО3)2 о о Са2 + 2НСО3.

При растворении гипса и кальцийсодержащих силикатов наблюдается поступление кальция в воду при просачивании осадков через почвенные горизонты. Необходимо отметить воздействие на химический состав вод водохранилищ гидротехнических бетонных сооружений, которые при соприкосновении с их водами способствуют вымыванию из них кальция [10].

Несанкцинированные вырубки лесов в водоохранных зонах водохранилищ нарушают положения Водного Кодекса РФ, что в итоге разрушает эмерджентность биогеохимического барьера, способствуя беспрепятственному проникновению в его воды загрязняющих веществ с поверхности автономных ландшафтов водосбора, способствуя развитию эвтрофикации, ухудшению качества вод.

В водоохранной зоне Пестовского водохранилища, входящего в состав водохранилищ канала имени Москвы Волжского водоисточника, расположено несколько турбаз и домов отдыха, дачные и садовые участки и сельские поселения. Высокая посещаемость лесов привела к тому, что в лесах лесная подстилка разрушена, почва уплотнена, напочвенный травяно-кустарничковый покров вытоптан. Особенно загрязнены тяжелыми металлами участки около пристаней, автобусных остановок и на полянах массового отдыха. Учитывая сильное нарушение лесных фитоценозов, наличие уклонов, отметим большую опасность поступления тяжелых металлов с поверхностным стоком в водохранилище, что подтверждается значительно более худшим качеством воды Пестовского водохранилища по сравнению с Учинским [14, 16].

Для борьбы с эвтрофикацией ученый МГУ им. М. В. Ломоносова С. А. Остроумов, наряду с другими мероприятиями, рекомендует проводить самоочищение вод, уменьшение содержания в водах азота и фосфора, сдерживающих цветение водорослей, использовать гидробионты, задерживающих развитие эвтрофикации [11].

Следует отметить, что проблема состояния и качества вод является основной. Данные анализов проб воды весеннего половодья, отобранные по катене и проанализированные М. А. Хруста-левой, свидетельствуют о тенденции повышения их концентрации от верхней части катены к нижней и от начала половодья к его окончанию. Хи-

мический состав весенних вод гидрокарбонат-но- и сульфатно-кальциевый с минерализацией от 30 до 344 мг/л. Реакция водородных ионов — от кислой до нейтральной. Понижение величин рН в начале половодья обусловлено кислой средой и вымыванием из оттаявших слоев почв гу-миновых кислот.

При формировании химического состава вод в ландшафтах водосбора важное значение имеет вынос элементов [12]. В изученных ландшафтах существует тесная связь компонентов автономных позиций ландшафтов с подчиненными. Выявлена тенденция увеличения содержания химических элементов в водах от начала весеннего половодья к его окончанию и в направлении от автономных позиций ландшафтов к подчиненным [5, 6, 12]. Примером может служить расчет данных по выносу водами весеннего половодья различных форм биогенных элементов — азота и фосфора [12].

В результате проведения эколого-гидрогеохи-мических исследований выявлены максимальные (4,04 кг/га) концентрации общего азота в водах ландшафтов антропогенных катен с господством минеральных форм, в составе которых преобладал нитратный азот [3, 12].

Авторами было установлено, что наименьшее содержание соединений аммонийного азота наблюдается у Листвянской ГЭС Учинского водохранилища. Воды Иваньковского водохранилища содержат больше аммонийного азота, чем воды Учинского водохранилища, что требует усиления водоохранных мероприятий на водосборе Иваньковского водохранилища [15].

При формировании химического состава вод необходимо учитывать вынос элементов из ландшафтов. Так, по нашим расчетам, вынос биогенных элементов с весенними водами из антропогенных ландшафтов в 2—9 раз превышал таковой из лесных и луговых.

Сезонная динамика содержания химических соединений в притоках водохранилищ Волжского водоисточника приведена в таблице.

Анализ таблицы показывает, что на некоторых притоках водохранилищ (река Саморядовка и река Уча (дер. Сухарево) превышено содержание аммонийного азота, что свидетельствует о поступлении его в водохранилища со стоками от животноводческих ферм и от стоков с сельскохозяйственных угодий. Также отмечена повышенная цветность воды, особенно весной в период весеннего половодья (река Вязь, река Саморядов-

Таблица

Сезонная динамика содержания химических соединений в притоках водохранилищ Волжского водоисточника, мг/л

Сезоны года

Ингредиент

Название притока водохранилища

8 О в Я

О в _ ИВ. о а ч ш 3 ю

я и о Рч в .

. в ш

8-М

5 §

8 О

л =

2 он ч .

о §.

^ л

8 о в я

£Ъ в 8 ' Ш

а  о

э

ь

° г £ ( я

и

о

Я X

в §

ь о

н

я Рн

я £

£

я В

ч ==

Л ЕС

к О

£

я ' £

о

я в £ 8

й ^

8 1=3

ПДК

Зима

Аммонийный азот Окисляемость Цветность Фосфаты

1,96 3,64 12 0,23

0,06 1,90 5

0,17

4,37 6,64 15 5,32

0,88 5,00 15

4,02

1,41 4,00

9 1,85

2,37 7,64

9 0,42

6,10 11,50 28 4,09

0,67 3,14

9 0,29

2,0 5,0 20 3,5

Весна

Аммонийный азот Окисляемость Цветность Фосфаты

0,21 9,94 36 0,31

0,05 5,17 10

0,19

2,64 11,27 41 3,27

0,63 9,67 24 2,39

0,90 10,87 32 1,20

1,62 9,94 31

0,53

1,74 17 66 3,24

0,49 10,47 49 0,41

2,0 5,0 20 3,5

Лето

Аммонийный азот Окисляемость Цветность Фосфаты

0,11 7,20 19 0,43

0,05 4,97

9 0,27

2,81 8,40 24 8,09

0,47 9,94 24 5,39

0,64 8,54 18 1,15

1,15 7,10 17 1,09

0,09 13 48 4,67

0,06 7,24 24 0,24

2,0 5,0 20 3,5

Осень

Аммонийный азот Окисляемость Цветность Фосфаты

0,22 3,94 12 0,21

0,05 1,87 8

0,14

2,88 5,37 16 5,90

0,52 6,74 16 2,62

0,60 4,50 11 1,20

1,12 4,94 11

0,70

0,49 8

27 2,46

0,21 3,67 11

0,36

2,0 5,0 20 3,5

ка, река Уча (дер. Аксаково и дер. Сухарево), река Клязьма (дер. Свистуха, дер. Лунево).

Заключение

Проведение эколого-гидрогеохимических исследований необходимо для определения их концентраций в водах водохранилищ, определения путей миграции, аккумуляции элементов, выявления источников загрязнения с целью снижения ущерба, приносимого антропогенным воздействием.

Для улучшения качества вод рекомендуем за-лужать прибрежные участки водоохранных зон, соблюдать положения Водного Кодекса Российской Федерации по использованию и охране вод. Важно регулировать строительство дачных кооперативов вблизи источников водоснабжения, регулировать нагрузку туристов и транспорта на эти ландшафты. Для улучшения свойств и качества вод необходимо разрабатывать и внедрять новые инновационные технологии в производство.

Библиографический список

1. «Водный Кодекс Российской Федерации» от 03.06.2006 № 74-ФЗ (в ред. от 20.07.2017 г.).

2. Анненская Г. Н., Жучкова В. К., Калинина В. Р., Мамай И. И., Низовцев В. А., Хрусталева М. А., Цесельчук Ю. Н. Ландшафты Московской области и их современное состояние. — Смоленск: Изд-во СГУ, 1997. 296 с.

3. Хрусталева М. А. Экобиогеохимия ландшафтов. Изд-во LAPLAMBER Academic Publishing. Saarbrucken Deutshland / Германия. 2015. 352 с.

4. Даценко Ю. С. Формирование и трансформация качества вод в системах источников водоснабжения города Москвы // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук. — М.: Типография «11 Формат», 2015. 49 с.

5. Хрусталева М. А. Мониторинг гидрогеохимических изменений ландшафтов // Матер. V Междунар. конф., Тюмень, 1—3 октября 2014 г. Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов. — Тюмень, Изд-во Тюменского гос. ун-та, 2014. С. 239.

6. Хрусталева М. А. Водотоки Московского региона. Эколого-гидрохимические особенности // Матер. Всерос. научно-практической конференции. Геолого-геохимические проблемы экологии. 26—27 апреля 2012 г. — М.: ИМГРЭ, 2012. С. 123—125.

7. Гидротехнические сооружения. Ч. 1. — М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. 576 с.

8. Хрусталева М. А. Экобиогеохимические исследования моренных ландшафтов. — (Барнаул, 23—26 мая 2018 г.). — Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии. Сборник научных статей по материалам XV Международной научно-практической конференции. (Барнаул, 23—26 мая 2016 г.). — Барнаул. Изд-во Алтайского госуниверситета, 2016. С. 494—500.

9. Хрусталева М. А. Водопользование и экология. Предупредить и защитить. Вода Magazine. — М.: ООО Типография «Мосполиграф», 2012, № 9. — С. 56—60.

10. Хрусталева М. А. Изменение свойств почв под влиянием подтопления водохранилищами // Матер. Междунар. на-учно-практич. конф. (17—20 сентября 2015 г., Минск-Беларусь). 211—216 с.

11. Хрусталева М. А., Суслов С. В., Груздев В. С., Груздева Л. П. Эколого-биогеохимические исследования ландшафтов моренных равнин. География и экология: научное творчество, дисциплинарность, образовательные технологии: материалы Междунар. научно-практич. конф. М.: ИИУ МГОУ, 2017. — 170—173 с.

12. Остроумов С. А. Гидробионты в самоочищении вод и биогенной миграции элементов. — М.: Макс Пресс, 2008. 200 с.

13. Санитарные правила и гигиенические нормы 2.1.4. 1074—01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. — М.: Минздрав России, 2002. 38 с.

14. Груздев В. С., Груздева Л. П., Суслов С. В. Изменение состава и структуры компонентов ландшафтов лесной зоны в условиях техногенеза. — М.: ИНФРА-М, 2019. — 177 с.

15. Суслов С. В. Изменения химического состава воды водохранилищ канала имени Москвы // Вестник Оренбургского Государственного университета. — 2017. № 12 (212). С. 34—37.

16. Груздева Л. П., Шаповалов Д. А., Балоян Б. М., Груздев В. С. Аккумуляция тяжелых металлов макрофитами в зависимости от состава воды и донных отложений // в сб. Антропогенная динамика растительного и почвенного покровов лесной зоны. Сборник научных трудов кафедры. М.: 2011. С. 66—77.

ECOLOGICAL-HYDROGEOCHEMICAL PECULIARITIES OF FORMING WATER QUALITY IN THE MOSKVORETSKY AND VOLGA WATER ECONOMIC SYSTEMS

M. A. Khrustaleva, Ph. D. (Geography), Senior Researcher, Department of Physical Geography and Landscape Studies, Lomonosov Moscow State University. Moscow, Russia,

S. V. Suslov, Ph. D. (Geography), Senior Lecturer of the Department of Agriculture and Plant Cultivation State University for Land Management (FGBU VO GUZ), Moscow, Russia

№3,2019

55

References

1. "Vodny'j Kodeks Rossijskoj Federacii" ot 03.06.2006 № 74-FZ (v red. ot 20.07.2017 g.). ["Water Code of the Russian Federation" dated 03. 06. 200 No. 74-FZ (as amended on July 20, 2017]. [in Russian]

2. Annenskaya G. N., Zhuchkova V. K., Kalinina V. R., Mamay I. I., Nizovtsev V. A., Khrustaleva M. A., Cesel'chuk Yu. N. Landshafty' Moskovskoj oblasti i ix sovremennoe sostoyanie. [Landscapes of the Moscow Region and their current state]. Smolensk, Izd-vo SGU, 1997. 296 p. [in Russian]

3. Khrustaleva M. A. E'kobiogeoximiya landshaftov. [Ecobiochemistry of landscapes]. Izd-vo LAPLAMBER Academic Publishing. Saarbrucken Deutshland / Germaniya. 2015. 352 p. [in Russian]

4. Datsenko Yu. S. Formirovanie i transformaciya kachestva vod v sistemax istochnikov vodosnabzheniya goroda Moskvy' [Formation and transformation of water quality in the systems of water supply sources of the city of Moscow]. Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni doktora geograficheskix nauk. Moscow, Tipografiya "11 Format", 2015. 49 p. [in Russian]

5. Khrustaleva M. A. Monitoring gidrogeoximicheskix izmenenij landshaftov [Monitoring of Hydrogeochemical Changes in Landscapes, in Proc.]. Mater. V Mezhdunar. konf., Tyumen\ 1—3 oktyabrya 2014 g. Okruzhayushhaya sreda i menedzhment prirodnyx resursov. Tyumen', Izd-vo Tyumenskogo gos. un-ta, 2014. P. 239. [in Russian]

6. Khrustaleva M. A. Vodotoki Moskovskogo regiona. E'kologo-gidroximicheskie osobennosti [Watercourses of the Moscow Region. Ecological and hydrochemical features] Mater. Vseros. nauchno-prakticheskoj konferencii. Geologo-geoximicheskie prob-lemy' e'kologii. 26—27 aprelya 2012 g. Moscow, IMGRE', 2012. P. 123—125. [in Russian]

7. Gidrotexnicheskie sooruzheniya. Ch. 1. [Waterworks. Part 1.] Moscow, Izd-vo Associacii stroitel'ny'x vuzov, 2006. 576 p. [in Russian]

8. Khrustaleva M. A. E'kobiogeoximicheskie issledovaniya morenny'x landshaftov. [Ecobiological and geochemical studies of moraine landscapes]. — (Barnaul 23—26 maya 2018 g.). — Problemy' botaniki Yuzhnoj Sibiri i Mongoliii. Sbornik nauchnyx statej po materialam XV Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. (Barnaul 23—26 maya 2016 g.) Barnaul, Izd-vo Altajskogo gosuniversiteta. 2016. P. 494—500. [in Russian]

9. Khrustaleva M. A. Vodopol'zovanie i e'kologiya. Predupredit' i zashhitit'. Voda Magazine. [Water use and ecology. Warn and protect. Water Journal]. Moscow, OOO Tipografiya "Mospoligraf". 2012. No. 9. P. 56—60. [in Russian]

10. Khrustaleva M. A. Izmenenie svojstv pochv pod vliyaniem podtopleniya vodoxranilishhami. [Changes in Soil Properties Under the Influence of Flooding by Reservoirs]. Mater. Mezhdunar. nauchno-praktich. konf (17—20 sentyabrya 2015 g. Minsk-Belarus). 211—216 p. [in Russian]

11. Khrustaleva M. A., Suslov S. V., Gruzdev V. S., Gruzdeva L. P. E'kologo-biogeoximicheskie issledovaniya landshaftov morenny'x ravnin. [Ecological and biogeochemical studies of moraine plains landscapes]. Geografiya i e'kologiya: nauchnoe tvorchestvo, disciplinarnosf, obrazovatel'ny'e texnologii: materialy' Mezhdunar. nauchno-praktich. konf Moscow, IIU MGOU, 2017. 170—173 p. [in Russian]

12. Ostroumov S. A. Gidrobionty' v samoochishhenii vod i biogennoj migracii e'lementov. [Hydrobionts in self-purification of waters and biogenic migration of elements]. Moscow, Maks Press, 2008. 200 p. [in Russian]

13. Sanitarny'e pravila i gigienicheskie normy' 2.1.4. 1074—01. Pit'evaya voda. Gigienicheskie trebovaniya k kachestvu vody' centralizovanny'x sistem pit'evogo vodosnabzheniya. Kontrol' kachestva. [Sanitary regulations and hygiene standards 2.1.4. 1074—01. Drinking water. Hygienic requirements for water quality of centralized drinking water supply systems. Quality control]. Moscow, Minzdrav Rossii. 2002. 38 p. [in Russian]

14. Gruzdev V. S., Gruzdeva L. P., Suslov S. V. Izmenenie sostava i struktury' komponentov landshaftov lesnoj zony' v usloviyax texnogeneza. [Changes in the composition and structure of the components of the landscapes of the forest zone under the conditions of technogenesis]. Moscow, INFRA-M. 2019. 177 p. [in Russian]

15. Suslov S. V. Izmeneniya ximicheskogo sostava vody' vodoxranilishh kanala imeni Moskvy' [Changes in the chemical composition of water in the reservoirs of the Moscow Canal]. Vestnik Orenburgskogo Gosudarstvennogo universiteta. 2017. No. 12 (212). P. 34—37. [in Russian]

16. Gruzdeva L. P., Shapovalov D. A., Baloyan B. M., Gruzdev V. S. Akkumulyaciya tyazhyoly'x metallov makrofitami v zavi-simosti ot sostava vody' i donny'x otlozhenij [Accumulation of heavy metals by macrophytes depending on the composition of the water and bottom sediments]. in Antropogennaya dinamika rastiteVnogo i pochvennogo pokrovov lesnoj zony. sbornik nauchnyx trudov kafedry. Moscow, 2011. P. 66—77. [in Russian]