Миграция загрязняющих веществ в условиях регулирования стока (на примере верхнего течения реки Урал)

УДК556.51: 502.5

МИГРАЦИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В УСЛОВИЯХ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА

© 2011 Павлейчик В.М., Сивохип Ж.Т.

Институт степи УрО РАН, г. Оренбург

Поступила в редакцию 27.04.2011

Проведен анализ природных условий и антропогенных факторов формирования эколого-гидрохимической ситуации в реках верхней части бассейна реки Урал. Перенос загрязняющих веществ частично происходит в условиях затрудненного водообмена при регулировании стока. Исследования подтверждают неравномерность концентрации тяжелых металлов в речной воде в различные сезоны года, преимущественно связанную с различиями в показателях речного стока. Продолжительность и интенсивность техногенного воздействия привела к значительному ослаблению параметров устойчивости речных систем.

Ключевые слова: загрязняющие вещества, тяжелые металлы, сезонная миграция, регулирование стока, характер проточности, внутрибассейновые сектора, устойчивость

Развитие промышленной зоны в Южном Предуралье, основанной на разработке месторождений черных и цветных металлов, требовало гарантированного обеспечения их водными ресурсами, что решалось созданием водохранилищ многолетнего регулирования на р. Урал и ее притоках. В верхнем течении р. Урал созданы водохранилища - Магнитогорское (1931 г., 601 млн.м3, 75,5 км2), Верхнеуральское (1964 г., 32 млн.м3, 31,6 км2), Ириклин-ское (1966 г., 3,26 км3, 260 км2). В последние 10-15 лет в Республике Башкортостан созданы крупные водохранилища на притоках р. Урал: Акъярское на р. Ташла (объем 49,4 млн.м3, площадь 7,8 км2), Бузавлыкское (19,1 млн.м3, 3,07 км2), Таналыкское (14,2 млн.м3, 2,01 км2) и Маканское (9,3 млн.м3, 3,65 км2) на одноименных реках.

При подготовке статьи авторами использовались и учитывались сведения о химическом составе вод, приведенные в литературных источниках [1-5], Государственные доклады о состоянии окружающей природной среды Оренбургской и Челябинской областей, Республики Башкортостан, результаты мониторинга Управления эксплуатации Ириклинского вдхр. (УЭИВ) и фондовые материалы Института степи УрО РАН, данные Челябинского гидрометеоцентра, результаты собственных обследований в 2009-2010 гг.

Павлейчик Владимир Михайлович, кандидат географических наук. E-mail: pavleychik@rambler.ru Сивохип Жанна Тарасовна, кандидат географических наук, доцент. E-mail: sivohip@mail.ru

Особенности многолетней и сезонной миграции некоторых загрязняющих веществ с речным стоком. Для выявления особенностей миграции отдельных загрязняющих веществ нами рассмотрены анализы химического состава воды в реках, впадающих в Ириклинское вдхр. По всем притокам по мере нарастания водосборных площадей наблюдается повышение общей минерализации, содержание органических загрязнителей и ионов металлов. Среди приносимых реками в водохранилище металлов значительные концентрации установлены для Си, 2п, N1, V и Бе.

Основным поставщиком Си является р. Таналык с расположенным на нем Бурибаев-ским ГОК, р. Большая Уртазымка и р. Урал. Сезонное содержание Си в водотоках довольно однотипно с наиболее выраженным максимумом в период половодья (апрель-май, на Тана-лыке - март-май) и менее значительным в предледоставное время (октябрь, на Таналыке - октябрь-ноябрь). На водохранилище (водозабор ГРЭС) пики максимальных концентраций смещены на месяц (май и декабрь).

2п отмечается во всех реках с постоянным превышением ПДК в 1,5-2 раза. Сезонные максимумы проявляются в период с февраля по май, далее до сентября концентрации 2п снижаются и вновь во всех притоках вырастают в октябре. Наибольшие значения наблюдаются в р. Урал и р. Таналык, достигая в весеннем и осеннем пиках 0,4-0,6 мг/л и, редко, более.

В сезонном распределении Бе, преобладающая часть которого переносится во взвешенном состоянии, прослеживается следующая закономерность - по всем притоком, начиная с максимума в марте, наблюдается волнообразное снижение его концентрации по декабрь. Меньшие пики проявляются на реках в различные месяцы, но наиболее часто приходятся на весенний и осенний периоды, т.е. связаны с периодами увеличения расхода воды. Большую часть года Бе находится в концентрациях, превышающих ПДК в 2-2,5 раза. В результате слабой проточности в водохранилище (водозабор ГРЭС) происходит частичное осаждение Бе в осадок, его концентрации в летнее и зимнее время имеют значения, близкие к ПДК (0,1 мг/л).

Полученные результаты подтверждают выводы Г.Ш. Кужиной, С.И. Янтурина [3] о сезонной неоднородности содержания тяжелых металлов в воде р. Урал, связанной с колебанием водности реки, активного роста биомассы и последствиями эвтрофикации в летний период.

Полностью техногенным компонентом являются нефтепродукты, значительные концентрации которых наблюдаются в водах р. Урал, Большой Уртазымки и Суундука. При этом превышение ПДК наблюдается не каждый год, а содержание имеет значительную амплитуду колебаний между отдельными сезонами и годами. В целом за последние 20 лет в притоках Ириклинского вдхр. наметилась тенденция снижения их концентрации.

Сокращение поголовья скота, наблюдаемое в последние десятилетия, привело к уменьшению содержания соединений азота, редко превышающих ПДК. Если содержание нитритов и нитратов по сравнению с 1959 г. [1] практически не изменилось, то по иону аммония наблюдается явное улучшение ситуации -его содержание снизилось до сотых и десятых долей мг/л, а в 1959 г. оно чаще всего превышало 1 мг/л.

Среднемноголетние значения БПК-5 в притоках и собственно в Ириклинском вдхр. практически во все сезоны года находятся в пределах от 1,5 до 2 мг02/дм3, т.е. относятся к группе «чистых». Вместе с тем, выделяются периоды с наиболее частой встречаемостью повышенных значений - февраль-март (сопровождается минимумом растворенного кислорода), май и сентябрь (в р. Суундук - в августе). Постоянно повышенное загрязнение органикой наблюдается в р. Урал и р. Таналык, в отдельные периоды БПК-5 может достигать 3,2-3,4 мг02/дм3 с минимум в июле-августе. Слабопроточный режим и вертикальная стра-

тификация воды в водохранилище не позволяют действенно нейтрализовать органические загрязнители - БПК в целом повторяет значения и сезонные колебания этого показатели в притоках водохранилища.

Особенности эколого-геохимической ситуации и проблемы устойчивости в условиях внутрибассейновых секторов с различными показателями водообмена. Сооружение водохранилищ приводит к формированию внутрибассейновых водосборных секторов, различающихся характером (затрудненным или свободным) стока, и районов с зарегулированным стоком (рис. 1). Исходя из степени водообмена в каждой из этих зон формируются специфические условия для миграции, аккумуляции и преобразования загрязняющих веществ. Водосбор Верхнеуральского вдхр. (с притоками Урала - рек Бирся, Миндяк, Урля-да, Узельга) занимает площадь 3490 км2. Относительно благополучная ситуация наблюдается на небольшом отрезке реки выше с. Ильтеба-ново, вблизи которого находится одноименное водохранилище объемом 4,95 млн.м3. Основными источниками техногенного загрязнения вод являются месторождения Узельгинское в верховьях р. Узельга и р. Чебачье в водосборе оз. Чебачье. Водосбор каскада из Верхнеуральского и Магнитогорского вдхр. с притоком р. Малый Кизил имеет площадь 2990 км2. Организованный сброс загрязняющих веществ в Верхнеуральское вдхр. отсутствует. Среднегодовая концентрация трудноокисляемых органических веществ (по ХПК) в 2005 г. составила 1,8 ПДК, Си - 2,7 ПДК, 2п - 2,5 ПДК, Мп - 6,1 ПДК [5]. Среднегодовые концентрации азота нитритов в предплотинной части Магнитогорского вдхр. составили 2,5 ПДК, Си - 4,2 ПДК, 2п - 5 ПДК, Мп - 5,2 ПДК.

Обширный бассейн р. Урал между Магнитогорским и Ириклинским вдхр. занимает площадь 16380 км2. Метаморфизация химического состава р. Худолаз обусловлена влиянием сточных вод медно-серного комбината в г. Сибай. Основными загрязняющими элементами являются тяжелые металлы, в первую очередь цинк, концентрация которого характеризуется высоким и экстремально высоким уровнем. Вода р. Худолаз высоко минерализована -в меженные периоды значение содержания солей соответствует 1290-1530 мг/л, в период весенних половодий снижается до 859-406 мг/л [5]. За 2001-2005 годы содержание в воде ионов тяжелых металлов варьировало: 2п - от 28 до 837 ПДК, Мп - от 28 до 170 ПДК, Си -от 5 до 50 ПДК. Перед впадением в Ириклин-ское вдхр. (пос. Ершовский) вода в р. Урал характеризуется средней минерализацией, изменяющейся от 240-340 мг/л весной до 630-850

мг/л в осенний период. Среднегодовое содержание металлов в воде составляет в среднем: Си - 3,0-3,4 ПДК, 2п - 2,9-3,3 ПДК, Мп - 6,28,3 ПДК Во время весеннего половодья отмечаются случаи максимальных превышений ПДК азота нитритов - в 1,4 раза, Бе общего - в 4,2 раза.

Рис. 1. Бассейн верхнего течения реки Урал -природные и антропогенные факторы формирования речного стока Условные обозначения: 1 - граница бассейна р. Урал, 2 - индексы

Отрезок долины р. Урал с реками, впадающими в Ириклинское вдхр., имеет площадь 14090 км2. Водообмен в Ириклинском вдхр. происходит в среднем один раз в 2 года (объем годового стока в среднем 1,14 км3 при объеме водохранилища 3,26 км3), т. е. его режим приближается к озерам слабой проточности. Река Таналык, попадая в техногенную зону (промышленные предприятия Баймака, Бурибая и

Акъяра, разрабатываемые месторождения Кульюртау и Юбилейное) быстро насыщается солями и ионами тяжелых металлов. Максимальным загрязнением характеризуется левый приток р. Таналык - руч. Макан, что обусловлено разработкой Подольского медно-цинкового месторождения в верховье ручья. Анализ разновременных опробований за последние 20 лет подтверждает постоянно высокое загрязнение тяжелыми металлами вод р. Таналык при отработке месторождений и деятельности Бурибаевского ГОКа. Перед впадением в Ириклинское вдхр. (с. Таштугай) химический состав р. Таналык не претерпевает особых изменений. Таким образом, можно сделать вывод о том, что буферные свойства речного комплекса не обеспечивают связывания токсичных компонентов, в том числе за нижний 75 км отрезок (Акъяр - Таштугай) без крупных промышленных источников загрязнения.

Химический состав левобережных притоков бассейна р. Урал также характеризуется значительной неоднородностью и сезонной изменчивостью. Обширность водосборных площадей левобережных притоков, охватывающих сложные в геохимическом отношении районы, обуславливает повышенное содержание растворенных минеральных веществ. Значительные концентрации тяжелых металлов наблюдаются, в первую очередь, в р. Джуса, в долине которой разрабатывается Джусинское медно-колчеданное месторождение.

Сравнение данных по притокам, воде в самом водохранилище и на выходе из него свидетельствуют о том, что в Ириклинском вдхр. происходит частичное осаждение большинства загрязняющих веществ. Ниже Ирик-линского вдхр. основными источниками металлов в р. Урал являются загрязненные воды р. Колпачка и Елшанка, верховья которых дренируют отвалы Гайского месторождения и крупные левобережные притоки - р. Большой Кумак и Орь, в водосборах которых находятся серия рудных месторождений. Полученные данные свидетельствуют о том, что значения концентраций металлов халькофильной группы в продольном профиле носят волнообразный характер с максимумами на участках ниже их впадения в р. Урал, а также ниже крупного промышленного узла Орск-Новотроицк. Значительное очищение вод происходит уже на широтном участке среднего течения р. Урал, на 60-ти км отрезке от г. Орска до пос. Айтуар - Урало-Губерлинском ущелье, в котором чередование глубоких плесов и перекатов позволяет нейтрализовать часть загрязняющих веществ.

Выводы: освоение минеральных ресурсов Южного Зауралья привело к формированию специфического природно-техногенного комплекса. Важным динамическим компонентом этого комплекса является речной сток, обеспечивающий хозяйственные нужды в водных ресурсах, трансформацию и частичную нейтрализацию загрязняющих веществ, а также вывод их из системы. Присутствие в Южном Зауралье природных геохимических аномалий, разработка месторождений и переработка руд обусловили формирование повышенного фонового содержания ионов меди, цинка и других металлов. Анализ имеющихся данных свидетельствует о том, что длительность освоения месторождений привела к значительному ослаблению параметров устойчивости (буферной емкости) речных систем. Эти параметры обеспечиваются многочисленными внутренними механизмами, которые приводятся в действие сезонными различиями в стоке, активным развитием гидробионтов в летнее время, разнообразием морфологии русла и др. Важной эколого-гидрохимической особенностью является промывной режим в половодный период, когда русло частично освобождается от механических наносов и иловых накоплений, включая содержащиеся в них химические и органические загрязнители.

Связывание металлов в слабоподвижные соединения и, соответственно, улучшение качества воды происходит на участках реки с замедленным стоком, особенно на крупных водохранилищах. Таким образом, в верхнем течении р. Урал Ириклинское вдхр. является

крупнейшим региональным гидрохимическим барьером. Одним из основных факторов снижения концентраций остается разбавление незагрязненными водами. Проведенные исследования показали, что хозяйственная деятельность в староосвоенных районах промышленного производства, сопровождающаяся регулированием речного стока, приводит к возникновению и развитию комплекса неблагоприятных экологических ситуаций. Негативные последствия подобного преобразования природы становятся фоновыми для региона и будут проявляться в дальнейшем.

Статья выполнена в ходе реализации Программ ОНЗ РАН, проекты № 09-Т-5-1025 и №09-Е-5-1027.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Балабанова, З.М. Ириклинское водохранилище на р. Урал / Вопросы водного хозяйства и гидрологии Урала. Свердловск, 1961. Вып. 1. С. 33-51.

2. Гидрогеология СССР. Том ХЬШ. Оренбургская область / Под ред. Е.И. Токмачева. - М.: Недра, 1972. 272 с.

3. Кужина, Г.Ш. Исследование содержания тяжелых металлов в верхнем течении реки Урал / Г.Ш. Кужина, С.И. Янтурин // Вестник ОГУ. 2010. №1 (107). С. 106-109.

4. Чибилёв, А.А. Ириклинское водохранилище: геоэкология и природно-ресурсный потенциал / А.А. Чибилёв, В.М. Павлейчик, А.Г. Дамрин. - Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 183 с.

5. Исследование динамики химического загрязнения трансграничных водных объектов в ретроспективе ведения наблюдений ФГУ «Челябинский ЦГМС» (2001-2005 годы) // Шр:// www.chelpogoda.ru/pages/328.php

MIGRATION OF POLLUTING SUBSTANCES IN THE CONDITIONS OF REGULATION OF A RIVER FLOW (ON THE EXAMPLE OF URAL

RIVER UPPERWATERS)

© 2011 V.M. Pavleychik, J.T. Sivohip Institute of Steppe UrB RAS, Orenburg

The analysis of a natural conditions and anthropogenic factors of formation of an ecological and hydro-chemical situation in the rivers of the upper part of Ural s river basin is carried out. Transference of polluting substances partially occurs in the conditions of the complicated water exchange at regulation of the river s flow. The carrying out researches confirms non-uniformity of concentration of heavy metals in river water during various seasons of the year, mainly was conditioned by distinctions in indicators of a river s flow. Duration and intensity of technogenic influence has led to considerable easing of parameters of stability of river systems.

Key words: polluting substances, heavy metals, seasonal migration, regulation of a flow, character of a flowing, inside basin sectors, stability

Vladimir Pavleychik, Candidate of Geography. E-mail: pavleychik@rambler.ru Janna Sivihip, Candidate of Geography, Associate Professor. E-mail: sivohip@mail.ru