Оценка поступления минерального фосфора с речным стоком в Саратовское водохранилище

DOI: 10.24411/9999-010A-2019-10015 К.В. БЕСПАЛОВА, А.В. СЕЛЕЗНЕВА, В.А. СЕЛЕЗНЕВ

Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти, Россия

ОЦЕНКА ПОСТУПЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО ФОСФОРА С РЕЧНЫМ СТОКОМ В САРАТОВСКОЕ ВОДОХРАНИЛИЩЕ

Введение

Одна из главных экологических и водохозяйственных проблем Саратовского водохранилища, используемого для нужд питьевого водоснабжения, рыбного хозяйства и рекреации, это резкое ухудшение качества воды в период массового развития сине-зеленых водорослей (Селезнева, 2007; Селезнева и др., 2014; Беспалова и др., 2016). Основной причиной «цветения» воды является чрезмерное поступление с речным стоком в водохранилище биогенных веществ, в частности растворенного в воде минерального фосфора (далее фосфор), который является лимитирующим фактором (Селезнева и др., 2018). Поэтому количественная оценка поступающего с водосбора фосфора с целью последующего его ограничения будет способствовать снижению интенсивности и продолжительности массового развития водорослей.

Существующие различные отечественные и зарубежные методы оценки диффузного загрязнения, которые, в основном, опираются на методы математического моделирования (Кондратьев, 1992, 1999, 2007; Христианов, Осипов, 1993; Михайлов, 2000; Кучмент и др., 2002), которые являются достаточно сложными в практическом применении и требуют большого количества детальной информации об источниках и процессах диффузного загрязнения водосборной территории крупного водохранилища. Поэтому возникает необходимость разработки простых интегральных методов оценки диффузного загрязнения на основе организации и ведения мониторинга водных объектов (Селезнева, Беспалова, 2018).

Объекты и методы анализа

Саратовское водохранилище входит в состав Волжско-Камского каскада и имеет протяжённость 357 км, а полный объём составляет 12,87 км3. Его частная водосборная территория составляет 78,2 тыс. км2, что составляет 6,1% от водосборной территории всего Волжского бассейна. К основным боковым притокам I порядка в бассейне водохранилища относятся реки: Самара, Сок, Чапаевка, Сызранка, Малый Иргиз и Чагра, для которых проведено уточнение площади водосборных территорий на основе ГИС-технологий. Суммарная площадь их водосборных территорий составила 96,5% частной водосборной территории Саратовского водохранилища.

Гидрохимические наблюдения в замыкающих створах боковых притоков проводились ежемесячно в 2017-2018 гг. Отбор проб воды для химического анализа осуществлялся батометром Молчанова ГР-18. Пробы воды фильтровались сразу после отбора через мембраны «ВЛАДИПОР типа МФАС-ОС-2» с порами 0,45 мкм.

Растворенный в воде неорганический фосфор находится преимущественно в виде производных ортофосфорной кислоты H3PO4, при этом основной формой неорганического фосфора при pH выше 6,5 является HPO2-4. Измерение концентрации растворенного неорганического фосфора в воде выполнялось фотометрическим методом.

Методология оценки диффузного загрязнения

Предлагается новый методологический подход по оценке диффузного загрязне-

© 2019 Беспалова Ксения Владимировна, kvbespalova@yandex.ru; Селезнева Александра Васильевна; Селезнев Владимир Анатольевич, seleznev53@mail.ru

ния крупных водохранилищ Волги, основанный на организации и ведении мониторинга водоемов и водотоков. В условиях недостаточной изученности процесса диффузного загрязнения и отсутствии необходимой детальной информации для его математического моделирования, именно этот подход позволит достоверно и быстро определить величину диффузного загрязнения крупного водохранилища.

Для основных притоков 1 порядка по данным многолетних наблюдений на гидрологических постах сети Росгидромета производились: расчет средних месячных значений модуля водного стока рек в наблюдаемых створах и расчет средних месячных расходов воды в замыкающих створах рек с использованием нормативных документов по определению основных расчетных гидрологических характеристик.

По данным гидрохимических наблюдений в замыкающих створах рек производился: расчет фактической средней месячной концентрации фосфора в воде рек и расчет антропогенной составляющей концентрации фосфора, формирующейся за счет точечных источников загрязнения на основе данных государственной статистической отчетности 2ТП-водхоз.

Расчет диффузного загрязнения Саратовского водохранилища минеральным фосфором осуществлялся по следующей формуле:

о= Е {о,)

рГ ''

где Б - суммарное количество фосфора, поступающего за год в водохранилище с водным стоком 6-ти рек 1 порядка в виде диффузного загрязнения, т/год; Б, - количество фосфора, поступающего за год в виде диффузного загрязнения в водохранилище с водным стоком ¿-ой реки, где , = 1, 2... 6, т/год.

Расчет количества фосфора (Б,), поступающего с водосборной территории ,-й реки в виде диффузного загрязнения, осуществляется по следующей формуле:

О, = Е Щс, -А,) - N] х <2, х к, х 86,4 х 10-6} ,

г=1

где С, - средняя концентрация фосфора в замыкающем створе ]-й реки за 1-й месяц, мг/дм3;

А, - техногенная составляющая концентрации фосфора в замыкающем створе ,-й реки в г-й месяц, мг/дм3;

N - природная составляющая концентрации фосфора в замыкающем створе ,-й реки, мг/дм3;

<г - средний расход воды в замыкающем створе ]-й реки за 1-й месяц, м3/с; К, - количество дней в ,-м месяце;

Техногенная составляющая концентрации фосфора (А,) формируется всеми точечными источниками загрязнения и рассчитывается по формуле:

Аг =\Е

где дт - средний расход сточной воды т - ого точечного источника за ,-ый месяц, м3/с; 5т - средняя концентрация вещества в сточной воде т - ого точечного источника за ,-ый месяц, м3/с.

За природную составляющую концентрации фосфора в воде рек (V) принимается средняя концентрация фосфора в период зимней межени за вычетом техногенной составляющей концентрации (Л,).

Результаты и их обсуждение

Суммарный расход 6 рек в среднем составляет 196,8 м3/с. Самые большие расходы воды характерны для рек: Самара - 99,3 м3/с, Сок - 57,5 м3/с и Сызранка -21,0 м3/с. Водный сток этих трех рек составляет 90,4% от общего бокового притока Саратовского водохранилища. На остальные 3 реки приходится менее 10% водного стока. Водный сток для р. Чапаевки составляет 7,7 м3/с, р. Мал. Иргиз - 5,9 м3/с и р. Чагра - 5,4 м3/с.

Гидрохимический анализ проб воды показал, что самые большие концентрации фосфора наблюдались в воде р. Сызранка. Средняя годовая концентрация фосфора составила 0,132 мгР/дм3, наибольшая - 0,300 мгР/дм3, а наименьшая - 0,062 мгР/дм3. Годовая амплитуда колебаний составила 0,238 мгР/дм3. Самые маленькие концентрации фосфатов наблюдались в воде р. Сок. Средняя концентрация составляла 0,082, наибольшая - 0,165, наименьшая - 0,062 мгР/дм3. Годовая амплитуда колебаний концентрации составила 0,138 мгР/дм3.

На всех реках внутригодовой максимум концентрации наблюдался весной в период прохождения половодья. В период зимней межени концентрация фосфора становилась минимальной и наблюдалась во время ледостава на реках, когда поступление фосфора с водосборной территории практически отсутствовало из-за перехода реки на питание подземными водами. В период летней межени концентрация фосфора в воде снижалась больше, чем зимой, что вызвано потреблением фосфора водорослями и высшей водной растительностью.

Таблица. Сток фосфора (числитель) и его диффузная составляющая (знаменатель), т

Месяцы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

р. Самара

6,3 6,7 16,4 277,3 41,3 10,9 7,9 4,7 9,5 16,4 12,1 8,2

- - 4,4 184,4 13,3 - - - 2,2 8,3 4,0 0,5

р. Сок

5,0 5,5 19,2 67,1 24,7 9,5 3,0 4,5 6,4 8,8 7,5 5,8

- - 10,5 21,8 6,2 - - - - 1,5 0,5 -

р. Чапаевка

0,2 0,2 5,2 30,2 1,0 0,2 0,1 0,4 0,1 0,2 0,3 0,3

- - 1,8 16,4 0,3 - - - 0,0 0,0 0,1 0,1

р. Малый Иргиз

0,0 0,0 5,7 19,0 0,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

- - 2,4 4,5 - - - - 0,0 0,0 0,0 0,0

р. Сызранка

2,3 2,8 9,5 25,8 17,3 8,3 6,1 2,7 2,5 6,4 5,0 4,4

- - 3,2 12,0 12,7 5,0 2,9 - - 2,7 1,4 1,3

Р. Чагра

0,3 0,3 3,9 11,4 0,9 0,2 0,2 0,2 0,5 0,6 0,5 0,5

- - 1,5 2,2 0,1 - - - 0,2 0,3 0,1 0,2

Суммарный сток рек

14,1 15,5 59,9 430,8 85,8 29,2 17,2 12,5 19,0 32,4 25,4 19,2

- - 23,8 241,3 32,6 5,0 2,91 - 2,4 12,9 6,1 2,0

Примечание: «-» - диффузное загрязнение отсутствует, «0,0» - диффузное загрязнение составляет менее 0,1 т

Дана количественная оценка фосфора, поступающего ежемесячно в Саратовское водохранилище с речным стоком 6 притоков I порядка в средний по водности год

(табл., числитель). В Саратовское водохранилище в среднем поступает 763 т/год фосфора с речным стоком основных боковых притоков. Между речными бассейнами сток фосфора распределяется следующим образом. Основная часть фосфора поступает в водохранилище с водами р. Самара - 418 т/год. Сток фосфора р. Сок составляет 167 т/год, р. Сызранка - 93 т/год, р. Чапаевка - 38 т/год, р. Мал. Иргиз - 25 т/год и р. Чагра - 20 т/год.

Результаты расчетов по формулам (1)-(3) показывают, что диффузное загрязнение Саратовского водохранилища фосфором в среднем составляет 329 т/год (табл., знаменатель). Это 43% от всего фосфора, поступающего в Саратовское водохранилище с речным стоком. Основная часть загрязнения поступает с водосборной территории р. Самары 217 т/год (66%). Остальные 34% (122 т/год) приходятся на водосборные территории рек Сызранка - 41,3 т/год (12,6%), Сок - 40,3 т/год (12,3%), Чапаевка - 18,7 т/год (5,7%), Малый Иргиз - 25,4 т/год (2,1%) и Чагра -4,5 т/год (1,4%).

По сезонам года загрязнение фосфором от рек поступает в Саратовское водохранилище неравномерно. Основная масса фосфора поступает в Саратовское водохранилище в апреле месяце и составляет 241,3 т/год, это 73,4% от годового поступления фосфора в водохранилище.

Заключение

Основной причиной ухудшения качества воды Саратовского водохранилища является массовое развитие водорослей, что обусловлено поступлением минерального фосфора от точечных и диффузных источников загрязнения, расположенных в бассейне водохранилища.

Проведенные исследования позволили разработать интегральный метод оценки диффузного загрязнения, основанный на организации и ведении гидрологических и гидрохимических наблюдений на основных притоках 1 порядка в бассейне водохранилища. Интегральный метод позволил достоверно и быстро определить диффузное загрязнение фосфором Саратовского водохранилища.

Установлено, что диффузное загрязнение Саратовского водохранилища фосфором в среднем составляет 329 т/год. Это 43% от всего фосфора, поступающего в Саратовское водохранилище с речным стоком с частной водосборной территории. Основная часть загрязнения поступает с водосборной территории р. Самары 217 т/год (66%). Остальные 34 % (122 т/год) приходятся на водосборные территории рек Сызранка - 41,3 т/год (12,6%), Сок - 40,3 т/год (12,3%), Чапаевка - 18,7 т/год (5,7%), Малый Иргиз - 25,4 т/год (2,1%) и Чагра - 4,5 т/год (1,4%).

Для повышения достоверности фосфорного загрязнения водохранилища необходимо организовать гидрохимические наблюдения в замыкающих створах всех боковых притоков I порядка в бассейне Саратовского водохранилища.

После соответствующей апробации в различных природно-климатических условиях, интегральный метод рекомендуется использовать для других крупных водохранилищ Волжско-Камского каскада. Интегральный метод целесообразно использовать не только для количественной оценки диффузного загрязнения, но и для контроля эффективности осуществляемых водоохранных мероприятий в бассейнах крупных водохранилищ в рамках реализации приоритетного проекта «Сохранение и предотвращение диффузного загрязнения Волги» до 2025 г.

Список литературы

Беспалова К.В., Селезнева А.В., Селезнев В.А. Устойчивое водоснабжение городского населения в условиях «цветения воды» на водохранилищах Волги (на примере г.о. Тольятти) // Водоочистка. 2016. № 6. С. 19-24.

Кондратьев С.А. Математическое

моделирование стока и выноса вещества с водосбора. Дис. ... докт. физ.-мат. наук. СПб., 1992. 301 с.

Кондратьев С.А. Моделирование стока и выноса фосфора с водосборов притоков оз.

Большого Ракового // Экология зарастающего озера и проблема его восстановления / Под. ред. В.Г. Драбковой и М.Я. Прытковой. СПб.: Наука, 1999. С. 51-54.

Кондратьев С.А. Формирование внешней нагрузки на водоемы: проблемы моделирования. СПб.: Наука, 2007. 253 с.

Кучмент Л.С., Гельфман А.Н., Демидов В.Н. Расчет вероятностных характеристик

максимального стока по метеорологическим данным с использованием динамико-стохастической модели // Метеорология и гидрология, 2002. № 2. С. 83-94.

Михайлов С.А. Диффузное загрязнение водных экосистем. Методы оценки и математические модели: Аналитический обзор. Барнаул, 2000. 130 с.

Христианов Н.И., Осипов Г.К. Управление эвтрофированием водоемов. СПб.:

Гидрометеоиздат, 1993. 278 с.

Селезнева А.В. От мониторинга к нормированию антропогенной нагрузки на водные объекты. Самара: Изд-во Самар. НЦ РАН, 2007. 107 с.

Селезнева А.В., Селезнев В.А., Беспалова К.В. Массовое развитие водорослей на водохранилищах р. Волги в условиях маловодья // Поволжск. экологич. журн. 2014. № 1. С. 88-96.

Селезнева А.В., Беспалова К.В. Разработка методологических подходов к оценке диффузного загрязнения крупных водохранилищ Волги (на примере Саратовского водохранилища) // Вода Magazine. 2018. № 7 (131). С. 28-35.

Селезнева А.В., Беспалова К.В., Селезнев В.А. Содержание растворенного неорганического фосфора в воде Куйбышевского водохранилища // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2018. № 2. С. 35-45.