Эколого-водохозяйственная оценка водосбора и водных объектов в бассейне Иртыша

затраты на восстановление параметров природно-технической системы и ликвидацию негативных последствий. Благодаря такой деятельности сохраняется и повышается экологическая безопасность функционирования мелиоративных систем.

Ключевые слова: экологическая безопасность, оценка устойчивости мелиорируемых агроландшафтов, термодинамические показатели, интенсивность энергообмена.

Список литературы

1. Будыко, М. И. Тепловой баланс земной поверхности [Текст] / М. И. Будыко. — Л. : Гидрометеоиздат, 1956. — 225 с.

2. Волобуев, В. Р. Введение в энергетику почвообразования [Текст] / В. Р. Волобуев. — М. : Наука, 1974. — 128 с.

3. Кеплен, С. Р. Биоэнергетика и линей-

ная термодинамика необратимых процессов [Текст] / С. Р. Кеплен, Э. Эссиг ; пер. с англ. — М. : Мир, 1986. — 384 с.

4. Карпенко, Н. П. Энергетическая оценка состояния геосистем при проведении комплексных мелиораций [Текст] / Н. П. Карпенко, Д. А. Манукьян // Методы и технологии комплексной мелиорации и эко-системного водопользования : науч. издание. — М. : МГУП, 2006. — С. 27-37.

5. Манукьян, Д. А. Экологическая безопасность функционирования техноприрод-ных систем: состояние, проблемы и пути решения [Текст] : монография / Д. А. Манукьян, Н. П. Карпенко. — М.: МГУП, 2007. — 294 с.

6. Яшин, В. М. Обоснование экологически допустимых норм инфильтрацион-ных потерь оросительной воды [Текст] / В. М. Яшин // Мелиорация и водное хозяйство. — 1998. — № 4. — С. 22-25.

УДК 502/504:627.83

М. Е. Вершинская, ведущий специалист ЗАО ПО «СОВИНТЕРВОД»

В. В. Шабанов, доктор техн. наук, профессор В. Н. Маркин, канд. техн. наук, профессор

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

ЭКОЛОГО-ВОДОХОЗЯЙСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ВОДОСБОРА И ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В БАССЕЙНЕ ИРТЫША

В статье рассмотрены новые подходы к определению экологического состояния водной системы (водный объект + водосбор). Впервые сделана попытка учета влияния водосбора исходя из географо-водохозяйственных позиций. Применения методики показано на примере бассейна реки Иртыш.

In clause new approaches to definition of an ecological condition of water system (water object + reservoir) are considered. For the first time attempt of the account of influence of a reservoir proceeding from geography and water-economic positions is made. Applications of a technique it is shown on an example of a river basin Irtysh.

Основные методические положе- циала самоочищения природной среды

ния оценки потенциала активности са- появляется возможность установить

моочищения водосборной площади. степень влияния, участия водосборных

Потенциал самоочищения природной площадей в формировании эколого-

среды водосборных площадей водных водохозяйственного состояния водных

объектов можно рассматривать как ин- объектов. Потенциал самоочищения

тегральную экологическую оценку тех природной среды есть потенциал ее ус-

сложных процессов и явлений, которые тойчивости к техногенным воздействи-

возникают при техногенном загрязне- ям. Методическое решение данной за-

нии. Именно через определение потен- дачи осуществляют эмпирически,

используя одно из центральных теоретических понятий — идею о структурной организации природных систем, анализируя специфику радиальной (вертикальной) и латеральной геохимической дифференциации веществ и миграционных потоков, внутрисистемных и межсистемных связей.

Экологическое состояние водного объекта определяют по двум факторам: 1) способности защиты природной среды водосборных площадей от выноса загрязняющих веществ в водные объекты и 2) способности выноса с водосбора радиальными и латеральными потоковыми структурами избыточного объема вод совместно с пол-лютантами в водные объекты.

Таким образом, при решении поставленной задачи ответ надо найти на два вопроса:

определить возможность и активность закрепления на водосборной площади поступивших на ее поверхность или в ее тело продуктов техногенеза — потенциал депонирования поллютантов;

определить основные типы потоков водной миграции независимыми и зависимыми мигрантами, а также степень активности их функионирования — потенциал самоочищения природной среды водосборных площадей.

Оба эти процесса взаимосвязаны и осуществляются одновременно, но зависимость второго от первого намного больше, чем первого от второго. Однако эти процессы необходимо оценивать раздельно, так как они обладают свойством эмер-джентности и их нельзя суммировать.

Потенциальная активность депонирования зависит от внутренних факторов. К ним относятся: показатели активной поверхности компонентов почвенно-грунтовой массы, ее структурная организация, строение почвенного поглощающего комплекса, щелочно-кис-лотные и оскислительно-восстановитель-ные условия. Для органогенных горизонтов значим ботанический состав растений, формирующих эти горизонты, и показатель степени разложения орга-

нической массы. В разных генетических горизонтах почв характер и уровень взаимодействия загрязнителей с почвенной массой меняются неоднозначно. Почвы являются активной средой (биогеохимическим барьером) на пути движения поллютантов, где осуществляется их физико-химическая, микробиологическая деструкция с последующим переносом, рассеиванием загрязнителей и продуктов их распада как по радиальным, так и по латеральным внутрипоч-венным направлениям потоков.

Потенциал активности функционирования миграционных водных потоков обусловлен пространственными закономерностями процессов перераспределения, выноса, разбавления поллютантов и продуктов их распада. Именно эти потоки принимают на себя функции самоочищения природной среды водосборов с последующими процессами удаления избыточных объемов вод и поступивших в них загрязнителей за пределы своей водосборной площади.

Суммарная активность каждого из структурных элементов миграционных потоков зависит от наличия или отсутствия миграционной фазы — воды. А она, как известно, обусловлена не только атмосферными осадками, но и другими типами водного питания водосборных площадей. В то же время каждый тип миграционных потоков определяется различными факторами. Миграционная специфика радиального перемещения поллютантов зависит от гравитации, пленочно-капиллярных сил, наличия порово-трещиноватого пространства, радиальных геохимических барьеров в профиле почв и т. д.

Процессы радиальной миграции зависимых и независимых мигрантов осложняются наличием в почвах экранирующих «запирающих» геохимических барьеров, переводящих радиальные потоки в латеральные внутрипочвенные, которые впоследствии могут выйти на поверхность. Отсутствие экранирующих барьеров в почвенном профиле резко увеличивает вероятность поступления

загрязнителей в грунтовые воды с последующим возможным их выносом в линейные водные объекты. Тем самым экологический «удар» переносится с водосборной площади на водные объекты.

Резкая смена почв в почвенном покрове (степень контрастности) определяется контрастностью их латеральных геохимических барьеров, что значительно снижает возможность самоочищения водосборных площадей и сохраняет чистоту водного объекта.

Движение миграционных потоков на поверхности водосборной площади происходит по латеральным каналам связей, формирующимся по ослабленным зонам гравитационного поля той морфогенетической структуры, на которой формируются их водные бассейны в данной климатической зоне. Латеральные миграционные потоки есть естественные дренажные системы всей водосборной площади водного объекта. Их генетическое назначение в водной системе — удаление избыточных масс воды с целью поддержания гомеостаза не только в системе, но и во всех ее элементах и компонентах. Гомеостаз определяет тот структурный уровень организации водного бассейна, который может измениться только при изменении внешних природных факторов или в процессе техногенного вмешательства.

Любое техногенное вмешательство в структуру поверхностных миграционных каналов на водосборной площади влечет за собой прямую и/или обратную цепную реакцию экологических нарушений в ее природной среде, а также в конечном трансаккумулятивном водном объекте.

Каждый водоток водосборной площади находится в едином гравитационном поле с другими водотоками бассейна. Эти связи объединяют их между собой в единую геохимическую картину, обладающую информацией об экологическом состоянии всей природной среды бассейна, и наоборот, имея данные об экологическом состоянии водотока (без учета прямого техногенного

воздействия) и зная характеристики процессов самоочищения водосборной площади, можно судить о ее устойчивости к техногенным воздействиям. При этом необходимо учитывать, что в самом водотоке также происходят процессы самоочищения.

Краткая характеристика природных условий модельного бассейна. Территория бассейна реки Иртыш в пределах Российской Федерации расположена в юго-западной части Западно-Сибирской низменной равнины. Границей западного крыла бассейна служит водораздел Южного и Среднего Урала. На севере она проходит по нижнему водоразделу (положительной морфострукту-ры) Сосьвинско-Тавдинского плато. На севере и северо-востоке границей бассейна является водораздел между Средне-обской низменностью и Васюганским плато. На юго-востоке она проходит по северной части Барабинской низменности, а на юге — по Ишимской равнине. Особенности климатической зоны: кон-тинентальность, неустойчивость тепло-и влагоресурсов в многолетнем и годовом разрезе. Местные климатические различия формируются за счет строения рельефа внутренних частей бассейна и характера его подстилающей поверхности. Климатические показатели за теплый период представлены в табл. 1.

Наиболее высокие орографические элементы в рельефе территории бассейна реки Иртыш следующие: Зауральское, Сосьво-Тавдинское, Васюганское плато. Они образуют высокую ступень котловины, где поверхности имеют по-логоволнистый и грядоволнистый характер со средними абсолютными отметками от 170 до 190 м. К средней ступени следует отнести Ишимскую равнину, преобладающие абсолютные отметки которой изменяются в интервале 140...150 м. Для этой равнины характерны плоские поверхности с развитым мезо- и микрорельефом. Наиболее низкую часть рельефа бассейна Иртыша составляют Тобол-Иртышская и Барабинская низменности.

Таблица 1

Основные показатели климата за теплый период года в бассейне реки Иртыш

Природные зоны и подзоны Радиационный баланс (У-УШ) ккал/см2 > 10° Испаряемость, мм Атмосферные осадки, мм Гидротехнический коэффициент

Средняя тайга 17...19 > 1600 300...400 500...550 > 1,4

Южная тайга 19...21 1600...1700 400...450 550... 500 1.4...1.3

Подтайга 21...23 1700...1800 450...500 500...450 1.3...1.2

Лесостепь 23... 24,5 1800...1900 500...550 450...400 1,2...1,0

Северная

часть

степи 24,5...26 1900...2000 550...600 450...350 1,0...0,9

Особенности речных долин довольно значительно влияют на гидрогеологические условия водосборных площадей. Территория бассейна реки Иртыш характеризуется сложными, неравномерными элементам рельефа по условиям естественного дренирования и водного режима почвогрунтовой толщи, неоднородностью литологического состава. Как правило, степень естественного дренирования незначительно увеличивается к долинам рек. В этом же направлении изменяется тип водного питания земель — от атмосферного на водоразделах до грунтово-напорного в крупных долинах рек. Вместе с тем, отдельные части бассейна (морфогенети-ческие структуры) четко обособлены по сочетанию этих факторов.

Своеобразие почв и почвенного покрова водосборных площадей определяется суровыми климатическими условиями и наличием в профиле почв с реликтовыми признаками. Так, в таежной зоне распространены почвы с реликтовым вторым гумусовым горизонтом, что создает предпосылки к их большей сорбционной емкости. В подтаежной и лесостепной зонах отмечается значительное распространение солонцеватости, почвы обладают специфическими физико-химическими свойствами. Длительное промерзание почв приводит к периодическому образованию почвенно-грунтовой верховодки, которая вызывает поверхностное глееобразование, появляются признаки глубинного глееобразования в почвах средней подтайги и активизиру-

ются процессы оглеения в нижней части профиля почв южной подзоны. Все указанные свойства почв ухудшают почвен-но-геохимические условия активности потенциала самоочищения из-за дополнительных радиальных барьеров.

Особенность географии почв — резкая контрастность почвенного покрова узких приречных дренажных участков и заболоченных плоских или с незначительными уклонами поверхностей междуречий, что определяет наличие латеральных геохимических барьеров.

Болотообразовательные процессы на территории бассейна Иртыша с самого начала голоцена происходят очень интенсивно, образуя обширные болотные системы. Бурное развитие болот продолжается и в наше время. Болотные биогеоценозы обладают относительной автономностью по отношению к внешним воздействиям и способностью к гомеостазу. Однако последнее свойство чрезвычайно легко теряет свое динамическое равновесие при условии техногенного загрязнения даже одного из компонентов. По определению М. А. Глазовской, любое попадание загрязнителей в торфяную или торфяно-пере-гнойную массу приводит к образованию вторичных экологических «бомб» замедленного действия с труднопрогнозируемыми последствиями. Из-за гомогенной структуры торфяной залежи и высокой степени обводненности радиальный вынос поллютантов становится затрудненным или на продолжительное время невозможным. Латеральный

вынос заторможен и всегда растянут во времени. В целом процессы потенциальной активности самоочищения почв и почвенного покрова водосборных площадей указывают, с одной стороны, на сдерживание процессов выноса загрязнителей в водные объекты на какой-то отрезок времени, а с другой, на то, что этот процесс растянут во времени и недостаточно прогнозируем.

Краткое рассмотрение природной среды бассейна свидетельствует, что компоненты среды обладают крайней неустойчивостью во времени и изменчивостью в пространстве. Это создает на преобладающей части территории условия инертности и растянутости во времени проявления активности процессов ее самоочищения при техногенных воздействиях (табл. 2).

Таблица 2 Потенциальная активность самоочищения почв и водосборных площадей реки Иртыш

Морфогене-тическая структура Потенциальная активность самоочищения ведущих почв Потенциальная активность самоочищения водосборных площадей

радиальным стоком литеральным стоком

Предгорная равнина Плато Равнина Низменность Высокая Высокая средняя Средняя -низкая Заторможенная Средняя Средняя Средняя Низкая Высокая Высокая - заторможенная Средняя - низкая Средняя

Оценка качества воды и экологического состояния водных объектов.

Для оценки качества водных ресурсов и экологического состояния водных экосистем в практике водного хозяйства применяют методы, основанные на использовании комплексных показателей. В данной работе качество природных вод оценивали по методу В. В. Шабанова, с помощью коэффициента предельной загрязненности К : С,

где I — номер загрязняющего воду вещества; N — количество учитываемых веществ; ПДК — предельно допустимая концентрация ¿-го вещества.

Качество воды определяется в соответствии с табл. 3.

Таблица 3 Классификация качества воды по показателю К

Очень чистая Чистая Умеренно загрязненная Загрязненная Грязная Очень грязная

< -0,08 0 0...1 1...3 3...5 > 5

Оценка экологического состояния водной экосистемы проведена с помощью индекса Шеннона (Н), который определяли на основе его связи с К по клас-

пз

сификационным таблицам качества вод (коэффициент корреляции г = -0,85): Н = 3,06ехр[-0,23(Кпз + 2)].

Оценка качества воды проведена для створов, расположенных на реке Иртыш и ее притоках (по данным 20012005 гг.). В результате расчетов получены характеристики качества воды для лет отчетного периода и разной обеспеченности: Р = 25, 50, 75, 95 % .

В табл. 4 приведен пример расчета показателя Кпз для створа, пограничного с Республикой Казахстан. Вода соответствует классу «грязная».

Таблица 4 Концентрации загрязняющих веществ в речной воде и расчет показателя Кпз

Загрязняющее вещество Концентрация, мг/л Сг -1 ПДК,

С, мг/л ПДК

Кислород 10,3 12,0 -0,14

БПК5 4,4 3,0 0,47

ГШ4 0,4 0,5 -0,20

N02 0,015 0,08 -0,81

N03 0,2 9Д -0,98

Железо 0,8 0,3 1,67

Медь 0,01 0,001 9,00

Цинк 0,03 0,01 2,00

Никель 0,004 0,01 -0,60

Фенол 0,01 0,001 9,00

Нефть 1,6 0,05 31,00

СПАВ 0,05 0,5 -0,90

Кпя 4,13

К

1 14 АГ -¿-I

АГГПДК,

-1,

Наиболее опасными загрязнителями являются: нефтепродукты, медь, фенол и цинк. На рис. 1 показано изменение загрязненности воды при сни-

жении концентрации данных веществ до уровня ПДК за счет проведения водоохранных мероприятий.

К пв

3,0

эффективностью 60...80 %. Этого можно достичь либо очищая загрязненные воды из сосредоченных источников загрязнения (рис. 3), либо проводя соответствующие работы на водосборе.

Рис. 1. Изменение качества воды при проведении водоохранных мероприятий позволяющих очистить воду от наиболее опасных загрязнителей: 1 — нефтепродукты; 2 — медь; 3 — фенолы; 4 — цинк; а — загрязненная; б — умеренно загрязненная; в — чистая; г — очень чистая

В результате проведения водоохранных мероприятий создаются условия для восстановления видового разнообразия водной системы (рис. 2). Создать условия для вывода водной системы на олиготрофный уровень можно при проведении водоохранных мероприятий с

Кривые обеспеченности

Обеспеченность, %

Рис. 2. Изменение индекса видового разнообразия водных экосистем в результате очистки. Эффективность очистки: 1 — без очистки; 2 — очистка 40 %; 3 — очистка 60 %; 4 — очистка 80 %. Уровень трофности: а — олиготрофный; б — мезотрофный; в — эвтрофный; г — гиперэвтрофный

Обеспеченность, %

Рис. 3. Кривые обеспеченности коэффициентов предельной загрязненности для лет разной обеспеченности по стоку с учетом и без учета планируемых водоохранных мероприятий: а — грязная; б — загрязненная; в — умеренно загрязненная; г — чистая; д — очень чистая; 1 — Э = 0 %; 2 — Э = 20 %; 3 — Э = 40 %; 4 — Э = 60 %; 5 — Э = 80 %

Расчеты показывают, что качество воды в реке Иртыш на современном этапе не отвечает нормативам. Загрязненность изменяется от уровня «грязная» в пограничном с Казахстаном створе до «загрязненная» в месте впадения в Обь. В среднем течении реки отмечается некоторое улучшение качества воды за счет самоочищения до состояния «умеренно загрязненная». В нижней части качество воды ухудшается до состояния «грязная» в створе города Тобольска за счет городских сбросов и впадения «загрязненных» вод реки Тобол.

Качество воды в реках Тобол, Ишим, Тура, Конда, Исеть в настоящее время соответствует уровню «умеренно загрязненная», что говорит о слабом протекании процессов самоочищения при постоянном поступлении потоков загрязненных стоков (табл. 5). Повышенной загрязненностью отличаются такие притоки, как Тагил, Тавда, Вагай, Уй. Качество воды в реке Тавда соответствует классу «очень грязная». Это

опасно для Иртыша: сток Тавды несет большой объем загрязняющих веществ. Наибольшую опасность загрязнения представляют такие вещества, как медь, цинк, марганец и нефтепродукты. Водоохранная деятельность должна быть направлена на улучшение качества воды путем очистки сточных вод от этих загрязнителей.

Таблица 5

Сводная таблица оценки качества воды рек бассейна Иртыша

Оценка направленности водоохра-ной деятельности проводится с целью определения требуемой эффективности водоохранных мероприятий для улучшения качества воды в реке, что создаст условия по улучшению состояния водного объекта в целом.

В табл. 6 представлены значения требуемой эффективности водоохранных мероприятий для доведения качества воды в реке Иртыш до состояния «умеренно загрязненная».

Таблица 6 Требуемая эффективность и места проведения водоохранных мероприятий для доведения качества воды в реке Иртыш до класса «умеренно загрязненная »

Водоохранное мероприятие Обеспеченность, %

75 95

Улучшение качества

воды в пограничном

с Республикой 64 73

Казахстан створе

Очистка стоков города

Тобольска 76 80

Улучшение качества

воды реки Тобол 43 53

Выводы

Совместное рассмотрение водосбора и водного объекта позволяет глубже понять процессы, происходящие в водной системе «водосбор — водный объект» и более обоснованно наметить необходимые эколого-водохозяйствен-ные мероприятия.

Ключевые слова: экологическая оценка, водный объект, бассейн, Иртыш, индекс Шеннона, водоохранная деятельность.

Кття Класс качества Река

1,83 Загрязненная Иртыш

2,12 Загрязненная Ишим

1,92 Загрязненная Тобол

3,01 Грязная Тура

2,74 Загрязненная Тагил

5,14 Очень грязная Тавда

1,6у Загрязненная Конда

4,27 Грязная Вагай

5,81 Очень грязная Уй

1,50 Загрязненная Синара

1,85 Загрязненная Теча

1,03 Загрязненная Миасс

2,48 Загрязненная Исеть