Оценка пространственной неоднородности качества вод Саратовского водохранилища

УДК 556.55.555

ОЦЕНКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ КАЧЕСТВА ВОД САРАТОВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

© 1999 В.А. Селезнев, М.Г. Рубцов, В.Я. Купер, Г.С. Розенберг

Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти

Представлены данные натурных измерений качества вод Саратовского водохранилища, полученные с использованием информационно-измерительной системы “Хитон”, установленной на борту научно-исследовательского судна “Биолог”. Анализ данных наблюдений показывает, что качество вод Саратовского водохранилища характеризуется пространственной неоднородностью, обусловленной воздействием боковых притоков Сок, Самара и Чапаевка.

Характерной чертой крупных водохранилищ Волги является наличие пространственных неоднородностей качества вод различного масштаба (Долгов, 1929; Горюнов, 1936; Зенин, 1965; Горин, 1971; Знаменский, 1981; Эдельш-тейн, 1991). Используя традиционные подходы (Казаровец, 1960; Воробьев, 1963), наиболее полно изучены крупномасштабные неоднородности качества вод, образованные на водохранилищах от впадения больших притоков. Мезо- и микромасштабные неоднородности, которые формируются на водохранилищах под воздействием средних и малых притоков, а также точечных источников загрязнения, исследованы недостаточно. Дело в том, что для их обнаружения и изучения необходимы специализированные средства контроля качества вод (Рубцов и др., 1989; Белоусов и др., 1991), обладающие высокой точностью и оперативностью измерения непосредственно в водной среде.

В качестве объекта исследований выбрано Саратовское водохранилище, на котором отсутствуют крупномасштабные неоднородности качества вод. Длина водохранилища достигает 341 км, ширина водохранилища изменяется в широких пределах от 0,8 до 12 км, площадь зеркала при нормальном подпорном уровне составляет 1831 км2, средняя глубина равна 8 м, а максимальная достигает 28 м. С левого берега в Саратовское водохранилище впадают притоки: Сок, Самара, Чапаевка, Чаг-ра и Малый Иргиз, имеются несколько точечных источников загрязнения в районах сброса сточных вод городов Жигулевск, Тольятти, Самара, Сызрань и Балаково.

Для определения пространственных неоднородностей качества вод на акватории Саратовского водохранилища были намечены десять створов и двадцать вертикалей (рис.1), по которым осуществлялось автоматизированное зондирование водной массы водохранилища по отдельным интегральным показателям качества вод: температура (Т), удельная электрическая проводимость (УЭП), водородный показатель (pH), окислительно-восстановительный потенциал (ЕЙ), растворенный кислород (02). Створы расположены таким образом, чтобы было возможно в первую очередь определить влияние боковых притоков на формирование качества вод водохранилища. По результатам зондирования на каждом створе выявлялись пространственные неоднородности качества вод и намечались вертикали наблюдений, для отбора проб воды в поверхностном и придонном горизонтах на традиционный химический анализ для идентификации различных водных масс. Наблюдения на Саратовском водохранилище проходили в летнюю межень с 24 по 27 июля 1996 г.

Зондирование водохранилища по створам и вертикалям осуществлялось с борта экспедиционного судна “Биолог” при помощи информационно-измерительной системы (ИИС) “Хитон”, разработанной в Научно-производственном центре “ПАЛС” (Рубцов и др., 1989). В состав ИИС “Хитон” входят: погружаемая часть; кабель-трос; бортовой блок; персональный компьютер и программное обеспечение. Погружаемое устройство опускается на грузо-несущем одножильном кабеле, по которому подаются с бортового устройства питание, сиг-

Рис.1. Схема расположения створов и вертикалей наблюдения на Саратовском водохранилище в период с 24 по 27июля 1996 г.

налы управления датчиками, а с погружаемого устройства - информация. Проводная линия связи, по которой передается унифицированный измерительный сигнал, используется также для подачи в погружаемую часть зонда напряжения питания и сигналов команд управления работой узлов погружаемой части зонда.

Зондирование водохранилища по створам осуществлялось в поверхностном слое воды при движении судна от правого к левому берегу. Продолжительность зондирования на каждом створе составляла от 6 до 60 минут и зависела от ширины водохранилища в районе расположения створа. Зондирование по глубине осуществлялось при постановке судна на якорь

и продолжительность наблюдений составляла 2-5 минут на каждой вертикали.

Принцип действия ИИС “Хитон” заключается в том, что все измеряемые величины в погружаемой части зонда преобразуются в унифицированный сигнал - последовательность прямоугольных импульсов с модуляцией частоты (периода) повторения, который передается по проводной линии связи в бортовой блок. В бортовом блоке период повторения импульсов преобразуется в цифровой двоичный код, который вводится в персональный компьютер для последующей обработки. Время измерения каждого параметра составляет 0,03с.

Как показали исследования, наиболее до-

стоверно пространственные неоднородности качества вод, выделяются по непрерывным записям Т и УЭП воды , погрешность измерения которых составляет по Т - 0,01 0С, а по УЭП -

0,001 мкСим/см (табл.1). Глубина погружения датчиков определяется при помощи датчика давления. Столь высокая точность измерения позволяет не только выявить пространственную неоднородность, но и наблюдать за ней на всех стадиях ее эволюции. После выделения пространственных неоднородностей качества вод в автоматизированном режиме с помощью ИИС “Хитон” необходимо их идентифицировать по результатам традиционного химического анализа проб воды.

Одним из наиболее эффективных путей получения высокой точности измерений является использование алгоритмических методов измерений, основанных на идентификации статистической функции преобразования измерительного канала ИИС. Они основаны на использовании тестовых методов измерений (ТМИ). Одним из основных недостатков ТМИ является снижение быстродействия ИИС, вызванное необходимостью проведения дополнительных измерений. При этом для обеспечения необходимой пространственной разрешающей способности следует уменьшать скорость погружения зонда. Это приводит к увеличению времени проведения эксперимента, и, следовательно, к увеличению его стоимости. Поэтому разработка новых ТМИ, обеспечивающих высокую точность измерений, долговременную стабильность метрологических характеристик и необходимое быстродействие, всегда являлась весьма актуальной задачей. Отличительной особенностью ИИС “Хитон” является использование при измерениях всех физических и химических параметров воды тестовых воздействий в измерительных каналах зонда, проведение дополнительных измерений тестов и

обработка данных по соответствующим алгоритмам, обеспечивающим значительное повышение точности измерений.

Важное место при натурных наблюдениях отводится подготовке и правильной эксплуатации ИИС “Хитон”. Например, на измеренное значение УЭП воды может влиять загрязнение пробы внутри ячейки. Наличие в воде большого количества взвешенных веществ, жира или масла может вызвать загрязнение электродов. Мешающие влияния, вызванные такими воздействиями, при выполнении обычных операций нелегко обнаружить. Они могут легко вызвать изменение постоянной ячейки, что можно установить лишь проверкой с помощью подходящего стандартного раствора хлорида калия.

Результаты зондирования Саратовского водохранилища по 10-ти створам по Т и УЭП показаны на рис.2 и представлены в таблице

2, где указаны дата и время измерения, а также среднее, максимальное и минимальное значение Т и УЭП в каждом конкретном створе. Из таблицы видно, что изменение Т и УЭП воды по ширине водохранилища не остается постоянным. Так для створов VII и VIII изменение Т воды по ширине водохранилища минимальное и составляет 0,10С, для створа I - 0,20С, для створов III, V и IX - 0,30С, для створов IV и VI - 0,40С, для створа II - 0,70С и для створа X максимальное и составляет 3,80С. УЭП воды по створам водохранилища изменяется в широких пределах от 6 до 154 мкСм/см. Значительные изменения УЭП воды наблюдаются в створе IV (154 мкСм/см)), в створе III (41 мкСм/см), в створе V (36 мкСм/см) и створе X (37 мкСм/ см).

В качестве примера на рис.3-6 показаны сглаженные результаты зондирования Саратовского водохранилища от правого берега к левому по УЭП воды в створах III, IV, V и X. На

Таблица 1. Технические характеристики информационно-измерительных систем типа “Хитон”

Параметры т, УЭП, Давление, Химические

измерения 25 0С мкСим/см МПа показатели, В

Диапазон от -2 до 35 от 1 до 6,5 от 0 до 2,5 от -1 до + 1

Погрешность 0,01 0,001 0,1% 0,001

Порог чувствительности 0,002 0,0003 0,005% 0,00005

Примечание: В - напряжение в вольтах, МПа - давление в мегапаскалях

- среднее

- максимум -минимум

Номер створа

- среднее максимум минимум

Номер створа

Рис. 2. Изменение Т и УЭП в поверхностном слое воды

по длине Саратовского водохранилища

створах III, IV и V по записям УЭП отчетливо прослеживается влияние стока рек Сок, Самара и Чапаевка на качество вод Саратовского водохранилища у левого берега. В момент зондирования Саратовского водохранилища Т воды притоков Сок, Самара и Чапаевка составляла 21,3 0С, 18,0 0С и 23,2 0С , а УЭП воды составляла соответственно 1074 мкСм/см, 625 мкСм/ см и 421 мкСм/ см. Величина воздействия притоков неодинакова. Наибольшие изменения

УЭП воды наблюдаются на Саратовском водохранилище в створе IV и обусловлены воздействием реки Самары. В результате размах колебаний УЭП в створе IV составляет 154 мкСм/ см. Воздействию реки Самары подвержены воды Саратовского водохранилища вдоль левого берега шириной около 100 м, по длине водохранилища ее влияние прослеживается до района впадения реки Чапаевка. Влияние рек Сок и Чапаевка также прослеживается вдоль

Таблица 2. Изменение УЭП и Т воды в поверхностном слое Саратовского водохранилища по результатам зондирования на 10-ти створах

№ створа Дата Время записи начало/конец УЭП, мкСм/см сред./ мах / мин т, 0С сред./ мах./ мин.

I 24.07 15:48 / 15:58 417 / 429 / 411 22,2 / 22,3 / 22,1

II 24.07 18:08 / 18:18 423 / 434 / 419 22,0 / 22,4 / 21,7

III 25.07 10:46 / 10:58 393 / 428 / 387 21,8 / 21,9 / 21,6

IV 25.07 16:14 / 16:20 409 / 548 / 394 22,0 / 22,3 / 21,9

V 25.07 19:28 / 19:38 400 / 427 / 391 22,0 /22,2 / 21,9

VI 26.07 7:30 / 7:42 367 / 374 / 359 21,7 / 21,8 / 21,4

VII 26.07 12:47 / 12:55 401 / 405 / 399 21,5 / 21,6 / 21,5

VIII 26.07 17:59 / 18:10 366 / 372 / 363 21,5 / 21,6 / 21,5

IX 27.07 6:55 / 7:55 366 / 374 / 361 21,5 / 21,7 / 21,4

X 27.07 18:50 /19:15 413 / 434 / 397 23,6 / 25,9 / 22,1

Рис. 3. Изменение УЭП (мкСм/см) воды в поверхностном горизонте створа III

Рис. 4. Изменение УЭП (мкСм/см) воды в поверхностном горизонте створа IV

Рис. 5. Изменение УЭП (мкСм/см) воды в поверхностном горизонте створа V

Рис. 6. Изменение УЭП (мкСм/см) воды в поверхностном горизонте створа X

Таблица 3. Изменение УЭП и Т воды по глубине Саратовского водохранилища по результатам зондирования на 20 вертикалях

№ № Дата Время г, УЭП, мкСм/см Т, 0С

С В записи м сред./ мах / мин сред./ мах./ мин.

I 1 24.07 16:29 9,0 412 / 416 / 411 21,60/21,69/21,57

2 24.07 17:12 12,0 425 / 428 / 424 22,06/22,12/22,03

II 3 24.07 18:54 10.5 427 / 433 / 425 21,97/21,98/21,96

4 24.7 19:26 12,0 439 / 445/ 436 22,17/22,23/22,14

III 5 25.07 11:25 13,0 412 / 424 / 406 21,67/21,72/21,59

6 25.07 12:08 8,0 417 / 424 / 415 21,82/21,83/21,81

IV 7 25.07 16:49 17,0 497 / 525 / 470 22,13/22,19/22,07

8 25.07 17:24 5,5 408 / 410 / 407 22,03/22,04/22,02

V 9 25.07 20:35 14,0 - / - / - -/ - / -

10 25.07 20:50 9,0 417 / 419 /414 22,08/22,09/22,07

VI 11 26.07 8:21 11,0 402 / 407 / 394 21,60/21,61/21,60

12 26.07 9:18 18,0 406 / 412 / 402 21,69/21,70/21,69

VII 13 26.07 13:22 11,0 419 / 423 / 416 21,43/21,45/21,41

14 26.07 14:57 28,0 424 / 427 / 420 21,36/21,44/21,31

VIII 15 26.07 18:39 22,0 393 / 399 / 383 21,45/21,52/21,31

16 26.07 19:23 14,0 403 / 406 / 399 21,43/21,47/21,37

IX 17 27.07 8:41 18,0 391 / 396 / 384 21,46/21,47/21,45

18 27.07 9:36 7,0 393 / 395 / 391 21,42/21,51/21,38

X 19 27.07 19:49 24,0 419 / 428 / 412 22,26/23,53/21,70

20 27.07 20:35 18,0 418 / 422 / 415 22,15/22,96/21,83

Примечание: С - створ, В - вертикаль, Г - глубина, “-“ - отсутствие наблюдений

левого берега водохранилища, хотя и менее значительное. Особый интерес представляет распределение Т и УЭП воды в створе X, расположенном на приплотинном плесе Саратовского водохранилища. Здесь наблюдаются самые высокие градиенты по Т воды.

По результатам зондирования в летнюю межень 1996 года воздействие реки Чагра в створе IX и реки Малый Иргиз в створе X обнаружить не удалось, что обусловлено малым водным стоком этих рек в указанный сезон года и значительным удалением створов наблюдения от устьевых районов. По этой же причине не удалось обнаружить микромасштабных неоднородностей качество вод Саратовского водохранилища, которые формируются в результате воздействия сточных вод городов Жигулевск, Тольятти, Самара и Сызрань. Для этой цели необходима организация специальных локальных исследований в районах сброса сточных вод.

Количественные изменения Т и УЭП воды по глубине водохранилища на 20-ти вертикалям представлены в табл. 3, где указаны дата и

время измерения, глубина вертикали, а также среднее, максимальное и минимальное значение Т и УЭП на каждой конкретной вертикали. Глубина водохранилища на вертикалях изменяется от 5,5 до 28,0 м. Т воды по глубине изменяется в широких пределах для различных вертикалей от 0,010С (вертикали № 11 и 12 в створе VI) до 1,130С (вертикаль №20 в створе X). УЭП воды по глубине изменяется от 3 мкСм/ см (вертикаль №8 в створе IV) до 55 мкСм/см (вертикаль №7 в створе IV). Вертикальное распределение Т и УЭП воды также подтверждает воздействие притоков Сок, Самара и Чапа-евка на качество вод Саратовского водохранилища.

Химический анализ проб воды поверхностного и придонного горизонтов на 20-ти вертикалях позволяет уточнить результаты полученные при зондировании Саратовского водохранилища по Т и УЭП воды и идентифицировать различные водные массы. Смешанные водные массы Саратовского водохранилища в районе впадения рек Сок, Самара и Чапаевка отличаются от основной водной массы по pH,

Таблица 4. Качество вод Саратовского водохранилища по результатам экспедиции в период 24-27 июля 1996 года

№ Г pH Eh 02 НСОэ SO4- ^-, Ca++ Mg+ ^3 ^0& P А мин

В мВ мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л + мг/л мг/л мг/л мг/л

1 П 8.46 187 8.5 115.4 63.2 28.1 42.3 7.4 0.65 0.11 0.005

Д 8.42 189 8.4 117.4 64.8 28.4 39.5 8.6 0.64 0.11 0.002

2 П 8.44 189 8.6 115.4 64.8 28.7 41.7 9.1 0.60 0.14 н/о

Д 8.46 182 8.4 115.4 68.0 29.3 39.9 10.6 0.60 0.20 0.003

3 П 8.49 194 9.5 113.1 66.0 28.4 41.8 8.9 0.73 0.13 0.003

Д 8.50 198 9.1 113.1 69.6 29.9 39.4 9.5 0.75 0.10 0.011

4 П 8.30 203 8.1 113.1 64.8 30.5 40.4 9.5 0.72 0.05 0.003

Д 8.33 205 8.1 112.5 64.8 30.5 40.4 9.1 0.70 0.07 0.017

5 П 8.51 222 9.9 110.8 67.2 28.7 34.4 10.9 0.92 0.11 0.003

Д 8.44 235 9.0 117.7 71.6 28.7 41.0 10.3 0.95 0.11 н/о

6 П 8.22 230 7.7 112.5 66.0 27.7 38.7 9.7 0.77 0.09 0.002

Д 8.22 227 7.5 113.1 63.2 29.9 38.5 9.7 0.79 0.02 0.005

7 П 8.06 230 8.3 144.1 83.2 36.4 46.2 11.6 0.95 0.02 0.011

Д 8.07 232 8.1 132.0 83.2 35.8 45.2 12.2 0.92 0.01 0.019

8 П 8.52 222 9.3 112.5 60.0 29.9 39.8 8.3 0.70 0.03 0.005

Д 8.51 220 9.3 116.5 71.9 28.1 41.0 9.5 0.72 0.10 0.004

9 П 8.18 238 8.8 117.5 64.8 30.2 43.2 9.8 0.82 0.05 0.021

Д 8.20 242 8.9 116.5 66.0 31.8 43.5 10.0 0.70 0.03 0.020

10 П 7.98 262 7.4 111.4 67.2 29.0 39.7 9.7 0.61 0.02 0.014

Д 7.97 256 7.6 110.8 66.0 29.3 41.7 8.6 0.61 0.02 0.015

11 П 7.86 247 8.0 111.8 61.6 28.4 41.7 8.9 1.46 0.06 0.029

Д 7.70 247 7.8 110.8 62.8 29.9 41.2 8.8 1.28 0.07 н/о

12 П 7.87 253 7.6 112.4 68.4 29.3 39.9 8.7 1.11 0.17 н/о

Д 7.92 250 7.4 113.0 56.8 29.3 41.3 8.8 1.06 0.21 0.004

13 П 7.89 251 8.0 111.8 61.2 28.7 41.7 7.1 1.11 0.04 0.027

Д 7.89 266 8.0 112.4 66.0 28.4 39.7 8.5 1.06 0.01 0.002

14 П 7.83 249 7.6 114.8 61.2 28.1 42.7 8.4 1.09 0.02 0.033

Д 7.87 247 7.5 115.8 63.2 27.4 38.2 9.1 1.11 0.20 0.001

15 П 7.93 257 8.8 112.3 71.6 31.4 41.0 9.1 1.16 0.12 0.003

Д 7.93 259 8.7 113.4 71.8 30.5 40.2 10.0 1.16 0.08 0.001

16 П 7.96 255 9.2 112.3 60.0 28.7 43.8 8.5 1.19 0.06 0.001

Д 7.92 256 8.8 113.4 68.0 28.4 43.5 8.4 1.16 0.08 0.030

17 П 7.95 256 8.7 111.2 63.2 27.7 43.2 6.7 1.50 0.16 0.004

Д 7.89 259 8.8 112.4 61.2 28.7 39.9 8.1 1.16 0.05 0.036

18 П 7.90 251 8.7 111.5 63.0 29.9 39.3 10.0 1.16 0.05 0.049

Д 7.88 257 8.6 113.5 63.2 29.6 42.0 10.1 1.16 0.12 0.034

19 П 8.29 222 11.4 118.1 67.2 29.3 40.8 9.4 1.09 0.29 0.019

Д 7.98 252 8.9 118.1 63.8 29.3 43.2 10.3 1.11 0.05 0.036

20 П 7.96 253 9.5 114.1 75.6 27.7 40.0 9.6 0.95 0.08 0.019

Д 7.94 254 8.7 115.8 68.0 27.7 42.2 9.7 0.99 0.18 0.032

Примечание: В - вертикаль; Г - горизонт

НС03 ,804, СЬ и т.д. Однако эти различия не 4 представлены результаты химического анали-столь существенны и без предварительного зон- за проб воды Саратовского водохранилища на дирования водохранилища по УЭП воды най- 20 вертикалях (поверхностный и придонный ти их было бы весьма проблематично. В табл. горизонты).

Результаты проведенных исследований показывают, что воздействие рек Сок, Самара и Чапаевка приводит к возникновению на Саратовском водохранилище мезомасштабных пространственных неоднородностей качества вод. Наиболее ощутимо это проявляется в районе впадения реки Самары. Здесь у левого берега водохранилища формируются смешенные водные массы, которые отличаются от основной водной массы.

Исследования, выполненные на Саратовском водохранилище, позволили сформулировать новые методические подходы к мониторингу качества вод крупных водохранилищ и разработать метод выделения зон воздействия боковых притоков. Основные задачи, решаемые с помощью данного метода: 1) разделение водных масс различного генезиса; 2) определение границ и размеров зон воздействия боковых притоков и изучение их динамики; 3) отслеживание путей перемещения и трансформации различных водных масс. Используемые методы и средства наблюдения позволяют оптимизировать систему существующего мониторинга качества вод на крупных водохранилищах с позиций рационализации сети наблюдений и повышения достоверности полученных результатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белоусов А.П., Кимстач В.А., Завеса М.П., Музыков А.Г. Использование автоматизированных систем контроля загрязненности поверхностных вод типа АНКОС-ВГ для оперативного мониторинга // Гидрохимические материалы. - 1991. - Т. 100. - С. 69-78.

2. Воробьев Н.И. Применение измерения электропроводности для характеристики химического состава природных вод. - М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 142 с.

3. Горин Ю.И. Формирование, перемещение и трансформация водных масс в Черем-шанском заливе Куйбышевского водохранилища // Сб. работ Комсомольской ГМО.

- 1971. - Вып. 9. - С. 35-39.

4. Горюнов А.А. Электропроводность воды реки Волги // Тр. ГГИ. - 1936. - Вып.3. -С. 79-85.

5. ДолговГ.И. Неоднородность состава воды в реках в связи с впадением притока и спуском сточных вод // Тр. 2 Всесоюзного водопроводного и санитарно-технического съезда в г. Харькове в 1927г. - М., 1929.

- Вып. 3. - С. 63-94.

6. Зенин А.А. Гидрохимия Волги и ее водохранилищ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 258с.

7. ЗнаменскийВ.А. Гидрологические процессы и их роль в формировании качества воды. - Л., 1981. - 248 с.

8. Казаровец Н.М. Применение кондукто-метрического метода к изучению распределения водных масс Рыбинского водохранилища // Бюл. ИБВВ АН СССР. - 1960.

- № 7. - С. 16-28.

9. Рубцов М.Г., Купер В.Я., Нечаев С.А., Татарченко Е.И. Автоматизированный измерительный комплекс для гидрофизических исследований // Технические средства и методы исследования океанов и морей: Тез. докл. Т. 2. -М., 1989а. - С. 85.

10. Эдельштейн К.К. Водные массы долинных водохранилищ. - М.: Изд-во Моск. унта, 1991. - 174 с.

ESTIMATION OF SPATIAL HETEROGENEITY FOR WATERS’ QUALITY

IN THE SARATOV’S RESERVOIR

© 1999 V.A. Seleznev, M.G. Rubtsov, V.Ya. Kuper, G.S. Rozenberg

Institute of Ecology of the Volga River Basin of Russian Academy of Sciences, Togliatti

The paper presents data of immediate measurements of waters’ quality in the Saratov’s reservoir. These data were obtained from the information-measuring system “Khiton”, which was mounted aboard scientific-research ship “Biolog”. The analysis of the observation data demonstrates that waters quality in the Saratov’s reservoir is characterized by spatial heterogenity, which is caused by influence of the tributary streams: Sok, Samara and Chapaevka Rivers.