Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Антропогенные изменения гидрохимических характеристик местного стока Северо-Запада России

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Антропогенные изменения гидрохимических характеристик местного стока Северо-Запада России"

На прдмх рукописи

БАЛОНИПШИКОВА ЖАННА АРНОЛЬДОВНА

АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕСТНОГО СТОКА СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург-1993

Работа выполнена в Государственном гидрологическом инеппуте. Научные руководители : члсн-коррсспондснт РАН, доктор гсолого-

иинералогичсских наук,проф. Л.МНиканоров доктор географических наук, с.н.с. Б.Г.Скакальский Официальные олпоненш : доктор химических щук, с.н.с. Г.Т. Фруыин

кандидат географических наук, доцент В.Г.Орлов Ведущая организация: Северо-Западное территориальное управление по

гидрометеорологии и мошггоршпу окружающей среды

Защита диссертации состоится « 26 » мая 1998 г. в 11.00 час. на заседании Диссертационного совета Д 024.03.01 по специальности 11.00.07 « Гцдролопи суши, водные ресурсы, гидрохимия» при Государственном Гидрологическом институте по адресу: 199053, С-Петербург, 2-я линия, 23. Факс (812)213-10-28

С диссертацией можно ознакомить« в библиотеке Государственного гидрологического инеппута.

Автореферат разослан « 26 » апреля 1998 г.

Просьба отзывы на автореферат (2 экз., заверенные печатью) направлять ученому секретарю диссертациошюго совета.

Ученый секретарь Диссертациошюго совета, . У /

кандидат географических наук <■ Н. А.Лемешко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа выполнена автором в Лаборатории качества вод Государственного гидролопгческого института. Основным объектом исследований являлись малые реки европейской части страны. Результаты этих исследований составили основу диссертации, посвященной оценке современного гидрохимического состой ия малых рек Северо-Западного региона России.

Актуальность темы. Среди современных экологических проблем, задача всестороннего изучения малых рек занимает особое место. Составляя преобладающую часть гидрографической сети и являясь начальный звеном в формировании водного стока и качества воды больших и средних рек, малые реки играют важную роль в функционировании и развитии экосистем, определяют географические, экономические и социальные условия существования человека и развития общества. В последнее время эта роль еще более возросла в связи с особенно интенсивным использованием пргфодних ресурсов малых рек.

Использование малых рек как источников водоснабжения, проведение на их водосборах зоотехнических и лесомелиоративных работ привело к существенному изменению их естественного режима, нарушению взаимосвязи поверхностных и подъемных вод. Негативные экологические последствия, вызванные воздействием указанных мероприятий, привели к гому, что даже па территориях, располагающих достаточными водными ресурсами, обеспечение населения и различных отраслей экономики водой требуемого качества становится трудноразрешимой задачей. Для ее решения прежде всего необходимо иметь объективную информацию о характере и степени загрязнения речных вод и об их изменчивости под влиянием естественных и антропогенных факторов.

Наиболее изученными территориями по состоянию малых рек, с щдрологической и гидрохимической точки зрения , являются средняя полоса европейской части России (бассейны Верхнего и Среднего Днепра, Дона, Оки и Средней Волги), а также Урал. Однако, бассейны этих регионов отличаются от речных систем Северо-Западного региона России как по физико-географическим факторам, так и по характеру хозяйственной деятельности.

Состояние вод малых рек Северо-Запада России , временная изменчивость их качества и пространственная неоднородность в настоящее время изучены недостаточно. Вместе с тем, увеличивающееся потребление водных ресурсов и рост

уровня их загрязнении в регионе требуют более глубокого исследования количественных и качественных показателей стока малых водотоков.

Таким образом, объективная оценка качества речных вод Северо-Западного региона России и определение тенденций его изменения под влиянием хозяйственной деятельности человека приобретает весьма актуальное значение.

Цель работы. Данная работа имела целью на основе данных режимных гидрохимических наблюдений выявить и оценить степень комплексного антропогенного влияния на химический состав вод различного происхождения (склоновых, почвенно-грунтовых, грунтовых), составляющих местный сток Северо-Запада Европейской территории России, в различные гидрологические периоды.

Основные задачи:

В произвести анализ гидрохимических наблюдений в регионе, выбрать наиболее репрезентативные и равномерно расположенные пункты;

■ выделить основные составляющие местного стока - воды различного происхождения;

■ установить период относительно естественного гидрохимическою фона;

■ определить период антропогенного воздействия;

В выполнить анализ и сравнить гидрохимический режим малых рек за установленные периоды;

В оценить антропогенную составляющую в формировании современного гидрохимического режима вод местного стока.

Методическая основа. Оценка антропогенного влияния на химический состав вод местного стока выполнялась путем анализа и сравнения гидрохимических характеристик за период антропогенного влияния с соответствующими показателями относительно естественного гидрохимического фона вод различного генезиса.

Для выделения и характеристики этих генетических категорий применялся метод графического расчленения гидрографа малой реки на отдельные его составляющие. Расчленение гидрографа производилось на основании физических закономерностей формирования стока на малом водосборе.

Антропогенное влияние на химические показатели вод местного стока оценивалось по изучаемым рекам для многолетнего периода (~ 40 лет) с использованием метода интегральных кривых и статистической обработки гидрохимической сетевой информации.

Научная новизна. Впервые получены объективные данные естественного тдрохнмнческого фона Северо-Западного региона по основному ионному составу, органическим веществам и биогенным элементам , при этом уточнены коэффициенты уравнений карбонашости дм каждой генетической категории.

Сделаны выводы о влиянии антропогенных факторов на химический состав вод местного стока Северо-Запада Европейской части России и впервые дана оценка антропогенных изменений каждой генетической категории вод местного стока -склоновых, почвенно-грунтовых, грунтовых вод.

Практическая значимость. Результаты исследований по оценке влияния антропогенного фактора на местный сток в Северо-Западном регионе России могут быть использованы при разработке мероприятий по охране водных ресурсов данного региона и картировании различных гидрохимических показателей с целью типизации водных объектов в зависимости от антропогенной нагрузки.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на семинарах Лаборатории качества вод ГШ, на Итоговых Сессиях Ученого Совета Государственного Гцдролопгаеского Института ( 1993г., 1998г), на конференциях молодых ученых и специалистов (1990г., 1991 г.,1ТИ), на Секции Русловых Процессов Научного совета ГКНТ (1991г.,С-Петербург), на Всесоюзном семинаре « Комплексные проблемы охраны и рационального использования водных ресурсов Севера и Северо-Запада» (1991г.,Петрозаводск), на Международном Симпозиуме « Комплексные проблемы охраны и рационального использования водных ресурсов Северо-Запада»^ 992г.,С-Петербург), на Международных Курсах ЮНЕСКО (1996г., Будапешт) Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ и подготовлены разделы в трех научных отчетах (1985г., 1990г., 1992г.) . Перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и содержит 148 страниц текста, 12 рисунков, 37 таблиц. Список литературы включает 104 наименования, из гак 11 - зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цели и задачи диссертационной работы.

В первой главе на основе обзора литературных источников рассматривается состояние вопроса формирования местного стока. Впервые понятие местного стока было сформулировано В.Г.Глушковым\1934У Им было отмечено, что качество вод местного стока определяется особенностями того ландшафта, в пределах которого располагается данный речной водосбор. В дальнейшем теоретическая основа этого процесса была разработана П. П. Воронковым\ 19бЗ\, который выделил основные составляющие местного стока - генетические категории, исследовал их происхождение и картировал некоторые химические характеристики природных вод малых рек для всей территории бывшего Советского Союза.

Согласно ГШ.Воронкову к местному стоку следует относить воды, образующиеся из атмосферных осадков, выпавших на поверхность достаточно однородного водосбора, и сформировавшие химический состав в процессе отекания в его пределах. Эти воды могут поступать в речные системы по следующим основным путям: по поверхности переувлажненных склонов, из временных водоносных горизонтов, образующихся в почвенно-грунтовой толще и из постоянных водоносных горизонтов грунтовой толщи. В зависимости от пуп« стекагшя выделяют основные генетические категории вод, составляющих местный сток : склоновые, почвашо-грунговые и грунтовые. Каждая из перечисленных категорий получает максимальное развитие r определенные гидрологические периоды, и сменой их в русловой сети обусловливается гидрохимический режим достаточно малых и средних водосборов, площадь которых ограничивается 12 тыс.км2 /рис. 1/.

В естественных условиях формирование качества воды определяется в основном

физико-географическими условиями : геологическим строением территории, рельефом,

климатом, типом почв и растительным покровом. Для северо-западной территории

основным природным фактором, определяющим гидрохимические особенности речных

вод является избыточная увлажненность почвенно-грунтовой толщи в течение всех

сезонов года / П.П.Воронков, 1975/. С этим связано распространение подзолистых

типов почв и заболоченных территорий, оказывающих непосредственное влияние на

формирование химического состава вод малых рек. Болотные воды, питающие

большинство рек, являются в условиях Северо-Запада первый этапом в этом процессе.

Вопросы химического состава болотных вод, его зависимость от состава атмосферных

вод и сезонное изменение его составляющих освещены в немногочисленных работах

/П.П.Воронков,1951, И.Л. Калюжный, 1974/, которые существенно дополняют

представления о формировании и дальнейшем процессе трансформации качественных

5

Рис. 1. Динамика показателей химического состава воды р.Луга (с.Толмачево) как отражение смены типов водного питания реки.

а) главные ионы

б) биогенные и органические вещества

характеристик местного стока. Гидрологические условия существования на водосборе

вод различных категорий местного стока, их зональный характер и связь с

гидрохимическим режимом отражены в исследованиях Б.Г.Скакальского /1966. 1983.

1995/. Полученные им количественные оценки объемов генетических составляющих

местного стока в различных ландшафтных зонах создают гидрологическую основу в

понимании происходящих гидрохимических процессов речных систем.

Постепенное изменение условий формирования местного стока, связанное с

хозяйственной деятельностью на водосборах малых рек потребовало новых подходов к

б

изучению закономерностей гидрохимического режима, учету влияния и оценке антропогенных факторов. Экологическому состоянию малых рек, различным аспектам использования их водных ресурсов и водосборов, разработке методов нормирования антропогенной нагрузки посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов. Особенно важное научно-методическое и практическое значение для совершенствования методов рационального использования малых рек, их сохранения и восстановления имеют работы Х.А.Вельнера /1979г./, В.Е.Водогрецкого /1990г./, Д.В. Закревского/1986г./, Э.О.Лошу /1981г./, М.П. Максимовой/1985г./, В.В. Морокова / 1987г./, А.М.Никанорова /1988г./, В.И.Пелешенко /1975г./, И.А.Правошинского /1989г./, Б.Г.Скакальского /1991г./, И.АЛЬжломанова /1986г./, Л.Л Шляпникова /1985г./, А.В.Яцыка /1997г./.

Из анализа результатов исследований современной нагрузки на малые реки следует вывод о необходимости комплексного подхода к изучению процессов загрязнения малых рек, оценке шпропогенной нагрузки на их бассейны, определению критериев этой нагрузки и ее нормирования, выработке мероприятий, позволяющих сохранить , оздоровить и возродить экосистемы малых рек.

Во второй главе дается характеристика исходного материала и описываются методы, используемые в настоящей работе. В исследовании были использованы режимные гидрохимические данные государственной службы ГСН по 25 пунктам, размещенным на малых реках и достаточно равномерно распределенных по всей территории . Они охватили центральную и южную части Карелии, Ленинградскую, Псковскую и Новгородскую области. Критерием для отбора пунктов также служило наличие непрерывных длительных рядов наблюдений за концентрациями главных ионов и биогенных элементов. Использованный материал охватывал период с 1950 по 1990 г. Число отобранных в году проб по каждому пуншу составляло от 3 до 7. Всего проанализированы результаты химического анализа более 90 тыс.проб воды.

Для выделения н характеристики генетических категорий местного стока -склоновых, точвенно-грунтовых и грунтовых вод - в работе применялся метод графического расчленения гидрографа малой реки на отдельные его составляющие с учетом физических закономерностей формирования этих вод на водосборе / рис 2 /.

Для определения комплексного антропогенного влияния с помощью интегральных кривых были установлены временные периоды, соответствующие относительно-естественному гидрохимическому фону (1950 - 1960г.г) и нарушенному

(антропогенному) состоянию, начало которого относится к середине 60-х годов.

7

III IV V VI VII VIII « X н и

Рис. ЯГыдрографр.Пяльма (д.Пяльма) и изменение содержания главных ионов в зависимости от гидрологического периода

- расход воды (м/с)

- минерализация (мг/л)

---------НСО,'(%экв.)

------------- 50'(%зкв.)

------------------------- СЪ'(%жв.)

- склоновый сток

- почвенно-грунтовый смок

- грунтовый сток

Сопоставление данных за период антропогенного влияния с соответствующими данными за относительно фоновый период позволило оценить современное состояние малых рек северо-западного региона России и определить основные тенденции в изменении качества природных вод по минеральному и биогенному составу под влиянием хозяйственной деятельности.

В третьей главе рассматриваются основные результаты по оценке особенностей химического состава вод генетических категорий местного стока за периоды относительно-естественного фона и антропогенного влияния.

Химический состав вод местного стока в относительно-естественный (фоновый) период

Склоновые воды

В общем годовом стоке воды этой категории составляют 50 - 65 %.

Гидролопиеские условия существования на водосборе склоновых вод зависят от

инфильтрационной способности почвенного покрова. В условиях Северо-Западного

8

региона России снеготаяние обычно завершается до того момента, когда переувлажненная почва не успевает оттаивать и почвенный покров находится еще в водонепроницаемом состоянии. Физическое состояние поверхности лесных водосборов, которые являются основными на изучаемой территории, обеспечивает стекание талых вод преимущественно в слое лесной подстилки и на границе ее с гумусовым горизонтом. Указанный характер склонового стока определяет химический состав водных масс, заполняющих русловую сеть в этот период. Это маломинерализованные воды ( Ей 25 - 90 мг/л ) с преобладанием гвдрокарбонатных ионов среди анионов и катионов кальция в катонном составе

Уточненное в результате расчетов уравнение карбонатибсти для этих вод в их естественном состоянии имеет вид

Е и (25-120) = 1.34 НСОЗ- + п, где п - эмпирический параметр, изменяющийся в пределах от 7 до 17 в зависимости от местоположения водосбора.

Минерализация и химический состав вод местного стока в этот период в значительной степени обусловлены содержанием растворенных веществ, содержащихся в атмосферных осадках ( 10-20 мг\л ), выпадающих в виде снега, а также неорганических соединений, которые накапливаются на поверхности почвы в течение зимнего периода.

В пределах изучаемой территории минерализация и содержание главных ионов изменяется от 10 - 30 мг\л на севере ( водосборы рек Пяльма, Шуя, Кумса, Тулема, Водла, Сонба, Колода, Селезневка, Волчья, Олонка ) до 70 - 90 мг\л на юге (водосборы рек Явонь, Ловатъ, Луга, Сороть, Оредеж ). Такая же закономерность изменений наблюдается для значений рН - от 6.0 до 7.2.

Для некоторых рек (Сомба, Тулема, Шуя н др.) характерным является превышение сульфатных ионов (20 - 25 % экв.) над гидрокарбонатными, источниками которых в данном случае являются органические соединения, образующиеся в лесной подстилке, а также сульфаты атмосферного происхождения. Особенностью химического состава вод этой категории является превышение общего количества растворенных органических веществ над суммой минеральных солей. Среди биогенных соединений доминируют ионы ЫОз". Концентрация фосфатов в этот период является минимальной.

Почвенно-грунтовыс воды В походный период от половодья к межени преимущественное развитие получают воды почвенно-грунтового происхождения. В годовом стоке лесной зоны они составляют 20 -35%.

Химический состав этой категории вод определяется степенью засоленности почвенно-грунтовых слоев и продолжительностью пребывания воды в этих слоях.

Степень выраженности щщюкарбонатого характера этих вод определяется уравнением карбонашости:

Еи(30-160) = 1.4 НСОЗ- + п,

где п - числовой параметр, установленный для водосборов Карелии -5, водосборов бассейна Ладожского озера - 7, остальной части Северо-Западной территории России -10.

Для вод этой категории характерно повышение минерализации по сравнению со склоновыми водами за счет гцдрокарбонаггных ионов, кап ¡снов кальция и магния. В то же время снижается содержание сульфатных ионов. Увеличивается жесткость и величина рН.

В ходе исследований установлено, что территориальное распределение значений минерализации в период спада половодья подобно се распределению в период потю»ртп.г_ ггри тгом ее значение увеличивается от 20 нг\л на севере территории до 113 мг\л на юге на водосборах р.Ловать и р.Явонь. При общей тенденции повсеместного уменьшения сульфатных ионов, исключением являются водосборы рек Сонба и Тулеиа, где сохраняется повышенное их содержание. В водах этой генетической категории наблюдается смещение значений рН в сторону уменьшения кислотности и снижение количества органических веществ. Содержание биогенных веществ в почвенно-грунтовых водах снижается по сравнению со склоновыми водами, особенно нитратных и фосфорных соединений. Концентрация общего железа также незначительно падает.

Грунтовые воды

В общем годовом стоке грунтовые воды составляют 15 - 30 %.

Переход реки на грунтовое питание происходит с наступлением летней и

зимней межени, при этом изменение химического состава вод связано с дренированием

постоянных водоносных горизонтов н зггисиг от типа почвы. Для лесной зоны - это

разновидности подюлистых почв. Благодаря длительному процессу контакта

подземных вод с грунтами , русловые воды грунтового происхождения отличаются

10

высокой величиной минерализации по, сравнению с другими генетическими категориями местного стока. Уровень их минерализации существенно увеличивается по сравнению со склоновыми и почвенно-грунговыми, при этом доминируют гидрокарбонатные анионы, составляющие в эквивалентном выражении 40-45 % мг-экв., среди катионов - в большинстве случаях - ионы кальция, и только на некоторых водосборах - ионы магния.

Устойчивый гидрокарбонатный характер грунтовых вод на всей территории Северо-Запада России описывается уравнением карбонатности Е и ( 30 - 420) = 1.36НС03- + л, где п - параметр, изменяющийся от 3 до 22 в период зимней межени и от б до 20 - в период летней межени, в зависимости от расположения малых водосборов.

Минерализация вод грунтового происхождения для водосборов Ладожского и Онежского озер изменяется преимущественно в пределах от 30 до ISO мг\л, южнее ее значение повышается до 300 мг\л (водосборы p.p. Луга, Кересть, Шелонь, Воложба, Плюсса). В зимнюю межень на этих водосборах содержание растворенных солей выше чем в летнюю . Увеличение минерализации грунтовых вод сопровождается снижением количества растворенных органических веществ. В биогенном составе в большинстве случаях доминирует железо общее. Среди азотных соединений преобладают нитратные ионы.

Некоторые фоновые характеристики химического состава вод различного происхождения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Фоновые химические характеристики вод местного стока

Категория Минера- Доыини-вод лизация рующие мг\л ионы

%иг-экв

ХПК N- N-рН мгО\л NO," NOz" мг\л мг\л

Р-РО/ мг\л

Жесткость ммоль\ ....ДмЗ...

Склоновые 25-55

НСОЗ-25-44 Са2+ 28-44

6.5 40-60

0.11- 0.0050.26 0.010

0.0080.012

0.5-1.0

Почвенно-грунговые

30-80

НСОЗ-35-40 Са2+ 30-40

6.8 30-40

0.03- 0.0000.05 0.001

0.0060.010

0.5-2.0

ТГ

П|юдогоксние таблицы 1

Минера- Домшш- ХПК И- № Р-РО«" Жест-

Кате горм лизация рующие рН иг 0\л N03' ИОг" мг\л кость

вод ш\л ионы мг\л мг\л ммоль\

%мг-экв дыЗ

НШЗ; „ ¡» М» 0.017-

Са2+ 25-35

Химический состав вод местного стока в период антропогенного влияния

Антропогенное влипав на окружающую природную среду, водные ресурсы шюгофакторно . В работе изучено влитие комплексной антропогенной нагрузки на качество воды местного стока по химическим показателям.

Территория Северо-Западного региона представляет собой высокоразвитую 1фомышленную зону. Здесь размещены предприятия обрабатывающей промышленности, машиностроения, химической н нефтехимической отраслей народного хозяйства, а также легкой, целлюлозно-бумажной и лесной промышленности. В сельскохозяйственном секторе значительное место занимают животноводство и гпицеводство с крупными производственными комплексами, а также «ыргщнмние сельскохозяйственных культур с широким использованием минеральных удобрений и пестицидов. Высокая плотность населения в изучаемом регионе усиливает степень загрязнения водных ресурсов в результате сбросов в речное русло стоков коммунального хозяйства. Под влиянием указанной хозяйственно-бытовой деятельности меняется качество вод малых водосборов.

С целью выявления наиболее загрязненных водосборов на рассматриваемой территории была сделана оценка степени загрязненности по тгким загрязняющим веществам как нефтепродукты, фенолы, нитриты, аммоний, медь и БПК3 . Для вод каадой категории составлены схемы, отражающие очаги локального загрязнения по перечисленным загрязняющим веществам (рис. 3).

Воды склонового происхождения

При анализе химических показателей склоновых вод установлены их значительные изменения по сравнению с периодом относительно-естественного фона.

Однако характер этих изменений и территориальное их распределение выражено

по- разному па рассматриваемой территории. При выявленных изменениях следует

отметить, что эквивалентное соотношение ионов не изменилось на большинстве

12

Онеэкхш озеро

Чудское озеро

Рис.". Превышение нормативов качества воды для санитарно-бытового водопользования в речных водах склонового происхождения (весеннее половодье)

Д - ВПК,

!- нефтепродукты - фенолы

О -N-N0,;

О - N-N¡1,

О - Си"

Т - гидрологический пост

водотоков, исключая такие водосборы рек как Шуя, Селезневка, Тигода, в составе речных вод которых в этот период стали преобладать сульфатные ионы, что указывает на их антропогенное происхождение. По прежнему сульфатный характер имеют воды p.p. Волчья, Олонка. Остальные реки характеризуются явным преобладанием в своих водах гидрокарбонатных ионов. На всех малых реках рассматриваемой территории сохранилось прежнее соотношение в катионном составе : Са 2+ > Mg2+ > Na++K + , за исключением р. Селезневки и р. Тихвинки (СаJ+ > Na++K+ > Mg2* ).

На северных водосборах территории (p.p. Пяльма, Кумса, Саиба) наблюдается незначительный тренд межгодовых изменений минерализации и концентрации главных ионов. Значение минерализации остается почт на прежнем уровне, при этом лишь несущественно изменяется содержание сульфатов и ионов натрия и калия. Концентрации последних варьируют в пределах 0.5 - 1 мг\л, что в процентном отношении составляет увеличение • 12-30%.

Нг таких реках как Водла, Тулема, Колода , Сороть, Кересть, Ловать, Вояожбз, Явонь, Тихвинка, Плюсса - изменения оказались более значительными, несмотря на то, что уровень изменения минерализации на этих реках находится в пределах 6-20% и степень увеличения концентраций главных ионов прослеживается более явно. В первую очередь это относится к сульфатным ионам. Если для первых трех указанных выше рек концентрация этих ионов увеличилась в среднем на 50%, то для рек Сороть, Кересть прирост содержания составил 83%, а для реки Ловать - 163 %. На остальных реках рост минерализации связан, главным образом, с увеличением содержания ионов СГ и Na*+K+ . В некоторых случаях (р. Тихвинка) концентрация катионов натрия и калия возросла от первого периода ко второму с 0.9 мг\л до 8.5 мг.л. С учетом уменьшения водного стока в период нарушенного гидрохимического режима это изменение составляет 354%. На р. Ловать наблюдается аналогичное соотношение в росте ионов хлора на 103% и ионов натрия и калия - на 366% при постоянных расходах в течение всего периода наблюдений. В последнюю группу рек, характеризующуюся существенным увеличением минерализации - более 30% - включены реки Шуя (30%), Луга (32%), Тигода (33%), Шелонь (40%), Пола (30%), Олонка (37%), Селезневка (56%) и Волчья (61%). В биогенном составе значительные изменения выявлены в нитратных и нитрилплх формах азота. Как правило, увеличите содержания соединений азота наблюдается в склоновых водах западных водосборов ( Тигода, Плюсса, Шелонь, Явонь, Ловать, Пола и Кересть).

Воды почвенно-грунтового происхождения

Характерным для вод этой категории в период антропогенного влияния является некоторое перераспределение компонентов в ионном составе. В большинстве случаев изменения минерализации вызваны ростом концентрации сульфатных ионов (р.Пяльма - 102%, р.Кумса - 33%,р. Водна - 29%, р.Колода - 63%, ,р.Явонь - 51%, р.Тихвинка -93%, р.Ловать - 49%) и одновременным увеличением ионов хлора (р.Тулема - 40%, р.Колода - 67%, р.Явонь - 58%, р.Тихвинка - 243%, р.Ловагь - 54%). В катонном составе наиболее явные изменения наблюдаются для ионов натрия и калия. В среднем превышение концентраций этих элементов над фоновым состоянием оценивается величиной в 130%. Для отдельных рек, например, Явонь и Тихвинка этот показатель соответственно равен 600% и 500%. Наряду с повышением содержания в водах этого генезиса ионов натрия и калия, увеличивается и концентрация катионов магния. Дня рек северной части территории превышение составляет 20-30%, для остальных рек (Воложба, Явонь, Тихвинка) в среднем - 50%. Увеличение концентраций катионов Са оценивается примерно в 20% практически для всех рек.

Среди биогенных элементов доминирующую роль в этот период в нагрузке на малые реки играют нитратные и аммонийше соединения.

Воды грунтового происхождения

При сравнении полученных данных с аналогичными характеристиками грунтовых вод в естественный период четко устанавливается тенденция роста минерализации воды и явное увеличение нтратных ионов среди биогенных элементов.

Значения минерализации увеличились в среднем на 25-40% В меньшей степени эти изменения отмечены на севере территории для рек - Пальма, Шуя, Кумса, Тулема, Водна, Колода, максимальные увеличения свойственны для водосборов рек Луга, Селезневка, Шелонь. Изменение суммы растворенных веществ в случае зимней межени обусловлено увеличением концентраций ионов Ка^К* > вСМ1' > > СГ > Са2+ , указанных в порядке их значимости.

Дня вод летней межени роль главных ионов в изменении минерализации может

быть охарактеризована следующей их последовательностью Иа + + К4 > 8041' > С1" >

ОД 24 > Са". Как видно, основной вклад в увеличение суммы ионов дают катионы

натрия и калия, а также сульфатные и хлоридные анионы. И хотя увеличение

концентраций этих ионов ни в одном случае не привело к изменению

15

гидрохимического типа вод, оно оценивается для большинства рек в пределах 50 - 130 % по сульфатным игаим, 20-60 % - по хлоридамм ионаи и 80 - 260% - по ионам натрия и калия.

В период зимней межени влияние антропогенной нагрузки сказывается прежде всего на территории водосборов рек Кересть (концентрация +К+ увеличилась с 9 .0 мг\л до 29.5 мг\лХ Тихвинке (увеличение концентрации ионов натрия и калия с 7.9 мг\л до 33.3 мг\л, сульфатных ионов - с 6.9 до 26.0 мг\л, хлоридных ионов - с 3.7 мг\л до 16.2 мг\л), Шелонь (увеличение содержания сульфатов с 18.7 мг\л до 48.2 мг\л, хлоридов - с 5.6 мЛл до 49.2 мг\л, катионов натрия и калия - с 4.2 до 23 мг\л ), Луга (рост концентраций БО^" с 5.6 мг\л до 22.3 нг\л, СГ с 6.4 мг\л до 16.2 мг\л, + К* с 2.4 мг\л до 9.3 мг\л ), при этом зимние расходы воды этих рек за рассматриваемый период значительно увеличились.

Таким образом, основная антропогенная нагрузка приходится на центральную часть Северо-Западного решена. Это прежде гсего водосборы оз.Ильмень и Псковско-Чудското оз. В северной части - на водосборах Карелии - наблюдаются весьма несущественные изменения в содержании главных ионов, которое обусловлено, з основном, сульфатными анионами и катионами натрия и калия.

В период летней межени химический состав грунтовых вод отражает более низкий уровень антропогенного фактора, однако пространственное его распределение характеризуется большими масштабами. Почти все реки региона в той или иней степени испытывают антропогенное влияние. При этом важно отметить, что соотношение главных ионов в грунтовых водах и летней и зимней межени имеет сходный характер и одинаковую для каждой из них тенденцию увеличения.

Среди биогенных элементов преобладают нитратные ионы, причем их содержание в зимний период - период их наибольшего накопления - превышает значения, характерные для летнего периода. Границы варьирования для нитратных соединений изменяются от 0.1 мг№л до 3.6 мгЫ\л в зимнюю межень, и 0.01 мгЫ\л до 1.57 мг >1\л в летнюю межень. Особенно высокие значения содержания нитратов отмечаются в грунтовых водах рек В руда, Селезневка, Тихвинка, Явонь, Луга, Насва. По сравнению с фоновым периодом концентрации нитратных соединений увеличились в 2 - 5 раз, за исключением рек Тулема, Водла, Сомба, Колода .Аналогичные изменения наблюдаются в период летней межени. Современные химические показатели, характеризующие сток малых рек представлены в таблице 2.

Таблица 2

Гидрохимическая характеристика местного стока в период антропогенного влияния

Категория Минера- Домини-вод лизацня рукицие

рН ХПК И- № мгО\л N03- N02-мг\л кг\л

Р-Р04- № мг\л МН4+ мг\л

мг\л ионы

%мг-экв

НСОЗ-

Склоновые 60-85

28-34

6.8 30 - 60 0.37- 0.006- 0.02- 0.251.10 0.010 0.04 0.40

Почвенно- 60-100 грунтовые

НСОЗ-25-40 Са2+ 25-30

6.9 30 - 40 0.14- 0.000- 0.008- 0.400.30 0.006 0.010 0.70

НСОЗ-

Грунтовые 100-340

7.4 20 - 30 0.28- 0.005- 0.010- 0.290.43 0.013 0.042 0.50

25-30

15-20

В четвертой главе дается сравнительная оценка и динамика качества вод местного стока за период 1950 - 1990 г.г и основные причины выявленных

изменений, связанных с комплексным влиянием атропогенных факторов.

При сравнении химических характеристик вод различных генетических категорий с соответствующими показателями, полученными в фундаментальных работах ИПВоронкова , выявлена их хорошая сопоставимость, что явилось важным аргументом при проведении всех расчетов, выполненных в данной работе.

Полученные для различных гидрологических периодов гидрохимические характеристики малых водосборов в пределах рассматриваемой территории показали, что антропогенное влияние распространяется я большей или меньшей степени на все генетические категории вод местного стока. Однако общие закономерности в формировании химического состава остались прежними, свойственные тем, когорте сложились в естественных природных условиях.

На многих водосборах выявляю ухудшение качества вод по общему содержанию солей, и особенно, сульфатов, хлоридов, ионов натрия и калия. В биогенном составе повсеместно возросло содержание нитратных соединений и нитритов, незначительно увеличились фосфата и снизилась концентрация общего железа. Весьма высоким

оказался уровень загрязнения малых рек техногенными веществами, особенно нефтепродуктами, фенолами, тяжелыми металлами.

Изменения в составе склоновых вод за два периода характеризуются увеличением суммы ионов га 24%, при этом сульфаты возросли в среднем на 78%, хлориды - на 75%, катионы магния - на 80%, ионы натрия и калия - на 118% (рис.4).

Рис.4 Изменение концентраций главных ионов и минерализации (мг\л) за относительно фоновый период и период антропогенного влияния;

а) склоновые воды; б) потаенно-грунтовые воды; в) грунтовые воды (летняя межень); г) грунтовые воды ( зимня^ежень).

Во П период рост концентраций биогенных элементов составил 30% для нтртных форм азота, дли нтраггоых форм - 37% и фосфатов -67% (рис.5).

б)

г)

I I относительный фон I период антропогенного влияния Рис.5 Изменение концентраций биогенных веществ (мг\л) за относительно фоновый период и период антропогенного влияния. ») склоновые вода; б) почленно-грунтовые воды; в) труггговые воды (летняя межень); г) грунтовые воды (зимняя межень)

В составе почвешкырунтовых вод наблюдаются аналогичные тренды и рост концентраций главных ионов имеет те же пропорции. При увеличении минерализации примерно на 20%, сульфаты возросли на 61%, хлориды • на 66%, ионы магния- на 20%. В биогенном составе вод в период спада половодья отмечено резкое возрастание нитратов (300%) и нитритов (300%).

рм

Тренд увеличения содержания всех химических компонентов установлен и для вод грунтового происхождения. Рост концентраций ингредиентов в процентном отношении для этих вод в период летней межени и в зимний период находится в одних и тех же пределах. При увеличении минерализации в среднем на 20%, концентрации сульфатов повысились на 100% в летний период и на 92% - в зимний, хлоридов - на 92% в летний период и на 115% - в зимний, катионов магния - на 30% в летнюю межень и 23% - в зимнюю, катионов натрия и калия - на 150% в летнюю межень и 97% - в зимнюю. При этом установлено, что увеличение некоторых гидрохимических показателей в большей степени наблюдается в водах данной категории по сравнению с другими составляющими местного стока.

Учитывая неизменность расходов в течение всего периода наблюдений большинства малых рек региона в период половодья и, сравнивая рост концентраций растворимых составляющих химического состава (сульфатов, хлоридов, ионов калия и нзтрда, шпрзтов) в этот период с периодом межени, следует вывод о большем уровне загрязнения грунтовых вод по сравнению со склоновыми водами. Принимая во внимание изменение меженного стока в сторону увеличения за период гнтршогеиного влияния в среднем на 15%, сделан вывод о том, что усиление антропогенного фактора на грунтовые воды обусловлено интенсификацией инфильтрационных процессов в почвенно-грунтовой толще. Для элементов, обладающих меньшей растворимой способностью (магний) наблюдается прямо противоположная закономерность - рост концентраций за антропогенный период происходит .главным образом, в склоновых водах за счет смыва накопившихся плохо растворимых соединений магния с поверхности водосборов в период половодья. Больший рост концентраций нитритов в склоновых водах по сравнению с грунтовыми объясняется неустойчивостью этого соединения, характерного лишь для свежего загрязнения и поэтому отсутствующего, как правило, в грунтовых водах.

Результаты, представленные выше, свидетельствуют о значительных изменениях в химическом составе вод малых рек под воздействием комплексной антропогенной нагрузки. Малые реки, не обладающие высокой самоочицающей способностью, свойственной большим и средним рекам, оказались наиболее уязвимыми к антропогенному влиянию и воздействию рассредоточенных источников загрязнения.

Анализ влияния хозяйственной деятельности на водосборах малых рек на

гидрохимический режим показал, что среди факторов, влияющих на качество речных

вод прежде всего следует выделить сельскохозяйственное производство,

20

мелиоративные мероприятия по регулированию вещного режима почв сельскохозяйственных угодий и интенсификацию земледелия. Распаханность земель в среднем составляет 30 - 40 %, хотя на отдельных водосборах она имеет большие масштабы . К настоящему времени многие малые реки являются приемниками дренажных или возвратных вод с мелиорируемых территорий. Широкомасштабное мелиоративное строительство охватило практически Головину имеющихся сельскохозяйственных угодий : галош осушена на 43.6%; пастбища и сенокосы - на 34.8%. На каждый гектар всей площади посевов в современных условиях в среднем вносится 253 кг (по действующему веществу) минеральных и 18 т органических удобрений. Другим, не менее значительным ввдом ссльскохозяйствсшюго производства, с точки зрения влияния на качество воды малых рос, являются животноводческие хозяйства. Стоки и отходы свинокомплексов, птицефабрик, мясоперерабатывающих комбинатов вносят большие количества азотных соединений в речные вода (р.р .Тигода,Велнкдя).

Бытовые стоки и отходы коммунального хозяйства населения вызывают загрязнение вод сульфатами, азотными соединениями. На большинстве водосборов малых рек расположены небольшие населенные пункт, часто не имеющие очистных сооружений и поэтому сбрасывающие стоки непосредственно в реки (Сслсзневюц Волчья, Сомба, Явонь).

На территории некоторых водосборов (р.р Водла, Тигода, Олонка, Шуя, Тулема) важный фактором, влияющим на качество вод, является наличие предприятий целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности. Сточные воды этих предприятий вызывают загрязнение вод аммонийгаши формами азота и органическими веществами.

На рассматриваемой территории, как правило, отсутствуют крупные промышленные предприятия. Однако имеющиеся небольшие комбинаты и заводы (гидролшно-дрожжевой завод на р.Ловать, автотранспортные предприятия на р.Тихиинка, предприятия нефтехимической промышленности в бассейне р.Волхов) сбрасывают стоки, содержащие высокие концентрации тяжелых металлов, сульфатов, нитратов, нитритов, органических веществ. Несмотря на то, что крупных городов на малых реках нет, однако имеет место влияние близкорасположенных урбанк&фованных территорий за счет трансграничного переноса.

Таким образом, комплексную антроногашую нагрузку на водосборы малых рек

исследуемой территории формируют следующие основные источники загрязниия:

21

промышленные сточные воды, хозяйственно-бытовые стоки, сельскохозяйственные

удобрения и ядохимиката, стоки и отходы животноводческих хозяйств.

В заключении представлены основные выводы выполненных исследований:

1. По данным режимных гидрохимических наблюдений установлены временные периоды, соответствующие относительно-естественному состоянию вод малых рек и нарушенному под влиянием хозяйственной деятельности Начало значимого антропогенного влияния на качество вод Северо-Западного региона России относится к середине 60-х годов.

2. Определены зональные гидрохимические показатели вод различного происхождения, составляющие местный сток, дня относительно фонового периода. Показаны основные закономерности влияния географической зональности на минерализацию и химический состав речных вод малых водосборов в пределах рассматриваемой территории.

3. Усовершенствованы уравнения карбонатности для каждой генетической категории вод местного стоха. Рзсс-пгглише н введенные в гак эмпирические параметры, значения которых зависят от географического местоположения малого водосбора, позволяют более точно определить естественную минерализацию рек, малоизученных или неохваченных Государственной сетью наблюдений (ГСН).

4. Впервые для Северо-Западного региона дана оценка современного гидрохимического состояния малых рек с учетом изменившихся условий, связанных с хозяйственной деятельностью на малых водосборах. Выявлены отличительные особенности и закономерности формирования гидрохимического режима местного стока. Показано, что антропогенное влияние распространилось на все генетические категории вод Отмечено, что происшедшие изменения в ионном составе вод к настоящему времени не привели ни на одном водосборе к изменению сформировавшегося в природных условиях гидрохимического типа вод Качественный состав по химическим элементам каждой генетической категории остался таким же как и для вод соответствующей категории относительного фона, в то время как содержание изучаемых компонентов изменилось, что является прямым следствием антропогенного влияния. Составлены схемы лекального загрязнения малых рек в различные гидрологические периоды по техногенным веществам - нефтепродуктам, фенолам, меди, аммонию.

5. Представлена группа факторов, оказывающих наиболее значительное влияние на формирование современного качества воды малых рек. Из всех видов хозяйственной деятельности, сельскохозяйственное производство (мелиорация и животноводство) дает основной вклад в общую антропогенную нагрузку.

6. Определена степень изменения показателей ионного и биогенного состава склоновых, тчвенно-грутовых и грунтовых вод за весь период регулярных наблюдений - 1950 - 1990 г.г. Установлено, что в период антропогенного влияния процесс трансформации химического состава более выражен в грунтовых водах по сравнению с остальными генетическими категориями. Этот процесс характерен для всех растворимых составляющих химического состава, за исключением малорастворимых соединений магния и кальция. По этим химическим показателям наиболее измененными за период антропогенного влияния оказались склоновые води. На основании полученных результатов сделан вывод об усилении процессов инфильтрации в почвенио-грунговой толще в меженные периоды, что может свидетельствовать не только о влиянии конкретных видов хозяйственной дсятельшилн, но и об изменении природных климатических факторов, также вызванных антропогенней нагрузкой на экосистемы.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Балонишникова Ж.А. Оценка химического состава вод местного стока Северо-Западного региона СССР. - Сб. Тезисы докладов конференции молодых ученых и специалистов «Вопросы гидрологии суши» Л, 1990.

2. Балонишникова Ж.А. Оценка антропогенного воздействия на химический состав вод местного стока Северо-Запада ETC. Тез.докл. на Всесоюзном симпозиуме молодых ученых «Рациональное использование и охрана водных ресурсов от загрязнения». Харьков, 1990.

3. Балонишникова Ж.А.(со-авторы: Румянцева Э.А. , Колодка B.IL) Оценка потоков фосфора на границе вода-дно в Невской губе и восточной части Финского залива. Труды ГГИ, вып. 349. ЛД991.

4. Балонишникова Ж.А. Изучение массообмена фосфора на границе вода-дно на физической проточной модели. Сб.Докладов конференции молодых ученых и специалистов «Вопросы пщролопш «туши», Л, 1991.

5. Балонишникова Ж.А. Зональные особенности режима малых рек севера

лесной зоны европейской часта СССР. Доклады Секции Русловых

23

Процессов Научного Совета ГКНТ. Вып.2. Л, 1991.

6. Балонипшнкова Ж. А. Зональные особенности химического состава вод местного стока севера лесной зоны ETC. Сб.Трудов Всесоюзного семинара «Комплексные проблемы охраны и рационального использования водных ресурсов Севера и Северо-Запада», М, 1991

7. Балонишншсова Ж.А.(со-авторы: Драбкова В.Г., Скакальский Б.Г.) Экологическое состояние поверхностных вод Северо-Западного региона. Материалы Международного Симпозиума «Комплексные проблемы охраны и рационального использования водных ресурсов Северо-Запада», Л, 1992.

8. Balomshnikova J. A. Assessment of changes in the chemical content of local runoff in the North-Western part of Russia. Water Resources Research Ccntre(VITUKI). Budapest, 19%.

9. Balomshnikova J. A.(co-author Skakalsky B.G) Effect of local runoff on the anthropogenic load formation in latge river systems, (in press).Procecd. of International Conference on World Water Resources. Paris. 1998. S

У