Оценка загрязнения воды рек бассейна Верхней Оки на урбанизированных территориях

Михалевская-Целуйко, Вера Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Оценка загрязнения воды рек бассейна Верхней Оки на урбанизированных территориях
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Оценка загрязнения воды рек бассейна Верхней Оки на урбанизированных территориях"

МИХАЛЕВСКАЯ-ЦЕЛУЙКО Вера Сергеевна

На правах рукописи

ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ РЕК БАССЕЙНА ВЕРХНЕЙ ОКИ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ (НА ПРИМЕРЕ КАЛУЖСКОЙ ОБЛАСТИ)

25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Калуга 2006

Работа выполнена на кафедре географии Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского

Научный руководитель

Доктор географических наук, профессор Семенов Вениамин Александрович

Официальные оппоненты

Доктор географических наук, профессор Клещенко Александр Дмитриевич

Кандидат географических наук Пуголовкин Виталий Васильевич

Ведущая организация

Государственное учреждение Научно-производственное объединение «Тайфун», г. Обнинск

Зашита диссертации состоится а? » заседании диссертационного совета К.212.085.01

—2006 г. в часов на

в Калужском государственном

педагогическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: г.Калуга, ул. Ст. Разина, д.26, ауд.219

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского.

Автореферат разослан £_

Д-20061

Ученый секретарь диссертационного совета, *у кандидат биологических наук

А.Б. Стрельцов

/тА

¿рос?

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Урбанизация территорий является одной из наиболее характерных особенностей второй половины XX и начала XXI столетия. Ее негативные последствия проявляются в ухудшении состояния всей окружающей города природной среде и особенно ощутимо сказываются на гидроэкологическом состоянии водных объектов, а это отражается на качестве жизни и здоровье жителей городов. Территории, занятые городскими поселениями, воздействуют на водные объекты, последствия которых проявляются в изменениях гидрографической сети, количественных и качественных характеристиках водной среды в наибольшей степени, чем другие факторы антропогенной деятельности.

Влияние городских застроек на количественные изменения составляющих водного баланса рек изучено достаточно хорошо и разработана методология расчетов оценки этого влияния. Оценки изменения качества воды и гидроэкологического состояния водотоков городских территорий, выполненные в нашей стране и за рубежом, свидетельствуют о недостаточной изученности и даже противоречивости выводов о преобладающей роли промышленных, бытовых сбросов и ливневых стоков в загрязнении малых и средних рек на городских и пригородных территориях На территории бассейна Верхней Оки такие исследования проводились только на отдельных водотоках и без выяснения причин их загрязнения [Эрнестова и др.,1990, Семенов, Семенова 2002, Силин, 2003]. Поэтому оценка изменений химического состава воды рек и малых водотоков урбанизированных территорий в бассейне Верхней Оки в пределах Калужской области, как объективных показателей их гидроэкологического состояния, актуальна.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является оценка изменений качества воды и гидроэкологического состояния рек и малых водотоков под влиянием урбанизации территории их бассейнов.

Исходя из цели, гипотеза исследований основывается на следующем. В условиях комплексного антропогенного влияния городских территорий на ландшафты, как сложные динамические системы (геосистемы), и через их компоненты на водную среду, которая наиболее динамична и реагирует на изменения потоков вещества и энергии при трансформации природных систем в природно-антропогенные (городские), основной характеристикой состояния изучаемой геосистемы может служить изменение химического состава поверхностных вод. Химический состав природных поверхностных вод в естественных условиях относительно стабилен и подвержен только сезонным ритмическим изменениям, поэтому может служить эталоном для оценки изменений под влиянием комплекса антропогенных факторов урбанизированных территорий.

Степень антропогенного влияния на химический состав воды, стекающей с городских территорий, при прочих равных условиях зависит от площади застроек и количества населения, вида хозяйственной деятельности и состояние жилищно-бытового обслуживания населения. Поскольку два последних фактора аналогичны, то количество населения может

служить основным показателем при оценке размеров урбанизированных территорий и их влияния на химический состав воды в водных объектах.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Выявление зависимости между загрязнением поверхностных вод и степенью урбанизации территории;

2. Выяснение причин и степени изменений химического состава воды малых рек в городах и пригородах области;

3. Оценка влияния урбанизации на качество воды больших и средних транзитных рек.

Объекты исследований и исходные материалы. Объектами исследований являются

малые водотоки, р. Ока (большая) и средние транзитные реки бассейна Верхней Оки на территории городов и пригородов в пределах Калужской области. Исходной базой при выполнении работы послужили результаты полустационарных наблюдений и экспедиционных исследований автора с отбором и химическим анализом проб воды, данные мониторинга состояния водных объектов Гидрометслужбой, Центром Геомониторинг Минприроды и Калугооблводоканала, справочные и литературные сведения.

Научная новизна работы. Гидрохимические наблюдения в системе мониторинга окружающей природной среды Росгидрометом и Калугаоблводоканалом проводятся только на р. Оке и средних реках. Комплексные, одновременные гидрохимические наблюдения в разные фазы гидрологического и гидрохимического режима рек на средних реках в районе городов и на малых водотоках этих городов с разным количеством населения в бассейне Верхней Оки с последующим сравнительным анализом и обобщением результатов наблюдений, выполнены впервые. Впервые при оценке гидроэкологического состояния водотоков городских территорий кроме общепринятых гидрохимических показателей использованы анализы содержания в воде и донных отложениях тяжелых металлов. Впервые установлено, что основными причинами загрязнения малых водотоков урбанизированных территорий и транзитных рек в бассейне Верхней Оки являются главным образом промышленные и хозяйственно-бытовые отходы и в меньшей степени ливневые стоки.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

методика исследований и обоснование возможности использования селитебной нагрузки на бассейны рек урбанизированных территорий в качестве показателя загрязненности их воды;

оценка влияния урбанизации на минерализацию и химический состав воды малых рек по данным экспедиционных исследований;

результаты оценки влияния урбанизации на химический состав и минерализацию воды реки Оки и её притоков на территории Калужской области.

Научно-практическая значимость работы. Исследования выполнялись в составе работы по проектам региональных конкурсов РФФИ и Правительства Калужской области N1 014)5-96003 «Оценка гидроэкологического состояния водных объектов хозяйственно освоенных и селитебных территорий Калужской области» и N1 04-05-97214 «Оценка неблагоприятных экологических последствий техногенных воздействий на водные объекты Калужской области».

Результаты исследований могут использоваться областными организациями Водоканала, МПР, МЧС, администрацией области для обоснования принятия мер по улучшению состояния малых рек на территории городов области и проведения мониторинга качества воды транзитных рек.

Достоверность результатов исследований обеспечена тем, что анализы проб воды и донных отложений производились в аккредитованной лаборатории химико-аналитического центра ГУ НПО «Тайфун», а также тем, что основные результаты исследований подвергались независимой научной экспертизе в составе отчётов по проектам РФФИ и Правительства Калужской области (фанты № 01-05-96003 и № 04-05-97214).

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на III научно-практической конференции «Природа и история Поугорья» (г. Кондрово, 2003 г.), на V семинаре молодых учёных вузов, объединяемых Межвузовским научно-координационным советом (г. Брянск, 2004г), на III Международной научно-практической конференции «Экология- образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2004 г.), на заседании кафедры географии КГПУ им К Э Циолковского (2004г) и на VI Всероссийском тодрологическом съезде (г. Санкт-Петербург, 2004 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в 9 работах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы Общий объём работы 126 страниц, включая 11 рисунков, 23 таблиц, 7 фотографий. Список литературы включает 104 наименования, из них 16 на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕННОСТЬ ВЛИЯНИЯ УРБАНИЗАЦИИ НА ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Изученность влияния урбанизации на водные объекты

Урбанизированной и подобной ей по характеру воздействия на бассейн водного объекта любой селитебной территорией принято считать часть водосбора, занятую городскими жилыми застройками, промышленными предприятиями, внутригородскими дорогами, площадями, тротуарами, включая пригороды Урбанизация существенно влияет на количественное соотношение элементов водного баланса, способствует увеличению стока воды с городских территорий и, как правило, увеличивает загрязненность водных объектов [Куприянов, Устюжанин, 1976, 1977, 1987, Скакальский, 1973, 1978, Шелудко, 2004 и др] Наиболее детально изучено влияние урбанизации на количество поверхностного стока воды и разработаны практические рекомендации по учёту этого влияния при разной площади городских застроек [УРАЛНИВХ, 1985]. Влияние же городских территорий на загрязнение водотоков и водоёмов зависит от очень многих причин и для его оценки необходимо изучение источников и степени загрязнения.

Загрязнение водных объектов на территории городов происходит при выпадении загрязненных атмосферных осадков, таянии снега, сточными водами промышленных предприятий и жилищно-коммунального хозяйства.

Промышленное загрязнение атмосферы в г. Калуге определяется выбросами многих предприятий, важнейшими из которых являются ПО «Капугатеплосеть», Калужская станция подземного хранения газа (СПХГ). АО Калугатехмаш (машзавод), АО Аромосинтез», Азаровский ЗСМ, АОКТЗ, АОКЗАЭ (Стрельцов и др., 2000]. Всего в атмосферу города поступает около 100 загрязняющих веществ Часть из них, которая образуется в виде твердых и жидких смесей, а также тяжелые металлы, фенолы, нефтепродукты и другие вещества, тоже попадают в водные объекты.

Химическое и микробиологическое состояние снежного покрова в Калуге исследовалось Голофтеевой A.C., Лыковым И Н. и др. [2000]. В пробах свежевыпавшего снега в городе и за его пределами в незначительных количествах обнаружены цинк, кадмий, свинец, медь, мышьяк и ртуть (наименьшее - в загородном лесу, наибольшее - при въезде в город) К концу зимы концентрация тяжелых металлов существенно увеличивается, особенно в городе' кадмия-до 30 раз, цинка до 6,7, свинца до 3,8, меди до 14 раз, увеличивается микробное загрязнение антропогенного происхождения и т.д.

По исследованиям Мосводоканал НИИпроекта [Пупырев и др, 1980] на площади водосбора верхнего течения р. Москвы с атмосферными осадками поступает около 430 кг/км2 в год тяжелых металлов из них железа - 312 кг/км2, марганца - 28, 2 кг/км2, цинка -15 кг/км2, фтора - 14,4 кг/км2. Со снеговой водой в речную воду поступают нефтепродукты, аммиак, цинк, железо, кадмий, кобальт, фтор, марганец. В период паводка (половодья) с поверхностным стоком в водотоки поступает в два раза больше загрязняющих веществ, чем с бытовыми и промышленными сточными водами.

По исследованиям ЦНИИКИВР [[Климкова и др , 1991] наиболее ощутимое и немедленное влияние сбросы поверхностного стока с городских и промышленных территорий оказывают на концентрацию кислорода в водном объекте - водоприемнике вплоть до полного его исчезновения, а также в загрязнении бактериями, нефтепродуктами, мусором Минеральные и органические формы биогенных веществ, нефтепродукты, ионы тяжелых металлов и всевозможные химические соединения - компоненты атмосферных выбросов промышленных предприятий и автотранспорта - это загрязнения длительного воздействия, проявляющиеся в нарушении процессов нитрификации и биохимического окисления органических веществ По исследованиям тех же авторов 82-96% окисляемых биохроматом калия, 95-99% экстрагируемых четыреххлористым углеродом веществ, до 97% ионов тяжелых металлов, около половины азот- и фосфоросодержащих соединений в дождевом стоке с территории жилой застройки г. Минска представлены нерастворимыми формами. Они являются постоянно действующими источниками загрязнения длительного действия.

Наибольшую опасность водным объектам (с точки зрения длительного отрицательного воздействия) представляют взвешенные вещества, оседающие около выпусков коллекторов и по пути движения потока. По данным исследований ВНИИВО (Горянов и др., 1983) донные

отложения, образованные из осаждающихся твердых примесей поверхностного стока на участке реки в черте г. Харькова в сухие периоды потребляют в среднем 50% содержащегося в воде кислорода, а при температуре природной воды выше 20 еще больше. По исследованиям финских специалистов резко увеличивается потребление кислорода (в 6 раз) при взмучивании взвесей донных отложений [Эннет, Куслан, 1983].

По данным американских исследователей, с территории города площадью 50 км2 и населением 100000 человек (принятого в качестве расчетного) с поверхностным стоком за год выносится 17000 т взвешенных веществ, 2400 т ХПК, 1200 т БПК, 50 т азота органических веществ (по Кьельдалю), 50 т фосфатов, в то время как с неочищенными городскими сточными водами с той же территории поступает этих загрязнителей соответственно 5200, 4800, 4400, 800 и 200 т [Pittr М , Field R., 1977].

Обобщенная оценка урбанизации территории России и ее влияния на качество воды в 80-х годах была выполнена В.В Куприяновым, Б.Г.Скакальским и Б.С.Устюжаниным . По их оценкам городские и сельские поселения в бассейне р.Волги составляют 1,9% его территории. Под влиянием урбанизации суммарное содержание растворенных органических веществ в речных водах повышается от 1 до 4 раз и примерно в таких же пределах увеличивается биохимическая потребность в кислороде. Содержание кислорода в составе воды в водоемах снижается до 6070% Содержание азота и фосфора возрастает в 3-10 раз, концентрация хлорид-ионов и натрия увеличилась в среднем на 10-30%, калия и сульфат-ионов до 20%. Содержание СПАВ в воде изменяется преимущественно в пределах 0,2-0,5 мг/л. Под влиянием градостроительства и площади занятой населенными пунктами происходит химическое и тепловое загрязнение подземных вод до глубины 300 м.

Исследования российских и зарубежных авторов свидетельствуют, что сток наносов с урбанизированных территорий характеризуется увеличением показателей загрязненности на несколько порядков по сравнению с естественными условиями вследствие уничтожения растительного покрова, перемещения земли и горных пород, нарушения биологического баланса почв в период строительства и проведения дорожных и других многочисленных хозяйственных работ. После их завершения сток наносов становится меньше, чем до урбанизации, вследствие закрепления грунта строениями, различными покрытиями, парковыми насаждениями, газонами, т.е вследствие значительного уменьшения поверхностной эрозии Вместе с тем возрастает количество наносов в связи с ростом сбросных вод и поверхностного стока, загрязненного продуктами антропогенной деятельности. Так по данным В.А. Карагодина и М В Молокова [1974] в поверхностном стоке, формирующемся на городских ландшафтах территории СССР, содержится от 50 до 1600 мг/ л взвешенных веществ.

По данным М. Меланен [1981] в урбанизированных районах Финляндии склоновым стоком выносится в среднем за год 10000-100000 кг км2 взвешенных твердых веществ, 20-200 кг км2 общего фосфора, 200-1000 кг км2 общего азота, 10-150 кг км2 свинца.

Сведения, приведенные в работах V. Amell [1988], J.M. Goodson и др. [2004], P. Urcikan [1985] и др., свидетельствуют, что проблема охраны водотоков урбанизированных территорий от поступления загрязненных ливневых стоков остаётся актуальной за рубежом. 2 Зак 535 7

Вопросы оценки влияния городов на качество вод нашли отражение в докладах VI Всероссийского гидрологического съезда в работах Виноградовой Т А., Виноградова Ю.Б,

[2004]; «острова Е.А., Гутниченко В.Г. [2004]; Кумани Н.В., Павлова С А. [2004]; Рутковского П.П., Шевелюка Л Н., Юревича Р А., [2004] Некоторые сведения о загрязнении водотоков городских территорий Калужской области приведены в публикациях последних лет, в том числе подготовленных с участием автора [Михалевская-Целуйко,2004, Семёнова и др, 2004, Семенов и др. 2005]. В работах И.В. Семеновой [2004], И.И. Силина [2004], В.А. Сурнина и др.

[2005], большое внимание уделено содержанию в воде рек и водоёмов тяжёлых металлов.

1.2. Особенности формирования химического состава воды водных объектов в городах и методика исследований их состояния

Территории, занятые городскими поселениями воздействуют на водные объекты, последствия которых проявляются в изменениях гидрографической сети, количественных и качественных характеристиках водной среды в наибольшей степени, чем другие факторы антропогенной деятельности.

Основной характеристикой состояния водных объектов изучаемой городской территории может служить химический состав поверхностных вод как интегральный показатель состояния системы в пределах речного бассейна, а такие природные составляющие как химический состав осадков, подземных вод, почвы выступают как факторы (подсистемы), обеспечивающие изменения состояния водного объекта (системы). При строительстве и росте городов изменение динамики природно-техногенной системы проявляется в нарушении связей между подсистемами: меняется водный, радиационный и тепловой баланс земной поверхности, условия их питания и разгрузки, гидрологический режим зоны аэрации и как следствие меняется состав природных вод водных объектов городских территорий Формируется новая сложная структура прямых и обратных связей, имеющих различную физическую, физико-химическую или химическую природу процессов.

При хозяйственной, городской застройке и увеличении урбанизации территории вначале преобладают внешние прямые связи, способствующие нарушению связей между природными компонентами ландшафтов до тех пор пока полностью не исчерпаны запасы устойчивости природной системы.

Поступление из атмосферы и формирование растворенных веществ в поверхностные водные объекты происходит со стоком ливневых вод (от таяния снега и выпадения жидких осадков) с городских территорий Считается, что дождевые воды, особенно в первые минуты дождя, отличаются значительно большей загрязненностью, чем бытовые сточные воды. Проходя через загрязненную городскую атмосферу, дождевые капли вымывают из нее газообразные отходы и пыль Попадая на поверхность земли, дождевая вода захватывает с растительности, поверхности почвы загрязнители' частицы пыли, растворимые химикаты, детрит с питающимися им организмами Большая часть воды впитывается в почво-грунты, где частицы загрязнителей, детрит и микроорганизмы отфильтровываются от нее при просачивании и одновременно вымывают или растворяют накопленные в верхнем слое почвы загрязнители. В результате накопления или после достижения водоупорного горизонта

дождевые воды несут в фунтовые воды, водотоки или водоемы тяжелые металлы, опасные химические соединения, болезнетворные бактерии и другие микроорганизмы, дорожную соль, нефтепродукты и другие химические вещества с дорог и автомобильных стоянок, сажу и ядовитые вещества из выхлопных газов автотранспорта и других загрязнителей воздуха.

При стоке по асфальтовым покрытиям и с крыш домов просачивание дождевых вод уменьшается и поверхностный смыв зафязнителей увеличивается. Дождевые воды частично попадают на городские очистные сооружения, иногда перефужая их, но чаще подвергаются очистке большая же часть поверхностных ливневых стоков попадает в городские водотоки и водоемы.

Особенно большое количество химических и физических загрязнителей смывается и уносится в водотоки в период весеннего снеготаяния, так как накопление зафязнителей в снежном покрове происходит продолжительный зимний период. Основное количество зафязнителей снега в зимний период поступает от автотранспорта. Только выхлопные газы автомобилей содержат более 200 компонентов, преимущественно азот, диоксид углерода и вредные примеси: особенно токсичные бензол, формальдегид, бенз(а)пирен, свинец. При сгорании 1 л горючего в воздух попадает 200-400 мг свинца, а за год эксплуатации один автомобиль выбрасывает около 1 кг свинца, содержание которого в городском воздухе в 20 раз больше, чем в сельской местности За зиму вдоль дорог накапливается количество свинца в несколько раз превышающее ПДК. Дизельные двигатели при работе выбрасывают сажу, двуокись серы, которые наиболее канцерогенны и тоже накапливаются в снегу.

Прямая оценка смыва зафязнителей в водные объекты весьма затруднительна, необходим продолжительный период полевых исследований и большой объем лабораторно-химических анализов отбираемых проб осадков, снега, поверхностных и подземных вод, почвы, донных отложений Такая задача может решаться путем комплексного геоэкологического мониторинга.

В условиях офаниченного времени и ресурсов наиболее целесообразно использование метода сравнительного анализа изменения химического состава, минерализации, и токсикологических показателей качества воды на входе водного объекта в пределы городской территории и при выходе из нее с учетом размеров дренируемой водотоком городской территории и проживающих на ней жителей.

При таком подходе влияние урбанизации на качество вод может быть оценено с помощью анализа состава и количества химических веществ по участкам рек и отдельным водным объектам, расположенным на урбанизированных территориях или методами аналогии, основанными на сравнении показателей минерализации, состава химических элементов или качества воды рек-аналогов (водосборы с малой степенью урбанизации, с условно естественным гидрохимическим режимом) с аналогичными показателями качества воды и химического состава после поступления в водные объекты всех видов стоков, а также путем сравнения данных по одному и тому же водному объекту до и после урбанизации.

Определяющим при таком подходе является выбор гидрохимических или других показателей качества воды. Опыт использования для оценки гидроэкологического состояния 3 Зак. 535 9

различных водных объектов на территории Калужской области гидрохимических показателей, входящих в перечень ингредиентов, контролируемых Общегосударственной системой наблюдений и контроля за качеством воды (ОГСНК), сравнение их с такими же показателями при естественном (не нарушенном хозяйственной деятельностью) гидрохимическом режиме, свидетельствует об эффективности использования такого подхода [Семенова,1998, Семенов, Семенова.20021.

В городах значительные части территории заняты строениями, асфальтовыми и другими водонепроницаемыми поверхностями. Для расчета водонепроницеамых поверхностей в случае отсутствия данных непосредственных определений Г.Е. Лансбергом [1983] рекомендована формула'

1 = а&", (1)

где /-площадь водонепроницаемых поверхностей (%); О - плотность населения; а и Ь -константы, зависящие от типов поверхностей При оценках влияния городских территорий на сток воды аналогичная зависимость использовалась Б С Устюжаниным [1987]

Для оценки влияния на качество воды рек и водоемов отдельных городов или групп небольших городских и сельских поселений в данной работе использовалась зависимость, имеющая вид:

Р = ), (2)

где Р - показатель изменения химического состава или качества воды; Р - площадь территории населенного пункта или группы пунктов.

Для оценки площади города, как показателя степени воздействия урбанизации, с учётом рекомендаций Б С Устюжанина [1987] использовалась зависимость вида.

Р=С 0,001 Н)". (3)

где Н- число жителей , проживающих в городе (группе городов); п - показатель степени, изменяющийся от 0,714 (для больших промышленных городов с высотными зданиями) до 0,893 (для средних и малых городов).

Влияние городов распространяется и на хозяйственно освоенные пригородные территории бассейнов водных объектов, особенно на те, которые подвергаются рекреационному использованию.

Исходя из выше изложенного для выяснения влияния урбанизации на качество воды, комплекс гидрохимических и гидроэкологических наблюдений проводился на водотоках и водоемах гг. Калуги (большой город), Обнинска (средний), Малоярославца и Козельска (малые города) и их пригородах.

Оценка площадей селитебных территорий области производилась по количеству населения Оценка прямых заборов и сбросов в водные объекты загрязненных вод - по отчетным сведениям, публикуемым ГУПР.

Поскольку для выяснения степени изменения химического состава и качества воды на городских территориях использованы методы аналогии, географо-гидро логических и гидролого-гидрохимических обобщений, то это обусловило необходимость характеристики

естественного (не нарушенного урбанизацией) гидрологического и гидрохимического режима рек рассматриваемой территории.

ГЛАВА 2. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ И ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РЕК

ВЕРХНЕЙ ОКИ.

2.1. Формирование стока воды и гидрологический режим рек

Воды бассейна Верхней Оки дренируют обширные пространства таёжных лесостепных и степных ландшафтов центра Европейской части России. Главный ев природный рубеж -водораздел бассейнов рек Волги и Днепра. Территория бассейна характеризуется равнинным или холмисто - увалистым рельефом с абсолютными отметками поверхности от 110 до 279 метров Юго-восток территории располагается на Среднерусской возвышенности, северо-запад на Смоленско-Московской возвышенности На бассейн реки Оки, в пределах Калужской области приходится 83% рек, в том числе Ока и её притоки - реки Уфа, Жиздра, Протва, Нара, Таруса и другие. Густота речной сети в бассейне Верхней Оки 0,2 -0,5 км/км2.

Климатические особенности на территории бассейна таковы, что наиболее благоприятные условия для формирования поверхностного стока складываются в период весеннего снеготаяния, когда интенсивность поступления воды в русловую сеть, наиболее велика, а испарение, из-за ещё довольно низких температур - низкое.

На территории бассейна более активны летние циклоны, вследствие чего в летний период осадки на территории бассейна Верхней Оки выпадают часто Интенсивность дождя, существенно влияющая на формирование стока воды, сильно изменяется в течении всего года. Максимальная интенсивность дождей, по данным метеостанции Калуга, составляет 2,7 мм/мин продолжительность выпадения осадков изменяется от нескольких дней, до нескольких минут.

Распределение атмосферных осадков на территории области подчинено широтной зональности, причем в целом наблюдается уменьшение количества выпадающих осадков в направлении с северо-запада на юго-восток; средние годовые суммы атмосферных осадков изменяются от 600 миллиметров в юго-восточной части бассейна (бассейн реки Жиздра) до 750-780 миллиметров на северо-западе (бассейн Уфы) [Семенов, Семенова, 2002] В наиболее дождливые годы количество осадков доходит до 1066 мм, а в засушливые - 365 мм [Шерстюков и др, 2001] Испарение с поверхности водосборов рек составляет 70 - 80 % от годовой суммы атмосферных осадков и в среднем равно 575 мм.

Питание рек подземными водами определяется глубиной залегания фунтовых вод и водообильностью водовмещающих отложений. В соответствии с изменением климатических факторов в распределении величин подземного стока прослеживается зональный характер с увеличением от 2,3 л/сек с 1км2 на юге до 2,7 л/сек с 1км2 на севере [Меленчук, 2001]

Характер взаимосвязи подземных и поверхностных вод определяется различными факторами. К ним относятся: фильтрация почв, её неоднородность, извилистость русла, глубина его вреза Большая часть рек бассейна Верхней Оки характеризуется наличием связи

подземных вод с поверхностными. Наиболее тесная связь отмечается в долинах рек Оки, Угры, Протвы.

Установлено, что во второй половине XX столетия отмечалась тенденция увеличения доли подземного питания средних рек с одновременным уменьшением доли снеговой составляющей, формирующей сток за половодье. У малых рек, соотношение источников питания также менялось в пользу подземного, но доля снеговой составляющей осталось значительной [Меленчук, 2001; Семенов, Семенова, 2002].

Изменение подземного питания рек напрямую зависит от антропогенной нагрузки на поверхностные и подземные воды. Интенсивное использование подземных вод приводит к значительному понижению их уровня и образованию депрессионных воронок. Например, в районе г.Калуги образовалась депрессионная воронка площадью 150 - 200 км2 и понижение уровня воды в ней до 45 м (Доклад, 2001].

Уровенный режим всех рек характеризуется четко выраженным высоким весенним подъемом, низким продолжительным стоянием уровня, прерываемым кратковременными подъемами в периоды летне-осенних доадевых паводков. Зимние подъемы уровня, вызываемые таянием снега с выпадением жидких осадков, наблюдались раньше довольно редко. В последние годы такие оттепели участились. Подъем уровня весеннего половодья на реках области начинается обычно в конце марта - начале апреля. Спад половодья продолжается в среднем 20-30 дней и заканчивается в середине или конце апреля, реже середине мая, но в отдельные годы со значительными весенними дождями половодье растягивается до конца мая - начала июня.

Летне-осенние дождевые паводки наблюдаются 1-6 раз в год, но в среднем за многолетний период наблюдений максимальные уровни воды в периоды дождевых паводков на реках Угре, Жиздре и Протее на 35% ниже уровней весеннего половодья.

При высоких уровнях весеннего половодья и очень высоких уровнях дождевых паводков на реках Оке, Угре, Жиздре, Протве и их притоках происходит затопление пойм. В зависимости от морфологических характеристик русла и высоты поймы затопление может происходить ежегодно или только в гады с высоким половодьем.

Средний слой стока в бассейне р. Уфы составляет 176 мм, в бассейне р. Жиздры -161 мм, в бассейн р. Протвы -169 мм. Средний годовой сток р.Оки у г.Капуги составляет 291 м3/с, а в многоводные годы расход воды достигает 540 м3/с. Наибольший месячный сток приходится на апрель, наименьший - на февраль, в летне-осеннюю межень - август или сентябрь.

Средний годовой модуль стока наносов на рассматриваемой территории составляет 7,96,9 т/км2.. Средняя годовая мутность воды на р. Оке изменяется от 23 до 250 г/мэ и составляет в среднем 120 г/м3, на р. Жиздре соответственно от 26 до 85 г/м3, в среднем 47 г/м3, а на р. Протве - от 13 до 92 г/м3, а среднем 38 г/м3 2.2. Гидрохимический режим рек бассейна

Формирование химического состава поверхностных вод бассейна происходит под влиянием природных факторов и хозяйственной деятельности человека. Уменьшение количества атмосферных осадков с северо-запада на юго-восток территории бассейна с

одновременным повышением температуры воздуха а этом направлении, состав геологических пород и почво-грунтов, смена растительности также оказывают значительное влияние на химический состав воды.

По величине средней минерализации речные воды рассматриваемой части бассейна р. Оки преимущественно малой минерализации (сумма ионов 100-200 мг/л) и средней минерализации (сумма ионов 200-500 мг/л), а на реках повышенного загрязнения вода бывает повышенной минерализации (сумма ионов 500-1000 мг/л) и даже высокой минерализации (сумма ионов свыше 1000 мг/л) [Семёнов, 1997].

В период весеннего половодья, когда питание речной сети осуществляется, главным образом, за счёт лочвенно-поверхносгных вод во время снеготаяния минерализация воды рек обычно колеблется в пределах 50-150 мг/л. Изменение минерализации по годам определяется колебаниями объёма стока воды - во время высоких половодий минерализация речных вод имеет наименьшие значения. Наиболее высокие значения величины минерализации воды (до 250-300 мг/л) отмечались в период низких половодий. В составе анионов речных вод в период прохождения пика половодья преобладает НСОз". Только некоторые реки средней и нижней части бассейна характеризуются повышенным содержанием ионов SO.,2". Среди катионов доминируют ионы Ca2*.

В средние по водности годы минерализация воды рек в летнюю межень изменяется от 200400 мг/л в центральной и западной части бассейна р. Оки и до 600 мг/л а северо-восточной. Для большинства рек бассейна вода в летнюю межень отличается преобладанием иона НСОз". Из катионов хорошо выраженным преобладанием характеризуется содержание Ca2*, а содержание ионов Mg2* и Na*+K* обычно в несколько раз меньше.

В период зимней межени в питании рек доминирует грунтовое, поэтому речные воды являются наиболее минерализованными, особенно в конце периода перед началом снеготаяния. Разбавление фунтовых вод происходит только в период оттепелей. На всей территории бассейна распространены воды средней и повышенной минерализации (400-600 мг/л). Средняя минерализация характерна для рек верхней и средней частей бассейна, повышенная (>600 мг/л) для рек южной части бассейна. Ионный состав воды, как и в другие периоды года характеризуются преобладанием иона НСОз" ■

В период летней межени в верхней части бассейна р. Оки отмечается умеренно жесткая и жесткая вода.. В период зимней межени, когда в питании рек преобладает грунтовое, жесткость речных вод достигает наибольших значений и почти на всех реках бассейна относится к категории «жесткая» (больше 5 мг-экв/л). Повышенной жесткостью отличается также река Протва, русло которой сложено карбонатными породами каменноугольного и пермского периодов.

Углекислая агрессивность воды наибольшей величины достигает в период половодья, когда на большей части бассейна р. Оки она изменяется от 5 до 10 мг/л СО?.. В период летней межени содержание агрессивной СОг изменяется от 0 до 5 мг/л, а в период зимней межени, в бассейне Протвы содержание агрессивной С02 не превышает 5мг/л, а в бассейнах рек Жиздры и Угры - 10 мг/л.

4 Зап. 535 1 3

Перманганатная окисляемость воды в период половодья и летней межени колеблется в пределах 2-25 мгО/л, бихроматная - 5-50 мгО/л, а цветность воды изменяется от 3 до 90°. На реках с заболоченными водосборами содержание органических веществ в воде увеличивается, но даже в наиболее заболоченном бассейне р. Угры перманганатная окисляемость не превышает 11 мг/л, бихроматная составляет 25 мгО/л, цветность - 50° .В период зимней межени количество органических веществ в воде уменьшается, а в период дождевых паводков - увеличивается.

2.3. Антропогенная нагрузка на малые водотоки

Для условий юга нечернозёмной зоны, в том числе для бассейна реки Оки на территории Калужской области, характерно большое количество загрязнённых и иссякающих под влиянием промышленности и демографической нагрузки ручьёв и малых рек, потому что благодаря особенностям формирования стока, малые реки наиболее подвержены влиянию всех видов хозяйственной деятельности [Малые реки, 1998].

В расходной части водного баланса малых водотоков при их хозяйственном использовании решающая роль принадлежит водозабору на хозяйственно-бытовые нужды. Так, по данным водохозяйственных расчетов Калугакомприродресурсов за 1997 г., забор из малой р. Лужи (естественный сток 95% обеспеченности 161 млн. м3/год) составил 51,8479 млн. м3, т.е. около 1/3 её стока, из ручья Дырочный -13%, из ручья Угодка-10% . На некоторых ручьях (Росвянка, Киевка и др.) водопользование составляет лишь 6-7% стока, а основная доля расходной части приходится на уменьшение поверхностного стока за счет отбора подземных вод (36% Росвянка и 94% Киевка). На большинстве малых рек и ручьев эта статья баланса колеблется от 0-9% (Лужа, Песочная, Локнава, Мышега) до 20% (Угодка) и 42% (Дырочный). На наполнение прудов и водохранилищ в весенний период идет от 0-6% (Лужа, Дырочный, Угодка) до 17-35% (Мышега, Песочная, Росвянка) и иногда до 50% стока (Локнава). Дополнительные потери на испарение с водохранилищ и прудов составляют 0-2% расходной части баланса.

Анализ приходной части водохозяйственных балансов (естественный сток, сточные воды, сработка прудов и водохранилищ, возвратные воды с орошаемых земель) свидетельствует, что 70 - 95 % воды, поступающей в малые реки и ручьи, приходится на естественный сток. Исключение представляют малые реки городов и пригородов

Прямое воздействие на сток воды в реки области оценивается по суммарному забору отчитывающихся водопользователей с дифференциацией забора и сброса сточных вод по основным рекам области и проводится в ежегодном обзоре общих показателей использования воды [Доклад, 2000-2004]. Результаты анализа свидетельствуют, что наибольшую антропогенную нагрузку испытывают малые реки урбанизированных территорий в бассейне р. Протвы. Сточные воды в ручьях Угодка и Киевка составляют 36 и 21% от количества забираемой воды на хозяйственно-бытовые нужды населения. Степень использования годового стока на малых реках и ручьях области составляет 5-35%.

Основными загрязнителями рек являются сточные воды жилищно-бытового хозяйства, промышленности и транспорта.

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ УРБАНИЗАЦИИ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОДЫ РЕК 3.1. Селитебная нагрузка на бассейны рек как показатель степени их загрязнения

Большая часть населения области (74,5 %) проживает в городах, а плотность населения наиболее высока в её северо-восточныхных районах, где расположены крупные населённые пункты- Калуга (339 тыс. чел), Обнинск (108,3 тыс. чел.), Малоярославец (30,6 тыс. чел.), Боровск, Ермолино и Балабаново (общая численность жителей 47,2 тыс. чел), Жуков, Протва и Белоусово (общая численность жителей 38,4 чел.), Таруса (10,1). Здесь же отмечается > наибольшая плотность населения среди районов области' Боровский - 69,7 чел. на км2,

Малоярославецкий - 33,2 чел. на км2., Жуковский - 38,2 чел. на км2., Дзержинский - 35,7 чел. на км2 [Меленчук, Михалевская, 2004] Этим обусловлены здесь наивысшие для Калужской ' области показатели хозяйственной освоенности и антропогенной нагрузки на бассейны рек.

Использовав уравнение 3 по численности населения были оценены площади, занятые в бассейнах рек урбанизированными и другими селитебными территориями.

Для бассейна Угры показатель антропогенной освоенности составляет 6,5 %, но для бассейнов рек Шаня и Суходрев он увеличивается до 10,5 и 14 % соответственно вследствие увеличения количества жителей в посёлках городского типа, где средняя плотность населения достигает 45 чел. на. км2.

Для бассейна Жиздры показатель антропогенной освоенности территории находится в пределах от 5,8 % (бассейн Рессеты) до 7,3 % (бассейн Серены). Для бассейна Нары этот показатель составляет 19,4 %, для бассейна Протвы - 15,6 %. Больше этот показатель (увеличивается до 40 % и более) только в бассейнах малых рек городской и пригородной зоны г. Калуги, где площадь бассейнов рек небольшая, а плотность населения возрастает от 40 чел на км2 в пригородах до 100 чел. и более на км2 в городе.

Основываясь на данных об объёмах ежегодного сброса сточных вод [Доклад 2000-2003] произведён анализ их зависимости от антропогенной нагрузки. Сравнение показателей селитебной нагрузки на водные объекты со сведениями о использовании воды свидетельствует о их согласованности. Наиболее тесная связь между селитебной нагрузкой и поступлением в реки объёма загрязненных сточных вод в % от объёма местного стока (рис.1).

Плотность населения напрямую связана со степенью урбанизации территории Поэтому оценка загрязненности воды рек урбанизированных территорий имеет важнейшее значение для выяснения причин ухудшения гидроэкологического состояния рек всей территории области и всего бассейна Оки.

Зависимость между степенью урбанизации территории и забором поверхностных вод менее тесная, так как большая доля количества используемой воды приходится на забор подземных вод, основная часть которых после использования загрязненная сбрасывается тоже в поверхностные водотоки.

Урбанизированное^» бассейна %

Рис 1 Зависимость сбросов загрязнённых вод в реки (в % от местного стока) от степени урбанизации их бассейна

3.2. Загрязнение малых рек г. Калуги и её пригородов

Для оценки химического загрязнения воды в пределах города на водотоках и водоемах г. Калуги и его пригородов в 2003-2004 гг. были проведены наблюдения с отбором проб воды в предвесенний (зимний), весенний (в период половодья) и летний (межень) периоды. Отбор проб воды проводился на реках Ячейка, Терепец, Киёвка и Калужка в пунктах, расположенных выше города и перед впадением рек в р. Оку (рис. 2.).

Изучаемые реки находятся на севере, западе и востоке территории города Калуга. В нижнем течении эти реки протекают непосредственно по территории города и пригородов Калуги.

Площадь застроек в г. Калуге и её пригороде равна 437 км2, из них 186 км2 приходится на бассейны рек Ячейка, Терепец, Киёвка и Калужка.

Результаты наших гидрохимических исследований свидетельствуют, что сточные воды всех предприятий и хозяйственно-бытовые стоки с территории города и пригорода Калуги существенно загрязняют воду малых рек (табл. 1,2).

Загрязнение их вод зависит не столько от ливневых стоков с территории города, сколько от поступления в них учтенных и не учтенных сбросов промышленных и хозяйственно-бытовых отходов. Особенно это характерно для малых водотоков, протекающих по территории промышленных зон городов, что можно проиллюстрировать на примере р. Кибвки.

Река Кибвка, протекающая по восточной пригородной, а в нижнем течении и по городской части территории Калуги, почти на всем своем протяжении служит естественным коллектором промышленных и частично ливневых и хозяйственно-бытовых стоков. Так в 2002 г. только без ^ очистки в Киёвку было сброшено 26 тыс. м3 загрязненных вод [Доклад, 2003]. Качество воды в

| этом водотоке поставило под сомнения все очистные сооружения, которые сбрасывают в него

| сточные воды. В этот водоток сбрасывают свои сточные воды ОАО «ОКАЗ» (4,6 тыс. м3 без

очистки), АООТ «Калужский экспериментальный завод» (21,8 тыс. м3 без очистки). Поэтому уже в верхнем течении водотока в конце зимней межени суммарная минерализация воды достигала 855 мг/л, а ниже Нефтебазы возрастала до 1600 мг/л, наблюдалось превышение нормативов по биогенным элементам в верхнем и нижнем течении реки, что характерно и для других периодов года (рис.3). В зимний период минерализация воды превышала естественную величину в 8 раз, а летом в 1,8 раз. Величина водородного показателя (рН) во все фазы водного режима близка к 8,0, что характерно для рек данного региона.

март апрель июль

■ до города и пригорода г Калуги

июль

фев04

до города и приго| ивдяе течение Гфи выходе из г *

Рис.3. Изменение концентрации NН/ по длине р. Киёвка в разные месяцы 2003-2004 гг.

Река Ячейка от её истока до впадения притока Терепец имеет химический состав, близкий к естественному Ниже впадения более полноводной и загрязнённой реки Терепец качество воды в Яченке во все фазы гидрологического режима ухудшается (рис 4) В среднем и нижнем течении в её воде были обнаружены повышенные концентрации минеральных форм азота и нефтепродукты (рис.5), увеличилась жёсткость воды, возросло содержание органических веществ, окисляемость воды была почти в 1,5 раза выше фоновой Суммарная минерализация воды в этой реке превышает фоновые значения в зимний период в 2,9 раза

Рис 4 - Изменение концентрации хлорид-ионов по длине р. Ячейка (т 1-3) ив р Терепец (т. 4) в различные фазы гидрологического режима

Точка отбора пробы

и Рис. 5 - Изменение концентрации ионов аммония (а) и нитрит-ионов (б) по длине р.

Ячейка (т. 1-3) и в р. Терепец (т.4) в различные фазы гидрологичесмкого режима В р. Калужка, протекающую на востоке пригорода г. Калуга, поступает значительно ' меньшее количество загрязнителей. В конце зимней межени ни по одному из определяемых

компонентов не отмечено превышение рыбохозяйственных ГЩК, хотя к устью реки наблюдается незначительный рост концентраций (не более 20%) почти всех главных ионов. Превышение нормативов по биогенным элементам (до 5 ПДК) было обнаружено только в период летней межени. В этой реке, минерализация воды близка к естественным показателям в течении всего года.

В период весеннего половодья вода всех водотоков на территории Калуги становится менее минерализованной, но во всех водотоках (кроме р. Калужка) отмечается превышение ПДК по содержанию в воде минеральных форм азота и фосфора.

3.3. Состояние малых рек бассейнов Угры, Жиздры и Протвы в районах малых городов и поселков

В бассейне реки Угра наиболее плотно заселенной является нижняя часть бассейна р Шаня, где средняя плотность населения достигает 46 человек, на км2 и расположены посёлки городского типа Кондрово, Товарково и Полотняный завод (общее число жителей 43,6 тыс. чел.), а по количеству сбрасываемых в реки загрязнённых (без очистки) сточных вод лидирует Дзержинский район - около 50 тыс. м3 за год. В воде реки Шаня из-за антропогенного влияния $ концентрация хлорид- и сульфат-ионов в приустьевой части возрастает до 3 - 5 раз, а также

обнаружено повышенное содержание в воде биогенных элементов (ионов аммония - до 6 ПДК, нитрит-ионов - до 3 ПДК, фосфат-ионов - до 5ПДК).

Малые реки бассейна р. Жиздра загрязняются предприятиями городов Жиздра, Козельск, Сосенский, Сухиничи и поселка Думиничи.

Результаты одновременных наблюдений за химическим составом воды р. Другуска, протекающей по южной окраине г. Козельска, свидетельствуют об увеличении в её воде ниже города содержания азотосодержащих веществ, а концентрация хлорид-ионов в 2 раза выше, чем в р.Жиздре и в 5 раз выше, чем в других её притоках, на не урбанизированных территориях.

В р. Протву впадает несколько малых водотоков, которые имеют повышенную антропогенную нагрузку при пересечении ими городов и рабочих посёлков Балабаново, Белоусово, Боровск, Жуково, Малоярославец, Обнинск.

Анализ проб воды, отобранных в г. Малоярославце, показал, что для всех трех малых водотоков, протекающих по его территории, в конце зимней межени характерно превышение нормативов по биогенным элементам (табл.3).

Таблица 3

Химический состав воды малых водотоков (иг/л), протекающих в г Малоярославце, в период летней межени 2004 г

Место отбора проб Са* Мд^ во,'- СГ N0, ын4* N03' Р04*

р Ярославка 72,1 30,4 34,3 61,0 0 009 <0,01 6,88 0,29

р Карижка 68,1 20,6 22,5 57,7 0,019 0,04 1,05 0,13

р Нечайка Агригаэ 86,2 25,5 19,2 70,1 0.540 0,96 9,04 1,20

р Нечайка устье 82,2 24,3 13,0 66,9 0,455 0,53 7,26 1.12

Особенно высокая концентрация загрязняющих веществ обнаружена в р. Нечайка, протекающей по территории крупного промышленного предприятия Агригаза (20 ПДК по ЫН.,*, 15 ПДК по N02", б ПДК по РО«3-). О попадании в нее ливневых стоков свидетельствует и повышенные (почти в 2 раза) концентрации хлорид-иона и натрия (табп. 3)

В весенний период в малых водотоках при 2-3-кратном уменьшении суммарной минерализации превышение ПДК по биогенным элементам сохраняется, а в воде рек Лужа и Нечайка обнаруживается рост легко окисляемого органического вещества.

В г. Обнинске повышенная минерализация характерна для всех малых водотоков. Как правило, в их воде отмечается превышение ПДК по биогенным элементам, особенно в зимний и весенний периоды. В водотоках, в которые попадают ливневые стоки с городских улиц, отмечается также превышение ПДК по жесткости и повышенные концентрации хлорид-иона и натрия. Это характерно также для малых водотоков в окрестностях г Жуково, пос Белоусово и др. (рр.Угодка, Дырочный). Так в воде ручья Дырочный, аккумулирующем стоки промышленных зон пос. Белоусово и г. Обнинска и впадающего непосредственно в р. Протву, регулярно обнаруживается повышенная жесткость воды (до 10 ммоль/л), более высокие концентрации сульфатов (до 350 мг/л), хлоридов (до 200 мг/л), в 10 раз превышает ПДК содержание нитритов, а суммарная минерализация 900-1000 мг/л.

Из малых рек - левых притоков р. Оки наибольший интерес вызывают Мышега и Таруса. Результаты анализов качества воды р. Мышега в летнюю межень 2003 г. показали, что максимальное загрязнение этой реки происходит в нижнем течении, в г. Алексин Тульской области. По сравнению с верхней частью (район п. Ферзиково), где качество воды отвечает нормативным требованиям, в устье реки концентрация хлоридов и сульфатов возросла в 30 раз, а минерализация воды увеличилась с 360 до 525 мг/л. Содержание биогенных элементов возросло по ионам аммония в 10 раз (5 ПДК), по нитритам в 25 раз (20 ПДК), по нитратам в 20 раз (0,5 ПДК), по фосфатам в 3 раза (1,5 ПДК). Содержание органического вещества возросло более чем в 2 раза.

Таблица 1

Химический состав воды водотоков г. Калуги в конце зимней межени 2003 г.

Место отбора проб рН X* мСм/м ммоль/л Са мг/л Мд мг/л НСОз" мг/л СГ мг/л ЭОд" мг/л ЭЮг мгЭЛ! ЫН/ мгМл N02 МГ1М/Л ЫОз" мгМ/л Р04а" мгР/л III мг/л ПО мЮ/л

ПАК,»*»,* 6,5-8,5 7,0 7,0 40 300 100 10 0,39 0,02 9,0 0,2 1000 7,0

р Ячейка

д. Галкино 7,69 38,0 5,85 83,0 20,8 263 26,8 34,3 3,8 0,17 0,025 2,25 <0,01 434 2,60

ул. Н. Садовая 7,46 57,0 7.07 95.2 28,2 295 78,9 76,0 3,6 1.17 0,081 3,71 0,175 582 9,74

Ниже плотины 7,29 56,0 6,56 99,2 19,6 278 79,5 90,3 4,7 0,71 0,158 3,17 0,030 575 6,58

р. Терапец

ул.Б. Энтузиастов 7,33 37,1 5,25 66,7 23,3 248 24,8 28,0 5,2 0,15 0,236 1,67 0,009 398 4,12

р. Киёвка

д. Кукареки 7,71 81,9 6,36 89,0 23,3 285 242,5 63,5 5,5 0,43 0,024 2,06 0,071 711 2,77

пос. Нефтебаза 7,74 119,0 10,9 164,0 33,0 273 1040 68,0 5,3 0,38 0,021 1,80 0,054 1586 3,10

ул. Киввка 7,42 64,3 7,27 109,2 22,1 338 84,7 83,5 4,4 3,60 0,152 2,07 0,241 648 3,86

р. Калужка

пос. Ждамирово 7.57 37,0 5,35 81,0 15,9 275 19,0 28,8 4,8 0,12 0,013 3,07 0,043 428 2,18

п. Турын. Карьера 7,65 40,5 5,96 79.0 24,5 280 27,1 38,8 4,3 0,17 0,024 3,03 0,008 457 2,69

Химический состав воды водотоков г Калуги в период весеннего половодья 2003 г

Таблица 2

N3 К>

Место отбора проб рН X* мСм/м Жо&ц ммоль/ л Са2* мг/л Мд" мг/л НСОз" мг/л С1 мг/л 30/" мг/л ЭЮз мгЭ|/л ЫНЯ* МГ1М/Л N02 мгЫ/п N03 мгЫ/л РО<* мгР/л III мг/л ПО мгО/л

ПДК рыбоюэ наэн. 6.5-8,5 7,0 180 40 300 100 10 0,39 0,02 9.0 0.2 1 000 7.0

р. Ячейка

д.Галкино 7,42 17,2 1,88 30,5 4,4 91,5 7.8 14,6 2,2 0,66 0,015 1,35 0,164 153 3,56

ул Н. Садовая 7,38 21,5 2,20 34,5 5,8 109 11.2 21,0 3,2 0,66 0,044 1,25 0,187 192 5,28

Ниже плотины 7,34 33,9 3,32 50,5 9,7 158 30,6 43,3 2,2 0,82 0,088 1.68 0,178 324 4,32

Р. Терепец

ул Б. Энтузиастов 7,29 18,2 1,80 29,6 3,9 I 97,5 6,8 13,3 2,8 1,55 0,027 1.14 0,200 159 3,9

р. Киёвка

д. Кукареки 7,51 29,3 2,72 42,5 7,3 112 43,2 32,0 2,9 0,53 0,015 1,02 0,153 268 3,76

ул. Киёвка 7,43 38,0 3,52 60 1 6,3 165 49,8 52,0 3,6 1,14 0,044 1,39 0,196 385 3,73

р. Калужка

пос. Ждамирово 7,40 14,5 1,60 24,80 4,4 77,5 10,5 10,6 2.5 0,33 0,017 1,54 0,178 133 5,44

п Турын Карьера 7,37 12,8 1,36 23,2 2,4 72,5 3,0 9.9 1.7 0,21 0,018 1,0 0,168 115 5,44

Анализ проб воды, отобранных одновременно из р Таруса ниже г. Таруса показал, что качество её воды отвечает всем нормативным требованиям по гидрохимическим показателям, что свидетельствует о возможности сохранения удовлетворительного состояния малых водотоков в городах при соблюдении правил их охраны.

3.4. Тяжелые металлы в воде и донных отложениях малых водотоков урбанизированных территорий

Для оценки последствий влияния городов на гидроэкологическое состояние изученных водных объектов также было определено общее содержание в воде и распределение накопления в поверхностном слое донных отложений девяти металлов - железа (Fe), марганца (Мп), меди (Си), цинка (Zn), хрома (Сг), свинца (РЬ), кобальта (Со), никеля (N) и кадмия (Cd).

Пробы воды на анализ содержания тяжелых металлов отбирались в периоды зимней и летней межени и в конце половодья из поверхностного слоя воды изученных водных объектов. Пробы донных отложений были отобраны только в периоды летней межени из верхнего слоя донных отложений толщиной 5-6 см. Отобранные образцы герметично упаковывались в пластиковые банки в соответствии с ГОСТ 171.5 01-80. В лабораторных условиях концентрации металлов определялись методом электрометрической атомной абсорбционной спектрометрии на атомно-абсорбционном спектрофотометре 3030 «Zeeman» фирмы «Perkin Eimer». Все анализы были выполнены в аккредитованной лаборатории Химико-аналитического центра ГУ НПО «Тайфун». Автор участвовал в отборе проб и анализе результатов [Семенова, Моршина, Михалевская-Целуйко и др., 2004].

Было найдено, что превышение ПДК в воде почти для всех водотоков наблюдается по Си и Мп во все фазы водного режима, по железу для р. Киевка в Калуге в летнюю межень (табл. 4), а для малых водотоков в районе г. Малоярославца во все фазы водного режима. Следует отметить превышение ПДК по Zn в зимний период в водотоках подверженных наибольшей техногенной нагрузке (рр. Терепец, Киевка, Нечайка). В цепом в зимний период концентрация в воде большинства тяжелых металлов выше, чем в летний.

Таблица 4

Валовые концентрации металлов в воде рек на территории г. Калуга в 2004 г., мкг/л

Место отбора пробы Cd РЬ № Си Сг Со Zn Fe Мп

р. Ячейка, д Галкино лето <004 <050 1.03 1.60 1 67 < 1 00 <10 43 6 6 25

зима 0.I6 1.36 < 1.00 3J9 1.33 < 1 00 < 10 31 5.90

ул Садовая пето <004 <0 50 < 1 00 2 23 0 77 < 1 00 < 10 32 0 13.9

устье лето <004 0 78 < 1.00 1.70 <0.50 < 1 00 <10 30.2 17.6

р. Терепец лето <004 <0.50 < 1.00 1.74 1 16 < 1.00 <10 70.9 16.8

зима 011 2.21 4 74 8 49 1.49 < 1 00 14 51 25 7

р. Киевка д Кукареки лето 0.04 0.51 1.32 2.80 <0.50 < 1.00 <10 78 31.2

ул. Киевка лето 004 0.87 1.00 1.00 084 < 1 00 < 10 121 101

зима 0.10 0.95 1.78 4.77 0.62 <1 00 10 58 38.2

р. Калужка лето <004 <050 < 1 00 1 19 0 57 < 1 00 40 37 102

зима 0.05 <0.50 1.17 1.37 0.70 < 1 00 <10 90 12.1

По результатам анализа проб донных отложений в ГУ НПО «Тайфун» пределы колебаний валового содержания металлов в поверхностном слое отложений составляют: Мл - 16-1120 мг/кг, Ре - 1190-54000 мг/кг, гп - 3,55-336 мг/кг, Си - 0,75-79,4 мг/кг, Сг - 1,35-138 мг/кг. Со -0,22-6,26 мг/кг, N1 - 0,78-51,4 мг/кг, РЬ - 0,86-88,9 мг/кг, Сс) - 0,01-1,28 мг/кг.

Анализ абсолютных значений концентраций того или иного металла в донных отложениях показывает, что из водотоков в районе г Калуги наиболее загрязнены почти всеми тяжелыми металлами рр. Киёвка и Терепец, а в районе г. Малоярославца - рр Нечайка и Карижа.

В ГУ НПО «Тайфун» были выполнены также исследования по распределению тяжёлых металлов в воде и донных отложениях некоторых пригородных водохранилищ и по связи между их содержанием с содержанием органического вещества в донных отложениях водотоков и водоёмов [Семёнова и др. 2004] Статистический (корреляционный) анализ свидетельствует о наличии связи между содержанием органики и тяжелыми металлами в донных отложениях, которая наиболее тесная (коэффициент корреляции 0,77-0,50) для содержания свинца, никеля, меди, хрома, кобальта, магния, а для железа и цинка коэффициент корреляции только 0,41-0,43. 3.5. Гидрохимическая характеристика Оки в районе г. Калуги

На территории Калужской области Ока загрязняется в основном сбросными водами предприятий среднего машиностроения, химической и пищевой промышленности, а так же ливневыми и сточными водами г Калуги Суммарное поступление загрязнённых сточных вод в р.Оку составляет около 125 млн м3 в год [Доклад,2003]

Результаты анализов проб воды, отобранных нами в разные сезоны года из Оки (выше до впадения р Ячейка) и ниже очистных сооружений города в 2003 году, подтверждают результаты государственного мониторинга Содержание органических веществ на пригородном участке р Оки было невысоким, но всё же увеличивалось в весенние месяцы и превышало ПДК (рис.6). Содержание минеральных форм азота и фосфора на изученном участке превышало нормативные требования в 2 раза, а ниже г.Калуги отмечается их увеличение Превышение нормативных требований по этим элементам наблюдается преимущественно тоже в период половодья В период спада половодья в реке обнаруживаются повышенные концентрации никеля, цинка (3 -5 ПДК).

Анализ проб воды из р. Оки ниже малых городов Алексин, Таруса и на границе с Московской областью подтверждает, что загрязнение воды большой реки стоками с урбанизированных территорий носит локальный характер и её химический состав и суммарная минерализация почти не меняются.

март а'фшъ июль

Рис. 6 Изменение концентрации Ы02~ в воде р. Оки в разные месяцы 2003 г выше и ниже

г.Калуги

3.6. Гидрохимическая характеристика средних рек в районе урбанизированных территорий

Учитывая, что из средних рек наибольшей урбанизации подвергаются участки бассейнов Жиздры в районах гт Жиздра и Козельска, а р. Протвы в районе городской агломерации вокруг г Обнинска, на этих реках в указанных районах производился отбор проб воды на химический анализ в разные сезоны года выше и ниже городов Аналогичные наблюдения проведены и на р Уфа выше и ниже поселка городского типа Товарково.

Результаты анализа этих наблюдений и ранее выполненных исследований свидетельствуют, что наиболее многоводная река Уфа реагирует на поступление в неб сточных вод с урбанизированных территорий некоторым повышением содержания биогенных элементов (N144*, М02, N03', РО,3") и суммарной минерализации воды Но способность её речного потока к самоочищению велика и влияние промышленно-хозяйственных сбросов на качество воды распространяется на небольшое расстояние ниже г Юхнов и пгт. Товарково При этом наибольшее количество зафязняющих воду веществ поступает в Уфу со стоком р. Шаня [Семенова, 1998, Семенов, Семенова, 2002].

На качество воды р. Жиздры урбанизированные территории оказывают большее влияние. Суммарное поступление в р. Жиздру загрязнённых сточных вод превышает 13 млн м3 в год [Доклад,2003].

Анализ проб воды, отобранных автором в период летней межени 2002 г. в 6 створах по всей р Жиздра показал, что ниже г. Жиздра наблюдалось превышение рыбохозяйственных нормативов по содержанию ионов аммония (до 8 ПДК) и более высокие концентрации фосфатов и растворенного органического вещества В среднем течении реки суммарная минерализация воды увеличивается, но концентрация зафязняющих веществ уменьшается из-за разбавления водой притоков Вытебеть и Рессета В районе г. Козельска и ниже до её впадения в Оку химический состав воды в межень и половодье меняется мало.

Бассейн р. Протва подвержен наибольшей антропогенной нафузке. В неё поступают сточные воды нескольких городов, промышленных предприятий пищевой, текстильной, атомной отраслей промышленности, ливневые, хозяйственно-бытовые сточные воды В поверхностные воды бассейна Протвы на территории Калужской области сбрасывается 38,1

млн. м3 в год коммунально-производственных стоков Основная масса загрязнителей приходится на г. Обнинск и малые города Боровск, Балобаново, поселки Ермолино, Белоусово . Наибольшее влияние на качество воды р. Протвы как и других рек оказывают не ливневые стоки, а выпуски сточных вод Исследования в районе выше выпуска в Протву сточных вод г.Обнинска показали, что в воде этой реки уже наблюдается превышение рыбохозяйственных нормативов по содержанию нефтепродуктов до 3 ПДК и СПАВ - доЮ ПДК. Ниже очистных сооружений превышение нормативных требований (ПДК) наблюдалось и по содержанию аммония, нитрит-ионов и фосфат-ионов. Но несмотря на высокую степень загрязнения р Протвы на урбанизированных территориях, результаты анализа проб воды, отобранных из неё в летнюю межень свидетельствуют, что и эта средняя река сохраняет способность к самоочищению от химического загрязнения: от г. Обнинска до впадения в р. Оку суммарная минерализация её воды уменьшается, а качество улучшается

Выводы

В результате использования предложенной методики исследований на реках урбанизированных территорий бассейна Верхней Оки установлено следующее:

1 Антропогенная нагрузка на урбанизированных территориях зависит от количества населения, которое в основном определяет размеры хозяйственно-бытовых и промышленных стоков в реки Поэтому, приближённая оценка загрязнённости воды рек на урбанизированных территориях может производиться по селитебной нагрузке на их бассейны, а более достоверная оценка влияния урбанизации на экологическое состояние водотоков может быть произведена по изменению минерализации и химического состава воды рек при проведении наблюдений на них выше и ниже города.

2 Исследования, проведенные по принятой методике на территории городов Калуга, Обнинск, Козельск, Малоярославец показали, что на урбанизированных территориях малые водотоки загрязняются преимущественно хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами, что приводит к увеличению концентрации загрязняющих веществ от истоков к устью.

3. Наибольшую техногенную нагрузку испытывают малые водотоки, протекающие в районе расположения промышленных предприятий, сбрасывающих в них недостаточно очищенные или неочищенные сточные и ливневые воды Эти районы городских территорий являются и основными загрязнителями воды тяжелыми металлами В Калуге к наиболее загрязненным водотокам можно отнести реки Терепец и Киевка, в Малоярославце - Нечайка, в Обнинске -Дырочная, в Козельске - Драгуска.

4. Ливневые воды вносят наиболее ощутимый вклад в загрязнение городских водотоков в периоды зимних оттепелей и весеннего снеготаяния, когда не только наблюдается рост концентрации таких загрязняющих веществ, как тяжелые металлы и нефтепродукты, но и в 310 раз возрастают концентрации главных ионов - хлоридов, сульфатов, натрия.

5. Влияние поступления загрязненных вод малых водотоков урбанизированных территорий на качество воды р. Оки и средних рек области носит локальный характер, что свидетельствует об их хорошей самоочищающей способности.

6. Поскольку малые водотоки городских и пригородных территорий находятся в наихудшем гидроэкологическом состоянии, то для восстановления экологических функций необходимо принятие срочных мер по их охране от загрязнения, путём недопущения поступления в них сточных вод, улучшения систем сбора и очистки ливневых вод.

7 Исходя из принципа экологического реализма, в соответствии с которым целью мероприятий является не восстановление реки в первозданном виде, что в большинстве случаев невозможно, а создание условий, при которых водоток будет сохранен и по возможности будут восстановлены его водохозяйственные, рыбохозяйственных или хотя бы рекреационные функции, концепция улучшения гидроэкологического состояния рек урбанизированных территорий заключается в проведении следующих мероприятий.

- Принятие комплекса мер по восстановлению состояния водотоков на уровень, предшествующий индустриальному освоению данного региона путём улучшения качества воды, восстановления гидротехнических сооружений, традиционных для того периода.

- Принятие мер по увеличению водоносности водотоков путём строительства каскада подпорных сооружений (плотин и прудов).

- Улучшение качеств воды путем её аэрирования, отвода загрязненных вод в систему городской ливневой канализации, изоляции реконструируемых водоемов от городских стоков, поступающих с их водосбора.

- Создание экологического дизайна по берегам водотоков и водоёмов и формирование биотического комплекса из зарослей прибрежной растительности, зарыбление, создание водопадов-аэраторов, восстановление некоторых природно-ландшафтных особенностей участков береговой зоны водотока, использование его для любительского рыболовства и т.д.

- Разработка и реализация биомелиоративных мероприятий, улучшающих экологическое состояние малой реки.

- При планировании инженерных сооружений проводить оценку возможностей использования водотоков для соответствующих видов предпринимательской деятельности.

8. Необходима паспортизация всех водотоков урбанизированных территорий с оценкой качества их водной среды, состояния водосбора, характеристики источников загрязнения и создание постоянно действующей системы инженерно-экологического мониторинга состояния водных объектов урбанизированных территорий.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Петровская ТК., Михалевская B.C. Проблема питьевой воды г. Калуга Сб Вопросы географии и геоэкологии., Калуга, 1999, Вып. 2.-С.44-58.

2. Семенова И В, Михалевская B.C. «Влияние хозяйственной деятельности и демографической нагрузки на гидроэкологическое состояние рек бассейна Уфы в пределах Калужской области», Сб. Природа и история Поугорья, Калуга, 2003. -С.

3. Семенова И В., Семенов В А, Сурнин В А, Моршина Т Н , Меленчук В.И , Михалевская-Целуйко B.C., Баркова О.А, Дородонова Ю.А. Тяжелые металлы в воде и донных отложениях малых водных объектов Калужской области Сб Вопросы географии и геоэкологии.- Калуга, 2004. Вып 4, с.4-12.

4. Меленчук В И., Михалевская-Целуйко B.C. Селитебная нагрузка и антропогенная освоенность речных бассейнов в пределах Калужской области Сб. Вопросы географии и геоэкологии. Вып. 4: -Калуга, 2004, 24-30 с.

5. Михалевская-Целуйко B.C. Состояние средних и малых рек на урбанизированных территориях Калужской области. Сб. Вопросы географии и геоэкологии, Вып. 4 : -Калуга, 2004, с.89-96.

6. Михалевская-Целуйко В.С Источники загрязнения и качество воды малых водотоков пригорода и города Калуги. Сб Эрозионные, русловые процессы и проблемы гидроэкологии - М.: Изд. МГУ им. М В. Ломоносова, 2004, с. 153-166

7. Семёнова И В., Семёнов В.А, Меленчук В.И., Михалевская-Целуйко B.C., Порубова Н.В., Гидроэкология водных объектов центра России в условиях различной нагрузки на их бассейны. // Тезисы докладов VI Всероссийского гидрологического съезда, секция 4-Экологическое состояние водных объектов. Качество вод и научные основы их охраны. СП,- Гидрометеоиздат, 2004г.- с 272-274

8. Семенова И.В., Михалевская-Целуйко В.С, Порубова Н.В., Семенов В.А., Баркова OA. Оценка экологического состояния малых водотоков в условиях повышенного техногенного воздействия // Доклады Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье. Вестник Белгородского ГТУ им. В Г. Шухова, №8, часть III, Белгород, 2004. - С 138-140.

9. Семёнов В.А , Семёнова И В , Меленчук В И., Михалевская-Целуйко B.C., Порубова Н В , Шмелёв П П Оценка гидроэкологического состояния водных объектов хозяйственно освоенных и селитебных территорий Калужской области // Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук, г Калуга- Полиграф-Информ, 2004 - с. 489505.

МИХАЛЕВСКАЯ-ЦЕЛУЙКО Вера Сергеевна

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Подписано в печать 15.03.06. Бумага офсетная. Печать офсетная. Формат 60x84 1/8. Объем 1,75 п.л. Тираж 100 экз. Зак. 535.

Отпечатано с готового набора в ООО «Полиграф-Информ», ПЛДЙа 42-17 от 16.09.98 г.

¿206A

us- 6 0 0 0

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Михалевская-Целуйко, Вера Сергеевна

• ВВЕДЕНИЕ. стр. 4

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕННОСТЬ ВЛИЯНИЯ УРБАНИЗАЦИИ НА ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Изученность влияния урбанизации на водные объекты . стр. 9-14 1.2.Особенности формирования химического состава воды водных объектов в городах и методика исследований их состояния. стр. 15

ГЛАВА 2. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ И ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РЕК БАССЕЙНА ВЕРХНЕЙ ОКИ. ф 2.1. Условия формирования стока воды в бассейне верхней Оки.

2.1.1. Географическое положение территории и общие, сведения о речной системе. стр. 23

2.1.2. Климатические условия формирования стока рек. стр. 27

2.1.3. Подземные воды и подземное питание рек. стр. 29

2.2. Гидрологическая характеристика малых рек.

2.2.1. Малые реки бассейна р. Угра. стр. 33

• 2.2.2 Малые реки бассейна р. Жиздра. стр. 35

2.2.3. Малые реки бассейна р. Протва. стр. 37

2.3. Гидрологический режим рек бассейна.

2.3.1. Уровенный режим. стр. 40

2.3.2. Температура воды. стр. 43

2.3.3. Ледовые явления. стр.

2.3.4. Средний годовой сток. стр. 45

• 2.3.5. Внутригодовое распределение стока. стр.

2.3.6. Меженный сток. стр. 46

2.3.7. Сток половодья. стр.

2.3.8. Дождевые паводки. стр.

2.3.9. Сток наносов и мутность воды рек. стр. 48 - 49 2.4. Гидрохимический режим рек бассейна Оки.

2.4.1. Формирование химического состава поверхностных вод бассейна. стр. 50

2.4.2. Естественное химическое качество поверхностных вод. стр. 54

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ГИДРОХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ РЕК.

3.1. Селитебная нагрузка, как показатель антропогенной нагрузки на бассейны рек и степени их загрязнения. стр. 57

3.2. Состояние малых рек города Калуги и её пригорода.

3.2.1. Природный гидрологический и гидрохимический режим малых рек территории. стр. 62

3.2.2. Влияние на малые реки города и пригорода Калуги. стр. 68

3.3. Состояние малых рек бассейнов Угры, Жиздры, Протвы в районах малых городов и урбанизированных территорий. стр. 81

3.4. Тяжелые металлы в воде и донных отложениях малых водотоков урбанизированных территорий стр. 90

3.5. Гидрохимическая характеристика Оки в районе г. Калуги, стр. 95

3.6. Гидрохимическая характеристика средних рек в районе урбанизированных территорий.

3.6.1. Гидрохимическая характеристика р. Угра. стр. 103

3.6.2. Гидрохимическая характеристика р. Жиздра. стр. 105

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка загрязнения воды рек бассейна Верхней Оки на урбанизированных территориях"

Актуальность исследования. Урбанизация территорий является одной из наиболее характерных особенностей второй половины XX и начала XXI столетия. Её негативные последствия проявляются в ухудшении состояния всей окружающей города природной среды и особенно ощутимо сказываются на гидроэкологическом состоянии водных объектов, а это отражается на качестве жизни и здоровье жителей городов. Территории, занятые городскими поселениями, воздействуют на водные объекты, последствия которых проявляются в изменениях гидрографической сети, количественных и качественных характеристиках водной среды в наибольшей степени, чем другие факторы антропогенной деятельности.

Влияние городских застроек на количественные изменения составляющих водного баланса рек изучено достаточно хорошо и разработана методология расчётов оценки этого влияния. Оценки изменения качества воды и гидроэкологического состояния водотоков городских территорий, выполненные в нашей стране и за рубежом, свидетельствуют о недостаточной изученности и даже противоречивости выводов о преобладающей роли промышленных, бытовых сбросов и ливневых стоков в загрязнении малых и средних рек на городских и пригородных территориях. На территории бассейна Верхней Оки такие исследования проводились только на отдельных водотоках и без выяснения причин их загрязнения [Эрнестова и др.,1990, Семенов, Семенова 2002, Силин, 2003]. Поэтому оценка изменений химического состава воды рек и малых водотоков урбанизированных территорий в бассейне Верхней Оки в пределах Калужской области, как объективных показателей их гидроэкологического состояния, актуальна.

Исходя из цели, гипотеза исследований основывается на следующем. В условиях комплексного антропогенного влияния городских территорий на ландшафты, как сложные динамические системы (геосистемы), и через их компоненты на водную среду, которая наиболее динамична и реагирует на изменения потоков вещества и энергии при трансформации природных систем в природно-антропогенные (городские), основной характеристикой состояния изучаемой геосистемы может служить изменение химического состава поверхностных вод. Химический состав природных поверхностных вод в естественных условиях относительно стабилен и подвержен только сезонным ритмическим изменениям, поэтому может служить эталоном для оценки изменений происходящих под влиянием комплекса антропогенных факторов урбанизированных территорий.

Степень антропогенного влияния на химический состав воды, стекающей с городских территорий, зависит от площади застроек и количества населения, вида хозяйственной деятельности и состояние жилищно-бытового обслуживания населения. Поскольку два последних фактора взаимосвязаны, то количество населения может служить основным показателем при оценке размеров урбанизированных территорий и их влияния на загрязнение воды в водных объектах.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Выявление зависимости между степенью урбанизации территории и загрязнением поверхностных вод;

2. Выяснение причин и степени изменений химического состава воды малых рек в городах и пригородах области;

3. Оценка влияния урбанизации на качество воды больших и средних транзитных рек.

Объекты исследований и исходные материалы. Объектами исследований являются малые водотоки, р. Ока (большая) и средние транзитные реки бассейна Верхней Оки на территории городов и пригородов в пределах Калужской области. Исходной базой при выполнении работы послужили результаты полустационарных наблюдений и экспедиционных исследований автора с отбором и химическим анализом проб воды, данные мониторинга состояния водных объектов Гидрометслужбой, Центром Геомониторинг Минприроды и Калугооблводоканала, справочные и литературные сведения.

Научная новизна работы. Гидрохимические наблюдения в системе мониторинга окружающей природной среды Росгидрометом и Калугаоблводоканалом проводятся только на р. Оке и средних реках. Комплексные, гидрохимические наблюдения в разные фазы гидрологического и гидрохимического режима рек на средних реках в районе городов и на малых водотоках этих городов с разным количеством населения в бассейне Верхней Оки с последующим сравнительным анализом и обобщением результатов наблюдений, выполнены впервые. Впервые при оценке гидроэкологического состояния водотоков городских территорий кроме общепринятых гидрохимических показателей использованы анализы содержания в воде и донных отложениях тяжелых металлов. Впервые установлено, что основными причинами загрязнения малых водотоков урбанизированных территорий и транзитных рек в бассейне Верхней Оки являются главным образом промышленные и хозяйственно-бытовые отходы и в меньшей степени ливневые стоки.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся: методика исследований и обоснование возможности использования ® значения селитебной нагрузки на бассейны рек урбанизированных территорий в качестве показателя загрязнённости их воды; оценка влияния урбанизации на минерализацию и химический состав воды малых рек по данным экспедиционных исследований; результаты оценки влияния урбанизации на химический состав и минерализацию воды реки Оки и её притоков на территории Калужской области.

Научно-практическая значимость работы. Исследования выполнялись в составе работы по проектам региональных конкурсов РФФИ и Правительства Калужской области № 01-05-96003 «Оценка гидроэкологического состояния водных объектов хозяйственно освоенных и селитебных территорий Калужской области» и № 04-05-97214 «Оценка неблагоприятных экологических последствий техногенных воздействий на водные объекты Калужской области».

Достоверность результатов исследований обеспечена тем, что анализы проб воды и донных отложений производились в аккредитованной лаборатории химико-аналитического центра ГУ НПО «Тайфун», а также тем, Ф что основные результаты исследований подвергались независимой научной экспертизе в составе отчётов по проектам РФФИ и Правительства Калужской области (гранты № 01-05-96003 и № 04-05-97214).

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на III научно-практической конференции «Природа и история Поугорья» (г. Кондрово, 2003 г.), на V семинаре молодых учёных вузов, объединяемых Межвузовским научно-координационным советом (г.Брянск, 2004г.), на III Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2004 г.), на заседании кафедры географии КГПУ им. К.Э. Циолковского (2004г.) и на VI Всероссийском гидрологическом съезде (г. Санкт-Петербург, 2004 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в 9 работах.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Михалевская-Целуйко, Вера Сергеевна

ВЫВОДЫ

1. Антропогенная нагрузка на урбанизированных территориях зависит от количества населения, которое в основном определяет размеры хозяйственно-бытовых и промышленных стоков в реки. Поэтому, приближённая оценка загрязнённости воды рек на урбанизированных территориях может производиться по селитебной нагрузке на их бассейны, а более достоверная оценка влияния урбанизации на экологическое состояние водотоков может быть произведена по изменению минерализации и химического состава воды рек при проведении наблюдений на них выше и ниже города.

2. Исследования, проведенные по принятой методике на территории городов Калуга, Обнинск, Козельск, Малоярославец показали, что на урбанизированных территориях малые водотоки загрязняются преимущественно хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами, что приводит к увеличению концентрации загрязняющих веществ от истоков к устью.

3. Наибольшую техногенную нагрузку испытывают малые водотоки, протекающие в районе расположения промышленных предприятий, сбрасывающих в них недостаточно очищенные или неочищенные сточные и ливневые воды. Эти районы городских территорий являются и основными загрязнителями воды тяжелыми металлами. В Калуге к наиболее загрязненным водотокам можно отнести реки Терепец и Киевка, в Малоярославце - . Нечайка, в Обнинске -Дырочная, в Козельске - Драгуска.

4. Ливневые воды вносят наиболее ощутимый вклад в загрязнение городских водотоков в периоды зимних оттепелей и весеннего снеготаяния, когда не только наблюдается рост концентрации таких загрязняющих веществ, как тяжелые металлы и нефтепродукты, но и в 3-10 раз возрастают концентрации главных ионов - хлоридов, сульфатов, натрия.

7. Исходя из принципа экологического реализма, в соответствии с которым целью мероприятий является не восстановление реки в первозданном виде, что в большинстве случаев невозможно, а создание условий, при которых водоток будет сохранен и по возможности будут восстановлены его водохозяйственные, рыбохозяйственных или хотя бы рекреационные функции, концепция улучшения гидроэкологического состояния рек урбанизированных территорий заключается в проведении следующих мероприятий:

Разработка и реализация биомелиоративных мероприятий, улучшающих экологическое состояние малой реки.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Михалевская-Целуйко, Вера Сергеевна, Калуга

1. Алекин О.А. Основы гидрохимии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970. -444 с.

2. Алексеевский Н.И. Гидроэкология малых рек. // Малые реки: Современное экологическое состояние, актуальные проблемы. Тезисы докладов Международной научной конференции. Тольятти, 2001. - С.7-8.

3. Атлас гидрохимических характеристик местного стока Европейской территории СССР. // Под редакцией П.П. Воронкова, -Л., Гидрометеоиздат, 1972. 47 с.

4. Барымова Н.А., Чернышев Е.П Состав поверхностного стока городской территории и качество речных вод.// Взаимодействие хозяйства и природы в городских и промышленных геотехсистемах. -М., 1982. -С. 31-45.

5. Быков В.Д., Заславская М.Б., Федорова И.С., Шашков С.Н. Гидрология и гидрохимия р. Протвы. В кн.: Региональный экологический мониторинг. -М.: Наука, 1983, с. 146-161.

6. Воды России. Малые реки. Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2001.

7. Восстановление и охрана малых рек: теория и практика /Под ред. К.К. Эдельштейна, М.И. Сахоровой. М.: Агропромиздат, 1989. - 317 с.

8. Голофтеева А.С., Лыков И.Н., Мельникова С.И., Сергеева И.Е. Экологические аспекты антропогенного загрязнения снега в Калуге. -Известия Калужского общества изучения природы местного края, кн. 5, Калуга, 2002, с.70 -75.

9. Гонтарь Ю.В., Крупский К.Н. и др. Изучение концентраций тяжелых металлов в речном стоке с урбанизированных территорий. // Водные ресурсы. 1985. -№ 4. - с. 89 - 95.

10. Горяинов Э.И., Прима Н.Г., Семьян А.И. Особенности формирования качества воды малых рек, принимающих поверхностный сток с территории крупных городов. В кн. Отведение и очистка поверхностных сточных вод. М., 1983, с.47 53.

11. Гюнтер Л.И., Гребневич Е.В. Методы борьбы с загрязнением природных вод городами./Мое. Филиал ГО СССР, М., 1978, - с.79 -83.

12. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей природной среды Российской Федерации» за 1998 2004 гг.

13. Демидов В.Н., Кучмент Л.С. Оценка влияния урбанизации на форму гидрографа и максимальные расходы с помощью двухмерной модели ливневого стока. Гидрологические аспекты урбанизации. Моск. Филиал ГО СССР М., 1978. - с. 20 - 25.

14. Двинских С.А., Бельтюков Г.В. Возможности использования системного подхода в изучении географических пространственных образований. Изд-во Иркутского ун -та, 1992, - 248 с.

15. Доклад об использовании природных ресурсов и состоянии окружающей природной среды Калужской области в 2000 году. Калуга -2001г.- 131 с.

16. Доклад о состоянии и использовании (минерально-сырьевых, водных, лесных) ресурсов, деятельности органов государственного контроля в сфере природопользования и охраны окружающей среды Калужской области в 2002 году.- Калуга- 2003г. 225 е.

17. Доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Калужской области в 2002 2003 г.» - Калуга - 2003. - 174 е., 2004 - 191 с.

18. Доклад «Об использовании природных (минерально-сырьевых, водных, лесных) ресурсов и состоянии природной среды на территории Калужской области в 2004 году» Калуга, 2005, - 317 с.

19. Ефремов А.Н., Силин И.И. Источники и пути миграции трития в обнинские водозаборы. Известия Калужского общества изучения природы местного края. Калуга, 2002, кн. 4. - с. 93 -100.

20. Заславская М.Б., Сахарова М.Н., Фролова H.J1. Оценка гидрологического состояния бассейнов малых рек и водоёмов урбанизированных территорий. М: Изд. МГУ,. 2002,. 86с.

21. Израэль Ю.А. Проблемы охраны природной среды и пути их решения. -Л., Гидрометеоиздат, 1984, 486 с.

22. Карагодин B.JL, Молоков М.В. Отвод поверхностных вод с городской территории. -М.: Стройиздат, 1974. -215 с.

23. Киркор О.Ф. Материалы по вопросу о колебаниях состава речной воды: Химическое исследование воды реки Роси 1904 1905 гг. - Киев: Тип. Р.К. Лубковского, 1907. - 124 с.

24. Климакова В.Ф., Смолич А.В.,Якубицкая Т.А. «К оценке загрязнения поверхностных вод стоком городских территорий», Труды V всесоюзного гидрологического съезда. Том 5 Качество вод и научные основы их охраны. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991, с. 219 - 225.

25. Куприянов В.В., Устюжанин Б.С., Джус J1.E. Гидрологическая роль урбанизации. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1975. - 35 с.

26. Куприянов В.В. Гидрологические аспекты урбанизации (гидрология городов и урбанизированных территорий). Л.: Гидроиетеоиздат, 1977. -187с.

27. Куприянов В.В., Устюжанин Б.С. Водный баланс города. Вопросы антропогенных изменений водных ресурсов. М.: Изд-во АНСССР, 1976.-С.112-124.

28. Лансберг Г.Е. «Климат города»,-Л.: Гидрометеоиздат, 1983. -248 с.33. 34. Малые реки России (Под редакцией А.М.Черняева).Свердловск: Средне- Уральское книжное издательство, 1998. 64 с.

29. Маслов Н.В. Градостроительная экология, М, «Высшая школа», 2002. -285 с.

30. Материалы V семинара молодых учёных вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов., «Эрозионные, русловые процессы и проблемы гидроэкологии», М, 2004, 243 с.

31. Меленчук В.И. Распределение, использование и гидроэко-логическое состояние естественных выходов подземных вод в бассейне Верхней Оки. // Автореф. дис. канд. геогр. наук. Калуга, 2001. - 24 с.

32. Меленчук В.И., Михалевская-Целуйко B.C. Селитебная нагрузка и антропогенная освоенность речных бассейнов в пределах Калужской области. Сб. Вопросы географии и геоэкологии, Вып. 4: -Калуга, 2004, 24 30 с.

33. Методические основы оценки антропогенного влияния на качество поверхностных вод. JT: Гидрометеоиздат,1981. - 175 с.

34. Методическое руководство по составлению водохозяйственных балансов и ведению водного кадастра. Издательство СЭВ, 1981. 118 с.

35. Михалевская-Целуйко B.C. Источники загрязнения и качество воды малых водотоков пригорода и города Калуги. Сб. Эрозионные, русловые процессы и проблемы гидроэкологии. М.: Изд. МГУ им. М.В. Ломоносова, 2004, с. 153-166.

36. Михалевская-Целуйко B.C. Состояние средних и малых рек на урбанизированных территориях Калужской области. Сб. Вопросы географии и геоэкологии, Вып. 4: Калуга, 2004, с. 89-96.

37. Михайлов И.В. Влияние урбанизированных территорий на формирование некоторых элементов водного баланса Курской модельной области // Взаимодействие хозяйства и природы в городских и промышленных геотехсистемах. М.: ИГ АН СССР, 1982. - с. 45 - 49.

38. Населенные пункты и устойчивое развитие. Доклад ООН. М., 1991, -168 с.

39. Никаноров A.M., Гидрохимический на рубеже веков. Труды VI Всероссийского гидрологического съезда. Экологическое состояние водных объектов. Качество вод и научные основы их охраны.- С-П, Гидрометеоиздат. 2004. С. 55 - 56.

40. Одум Е. Экология. // Перевод с английского В.В. Алпатова. М.: Просвещение, 1968. - 168 с.

41. Опасные загрязняющие вещества: источники поступления и особенности распределения в водных объектах Калужской области // Сурнин В.А., Семёнова И.В. и др.// Обнинск Москва 2005.

42. Петровская Т.К., Михалевская B.C. Проблема питьевой воды г. Калуга. Сб. Вопросы географии и геоэкологии., Калуга, 1999, Вып. 2. -С. 44 58.

43. Полян Н.М. Урбанизированность ССР //Изв. АН СССР. Сер.географ. -1987. -№ 2. -С. 35 -42.

44. Проблемы загрязнения подземных вод и пути их решения. Минводхоз РСФСР., СибНИИГМ. Красноярск, 1981.- 116 с.

45. Радиационная обстановка на территории России и сопредельных государств в 1995 г. Ежегодник под ред. К.П. Махонько. Обнинск, НПО «Тайфун», 1996.

46. Разумихин Н.В. Урбанизация и прогноз состояния водных ресурсов на будущее. // Сб. докладов XXIII Международного географического конгресса.Преобразование водного баланса под влиянием хозяйственной деятельности. — JT.: Гидрометеоиздат, 1976. с. 97 -108.

47. Рекомендации по применению интегральных показателей для оценки качества вод и загрязнения рек и водоемов. JT.: Фол. ВНИГГЛ ГГИ, 1977.-72 с.

48. Руководство по оценке влияния урбанизированных территорий на сток малых рек. Свердловск, Изд-во УралНИИВХ,, Вып. 5, 1985. -17 с.

49. Руководство по определению гидрографических характеристик картометрическим способом. Л. Гидрометеоиздат, 1986. - 92 с.

50. Семёнов В.А., «Ресурсы поверхностных вод бассейна р. Оки и оценка изменения их количества на территории Калужской области», Вопросыгеографии и геоэкологии, Выпуск 1, Калуга, 1997г, - с. 5 -19 .

51. Семёнов В.А., Гордеева Т.А., Семёнова И.В., «Климат и поверхностные воды Калужской области», Калуга, 1997г., -.50 с.

52. Семенов В.А. Родники пригородов и городов Калужской области (на примере городов Малоярославец и Калуга // Семёнов В.А., Семёнова И.В., Меленчук В.И., Ларионов Е.А. Вопросы географии и геоэкологии, Выпуск 2, Калуга, 1998г., с.4 - 18.

53. Семёнов В.А. Разработки методики и оценка гидроэкологического ^ состояния малых водных объектов на территории Калужской области. //

54. Семенов В.А., Семенова И.В., Меленчук В.И., Алейников О.И. Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук//. Выпуск 2.- Калуга: Эйдос, 2001, с.578 579.

55. Семёнов В.А., Семёнова И.В., Водные ресурсы и гидроэкология Калужской области,- Обнинск: НОП «Технограф», 2002 . 255 с.

56. Семёнов В.А., Семёнова И.В. Антропогенные и климатические • изменения гидрологического и гидрохимического режимов рек бассейна

57. Верхней Оки. М. Метеорология и гидрология, № 10, 2003. - с. 76 - 85.

58. Семенова И.В. Разработка методики определения и изучения роли продуктов активации биохимического цикла кислорода в природных водах экосистем.// Автореферат диссертации канд. биологических наук. -Калуга, 1998, 29 с.

59. Семенова И.В., Михалевская B.C. «Влияние хозяйственной деятельности и демографической нагрузки на гидроэкологическое состояние рек бассейна Угры в пределах Калужской области», Сб. Природа и история Поугорья, Калуга, 2003. С.

60. Семенова И.В. Тяжелые металлы в воде и донных отложениях малых водных объектов Калужской области./ И.В. Семенова, В.А. Семенов,

61. B.А. Сурнин, Т.Н. Моршина, В.И Меленчук, B.C. Михалевская-Целуйко, О.А. Баркова, Ю.А. Дородонова /.Сб. Вопросы географии и геоэкологии. Вып. 4 Калуга, 2004, - С. 4 -12.

62. Силин И.И. Экология и экономика природных ресурсов бассейна реки Протвы (Калужская и Московская области), Калуга, ВИЭМС, 2003г. -324 с.

63. Скакальский Б.Г. Влияние урбанизации на качество речных вод. -Труды ГГИ, 1973, Вып.206, с. 134 -144.

64. Скакальский Б.Г. Изменение качества речных вод на урбанизированной территории. Гидрологические аспекты урбанизации. Моск. Филиал ГО СССР. М., 1978, с. 71 - 78.

65. Стрельцов А.Б «Очерк Экологии города Калуги» //Стрельцов А.Б., Логинов А.А., Лыков И.Н., Коротких Н.В. // Справочно-учебное пособие. Калуга, 2000 . - 400 с.

66. СтрехаН.Л. Принципы организации сельскохозяйственного природопользования в системе «бассейн малой реки» // Тезисы доклада Всесоюзного научно-технического семинара «Охрана и рациональное использование водных ресурсов малых рек». Курск, 1989. - 120 с.

67. Устюжанин Б.С. Роль урбанизации в изменении водных ресурсов малых рек. // Использование, регулирование и охрана водных ресурсов малых рек. Красноярск, СибНИИГиМ, 1987. - С. 33 - 36.

68. Устюжанин Б.С. Влияние урбанизации на гидрологический режим и качество воды. Обзорная информация. Обнинск: 1988.-50 с.

69. Фащевский Б.В. Основы экологической гидрологии. Минск: Изд-во «Эконвест», 1996. -29 с.

70. Цанков К. Статистически модел при определяне качество на водите на р. Искер. Хидротехника и мелиорация, 1961, № 2, с. 3 7.

71. Чеботарёв А.И. «Общая гидрология» Л. : Гидрометеоиздат, 1975. 308

72. Черногаева Г.М. Влияние города на водный баланс территории. // Вопросы антропогенного изменения водных ресурсов. М.: Изд-во АН СССР, 19776.-С. 125 - 132.

73. Чернышев Е.П., Автонеев В.А., Михайлов И.В. Гидрология городов и охрана водных ресурсов. Географические исследования для целей соц. природопользования, 7-й съезд Географического общества СССР, секц. 2. Тез. докл. Л., 1980. 38 - 40 с.

74. Шерстюков Б.Г., Булыгина О.Н., Разуваев В.Н. Современное состояние климатических условий Калужской области и их возможные изменения в условиях глобального потепления. Обнинск: издательство ВНИИГМИ - МЦД, 2001. - 229 с.

75. Шикломанов И.А. Антропогенные изменения водности рек. -Л.:Гидрометеоиздат, 1979. 302 с.

76. Школьный экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие./ Под редакцией Т.А. Ашихминой., М., АГАР, 2002 , 385 с.85. «Экология и охрана природных вод». Сборник научных трудов; под редакцией Ю.А.Фёдорова, A.M. Владимирова., С-П, 2000. 231с.

77. Эннет П.О., Куслан П.Г. Определение скорости потребления кислорода в системе вода -донные отложения. Неустановившиеся процессы в системах водоснабжения и водоотведения.- Труды ЛНИИАКХ, 1973, № 96.-С. 9-13.

78. Эрнестова Л.С., Власова Г.В., Семенова И.В. Комплексные показатели экологического нормирования антропогенного воздействия наприродные водные объекты.// Метеорология и гидрология. 1990. № 9. -С. 106-116.

79. Яцык А.В. Экологические основы рационального водопользования.,

80. Киев: Издательство «Генза», 1997. 640 с.

81. Arnell V. Estimating runoff volumes from urban areas // Water Resour. Bull.1982. Vol. 18, № 3. - P.383 - 387.

82. Balint Z., Halasz B. Az urbanizacio hatasa a leelteruletek talajviz-javitasara.

83. Magyar Hidrologial Tarsag, Orszagos Vondorgyules, 1983. P. 12 - 19.

84. Bost R.S., Bedient Ph. В., Rowe P.G. Effect of urbanization on alternative flood control strategies // Water Resour Bull. 1980 // - Vol.16, N. 4. - P. 710 -716.

85. Breuer L., Huisman J.A. Uncertainty in predicting changes of water fluxes land use change. Hydrology Science and practice for the 21st century. -London. 2004. Volume 2. - P. 165 - 170.

86. Diskin M.N. Estimation of urbanization effects by a parallel cascades model // IAHS ALSH Publ. - 1980. - N 130. - P. 37 - 42.

87. Gibbins C.N. Soulsby C., Campbell L. Influence of channel hydraulics and sediment mobility on stream invertebrate drift. Hydrology Science and practice for the 21st century. - London. 2004. Volume 2. - P. 213 -217.

88. Goodson J. M., Davenport A., Gurnell A.M. and Thompson K., Hydrochory, river flow regime vegetation. . Hydrology Science and practice for the 21st century. - London. 2004. Volume 2. - P. 232 -237.

89. Hansel N., Schumann A. Berucksichtigung der Urbanisierung bei der Durchflusmodelierung im Einzugsgebiet der Chemnitz // WWT. 1982. - Jg. 32, N 6. - S. 200-203.

90. Ilogland W, Bernatsson R. Qontitative and qualitative characteristics of urban dischagre to small river basins in the south-vest of Sweden. Nordic hydrology, № 4 , 1983. P. 27 - 37

91. Lazaro T.R. Urban hydrology // Ann. Arbor Seience Publ., Jnc. Ann. Arbor, -Michigan, 1979.-249 p.

92. Melanen M. Qualiti of runoff water in urban areas. Vasientutkimuslai tok julk. 1981,№ 42. -P.123 190.

93. Mc Pherson M.B. Urban hydrology // Rev. Geophys. Spase. Phys. 1979, N 17.-P. 1289- 1297.

94. Pitts M , Field R. Water-Qualite Effects from Urban Runoff. J. Amer. Water Works Assoc. 1977, 69, № 8, P.432 - 436.

95. Tylor C.H., Roth D.M. Effects of suburban construction on runoff contributing zones in a small southern Ontario drainage basin. Hydrol. Sci. Bull., 1979, № 3, P. 289-301.

96. Vorhees M.L. Wenzel H.G. Urbun dezigh-storm sensitivity and reliability // J. Hydrol. 1984. - Vol. 68, N 1 - 4. - P. 39 - 60.

97. Urcikan P. et al. Problemy hydrologie urbanizovanych uzeini // Vodohospod. Cas. 1985. - Roc. 33 c. 4. - S. 416 - 430.

Информация о работе

Михалевская-Целуйко, Вера Сергеевна
кандидата географических наук
Калуга, 2006
ВАК 25.00.36

Диссертация

Оценка загрязнения воды рек бассейна Верхней Оки на урбанизированных территориях - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы