Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Озерные геосистемы восточного склона Южного Урала и их изменение в зоне техногенного воздействия

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Дерягин, Владимир Владиславович, Пермь

На правах рукописи

Дерягин Владимир Владиславович

ОЗЕРНЫЕ ГЕОСИСТЕМЫ ВОСТОЧНОГО СКЛОНА ЮЖНОГО УРАЛА И ИХ ИЗМЕНЕНИЕ В ЗОНЕ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

11.00.07. Гидрология суши, водные ресурсы и гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научные руководители: -доктор географических наук, профессор М.А.Андреева -доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института озероведения РАН В.И.Хомутова

Пермь 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................3

Глава 1. Физико-географический очерк Южного Урала

и района исследования............................................9

1.1 Физико-географическое положение.............................................9

1.2 Тектоника, геология и рельеф...................................................11

1.3 Климатические особенности Южного Урала

и района исследования...........................................................13

1.4 Гидрография и гидрология...................... ................................17

1.5 Ландшафтные особенности района исследования.........................22

1.6 Общая характеристика антропогенного изменения ландшафтов......24

Глава 2. Происхождение и развитие озерных геосистем

в поздне-послеледниковое время..........................33

2.1 Методы палеогеографической реконструкции озерных геосистем.....34

2.2 Изученность исследуемой территории палеогеографическими методами..............................................40

2.3 Развитие озерной геосистемы Серебры в голоцене.......................43

3.7 Развитие озерных геосистем района исследования в голоцене.......51

2.5 Происхождение озерных геосистем..........................................64

Глава 3. Современное состояние озерных геосистем

восточного склона Южного Урала и их изменение

в зоне техногенного воздействия...........................67

3.1. Степень изученности озер......................................................67

3.2 Структура антропогенного воздействия на изучаемый район............70

3.3 Особенности природных ландшафтов

водосборных бассейнов исследуемых озер................................71

3.4 Гидрологические и морфометрические показатели озер.................81

3.5 Гидрохимическая характеристика озер......................................98

3.6 Гидробиологическая характеристика озер.................................104

3.7 Особенности естественных седиментационных процессов на водосборных бассейнах и в изучаемых озерных геосистемах..........115

Заключение.....................................................................143

Литература......................................................................146

Приложения....................................................................158

Введение

Представление о единстве озера и его водосбора в настоящее время получило всеобщее признание. Водоем с водосборной площадью образуют устойчивый природный комплекс - озерную геосистему, в пределах которой происходит закономерный обмен веществом и энергией, определяющий ее единство.

С момента своего возникновения озеро развивается под влиянием взаимодействующих компонентов окружающей среды, наиболее существенными среди которых являются природные условия водосбора. В настоящее время многие водоемы испытывают влияние хозяйственной деятельности. Часто оно опосредованное и не бывает ярко выражено. Кроме того, внутриводоемные процессы обладают некоторой автономностью, поэтому связи в системе "техногенное воздействие - водосбор - озеро" прослеживаются лишь при проведении исследований специальной направленности. Изучение указанных связей имеет большое практическое значение: на этой основе возможен прогноз состояния озера при интенсивном антропогенном преобразовании его водосбора.

Внутренние процессы, происходящие в водоеме, определяются тремя факторами: поступлением органического вещества извне, его образованием в водной массе и последующей деструкцией [Драбкова В.Г., Форш Л.Ф.,1975]. Природные условия водосбора влияют на них через гидролого-климатические факторы. Интегральным выражением взаимовлияния лимнических и водосборных процессов является формирование донных отложений. Донные озерные отложения - "зеркало озерной геосистемы"- отражают спектр природно-климатических обстановок на всем протяжении ее эволюции. Изучение строения и вещественного состава донных осадков - одно из важных звеньев лимнологических исследований, позволяющее реконструировать основные этапы развития водоемов и их водосборов, судить о скорости и направленности происходящих в них изменений.

Исследования крупных озер восточного склона Южного Урала проводились Лабораторией озероведения Института географии РАН (Л.Л.Россолимо и др.- 1960-е годы), ЧГПИ (М.А.Андреева - 1960-70-е годы), Институтом Озероведения РАН (В.Г.Драбкова и др. - 1970-е годы), однако в полной мере проследить указанные взаимосвязи не удалось в связи с трудоемкостью работ и несовершенством методик.

Цель данного исследования - на основе сопряженного анализа палеогеографических и современных характеристик озерных геосистем выявить роль антропогенного фактора в их развитии.

Объектом исследования явилось взаимодействие природно-климатических и антропогенных факторов в зоне экологического бедствия, изменение под их воздействием донных отложений и лимнологических характеристик в сравнении с близлежащими озерами восточного склона Южного Урала (Увильды, Б.Кисегач, Аргаяш Аргаяшского района). Предметом исследования выбраны озера района г.Карабаша, геосистема оз.Серебры.

В соответствии с целью, определены задачи работы: 1.Восстановить динамику развития озерных геосистем в окрестностях Карабаша за поздне-послеледниковый период по вещественному составу донных отложений. 2.Провести палеогеографическую реконструкцию событий за этот период на изучаемой территории и прилегающих районах Южного Урала. 3.Выявить современные физико-географические и лимнологические особенности геосистем в исследуемом районе. 4.Оценить роль локальных природных и антропогенных факторов в формировании геосистем "водосбор - озеро" окрестностей г.Карабаша.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Общая оценка доли существующего антропогенного изменения геосистем и прогноз дальнейшего развития возможны на основе сопряженного анализа их палеогеографических и современных характеристик.

2.Методический подход к оценке техногенных изменений озерных геосистем, заключающийся в комплексном исследовании современного состояния и палеолимнологических данных (на примере оз.Серебры), позволяет установить степень изменения конкретных компонентов.

3 .Концентрации тяжелых металлов по разрезам отражают динамику геохимических миграций элементов на водосборах под влиянием природно-климатических факторов. Причиной превышения концентрации тяжелых металлов в наилке озер является техногенное воздействие КМК. 4.Ретроспективный анализ, основанный на палеогеографических методах исследований совместно с учетом последствия современных техногенных воздействий, повышает объективность оценки современного состояния озерных геосистем, позволяет прогнозировать направление их эволюции и разрабатывать природоохранные мероприятия.

Научная новизна работы. В связи с малой изученностью озер зоны экологического бедствия работа в основном базируется на результатах их изучения автором в процессе полевых исследований 1995-1998 гг. На основании комплексных палеогеографических исследований с применением палинологического анализа донных отложений выявлена динамика увлажнения в многовековом аспекте, позволяющая оценить формирование водной массы озер изучаемой территории. Прослежены особенности эволюции малой ОГС (Серебры, г.Карабаш), расположенной в предгорной полосе Южного Урала, на протяжении поздне-послеледниковья. В результате реконструированы этапы развития этой геосистемы за период 12 тыс. лет. Установлено, что не только крупные, но и малые озера восточного склона Южного Урала существовали уже в среднем дриасе (БК2) - около 12,5 тыс. лет назад. По результатам изучения ОГС (Серебры, Увильды, Б.Кисегач, Аргаяш) выявлена последовательность палеогеографических событий на восточном склоне Южного Урала, которая выражается в закономерной смене ландшафтов этой территории. В результате реконструирования палеоландшафтов территории

северной части восточного склона Южного Урала прослежено субмеридиональное простирание природных зон с бореального времени голоцена (ВО, 9,5 тыс.лет назад) на территории южнотаежной горной, переходной предгорной и северной лесостепной зон, что указывает на соответствующее простирание изогиет.

Составлены карты донных осадков. Выявлена динамика содержания ТМ по разрезам отложений озер в зоне техногенного влияния. Установлены индикаторы техногенного загрязнения по соединениям ТМ. Намечены связи термического, воднобалансового и кислородного режима с характером миграции в воду ТМ. Прослежены изменения диатомовых комплексов в поверхностных донных отложениях озер в зависимости от степени их загрязнения.

Предложена методика комплексных лимнологических исследований для выявления роли антропогенного фактора в развитии ОГС с учетом данных ретроспективного палеогеографического анализа.

Практическая значимость. Выполненная научно-исследовательская работа может служить основой для разработки программы стабилизации и улучшения экологического состояния озерных геосистем в зонах с интенсивным антропогенным воздействием. В результате проведенных исследований разработаны конкретные рекомендации по снижению экологической опасности вторичного загрязнения тяжелыми металлами водной массы оз.Серебры за счет донных отложений. Практические рекомендации приняты Комитетом по экологии г.Карабаша для планирования первоочередных мер по охране природы и рациональному природопользованию на административной территории этого города.

Методы исследования. В работе использован комплекс лимнологических (батиметрическая съемка, количественное и качественное изучение водного, температурного, волнового, гидродинамического, гидрохимического режимов и абразионно-аккумулятивных процессов) и палеолимнологических методов.

Палеолимнологичеекие методы включают анализ данных гранулометрии, спорово-пыльцевых диаграмм, палеогеографические реконструкции, построение ландшафтных карт палеогеографической обстановки. В качестве методов, позволяющих получать данные о современном состоянии объектов, применялись метеонаблюдения, ледовые и ландшафтно-маршрутные снегомерные съемки, ландшафтное картографирование и профилирование территории; геолого-геоморфологический анализ, в том числе бурение донных отложений озер и отбор проб на разные виды анализа.

Характеристика исходных материалов. В период исследований автором проведены:

-буссольная съемка озер и более 300 промеров глубин;

-гидродинамические исследования (с помощью 12-ти глубинных поплавков и волномерных вех проведены 11 серий наблюдений);

-исследования термического (ежедекадные наблюдения в 1996 г. и ежемесячные - в 1995 и 1997г.) и кислородного (проведен 31 анализ воды по методу Винклера) режимов;

-гидробиологические исследования, включающие оценку площади зарастания и весовое определение продуктивности растительных формаций (23 пробы).

В процессе полевых исследований отобрано и описано 468 образцов донных отложений озер, из них для 397 проведены различные виды аналитической обработки. Палинологический, диатомовый и гранулометрический анализы донных отложений выполнены при участии автора в Институте озероведения РАН (г.С.-Петербург), геохимические анализы воды и донных отложений проведены в Институте минералогии УрО РАН. Общая характеристика лимнических геосистем дана с учетом фондовых материалов Бюро Расчетов и Справок УрУГКС г.Екатеринбурга, Челябинского областного Центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, ГСЭН, Комитетов по экологии и природопользованию г.Челябинска и г.Карабаша.

Апробация работы и публикации. Результаты проведенных исследований были обсуждены на заседаниях кафедры физической географии ЧГПУ, доложены на региональной научно-практической конференции, посвященной 150-летию РГО (Челябинск, 1995 г.), межвузовских конференциях по итогам научно-методической деятельности профессорско-преподавательского состава (Челябинск, 1996-1998 гг.), на Ученом Совете Института озероведения РАН г.Санкт-Петербурга (апрель, 1999). По результатам исследований опубликовано 6 работ.

Структура работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (151 наименование, из них 12 иностранных) и приложения. Объем работы составляет 157 страниц, в том числе 16 таблиц, 32 рисунка. В приложении содержится 18 таблиц и 9 рисунков.

Автор благодарит ректора ЧГПУ, профессора А.Ф. Аменда за финансовую поддержку исследований. Особую признательность автор выражает научным руководителям темы, доктору географических наук, профессору М.А.Андреевой и доктору географических наук, ведущему научному сотруднику Института озероведения РАН В.И.Хомутовой за общее руководство работой.

Автор благодарен главному инженеру Кыштымского радиозавода

A.А.Шишкину за помощь в изготовлении приборов, сотрудникам лаборатории геоэкологии Института минералогии УрО РАН и ее руководителю

B.Н.Удачину за проведенные исследования по тяжелым металлам, М.Я.Пушенко за диатомовый анализ донных отложений озер, заведующему отделом гидрологии Челябинского центра гидрометеорологии В.И.Афонину за консультации и значительную помощь в обеспечении приборами для гидрологических работ, сотрудникам Гидрометфонда УрУГКС г.Екатеринбурга, предоставившим возможность ознакомиться с фондовыми материалами.

Глава 1. Физико-географический очерк Южного Урала

и района исследования

1.1 Физико-географическое положение

Горы Южного Урала входят в состав Урало-Новоземельской складчатой системы, которая протянулась почти меридионально по 60° в.д. от берегов Северного Ледовитого океана до арало-каспийских пустынь. Южный Урал расположен на юге Уральской горной страны. К нему относится территория от 55° 54' с.ш. (низовья р.Уфалей - граница со Средним Уралом) до 51 с.ш. (широтное течение р.Урал - граница с Мугоджарами). Это самая широкая область всего Урала, ее протяженность с запада на восток с предгорьями составляет около 350 км [Урал..., 1968]. Западной границей Южного Урала обычно считают меридиональное течение р.Белой (56°30" в.д.), где к нему примыкает Восточно-Европейская равнина. На востоке по Челябинскому грабену (62° в.д.) район граничит с Западно-Сибирской равниной [А.М.Оленев, 1965].

Существенной чертой географического положения Южного Урала является наличие водораздельной границы между Европейской и Азиатской частями материка. Водоемы западного склона Южного Урала принадлежат бассейну Каспийского моря, восточного склона - бассейну Северного Ледовитого океана. Значительное влияние на природу Южного Урала оказывает проходящий здесь климатораздел между умеренно-континентальной и континентальной климатическими областями Евразии.

Рассматриваемые в работе озерные геосистемы находятся в северной части восточного склона Южного Урала на территории, ограниченной с севера 55°35"с.ш., с юга 55°с.ш., с запада 60°05лв.д., с востока 61°в.д. (рис.1.1). Почти вся она, за исключением бассейна р.Уфы, относится к "азиатскому" бассейну Северного Ледовитого океана. Центр исследуемой зоны техногенного влияния (г.Карабаш Челябинской области) имеет координаты 55°28лс.ш., 60°12лв.д. Для рассматриваемой территории характерна смена горно-лесных высотных

поясов, к востоку от 60°ЗСГв.д. равнинной лесостепной растительностью. Зона техногенного загрязнения расположена у границы горных лесов с равнинными лесостепями. Входящие в эту зону озера (Уфимское, Серебры, Алабуга ) лежат недалеко от водораздела Европа-Азия, у северной границы восточного склона Южного Урала со Средним на разных высотах (табл.1.1). Оз.Уфимское расположено в 6 км к северо-западу от северной окраины г.Карабаша, оз.Серебры в 1 км к северо-западу от северной окраины города, оз.Алабуга в 8 км северо-востоку от северной окраины города [Топографическая карта, 1987].

Таблица 1.1

Особенности физико-географического положения рассмотренных в работе озер Южного Урала_

озеро бассейн Координаты широта долгота абсолют высота озерная система

Уфимское р.Уфа (р.Волга) 55°31 10" 60°07 15" 472 -

Серебры р.Миасс (р.Обь) 55°30 50" 60°11 40" 374 р.Сак-Елга

Алабуга р.Теча(р.Обь) 55°32 10" 60°21 45" 308 оз.Увильды

Увильды р.Теча(р.Обь) 55° 32 62° 22 272 оз.Увильды

Аргаяш бессточное 55°24 54" 60°53 36" 243 -

Б.Кисегач р.Миасс (р.Обь) 55°02 30" 60° 23 317 Кисегач-Миассовская

Упоминающиеся в работе озера, палеолимнологические данные по которым использованы для палеогеографических реконструкций, расположены севернее (оз.М.Каган), восточнее (оз.Увильды, оз.Аргаяш Аргаяшского района), и южнее (оз.Б.Кисегач) зоны техногенного воздействия. Хотя эти озера расположены недалеко друг от друга, они находятся в разных природных зонах, и�