Геоэкологические аспекты переноса биогенных веществ трансграничными реками (на примере Калининградской области)

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК556.5(06)

Геоэкологические аспекты переноса биогенных веществ трансграничными реками (на примере Калининградской области)

С.В. Шибаев, Н.Н. Нагорнова, Т.А. Берникова, Н.А. Цупикова

Представлены материалы расчета биогенной нагрузки от рек Калининградской области, в том числе малых, на Балтийское море, показан объем переноса биогенов речным стоком с территорий сопредельных государств.

Ключевые слова: биогенная нагрузка, геоэкология, трансграничные водотоки, экологический мониторинг

geoecologic aspects of nutrients transport with transboundary rivers (by the example of the Kaliningrad Region)

S. Shibaev, N. Nagornova, T. Bernikova, N. Tsoupikova

The article presents calculation results of the nutrient load from the rivers of the Kaliningrad Region (including small ones) on the Baltic Sea, and it also shows volume of nutrients transport with the river flow from the territory of the neighboring states.

nutrient load, geoecology, international (transboudary) watercourses, environmental monitoring

Введение

Калининградская область - эксклавный, самый западный регион России, полностью отделенный от основной части Российской Федерации территориями республик Латвии, Литвы и Беларуси. Область расположена на западной окраине Русской равнины. Рельеф имеет в целом равнинный характер с преобладающими абсолютными отметками 20-50 м. Северо-восточная часть области (Нижненеманская и Полесская низменности) лежит ниже уровня моря, а незначительный перепад высот способствует формированию малых уклонов поверхности водосборов. Эти особенности создают специфические условия формирования выноса загрязнений с территории: большинство рек находятся в подпоре от принимающих водоемов, что увеличивает «удержание» загрязняющих веществ в пределах водосбора и делает зависимыми скорости и направления течения водотоков (а в конечном итоге и объем выноса загрязнений) от сгонно-нагонных ветров. Все водотоки на юге, юго-востоке и востоке области являются трансграничными (таблица).

Таблица. Трансграничные реки Калининградской области

Table. Transboundary rivers of the Kaliningrad Region

Одной из важнейших экологических проблем Балтийского моря является его эвтрофирование, которому способствует избыточное поступление с водосборной территории биогенных веществ, в первую очередь соединений азота и фосфора. В связи с этим сейчас большое внимание уделяется вопросам оценки поступления биогенных и органических веществ с речным стоком в Балтийское море и его заливы. В настоящее время периодический систематизированный обмен результатами экологического мониторинга трансграничных водных объектов между странами-соседями достаточно ограничен, поэтому особенный интерес вызывает соотношение данных по качеству воды между приграничными и замыкающими створами трансграничных рек. Качество водного объекта и его трофический статус в большей степени определяются динамикой поступления и расходования биогенных веществ.

Материал и методика

Объем поступления биогенных веществ в принимающий водоем с речным стоком и переноса через контрольный створ можно оценить по величине биогенной нагрузки. Нагрузка на водный объект - количество вещества, поступившего в водоем за рассматриваемый интервал времени, пересчитанное на единицу площади акватории или объем водной массы [1]. Нагрузка - постоянно действующий фактор, определяющий качество воды в водоеме, влияющий на химический состав донных отложений и гидробиологические процессы.

В настоящее время можно выделить два подхода в определении биогенной нагрузки на водные объекты. Согласно подходу, рассмотренному в работах С.В. Александрова с соавторами [2] и А.С. Кондратьева с соавторами [1], определяется внешняя нагрузка на водный объект с водосбора, которая складывается из двух составляющих - нагрузки от точечных источников и диффузного стока, т.е. рассредоточенной нагрузки, и рассчитываются коэффициенты удержания биогенных веществ на поверхности водосбора. Кроме того, выделяется биогенный сток естественного и антропогенного происхождения. Такая модель сводится к количественной оценке внешней нагрузки на водоток со стороны водосборной площади, что в конечном итоге формирует вынос биогенных и органических веществ речным стоком в море. Необходимое условие практического применения этого метода для реальных объектов - наличие информации об основных источниках нагрузки на рассматриваемые водосборы. Для бассейнов малых рек, в пределах которых в основном располагаются источники диффузного стока, точечные источники представлены в меньшей степени, а информации о них мало или нет вообще, применение такой методики малоэффективно, поскольку ведет к упрощению исходных значений и недостоверности конечных результатов. Кроме того, малые реки относятся к водотокам 4-й категории по классификации Роскомгидромета. Это означает, что наблюдения на них осуществляются в определенные фазы гидрологического режима, не чаще 10-15 проб в год [3]. По большинству малых рек данные постоянных наблюдений вовсе отсутствуют.

Альтернативным способом оценки биогенной нагрузки со стороны водотока на принимающий водоем является подход, рассмотренный в работах (Т.А. Берниковой и соавторов, С.В. Кондратенко и соавторов) [4-6], предполагающий расчет переноса биогенных и органических веществ через замыкающий створ водотока, расположенный максимально близко к устью и контролирующий поток биогенов с водосборной площади. В этом случае полученная биогенная нагрузка будет составлять сумму естественной и антропогенной составляющих. Количество же удержанных на поверхности водосбора биогенов возможно оценить лишь приблизительно по качеству воды в створах выше и ниже основных точечных и рассредоточенных источников биогенного стока. Учитывая, что ненарушенных антропогенной деятельностью территорий на поверхности водосбора малых водотоков Калининградской области практически не осталось [7], естественная составляющая биогенного стока будет чрезвычайно мала, а основная нагрузка сложится за счет действия антропогенных факторов. Таким образом, вынос биогенных веществ с речным стоком условно можно принять как сформированный антропогенной составляющей.

Для трансграничных водотоков одной из актуальных проблем является учет загрязнений, поступающих с территорий сопредельных государств, и определение доли трансграничного стока в общем выносе загрязнений реками. Важность проблемы усиливается тем, что учету переноса биогенных веществ речным стоком с территорий сопредельных государств уделено в настоящее время недостаточно внимания. В первую очередь это связано с отсутствием методик такого расчета. Оценить фактическую биогенную нагрузку от стока рек с приграничных районов можно определив перенос биогенных веществ через створ, максимально приближенный к границе. В этом случае мы получим объем веществ, поступающих на территорию области с территорий государств-соседей. При сравнении данных с объемом биогенных веществ, переносимых через замыкающий створ, возможно представить приблизительный порядок величины трансграничного стока в общем выносе биогенов.

Нагрузка на принимающие водоемы и перенос биогенов через приграничный створ в соответствии с рекомендациями ХЕЛКОМ [8] рассчитывается по следующей формуле:

,

где Сai - среднеарифметическая концентрация вещества в последовательных пробах; Wai - объем стока за период между отбором проб; n - число измерений.

Для представления баланса нагрузки между сопредельными государствами в общем выносе биогенов речным стоком с территории области сотрудниками кафедры ихтиологии и экологии ФГОУ ВПО «КГТУ» ведутся гидрологические наблюдения в замыкающих и приграничных створах рек (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения станций комплексного экологического мониторинга водотоков, проводимого сотрудниками кафедры ихтиологии и экологии ФГОУ ВПО «КГТУ»

Fig. 1. Location of stations for integrated environmental monitoring of watercourse conducted by the staff of the Ichthyology and Ecology Department of Kaliningrad State Technical University (FGOU VPO «KGTU»)

Результаты и обсуждение

Общая биогенная нагрузка от водотоков, дренирующих территорию Калининградской области, на Балтийское море характеризуется следующим образом. Максимальная нагрузка отмечена от р. Немана и Преголи. Малые водотоки области - незначительные источники стока биогенов (рис. 2).

Анализ полученных ранее [4, 5] результатов показал, что нагрузка от каждой из рек, за редким исключением, прямо пропорциональна размерам речного бассейна и суммарному среднему расходу воды. Нагрузка от водотока пропорциональна водности и может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от фазы водного режима. Следовательно, одним из критериев степени загрязненности речной экосистемы (независимо от характера водопользования и различных в связи с этим величин ПДК) может быть тот предел, выше которого нагрузка от реки перестает быть пропорциональной площади ее водосбора, т. е. река практически теряет способность к самоочищению.

Рис. 2. Вклад рек Калининградской области в поступление биогенных веществ в Балтийское море

(А - азота минерального, Б - фосфора фосфатов, В - железа общего)

Fig. 2. Contribution of rivers of the Kaliningrad Region in nutrients input to the Baltic Sea (А - mineral nitrogen, Б - phosphate phosphorus, В - total iron)

Оценка переноса биогенов через приграничные створы (рис. 3, 4) показала следующее. Самая высокая нагрузка отмечена у рек, характеризующихся максимальной водностью, - р. Анграпа, Красная, Черная. В целом нагрузка возрастает в соответствии с увеличением расходов воды и площадью водосборов.

В переносе азота нитритов, нитратов и фосфора большая доля принадлежит р. Стоговке, Путиловке и Бонувке. Несмотря на незначительные расходы этих рек (0,5-1,5 м3/с), вынос биогенных веществ на территорию области достаточно велик.

Рис. 3. Вынос азота аммонийного и азота нитратного трансграничными реками с территорий сопредельных государств в 2010 г. (без учета осенних паводков), т

Fig. 3. Ammonium nitrogen and nitrаte nitrogen removal with the transboundary rivers from the territory of the neighboring states in 2010 (without considering autumn floods), t

Рис. 4. Вынос азота нитритного и фосфора фосфатов трансграничными реками с территорий сопредельных государств в 2010 г. (без учета осенних паводков), т

Fig. 4. Nitrite nitrogen and phosphate phosphorus removal with the transboundary rivers from the territory of the neighboring states in 2010 (without considering autumn floods), t

Перенос биогенных веществ крупными реками представлен на рис. 5. С территории Литвы со стоком р. Неман и Шешупе больше всего поступает азота аммонийного и нитратного. Неман выносит значительное количество минерального фосфора и общего железа.

Таким образом, основную биогенную нагрузку на территорию области оказывают реки, текущие с территории Литвы (за счет стока р. Неман). Биогенный сток с территории Польши формируют р. Анграпа и Лава (вместе с их притоками), несущие свои воды в р. Преголю, а также р. Прохладная и Мамоновка, впадающие в Калининградский залив.

Рис. 5. Вынос биогенных веществ р. Неман и Шешупе с территорий сопредельных государств в 2010 г. (без учета осенних паводков), т

Fig. 5. Nutrients removal with the Neman river and the Sheshupe river from the territory of the neighboring states in 2010 (without considering autumn floods), t

По соотношению между величинами нагрузки в приграничных и замыкающих створах трансграничных водотоков был рассчитан баланс между поступлением биогенных веществ с сопредельных государств и выносом с территории области (рис. 6).

Рис. 6. Вклад сопредельных государств в общий вынос биогенных веществ трансграничными реками Калининградской области, 2010 г.

Fig. 6. Contribution of the neighboring states in total nutrients discharge with the transboundary rivers of the Kaliningrad Region, 2010

Доля биогенного стока, поступившего с территорий сопредельных государств, в трансграничных водотоках колеблется в пределах от 10 до 80 % и более (рис. 6) от общего стока. Максимальную нагрузку со стороны стран-соседей испытывает р. Мамоновка, большая часть бассейна которой находится на территории Польши, а основной объем загрязнений поступает со стоком р. Бонувка и Неман. При этом объем азота нитритов, фосфора минерального и железа общего, выносимый в Куршский залив р. Неманом, мало отличается от объема, поступившего с сопредельных территорий. Этот факт позволяет утверждать, что сток биогенных веществ с территории области невелик. Малый сток биогенов с поверхности водосбора на территории области может быть объяснен как спадом производства, вызванным экономическим кризисом 2008 года, так и тем фактом, что большинство притоков р. Немана - правые, дренируют литовскую часть водосбора и несут загрязнения с территории Литвы. С территории Калининградской области в р. Неман впадает лишь р. Тыльжа, собирающая загрязнения в г. Советске.

Стоит отметить, что нагрузка от водотока на принимающий водоем - достаточно динамичный показатель, который формируется за счет комплекса природных и антропогенных факторов. Баланс между поступлением биогенных веществ с сопредельных государств и выносом с территории области определяют две составляющие. Во-первых, антропогенный фактор, интенсивность действия которого можно оценить по точечным и диффузным источникам биогенного стока. Во-вторых, природные особенности и структура водосбора в точке наблюдения, которые косвенно влияют на гидрометрические характеристики (расход воды и объем стока). Так, в районе приграничного створа (п. Неманское) р. Неман дренирует ландшафты возвышенных моренных равнин, а замыкающий створ (п. Ясное) расположен в пределах дельты, к которой приурочены дельтовые ландшафты. Многие участки дельты лежат ниже уровня моря, сильно заболочены, рельеф плоский, практически вся территория изрезана мелиоративными каналами. Незначительные перепады высот снижают скорость течения, кроме того, сказывается подпор со стороны Куршского залива - расход воды у п. Ясное меньше, чем в приграничном створе (438 и 550 м3/с соответственно). Аналогичные особенности отмечены в створах малых рек, текущих с территории Польши - приграничные створы расположены в пределах ландшафтов конечно-моренных гряд и плато или возвышенных моренных равнин (малые реки бассейна р. Лавы, Анграпы, Мамоновки, Прохладной), а замыкающие - в пределах озерно-ледниковых равнин (р. Прохладная) или в пределах приустьевых песчаных низменностей (р. Мамоновка). С учетом природных особенностей можно заключить, что на территории Калининградской области значительная часть биогенов удерживается главным образом за счет подпора со стороны принимающего водоема, высокой степени заболоченности бассейнов, равнинного рельефа, уменьшающего гидрометрические характеристики водотока и снижающего тем самым скорость и объем переноса биогенных веществ.

Косвенно оценить степень трансграничного загрязнения можно по качеству воды в приграничных и замыкающих створах. Естественно, что при движении от границы до места впадения водоток получает определенное количество загрязнений от населенных пунктов, расположенных на его берегах, качество воды может ухудшаться за счет поверхностного стока с территорий фермерских хозяйств, пастбищ, полей, на всем протяжении реки существуют участки, где она получает основной объем загрязнений и где происходит самоочищение воды [4, 5]. Однако ключевым будет качество воды именно в замыкающем створе - ведь именно с таким качеством речная вода поступает в принимающий водоем.

Ранее было показано [9], что в приграничных районах качество воды рек значительно хуже, чем в устье. Так, в створах, максимально приближенных к границе, концентрации азота нитритов, нитратов, фосфора фосфатов, органических веществ существенно выше, чем в приустьевых частях. Исследования, проведенные в 2010 году, подтвердили отмеченные ранее закономерности. Наиболее неблагоприятные условия отмечены в приграничных частях р. Шешупе, Немана, Мамоновки, Стоговки, Путиловки.

биогенный нагрузка балтийский сток

заключение

Представленные фактические материалы по выносу биогенных веществ с территорий сопредельных государств речным стоком позволяют заключить, что государства-соседи могут рассматриваться как достаточно мощные поставщики биогенных веществ. В связи с этим необходим контроль качества воды, поступающей на территорию области. Рекомендуется приграничные створы рек, в том числе малых, включить в общую систему экологического мониторинга.

Список использованных литературных источников

1. Моделирование абиотических процессов в системе водосбор-водоем (на примере Чудско-Псковского озера) / С.А. Кондратьев, С.Д. Голосов, И.С. Зверев, В.А. Рябченко, А.Ю. Дворников. - СПб.: Нестор-История, 2010. - 104 с.

2. Александров С.В., Горбунова Ю.А. Биогенная нагрузка на Вислинский залив со стоком реки Преголя // Вода: химия и экология. -2010. -№ 1. -С. 4-8.

3. Коваленко С.Н. Математическое моделирование биогенного загрязнения малых водотоков северо-западной зоны РФ //Экология и промышленность России (январь).- 2010. -С. 32-35.

4. Bernikova T., Malyavkina A., Nagornova N. Discharge of organic and boigenic substances from small rivers of Kaliningrad Region in the Baltic Sea // Proceedings, 6th International Conference. - Kalmar. 2007. - Part II. - P. 569-573.

5. Берникова Т.А., Андриенко М.Н., Шибаева М.В., Шкицкий В.А. и др. Изучение нагрузки на Балтийское море, Вислинский (Калининградский) и Куршский заливы от малых рек Калининградской области //История океанографии: 17-й Международный конгресс по истории океанографии: материалы. - Калининград: Изд-во КГУ, 2004.- Ч.2.- С.396-401.

6. Кондратенко С.В., Поцелуева Д.В. Оценка переноса биогенных элементов речным стоком некоторых водотоков Калининградской области // День Балтийского моря: X Международный экологический форум: сборник материалов.- СПб., 2009.- С. 218-220.

7. Схема охраны природы в Калининградской области / под ред. Ю.А. Цыбина.- Калининград: TENAX MEDIA, 2004. -136 c.

8. Сборник рекомендаций Хельсинской комиссии: справочно-методическое пособие. -СПб., 2008. -331 с.

9. Фондовые материалы кафедры ихтиологии и экологии.

Размещено на Allbest.ru