Формирование гидрохимических показателей поверхностных вод малых степных антропогенно нагруженных рек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование гидрохимических показателей поверхностных вод малых степных антропогенно нагруженных рек

С. Я. Семененко1, Н. В. Морозова2,

С. С. Марченко3,

Formation of hydrochemical indicators of surface waters of small steppe anthropogenically loaded rivers

S. Ya. Semenenko¹, N.V. Morozova², S. S. Marchenko³

Abstract экологический река царица гидрохимический

Introduction

Pollution of a natural and man-made nature, which is increasing significantly at the present time, most sensitively affects the ecological state of small steppe rivers passing through settlements. To study their possible use for recreational purposes, irrigation purposes and to determine the impact on the quality of the Volga River waters, it is necessary to monitor the sources of diffuse and concentrated runoff, the dynamics of surface water pollutants and bottom sediments. Object. The object of the study is the quality of the emerging surface runoff and bottom sediments, the volume and structure of spontaneous landfills of solid household and construction waste located in the floodplain of the Tsaritsa River. To identify the updated ecological state of the water protection and protective coastal territories of the Tsaritsa River in the zone of anthropogenic impact in Volgograd with the determination of hydrochemical indicators of water and bottom sediments, the volumes of landfills of construction debris and solid household waste, as well as to recommend rehabilitation measures. Materials and methods. The work used a general scientific methodology with methods of empirical (observation, description, comparison, measurement) and theoretical (analysis and synthesis) levels based on the results of field surveys and direct field measurements. Results and conclusions. Sources of pollution in the form of storm sewers, surface runoff from industrial enterprises, landfills of production and consumption waste have been identified in the catchment area, the chemistry of water and bottom sediments has been determined. During the route survey, various culvert hydraulic structures, dams, transitional bridges (including spontaneous ones), sewer collectors were noted and their operability was studied. The need for the organization of sanitary and environmental monitoring to assess the spatial and temporal variability of the amount of pollutants, the concentration of chemicals in the runoff and water body and to make a decision on the need for technical and biological reclamation of the Tsaritsa river has been determined. Recommendations on the use of bottom sediments depending on the chemical composition are given and measures for ecological reclamation of a water body are proposed.

Keywords: Small rivers, pollution of reservoirs, bottom sediments, environmental monitoring, floodplain rehabilitation.

Актуальность. Загрязнения природного и техногенного характера, в значительной степени увеличивающиеся в настоящее время, наиболее чувствительно отражаются на экологическом состоянии малых степных рек, проходящих через населённые пункты. Для изучения возможности их использования в рекреационных целях, целях орошения и определениях влияния на качество вод р. Волга необходимо проведение мониторинга источников диффузного и сосредоточенного стоков, динамики загрязнителей поверхностных вод и донных отложений. Объект. Объектом исследования является качество формирующегося поверхностного стока и донных отложений, объёмы и структура стихийных свалок твёрдых бытовых и строительных отходов, располагающихся в пойме р. Царица. Цель. Выявить актуализированное экологическое состояние водоохранной и защитной прибрежной территорий р. Царица в зоне воздействия антропогенной нагрузки г. Волгограда с определением гидрохимических показателей воды и донных отложений, объёмов свалок строительного мусора и твёрдых бытовых отходов, а также рекомендовать реабилитационные мероприятия. Материалы и методы. В работе использовалась общенаучная методология с методами эмпирического (наблюдение, описание, сравнение, измерение) и теоретического (анализ и синтез) уровней, основанных на результатах натурных обследований и непосредственных полевых измерений. Результаты и выводы. На территории водосбора определены источники загрязнений в виде ливневой канализации, поверхностного стока с территорий промышленных предприятий, свалок отходов производства и потребления, определён химизм воды и донных отложений. При маршрутном обследовании отмечены различные водопропускные гидротехнические сооружения, дамбы, переходные мостики (в т. ч. стихийные), канализационные коллекторы и изучена их работоспособность. Определена потребность в организации санитарно-экологического мониторинга для оценки пространственно-временной изменчивости количества поступления загрязняющих веществ, концентрации химических веществ в стоке и водном объекте и принятия решения о необходимости проведения технической и биологической мелиорации р. Царица. Даны рекомендации по использованию донных отложений в зависимости от химического состава и предложены мероприятия по экологической мелиорации водного объекта.

Введение

Водные объекты аридных территорий, особенно малые реки, отличаются быстрой реакцией на негативное экологическое воздействие, характеризующееся ухудшением качественных показателей воды и донных отложений [1, 4]. ecological tsaritsa river hydrochemical

Эта особенность основана на малых расходных характеристиках не только в меженный период, но и в период половодья, что препятствует образованию промывного режима. Такие реки, как правило, не имеют в своём русле естественных водохранилищ, выполняющих функции суточного или сезонного регулирования, а также функции отстойника для механического разделения загрязнённой воды, и не обладают способностью самоочищения. В летний период они не имеют постоянного водотока.

В качестве водоисточника для питьевого и хозяйственно-бытового назначения не используются, но используются для рекреационного водопользования, и в связи с этим к ним предъявляются соответствующие нормативные требования, особенно если они протекают в черте населённых мест [5, 6].

Восстановление нормального функционирования основных звеньев экологических систем водного объекта возможно при помощи экологической реабилитации водного объекта, направленной в первую очередь на оптимизацию его гидрологического режима.

Увеличение численности городского населения характерно для всех стран мира, однако в Российской Федерации за последние 50 лет интенсивность данного процесса на 19-33 % выше, чем в западных странах. Увеличение распаханности водосборных территорий и числа животноводческих комплексов, расширение населённых пунктов с ростом их численности, инфраструктуры и транспорта приводят к увеличению антропогенной нагрузки на водные объекты данных территорий через загрязнённый диффузный сток, а твердые частицы пыли, различные газы, содержащиеся в загрязнённой атмосфере, поставляют в водоток химические примеси неорганического и органического характера [9-11, 13].

Соединения тяжёлых металлов, с их способностью к биоаккумуляции даже в относительно низких концентрациях, приводят к ухудшению химических, физических и механических свойств воды и донных отложений. Наличие на водоохранной и защитной прибрежной территории стихийных свалок усиливает приток химических примесей через свалочный фильтрат в водоём и их накопление в донных отложениях [8, 14-16].

Суммарное воздействие негативных факторов загрязнений техногенного и природного характера является особенностью современного антропогенного времени, при этом значимость первой составляющей многократно превышает уровень второй, поступающий из природных ландшафтов соизмеримой территории [7, 12].

Материалы и методы

В работе использовалась общенаучная методология с методами эмпирического (наблюдение, описание, сравнение, измерение) и теоретического (анализ и синтез) уровней. Исходными материалами для анализа являлись статистические данные Управления Волгоградстат, ГИС-технологий, непосредственных маршрутных обследований, непосредственных измерений и лабораторных анализов, проведённых на оборудовании, соответствующем требованиям метрологии и стандартизации Росстандарта. Качество воды оценивалось в соответствии с РД 52.24.643-2002 «Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод» по удельному комбинаторному индексу загрязненности воды (УКИЗВ). Оценка образцов донных отложений производилась в соответствии с «Методическими указаниями по осуществлению государственного мониторинга водных объектов в части организации и проведения наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях водных объектов».

Результаты и обсуждение

Размещение объекта и контрольных (опорных) точек на трассе обследования показано на рисунке 1. Согласно генплану г. Волгограда, территория поймы реки Царица в верхнем и среднем русле относится к зоне озеленения территорий специального назначения, а в нижнем русле - к зоне озелененных территорий рекреационного назначения.

Обследованная река Царица (ранее Пионерка) проходит по высокоурбанизированной территории г. Волгограда с населением около одного миллиона человек. Общая длина реки составляет 19,2 км, площадь водосбора около 110 км², в том числе в черте города - 40 км².

Долина реки широкой трапецеидальной формы представляет собой один из многочисленных оврагов города, имеющих общую длину 59,6 км. В 60-е годы прошлого столетия в нижней части течения река была забрана в подземный коллектор, а пойма реки до ул. Череповецкой намыта песком на высоту 8-10 м, что исключило её затопление при разливе Волги. В настоящее время на данной территории обустроена рекреационная зона, парк им. А. Пахмутовой, музей «Россия - моя история» и др.

Из обильного ключа, находящегося у посёлка Максима Горького берет свое начало река Царица. Далее в нее впадают две реки - Талая и Глубокая, истоками которых также являются ключи.

Проведённое маршрутное обследование водосборной территории показало, что сухими степями и пологими склонами представлена приводораздельная часть в истоке, а пойма реки слабо выражена.

В средней части ширина долины составляет около 100 метров, а в нижней доходит до 250. Ергенинские пески на поверхность почвы выходят в верхней и средней части долины с подошвой на глубине 106-120 м, а пески кварцево-глауконитовые - в нижней. Тонкослоистые, тёмно-серые аргиллиты мощностью до 9,5 м наблюдаются в долине реки, мощность слоя аллювия составляет около 10 м. [2, 3].

Протекает река по 4 административным районам: сельскому Городищенскому на протяжении 12,3 км, и городским - Ворошиловскому, Дзержинскому и Центральному г. Волгограда на протяжении 6,9 км с общей численность населения более 407 тыс. человек.

Рисунок 1 - Трасса обследования /

У основания 2-й Продольной магистрали в долине реки Царица, справа от дороги при движении к югу, находится источник, которому исполнилось 111 лет, занесенный в путеводитель святых мест России. Воды родника на расстоянии нескольких метров впадают в реку Царица. Формируется источник в основании ергенинских отложений.

По классификации река относится к малым степным рекам, испытывает сильную антропогенную нагрузку, которая существенно отражается на её экологическом состоянии и влияет на условия проживания населения.

Водные ресурсы реки незначительны - расход воды в меженный период составляет около 0,02 м³ /сек, в весенний паводок доходит до 0,3 м³ /сек.

На присутствие водорастворимых органических и неорганических веществ указывает характерный цвет воды - от тёмно-серого до тёмно-зелёного, она мутная и непрозрачная (рисунок 2).

Рисунок 2 - Воды р. Царица

Развитие процессов эрозии основано на сформировавшейся на водосборной территории дорожной сети без твёрдого покрытия. На них почвы смытые, уплотненные. В результате выпадения осадков или обильного весеннего снеготаяния на дорогах концентрируются водные потоки, приводящие к смыву почвогрунта и образованию струйных размывов (рисунок 3). Интенсифицирует процессы размыва воздействие на переувлажненное грунтовое дорожное полотно автомобильных колес. Местами дороги располагаются поперек склона, что приводит к формированию небольших откосов.

На всем протяжении русла реки на ее берегах располагаются дачные массивы и частные жилые домовладения. На средней части поймы, от ул. Полоненко до ул. Череповецкая, на склонах реки располагаются жилые массивы, местами практически до уреза воды, а в некоторых местах, непосредственно в пойме, располагаются стихийные огороды с подсобными постройками (рисунок 4).

Река сильно меандрирует в пойме по ширине до 100-150 м. Базис эрозии более 5 м. Поверхность склонов преобразована в результате строительства.

В пойме реки Царица (опорная точка 110, 2-я Продольная магистраль) скорость течения интенсивнее. Ширина русла не превышает 2-3 м. В результате подмыва берегов происходит оголение корневых систем древесных пород, после чего они выворачиваются из почвогрунта и погибают.

Склоны антропогенно преобразованные. В результате строительства многоэтажных домов, магазинов и гаражей склоны отсыпаны грунтом без проведения укрепления и уплотнения, что приводит к интенсификации водной эрозии.

Рисунок 3 - Интенсификация размыва склона дорожной сетью

В настоящий момент прибрежная зона р. Царица захламлена твердыми коммунальными отходами (ТКО) и отходами строительства (рисунок 5).

Рисунок 4 - Самовольные застройки на водоохранной зоне

Рисунок 5 - Характеристика захламления прибрежной защитной зоны

Прибрежная зона характеризуется зарастанием древесно-кустарниковой растительностью, а русло реки тростником. У становленные насосные станции для осуществления водозабора на хозяйственные нужды дачных обществ и домовладений ухудшают гидрологический и гидрохимический режимы реки и ее экологическое состояние. Отмечается наличие различных организованных водовыпусков, ливневых и канализационных (рисунок 6).

Рисунок 6 - Канализационные водовыпуски

По результатам обследования водного объекта в пределах прибрежной зоны выявлено 119 мест размещения твердых коммунальных и строительных отходов, общей площадью 9867,44 м² и объемом 5398,07 м³, из них 2259,69 м³приходится на ТКО.

Некоторые участки прибрежной зоны, где не было зафиксировано мест свалочного мусора, сосредоточенного по геометрическим параметрам (площадь, высота), характеризуются различной степенью захламленности. При большой протяженности (более 100 м) или частоты встречаемости фрагментов отходов и мусора данные участки территории представляют собой фон захламления.

Наибольший объем ТКО отмечаются на маршруте с опорными точками, представленными на рисунке 7.

Рисунок 7 - Месторасположение и значение объёмов ТКО

Наибольший объем строительных отходов отмечается на маршруте с опорными точками, что представлено на рисунке 8.

Рисунок 8 - Месторасположение и значение объёмов строительных отходов

Территории, захламленные отходами с различной степенью, отмечаются на маршруте с опорными точками, представленными в таблице 1.

Таблица 1 -Захламленность территории прибрежной зоны отходами

Отмечены некоторые закономерности в формировании и распределении отходов:

1. Зависимость степени захламления территории от количества жителей на прилегающих территориях. Исток реки, находящийся в степной зоне с небольшим количеством мелких посёлков, характеризуется фоновым захламлением как строительными

2. отходами, так и отходами ТКО. В средней части реки с увеличением численности сельского населения объёмы захламления увеличиваются при сохранении структуры. Далее, с появлением многоэтажной застройки и увеличением проживающих на левом берегу реки объёмы отходов значительно увеличиваются.

3. Зависимость структуры отходов от характера жилищной застройки. На левом берегу реки, где преобладает многоэтажная застройка, основу захламления составляют строительные отходы, а на правобережье, где располагаются объекты индивидуальной жилой застройки, преобладают ТБО с большой долей шин, древесных отпилов, старой мебели и др.

4. Зоны захламления формируются в среднем и нижнем течении на выходе улиц к берегам реки.

На старозахламлённых территориях, уже заросших древесной растительностью, где отходы могут принимать порой причудливые формы, возможен только ручной способ сбора отходов, что приведет к значительному удорожанию их сбора (рисунок 9).

Рисунок 9 -Уникальная «взаимосвязь» дикой природы и творения человека

Большое количество старых автомобильных шин, находящихся на прибрежной защитной полосе, выделяет в окружающую среду целый ряд веществ: бензопирен, продукты окисления молекул бутадеин-стирольного каучука, полибутадеина, спиртов и т.д. Под воздействием осадков, солнца, ветра шины рассыпаются, и мелкая крошка покрывает поверхность почвы, проникает в неё и отравляет элементы ландшафта.

На основании протоколов исследований химического состояния поверхностных вод установлено, что в истоковой части они относятся к третьему классу и характеризуются как «загрязнённые», а ближе к устьевой части - к четвёртому классу и характеризуются как «грязные», и с такой характеристикой они впадают в р. Волгу (таблица 2).

Анализ данных указывает на то, что в истоковой части динамика нефтепродуктов и тяжёлых металлов характеризуется поступлением свежих загрязнений, а в устьевой части она характеризуется уже как «стадия хронического загрязнения».

Таблица 2 - Характеристика загрязнений элементов водного объекта

Характеристика загрязнений донных отложений истоковой части показывает значительное поступление таких загрязнений, как нефтепродукты и тяжелые металлы, в частности цинк, свинец и медь, а также хроническое загрязнение марганцем.

С целью принятия решений по дальнейшему использованию донных отложений была проведена оценка их качества в соответствии с ГОСТ Р54000-2010. Удобрения органические. Сапропели. Общие технические условия.

В районе 1,04 км южнее с. Студено - Яблоновка донные отложения по содержанию тяжелых металлов (марганец, цинк, свинец, медь, кадмий) относятся к 1-му классу пригодности. Сапропели первого класса пригодности применяются под все виды сельскохозяйственных культур, в садоводстве, цветоводстве, лесном хозяйстве, при рекультивации почв, отвалов, благоустройстве и озеленении городских, в том числе и рекреационных территорий, в дозах, рекомендованных с учетом вида культуры, плодородия каждого отдельного поля, планируемого для внесения специфического удобрения. Наибольший эффект от сапропеля получают при внесении под картофель, овощи, корнеплоды.

Ближе к устьевой части реки (120 м выше по течению от автодороги «2-я Продольная») по содержанию тяжелых металлов (марганец, свинец, медь, кадмий), и в частности по содержанию цинка, донные отложения можно отнести ко второму классу. Содержание веществ, определенных в донных отложениях, сопоставляется с критериями качества почвы. Такими веществами являются свинец (I класс опасности) и марганец (III класса опасности). Они по содержанию имеют категорию - «допустимая», значение суммарного показателя загрязнения Zc - отрицательное, так как превышения ПДК почвы по содержанию свинца и марганца нет. Допустимая категория загрязненности почв, которым соответствуют донные отложения по содержанию в них свинца и марганца, означает, что содержание химических веществ в почве превышает фоновое, но не выше ПДК, поэтому возможно их использование под любые культуры.

Учитывая перспективность изменения климата в сторону увеличения засушливых явлений, увеличения интенсивности осадков и увеличения объёмов ввода жилья на водосборной территории, в ближайшее время (5-7 лет) прогнозируем усиление антропогенной нагрузки на водный объект.

Результаты

Материалы маршрутных обследований, лабораторных исследований и сравнительного анализа фактических показателей с нормативными требованиями позволили определить основные факторы, отрицательно влияющие на экологическое состояние изучаемого водного объекта. Они следующие: формирование поверхностного стока талых и дождевых вод, инициирующих рост и развитие оврагов, а также привнесение в объект химических загрязнителей; сосредоточенный сток канализационных и ливневых вод; захламление долины реки свалками ТКО и строительным мусором; зарастание тростником и ухудшение гидрологического режима.

Технические и биологические мероприятия по экологической реабилитации поймы р. Царица должны быть направлены на:

- предупреждение развития водной эрозии почв склонов путём задержания осадков на месте их выпадения или регулированием поверхностного стока, используя бассейновый подход;

- ликвидацию канализационных водовыпусков и организацию сброса в городскую централизованную канализационную систему с очисткой на острове Голодный, которая в настоящее время находится в процессе строительства;

- реконструкцию гидротехнических сооружений (дамб и плотин) и восстановление открытого русла реки с проведением в местах, где это необходимо, пластики рельефа дна;

- проведение гидротехнических и мелиоративных работ, направленных на стабилизацию инженерно-геологических процессов и улучшение характеристик естественного откоса путём их залужения и/или высадки стокорегулирующих лесных полос;

- организацию сбора ТКО и строительного мусора с жилых массивов с проведением жёсткого контроля его исполнения на основании утверждённой нормативноправовой базы для водосборной территории реки как «особо ценной территории»;

- ликвидацию объектов незаконного строительства и мест незаконной утилизации ТКО;

- сохранение и восстановление естественных уникальных мест.

Выводы

Возрастающий уровень антропогенного влияния урбанизации на гидрохимические показатели качества воды и донных отложений, отрицательно влияющих на экологическое состояние элементов ландшафта, качество воды в р. Волги и здоровье населения, требует организации санитарно-экологического мониторинга для оценки как пространственно-временной изменчивости количества поступления загрязняющих веществ, так и концентрации химических веществ в стоке и водном объекте и принятия решения о необходимости проведения технической и биологической мелиорации р. Царица. Значимость долин малых рек в условиях всё возрастающей антропогенной нагрузки в городских границах значительно возрастает по сравнению с «дикой» природой. Часто городские жители используют ее как легкодоступную зону отдыха выходного дня, особенно в малолесных сухостепных регионах Волгограда, поэтому разработка мероприятия по экологической реабилитации малых степных экологически нагруженных рек имеет важное социальное значение.

Библиографический список

1. Антропогенная нагрузка на реку Сухая Мечётка в границах города Волгограда / С. Я. Семененко [и др.] // Известия НВ АУК. 2021. № 2 (62). С. 416-431.

2. Брылёв В. А., Соснина А. С. Геоэкологическое состояние рек Волгоградской агломерации // Академическая наука - проблемы и достижения, NorthCharleston. GreateSpace, 2016. С. 20-23.

3. Геоморфология Волгоградской области / В. А. Брылёв, И. С. Дедова, Н. П. Дьяченко, Е. В. Мелихова, Ю. А. Голикова: коллективная монография. М., 2017. 223 с.

4. Иванютин Н. М. Комплексная оценка пригодности воды реки Альма для целей ирригации // Экология и строительство. 2019. № 4. С. 22-32.

5. Кумани М. В., Голосов В. Н. Гидрохимические особенности катастрофического загрязнения реки Псёл под влиянием эрозионно-гидрологических процессов на водосборе // Водные ресурсы. 2021. Т. 48. № 4. С. 461- 472.

6. О некоторых аспектах оценки негативного антропогенного воздействия на качество поверхностных водных объектов в системе обеспечения экологической безопасности / Р. Н. Бубенов, В. И. Борисенко, А. А. Даниленко, Л. А. Бубенова // Юг России экология, развитие. 2018. № 13 (4). С. 147-156.

7. Отюкова Н. Г. Гидрохимический режим в речных аквальных комплексах (на примере малой реки Ильд бассейна Рыбинского водохранилища) // Водные ресурсы. 2019. Т. 46. №

5. С. 424-427.

8. Семененко С. Я., Морозова Н. В. Рекультивация почвы методом ферментативной биостимуляции на объекте захоронения твёрдых бытовых отходов // Известия Нижневолжского агро- университетского комплекса: наука и профессиональное образование. 2017. № 3 (47). С. 78-86.

9. Современное состояние и проблемы развития водохозяйственной сферы в регионах юга России / Т. А. Шехбузова, А. А. Вартумян, И. С. Штапова, Н. В. Медяник, Н. П. Жуковская // Юг России: экология, развитие. 2017. № 12 (1). С. 62-72.

10. Сорокина Е. И., Маковкина Л. Н. Экологические проблемы водных объектов Волгоградской области // Актуальные проблемы права: материалы Междунар. науч. конф. Москва: Буки-Веди, 2015. С. 173-176.

11. Теличенко В. И., Потапов А. Д., Блази К. Оценка техногенного воздействия наречные экосистемы и уровень экологической опасности загрязненных донных отложений // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании: сб. материалов Между- нар. науч. конф. М.: МГСУ, 2012. С. 506-512.

12. Чашечкин Ю. Д., Розенталь О. М. Структура речного потока и её влияние на распределение загрязняющего воду вещества // Водные ресурсы. Т. 46. № 6. С. 582-591.

13. Ясинский С. В., Венецианов Е. В., Вишневская И. А. Диффузное загрязнение водных объектов и оценка выноса биогенных элементов при различных сценариях землепользования на водосборе. Водные ресурсы. 2019. Т. 46. № 2. С. 232-244.

14. Berger K. Validation of the hydrologic evaluation of landfill performance (HELP) model for simulating the water balance of cover systems. Berlin: Springer-Verlag, 2000. 1438 p.

15. Moustakas K. Sampling and Analysis Of Solid Municipal Waste In Balkan Region: The First Results And Their Significance. https://www.iswa.org/uploads/tx_iswaknowledgebase/ Moustakas.pdf

16. Status and perspectives of waste management in the Arab countries / A. Nassour, M. Nelles, A Majanny, M Al-Ahmad // ISWA World Congress. Hamburg, 2010. C. 56-70

Размещено на Allbest.ru