Гидрохимический анализ состояния рек, подверженных влиянию горнодобывающей промышленности на территории Белгородской области

33

На правах рукописи

Гидрохимический анализ состояния рек, подверженных влиянию горнодобывающей промышленности на территории Белгородской области

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Белгород 2008

Диссертационная работа выполнена на кафедре географии и геоэкологии Белгородского государственного университета

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор

Корнилов Андрей Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Жердев Владимир Николаевич

кандидат географических наук

Дегтярь Александр Владимирович

Ведущая организация: ФГУП «ВИОГЕМ», г. Белгород

Защита состоится «23» декабря 2008 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, д. 86, ауд. 408.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Воронежского государственного педагогического университета.

Автореферат разослан «___» ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат географических наук,

доцент Шмыков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Высокие темпы развития горнодобывающих предприятий региона КМА на фоне интенсивного сельскохозяйственного производства вместе с относительно ограниченной водообеспеченностью южной части Среднерусской возвышенности обусловливают здесь ухудшение количественных и качественных показателей водных ресурсов, в том числе на территории модельного района исследования - Белгородской области. Данные наблюдательных пунктов Белгородского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды показывают постепенное ухудшение качества водных ресурсов Белгородской области за период 1968-2008 годов, но их малочисленность не позволяет детально устанавливать причинно-следственные связи, моделировать локальные гидроэкологические ситуации, а также адекватно информировать местные и региональные органы власти для разработки водоохранных мероприятий, планов и программ.

Данная работа направлена на исследование закономерностей формирования гидрохимической ситуации рек, протекающих по территории Белгородской области, с учетом их природных особенностей, вклада источников организованного и диффузного стока загрязняющих веществ, воздействия горнодобывающей деятельности как ведущей отрасли региональной экономики.

Цель работы - гидрохимический анализ состояния рек, подверженных влиянию горнодобывающей промышленности на территории Белгородской области.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- проанализировать существующие методы изучения состояния рек, подверженных влиянию горнодобывающей промышленности;

- выявить физико-географические и антропогенные факторы формирования речного стока исследуемой территории;

- изучить динамику состояния рек, проанализировать влияние различных типов антропогенной нагрузки на качество речных вод;

- исследовать характер воздействия ОАО «Лебединский ГОК», ОАО «Стойленский ГОК», ООО «Металл-групп» (Яковлевский рудник) на состояние рек Осколец, Оскол, Ворскла;

- разработать природоохранные мероприятия по улучшению гидрохимического состояния рек.

Объект исследования - реки, подверженные интенсивному воздействию горнодобывающей промышленности в Белгородской области, характеризующейся специфическим комплексом физико-географических и социально-экономических условий (высокая плотность населения, концентрация промышленного и горно-промышленного производств, маловодность поверхностных водных объектов, черноземные почвы и геологическое строение, характеризующееся широким распространением меловых пород).

Предмет исследования - природно-техногенные процессы, влияющие на состояние рек.

Научная новизна. Впервые на ряде рек Белгородской области проведено достаточно подробное исследование гидроэкологической ситуации, определяемой совокупностью биоценотических условий и других природных факторов и антропогенной нагрузки с использованием методов экспресс-наблюдений (динамика прозрачности, содержания нитратов, как индикаторов самоочищающей способности водной среды). Впервые созданы карты животноводческой и населенческой нагрузки. Проведено исследование вклада двух основных типов антропогенной нагрузки (селитебно-сельскохозяйственной и селитебно-промышленной) в формирование качественного состава воды рек, а также воздействия, оказываемого горнопромышленными предприятиями на состояние водных объектов.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа практики реализации современных методов оценки гидрохимической ситуации на реках.

2. Результаты исследования значимости природных и антропогенных условий территорий при формировании современной гидроэкологической ситуации рек Белгородской области.

3. Оценка вклада в формирование гидрохимического состава воды разных источников антропогенной нагрузки.

4. Методический подход к изучению состояния рек, подверженных влиянию горнодобывающей промышленности.

5. Результаты анализа гидрохимического воздействия ОАО «Лебединский ГОК», ОАО «Стойленский ГОК», Яковлевского рудника на гидроэкологическое состояние рек Осколец, Оскол, Ворскла.

Исходные материалы и методы исследования. В основу работы положены результаты полевых исследований автора (2005-2008 г.г.), отечественные и зарубежные литературные источники, справочные и статистические данные, картографические источники, многолетние данные наблюдений на реках ФГУ «Управление эксплуатации Белгородского водохранилища», данные регулярных наблюдений гидрологических постов, фондовые материалы Центрально-Черноземного управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей природной среды, Отдела водных ресурсов по Белгородской области Донского Бассейнового водного управления.

В ходе работы применялись традиционные методы географических исследований: ландшафтно-гидрологический, гидрологической аналогии, географо-гидрологический, бассейновый подход, сравнительно-описательный, математико-статистический, картографический, экспедиционный, ГИС-технологий. При этом были использованы программные средства БелГИС (версия 1.7.90) и Статистика (версия 6.0).

Личный вклад. Автором рассмотрена практика реализации существующих методов изучения рек; проведено экспедиционное изучение гидроэкологической ситуации на ряде рек Белгородской области, при котором использовались методы экспресс-наблюдений; выполнен статистический анализ данных по гидрохимическому составу речных вод; исследовано влияние горнодобывающих предприятий на состояние рек; разработан методический подход к изучению состояния рек, подверженных влиянию горнодобывающей промышленности; предложен перечень первоочередных направлений природоохранной деятельности на территории региона.

Практическое значение работы. Результаты диссертации имеют практическое значение для создания системы регионального мониторинга водных объектов и обоснования мероприятий по охране водных ресурсов. Полученные автором результаты использовались при разработке практических и лекционных занятий по курсам «Экологическое картографирование», «Геохимия окружающей среды», читаемых в БелГУ, а также в природоохранных проектах ряда горнодобывающих предприятий Белгородской области, при разработке природоохранных разделов государственных областных программ развития свиноводства, птицеводства, молочного животноводства в Белгородской области на 2005 - 2010 годы. Материалы исследования были включены в ежегодный доклад «Состояние окружающей среды и использование природных ресурсов Белгородской области в 2003-2004 годах» (2005), монографию «Природные ресурсы и окружающая среда Белгородской области» (2007).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I и II международных научных конференциях «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2004; Белгород, 2006), Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Регион - 2006: общественно-географические аспекты» (Харьков, 2006), Международной научно-практической конференции «Регион - 2006: стратегия оптимального развития» (Харьков, 2006), IX международном симпозиуме «Вопросы осушения, горнопромышленной геологии и охраны недр, геомеханики, промышленной гидротехники, геоинформатики, экологии» (Белгород, 2007), Международной научно-практической конференции «Геоэкологические исследования и их отражение в географическом образовании» (Курск, 2007), Объединенном совете по фундаментальным географическим проблемам при Международной ассоциации академий наук (Белгород, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из которых 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 210 страницах, включает введение, четыре главы, заключение, библиографический список состоящих из 162 источников, в том числе 4 на иностранном языке, и 5 приложений.

Защищаемые положения

1. Результаты анализа практики реализации современных методов оценки гидрохимической ситуации на реках

Усилиями ведущих специалистов географов, гидрологов, гидроэкологов (Алекин, Антипов, Виноградов, Глушков, Жердев, Мишон, Коронкевич, Львович, Федоров, Апполов, Воскресенский, Андреянов, Кузин, Бабкин, Калинин, Комаров, Смольянинов, 1960-2008, и др.) в основном изучены закономерности формирования гидроэкологических ситуаций, определены подходы и методы гидроэкологических исследований. Это повсеместно позволило организовать систему государственных наблюдений (мониторинга), практику локальных (пообъектных) исследований, разработать технологию и компьютеризированные программы расчетов прогнозных оценок качества водной среды при антропогенном воздействии, сбросе сточных вод.

К настоящему времени наблюдательная система за гидрологическими и гидрохимическими показателями водных объектов Белгородской области представлена пунктами, принадлежащими государственной наблюдательной сети (ГНС). Под контролем Белгородского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (БЦГМС) находятся 12 гидрологических постов на девяти водных объектах, 12 гидрохимических пунктов в 20 створах на 9 водных объектах. Федеральное государственное учреждение «Управление эксплуатации Белгородского водохранилища», результаты наблюдений которого мы использовали в своей работе, располагает 17 постами на 15 реках области, не считая посты непосредственно на Белгородском водохранилище (рис. 1).

Отсутствие режимных данных на большинстве рек Белгородской области вызвало необходимость проведения детальных гидроэкологических исследований в них. В течение 2005-2007 гг. нами были организованы экспедиционные маршруты по следующим речным бассейнам: р. Оскол (участок реки от г. Старый Оскол до п. Волоконовка), р. Ворскла (от истока до г. Грайворон), р. Осколец (западнее г. Губкин до устья).

Рис. 1. Расположение створов ФГУ «Управление эксплуатации Белгородского водохранилища»

В частности результаты исследования гидроэкологических показателей с применением методов экспресс-наблюдений (динамика прозрачности, содержания нитратов как индикаторы самоочищаемой способности водной среды) отражают пространственную неоднородность гидроэкологической ситуации на участках между существующими постами по показателям «прозрачность» и «содержание нитратов» для рек Оскол и Ворскла и, соответственно, неполную адекватность официальных данных задачам моделирования гидроэкологической ситуации (рис. 2).

Рис. 2. Изменение прозрачности и содержания нитратов по р. Оскол

Это связано, в первую очередь, с причинами организационно-экономического характера: разовые детальные исследования чрезвычайно трудоемки и затратны даже в рамках локального изучения какого-либо небольшого бассейна малой реки, сеть режимных наблюдений достаточно разрозненна и не вполне отражает региональную дифференциацию экологической обстановки. Это требует адаптации региональных схем изучения гидроэкологической ситуации применительно к природным особенностям территории, особенностям структуры хозяйства, а также учета организационно-экономических возможностей текущей ситуации.

2. Результаты исследования значимости природных и антропогенных условий территорий при формировании современной гидроэкологической ситуации рек Белгородской области

Белгородская область расположена на юго-западных и южных склонах Среднерусской возвышенности в бассейнах рек Днепра и Дона. Территория занимает южную часть Черноземной полосы европейской России. В пределах Белгородской области располагаются две природные зоны: южная лесостепная, занимающая большую часть области, и степная, распространенная на юго-востоке.

Геологические условия Белгородской области в большинстве своем благоприятны для инфильтрации атмосферных осадков и особенно талых вод, которые формируют верхние водоносные горизонты - зоны активного водообмена.

Годовые суммы осадков варьируют в небольших пределах и имеют общую тенденцию к уменьшению с северо-запада на юго-восток области. Зональные величины осадков нарушаются особенностями подстилающей поверхности, в частности, орографическим строением (северная, более возвышенная территория получает в среднем в год до 546 мм; южная и юго-восточная, низменная - до 436 мм и центральная - до 553 мм). Коэффициент увлажнения уменьшается по направлению с северо-запада на юго-восток от зоны неустойчивого увлажнения к зоне недостаточного увлажнения.

В Белгородской области почвенный покров в сочетании с подстилающими материнскими породами обладает благоприятными инфильтрационными свойствами для формирования подземного стока и равномерного питания рек в течение года. Средняя величина питания подземных вод атмосферными осадками составляет 6,7 % от их годового количества.

Благодаря преобладанию на территории Белгородской области черноземов (77,1 %), среди которых лидируют типичные (36,1 %) с высокой инфильтрационной способностью, создаются условия для накопления подземной влаги и равномерной разгрузки ее в реки в течение всего года.

Гидрологическая роль леса в Белгородской области, вследствие низкой лесистости (11 %), не определена.

На территории Белгородской области всего насчитывается 7 порядков эрозионных форм, включая 1 - седьмого порядка (Северский Донец), 5 - шестого (Ворскла, Оскол, Нежеголь, Тихая Сосна, Айдар), 18 - пятого, 80 - четвертого, 332 - третьего, 7744 - второго и первого. Постоянные водотоки, как правило, являются третьим порядком в эрозионной системе. 98 % всех водотоков относятся к категории «мельчайших», «самых малых» и «малых» и составляют 80 % общей протяженности речной сети области.

Преобладание черноземных почв на исследуемой территории с их хорошей фильтрационной способностью, обусловливает отсутствие непосредственного поверхностного стока в реки с прилегающих сельскохозяйственных и прочих угодий за исключением редких периодов сильных ливневых дождей и половодья. Черноземные почвы и литологический состав ложа и берегов рек (мел, мергель, песок) обусловливают низкое содержание взвешенных веществ и, соответственно, высокую прозрачность воды в реках Белгородской области, которая снижается чаще всего на участках антропогенного воздействия.

Например, наибольшие значения прозрачности по р. Ворскла по нашим наблюдениям 2005-2007 г.г. приходятся на август месяц, что мы связываем с максимальным развитием водной и околоводной растительности. А на протяжении реки максимальная прозрачность наблюдается со створа «с. Стригуны» и до створа «с. Антоновка», что также связано с максимальным уровнем развития растительности на этом участке реки.

Данные наблюдений содержания нитратов по р. Ворскла и в ее притоках показали наибольшие значения в с. Кустовое в связи со сбросом сточных вод мясокомбината и молокозавода в п. Томаровка, влияние которого прослеживается в с. Кустовое, в п. Борисовка, вследствие диффузного стока с территории поселка, в устье р. Грузская за счет хозяйственно-бытовых стоков п. Борисовка. Довольно высокое содержание нитратов наблюдается в устье р. Грайворонка за счет с диффузного стока с территории г. Грайворон.

Наблюдения на р. Оскол (рис. 3) показывают волнообразные изменения одновременных показателей прозрачности и содержания нитратов на участке протяженностью 130 км. Прозрачность р. Оскол повышается до 100-115 см на участках протяженных зарослей водной растительности. Снижается прозрачность до 20-80 см в местах антропогенного воздействия (г. Старый Оскол, п. Чернянка, с. Ездочное, устье р.р. Дубенка, Орлик, Холок и т.д.).

Значение прозрачности в притоках Убля, Дубенка, Орлик, Ольшанка, Халань, Холок, Беленькая гораздо ниже, чем в р. Оскол выше и ниже впадения этих притоков. То есть они не оказывают заметного влияния на прозрачность в р. Оскол, что связано, возможно, с их небольшими размерами по сравнению с р. Оскол. В то же время прозрачность в притоках Чуфичка и Грязновка, характеризующихся гораздо большим содержанием нитратов, выше, чем в р. Оскол выше и ниже впадения этих притоков.

Наибольшие концентрации нитратов на участке Сорокино - Ивановка связаны с влиянием организованного сброса сточных вод г. Старый Оскол. На остальном протяжении р. Оскол содержание нитратов колеблется, в основном, от 6 до 8 мг/л.

Рис. 3. Изменение прозрачности и содержания нитратов по р. Оскол в 2006 г.

Литологический состав русловой и прирусловой частей долины рек (как правило мел, мергель, песок) обусловливает относительно низкие показатели их размываемости, по крайней мере в меженный период, и высокую прозрачность, что способствует широкомасштабному формированию высшей водной растительности, так называемых «водных садов» (роголистник темно-зеленый, различные виды рдеста, ряска малая, водяная сосенка, элодея, кубышка желтая и др.), которая вместе с широко представленными околоводными сообществами (тростник обыкновенный, камыш озерный, различные виды осоки, сусак зонтичный, рогоз широколистный, различные виды манника, лютика и др.) в значительной мере влияют на самоочищающую способность рек Белгородской области.

Качество воды периодически ухудшается в местах впадения отдельных притоков, сточных вод крупных промышленных предприятий, после близко расположенных крупных населенных пунктов по протяжению исследованных рек Оскол и Ворскла. Вместе с тем прозрачность достаточно быстро (на протяжении 2-4 км) повышается до следующего скачкообразного резкого ухудшения.

3. Оценка вклада в формирование гидрохимического состава воды разных источников антропогенной нагрузки

Нами были проанализированы данные по гидрохимическому составу речных вод по данным Федерального государственного учреждения «Управление эксплуатации Белгородского водохранилища», которое проводит мониторинг состояния качества поверхностных вод по 44 показателям в течение многих лет и располагает 17 постами на 15 реках области.

С учетом дифференциации диффузного селитебного сельскохозяйственного стока и комплексного (организованного и диффузного) селитебно-промышленного стока контрольные створы мониторингового наблюдения Федерального государственного учреждения «Управление эксплуатации Белгородского водохранилища» мы диффенцировали на 2 типа участков водных объектов по источникам формирования антропогенной нагрузки: сельскохозяйственная нагрузка, промышленно-сельскохозяйственная нагрузка.

Определенная взаимозависимость отмечается в отношении, с одной стороны, показателей величины суммарной животноводческой и селитебно-сельскохозяйственной нагрузки, а также суммарной животноводческой, селитебно-сельскохозяйственной и селитебно-промышленной нагрузки и, с другой стороны, показателей соединений азота (нитраты, нитриты). Коэффициенты корреляции составляют 0,53 - 0,79. Причем в разрезе сезонов более тесные связи характерны для периодов паводков и половодий, что указывает на большую роль поверхностного смыва.

Относительно высокие коэффициенты парной корреляции присутствуют по ряду компонентов: кобальт - нитраты (0,82), кобальт - фенолы (0,92), кобальт - ХПК (0,97), кобальт - взвешенные вещества (0,88), кобальт - фтор (0,67), кобальт - нефтепродукты (0,96), фтор - сульфаты (0,7), СПАВ - фенолы (0,61). Причем более высокие коэффициенты парной корреляции для этой относительно сопряженной группы веществ характерны для створов с промышленно-сельскохозяйственным типом нагрузки. Коэффициенты парной корреляции для пар марганец - цинк (-0,75), марганец - фосфаты (0,67), азот аммонийный - марганец (0,84) характерны для створов с сельскохозяйственным типом нагрузки.

Проведенный парный корреляционный анализ показал более значимый вклад источников селитебно-промышленного типа как по антропогенным компонентам (по хлоридам r = 0,73, по сульфатам - 0,75, по нитратам - 0,56), так и по группе таких естественных природных компонентов как кальций, магний, гидрокарбонаты, сухой остаток (r = 0,5 - 0,86) в связи с широким использованием подземных вод в сельском хозяйстве и промышленности.

Оценены парные взаимосвязи только для ограниченного ряда компонентов в связи с крайне ограниченным числом измерений официальной сети наблюдений по такому ряду компонентов, как марганец, фтор, бром, медь, цинк, кобальт и др. Для большей достоверности перечисленные выше примеры требуют дополнительных данных для однозначной интерпретации.

Одним из основных видов хозяйственной деятельности на территории Белгородской области, а соответственно и одним из источников загрязнения вод, является сельское хозяйство. Доля сельскохозяйственных земель в общей структуре земельного фонда области составляет 74,4 %, в их составе пашня занимает 75 %. Химизация сельского хозяйства способствует расширенному поступлению в реки биогенных веществ.

Значительную долю в загрязнение рек вносят стоки животноводческих комплексов. Эта проблема очень актуальна именно для Белгородской области в связи с бурным развитием в последние годы птицеводства, молочно-мясного скотоводства и свиноводства. Поэтому для анализа складывающихся ситуаций на водосборах в связи с интенсивным развитием животноводства, нами были составлены карты районирования Белгородской области по животноводческой нагрузке. Количество сельскохозяйственных животных (крупного рогатого скота, свиней, птиц) рассчитывалось в условных головах (1 усл. гол. = 1 гол. крупного рогатого скота).

Для анализа дифференциации сельскохозяйственного диффузного стока с учетом сельского населения составлена карта районирования Белгородской области по суммарной животноводческой и селитебно-сельскохозяйственной нагрузке «сельскохозяйственных условных голов» на бассейны малых рек (рис. 4). При ее составлении использовались следующие методические подходы. На основании таблиц образования навоза по различным видам сельскохозяйственных животных и соотношений массы животных и массы человека для сопоставительной оценки селитебного диффузного стока мы рассчитали переводной коэффициент численности населения в единицы условных голов, который равняется 8,5.

Сопоставительный анализ разработанных карт и результатов наблюдений за качеством воды по использованным нами индикаторным показателям (прозрачность, содержание нитратов) показывает следующее.

Средние показатели прозрачности и содержания нитратов по р. Оскол выше, чем по р. Ворскла. Высокая прозрачность в р. Оскол связана с тем, что он намного полноводнее р. Ворскла и, соответственно, обладает лучшей самоочищающей способностью, а также испытывает меньшую сельскохозяйственную нагрузку. Если же говорить о содержании нитратов, то их концентрация должна быть больше в р. Ворскла, так как она испытывает большую сельскохозяйственную нагрузку, чем р. Оскол. Реально же картина прямо противоположная. Это связано с тем, что более существенный вклад в содержание нитратов оказывает не сельскохозяйственный тип нагрузки, а селитебно-промышленный, что было показано выше.

Рис. 4. Районирование Белгородской области по суммарной животноводческой и селитебно-сельскохозяйственной нагрузке «сельскохозяйственных условных голов» на бассейны малых рек

С учетом составленных нами карт районирования Белгородской области по различным видам нагрузки (животноводческая, суммарная животноводческая и селитебно-сельскохозяйственная, суммарная животноводческая, селитебно-сельскохозяйственная и селитебно-промышленная), была составлена таблица соотношений средних наблюдаемых концентраций нитратов и различных типов нагрузки по притокам р. Оскол (табл. 1).

Таблица 1. Содержание нитратов (мг/л) и величина различных типов нагрузки (усл. гол.) в притоках р. Оскол

Притоки	Содержание нитратов	Населенческая нагрузка	Животноводческая нагрузка	Суммарная животноводческая и селитебно-сельско-хозяйственная нагрузка	Суммарная животноводческая, селитебно-сельскохозяйственная и селитебно-промышленная нагрузка
Убля	4,87	2,55	4,32	6,88	34,03
Дубенка	6,52	1,67	21,31	22,98	22,98
Орлик	2,54	2,69	9,75	12,44	12,44
Ольшанка	4,21	1,85	7,63	9,48	9,48
Халань	4,09	2,09	3,44	5,53	5,53
Грязновка	20,08	2,39	35,64	38,04	38,04
Холок	3,57	2,19	5,22	7,42	7,42
Беленькая	1,38	1,36	6,11	7,47	13,52
Осколец	7,76	2,13	58,32	60,38	103,31

Статистический анализ показывает наличие определенной связи между содержанием нитратов и животноводческой нагрузкой (коэффициент корреляции r = 0,60), между содержанием нитратов и суммарной животноводческой и селитебно-сельскохозяйственной нагрузкой (r = 0,60). В отношении суммарной животноводческой, селитебно-сельскохозяйственной и селитебно-промышленной нагрузки тенденция роста значений нитратов при увеличении уровня нагрузки сохраняется, но теснота связи незначительна (r = 0,37).

Аналогичная таблица была составлена и по притокам р. Ворскла (табл.2).

Здесь отмечается наличие слабой связи между содержанием нитратов и суммарной животноводческой и селитебно-сельскохозяйственной нагрузкой (r = 0,50), между содержанием нитратов и суммарной животноводческой, селитебно-сельскохозяйственной и селитебно-промышленной нагрузкой
(r = 0,57). В отношении животноводческой нагрузки тенденция роста значений нитратов при увеличении уровня нагрузки сохраняется, но теснота связи незначительна (r = 0,45).

Таблица 2. Содержание нитратов (мг/л) и величина различных типов нагрузки (усл. гол.) в притоках р. Ворскла

Притоки	Содержание нитратов	Населенческая нагрузка	Животноводческая нагрузка	Суммарная животноводческая и селитебно-сельско-хозяйственная нагрузка	Суммарная животноводческая, селитебно-сельскохозяйственная и селитебно-промышленная нагрузка
Ворсколец	0,302	1,905		1,905	1,905
Гостенка	2,116	1,068	3,926	4,994	6,988
Березова	2,213	2,557	12,681	15,243	15,243
Лозовая	0,832	7,003	24,355	31,358	31,358
Грайворонка	3,538	1,158	3,669	4,826	10,392
Безымянка	4,616	2,812	51,992	54,802	54,802

Представленные данные будут уточняться по мере накопления продолжительного ряда наблюдений.

Нами было рассмотрено воздействие, оказываемое неорганизованным стоком с территории городов Губкин и Старый Оскол на гидроэкологическое состояние р. Осколец и Оскол соответственно. Данные Центрально-Черноземного за период УГМС 1975-2007 г.г. показывают, что концентрация почти всех ингредиентов (за исключением взвешенных веществ, железа и нефтепродуктов) в р. Осколец ниже г. Губкин увеличивается. Концентрация всех загрязняющих ингредиентов в р. Оскол после прохождения г. Старый Оскол увеличивается.

Причем г. Старый Оскол (население 215,9 тыс. чел) оказывает более негативное воздействие на гидроэкологическое состояние р. Оскол (расход 3520 л/сек), чем г. Губкин (население 86,1 тыс. чел) - на р. Осколец (расход 350 л/сек), хотя р. Осколец сильно уступает р. Оскол по водности, в силу большей концентрации промышленного потенциала в черте г. Старый Оскол.

4. Методический подход к изучению состояния рек, подверженных влиянию горнодобывающей промышленности

Высокая концентрация в Белгородской области горнопромышленных производств ставит задачи изучения роли сопутствующих условий в формировании гидрохимической и, соответственно, гидроэкологической ситуации. В связи с тем, что воздействие горнодобывающего комплекса на гидрохимические показатели рек являются лишь одним из факторов формирования гидроэкологической ситуации, в соответствии с реализуемым в нашем диссертационном исследовании алгоритмом, методические подходы к изучению рек, подверженных влиянию горнодобывающей промышленности, предусматривают следующие этапы:

1) Формализация перечня природных и антропогенных факторов, обусловливающих гидрохимическую ситуацию в реках Белгородской области, качественная и, по возможности, количественная оценка этого вклада.

2) Оценка роли природных факторов в формировании гидрохимической ситуации (климатические, почвенные, литологические, биотические факторы).

3) Анализ вклада традиционных антропогенных источников в формирование гидрохимической ситуации (организованный сброс, диффузный сток с селитебно-промышленных и сельскохозяйственных территорий):

- анализ показателей гидрохимической ситуации постов наблюдений на участках водных объектов с разным типом антропогенной нагрузки;

- сравнительная характеристика результатов одновременных наблюдений на разнородных протяженных участках рек, в том числе с использованием показателей индикаторных экспресс-наблюдений;

- дифференциация селитебной и сельскохозяйственной нагрузки по водосборным речным бассейнам Белгородской области с разным типом совокупной антропогенной нагрузки (сельскохозяйственной, промышленной, промышленно-сельскохозяйственной, горнопромышленно-промышленно-сельскохозяйственной) с последующим сопоставительным анализом роли этих воздействий. Разработка унифицированной оценки сельскохозяйственной и селитебной нагрузки на водосборные бассейны.

4) Пообъектные исследования рек, подверженных влиянию горнодобывающей промышленности

- составление карты функционального зонирования исследуемого бассейна;

- разбиение реки на участки по мере качественного и количественного изменения поступающих в реку стоков, включая сброс сточных вод от коммунальных и промышленных объектов, а также диффузный сток с различных по характеру природно-антропогенных условий территорий;

- определение контрольных створов для выделенных участков реки;

- проведение гидрохимических и гидробиологических исследований в контрольных створах;

5) Сопоставительный анализ гидрохимической и гидроэкологической ситуации реки с учетом совокупного влияния сельскохозяйственного, селитебно-промышленного и горнопромышленного воздействия на водосборный бассейн и непосредственно на водный объект.

5. Результаты гидрохимического анализа воздействия ОАО «Лебединский ГОК», ОАО «Стойленский ГОК», Яковлевского рудника на гидроэкологическое состояние рек Осколец, Оскол, Ворскла

Проведенное зонирование бассейна р. Осколец (рис. 5) показывает наличие шести зон антропогенной нагрузки. Ниже приводится описание выделенных зон.

1. Зона высокой сельскохозяйственной нагрузки. Качество воды определяется смывом с территории сельскохозяйственных угодий, населенных пунктов сельского типа взвешенных веществ, биогенных элементов (соединений азота, фосфора, в определенной мере ядохимикатов) (створ Новоселовка).

2. Зона от западной границы г. Губкина до места сброса сточных вод МУП «Водоканал» г. Губкина. Здесь к поверхностному смыву сельскохозяйственного типа (огороды в пойме и др.), добавляются неорганизованные поверхностные стоки и поступление грунтовых вод с селитебно-промышленных территорий (створ Губкин до сброса ЖКХ).

3. Зона от сброса МУП «Водоканал» до впадения сточных вод Лебединского горно-обогатительного комбината. В связи со сбросом городских сточных вод, увеличивается расход воды в р. Осколец, повышается насыщение воды биогенными компонентами (азот, фосфор и др.), что в определенной мере способствует развитию как аэробных флоры и фауны, так и в условиях интенсивного илонакопления и недостаточности донной аэрации, анаэробных сообществ (створы Губкин после сброса ЖКХ и выше сброса ЛГОКа).

4. Зона от сброса Лебединского ГОКа до сброса сточных вод спиртзавода и завода кормовых дрожжей в с. Песчанка. Сточные воды ЛГОКа обогащены сульфатами, нефтепродуктами, сухим остатком. Это зона активного влияния сточных вод Лебединского ГОКа (створы после сброса ЛГОКа и Песчанка до сброса заводов).

5. Зона от сброса сточных вод спиртзавода и завода кормовых дрожжей в с. Песчанка до западной границы г. Старый Оскол. Сточные воды характеризуются повышенным содержанием соединений азота (аммонийный, нитритный), фосфора (створ Песчанка после сброса заводов).

6. Зона активного влияния неорганизованного стока с селитебно-промышленной территории г. Старый Оскол (створ Старый Оскол).

Ход изменения концентрации некоторых загрязняющих веществ представлен на рис. 6. График показывает, что динамика концентрации представленных загрязняющих веществ мало зависит от сброса дренажных сточных вод Лебединского ГОКа и в большей степени приурочена к селитебным и сельскохозяйственным объектам.

Рис. 5. Функциональное зонирование бассейна реки Осколец

Для оценки гидроэкологической ситуации р. Ворскла нами было проведено функциональное зонирование водосборной территории и собственно реки, которое показывает наличие восьми зон антропогенной нагрузки (карта аналогична предыдущей, в автореферате не приводится).

Рис. 6. Динамика содержания загрязняющих веществ по р. Осколец

Одним из крупнейших предприятий, которые непосредственно оказывают влияние на экологическое состояние реки Ворскла, является Яковлевский рудник. В настоящее время ведется осушение архей-протерозойского водоносного комплекса, непосредственно обводняющего рудное тело. Откачиваемые шахтные воды сбрасываются в пруд-отстойник, затем из него через водовыпуск в нижерасположенный в балке Терны Рязановский пруд и из него уже в Крапивнинское водохранилище реки Ворскла. Таким образом, шахтные воды Яковлевского рудника через два пруда попадают в реку Ворскла, которая является рекой рыбохозяйственного назначения.

В отличие от характера воздействия, оказываемого ОАО «Лебединский ГОК» на р. Осколец, Яковлевский рудник оказывает заметное воздействие на экологическое состояние реки Ворскла. Среднегодовые расходы воды реки Ворскла составляют 0,21 м³/с у п. Яковлево (10 км от истока), 0,36 м³/с у с. Быковка (ниже сброса сточных вод Яковлевского рудника, 16 км от истока), 2,12 м³/с у с. Кустовое (47 км от истока), 3,87 м³/с у с. Хотмыжск (82 км от истока), 5,6 м³/с у с. Козинка (граница с Украиной, 116 км от истока).

На участке от п. Яковлево до с. Быковка расход воды увеличивается на 0,15 м³/с. Из них 0,13 м³/с (87 %) прироста дают сточные воды Яковлевского рудника. Общий же вклад этого предприятия в среднегодовой расход воды в р. Ворскла у с. Быковка составляет 36 %, у с. Кустовое - 6 %, у с. Хотмыжск -3 %, у с. Козинка - 2 %.

При этом для периода межени, содержание всех загрязняющих веществ (кроме нитратов) после поступления шахтных вод в р. Ворскла увеличивается. Концентрация же нитратов напротив снижается более чем в 2 раза, то есть можно предположить положительную роль шахтных вод Яковлевского рудника как разбавляющего агента по группе загрязняющих веществ сельскохозяйственного происхождения.

Наибольшее влияние сточные воды Яковлевского рудника оказывают на содержание хлоридов, натрия, брома, бора, фтора в р. Ворскла (рис. 7).

Рис. 7. Динамика содержания загрязняющих веществ по р. Ворскла

Содержание хлоридов после сброса увеличивается в 8,9 раз и составляет 1,6 ПДК. Ниже по течению (33 км у с. Кустовое) содержание хлоридов снижается до нормы. Содержание натрия после сброса сточных вод увеличивается в 9,89 раз и составляет 1,9 ПДК, снижаясь до нормы ниже по течению (68 км у с. Хотмыжск). Бром (1,18 ПДК) наблюдается только ниже сброса сточных вод. Концентрация бора после сброса сточных вод увеличивается в 4,9 раза и составляет 1,25 ПДК, снижаясь до нормы ниже по течению (33 км у с. Кустовое). Концентрация фтора после сброса увеличивается в 3,6 раза и достигает фоновых значений ниже по течению(102 км у с. Козинка).

Выше приведенные данные показывают, что река Ворскла в целом справляется с нагрузкой, которую оказывает Яковлевский рудник: концентрация загрязняющих веществ не превышает ПДК р.х. уже у с. Кустовое
(33 км) или у с. Хотмыжск (68 км).

Об определенном уровне сохранения состояния экосистем на участке реки, подверженному интенсивному воздействию сточных вод рудника (от места сброса до с. Кустовое) говорит обилие водной и околоводной растительности, фаунистическое разнообразие, наблюдаемые уже непосредственно в водоеме-приемнике шахтных вод (Рязановский пруд) и далее по р. Ворскла. Наблюдаются следующие виды околоводной и водной растительности: камыш озерный, осока береговая, рогоз узколистный, рогоз широколистный, стрелолист обыкновенный, роголистник погруженный, рдест гребенчатый и др. Эти же виды встречаются и после сброса сточных вод в Ворсклу, т.е. влияние Яковлевского рудника на флору р. Ворскла явно не прослеживается. На данном этапе промышленное освоение Яковлевского рудника не наносит ощутимого вреда для обитания и воспроизводства существующего стада рыб.

Оскол является рекой, которая наиболее сильно подвержена влиянию горнодобывающих предприятий Старооскольско-Губкинского промышленного района, так как в конечном счете все сточные воды так или иначе попадают именно в нее. Лебединский ГОК оказывает влияние посредством сброса сточных вод в р. Осколец, которая является правым притоком р. Оскол. Стойленский ГОК сбрасывает свои воды в р. Чуфичка, которая также является правым притоком р. Оскол. Оскольский электрометаллургический комбинат сбрасывает сточные воды непосредственно в р. Оскол в районе с. Голофеевка. Вода из хвостохранилищ Лебединского и Стойленского ГОКов фильтруется в подземные водоносные горизонты и происходит ее разгрузка в р. Оскол (так называемый неорганизованный рассеянный выпуск в р. Оскол).

Аналогичный анализ в отношении р. Оскол показывает, что содержание ряда загрязняющих веществ в зоне воздействия горнодобывающих предприятий (Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, ОЭМК) увеличивается: нефтепродукты с 2 до 3,8 ПДК; марганец с 1,5 до 2,5 ПДК; стронций с 0,675 до 1,225 ПДК; сульфаты с 0,358 до 0,424 ПДК; фториды 4 ПДК; цинк 0,5 ПДК. По ряду ингредиентов наблюдается уменьшение концентраций, связанное с самоочищающей способностью р. Оскол: взвешенные вещества в 1,13 раза, минерализация в 1,95 раза, сухой остаток в 1,84 раза, ХПК в 1,07 раза, железо с 6 до 4 ПДК, магний с 0,33 до 0,3 ПДК, хлориды с 0,08 до 0,07 ПДК.

Проведенные исследования показывают неоднозначный характер влияния горнодобывающих предприятий Белгородской области на гидроэкологическое состояние водных ресурсов.

Яковлевский рудник оказывает негативное влияние на р. Ворсклу по всем рассмотренным компонентам (за исключением нитратов), которое прослеживается на расстояние до 68 км после сброса сточных вод. По фтору это влияние заметно вплоть до пограничного створа в с. Козинка (102 км после сброса).

Влияние Лебединского ГОКа на р. Осколец, имеет двойственный характер: с одной стороны - содержание почти всех загрязняющих веществ после сброса снижается, с другой - за счет снижения водности реки на 1/3 (с 2,18 м³/с до 1,47 м³/с), значительно уменьшилась самоочищающая способность Оскольца в отношении диффузного селитебного и сельскохозяйственного загрязняющего стока.

Воздействие, оказываемое комплексом горнодобывающих и металлургических предприятий Старооскольско-Губкинского промышленного района на р. Оскол, является разнонаправленным: концентрация ряда загрязняющих веществ, таких как нефтепродукты, марганец, стронций, сульфаты, фториды, цинк увеличивается по сравнению с фоновым, а по некоторым веществам (взвешенные вещества, минерализация, сухой остаток, ХПК, железо, магний, хлориды) показатели улучшаются. Зона активного влияния прослеживается на расстоянии 15 км (с. Яблоново).

Несмотря на высокую антропогенную нагрузку водные и околоводные экосистемы сохраняют свою структуру и функции.

Совокупность выявленных закономерностей и тенденций позволила предложить первоочередные направления природоохранной деятельности на территории региона:

1. Показанная нами значимость природного окружения в отношении гидроэкологической ситуации предполагает целесообразность повсеместного проектирования и организации водоохранных зон рек.

2. Выявленная сопряженность ухудшения качества водных объектов с расположенными в непосредственной близости населенными пунктами, крупными сельскохозяйственными перерабатывающими предприятиями требует системной организации работы природоохранных органов, местных самоуправлений и предприятий по внедрению современных методов очистки коммунально-бытовых и производственных сточных вод, мониторинга природопользователей.

3. Горнопромышленные производства, ведущие разработки в зонах залегания архей-протерозойского водоносного комплекса (Яковлевский рудник), обусловливают сверхнормативное загрязнение маловодных поверхностных водных объектов такими компонентами, характерными для подземных вод, как хлориды, натрий, бром, бор, фтор, что ставит задачу по разработке специальных технологий по очистке дренажных вод или их возврату в соответствующие водоносные горизонты.

4. Выявленное преимущественное влияние на гидроэкологические показатели селитебно-промышленных стоков, в том числе из-за неэффективной работы городских биологических очистных сооружений, отсутствия современных схем сбора и очистки ливневых стоков, отчасти из-за использования подземных вод на промышленные нужды, ставит необходимость разработки современных эффективных схем водообеспечения и водоотведения крупных региональных промышленных центров.

Основные выводы

С использованием совокупности известных методов гидроэкологических исследований предложена адаптированная методика изучения гидроэкологичекой ситуации рек Белгородской области, которая была применена практически на нескольких модельных реках (Осколец, Ворскла, Оскол).

Установлено, что влияние производственной деятельности предприятий с подземной добычей железной руды на гидроэкологические характеристики рек является значимым (в первую очередь по таким компонентам как хлориды, натрий, бром, бор, фтор) и прослеживается на расстоянии до 33 км, а по отдельным компонентам - до 68 км. Для горнодобывающих предприятий с открытым способом добычи железной руды влияние собственно производственной деятельности распространяется по таким ингредиентам как нефтепродукты, марганец, стронций, сульфаты, фториды, цинк на расстояние до 15 км. Но гораздо более значимым фактором воздействия являются сопровождающие селитебно-промышленные стоки, образующиеся в местах расположения рабочей силы, что требует при проектировании новых горнорудных предприятий учитывать состояние очистных сооружений в местах дополнительного размещения рабочей силы и при необходимости их реконструировать.

Практика реализации существующей совокупности методов изучения и мониторинга гидрологических и гидрохимических показателей показывает их определенную неадекватность задачам текущей оценки гидроэкологической ситуации вследствие, в первую очередь, причин организационно-экономического характера: разовые детальные исследования чрезвычайно трудоемки и затратны даже в рамках локального изучения какого-либо небольшого бассейна малой реки, сеть режимных наблюдений достаточно разрозненна и не вполне отражает региональную дифференциацию экологической обстановки. Это требует адаптации региональных схем изучения гидроэкологической ситуации применительно к природным особенностям территории, особенностям структуры хозяйства, а также учета организационно-экономических возможностей текущей ситуации. Особенности природно-климатических условий на территории Белгородской области, в частности почвенные и литологические факторы, создают специфические условия, которые определяют слабый смыв взвешенных веществ с прилегающих сельскохозяйственных и прочих угодий за исключением редких периодов сильных ливневых дождей и половодья, относительно низкие показатели размываемости русловой и прирусловой частей долины рек, и обусловливают широкомасштабное развитие высшей водной и околоводной растительности, так называемых «водных садов», которые способствуют высоким показателям прозрачности как одного из индикаторов самоочищающей способности водных объектов.

Показано более значимое влияние на гидроэкологические показатели рек селитебно-промышленных стоков по сравнению с селитебно-сельскохозяйственными как по антропогенным компонентам (коэффициент корреляции по хлоридам 0,7375, по сульфатам - 0,7454, по нитратам - 0,5585), так и по группе таких естественных природных компонентов как кальций, магний, гидрокарбонаты (коэффициент корреляции от 0,5031 до 0,8543) в связи с широким использованием подземных вод в сельском хозяйстве и промышленности.

Совокупность выявленных закономерностей и тенденций позволила предложить первоочередные направления природоохранной деятельности на территории региона, а именно необходимость разработки специальных технологий по очистке дренажных вод или их возврату в соответствующие водоносные горизонты, современных эффективных схем водообеспечения и водоотведения крупных региональных промышленных центров, современных методов очистки коммунально-бытовых и производственных сточных вод.

Список основных публикаций по теме диссертации

1) Корнилов, А.Г. Дифференциация антропогенной нагрузки и показателей качества воды на примере реки Оскол Белгородской области / А.Г. Корнилов, С.Н. Колмыков // Южно-российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. - №5, 2006. - С. 41-42.^*

2) Аспекты конфликтности природопользования на примере Яковлевского рудника Белгородской области / А.Г. Корнилов и др. // Экологические системы и приборы - №12, 2006. - С. 30-38.^*

3) Использование региональных карт размещения населения для геоэкологических исследований / А.Г. Корнилов, Н.В. Назаренко, С.Н. Колмыков, И.А. Гененко, С.И. Куралов. // Этнокультурные и геодемографические проблемы регионов России: Материалы межрегион. научно-практич. конф., посвященной 65-летию создания кафедры экономической, социальной, политической географии и методики обучения географии НГПУ им. А.М. Горького. Вып. 1. - Н.Новгород: НООНО «Кабинет методов краеведческой работы и развития Нижегородской агломерации», 2005. - С.256-257.

4) Поверхностные воды. Состояние окружающей среды / Лукин С.В., Терентьев М.В., Атанов Ю.Г., Евдокимов В.И., Куприенко И.В., Верютина О.С., Лазебная Г.В., Петин А.Н. Корнилов А.Г., Чендев Ю.Г., Шевченко В.Н., Колмыков С.Н. // Природные ресурсы и окружающая среда Белгородской области / Под ред. С.В. Лукина. - Белгород, 2007. - С. 157-194, 481-527 (коллективная монография).

5) Санитарно-техническое состояние родников западной части Белгородской области / Л.Л. Новых, С.Н. Колмыков, В.В. Михайленко, Л.Н. Шевцова // Пробл. природопольз. и экол. ситуация в Европ. России и сопредельн. странах: Матер. Межд. науч. конф. 13-16 сентября 2004 г. Белгород: Изд-во БелГУ, 2004. - С. 139-141.

6) Состояние и использование поверхностных и подземных водных ресурсов / А.Г. Корнилов, А.Н. Петин, М.В. Терентьев, В.Н. Шевченко, С.Н. Колмыков // Состояние окружающей среды и использование природных ресурсов Белгородской области в 2003-2004 годах / Под ред. С.В. Лукина, Ф.Н. Лисецкого, М.В. Терентьева. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2005. - С. 37-57 (коллективная монография).

7) Экологическое состояние и охрана малых рек в Белгородской области / С.Н. Колмыков, А.Г. Корнилов, С.И. Куралов, А.С. Малык. // Этнокультурные и геодемографические проблемы регионов России: Материалы межрегион. научно-практич. конф., посвященной 65-летию создания кафедры экономической, социальной, политической географии и методики обучения географии НГПУ. Вып. 2. - Н.Новгород: Нижегородский государственный педагогический университет, 2005. - С. 138-141.

8) Колмыков, С.Н. Экологическое состояние малых рек Белгородской области / С.Н. Колмыков, А.Г. Корнилов // География и регион: актуальные вопросы исследований: Материалы межрегион. науч.-практ. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2005. - С.446-449.

9) Колмыков, С.Н. Влияние горнодобывающих комплексов на геоэкологические характеристики реки Ворскла / С.Н. Колмыков, С.И. Куралов // Материалы международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Регион - 2006: общественно-географические аспекты» (17-18 мая 2006 года, г. Харьков) / Гл. ред. коллегии К.А. Немец // ИРО Харьковского национального университета им. В.Н. Каразина, Харьков, 2006. - С. 228-231.

10) Колмыков, С.Н. Краткий анализ воздействия животноводческих комплексов на речные бассейны Белгородской области / С.Н. Колмыков, А.Г. Корнилов // Материалы международной научно-практической конференции «Регион - 2006: стратегия оптимального развития» (15-16 мая 2006 года, г. Харьков) / Под ред. В.С. Бакирова // ИРО Харьковского национального университета им. В.Н. Каразина, Харьков, 2006. - С. 214-216.

11) Колмыков, С.Н. Краткая экологическая характеристика реки Оскол / С.Н. Колмыков, А.Г. Корнилов // Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах: Матер. II Межд. науч. конф. - 12-15 октября 2006 г. - М.; Белгород: Изд-во БелГУ, 2006. - С. 58-62.

12) Колмыков, С.Н. Воздействие разработки Яковлевского месторождения на экологическое состояние реки Ворскла / С.Н. Колмыков, А.Г. Корнилов, Е.В. Кичигин // Материалы девятого международного симпозиума Вопросы осушения, горнопромышленной геологии и охраны недр, геомеханики, промышленной гидротехники, геоинформатики, экологии. - 21-25 мая 2007 г. - Белгород, 2007. - С. 371-375.

13) Колмыков, С.Н. Методика изучения гидроэкологической ситуации реки Осколец / С.Н. Колмыков, А.Г. Корнилов // Геоэкологические исследования и их отражение в географическом образовании: сб. статей по матер. междунар. науч.-практич. конф., 26-27 ноября 2007 г. / отв. ред. М.В. Кумани, Н.В. Чертков. - Курск: Курск. гос. ун-т, 2007. - С.99-100.

14) Корнилов, А.Г. Задачи изучения экологического состояния и малых рек и режимов их охраны в Белгородской области / А.Г. Корнилов, С.Н. Колмыков // Геоэкология и природопользования: Труды XII съезда Русск. Географ. общества. Т.4. - СПб., 2005. - С. 179-184.