Оценка качества вод Шлинского водохранилища с использованием интегральных гидрохимических показателей

Полный текст

Введение Проблема качественного истощения водных ресурсов по причине их загрязнения особенно остро обозначилась в последние десятилетия. Антропогенный фактор в формировании химического состава вод приравнивается по значимости к природным геохимическим и биологическим процессам. Преобразование водосборов, трансграничные, промышленные и хозяйственно-бытовые сбросы, неорганизованные стоки, рекреация приводят к изменению геохимических циклов элементов в системе водосборов, появлению токсичных элементов в водной среде, что в конечном итоге ухудшает качество вод, приводит к снижению биоразнообразия, резкому снижению уловов рыбы, доли ценных промысловых видов и др. Цель исследования - оценка экологического состояния Шлинского водохранилища по гидрохимическим показателям. Материалы и методы Шлинское водохранилище образуется озером Шлино с притоками посредством регулирования их стока и является водохранилищем озёрного типа. Расположено на границе Тверской и Новгородской областей, входит в состав Вышневолоцкой водной системы, которая включает также Вельёвское и Вышневолоцкое водохранилища, осуществляющие регулирование стока бассейна р. Мсты. Шлинское водохранилище находится на границе Фировского района Тверской области и Валдайского района Новгородской, в бассейне реки Мсты. Оно было образовано в 1812 г. на месте озера путем строительства дамбы на реке Шлина для целей Вышневолоцкой водной системы (старейшая искусственная водная система в России, связавшая водным путем Санкт-Петербург с остальной страной и решившая вопрос его продовольственного снабжения в XVIII-XIX веках)[11]. В настоящее время водохранилище используется в целях: 1. переброски части вод оз. Велье, стока рек Цны и Шлины через Ново-Тверецкий и Рвяницкий каналы в бассейн р. Волги; 2. осуществления санитарных попусков воды в водораздельный бьеф (г. Вышний Волочёк) через Ново-Цнинскую ГЭС; 3. выработки электроэнергии на Ново-Тверской и Ново-Цнинской ГЭС, а также на верхневолжских гидроэлектростанциях (Иваньковской, Угличской). Водохранилище обеспечивает попуски для нужд энергетики, водного транспорта и улучшения водоснабжения г. Москвы. В прибрежной зоне водохранилища (озеро Шлино) находится государственный природный заказник регионального значения, созданный в 1993 г., - «Прибрежная зона озера Шлино» площадью 120 га[12]. В этой связи изучение антропогенного влияния и оценка качества вод водохранилища крайне актуальны. Морфометрические характеристики Шлинского водохранилища при НПУ[13]: высота над уровнем моря - 199 м; площадь зеркала - 34 км2; объем полный - 68 млн м3; объем полезный - 58 млн м3; нормальный подпорный уровень водохранилища (НПУ) - 199,65 м; минимальный допустимый уровень в зимний период (УМО) - 197,7 м; длина - 8,8 км; ширина средняя/максимальная - 6,4/7,0 км; глубина средняя/максимальная - 1,9/3,0 м; протяженность береговой линии - 48 км; площадь мелководий (до 2 м) - 10 км2; площадь водосбора в створе плотины - 424 км2; средний годовой сток в створе плотины - 107 млн м3; средний сток за период половодья - 43 млн м3. Регулирование Шлинского водохранилища производится по следующей схеме: водохранилище наполняется в весенний период, сбрасывается только санитарный попуск в размере 0,7 м3/с; избыток воды, после наполнения водохранилища до НПУ, сбрасывается через постепенно открываемые отверстия плотины через реку Шлина в Вышневолоцкое водохранилище[14]. Были изучены четыре створа Шлинского водохранилища (створ в районе деревни Комкино (Шлинский бейшлот), д. Яблонька, устье р. Рабежа, устье р. Ковка (д. Лука)) (рис. 1) по гидрохимическим показателям за период с 2015 по 2019 г. Рис. 1. Карта-схема станций отбора проб Шлинского водохранилища / Figure 1. Schematic map of sampling stations of the Shlinsky Reservoir Вода водохранилища относится к гидрокарбонатному классу, кальциевой группе; по степени минерализации (до 100 мг/дм3) - к ультрапресным водам; по величине рН - к нейтральным; по степени жесткости (до 1,0 мг-экв/дм3) - к очень мягким [1]. Химический анализ вод проводился на базе Дубнинской экоаналитической лаборатории (ДЭАЛ) Федерального государственного бюджетного водохозяйственного учреждении «Центррегионводхоз» по 22 показателям [3], среди них: цветность, водородный показатель, аммоний-ион, нитрат-ион, нитрит-ион, фосфат-ион, железо общее, хлорид-ион, сульфат-ион, марганец, магний, биохимическая потребность в кислороде, медь, цинк, свинец, нефтепродукты, растворенный кислород, никель [4; 5]. Результаты Химический анализ проб воды Шлинского водохранилища за период 2015-2019 гг. показал, что для всех створов характерно превышение нормативных показателей по ХПК, железу общему, марганцу, в некоторых створах - превышение нормативов по аммоний-иону, фенолам, нефтепродуктам. Геохимическая особенность Шлинского водохранилища заключается в большом природном содержании в воде Mn (до 65ПДКрх) и Fe (до 7ПДКрх), а также наличии высоких показателей цветности. Для оценки качества вод Шлинского водохранилища за 2015-2019 гг. были рассчитаны интегральные показатели качества вод: индекс загрязнения воды (ИЗВ) и удельный комбинаторный индекс загрязненности воды (УКИЗВ). Гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ) до 2002 г. использовался в качестве основного комплексного показателя качества воды. По значениям ИЗВ выделяют 7 классов качества вод, в зависимости от степени их загрязненности. Расчет индекса проводится по шести ингредиентам: растворенный кислород и БПК5 являются обязательными, и еще 4 вещества выбираются из тех, которые имели наибольшие относительные концентрации (Ci/ПДКi) [1-3]. Основной недостаток индекса в том, что учитывается небольшой спектр загрязняющих веществ. При расчете индекса ИЗВ использовались следующие показатели: растворенный кислород, БПК5 и цветность, нефтепродукты, ХПК, аммоний-ион (эти четыре показателя выбраны из превышающих ПДКрыбхоз чаще других, но не обусловлены природными особенностями территории). Результаты расчета индекса ИЗВ представлены в табл. 1 и на рис. 2. Максимальные значения индекса ИЗВ во всех створах наблюдаются в весенний период, а минимальные - в осенне-зимний период. В целом качество вод Шлинского водохранилища по значению индекса ИЗВ во всех створах оценивается на протяжении всего периода наблюдений (2015-2019 гг.) как «умеренно загрязненные» (класс качества воды - III). При этом есть тенденция к ухудшению качества воды в весенне-летний период во всех створах. Таблица 1. Значение индекса ИЗВ, класс качества вод, качественное и экологическое состояние вод в створах Шлинского водохранилища в 2015-2019 гг. Год Значения ИЗВ февраль май июль октябрь д. Комкино, Шлинский бейшлот 2015 1,07 1,7 1,81 1,45 2016 1,21 2,25 1,58 1,42 2017 1,44 2,45 1,92 1,69 2018 2,2 1,96 2,02 1,43 2019 1,35 1,59 1,82 2,56 д. Яблонька 2015 1,39 1,68 1,54 1,51 2016 1,18 2,18 1,68 1,38 2017 1,4 2,49 2,1 2,11 2018 2,18 1,98 1,82 1,75 2019 1,33 1,86 1,92 2,73 р. Кова - устье, д. Лука 2015 1,24 1,11 1,75 1,35 2016 1,22 2,16 1,56 1,4 2017 1,71 2,51 1,91 1,55 2018 1,78 2,4 2,03 1,49 2019 1,35 2,62 1,92 1,89 Устье р. Рабежа 2015 1,29 1,77 1,51 1,26 2016 1,17 1,87 1 1,59 2017 1,7 2,62 1,98 2,07 2018 1,88 2,55 1,44 1,44 2019 1,24 1,98 1,25 2,66 Table 1. WPI index value, water quality class, quality and ecological state of waters in the sections of the Shlinskoye reservoir, 2015-2019 Year WPI values February May July October village Komkino, Shlinsky beyshlot 2015 1.07 1.7 1.81 1.45 2016 1.21 2.25 1.58 1.42 2017 1.44 2.45 1.92 1.69 2018 2.2 1.96 2.02 1.43 2019 1.35 1.59 1.82 2.56 village Yablonka 2015 1.39 1.68 1.54 1.51 2016 1.18 2.18 1.68 1.38 2017 1.4 2.49 2.1 2.11 2018 2.18 1.98 1.82 1.75 2019 1.33 1.86 1.92 2.73 r. Kova - mouth, village Luka 2015 1.24 1.11 1.75 1.35 2016 1.22 2.16 1.56 1.4 2017 1.71 2.51 1.91 1.55 2018 1.78 2.4 2.03 1.49 2019 1.35 2.62 1.92 1.89 mouth of the r. Rabezh 2015 1.29 1.77 1.51 1.26 2016 1.17 1.87 1 1.59 2017 1.7 2.62 1.98 2.07 2018 1.88 2.55 1.44 1.44 2019 1.24 1.98 1.25 2.66 В створах р. Кова - устье, д. Лука (2017 и 2019 гг.) и Устье р. Рабежа (2017 и 2018 гг.) в мае наблюдалось ухудшение качества воды до IV класса качества - «загрязненная». Такой же класс качества вод был отмечен в створах д. Яблонька и Устье р. Рабежа в октябре 2019 г. (рис. 2). В октябре 2019 г. в створе д. Яблонька показатель ИЗВ приобретает максимальную за период наблюдений характеристику - 2,73 из-за высокой цветности, которая составляла 170 ед.цв. (8,5 ПДК), ХПК - 38,6 мг О/дм3 (2,6 ПДК) и аммоний-иона - 0,92 мг/дм3 (1,8 ПДК). I - очень чистая II - чистая III - умеренно загряз-ненная IV - загрязненная Рис. 2. Значения индекса ИЗВ в створах Шлинского водохранилища за 2015-2019 гг. I - Very clen II - Clean water III - Moderately polluted IV - Polluted Figure 2. Values of WPI index in the sections of the Shlinskoye reservoir for 2015-2019 На сегодняшний день удельный комбинаторный индекс загрязненности воды (УКИЗВ) является приоритетным. Классификация качества воды по значениям УКИЗВ позволяет разделять поверхностные воды на 5 классов в зависимости от степени их загрязненности. При его расчете определяется не только кратность превышения ПДК, но и повторяемость случаев превышений нормативных значений. Данные расчета индекса УКИЗВ позволяют более точно отражать качество поверхностных вод. Значение УКИЗВ может варьировать в водах различной степени загрязненности от 1 до 16. Большему значению индекса соответствует худшее качество воды в различных створах и т.д. В расчете индекса УКИЗВ использовались все определяемые в пробах химические показатели. Результаты расчета индекса УКИЗВ представлены в табл. 2 и на рис. 3. Таблица 2. Значение индекса УКИЗВ, класс качества и экологическое состояние вод в створах Шлинского водохранилища в 2015-2019 Значение индексов по створам 2015 2016 2017 2018 2019 д. Комкино, Шлинский бейшлот УКИЗВ Класс качества вод Экологическое состояние 2,75 3Б загрязненная 2,47 3А загрязненная 0,92 1 условно чистая 1,37 2 слабо загрязненная 1,16 2 слабо загрязненная д. Яблонька УКИЗВ Класс качества вод Экологическое состояние 2,18 3А загрязненная 2,56 3Б загрязненная 1,18 2 слабо загрязненная 1,31 2 слабо загрязненная 1,14 2 слабо загрязненная р. Кова - устье, д. Лука УКИЗВ Класс качества вод Экологическое состояние 1,37 2 слабо загрязненная 2,49 3А загрязненная 1,34 2 слабо загрязненная 1,30 2 слабо загрязненная 1,49 2 слабо загрязненная Устье р. Рабежа УКИЗВ Класс качества вод Экологическое состояние 2,45 3А загрязненная 2,48 3А загрязненная 1,33 2 слабо загрязненная 1,35 2 слабо загрязненная 1,25 2 слабо загрязненная Table 2. The value of the SCIWP index, quality class and ecological state of waters in the sections of the Shlinskoye reservoir, 2015-2019 Index value along the sections 2015 2016 2017 2018 2019 village Komkino, Shlinsky beyshlot SCIWP quality class and ecological state of waters 2.75 3Б contaminated 2.47 3А contaminated 0.92 1 conditionally clean 1.37 2 slightly polluted 1.16 2 slightly polluted village Yablonka SCIWP quality class and ecological state of waters 2.18 3А contaminated 2.56 3Б contaminated 1.18 2 slightly polluted 1.31 2 slightly polluted 1.14 2 slightly polluted r. Kova - mouth, village Luka SCIWP quality class and ecological state of waters 1.37 2 slightly polluted 2.49 3А contaminated 1.34 2 slightly polluted 1.30 2 slightly polluted 1.49 2 slightly polluted mouth of the r. Rabezh SCIWP quality class and ecological state of waters 2.45 3А contaminated 2.48 3А contaminated 1.33 2 slightly polluted 1.35 2 slightly polluted 1.25 2 slightly polluted По значению индекса УКИЗВ воды Шлинского водохранилища в течение наблюдаемого периода (2015-2019 гг.) в основном оценивались как вода «слабо загрязненная» (II класс) и «загрязненная» (III класс, разряд «А» и «Б»). Рис. 3. Значения индекса УКИЗВ в створах Шлинского водохранилища за 2015-2019 гг. Figure 3. Values of the SCIWP index in the sections of the Shlinskoye reservoir for 2015-2019 По значениям индекса УКИЗВ отмечается улучшение качества вод в исследуемый период. За 2015-2016 гг. вода в среднем оценивается как загрязненная (класс IIIА), за 2017-2019 гг. оценивается как слабо загрязненная (класс II). Такая тенденция прослеживается по всем исследуемым створам (рис. 3). Промышленной деятельности на берегах водохранилища не ведется, поэтому антропогенная нагрузка на водоем сравнительно невысока. Однако анализ космических снимков прибрежной территории показал, что есть нарушения пятидесятиметровой водоохранной зоны водоема: коттеджная застройка, без подключения к централизованной системе водоотведения; хозяйственные постройки; приусадебные участки, огороды и сады. Обсуждение Таким образом, в результате проведенной работы были определены приоритетные загрязняющие вещества и показатели вод Шлинского водохранилища (по превышению предельно допустимых концентраций). К таким веществам относятся марганец, цветность, ХПК, нефтепродукты и аммоний-ион. При этом повышенное содержание марганца и железа, а также высокие показатели цветности - природная геохимическая особенность вод водохранилища. По содержанию биогенных элементов отмечены превышения только по аммонийному азоту. По фосфатам, нитратам и нитритам превышений ПДКрх не наблюдается. Источниками данных веществ в водах водохранилища могут быть как природные (внутриводоемные процессы, поверхностный сток с водосбора и т.д.), так и антропогенные факторы. Например, поверхностный сток с обрабатываемых приусадебных участков, расположенных в прибрежной зоне водохранилища, может рассматриваться как источник поступления в водоем биогенных веществ и агрохимикатов. Неорганизованные стоки хозяйственно-бытовых вод домовладений, стоки с частных скотных дворов, расположенных в прибрежной зоне водохранилища, также вносят свой вклад в поступление биогенов в водный объект. Вода в створе Шлинский бейшлот остается самой чистой по сравнению с другими створами за годы наблюдений. Створы д. Лука и устье р. Рабежа - наиболее загрязненные, в основном из-за близости к устью рек Кова и Рабежа, которые могут нести с собой потенциально загрязненные воды. Так как это небольшие речки длиной 18 км каждая, а по берегам находится ряд деревень, то в число основных загрязнителей попадают органические и биогенные соединения, нефтепродукты. Качество вод Шлинского водохранилища по значению индекса ИЗВ относится к III классу и оценено как «умеренно загрязненные» на протяжении всего периода наблюдений. По значению индекса УКИЗВ в 2015-2016 гг. качество воды соответствует III классу разряд «а» (загрязненные), в 2017-2019 гг. - II классу (слабо загрязненные). Такая тенденция прослеживается по всем исследуемым створам. Расчет комплексных индексов качества воды ИЗВ и УКИЗВ, показал, что более точную информацию о состоянии поверхностных вод дает индекс УКИЗВ, так как при его расчете используются данные по всем определяемым в пробе веществам. Заключение В результате исследования проб воды Шлинского водохранилища выявлены приоритетные загрязняющие вещества: марганец, цветность, ХПК, нефтепродукты и аммоний-ион. Проведенная оценка качества вод в исследуемых створах водохранилища показала, что: · по значению индекса загрязнения воды - вода соответствует III классу (воды «умеренно загрязненные»); · по значению комбинаторного индекса загрязненности воды отмечено улучшение качества вод - в 2015-2016 гг. вода соответствовала III классу разряд «а» (загрязненные), в 2017-2019 гг. - II классу (слабо загрязненные). В ходе анализа экологического состояния Шлинского водохранилища было выявлено, что существенного антропогенного воздействия на водный объект не оказывается. Основная антропогенная нагрузка обусловлена хозяйственно-бытовой деятельностью в поселениях, расположенных как на берегах самого водохранилища, так и берегах малых рек, впадающих в него.

Об авторах

Галина Александровна Лазарева

Университет «Дубна»

Автор, ответственный за переписку.
Email: lazarevg@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3189-0344
SPIN-код: 2916-4738

кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии и наук о Земле

Российская Федерация, 141980 Московская обл., г. Дубна, ул. Университетская, д. 19

Полина Витальевна Новикова

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Центррегионводхоз» Дубнинская экоаналитическая лаборатория

Email: anilop-96@mail.ru
инженер-химик Российская Федерация, 141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 20

Список литературы