Экологическое зонирование водоемов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экологическое зонирование водоемов

Т.Н. Казмирук

Комплексное использование водных объектов требует изучения уровня загрязнения и оценки их экологического состояния. На основе анализа данных натурных наблюдений и лабораторных исследований показано влияние донных отложений на гидрохимический режим водоемов. Предлагается методика экологического зонирования водоемов с учетом фактора потенциальной способности донных отложений влиять на водную среду и фактора влияния гидродинамической активности водных масс на состояние донных отложений. Пример экологического зонирования водоема приводится для условий Иваньковского водохранилища. Методика дает возможность определить в водоеме зоны повышенного экологического риска.

For complex make use of water-bodies study level of pollution and appreciation environmental condition are necessary. On the basis analysis date of nature research and laboratory findings influence bottom sediments on hydrochemical regime of water-bodies has been showed. The method of environmental zonation for water-body is proposed. Environmental zonation of Ivankovo reservoir is cited as an example.

В настоящее время рациональное использование и охрана водных ресурсов является одной из проблем хозяйственной деятельности человека, решение которой невозможно без всестороннего исследования водных объектов. Комплексное исследование водоемов и водотоков требует изучения уровня загрязнения и оценки их экологического состояния. Особое значение приобретают исследования донных отложений и их роли во внутриводоемных процессах.

Донные отложения являются не только сложной гетерогенной системой, образованной существенно большим количеством взаимодействующих тел, которые можно мысленно выделить из окружающей среды, но и открытой физико-химической системой, через границы которой осуществляется материальный обмен с окружающей средой [1]. Если рассматривать донные отложения как некоторую осадочную формацию, то изменение ее состава направлено к установлению равновесия с гидрогеохимической средой. С другой стороны, поступление растворенных веществ из донных отложений в воду также вызывает гидрохимический отклик, то есть изменение их концентраций в водной среде. Взаимосвязь между компонентами экосистемы водоема имеет сложный динамичный характер и осуществляется по принципу локальных равновесий, согласно которому неравновесная в целом система «водные массы - донные отложения» в своем развитии проходит через целый ряд состояний равновесия [2]. Нарушение этих состояний - это изменение концентраций какого-либо элемента или его соединения в одном из компонентов системы: в донных отложениях или в водной среде. Однако это неизбежный процесс, так как донный комплекс грунтов постоянно аккумулирует запасы различных химических веществ, в том числе органических и биогенных, что является естественным следствием процесса осадконакопления в водоемах.

Влияние донных отложений на гидрохимический режим водоема заключается в том, что, накапливая и трансформируя различные вещества, они способны возвращать их в водную среду [3]. Миграция веществ в системе «водные массы - донные отложения» связана в основном с условиями и процессами взаимного перехода, которые можно представить в следующем обобщающем виде: 1) диффузия воды в толщу грунтов (в поровые воды) - поступление растворенных веществ из донных отложений в поверхностную (свободную) воду; 2) прямая сорбция твердыми частицами донных отложений веществ жизненно важных для гидробионтов - процесс десорбции; 3) седиментация взвеси, сорбирующей различные химические вещества - взмучивание и переотложение твердых частиц донных отложений; 4) изменение условий среды, при которых усиливается или ослабляется миграция веществ на границе дно - водные массы.

Рассмотрим особенности влияния донных отложений на химический состав водных масс водоема на примере Иваньковского водохранилища. Поступление растворенных веществ из донных отложений в воду вызывает локальное повышение их концентрации в придонном слое. Наиболее выражен этот процесс на участках со слабым водообменом (проточностью, ветроволновым перемешиванием). В придонном слое участка от д. Городня до о. Низовка и частично в приплотинной части водохранилища концентрация аммонийного азота на 0,06…0,08 мг/л больше чем в приповерхностном слое воды, концентрация нитритного азота - на 0,001…0,039, нитратного - 0,04…0,07, минерального фосфора 0,004…0,038, общего фосфора 0,003…0,018.

Повышенное содержание в придонном слое главных ионов наблюдается в зонах, испытывающих интенсивную антропогенную нагрузку (п. Перемерки, г. Конаково, д. Плоски). Содержание гидрокарбонатных ионов здесь в 1,05…1,12 раза больше чем в приповерхностном слое, ионов магния - 1,43…1,50 раза, кальция - 1,06…1,15, хлоридных ионов - 1,25…1,75 раза.

Поглощение кислорода донными отложениями тесно связано с состоянием и свойствами последних, которые, в свою очередь, зависят от свойств поступающего грунтоформирующего материала и гидродинамической активности водных масс. Сортировка материала по площади водоема приводит к тому, что на отдельных его участках кислород поглощается более интенсивно, чем на других. Больше других кислород поглощают органические илы, а заметнее всего этот процесс проявляется на мелководьях, где площадь дна и, соответственно, контактная зона с водными массами большая, а объем воды существенно меньше. На таких участках концентрация растворенного в воде кислорода в 1,5… 3,2 раза ниже, чем на прилегающих частях водоема. Здесь же, в результате разложения органических веществ, происходит подкисление водных масс, то есть смещение рН в сторону кислотности и тем самым создание специфических условий для жизни гидробионтов и миграции веществ. Коэффициент парной корреляции связи r(O₂, рН) = 0,91. В современных условиях участками с устойчиво пониженным содержанием растворенного кислорода и рН являются заливы у д. Заборовье и Городня, мелководный массив и заливы на бывшей левобережной пойме выше о. Низовка, верховья Шошинского плеса в районе о. Шалимово, участки сплавинообразования в Коровинском заливе.

Результаты проведенных расчетов по выявлению взаимосвязи между физико-химическими характеристиками водных масс и донных отложений во многом определяются их типом и физико-механическими свойствами. Так, для песка мелкозернистого, коэффициенты корреляции в основном изменяются в пределах 0…0,43, что говорит об отсутствии каких-либо значимых связей. Для песка илистого, ила песчанистого, ила серого получены некоторые осредненные результаты, характерные для всего Иваньковского водохранилища в целом, что не дает возможности обнаружить явных закономерностей и тенденций. При этом для илистых отложений (ил торфянистый, ила переходный) наблюдается наличие связи практически всех выделенных химических элементов и их соединений в водной среде и донных отложениях.

Данное обстоятельство дает возможность деления акватории водоема по фактору потенциальной способности донных отложений оказывать влияние на гидрохимический режим. Наиболее информативными параметрами зонирования в этом случае являются механические и физико-химические свойства комплекса донных грунтов, физико-химические характеристики придонной воды и их связи, а также глубина и морфометрические особенности участков водоема. В качестве обобщенного критерия зонирования водоема были приняты значения коэффициента корреляции между физико-химическими характеристиками донный отложений и воды для 90 % рассматриваемых связей. В результате были выделены: 1) область залегания песков и песков илистых в открытых частях водоема, для которых коэффициенты корреляции не превышают 0,5; 2) область залегания песков илистых в закрытых от волнения частях водоема, илов песчанистых и ила серого, для которых коэффициенты корреляции изменяются в пределах 0,5…0,7; 3) область залегания ила торфянистого, ила переходного, отложений из макрофитов, где коэффициенты корреляции выше 0,7.

При определенных условиях взаимодействия в системе «вода - донные отложения», под воздействием ветроволновых процессов происходит взмучивание частиц донных грунтов, их трансседиментация и, как следствие процесса - возможное вторичное загрязнение водной среды. В значительной степени этому способствует разрушение структуры донных отложений и раскрытие порового пространства, содержащего воду с концентрациями химических веществ в десятки, а иногда сотни раз превышающими их содержание в поверхностной (свободной) воде.

На большей части Иваньковского водохранилища наблюдается гидродинамическая активность водных масс, вызванная стоковыми течениями (верхний участок водоема примерно до д. Городня), стоково-ветровыми течениями (д. Городня - устье р. Созь), ветровыми течениями и особенно ветроволновым перемешиванием (Иваньковский и Шошинский плесы), движением водных масс в результате сброса воды через гидротехнические сооружения (Иваньковский плес). Приведенные участки водоема выделены условно по действию преобладающих факторов.

Наличие тесных корреляционных связей между мутностью воды и физико-химическими характеристиками донных отложений различных типов (r(q, Ca²⁺) = 0,67; r(q, C_орг) = 0,76; r(q, ППП) = 0,81 - для песка мелкозернистого; r(q, HCO) = -0,79; r(q, Cl^-) = 0,95; r(q, C_орг) = 0,79; r(q, N_общ) = 0,94; r(q, P_орг) = 0,97; r(P_общ, ППП) = -0,88 - для ила торфянистого) говорит о значительном вкладе взмучивания и переотложения твердых частиц дна, в особенности органического происхождения, в установлении локального равновесия между твердой и жидкой фазами, а также роли возможного вторичного загрязнения водной среды в этом процессе.

Гидродинамическая активность водных масс приводит не только к взмучиванию твердых частиц, но и к удержанию их в толще воды. Так как частицы могут сорбировать различные загрязнители, особенно техногенного происхождения, то, учитывая широту распространения, приведенный механизм, по-видимому является наиболее значимым при оценке влияния донных отложений на водную среду и экологическое состояние водного объекта. В настоящее время известно, что взвешенные частицы интенсивно сорбируют и переносят тяжелые металлы, радионуклиды, продукты распада нефти и нефтепродуктов, а также общий азот [4].

Для оценки возможного вторичного загрязнения водной среды водоема, обусловленного динамикой донных отложений, целесообразно рассмотрение критических условий для взмучивания, переноса и седиментации составляющих их твердых частиц [5].

В зоне взмучивания Иваньковского водохранилища взвешивание илистых частиц крупностью d < 0,005 мм происходит при скорости ветра 2…3 м/с. Усиление ветра до 10 м/с приводит к резкому увеличению мутности. В слабопроточных водоемах даже незначительные скорости ветра могут способствовать переотложению твердых частиц донных отложений и вторичному загрязнению водной среды. В условиях Иваньковского водохранилища наиболее неблагоприятными являются ветры западного направления повторяемость 17…23 %.

Распределение мутности воды по глубине с учетом фракционного состава показывает значительное преобладание во взвешенном материале мелкодисперсных частиц (80…95 %) для всех типов илистых донных отложений. Это вызвано тем, что донные отложения Иваньковского водохранилища формируются в основном за счет автохтонного материала, большая часть которого органического происхождения.

Расчет распределения мутности по площади дает возможность выделить участки водоема с содержанием взвешенных частиц в приповерхностном слое выше ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого назначения [6]. загрязнение водный экологический зонирование

Использование деления водоема по потенциальной способности донных отложений оказывать влияние на гидрохимический режим и по распределению мутности в приповерхностном слое, превышающей ПДК, дало возможность зонировать акваторию Иваньковского водохранилища по влиянию состояния донных отложений и их динамики на водную среду. Выделены следующие зоны: 1) зона слабого влияния; 2) зона умеренного влияния; 3) зона сильного влияния. В случае совпадения участков водоема с донными отложениями способными оказывать значительное влияние на гидрохимический режим и участков с концентрацией взвешенных частиц превышающей ПДК, эта часть акватории нами характеризуется как зона повышенного экологического риска. На рисунке приведена карта-схема зонирования акватории Иваньковского водохранилища по влиянию состояния донных отложений и их динамики на водную среду при скорости ветра 5 м/с западного направления повторяемостью 17…23 %. Для рассмотренных условий зона слабого влияния занимает около 25 % площади Иваньковского водохранилища. В основном это участки Волжского плеса, который является плесом руслового типа. Зона умеренного влияния занимает до 60 % всей площади Иваньковского водохранилища (участки Иваньковского и Шошинского плеса). Зона сильного влияния приходится большей частью на Шошинский плес. Сюда же попадают полузакрытые узкие заливы Иваньковского плеса. Общая площадь этой зоны около 15 %. Участки зоны повышенного экологического риска в основном расположены в Иваньковском плесе, полосой вдоль полузакрытых заливов в области глубин до 4…5 м и залегания ила песчанистого, для которого мелкодисперсные частицы составляют около 30 %.

Зонирование Иваньковского водохранилища по факторам влияния состояния и динамики донных отложений на водную среду при скорости ветра 5 м/с западного направления 1 - зона слабого влияния, 2 - зона умеренного влияния, 3 - зона сильного влияния, 4 - зона повышенного экологического риска

Таким образом, по условиям формирования и типу донных отложений, а также преобладающих механизмах их влияния на водные массы, на акватории Иваньковского водохранилища можно выделить 8 основных районов, границы которых в некоторых случаях совпадают с границами гидрографических районов [7].

Первый район (от г. Твери до д. Городня) характеризует русловую часть водоема, где взвешенные частицы переносятся стоковыми течениями. Первичная аккумуляция поступающего в водоем материала происходит в русловой ложбине от д. Городня до о.Низовка (район 2) и на правобережном и левобережном мелководных массивах (рай- он 3). Здесь же возможно повторное взмучивание и переотложение донного материала, а также поступление из донных отложений растворенных веществ. Взмучивание не происходит в закрытых заливах и на большинстве участков, заросших ВВР. Однако здесь накапливаются органические илы и загрязняющие вещества, наблюдается пониженное содержание растворенного в воде кислорода и рН. Аналогичная ситуация складывается на Иваньковском плесе (соответственно, районы 5 и 6). Взмучиванию донных отложений здесь дополнительно способствует работа ГЭС, шлюзов и водопропускных сооружений.

Четвертый район (от о. Низовка до устья р. Созь) не имеет обширных мелководных массивов и по своим гидролого-морфометрическим характеристикам занимает промежуточное место между районами 1 и 2, то есть небольшие стоковые течения (2…8 см/с), переходящие в стоково-ветровые и умеренное ветро-волновое перемешивание как источники взмучивания донных отложений.

Седьмой район занимает почти весь Шошинский плес, кроме его верховий (8-й район). Характерная особенность Шошинского плеса - его мелководность, ширина до 4 км и как результат интенсивное ветроволновое перемешивание и взмучивание донных отложений.

Таким образом, современное состояние грунтового комплекса водоема является показателем его экологического благополучия. Важными характеристиками выступают площади распределения основных типов донных отложений, скорость осадконакопления, состав донных отложений. Оценка влияния состояния донных отложений на водную среду включает следующую схему:

установление типов донных отложений и характера их распределения в водоеме;

определение физико-химических показателей донных отложений и водных масс;

анализ гидрологического режима и особенностей гидродинамической активности водных масс водоема;

зонирование акватории водоема по фактору потенциальной способности влияния донных отложений на водную среду;

зонирование акватории водоема по фактору влияния гидродинамической активности водных масс на состояние донных отложений - выявление участков водоема с мутностью, превышающей ПДК для водоемов, используемых для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых нужд.

совмещением зонирования по фактору потенциальной способности влияния донных отложений на водную среду и фактору влияния гидродинамической активности водных масс на состояние донных отложений выделяются участки водоема, наиболее подверженные возможному вторичному загрязнению водной среды.

Библиографический список

1. Страхов, Н. М. Основы теории литогенеза. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. Т.2. 574 с.

2. Зверев, В.П. Энергетика гидрохимических процессов седиментогенеза. - М.: Недра, 1983. 134 с.

3. Mortimer, C. H. The exchange of dissolved substances between water and mud in lakes // J. Ecology, 1971, V.29. P.280-329.

4. Liu Xin-wei. Background study on non-residual phase of elements in Changjiang and Huanghe estuarine sediments / Liu Xin-wei, Wu Jing-yang, Cai Yue-gin, Lin Rong-gen, Han Gui-rong // Chin. J. Oceanol. and Limnol. - 1996, V.14, N3. P. 282-290.

5. Казмирук, В. Д. Зарастающие водотоки и водоемы: Динамические процессы формирования донных отложений / В.Д. Казмирук, Т.Н. Казмирук, В.Ф. Бреховских. - М.: Наука, 2004. 310 с.

6. Алтунин, В. С. Контроль качества воды: Справочник / В. С. Алтунин, Т. М. Белавцева. - М.: Колос, 1993. 367 с.

7. Тихомирова, Л. К. Роль макрофитной растительности в формировании аквальных комплексов мелководий Иваньковского водохранилища. Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. - Пермь: Пермский ГУ, 1985. 16 с.

Размещено на Allbest.ru