Формирование качества поверхностных вод природно-хозяйственной системы

Краткое описание

ВВЕДЕНИЕ ...4

1. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ В СТРУКТУРЕ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ (ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ)...10

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...14

2.1. Основные методы комплексного исследования ПХС...14

2.2. Методы анализа поверхностных вод...19

3 .ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕГИОНА...27

3.1. Геолого-геоморфологическое описание и рельеф...28

3.2. Климат...30

3.3. Подземные и поверхностные воды...32

3.4. Почвы...34

3.5. Растительный и животный мир...35

4. ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

В РЕГИОНЕ...37

4.1. Характеристика хозяйственной деятельности...38

4.2. Техногенный морфогенез территорий...42

4.3. Аэротехногенное загрязнение...45

4.4. Деградация почвенного покрова...49

4.5. Загрязнение подземных вод...51

5. ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД...55

5.1. Источники загрязнения поверхностных водотоков региона...56

5.2. Основные солеобразующие ионы...62

5.3. Тяжелые металлы...67

5.4. Биогенные элементы...72

5.5. Растворенный кислород ИБПК5...81

5.6. Нефтепродукты, СПАВ и фенолы...84

5.7. Комплексная оценка влияния антропогенной нагрузки на качество вод...89 6. СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ И КАЧЕСТВА ВОД РЕГИОНА...100

6.1. Мониторинг поверхностных вод. Планирование гидрохимических исследований и определение оптимального количества проб воды...101

6.2. Комплексный геоэкологический мониторинг...104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...109

ВЫВОДЫ...121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...124

ПРИЛОЖЕНИЕ...141
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. К числу одной из важнейших проблем современности относится истощение водных ресурсов. Быстрый рост населения и бурное развитие промышленности привели к тому, что недостаток воды уже начали испытывать многие; страны мира (Экологические императивы..., 1996; Данилов-Данильян, Лосев, 2000; Хесле, 2003; Klimuszro, 2000; Intergovernmental..., 2001). В России достаточно остро стоит вопрос в регионах, которые имеют малую водообеспеченность.

Одним из районов, где обозначилась проблема качественного истощения водных ресурсов, является Оскольский регион, расположенный на территории Курской магнитной аномалии (КМА). Из-за уникальности и богатства минерально-сырьевых ресурсов он обладает высоким промышленным потенциалом. Здесь сосредоточены, мощные горнодобывающие, горноперерабатывающие и металлургические предприятия и создана соответствующая инфраструктура. Благоприятных климатических условий и распространение черноземов на территории региона обусловило также интенсивное развитие сельского хозяйства. Геоэкологическое состояние территории зависит от разных источников техногенеза, однако, ключевое место в инфраструктуре региона занимает горно-металлургический комплекс (ГМК). Именно горная и металлургическая индустрия активно изменяет исторически сложившиеся геохимические циклы в природе, «перекачивает» на земную поверхность элементы, извлекая их из недр и обогащая в технологических циклах (Моисеенко, 1999).

В связи с этим десятки тонн минеральных солей, взвешенных веществ, биогенных элементов и тонны тяжелых металлов (ТМ) поступали и продолжают поступать в водные объекты и, прежде всего, в речную сеть со сбросами отработанных промышленных вод. Кроме промышленных загрязнений, в реки поступает большое количество удобрения, сносимые с полей, смывов с загрязненных почв, хозяйственно-бытовых стоков, органических отходов промышленности и сельского хозяйства. В результате резко

активизируются процессы эвтрофирования, увеличивается биомасса водных растений, разложение которой в свою очередь приводит к дефициту кислорода и экологической деградации водотока. Аэротехногенным путем на территорию водосбора поступают большие количества пыли, содержащие ТМ и другие загрязняющие вещества (ЗВ), например, соединения серы, хлора, азота.

Нарастание антропогенной нагрузки на водные ресурсы Оскольского региона шло с 30-х до 90-х годов прошлого века в соответствии с увеличение мощности производства. Введение на предприятиях очистных сооружений и повышение доли водооборотного водоснабжения не приводило к заметному улучшению геоэкологического состояния водоемов и водотоков, загрязнение продолжало увеличиваться и достигло максимума к середине 90-х гг. К концу XX века довольно существенный спад производства, связанный с общим экономическим положением в стане, привел к незначительному сокращению антропогенной нагрузки.

Изучение закономерностей формирования качества поверхностных вод было начато с начала 30-х гг. прошлого века в рамках исследований водных ресурсов ЦЧО (Потапов, 1932; Воскресенский, 1948; Цыкало, 1968; Курдов, 1995). Однако в указанных работах основное внимание было уделено водному и ледовому режиму реки Оскол, оценены годовые, весенние и минимальные объемы речного стока. Обработка результатов химико-аналитических исследований носила эпизодический характер, а число изучаемых параметров было довольно ограничено. Гидрохимическое состояние малых рек региона, имеющих значительное народно-хозяйственное значение, в литературе остается недостаточно освещенным.

Таким образом, анализ имеющихся научных материалов выявил низкую изученность процессов формирования качества поверхностных вод в условиях природно-хозяйственной системы горно-металлургической направленности. Поэтому особую актуальность в современных условиях приобретают обоснование комплексных подходов в

оценке геоэкологической ситуации региона и особенностей антропогенной миграции загрязняющих веществ. Актуальность решаемых в диссертационной работе задач определяется также и практической потребностью изучения техногенного воздействия на качество поверхностных водотоков в связи с реализацией природоохранных программ различного уровня в интенсивно осваиваемом Оскольском регионе.

Цель настоящей работы состоит в выявлении особенностей формирования химического состава поверхностных вод в условиях функционирования ПХС Старооскольского горно-металлургического комплекса и совершенствовании методики мониторинговых исследований территории.

Для достижения поставленной цели была осуществлена постановка и решение следующих задач:

1. Оценить территорию водосбора р. Осколпо уровню интенсивности антропогенной нагрузки, а также выявить гидрометеорологические факторы миграции загрязняющих веществ, способствующие или препятствующие загрязнению поверхностных водотоков.

2. Исследовать пространственно-временную динамику основных загрязняющих веществ в водотоках региона: солеобразующих ионов; тяжелых металлов (ТМ), нефтепродуктов, СПАВ, фосфора, азотосодержащих элементов и органических веществ.

3. Выявить влияние различных геоэкологических факторов на формирование качества вод.

4. Разработать концепцию геоэкологического мониторинга региона.

Научная новизна работы. Проанализирована геоэкологическая обстановка, сложившаяся на территории ПХС горно-металлургической направленности; аэротехногенное загрязнение водосбора; деградация почвенного покрова; техногенный морфогенез рельефа; состояние подземных вод; источники загрязнения поверхностных водотоков. Составлена картосхема геоэкологического состояния территории Оскольской ПХС и выделены зоны с различными уровнями антропогенной нагрузки. Дана

характеристика пространственно-временной изменчивости гидрохимических показателей поверхностных вод Оскольского региона, определены закономерности распространения загрязняющих веществ в водотоках с учетом ландшафтно-географических условий формирования качества вод и факторов антропогенной нагрузки. На основе статистически-вероятностных методов проведена классификация поверхностных вод на генетически однородные гидрохимические группировки с использованием градиента отличия и коэффициента пропорционального сходства Имбри-Парди. В зависимости от уровня. и характера антропогенной нагрузки выделены основные негативные процессы изменения качества поверхностных вод. Разработана система концептуальных положений по организации контроля качества поверхностных водотоков и геоэкологического мониторинга, учитывающего различные компоненты природной среды. Основные защищаемые положения:

1. Районирование речной сети с учетом региональных особенностей распределения загрязняющих веществ на водосборе.

2. Система методических решений по выявлению влияния отдельных источников загрязнения на химический состав вод и оценке качества поверхностных вод.

3. Оценка геоэкологической ситуации на территории, в пределах которой фиксируются различные уровни интенсивности антропогенной нагрузки.

4. Концепция геоэкологического мониторинга региона.

Практическая значимость работы. Материалы и результаты работы могут быть использованы в сфере природоохранного законодательства, при проведении экологической экспертизы и регламентации; хозяйственной деятельности для разрабатываемых в будущем проектов индустриального развития региона, в прогнозировании изменений природной среды при дальнейшем промышленно-экономическом развитии Оскольского региона, а также в разделах учебных курсов, посвященных промышленной геоэкологии и рациональному природопользованию.

Результаты исследований нашли применение при разработке и внедрении программы экологического менеджмента на ОАО «Оскольскии электрометаллургический комбинат», принятой 8 декабря 2003 г.

Полученные результаты используются автором при чтении курса «Экология» в Старооскольском филиале Воронежского государственного университета. Подготовлено и находится в печати методическое пособие по этому курсу.

Апробация работы и публикации Основные положения диссертации были доложены на 10 всероссийских и региональных конгрессах, конференциях, научных сессиях и научно-практических семинарах. В их числе: конгресс «Экватек-2002» (Москва, 2002); всероссийская конференция с участием специалистов из стран ближнего и дальнего зарубежья «Современные проблемы водной токсикологии» (Борок, 2002); V всероссийская научно-практическая конференция «Территориальная организация общества и управление в регионах» (Воронеж, 2002); межрегиональная научно-практическая конференция «География и региональные исследования» (Чебоксары, 2002); общественно-научная конференция «Природные и культурные ландшафты: проблемы экологии и устойчивого развития» (Псков, 2002); научная сессия Воронежского госуниверситета (итоги работы 2001 года) (Воронеж, 2002); конференция молодых ученых ИВП РАН (Москва, 2002); конференция молодых ученых «Современные проблемы экологии, микробиологии и иммунологии» (Пермь, 2002) симпозиум «Внедрение системы экологического менеджмента» (Старый Оскол, 2004).

Автором по теме диссертации опубликованы 5 тезисов докладов и 4 статьи; одна статья и методическое пособие находятся в печати.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 6 глав основного текста, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 140 страницах, включая 14 таблиц, 14 рисунков и список литературы,

состоящий из 192 наименований, в том числе 45 иностранных. Работа содержит 14 приложений.

Личный вклад автора Автору принадлежит организация и проведение некоторых экспедиционных работ, связанных с отбором проб воды, участие в опробовании поверхностных вод региона совместно с Госкомгидрометом ЦЧО в 2000 г., сбор и анализ данных по характеристике природных сфер, обработка и обобщение полученных результатов.

Автор диссертации выражает глубокую признательность сотрудникам Госкомгидромета ЦЧО, в особенности Подлеснюк Л.В., сотрудникам центральной водно-воздушной лаборатории ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат», в особенности Писаревой Г.Г., за действенную помощь в сборе фактического материала, ценные советы и рекомендации.

ГЛАВА I. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ В СТРУКТУРЕ ПРИРОДНО-ХОЗЯИСТВЕННЫХ

СИСТЕМ (ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ)

Формирование вод суши и в первую очередь их гидрохимическое состояние, происходит на водосборных территориях в тесной зависимости от экологических условий на них, которые «заведают», по словам B.C. Залетаева, «расходом атмосферной влаги, особенностями поверхностного стока, его пространственным распределением, накоплением и хранением» (Залетаев, 1999). Интерес к проблеме изучения изменений качества вод, вызываемых антропогенными преобразованиями на водосборе, четко обрисован во многих научных работах последних лет (Водные проблемы ..., 1999; Котляков, 2001; Моисеенко, 2003; The ecology ..., 1990; Postel, 1999; Holland, Naiman, 2001).

Природная среда любого участка земной поверхности формируется под совместным воздействием двух главных факторов: геомы - совокупности абиотических компонентов какого-либо региона («мертвая природа» В.В. Докучаева (Докучаев, 1949)) и биоты — его органического мира («живая природа» В.В. Докучаева (Там же)). По мнению многих ученых, именно первую группу надо считать ведущей, создающей основу современной природной среды (Геттнер, 1925; Морозов, 1931; Дьяконов, 1991; Исаченко, 1991; Виноградов, 1994; Friedrichsen, 1914; Troll, 1963). Н.А.Солнцев отмечал, что «совокупность компонентов неживой природы (земная кора, атмосфера, воды) обладает большой мощностью. Кроме того, все ее свойства чрезвычайно устойчивы, изменяясь медленно и постепенно на протяжении длительных отрезков времени. Благодаря этим качествам, именно она и формирует основу природной среды» (Солнцев, 2001).

Геолого-геоморфологическая основа, являющаяся главной составляющей геомы, наиболее стабильна; для ее разрушения, как и для ее восстановления, требуются наибольшие энергетические затраты (Сочава, 1978; Schluter, 1996). Внешние воздействия

10

на геолого-геоморфологическую основу передаются ею всем другим компонентам природного территориального комплекса (НТК). Многими аналогичными чертами обладает почва. Однако это принципиально другое - биокосное тело, сложное образование, в котором одновременно участвуют органические и неорганические элементы (Арманд, 1967).

В современных условиях, когда географическая оболочка сильно трансформирована человеком, мы чаще имеем дело не с естественными, а с антропогенно преобразованными ПТК. Каждому виду человеческой деятельности - сельскохозяйственной, промышленной, селитебной, транспортной и т.д. - соответствуют различные пространственные структуры. Это положение привело Г.И. Швебса к концепции природно-хозяйственных систем (ПХС) (Швебс, 1987), согласно которой в зависимости от природных условий, вида хозяйственных объектов, их плотности, интенсивности обмена веществ и других факторов формируются вторичные по отношению к исходным ПТК природно-хозяйственные системы различного ранга. В структуру ПХС включаются природные и техногенные объекты, которые наряду с геоэкологическими компонентами природной среды образуют открытую динамическую систему, элементы которой тесно связаны между собой прямыми и обратными причинно-следственными связями, обусловливающими их структурно-функциональное единство (Голодковская, Куринов, 1999). Функционирование системы обусловлено определенными критериями производства, с одной стороны, и способностью к видоизменению природных объектов — с другой (Самарина, 2004 (в)). В хозяйственной деятельности человек целенаправленно изменяет один или несколько компонентов природной среды, при этом формирование антропогенно преобразованной системы происходит в результате триединого процесса (Реймерс, 1994):

деструкция, разрушение существующей природной системы;

аккумуляция некоторых новых свойств и их трансформация;

создание качественно новой системы.

11

Функционирование системы предполагает воздействие техногенных или природных источников на компонент природной среды, его реакцию на это воздействие и геоэкологические последствия, отмечаемые в атмосфере, гидросфере, литосфере, а также техносфере и социосфере (Теория и методология ..., 1997; Голодковская, Куринов, 1999) (рис.1).

техногенные к.

природные

компоненг природной

атмосфера геоэкологическая мишень

гидросфера

литосфера

техносфера

социосфера

Рис.1. Строение природно-хозяйственной системы (по Г.А: Голодковской, М.Б. Куринову, 1999, с изменениями и дополнениями автора).

В нашей работе в качестве аккумулятора и трансформатора воздействия рассматриваются поверхностные водотоки, а в качестве геоэкологической мишени -изменение гидрохимических характеристик рек. Ландшафтные комплексы, состав атмосферы, состояние подземных вод оказываются важнейшими факторами, влияющими на качество вод. Крупномасштабное антропогенное преобразование IПК водосбора способно существенно трансформировать естественные процессы формирования гидрохимического состояния рек, и становится одним из ведущих факторов средообразования регионального и бассейнового уровней. Реки вбирают в себя практически весь сток с водосбора, перенося ЗВ на значительные расстояния (Перельман, 1996; Петров, 1997). Помимо неорганизованных смывов, большинство промышленных предприятий и населенных пунктов сбрасывают в водотоки сточные воды различной степени очистки. Крупномасштабное антропогенное преобразование ПТК водосбора способно существенно трансформировать естественное гидрохимическое состояние рек, становясь в ряд ведущих факторов средообразования регионального и бассейнового уровней.

12

выводы

- по мнению многих ученых России и зарубежья, основу природной среды, как естественных ПТК, так и преобразованных человеком ПХС, формирует геома. При этом структурно-функциональная организация системы несет в себе основной информационный материал.

- воздействие техногенных и природных составляющих ПХС распространяется на геологические компоненты природной среды: атмосферу, почвы и растительность, земную поверхность, подземные и поверхностные воды. Геоэкологической мишенью может выступать атмосфера, гидросфера, литосфера, а так же техносфера или социосфера.

- в работе в качестве геоэкологической мишени рассматриваются поверхностные водотоки. Перестройка структуры НТК в результате антропогенной деятельности вызывает изменения природной среды, приводящие к трансформации естественного гидрохимического состояния рек.

13

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом нашего исследования являлась ПХС, со всем многообразием ее

внутреннего строения, взаимосвязями и динамикой. Отдельные компоненты и процессы этой системы рассматривались как составные части, состояния, свойства системы. Весь процесс исследования природных территориальных и природно-антропогенных комплексов состоит из непрерывно чередующихся операций анализа-синтеза (Беручашвили, Жучкова, 1997), например, покомпонентного разбора и обобщения компонентов с выявлением ПХС. При этом целое разлагается на части, а затем делается попытка осмыслить результирующий1 эффект взаимодействия отдельных элементов системы.

Гидрохимические исследования позволяют количественно охарактеризовать процессы, протекающие в водотоке, выявить связи между отдельными параметрами химического состава вод, а также изучить влияние природных и техногенных компонентов ПХС на водосборе на качество вод. Методы картографирования и описания НТК и ПХС довольно хорошо разработаны (Агроландшафтные исследования..., 1992; Голубева, 1999; Питьева, 1999; Mac Phail, 1981; Calculation and mapping ..., 1993) и не является отдельным предметом нашего исследования. Однако лишь после описания и картографирования общих черт структуры ПХС, можно преступать к более сложным и специфическим, в частности, гидрохимическим, исследованиям.

2.1. Основные методы комплексного исследования ПХС

Комплексность исследований ПХС связана с необходимостью: многостороннего рассмотрение довольно широкого круга числа вопросов; использования данных многолетних наблюдений; применение эмпирических и теоретических методов познания; качественно-количественную оценку явлений (Питьева, 1984; Скорняков, 1999). Сбор данных о состоянии ПХС представляет собой создание информационного отпечатка,

включающего фактические показатели различных компонентов. Он представляет собой

14

избирательный анализ признаков составляющих системы и оценку ее качества. Вопросы выбора критериев оценки состояния системы рассматриваются, прежде всего, применительно к конкретным объектам и для решения тех или иных задач исследований. В настоящей работе рассматриваются особенности исследований ПХС с позиции анализа геологической среды «как среды жизни и деятельности человека» (Приоритетные задачи ..., 2003).

Оценка развития «антропогенных геологических процессов» (Трофимов, Зилинг, 1995), сопутствующая всем видам техногенеза, основана на анализе степени нарушенности рельефа. Количественно выражается через отношение площади техногенного рельефа к площади всего участка (в%).

В качестве основного критерия; оценки загрязнения воздуха в пределах ПХС предлагается величина суммарного загрязнения воздуха (ZcBOxi), выражающая в сумме содержание загрязняющих веществ (ЗВ), нормированных к ПДК в приземных концентрациях. Данный выбор основан на том, что суммарные атмосферные выбросы промышленных зон являются одними из основных источников загрязнения компонентов окружающей среды (Атмосферная..., 1985; Государственный доклад ..., 2001). Они сопутствуют всем горнодобывающим, промышленным, селитебным и иным видам техногенеза. Помимо объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников, при оценке качества атмосферы необходимо учитывать физико-географические и климатические условия местности, а также особенности взаимного расположения техногенных составляющих ПХС различной функциональной направленности (Берлянт, 2000; Deevey, 2003). Все эти факторы опосредованно учитываются при оценке качества воздуха по приземным концентрациям.

Индикатором загрязнения воздуха, определяющим среду атмосферных вод, является ионный состав осадков. Для детального изучения процессов загрязнения водотоков региона, подверженных значительному аэротехногенному воздействию, нами

15

дополнительно были отобраны пробы осадков в различные периоды и проанализирован их химсостав. Всего проанализировано более 60 проб на содержание основных ионов минерализации по материалам 2000 г.

Деградация почв представляет собой совокупность процессов, приводящих к изменению функции почвы как элемента природной среды, количественному и качественному ухудшению ее свойств и режимов (Зимовец, Хитров, 2001). Определение степени деградации почв и земель производится в соответствии со стандартизированными оценочными методиками (Методика определения ..., 1994; ГОСТ 17.4.1.02-83; ГОСТ 17.4.2.01-81; ГОСТ 17.5.4.02-84). Оценка трансформации системы по геохимическим критериям позволяет определить степень и направление геохимической миграции элементов (Методические..., 1992; Денисов, Гутенев, Луганская, 2002). Уровень загрязнения классифицируется по показателю суммарного загрязнения почв (Zcoh) (Глазовская, 1989) и включает количественное содержание токсических солей, органических веществ (ОВ), нефтепродуктов, суммарный показатель загрязнения ТМ.

Оценка влияния антропогенной нагрузки различного уровня интенсивности по состоянию подземных вод проводится на основе гидрохимических критериев (Комплексные оценки..., 1998), количественно выражается показателем суммарного загрязнения подземных вод (ZcnBlw).

Поверхностные воды - важнейший компонент природной среды, место обитания большого количества живых организмов и важнейший ресурс жизнеобеспечения человека (Хубларян, 1999). Последствия загрязнения воды сказываются на состоянии экосистем и здоровье человека (Margat, 1991). Согласно существующим нормативным документам в качестве контролируемых показателей качества воды поверхностного источника учитываются (ГОСТ 17.1.1.01-77; ГОСТ 17.1.3.07-82; Комплексные оценки..., 1998):

1) органолептические показатели воды;

2) показатели химического состава;

16

3) санитарные показатели качества;

4) биологические показатели.

По каждому показателю существуют разработанные значения предельно допустимых концентраций. Все существующие в России нормативы качества воды оценивают исключительно ее потребительские свойства, т.е. рассматривают только ее ресурсные возможности (Кочарян, 1999). В качестве критериев оценки состояния поверхностных вод ПХС предлагается анализ гидрохимической группы. В количественном отношении загрязнение поверхностных вод выражено через суммарный показатель загрязнения поверхностных вод ZcBOa, нормированных к ПДК для рыбохозяйственных водоемов. Несмотря на критику существующих ПДК, они формируют представление об относительной опасности загрязняющих веществ для водных обитателей, вкладе различных веществ в общую геоэкологическую ситуацию в водотоке, долгое время позитивно служили ориентирами в деле охраны качества вод от загрязнения.

Пункты контроля геоэкологического состояния территории находились на различных расстояниях от основных промышленных объектов и населенных пунктов. Уровни интенсивности антропогенных нагрузок классифицируются по показателю суммарного загрязнения (Zc), выражающего в сумме содержание ЗВ, нормированных к ПДК. Существуют различные подходы к определению степени антропогенной нагрузки на территорию какого-либо региона. В работе оценка состояния региона проводилась на основе количественных критериев, соответствующих нормативным документам и ГОСТам (Методические указания ..., 1984; Методические рекомендации..., 1992; Комплексные оценки...,1998; Критерии оценки.-.., 2000).

Территории, на которых антропогенная деятельность привела к значительным, иногда необратимым изменениям в природной среде, испытывает антропогенную нагрузку 3 (высокого) уровня интенсивности; количественные оценки фиксируют здесь устойчивую тенденцию к ухудшению состояния окружающей среды. Согласно основным

17
Список литературы