Ecological and Geochemical Assessment of the Upper Volga Water Bodies

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Акватории суши, или водные ландшафты в районах интенсивной хозяйственной деятельности человека, испытывают изменения эколого-геохимических характеристик вод и отложений в результате поступления загрязняющих веществ с водосборов рек и водоемов и с атмосферными осадками. Поступающие загрязнения участвуют в формировании новых эколого-геохимических свойств акваторий. Их роль в этом процессе можно оценить только при сравнительном изучении нескольких, различающихся степенью и характером антропогенного воздействия, акваторий в одном климатическом поясе или географическом регионе. Такой подход реализован при геохимических исследованиях вод акваторий Верхней Волги.

Бассейн Волги – главной реки Восточно-Европейской равнины – представляет собой арену хозяйственной и культурной деятельности для 60 млн человек. Волжские воды испытывают негативное воздействие антропогенного фактора из-за недостаточно отрегулированного использования природных ресурсов, ведущего к загрязнению окружающей среды. Особенное место здесь занимают прибрежные города, являющиеся непосредственными источниками загрязняющих веществ для волжских вод. Загрязнения с городских территорий, как и с любой селитьбы, поступают в Волгу с поверхностными и грунтовыми водами и со сбросами недостаточно очищенных коммунальных и промышленных стоков. Однако для прибрежных городов, включая Москву, Волга является основным источником питьевого и промышленного водоснабжения. К тому же река и ее водохранилища имеют рыбохозяйственное и рекреационное назначение. Поэтому требуется выявление негативных гидроэкологических явлений и процессов, установление их причин с целью улучшения экологического состояния Волги.

Цель исследования – оценить роль прибрежных городов и другой селитьбы в формировании эколого-геохимических свойств акваторий Верхней Волги. Для этого привлечены результаты проведенных нами многолетних (с 2002 г.) эколого-геохимических исследований в бассейне оз. Селигер – второго истока Волги (Кудерина, Шилькрот, 2007; Структура …, 2004; Суслова и др., 2015) и выполненных летом 2021–2022 гг. съемок (пространственного сканирования) эколого-геохимических показателей воды акваторий Верхней Волги – от оз. Селигер до Горьковского водохранилища (г. Чкаловска) (Шилькрот, 2023; Шилькрот и др., 2022).

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Бассейн Верхней Волги расположен в центре Восточно-Европейской равнины, рельеф здесь представляет собой чередование низменных равнин и возвышенностей с колебанием абсолютных отметок в пределах 100–300 м. Основная доля речной сети приходится на малые реки (длиной менее 25 км), представляющие собой типичные равнинные водотоки с широкими пойменными долинами и спокойным течением. В регионе много озер (более 25 тыс.), средняя озерность 1.5%, широко распространены болота (средняя заболоченность около 4%), создано большое количество водохранилищ с водным объемом от 1 до 10 млн м ³ (Научно-прикладной …, 2015).

Объектами наших исследований являлись речные и грунтовые (подземные) воды водосборов и собственно водоемы бассейна Верхней Волги. Исследования велись двумя дополняющими друг друга путями. Первый путь – долговременный локальный мониторинг. Он включает проведение многолетних наблюдений за изменчивостью-стабильностью во времени эколого-геохимических характеристик ключевых объектов в одной местности. Такой мониторинг с начала 2000-х годов осуществляется в бассейне оз. Селигер с целью оценки притока веществ в озеро с природных и освоенных частей водосбора.

Озеро Селигер, по существу, представляет собой второй исток Волги. Оно занимает водораздельное положение в пределах Валдайской возвышенности. Площадь водосбора озера – 2312 км ² , акватории – 212 км ² , средняя глубина составляет 5.8 м, максимальная – 24 м. Озеро ледникового происхождения, расчленено на несколько плёсов, отличающихся разной степенью и характером освоенности водосборов.

Объекты исследования – акватории Осташковского (Городского) и замыкающего Селижаровского плёсов, небольшие реки с лесным водосбором, родники и колодцы в прибрежной селитебной части Селижаровского плёса (рис. 1). На этих объектах пробы воды отбирались в разные сезоны года. Основное внимание уделялось анализу содержания в притоке биогенного элемента – фосфора и микроэлементов.

 

Рис. 1. Карта-схема объектов мониторинга в бассейне оз. Селигер.

 

Второй путь как направление исследований – проведение почти одновременных геохимических съемок воды нескольких акваторий в регионе. Отбор проб воды для химического анализа производится при этом в определенных ключевых пунктах.

Исследования состояния вод Верхней Волги были выполнены в августе 2021 г. – от Мышкина до Чкаловска (Шилькрот и др., 2022); в июне 2022 г. – около Углича и на р. Шексна (левый приток Волги) – с. Горицы (Шилькрот, 2023); в сентябре 2022 г. – на оз. Селигер. В акваториях городов (рис. 2) пробы воды отбирались в основном в прибрежной зоне (при глубинах более 1 м) из поверхностного слоя, в местах вне прямого влияния стоков с побережий и портовых сооружений. Только в акватории Ярославля пробы были отобраны в середине реки.

 

Рис. 2. Карта-схема акваторий Верхней Волги – района проведения единовременных эколого-геохимических наблюдений.

 

Пробы воды при мониторинговых и единовременных эколого-геохимических исследованиях анализировались одинаковыми методами. Химический анализ проб начинался на месте наблюдений (определение величины рН и минерализации воды с помощью портативных приборов) и продолжался в лабораториях. В Институте географии РАН определялось содержание минерального и общего растворенного фосфора (метод колориметрии) и анионов (объемными методами). Катионы и микроэлементы анализ ировались методом плазменной масс-спектрометрии. Ранее анализы выполнялись в лаборатории Центрального научно-исследовательского геологоразведочного института цветных и благородных металлов, в последние годы – в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Бассейн оз. Селигер

В 1960–1970-х годах оз. Селигер, как и многие другие водоемы в средней части Европейской России, стало эвтрофироваться вследствие деятельности человека в его бассейне (Покровская, Россолимо, 1967).

Проведенные в 2000 г. несколькими академическими институтами исследования озера имели цель оценить его состояние в связи с изменениями в природопользовании после произошедших в стране экономических реформ (Структура…, 2004). Результаты исследования показали существенные различия экологического состояния разных плёсов. Сохранял черты эвтрофикации и значительного загрязнения вод и донных отложений Осташковский плёс. Большое воздействие на его экологическое состояние оказывали сброс с очистных сооружений промышленных предприятий и коммунальные стоки г. Осташкова (несмотря на их сокращение). Воды в поверхностном слое имели повышенные, относительно ПДК для вод рыбохозяйственных водоемов, концентрации Fe , Cu , Mn , Ni , Zn ( Leonov et al ., 2002).

С конца 2000-х годов по настоящее время наблюдается заметная смена направленности природопользования в бассейне Селигера. Все большее влияние на экологическое состояние озера стали оказывать массовый туризм, застройка побережий и вырубка лесов.

Проведенные нами многолетние геохимические мониторинговые исследования на оз. Селигер и его водосборе в районе Осташковского и Селижаровского плёсов позволили оценить изменчивость-стабильность во времени основных показателей химического состава озерных, речных и грунтовых (подземных) вод в новых условиях природопользования.

Воды оз. Селигер маломинерализованные, характеризуются относительно стабильной величиной минерализации в течение года, в отличии от вод его притоков. Минерализация речных вод сильно меняется по сезонам года в соответствии с условиями водного питания рек: она минимальна в периоды весеннего снеготаяния и максимальна в меженные периоды при питании рек минерализованными грунтовыми водами. Наиболее минерализованными оказались воды родников. Ионный состав всех природных вод – гидрокарбонатно-кальциевый.

Микроэлементный состав озерных и речных вод близок, в сравнении с кларками для речной воды (Справочник …, 1990) они обогащены Fe , Ti , Cr , V , W , Sn . Воды родников отличаются повышенными концентрациями относительно поверхностных вод Sr , Mn , Co .

Данные о минерализации воды, содержании фосфора и преобладающих микроэлементов в озерных, речных (с лесного водосбора) водах и в водах родников и колодцев приведены в табл. 1 и 2.

 

Таблица 1. Минерализация воды и содержание минерального фосфора в природных водах бассейна Селигера, 2002–2015 гг.

Объект	Сумма ионов, мг/л	Фосфор (Р мин ), мкг/л
Озеро Селигер	110–128	8–46 (до 210)**
Река Б. Крапивенка *	50–350 /30 – 220	4–90/2–43
Родники	200–410	1–94
Колодцы	115–390	51–42 0
Колодец – д. Панюки	64–170	2900– 112 00

Примечания : * в знаменателе – данные для р. Лесная Крапивенка; ** в скобках – данные для узкой части Селижаровского плёса, близ д. Ниж. Котицы. Предельное содержание Р _общ в воде эвтрофных водоемов рыбохозяйственного назначения составляет 200 мкг/л (Перечень …, 1999).

Жирным шрифтом выделены максимальные значения.

Источник : Кудерина, Шилькрот, 2007; Суслова и др., 2015.

 

Таблица 2. Растворенные микроэлементы в озерных, речных и грунтовых (подземных) водах бассейна оз. Селигер, мкг/л

Элемент Объект	Fe	Cr	V	Sr	Со	Zn	Cu	As
Озеро Селигер	196/193	3.5/ 1,1	1 . 3 /0.5	66/ 76	0.13/0.2	1.8/2.4	1.8/2.7	0 . 8 / 0 . 7
Река Б. Крапивенка	471/941	7.3/ <0 . 6	1 . 2 / 0 . 2	94/ 108	0.21/ <0 . 1	1.8/10.3	1.6/4.2	1 . 0 / 1 . 2
Родник – пос. Осцы	638	8.7	0. 9	185	0.34	1.3	0.9	0 . 8
Колодец – д. Панюки	193	2.0	1 . 6	72	0.16	60	4.7	1 . 8

Примечания : в числителе указаны средние значения за 2006 – 2013 гг. (Суслова и др., 2015), в знаменателе – данные, полученные в 2022 г.

Жирным шрифтом выделены максимальные значения.

 

Из табл. 1 видно высокое содержание фосфора в колодезных водах сел и деревень, что свидетельствует о загрязнении грунтовых вод на селитебной части водосбора. Вполне вероятно, что это может быть связано с активизацией вымывания фосфора из накопленных запасов этого элемента в почвах и торфяной залежи водосбора. Однако, несомненно, импульс процессу задает антропогенный фактор. Об этом свидетельствуют экспериментальные исследования по удобрению лесных почв ( Saura et al ., 2000), в ходе которых было установлено усиленное вымывание из них биогенных элементов, оказавшееся выше внесенного с удобрениями количества. Наши данные по содержанию фосфора в водах бассейна Селигера подтверждаются результатами многолетних наблюдений других исследователей за родниками в долине р. Волги – от Твери до Дубны (Лапина и др., 2014). Согласно их данным, на селитебной части долины Волги концентрации фосфора в родниковых водах составляют от 20 до 330 мг Р _общ/л и более.

Данные табл. 1, 2 показывают, что содержание микроэлементов в речном притоке и в воде Селижаровского плёса во многом обусловлено влиянием более минерализованных грунтовых (подземных) вод. Выделяющийся высоким содержанием в воде Р _мин , Zn и Cu колодец в д. Панюки – свидетельство антропогенного влияния на локальное накопление фосфора в почвах и грунтах указанного поселения с последующим выщелачиванием его вместе с Zn и Cu (главных загрязнителей атмосферных осадков) в грунтовые воды.

По сравнению с началом 2000-х годов (Структура …, 2004; Leonov et al ., 2002) в поверхностных водах оз. Селигер заметно снизилось содержание Mn , Pb , Cr , Cd , V . Как правило, оно не превышает ПДК для вод рыбохозяйственного назначения. В то же время концентрации Fe , Cu , Zn , As остаются высокими.

Акватории бассейна Верхней Волги

Единовременные эколого-геохимические исследования состояния вод акваторий Верхней Волги (от оз. Селигер до Горьковского водохранилища) выявили прежде всего особенности формирования химического состава этих вод в определенных природных условиях для бассейна Верхней Волги, а также изменений состава вод из-за воздействия антропогенного фактора.

Как показали исследования, минерализация воды и концентрации основных ионов и микроэлементов в воде акваторий Верхней Волги мало меняются по течению реки (табл. 3). Нарушается это однообразие высоким содержанием Fe и Mn в водах близ Костромы. Подобный пик содержания Fe был отмечен и для р. Шексны, испытывающей влияние промышленного Череповца (Шилькрот, 2023). Концентрации Fe в водах около Костромы в 2–4 раза, а в р. Шексне – с. Горицы в 10–20 раз выше в сравнении с его содержанием в верхневолжских водах. Следует отметить, что для вод Верхней Волги, как и бассейна Селигера, характерно повышенное содержание Fe . В большинстве случаев это связано с природными условиями водосборов – их высокой заболоченностью, обуславливающей поступление в речную воду большого количества Fe вместе с гуминовыми кислотами. Однако очень высокие концентрации Fe в воде вышеуказанных двух акваторий, несомненно, – следствие влияния промышленных предприятий.

Повышенное содержание в волжской воде Mn характерно не только для акватории Костромы (см. табл. 3). Именно для Mn , как и для главных ионов – гидрокарбонатов и кальция, превышены их кларковые величины (см. табл. 3). Содержание Fe и Mn в воде акваторий Верхней Волги оказывается выше нормативов для рыбохозяйственных водоемов. Повышенные концентрации Mn в водах Верхней Волги вблизи городов, помимо природного происхождения, обусловленного геологическими характеристиками территории, может быть связано с поступлением его со сточными водами промышленных предприятий и коммунального хозяйства.

 

Таблица 3. Минерализация воды, содержание главных ионов и растворенных химических элементов в водах акваторий бассейна Верхней Волги, лето 2021 и 2022 гг., мг/л

Объект	Селигер	Волга – Углич	Волга – Мышкин	Шексна – Горицы	Волга – Ярославль	Волга – Кострома	Волга – Чкаловск
Сумма ионов	130	144	154	81	151	123	137
HCO 3 ¯ (58)*	76	85	92	43	–	73	79
Ca (13)	22	31	34	18	28	27	27
Fe (0 . 67)	0 . 19	0 . 20	0 . 11	1 . 00	0 . 16	0 . 44	0 . 09
Mn (0.01)	0 . 05	0 . 05	0 . 20	0 . 15	0 . 08	0 . 18	0 . 17
Sr (0 . 08)	0 . 08	0 . 09	0 . 11	0 . 04	0 . 08	0 . 08	0 . 09

Примечания : * в скобках даны кларки ионов и химических элементов в речных водах мира (Добровольский, 2003).

Жирным шрифтом выделены максимальные значения.

 

В табл. 4 представлено пространственное распределение в водах акваторий Верхней Волги фосфора – основного биогенного элемента, ответственного за эвтрофирование водных систем, а также двух индикаторов промышленного загрязнения – редкоземельных элементов Ce и Nd , сопутствующих Fe .

 

Таблица 4. Содержание растворенных форм фосфора и редкоземельных элементов в поверхностных водах акваторий бассейна Верхней Волги, 2021–2022 гг., мкг/л

Объект	Селигер*	Волга – Углич	Волга – Мышкин	Шексна – Горицы	Волга – Ярославль	Волга – Кострома	Волга – Чкаловск
Р общ	35	60	400	29	500	150	70
Церий , Ce	0 . 31	0 . 43	0 . 26	1 . 23	0 . 21	2 . 0	0 . 13
Неодим , Nd	0 . 20	0 . 21	0 . 09	0 . 60	0 . 09	1 . 0	0 . 06

Примечания : * C елижаровский плёс; в речном притоке (лесной водосбор) этого плёса содержание Р _общ составило 24 мкг/л, Ce – 0.09, Nd – 0.06 мкг/л.

Жирным шрифтом выделены максимальные значения.

 

Из табл. 4 видно, что в водах Волги в акваториях городов Мышкин и Ярославль очень высоки концентрации фосфора. Они вдвое выше верхнего предела (0.2 мг/л) содержания этого элемента в эвтрофных водоемах рыбохозяйственного назначения. Источниками фосфора могут быть не только сбросы в Волгу недостаточно очищенных сточных бытовых вод, но также поверхностный и грунтовый сток с территории прибрежных городов, так называемое диффузное загрязнение. Последнее подтверждают наблюдения за стоком ручья с территории Мышкина в августе 2021 г. При впадении в Волгу его поверхность была покрыта ковром сине-зеленых водорослей. О площадном загрязнении вод вблизи селитебной территории свидетельствуют также наши многолетние исследования в бассейне оз. Селигер и исследования химического состава родниковых вод долины Волги (Лапина и др., 2014).

Оказалось также, что в водах Волги у Костромы, как и в р. Шексне выше Череповца, повышено в 2–10 раз в сравнении с фоном содержание Fe , Ce , Nd . Последние два элемента являются спутниками Fe в стоках с предприятий металлургии и их можно считать индикаторами имеющегося здесь загрязнения акваторий промышленными стоками.

Полученная нами оценка современного экологического состояния акваторий Верхней Волги и выявленные проблемы эвтрофирования и загрязнения ее вод подтверждаются данными других исследователей. Ранее (Шилькрот и др., 2022) обсуждалось сравнение наших результатов с данными, полученными волжской экспедицией Института водных проблем РАН (Дебольский и др., 2010, 2011) в летнюю межень 2009 г. В этот сезон максимум Р _общ отмечался в водах Угличского и Чебоксарского водохранилищ, составляя 0.11–0.12 мг/л. Согласно исследованиям (Минеева и др., 2021), в 2015–2018 гг. содержание Р _общ составляло похожие величины: 76–95 мкг/л в водах Иваньковского водохранилища, 85–106 мкг/л – Угличского, 51–146 мкг/л – Рыбинского. По данным мониторинга, осуществляемого Гидрометеослужбой (Обзор …, 2023, с. 107), основными загрязнителями вод Верхней Волги в 2022 г. оказались органическое вещество (по ХПК), соединения Cu , Fe , реже Zn . Отмечается также, что в Рыбинском водохранилище, ниже Череповца, возросло загрязнение вод Mn (до 10 и 30 ПДК), что свидетельствует о загрязнении вод этого водохранилища промышленными стоками Череповецкого металлургического комбината.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты наших многолетних наблюдений за изменчивостью-стабильностью геохимических показателей речных и грунтовых (подземных) вод в бассейне оз. Селигер и вод самого озера и кратковременных пространственных съемок геохимических показателей воды нескольких акваторий Верхней Волги позволили выявить негативную роль антропогенного фактора, проявившего себя в изменении химического состава грунтовых и речных вод. Обозначились очень важные экологические проблемы для волжских вод, возникшие как следствие неотрегулированного природопользования на водосборах.

Многолетний мониторинг в бассейне оз. Селигер показал серьезные изменения химического состава грунтовых вод на территории прибрежных поселений. Здесь в воде некоторых сельских колодцев наблюдаются высокие концентрации Р _мин , Cu , Zn , As . Очень высокое содержание фосфора в воде одного из колодцев можно рассматривать как следствие зафосфачивания почв и грунтов селитебной территории [как при избыточном внесении удобрений (Титова и др., 2011)], и последующего выщелачивания этого элемента наряду с другими в грунтовые воды. Эти результаты подтверждаются исследованиями других авторов (Лапина и др., 2014). Было обнаружено повышенное содержание Р _общ в родниковых водах в прибрежной части Волги – от Твери до Дубны.

Химические показатели воды акваторий Верхней Волги в основном (кроме повышенного содержания Fe и Mn , обусловленного в большинстве случаев природными особенностями региона) соответствуют нормативам для рыбохозяйственных водоемов и нормам для питьевых вод. Исключения выявились для акваторий у Мышкина, Ярославля и Костромы.

Для акваторий у Мышкина и Ярославля был отмечен высокий уровень эвтрофирования. Он подтвержден повышенными здесь вдвое относительно допустимого верхнего предела для эвтрофных водоемов рыбохозяйственного назначения концентрациями фосфора в волжской воде. Источник его – поверхностные и грунтовые воды с городских территорий наряду со сбросами недостаточно очищенных коммунальных стоков.

Для акватории Волги у Костромы выявлено загрязнение вод промышленными стоками, подобное загрязнению вод р. Шексны – выше Череповца (Шилькрот, 2023). Его индикаторы – высокое, в 2–10 раз выше фоновых концентраций, содержание в воде этих акваторий Fe , Ce и Nd .

Решение выявленных гидроэкологических проблем возможно только посредством контроля и управления в природно-антропогенных ландшафтах потоками веществ и энергии, имеющих антропогенное происхождение. Для городских ландшафтов на первом месте должно быть совершенствование методов очистки коммунальных и промышленных стоков, сбрасываемых в водотоки и водоемы. Для всех природно-антропогенных ландшафтов целесообразно создание в прибрежной зоне рек и водоемов лесных защитных барьеров для перехвата поступающих с водосборов загрязнений.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена в рамках государственного задания Института географии РАН FMWS-2024-0007 “Биотические, географо-гидрологические и ландшафтные оценки окружающей среды для создания основ рационального природопользования”.

FUNDING

The research was carried out within the framework of the state-ordered research theme of the Institute of Geography of RAS FMWS-2024-0007 “Biotic, geographical-hydrological and landscape environmental assessments to create the foundations of rational nature management.”

作者简介

G. Shilkrot

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: gal-shilkrot@yandex.ru
俄罗斯联邦, Mosсow

T. Kuderina

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: gal-shilkrot@yandex.ru
俄罗斯联邦, Mosсow

S. Suslova

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: gal-shilkrot@yandex.ru
俄罗斯联邦, Mosсow

参考

补充文件