Введение к работе
Актуальность работы. Возрастающая интенсивность использования водных ресурсов приводит к тому, что практически на всей территории Европейской части России наблюдаются процессы прогрессирующего накопления загрязняющих веществ в водоемах замедленного стока, и, в первую очередь, в водохранилищах.
В связи с множеством проблем, которые возникли после создания каскада водохранилищ на рр. Волге и Каме (Авакян, 1998, 2000; Водохранилища…, 1979; Розенберг, Краснощеков, 1996; Найденко, 2003; Розенберг, 2009) и, в частности, после введения в строй действующего Куйбышевского гидроузла, который относится к числу крупнейших природно-техногенных водных объектов мира, существенно возросла важность создания средств и технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, обеспечивающих предотвращение загрязнения и минимизацию химической нагрузки на поверхностные воды для оздоровления р. Волги, сохранения и восстановления природных комплексов Волжского бассейна.
В то же время существующая система мониторинга качества вод равнинных водохранилищ, включающая получение, анализ и интерпретацию гидрологических, гидрохимических и гидробиологических данных, далека от совершенства. Так, осуществляемый в настоящее время мониторинг качества вод водохранилищ проводится зачастую без учета зон антропогенного воздействия множественных точечных источников загрязнения. Отсутствие достаточного количества данных локального мониторинга не позволяет в полной мере учесть пространственные неоднородности качества вод водохранилищ, что существенно снижает достоверность полученных результатов. При экологическом мониторинге водохранилищ не всегда учитываются такие их геоэкологические особенности, как специфичность водообмена, существующая сложность и многофакторность системы течений, непостоянство уровневого режима. Не всегда осуществляется оценка ассимиляционной емкости и интенсивности аккумуляции веществ в донных отложениях и др. Использование традиционных методов мониторинга и контроля с отбором единичных проб в силу дискретности наблюдений дает лишь приблизительную оценку экологической обстановки в поверхностных водах промышленных регионов. Это исключает возможность принятия своевременных управленческих решений, снижающих или предупреждающих негативный эффект, тем более при аварийных ситуациях. Объективная оценка и прогнозирование экологического состояния водных объектов, а также меры по снижению химической нагрузки и минимизации последствий аварийных ситуаций должны базироваться на оперативной и достоверной эколого-аналитической информации.
В связи с этим чрезвычайно актуальной является разработка методологии и научно обоснованного комплексного подхода к созданию системы эколого-аналитического контроля равнинных водохранилищ на основе непрерывного автоматизированного контроля обобщенных физико-химических показателей качества воды по всей площади акватории водоемов для выявления источников поступления, масштабов и путей распространения загрязняющих веществ с поверхностными водами, зон их накопления в водохранилище, обеспечения количественного учета химических нагрузок и принятия решений по их минимизации.
Целью работы является научное обоснование и формирование системы эколого-аналитического контроля равнинных водохранилищ, предполагающей непрерывный автоматизированный контроль обобщенных показателей качества поверхностных вод в сочетании с методами оценки масштабов накопления загрязняющих веществ в воде и донных отложениях с учетом зон повышенной химической нагрузки.
Объектом исследования является Куйбышевское водохранилище – крупнейшее водохранилище Европы – в пределах Республики Татарстан (РТ), испытывающее на протяжении длительного времени антропогенное воздействие основных отраслей экономики. Данное водохранилище в типичном для России индустриально-аграрном регионе может служить моделью для решения поставленных в работе задач на региональном уровне.
Основные задачи, решаемые в работе:
– обосновать методологию системы эколого-аналитического контроля равнинных водохранилищ;
– опробовать систему эколого-аналитического контроля равнинных водохранилищ на примере Куйбышевского водохранилища в пределах РТ в местах обоснованных контрольных створов в сочетании с непрерывным автоматизированным контролем обобщенных физико-химических показателей качества воды по всей акватории водохранилища в режиме реального времени;
– оценить возможности оперативного эколого-аналитического контроля загрязненности поверхностных вод Куйбышевского, Нижнекамского водохранилищ и их основных судоходных притоков с использованием передвижных судовых комплексов для развития системы эколого-аналитического контроля поверхностных вод водохранилищ;
– разработать критерии оценки химической нагрузки организованных источников загрязнения на поверхностные воды, ранжировать их информативность на примере промышленных предприятий, оказывающих непосредственное воздействие на Куйбышевское водохранилище, с учетом зон влияния множественных точечных источников загрязнения. Обосновать алгоритм оценки химической нагрузки организованных источников загрязнения на поверхностные воды в системе экологического контроля водохранилищ. Оценить уровень загрязненности воды Куйбышевского водохранилища, выделить антропогенно нагруженные участки и приоритетные загрязняющие вещества;
– обосновать включение контроля факторов эвтрофирования и «эвтрофирующего потенциала» в стратегию управления качеством вод и в систему эколого-аналитического контроля водохранилищ; оценить возможности снижения нагрузки биогенных элементов на водохранилище за счет внутриводоемных процессов, оценить роль естественных биоплато макрофитов в экосистеме Куйбышевского водохранилища. Обосновать рекомендации к снижению внешней нагрузки биогенных элементов на основе анализа эффективности работы биологических очистных сооружений на водосборе водохранилища;
– на основе систематических исследований донных отложений на примере Куйбышевского водохранилища разработать алгоритм геохимической оценки качества донных отложений для включения в систему экологического контроля водохранилищ. Провести классификацию донных отложений по акватории водохранилища, выявить современные фациальные условия переноса и седиментации взвесей;
– выявить ассимиляционную емкость донных отложений в отношении тяжелых металлов, определить геохимически обусловленное фоновое содержание металлов в фациальных типах отложений и их пространственное распределение;
– разработать эффективные методы определения в водной среде содержания нефтепродуктов как приоритетных загрязняющих веществ региона для методического обеспечения системы эколого-аналитического контроля поверхностных вод.
Научная новизна. Разработаны новые подходы, обоснована методология и разработана система эколого-аналитического контроля равнинных водохранилищ на примере Куйбышевского водохранилища в пределах РТ, включающая следующие подсистемы:
– непрерывного автоматизированного контроля обобщенных физико-химических показателей качества воды;
– количественной оценки химической нагрузки организованных источников загрязнения на поверхностные воды;
– контроля «эвтрофирующего потенциала» как показателя доминирующего процесса антропогенного эвтрофирования на современном этапе развития водохранилищ, оценки эффективности процессов естественного самоочищения и работы биологических очистных сооружений на водосборе водохранилища и разработки рекомендаций по снижению нагрузки биогенных элементов;
– геохимической оценки и контроля качества донных отложений водохранилища и его притоков, базирующейся на фациальных фоновых характеристиках грунтов и их ассимиляционной емкости;
– нормативно-методического обеспечения системы эколого-аналитического контроля.
Предложены и ранжированы по степени информативности критерии оценки химической нагрузки организованных источников загрязнения на поверхностные воды и обоснован алгоритм оценки воздействия этих источников в системе экологического контроля водохранилищ.
На основе систематических исследований донных отложений на примере Куйбышевского водохранилища разработан алгоритм геохимической оценки качества донных отложений. Впервые определено фоновое содержание тяжелых металлов в фациальных типах донных отложений Куйбышевского водохранилища в пределах РТ. Дана фациальная характеристика донных отложений, выявлены современные фациальные условия переноса и седиментации взвесей в водохранилище в зависимости от комплекса гидрологических параметров. Выявлены статистически значимые парные ассоциации металлов (Cd-Pb, Cd-Cu, Cd-Zn, Pb-Cu, Pb-Zn, Co-Ni, Cu-Zn, Cu-Cr, Ni-Mn), связанные с общностью геохимических свойств элементов (Cd, Pb, Zn; Co, Ni, Mn, Cr) и совместным поступлением их в составе сточных вод на техногенно-нагруженных участках.
Создана теоретическая и методическая база новых методов (комбинированного ИК-, УФ- спектрального метода и метода ИК - интегральных интенсивностей) определения нефти и нефтепродуктов в водной среде, отличающихся большей точностью и воспроизводимостью по сравнению с принятыми методами; разработаны референсные стандартные образцы на основе нефтей РТ для ИК- и УФ- спектрального анализов.
Практическая значимость. Опыт создания, развития и функционирования системы эколого-аналитического контроля водохранилищ используется в практической деятельности сети специализированных инспекций аналитического контроля (СИАК) Министерства экологии и природных ресурсов РТ (МЭПР РТ). Оптимизация и методическое совершенствование программы непрерывного автоматизированного мониторинга с использованием судового природоохранного комплекса позволило обеспечить систему эколого-аналитического контроля подходами к оценке протяженности зон воздействия источников загрязнения, корректировке пунктов контроля, обнаружению и ликвидации последствий аварийных ситуаций.
В 1999 г. в рамках Федеральной целевой программы «Возрождение Волги» под руководством автора выполнено широкомасштабное обследование Чебоксарского и Куйбышевского водохранилищ (Судовой …, 1999).
Данные по количественной оценке химической нагрузки и степени воздействия основных промышленных предприятий на Куйбышевское и Нижнекамское водохранилища и р. Каму переданы в Управление Росприроднадзора по РТ и использованы в природоохранной деятельности. Рекомендации по повышению эффективности работы биологических очистных сооружений, сбрасывающих воды в водохранилище, переданы на предприятия для использования.
Методика выполнения измерений при приготовлении стандартных смесей для градуировки и поверки анализаторов содержания нефти и нефтепродуктов в воде с применением полученного в ходе настоящей работы стандартного образца СО-А аттестована в государственном научно-метрологическом центре (Свидетельство №5456-96, ВНИИР, г. Казань).
Отдельные разделы диссертационной работы используются при чтении общепрофессиональных и специальных курсов «Экологический мониторинг», «Восстановление водных экосистем», «Управление качеством водных ресурсов» для студентов Казанского (Приволжского) федерального университета по специальности 020801 – экология.
На защиту выносятся:
- Разработанная методология и созданная на ее основе система эколого-аналитического контроля равнинных водохранилищ, включающая ряд подсистем в сочетании с непрерывным автоматизированным контролем обобщенных физико-химических показателей качества воды по всей площади ключевых участков акватории водохранилищ.
- Предложенные и широко опробованные в работе критерии и методика, положенные в основу подсистемы оценки химической нагрузки организованных источников загрязнения на качество вод, позволяющей определять относительный вклад предприятий в химическое загрязнение водохранилища.
- Подсистема контроля уровня эвтрофикации как преобладающего процесса современной стадии развития водохранилища, включающая оценку эффективности процессов естественного самоочищения и работы биологических очистных сооружений, расположенных на его водосборе.
- Геохимически обусловленное фоновое содержание тяжелых металлов в фациальных типах донных отложений Куйбышевского водохранилища в пределах РТ и выявленные техногенно-нагруженные участки ложа водоема.
- Алгоритм геохимической оценки качества донных отложений водохранилищ, включающий фациальную характеристику донных отложений; выявление условий переноса и седиментации взвесей в водохранилище в зависимости от комплекса гидрологических параметров; учет фактора дисперсности при сравнении наблюдаемых концентраций с региональными фоновыми для соответствующих типов отложений.
- Выявленные статистически значимые парные ассоциации металлов, обусловленные общностью геохимических свойств химических элементов и совместным поступлением их в составе сточных вод на техногенно-нагруженных участках.
- Новые методы (комбинированного ИК-, УФ-спектрального и ИК-интегральных интенсивностей) определения содержания нефти и нефтепродуктов в абиотических компонентах водных объектов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийском семинаре по мониторингу объектов окружающей среды промышленных городов и населенных пунктов (Дзержинск, 1996 г.), VII Съезде Гидробиологического общества РАН (Казань, 1996 г.), III Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (Москва, 1997 г.), III, IV, V, VI, VII Республиканских научных конференциях «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» (Казань, 1997, 2000, 2003, 2004, 2007 гг.), Научно-практической конференции по проблемам охраны окружающей среды г. Казани (Казань, 1998 г.), Межрегиональной научно-практической конференции «Экологические проблемы Среднего Поволжья» (Ульяновск, 1999 г.), Научно-практической конференция «Чистая вода» (Казань, 2000 г.), Поволжской конференции по аналитической химии (Казань, 2001 г.), Всероссийской конференции «Современные проблемы водной токсикологии» (Борок, 2002 г.), XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003 г.), V и VII Всероссийских конференциях по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-2003, 2009" с международным участием (Санкт-Петербург, 2003 г.; Йошкар-Ола, 2009 г.), Всероссийском конгрессе работников водного хозяйства (Москва, 2003 г.), Седьмом международном конгрессе «Вода: Экология и Технология» (Москва, 2006 г.), I, II, IV, V Межрегиональных научных конференциях «Промышленная экология и безопасность» (Казань, 2006, 2007, 2009, 2010 гг.), III всероссийской конференции по водной токсикологии «Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» и конференции по гидроэкологии «Критерии оценки качества вод и методы нормирования антропогенных нагрузок» (Борок, 2008 г.), Всероссийской научной конференции «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований» (Казань, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов» (Пермь, 2009 г.), Конгрессе «Чистая вода. Казань» (Казань, 2010 г.), на итоговой научной конференции КФУ (2009, 2012 гг.).
Личный вклад автора. Автором в период с 1994 по 2009 гг. лично осуществлены: постановка задач, планирование экспериментов, организация и руководство исследованиями на базе Центральной СИАК МЭПР РТ и аналитических подразделений ИПЭН АН РТ, обобщение результатов и формулирование выводов, координация исследований лабораторной службы в аварийных ситуациях, разработка стратегии получения и использования экоаналитической информации в целях оценки фактического состояния водных объектов и представления в специально уполномоченные органы для принятия мер.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 76 работ, в т.ч. 1 монография, 23 статьи в журналах из списка ВАК, 52 работы в монографиях, сборниках, журналах и материалах конференций различного уровня (региональных, всероссийских, международных).
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 342 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка и 43 таблицы, состоит из введения, 7 глав, выводов, списка цитируемой литературы, насчитывающего 485 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов, и приложения.
Тема диссертации соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ «Рациональное природопользование» (Указ Президента РФ от 21 мая 2006 г. № 843), а также Перечню критических технологий РФ: «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения» (Указ Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899).
Благодарности. Автор приносит благодарность научному консультанту и коллегам, принимавшим участие в обсуждении результатов: к.б.н. Д.В. Иванову, к.б.н. А.М. Петрову, к.х.н. О.Ю. Тарасову, доц. О.Г. Яковлевой, д.б.н. А.А. Ратушняк, с.н.с. О.Н. Урбановой и к.г.н. А.Т. Горшковой. Автор благодарит специалистов ЦСИАК МЭПР РТ В.М. Трофанчука, А.С. Бодяжина, к.х.н. С.Г. Безрядина и капитана-механика В.П. Абалина за помощь при проведении экспедиционных исследований, всех специалистов ЦСИАК МЭПР РТ и сотрудников ИПЭН АН РТ за помощь и многолетнее сотрудничество.
