Содержание к диссертации
Введение
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1 Водные ресурсы Земли и их использование 7
1.2 Поверхностные и подземные воды России 10
1.3 Оценка состояния водных ресурсов Зауралья 14
1.4 Проблемы антропогенного загрязнения природных вод 20
1.5 Экологическая ситуация в Северо-Западной техногенной провинции 27
2 СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 32
2.1 Объекты и методы исследований 32
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 38
3.1 Динамика накопления выбросов техногенного характера в снежном покрове 38
3.2 Уровень накопления загрязняющих веществ в бассейне рек Исеть, Миасс, Теча, Синара и их пространственная изменчивость... 49
3.2.1 Оценка водотоков реки Исеть и ее притоков рек Миасс, Теча, Синара 49
3.2.2 Комплексная оценка загрязненности водных объектов 51
3.2.3 Трансграничное радиационное загрязнение водных ресурсов 63
3.3 Сезонные изменения концентрации тяжелых металлов в поверхностных водах рек Исеть, Миасс, Теча,Синара 65
3.4 Общая оценка подземных водоисточников 71
3.4.1 Ресурсы подземных вод Курганской области 71
3.4.2. Оценка качества воды подземных источников 73
3.5 Система оценки экологического загрязнения водотоков Северо-Западной части Курганской области 80
4 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.. 85
ВЫВОДЫ 95
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ 97
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 98
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Водные ресурсы Земли и их использование
- Проблемы антропогенного загрязнения природных вод
- Динамика накопления выбросов техногенного характера в снежном покрове
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Курганская область граничит с Челябинской, Свердловской, Тюменской областями и республикой Казахстан. Близость к промышленным центрам Урала обусловливает мощный поток загрязняющих веществ в поверхностные воды, почву и атмосферу.
Курганская область имеет равнинный рельеф и такие климатические особенности, как: нарастание континентальности с северо-запада на юго-восток, наличие преобладающих ветров юго-западного направления, влияние в зимнее время Сибирского антициклона. Это ведет к образованию мощных приземных инверсий и приводит к тому, что область является адсорбирующей загрязнения районом в Уральском регионе (М. Фешбах, 1995).
Реки Курганской области относятся к речной системе Оби. Северо-Западную часть Курганской области пересекают реки: Исеть, Миасс. Теча, Си-нара.
В Северо-Западную техногенную провинцию реки приносят свои воды из таких крупных городов Урала как Екатеринбург, Челябинск. Несмотря на наличие в названных городах очистных сооружений, длительное время воздействие сточных вод сформировало источник вторичных отложений - донные отложения (Г.Н. Беляев, 1995).
Усилению антропогенного воздействия на реку Исеть способствуют и такие города как Каменск-Уральский, Катайск, Шадринск.
В воду реки Теча с 1949 года по 1956 год непрерывно сбрасывались высокоактивные отходы радиохимического производства ядерного производственного объединения «Маяк». Объем сточных вод составил 76 млн. куб. м. с общей активностью 2,76 млн. Ки. Донные отложения и пойма реки в верховьях, сорбировали более 90% активности и сами стали мощными источниками вторичного загрязнения (А.В. Трапезников, В.Н. Трапезникова, 2005).
Курганская область имеет самые низкие в Уральском регионе показатели водообеспечения населения. Лишь 50,8% населения потребляют воду питьевого качества. За последние семь лет отмечается тенденция увеличения населения, пользующегося привозной водой (с 1,6% в 1997 г. до 3,5 в 2003 г.), что связано с сокращением источников централизованного и нецентрализованного водоснабжения. Водопроводную воду получают лишь 67% жителей области, остальная часть населения использует для питьевых нужд воду из общественных и частных колодцев. Значительные ресурсы подземных вод добываются из недр области одиночными скважинами,. работающими, как правило, в нецентрализованном режиме обеспечения водой мелких потребителей (Г.А. Вострок-нутов, 2000; A.M. Черняев, 2000).
Поскольку вода имеется, обычно, в изобилии и водой пользуются всесторонне, ее редко рассматривают как корм, однако она является одним из существенных питательных веществ, необходимых для жизни животного. Ни один сельхоз производитель не согласится лишить свой скот воды хотя бы на один день, но многие не следят за тем, чтобы вода была чистой и не зараженной и без неприятного запаха.
В связи с этим проведение оценки степени загрязнения водотоков и разработка комплекса мероприятий по экологическому мониторингу качества поверхностных подземных вод и снежного покрова Северо-Западной техногенной провинции Курганской области является своевременной и актуальной.
Цель и задачи исследований.
Целью исследований является изучение наиболее распространенных эко-токсикантов, представляющих мониторинговую ценность при экологической экспертизе поверхностных, подземных вод и снежного покрова - тяжелых металлов: железа, цинка, меди, марганца; радионуклидов: цезия; азотсодержащих веществ: аммонийного азота, нитратов, нитритов; главных ионов: карбонатов, сульфатов, хлоридов, фторидов, полифосфатов. Создание системы комплексной оценки качества вод экологически неблагополучной территории.
Цель исследований достигается путем решения следующих задач: -определить качество поверхностных, подземных вод и снежного покрова техногенной провинции по степени загрязнения тяжелыми металлами и радионуклидами;
- изучить степень загрязнения водотоков и снега в исследуемых районах азотсодержащими веществами и главными ионами;
оценить содержание солей тяжелых металлов, радионуклидов, азотсодержащих веществ, главных ионов в поверхностных, подземных водах, снежном покрове по степени пригодности воды водоемов для хозяйственно-питьевого назначения и рыбохозяйственного водопользования;
разработать систему мероприятий экологической оценки поверхностных, подземных вод, снежного покрова по содержанию солей тяжелых металлов, радионуклидов, азотсодержащих веществ и главных ионов.
Научная новизна.
Впервые будет проведена комплексная оценка качества поверхностных, подземных вод и снежного покрова Северо-Западной техногенной провинции Курганской области. Изучены сезонные колебания концентрации тяжелых металлов в водотоках на территориальной протяженности. На основании проведенных исследований разработана система мероприятий экологической оценки поверхностных, подземных вод, снежного покрова загрязненных территорий.
Практическая значимость работы.
Проведена комплексная оценка географического и сезонного состояния поверхностных, подземных вод и снежного покрова Северо-Западной техногенной провинции Курганской области, на основании которой разработана система мероприятий экологической оценки водотоков и снежного покрова загрязненных территорий. Предложенная система оценки вод может быть использована контролирующими органами, а также в программах экологического мониторинга и образовательных экологических программах подготовки специалистов агропромышленного комплекса.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Профилактика и меры борьбы с лейкозом крупного рогатого скота в Российской Федерации», Екатеринбург (2005), научно - практической конференции «Актуальные вопросы животноводства Зауралья», Курган (2005). Положения, выносимые на защиту:
-динамика накопления в водотоках рек Исеть, Миасс, Теча, Синара солей тяжелых металлов, радионуклидов, азотсодержащих веществ, главных ионов;
-содержание экотоксикантов в подземных водах скважин молочнотоварных ферм и колодцев;
- результаты оценки загрязнения снежного покрова сельскохозяйствен
ных угодий территории северо-западной техногенной провинции
-комплексная оценка географического и сезонного состояния поверхностных, подземных вод изучаемых территорий;
- система мероприятий экологической оценки поверхностных, подземных
вод и снежного покрова загрязненных территорий.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы.
Структура и объем диссертации.
Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, включает введение, обзор литературы, собственные исследования, обсуждение результатов, выводы и практические предложения. Список литературы включает 181 источник, в том числе 20 иностранных. Работа иллюстрирована 13 рисунками, 16 таблицами и 15 приложениями.
Водные ресурсы Земли и их использование
Гидросфера — это совокупность всех вод Земли: материковых (поверхностных, почвенных, глубинных), океанических и атмосферных. Вся химически не связанная вода Земли, находящаяся в жидком, твердом и газообразном состоянии, образует гидросферу. Свыше 96% объема гидросферы приходится на океаны и моря, около 2% — на подземные воды, примерно 2% — на льды и постоянные снега и только 0,01% — на поверхностные воды (реки, озера, болота, водохранилища, каналы). Обычно воду, содержащую менее 1 г солей на л, называют пресной. Воды Мирового океана содержат около 35 г/л (3,5%) солей, представленных, прежде всего хлоридами и сульфатами натрия, калия, кальция, магния. Из-за высокого содержания солей морская вода непригодна для бытовых производственных и сельскохозяйственных потребностей (А.Д. Потапов, 2000; В.И. Коробко, Л.В. Передельский, 2001).
Несмотря на то, что пресная вода составляет очень малую часть водных ресурсов Земли, она в большой мере определяет уровень и саму возможность жизни на суше. Качество пресной воды имеет важнейшее значение для человека и его хозяйственной деятельности. Ежегодно в мире расходуется 5000 тыс. м пресной воды, или 11% годового стока всех рек мира (Т.А. Акимова, В.В. Хаскин, 2000).
На современном уровне развития производительных сил пресная вода — наиболее интенсивно расходуемое природное богатство. За одни сутки ее мировое потребление достигает около 10 млрд. тонн, что равно годовой добыче всех видов полезных ископаемых. Общее потребление пресной воды в мире в 1000 раз больше, чем всех вместе взятых видов промышленного сырья (С.Н. Бобылев, А.Ш. Ходжаев, 1997).
Наибольшее количество пресной воды (примерно 70% от современного расхода) используется в сельском хозяйстве. За вегетационный период гектар кукурузы расходует 3000 м , капусты — 8000 м , риса — от 12 000 до 20 000 м воды. Для получения 1 т пшеницы требуется 1500 м , хлопка — 10 000 м воды. На промышленность приходится около 20% всего водопотребления. Производ-ство 1 т разных видов готовой продукции требует воды: для резины — 2500 м , целлюлозы — 1500 м3, бумаги — 900 м3, синтетического волокна — от 300 до 1000 м3, азотных удобрений — 400 м, стали — от40 до 250 м ит.п. (А. Столяров и др., 1990, СВ. Макар, 1998).
Доступные естественные ресурсы пресной воды крайне неравномерно размещены на нашей планете. Значительная часть крупнейших рек мира протекает в малонаселенных регионах. В густонаселенных областях сравнительно немного крупных рек, и их воды интенсивно используются. Все это осложняет водоснабжение человечества уже в наше время, когда из 6 млрд. жителей Земли примерно треть ощущает острый недостаток пресной воды. К 2025 г. предполагается увеличение населения мира до 8 млрд. человек, тогда дефицит пресной воды существенно возрастет. Значительно снижает ресурсы пресной воды загрязнение природных вод промышленными, сельскохозяйственными и бытовыми стоками, для разбавления которых требуется около 20% полного стока всех рек мира (СВ. Макар, 1998; А.Г. Карташов, 2001, A.M. Никаноров, Т.А. Хоружая, 2001).
Таким образом, обеспечение человечества водой стало не менее важной задачей, чем снабжение производства топливом, сырьем и энергией. Эта задача решается по нескольким взаимосвязанным направлениям:
1) сокращение потерь воды при водопользовании и увеличение объемов оборотного водоснабжения (повторного использования воды);
2) переброска части речного стока из районов с избыточным и достаточным увлажнением в засушливые территории;
3) освоение новых источников пресной воды;
4) снижение загрязнения природных вод. Потери воды при водопользовании чаще всего связаны с несовершенством технологии промышленного и сельскохозяйственного производства, коммунальных служб. Так, потери воды из во донесу щих коммуникаций в некоторых городах России составляют до 15—30% (В.Н. Большаков и др., 1991).
В сельском хозяйстве при поливе по бороздам (это самый распространенный в мире способ орошения) потери воды составляют от 40 до 70% и более, при поливе с применением дождевальных машин — около 20%, при внутри-почвенном поливе (когда вода подводится к корневой системе растений с помощью системы тонких трубок-капилляров) — не более 10%) (А.А. Голуб, Е.Б. Струкова, 1993).
Потери воды и истощение водных ресурсов во многом связаны с недостаточным знанием природных условий. Например, при создании водохранилищ не всегда учитываются усиление фильтрации воды в подземные горизонты, рост испарений при увеличении водной поверхности и другие факторы. Осушение болот ведет к уменьшению запасов подземных вод, нарушению веками установившегося баланса влаги и ее циркуляции (Э.А. Арустамов, 2002).
Региональные проблемы дефицита воды можно решать за счет ее подачи из других водных систем по каналам, водоводам и т. п. Так, в Китае четыре пятых общего запаса пресной воды сосредоточены на юге, в бассейне реки Янцзы, и лишь одна пятая приходится на Северный Китай, а именно там находится две трити пахотных земель. На севере Китая посевы страдают от засух, а на юге — от наводнений. Под девизом «водами Юга напоить Север» планируется перебросить около 6% годового стока реки Янцзы в Хуанхэ, которая станет в два с лишним раза многоводнее. Подобные мероприятия требуют серьезного экологического обоснования (В.Г. Глушкова, СВ. Макар, 2003).
Проблемы антропогенного загрязнения природных вод
Под загрязнением природных вод понимают любое изменение их состава и свойств, которое оказывает вредное воздействие на человека и природу, а также может ограничить возможность использования вод. Антропогенному загрязнению подвержены, хотя и в разной степени, все категории природных вод: континентальные поверхностные и подземные, воды морей и океанов (Н.Ф. Реймерс, 1990).
Основной вид загрязнения вод — их засорение, то есть накопление в водных объектах трудноразложимых в природной среде посторонних предметов, например, древесины, строительного мусора, металлолома и т. д. Крупным источником загрязнения рек затонувшей древесиной является молевый лесосплав, при котором древесина сплавляется в виде отдельных бревен без увязки их в плоты и без погрузки на суда. Потери при молевом сплаве нередко достигают 30% первоначального количества древесины; затопленная древесина нередко затрудняет судоходство, ухудшает качество природных вод (поскольку при ее разложении потребляется кислород, растворенный в воде), в частности, для рыбного хозяйства (Н.Н. Михеев, 1998).
Основными источниками загрязнения природных вод являются: 1) сточные воды промышленных предприятий; 2) сточные воды коммунального хозяйства и поверхностные стоки с городских территорий; 3) стоки животноводческих ферм, систем орошения, поверхностные стоки с полей; 4) атмосферные осадки, содержащие загрязняющие вещества; 5) сточные воды морских и речных судов.
Сточные воды промышленных предприятий содержат широкую гамму токсичных загрязняющих веществ, набор которых меняется в зависимости от специфики отраслей промышленности. Так для сточных вод предприятий нефтепереработки и нефтегазодобычи характерны нефтепродукты, фенолы, соединения азота, серы; машиностроения и металлургии — тяжелые металлы, фториды, цианиды; текстильной и пищевой промышленности — нефтепродукты, органические красители и т. д. (Аналитическая..., 1984; В.М. Володин, 1990; W.Y.Bottje, 1985; D. Flinspach, 1988; J. Desmedt, 1989).
Особый вид загрязнения водных объектов, связанный, прежде всего с промышленным водопотреблением, -тепловое загрязнение. Оно характеризуется сбросом в природные воды нагретой воды, используемой для охлаждения агрегатов промышленных предприятий, тепловых и атомных электростанций. На атомных электростанциях (АЭС) объем подогретых вод на единицу получаемой энергии в 2-3 раза больше, чем на теплоэлектростанциях (ТЭС). Эти различия связаны с тем, что на ТЭС значительное количество тепла рассеивается через трубы, системы вентиляции и т. п. На АЭС такое рассеивание минимально из-за замкнутости системы. По существующим санитарным нормам температура природного водоема не должна повышаться более чем на 3С летом и 5С зимой, поэтому подогретые воды должны охлаждаться в прудах-охладителях или в специальных установках (градирнях) и после этого повторно использоваться в производственных процессах. Однако значительная часть подогретых вод сбрасывается в природные воды и обуславливает их тепловое загрязнение. Так, например, на площадках Кольской атомной станции (Мурманская область), расположенной за Полярным кругом, через 7 лет после начала эксплуатации АЭС температура вод повысилась с 6 до 19С. Повышение температуры вызвало изменение газового, химического и биологического состава вод, стимулировало интенсивное выделение ядовитых газов (сероводорода, метана) и массовое развитие микрофлоры, вызывающее «цветение» воды (B.C. Безель и др., 1992; А.А. Бек-керидр., 1992).
Сточные воды коммунального хозяйства поступают из жилых и общественных зданий, предприятий общественного питания, медицинских учреждений и т. п. В них преобладают различные органические вещества, а также микроорганизмы. Объем этих стоков нарастает вслед за ускоряющейся урбанизацией. Такого рода стоки имеют сравнительно постоянный качественный состав, но характеризуются неравномерностью объемов. Поверхностные стоки с городских территорий формируются выпадающими атмосферными осадками, поливными и моечными водами и зависят от продолжительности периода сухой погоды. По степени загрязненности эти стоки соответствуют сточным водам коммунального хозяйства, а в некоторых случаях и превосходят их по отрицательным характеристикам. Химический состав и объемы таких стоков зависят от благоустройства городских территорий и от отраслевой принадлежности предприятий в населенных пунктах (А. В. Фокин, 1979; Химия..., 1982; А.Б. Авакян, 1998; K.R. Imhoff, Р. Корре, 1980; С. Van der Veen, J. Huizenga, 1980).
Одним из опасных загрязняющих водные ресурсы веществ, содержащихся как в сточных водах промышленных предприятий, коммунального хозяйства, так и в поверхностных стоках с городских территорий, являются синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ). СПАВ применяются для получения смазочных жидкостей, в качестве компонентов лакокрасочных материалов, в текстильной промышленности для окрашивания тканей, они являются основой синтетических моющих средств. Ассортимент СПАВ и объемы их применения неуклонно растут. Эти вещества, концентрируясь в поверхностном водном слое, снижают способность воды к насыщению кислородом, парализуют деятельность микроорганизмов, разрушающих органические вещества. Сами же СПАВ, плохо поддаются разложению в природной среде (Ф. Корте, 1997; J. Salek,1988).
Стоки животноводческих ферм, систем орошения, поверхностные стоки с полей по большей части попадают в природные воды без какой-либо очистки и поэтому имеют высокую концентрацию микроорганизмов, ядохимикатов, соединений азота, фосфора, и других загрязнителей (Б.Г. Хвощева, 1979; P.P. Брукс, 1982; Н.А. Уразаев и др., 2000; D. Bardtke, 1972; F. Royer, 2000; C.W. Thorstensen, 2000).
Около половины аккумулируемых в реках мира твердых материалов смывается с сельскохозяйственных земель. Избыточное накопление в природных водах азота, фосфора или соединений, их содержащих, а, также СПАВ может вызвать эв-трофикацию (Ю.И. Быстраков, 1985; R. Hubbard, 1989; L.I. Marek, 2000).
Динамика накопления выбросов техногенного характера в снежном покрове
Территория северо-западной части Курганской области относится к ареалу с острой экологической ситуацией (высокой экологической напряженностью). Она складывается под влиянием нескольких групп факторов. Первая группа факторов связана с фоновыми природными геохимическими аномалиями и с фоновой уязвимостью экосистем территории по отношению к антропогенным воздействиям. Вторая группа факторов экологического неблагополучия связана с трансграничными техногенными загрязнениями. Они обусловлены близостью мощной южно-уральской промышленной агломерации и преобладанием восточных и северо-восточных направлений распространения ее эмиссий как водным, так и аэрогенным путем.
Снежный покров, обладая свойством интегрального накопления токсикантов, попадающих в снег из атмосферы, а также выпадающих на его поверхность, используется в качестве индикатора загрязнения поверхности.
Аккумулируемые в снежном покрове ингредиенты сохраняются до снеготаяния и таким образом несут в себе значительную геохимическую информацию. Изучение содержания различных ингредиентов в снежном покрове является распространенным и удобным средством исследования влияния техногенных выбросов на окружающую среду в глобальном, региональном и локальном масштабах (В.В. Добровольский, 1980).
В районах действия техногенных источников загрязненный снежный покров позволяет оценить химический состав атмосферных выпадений, их интенсивность, выявить ареалы рассеяния и вместе с данными о количестве загрязняющих веществ получить информацию о степени загрязнения снежного по крова в зависимости от уровня техногенного воздействия (В.В. Добровольский, 1984).
В период снегостава, когда снежный покров становится сплошным, вероятность поступления частиц почвы на поверхность снега уменьшена и его химический состав зависит главным образом от загрязнения атмосферы. Накопление токсикантов в снежном покрове зависит также от климатических условий на данный период, свойств подстилающей поверхности, почв, горных пород, рельефа, растительности, локальных техногенных источников. Накопление в снежном покрове токсикантов в период таяния увеличивает концентрацию загрязняющих веществ в весеннем водостоке. При таянии они попадают в дождевую канализацию, водоемы и могут быть причиной загрязнения питьевых вод (А.В. Староверова, 1998).
Результаты исследований снежного покрова в среднем за 2002-2004 гг. представлены в таблицах 1 и 2.
В ходе исследований установлено, что мощность снежного покрова на всем протяжении территории исследований остается равномерной и составляет 70,0 см в Шадринском районе и 90,0 см в Катайском и Щучанском районах. Электропроводность отмечена на уровне 0,019 - 0,170 мСм/см, рН изменяется от 6,8 в Далматовском районе до 7,13 в Каргопольском районе.
Полученные результаты исследований свидетельствуют об увеличении потенциала загрязнения атмосферы в пределах области с востока на запад от повышенного до высокого. Дополнительное загрязнение, создаваемое выбросами в атмосферу предприятиями Свердловской и Челябинской областей оказывает существенное негативное воздействие на экологическую ситуацию области, которое может превосходить загрязнение атмосферы, создаваемое собственными источниками. В первую очередь это относится к западной части области, а северовосточная часть, оказывается в наименьшей степени подвержена этому влиянию.
