Содержание к диссертации
Введение
1. Гидрохимическая изученность и вопросы исследования ионного стока рек Сев. Кавказа 10
2. Природная характеристика Сев. Кавказа как условие формирования естественно-исторического гидрохимического фона 20
2.1. Рельеф и геологическое строение 20
2.2. Подземные воды 23
2.3. Климат
2.4. Почвенный и растительный покров
2.5. Гидрография и режим рек 28
3. Использованная информация и методика исследования 36
4. Вычленение условного естественно-исторического гидрохимического фона воды рек Северного Кавказа, анализ его территориальной дифференциации 47
5. Пространственно-временной (1936-97 гг.) анализ антропогенной изменчивости ионного стока рек Северного Кавказа 77
Заключение 138
Список литературы 142
- Гидрохимическая изученность и вопросы исследования ионного стока рек Сев. Кавказа
- Подземные воды
- Вычленение условного естественно-исторического гидрохимического фона воды рек Северного Кавказа, анализ его территориальной дифференциации
- Пространственно-временной (1936-97 гг.) анализ антропогенной изменчивости ионного стока рек Северного Кавказа
Гидрохимическая изученность и вопросы исследования ионного стока рек Сев. Кавказа
В России и за рубежом остро стоит вопрос выработки более гибкого экологического подхода к количественной оценке состояния ОС, который бы позволил более четко и адресно подходить к принятию тех или иных управленческих решений, направленных на ее улучшение. Имеющийся в нашем распоряжении, обширный гидрохимический и гидрологический материал, позволяет на основе анализа многолетних наблюдений подойти к количественной оценке территориальной дифференциации, состава и антропогенной изменчивости гидрохимического режима поверхностных вод Сев. Кавказа. Регулярные наблюдения за гидрохимическим режимом рек в России датируются началом XX в. Именно в это время начались исследования под руководством К.К. Киселева и В.А. Новикова в бассейнах рек Ср. Азии, на базе функционирующих оросительных систем. В 1914 г. в Петрограде под руководством профессора П.А. Кашинского была организована Гидрохимическая лаборатория, на базе которой в 1921 г. в г. Новочеркасске был создан Гидрохимический институт (ГХИ). Параллельно П.А. Кашинским основано периодическое издание «Гидрохимические материалы» с 1915 г., в котором начали публиковаться результаты исследований. В 30-е гг. аналогичные лаборатории возникают во многих научных учреждениях и производственных организациях СССР (Алекин, 1982;).
Развитие народного хозяйства нашей страны в 30-е гг. предопределило дальнейшее развитие гидрохимических исследований. Однако тормозом здесь являлось отсутствие статистических наблюдений за химическим составом поверхностных вод. Поэтому, как указывает О.А. Алекин и Л.В. Бражникова (1964), первые работы касались лишь отдельных речных бассейнов и базировались на весьма ограниченном фактическом материале.
Начало режимных наблюдений за химическим составом поверхностных вод Северокавказского региона относятся так же ко второй половине тридцатых годов прошлого (XX) столетия. Результаты работ отражены в вышедшем в свет в 1936 г. «Справочнике по водным ресурсам СССР», который включал в себя результаты химических анализов воды за период 1931-1932 гг. (Гржегоржевский, 1936;). В данном издании, в том числе, дается первая, гидрохимическая характеристика ряда рек Сев. Кавказа. Этот год явился "отправной точкой" создания режимной сети Гидрометслужбы СССР. Начались систематические гидрохимические наблюдения за поверхностными водами Сев. Кавказа, а их результаты начали публиковаться в «Гидрологических ежегодниках», с 1975 г. - в ежеквартальных «Гидрохимических бюллетенях».
В 1946-1948 гг. чл. - корр. АН СССР О.А. Алекиным, по материалам Гидрометслужбы, впервые осуществлено районирование рек по качественному составу вод для всей территории страны, включая реки Сев. Кавказа (Алекин, 1948, 1949;). Одной из наиболее обстоятельных работ периода 60-70-х гг., является исследование П.П. Воронкова, в котором проанализированы вопросы формирования ионного состава речных вод для степной и лесостепной зон ETC с учетом преобладающего питания и фаз водного режима (Воронков, 1955;). В этой работе П.П. Воронкова приводятся сведения о химическом составе рек равнинной территории Северокавказского региона, в т.ч., рек восточного побережья Азовского моря (Ея, Челбас, Сосыка, Бейсуг, Юж. Бейсужок), Вост. Маныча (Калаус, Чограй, Айгурка) и Бол. Егорлыка. Однако главные реки Сев. Кавказа в данной монографии не рассматривались. В.П. Воронковым проведено разделение поверхностных вод по их генетическому признаку. Были выделены: поверхностно-склоновые воды, почвенно-поверхностные, почвенно-грунтовые, грунтовые воды. В монографии впервые разработан и применен метод «Расчлененного гидрографа», который позволил практически разделить ионный состав вод именно по их генетическому признаку. П.П. Воронковым (1972) составлены карты (в изолиниях) покомпонентного и ионного стока, что позволило сопоставить материалы о химическом составе воды местного и зонального стока для конкретного региона или водосбора.
Наиболее полная информация о химическом составе воды рек Сев. Кавказа существуют, в основном, только для крупных и средних водотоков - Кубани, Кумы и Тереку. В работе Г.Е. Неремрюка (1951) показана роль различных природных факторов (географического, геологического, геоморфологического, условий питания) в формировании химического состава воды рек бассейна Терека, и дана достаточно подробная их характеристика, включая Терек, Малку, Баксан, Сунжу и др. Для изучения влияния вышеуказанных факторов, автор делит бассейн Терека на три геологические формации: 1 - «Центральную», куда вошли геологические отложения дренируемые верховьями Терека и его притоками pp. Камбилеевка, Гизельдон, Фиагдон, Ардон, Белая и Урух; 2 - «Западную» - геологические отложения, слагающие водосборы Баксана и Малки и 3 - «Восточную» -дренируемую бассейном р. Сунжа. При рассмотрении указанных формаций Г.Е. Немрюк отмечал, что в «Центральной» части бассейна наибольшее значение в формировании минерализации играют известняковые отложения верхней юры, насыщающие поверхностные воды солями кальция и угольной кислоты. Таким образом, в «Центральной» части, как русло Терека, так и его притоки формируются в сходных условиях, а в результате изменение количественного и качественного состава солей Терека за счет притоков, происходит в незначительной степени. «Западная» часть охватывает реки, впадающие в среднем течении Терека, которые оказывают значительное влияние на изменение минерального состава воды главной реки. Последнее сказывается в увеличении содержания сульфатов (CaSo ji-poeTa минерализации, причем зимой в большей степени, чем летом. «Восточная» часть, так же как и «Западная», оказывает существенное влияние, способствуя увеличению минерализации воды Терека. В данной работе отмечается роль климатических факторов (атмосферные осадки, температура воздуха) в формировании минерализации этой реки. В силу неоднородности климатических факторов на различных участках бассейна, нельзя ожидать тесной связи солевого состава и минерализации воды Терека с ее расходами.
Подземные воды
Трудно переоценить роль подземной составляющей речного стока: зарегулированность, устойчивость концентрации и общей минерализации воды, наконец, качество поверхностных вод. Все это тесно связанно с характеристикой подземной приточности.
Гидрогеологические условия, и как следствие, подземные воды Бол. Кавказа и Предкавказья резко различны. Северный склон первого из них с абс. отметками от 700 до 900 м и выше характеризуется широким распространением трещинных, трещинно-жильных, трещинно-пластовых и трещинно-карстовых подземных вод, питание которых осуществляется за счет таяния ледников, снежников и осадков, выпадающих в теплый период года. Со снижением отметок рельефа условия питания подземных вод ухудшаются и уменьшается величина их стока. По условиям дренирования отдельных комплексов на северном склоне Бол. Кавказа выделяется четыре гидрогеологических района (Погорельский, Шагоянц, 1968; «Ресурсы ...», 1973;).
Различие орографических, климатических и гидрогеологических условий формирования подземного стока вызывает в итоге значительное разнообразие величин основных параметров подземного питания рек. Для северного склона территории Бол. Кавказа они изменяются в следующих пределах: модуль подземного стока - от 0,3 до 14 л/с кв. км, коэффициент подземного питания - от 10 до 50%, коэффициент подземного стока - от 3 до 40%.
В Предкавказье гидрогеологические условия равнин изменяются по мере нарастания континентальности климата, высоты местности и количества выпадающих осадков. По стратиграфии водовмещающих пород здесь выделяются водоносные комплексы от докембрийско-палеозойских образований до четвертичных включительно. Питание их происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод. По гидравлическим признакам подземные воды региона подразделяются на грунтовые (нисходящие) и напорные. С точки зрения формирования подземного питания рек в группе грунтовых вод наибольшее значение имеют подземные водоносные горизонты делювиальных, аллювиальных и аллювиально-флювиогляциальных отложений.
Более благоприятные условия для формирования подземного стока создаются на Закубанской наклонной равнине, а также на Кабардинской, Осетинской и Чеченской наклонных террасированных равнинах. На остальной территории условия менее благоприятны. В связи с этим модуль подземного питания рек Предкавказья составляет от 0,01 - 0,1 до 1,5 - 2,0 л/с кв. км, а доля подземного стока варьирует от 3 до 30%.
Климат влечет за собой четкую закономерность в химическом составе и общей минерализации поверхностных вод: от ультрапресных гидрокарбонатно-кальциевых, формирующихся в зоне влажного и холодного до высокоминерализованных хлоридно-натриевых территории жаркого и засушливого климата.
Климат Сев. Кавказа очень разнообразен, что объясняется сложным взаимодействием многочисленных факторов: радиационного, циркуляции атмосферы, наконец, влияния морей. Важная роль, несомненно, принадлежит рельефу, под влиянием которого происходит определённые изменения в направлении воздушных потоков и их частичная трансформация («Агроклиматические..», 1971; Темникова, 1959, 1964;). Климат изменяется от резко-континентального в зоне сухих степей и полупустынь на северо-востоке региона до влажного и очень холодного в высокогорье. Промежуточное положение занимают районы с умеренно-континентальным жарким климатом в степной зоне и умеренно влажным и теплым в предгорьях. В итоге же на территории Сев. Кавказа выделяется пять климатических областей: Прикаспийская, Кубано-Приазовская, Предкавказская западная, Предкавказская восточная и Горная.
На большей части равнинной территории Сев. Кавказа зима начинается во второй декаде января и продолжается 2 - 3 месяца. Средняя месячная температура января в Западном Предкавказье составляет 0 - 4 С, а в Восточном -3,5 - 5 С. В зимние месяцы часто наблюдаются оттепели, снежный покров неустойчив. В высокогорных районах зима очень суровая и продолжительная. Уже на высоте 2000 м средняя температура воздуха в январе -8 С. Переход температуры через 0 С в равнинных районах происходит в конце февраля -начале марта, осенью - в конце ноября - начале декабря. Лето на равнине начинается в первой половине мая и характеризуется как жаркое и сухое. Средняя температура воздуха 21 - 25 С. В предгорном и горном поясах лето начинается позже. Температура июля на высотах 1500 м составляет 14,5 - 15,5 С , а на 2500 - 3000 м 7,5 - 8,0 С. Продолжительность безморозного периода на равнине составляет 180 - 195 дней, в горах она уменьшается в зависимости от высоты, экспозиции и крутизны склонов, наконец, форм рельефа.
Распределение атмосферных осадков по территории Сев. Кавказа неравномерно, уменьшаясь с юга на север и с запада на восток (рис. 2.2). Наименьшее их количество выпадает в Калмыцких степях, составляя 260 мм. На Азово-Кубанской равнине количество осадков не превышает 350-450 мм, в Вост. Предкавказье - 400-600 мм, в Западном - 600-800 мм. В горах их количество с высотой увеличивается, достигая 800-900 мм, а в отдельных пунктах даже 1300 мм. В годовом их распределении максимум приходится на летний период (рис. 2.2).
Глубокая дифференциация климата региона напрямую отражается в формировании жидкого стока рек: от полноводных в теплую половину года, берущих свое начало на склонах Бол. Кавказа, до кратковременных водотоков Черных степей Калмыкии.
Формирование химического состава поверхностных вод Сев. Кавказа в значительной мере происходит под воздействием почв водосбора, которые активно участвуют в формировании состава поверхностно-склоновой, почвенно-поверхностной и почвенно-грунтовой составляющих поверхностного стока. В свою очередь гранулометрический состав почв и растительный покров определяют величину плоскостного смыва первых из них, влияя на показатели влекомого твердого стока и стока растворенных веществ. Величина плоскостного смыва также определяет вероятность диффузного загрязнения поверхностных вод поллютантами с территории водосбора.
Основу почвенного покрова на Сев. Кавказе составляют черноземы, каштановые, бурые, горно-лесные и горно-луговые почвы. Встречаются также лугово-черноземные, лугово-каштановые, луговые, аллювиально-луговые, лугово-болотные, болотные почвы, солончаки, солонцы и др. (рис. 2.3) («Атлас...», 1974; Антыков и др., 1970; Фридланд, 1966;).
Вычленение условного естественно-исторического гидрохимического фона воды рек Северного Кавказа, анализ его территориальной дифференциации
Каждый водоток имеет свои сложившиеся концентрации основных ионов и во многом присущую ему структуру химического состава. На индивидуальность природных вод, постоянство их гидрохимического состава указывал В.И. Вернадский, отмечая, что «химический состав каждой индивидуальной природной воды малого бассейна по своему выражен для каждого химического элемента в предельных минимальных и максимальных числах, которые не смещаются в короткий срок исторического времени» (Вернадский, 1960;). Однако он же в ноосферной концепции отмечал, что в современной эпохе человек становится силой способной влиять и изменять законы развития геохимических процессов (Вернадский, 1977;).
Как известно, гидрохимический режим рек, сформировавшийся под воздействием естественно-исторических причин и факторов, до определенного предела способен сохранять свои качественно-количественные параметры. Однако рост антропогенной нагрузки, возрастающей нередко по экспоненте, приводит к трансформации прежде всего ионного стока. Такая картина антропогенной трансформации ИС с определенного времени достаточно четко просматривается в изменении концентрации основных ионов и в целом ИС рек Сев. Кавказа. Данный факт является следствием появления значимых источников загрязнения или антропогенной нагрузки, оказывающих воздействие как непосредственно на реки, так и на их водосборы.
Главный вопрос рассматриваемый в данной главе это расчет условно фоновых значений ионного стока рек территории Сев. Кавказа. Он проведен по материалам гидролого-гидрохимических наблюдений (1936-97 гг.) и, во вторых, их анализа при территориальной дифференциации. Необходимость такого анализа и получение исходных фоновых значений возникла в связи с тем, что в ранее проводимых работах, несмотря на их многоаспектность и привлечение значительных объемов информации (1941-1981 гг.), основное внимание, тем не менее, концентрировалось на выявлении территориальной дифференциации гидрохимических характеристик. При этом отсутствует информация о временной изменчивости ИС и разделении его фоновой и антропогенной составляющих. В итоге в предыдущих исследованиях обработка материалов производилась, хотя и за значительный период, но без учета величины изменения антропогенного характера, произошедшей внутри этого периода. Для решения данной проблематики, в соответствии с методикой, был проведен пространственно-временной анализ изменчивости гидрохимического режима рек исследуемого региона.
Серьезной причиной, повлекшей антропогенную трансформацию ИС рек Сев. Кавказа, стало интенсивное развитие сельского хозяйства региона, в результате чего, для освоения степных территорий потребовалась их мелиорация. В этих целях начались работы по межбассейновой переброске части водного стока рек, были введены в эксплуатацию ряд крупных оросительно-обводнительных систем (Терско-Кумский канал, (первая очередь которого была введена в 1936 г.); Невинномысский (1960 г.); Кумо-Манычский; Большой Ставропольский (1967-70 гг.);). Здесь же следует отметить начавшуюся в конце 50-х г. XX ст. интенсивную химизацию сельского хозяйства. Применение удобрений, в т.ч. калийных, конечно же сказалось на увеличении объема ИС, особенно на реках степной части.
В те же годы началось активное введение в строй действующих и расширение целого ряда новых промышленных предприятий как собственно на территории Сев. Кавказа, так на и смежных территориях.
По данным статистической отчетности, с конца 50-х гг., в результате серьезных социально-политических изменений в стране (паспортизация сельского населения, реорганизация сельскохозяйственных предприятий и др.), отмечалась интенсивная миграция населения в города и рост урбо-экосистем, что также привело к увеличению точечного характера загрязнения в виде роста сброса коммунально-бытовых стоков.
Комплекс выше обозначенных факторов послужил импульсом к росту концентраций главных ионов и трансформации ИС рек Сев. Кавказа в конце 50х -средине 60х гг.
В результате регрессионного анализа временной изменчивости компонентов ИС, и в первую очередь поллютантов, установлено, что начало антропогенной трансформации ионного стока Сев. Кавказа дифференцировано во времени как для отдельных речных бассейнов, так даже и отдельных гидрохимических постов. При этом сроки начала трансформации приходятся на конец 50х г. - средину 60х гг. XX в. Последнее подтверждает изложенную выше совокупность экономических факторов, начавших действовать в это время. Проведенный анализ изменчивости ИС рек Сев. Кавказа показал, что его значения на раннем этапе наблюдения (до 1955 г.) в большинстве случаев являются стабильными, в т.ч. на реках дренирующих экономически наиболее развитые районы Сев. Кавказа. Таким образом, гидрохимический режим рек 40-50-х гг. XX ст. может рассматриваться, как условно фоновый (естественно-исторический), относительно которого следует определять происходящие антропогенные изменения в гидрохимическом режиме рек Сев. Кавказа. При этом период условного гидрохимического фона, продолжающийся для рек Сев. Кавказа до конца 1950-х - средины 60-х гг., совпадает с фоновым периодом, выделенным другими авторами для территорий Украины и ЕТР (Пелешенко, 1991; Белоногов, Торсуев и др., 1996, 1999;).
Пространственно-временной (1936-97 гг.) анализ антропогенной изменчивости ионного стока рек Северного Кавказа
Водные ресурсы Сев. Кавказа, как известно, широко используются для водоснабжения, орошения, обводнения, гидроэнергетики, рекреации и рыбоводства. Гигантский комплекс гидромелиоративных и гидротехнических работ, осуществляемых в 30-70 гг. XX ст. сказывается на мегарегиональной изменчивости ИС рек. Важным фактором, влияющим на качество воды рек Северокавказского региона, является загрязнение в результате точечного сброса сточных вод промышленными объектами, площадное загрязнение за счет смыва ЗВ привносимых в результате сельскохозяйственной деятельности и выбросов ЗВ в атмосферу.
Основным водопотреблением региона является сельское хозяйство, на долю которого приходится 64% от общего объема забранной речной воды. Поскольку равнинная часть Сев. Кавказа расположена в зоне недостаточного увлажнения, то сюда перебрасываются большие объемы пресной воды для орошения и обводнения. На Сев. Кавказе построены десятки обводнительно-оросительных систем (рис. 5.1). Отведение наибольших объемов водного, а с ним и ионного стока производится из Кубани по Большому Ставропольскому и Невинномысскому каналам и из Терека по Терско-Кумскому. В свою очередь, на реках бассейнов Б. Егорлыка, Калауса, Кумы, развитие орошения, базирующиеся на маломинерализованных водах Кубани и Терека, способствовало опреснению водотоков при увеличении объемов водного и ионного стока.
В бассейне Кубани из ее среднегодового стока 75% обеспеченности (11,9 км3) на нужды орошения отбирается до 5,1 км3 воды. Этот объем перебрасывается в бассейнах Зап. Маныча, Вост. Маныча и Кумы. Подача кубанской воды в р. Б. Егорлык осуществляется Невинномысским, а в р. Калаус -Бол. Ставропольским каналом. Сведения о сроках ввода в эксплуатацию и параметрах наиболее крупных оросительно-обводнительных систем Сев. Кавказа представлены в таблице 5.1.
Из Терека при среднегодовом стоке 10,4 км3 за его пределы отводится до 5 км3 стока Терско-Кумским, Кумо-Манычским и более мелкими каналами. Воды Терека и его притоков, перебрасываются в pp. Кума, Вост. Маныч и др. (Природные ресурсы..., 1981;). С целью регулирования стока на реках построены водохранилища, наиболее крупные из которых: Кубанское, Усть-Джегутинское, Краснодарское - на Кубани, Отказненское - на Куме, Чограйское - на Вост. Маныче, Майкопское, Белореченское, Ганженское - на р. Белая, Сенгилеевское, Егорлыкское, Новотроицкое - на Бол. Егорлыке и ряд других (табл. 5.2).
Значительное влияние на ИС рек Северокавказского региона оказывает промышленность и сельское хозяйство, ухудшающие качество воды в результате точечного и площадного загрязнения. Основные промышленные источники расположены в среднем и нижнем течении р. Кубань. В среднем течении Кубани преобладают объекты химической промышленности, расположенные в гг. Невинномысск и Черкесск. В нижнем течении, добавляются объекты нефтяной промышленности. Похожее территориальное распределение промышленной нагрузки, но в меньших масштабах свойственно бассейну р. Терек.
В зоне активного земледелия значительным, а для многих рек основным, загрязнителем является АПК. В результате происходит смыв привносимых на водосборную площадь ЗВ. Наибольшему воздействию от сельскохозяйственного производства подвержены реки равнинной части Сев. Кавказа, куда входят среднее и нижнее течение Кубани, Кумы и нижнее течение Терека. Сюда же следует отнести вымывание солей из почв, подвергшихся засолению в результате неэффективной мелиорации.
Русла рек и оросительных каналов нередко загрязняются объектами коммунально-бытового и промышленного водоснабжения, осуществляющими сброс ЗВ в открытый водоем. Как следствие практически на всей исследуемой территории среди прочих видов загрязнения присутствуют коммунально-бытовые стоки. Таблица 5.1. Сведения о наиболее крупных ороситеяьио-обводиигельиых системах (Ресурсы ... т. 8, 1973)
Русловое многолетнее Терека, Кумы через Кумо-Ма-нычекнй канал В стадии строительства 100 165 Регулирование, ирригации Относительно малое антропогенное загрязнение характерно для участков рек, водосборы которых расположены в горной части, где за исключением объектов горнорудной промышленности на pp. Уруп, Ардон, Баксан практически отсутствуют другие виды прямой антропогенной нагрузки.
Горные реки обладают большим энергетическим потенциалом. Гидроэлектростанции построены (ГЭС) на pp. Терек, Кубань, Гизельдон, Баксан, Белая и др. Каскад ГЭС создан на Кубань-Калаусской оросительной системе. Крупные ГРЭС (Невинномысская, Ставропольская и др.) используют воду межбассейновой переброски в системе охлаждения турбин. По pp. Б. Зеленчук, Лаба, Белая, Кизгыч, Аксаут производился молевой сплав леса.
Помимо загрязнения и переброски водного стока, ИС ряда рек Сев. Кавказа подвергся влиянию солей трансграничного атмосферного переноса. Нами выявлен источник переноса - это осушенная территория залива Каспийского моря - Кара-Богаз-Гол (Туркмения), резко изменивший гидрохимический режим рек восточной половины Северокавказского региона.
Бол. Кавказ богат минеральными источниками, обладающими высокими целебными свойствами. На их базе построены курорты Кавминвод, Горячего Ключа, Серноводска, Тамиска, Кармадона. В горных и предгорных районах многие реки (Теберда, Б. Зеленчук, Подкумок, Цейдон и др.) используются в рекреационных целях. На их берегах расположены санатории, дома отдыха, туристские базы. Что также не проходит бесследно для рек региона. Многие реки используются для рыбоводства. Только в Ставропольском крае рыбопромысловые хозяйства используют 1564 га зеркала прудов, обеспечиваемых речным стоком, воздействуя тем самым на гидрологический режим водотоков. Непосредственное загрязнение, отведение сточных и коллекторно-дренажных вод, рост безвозвратного водопотребления, внутри- и межбассейновые переброски воды и другие виды хозяйственной деятельности оказывают существенное влияние на изменение гидрологического и гидрохимического режима рек исследуемой территории.
