Содержание к диссертации
Введение
1. Изученность гидрохимического стока и условий его формирования 11
1.1. Актуальность исследований гидрохимического стока и подходы к его изучению.. 11
1.2. Изученность гидрохимического стока и условий его формирования в бассейне Средней Оби 14
1.3. Базовые термины и определения, принятые в работе 20
2. Методика исследований 24
2.1. Методика полевых и лабораторных исследований 25
2.2. Методика обобщения и анализа гидрохимических и гидрологических данных 27
2.3. Методика проведения термодинамических расчетов 32
2.4. Математическое моделирование формирования химического состава речных вод и гидрохимического стока 33
3. Водный сток и водный режим 36
3.1. Общая гидрологическая характеристика 36
3.2. Многолетние изменения среднегодовых расходов речных вод 41
3.3. Многолетние изменения среднемесячных расходов воды 48
3.4. Норма и внутригодовое распределение водного стока рек 54
3.5. Подземный водный сток и его многолетние изменения 59
4. Химический и микробиологический состав речных и подземных вод 80
4.1. Большие реки 80
4.1.1. Макрокомпоненты и рН 80
4.1.2. Микроэлементы 83
4.1.3. Биогенные вещества 97
4.1.4. Органические вещества 102
4.1.5. Растворенные газы 111
4.1.6. Микроорганизмы 113
4.2. Средние реки 118
4.2.1. Макрокомпоненты и рН 118
4.2.2. Микроэлементы 126
4.2.3. Биогенные вещества 129
4.2.4. Органические вещества 132
4.2.5. Растворенные газы 138
4.2.6. Микроорганизмы 139
4.3. Малые реки 140
4.3.1. Макрокомпоненты и рН 140
4.3.2. Микроэлементы 144
4.3.3. Биогенные вещества 149
4.3.4. Органические вещества 152
4.3.5. Растворенные газы 154
4.3.6. Микроорганизмы 154
4.4. Подземные воды зоны активного водообмена 156
4.4.1. Макрокомпоненты и рН 156
4.4.2. Микроэлементы 162
4.4.3. Биогенные вещества 166
4.4.4. Органические вещества 170
4.4.5. Растворенные газы 172
4.4.6. Микроорганизмы 173
4.5. Взаимосвязи между гидрохимическими и гидробиологическими показателями... 177
4.6. Оценка качества природных вод 182
5. Временные изменения химического состава природных вод 188
5.1. Речные воды 188
5.1.1. Многолетние изменения 191
5.1.2. Внутригодовые изменения 200
5.2. Подземные воды 204
5.2.1. Многолетние изменения 205
5.2.2. Внутригодовые изменения 212
6. Пространственные изменения химического состава природных вод 215
6.1. Речные воды 215
6.1.1. Большие реки 216
6.1.2. Средние реки 218
6.1.3. Малые реки 221
6.2. Подземные воды 223
7. Гидрохимический сток и условия его формирования 229
7.1. Гидрохимический сток 229
7.1.1. Ионный сток 229
7.1.2. Сток микроэлементов 241
7.1.3. Сток биогенных веществ 243
7.1.4. Сток органических веществ 250
7.2. Условия формирования гидрохимического стока рек бассейна Средней Оби 252
7.2.1. Химический состав вод и гидрохимический сток Верхней Оби 254
7.2.2. Поступление веществ из атмосферы 257
7.2.3. Поступление веществ в процессе водной эрозии почв 270
7.2.3.1. Общие подходы к оценке выноса веществ из почв в результате их водной эрозии 270
7.2.3.2. Параметры расчетной модели 271
7.2.3.3. Оценка выноса веществ в водные объекты из почв 277
7.2.4. Поступление веществ из болот 279
7.2.4.1. Химический состав болотных вод 280
7.2.4.2. Общая характеристика химического состава природных вод заболоченных территорий и связи между гидрохимическими показателями 286
7.2.5. Сброс сточных вод 290
7.2.6. Неорганизованное антропогенное поступление веществ в водные объекты...304
7.2.6.1. Общие подходы к оценке неорганизованного антропогенного поступления веществ в водные объекты 304
7.2.6.2. Оценка неорганизованного антропогенного поступления веществ в водные объекты 307
7.2.7. Роль взаимодействий в системе «вода - порода» 313
7.2.7.1. Общая характеристика взаимодействий 313
7.2.7.2. Полуэмпирическая модель взаимодействий в системе «вода - порода».„323
7.2.8. Влияние интенсивности водообмена на химический состав природных вод и гидрохимический сток 326
7.2.9. Соотношение потоков веществ в бассейне Средней Оби 330
Заключение 334
Литература
- Изученность гидрохимического стока и условий его формирования в бассейне Средней Оби
- Методика обобщения и анализа гидрохимических и гидрологических данных
- Многолетние изменения среднемесячных расходов воды
- Органические вещества
Введение к работе
Актуальность. Гидрохимический сток служит важным показателем функционирования природно-территориальных комплексов, характеризующим перемещение и трансформацию веществ и энергии в водосборных бассейнах. В связи с этим знание величины гидрохимического стока, общих закономерностей его формирования и пространственно-временных изменений является необходимым условием выявления механизмов и масштабов взаимодействий между компонентами природной среды и объективной оценки геоэкологического состояния территорий. От того, насколько полными и точными будут эти знания, во многом зависит не только эффективность отдельных водоохранных мероприятий, но и направление природоохранной деятельности в целом.
Значительный вклад в решение проблемы определения гидрохимического стока, выявления условий его формирования под воздействием природных и антропогенных факторов внесли О.А. Алекин, Р.А. Бернер, Е.В. Веницианов, В.И. Вернадский, Ю.И. Винокуров, В.В. Гордеев, Р.Г. Джамалов, В.П. Зверев, Г.С. Коновалов, А.П. Лисицын, М. Мейбек, С.Д. Муравейский, A.M. Никаноров, Е.В. Посохов, B.C. Савенко, A.M. Черняев, С.Л. Шварцев и другие. Тем не менее, эта проблема еще далека от решения, в том числе в средней части бассейна р. Обь [Шварцев, Савичев, 1997; Винокуров и др., 2000; Земцов, 2004]. Недостаток достоверной информации о современном гидрохимическом стоке и его природно-антропогенной трансформации в последние десятилетия негативно сказывается на всем процессе управления водными ресурсами данной территории, а следовательно, и социально-экономическом развитии региона, что определило цель, объект и методы рассматриваемых исследований.
Цель работы состоит в оценке гидрохимического стока рек бассейна Средней Оби, выявлении и анализе его природно-антропогенпой трансформации. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи: 1) оценка средпемноголетнего суммарного водного стока, его подземной состав-
ляющей и выявление их долгосрочных изменений; 2) оценка среднемиоголетпего химического состава речных и подземных вод и выявление его пространственно-временных изменений; 3) оценка нормы суммарного гидрохимического стока, его подземной составляющей и выявление их долгосрочных изменений; 4) анализ условий формирования гидрохимического стока и оценка его природно-антропогеиной трансформации.
Объект и методы исследований. Объектом исследований является бассейн р. Обь на участке от устья р. Томь, включая водосбор последней, до устья р. Иртыш (преимущественно — в пределах Томской и Кемеровской областей). Выбор объекта обусловлен напряженной геоэкологической ситуацией на данной территории, отсутствием или дефицитом достоверных сведений о современном химическом составе речных вод, гидрохимическом стоке, условиях его формирования и закономерностях пространственно-временных изменений. Выполненное исследование базируется на бассейновом подходе и широком использовании географо-гидрологического, ландшафтно-геохимического, статистических методов и методов математического моделирования гидрохимических процессов.
Исходные материалы. Использованы данные многолетних гидрометрических (с 1895-1936 гг. по 2003 г.), гидрогеологических (с 1965-1976 гг. по 2003 г.) и гидрохимических (с 1937-1950 гг. по 2005 г.) наблюдений в бассейне р. Обь, проводимых Росгидрометом, Томским политехническим университетом (ТПУ), Томским филиалом Института геологии нефти и газа (ТФ ИГНГ) СО РАН и государственным предприятием Территориальный центр «Томскгеомониторинг» (ТЦ «Том-екгеомониторинг»), включая материалы, полученные в последних трех организациях в течение 1993-2005 гг. при непосредственном участии автора. Кроме того, учитывались опубликованные данные Института водных и экологических проблем (ИВЭП) СО РАН, Томского государственного университета (ТГУ) и ряда других организаций. Помимо гидрохимических и гидрометрических материалов широко использовались водохозяйственные данные территориальных подразделений Министерства природных ресурсов России и Администрации Томской области.
Личный вклад в решение в проблемы. Защищаемые положения разработаны и сформулированы лично автором в процессе работы в ТПУ, ТФ ИГНГ СО РАН и ТЦ «Томскгеомониторинг» в результате проведения научных исследований в бассейне р. Обь и государственного мониторинга поверхностных водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений на территории Томской области. Ряд результатов, имеющих в данной работе вспомогательный характер и касающихся получения гидрохимической информации, изучения проблем водопользования и колебаний водного стока, получен совместно с д.г.-м.н. С.Л. Шварцевым, д.г.-м.н. Н.М. Рассказовым, к.г.м.н. В.А. Льготиным, к.г.-м.н. Ю.В. Макушиным, д.г.н. В.А. Земцовым, к.г.н. В.В. Паромовым, к.б.н. В.А. Базановым и некоторыми другими специалистами.
Защищаемые положения:
На основе данных количественной оценки суммарного и подземного гидрохимического стока в бассейне Средней Оби показано, что распределение по рассматриваемой территории гидрохимического стока и соотношения его поверхностной и подземной составляющих в целом подчиняется зональным закономерностям изменений интенсивности водообмена и условий взаимодействий в системе «вода -порода».
В результате совместного анализа многолетних изменений химического состава природных вод, водного стока и уровенного режима грунтовых вод установлено, что с 1970-х гг. до начала 2000-х гг. норма суммарного годового гидрохимического стока в бассейне Средней Оби остается неизменной, а отклонения от нее связаны в основном с колебаниями водности; в то же время, происходит постепенное изменение внутригодового распределения гидрохимического стока за счет увеличения его подземной составляющей.
Большая часть гидрохимического стока в бассейне Средней Оби, представленная макрокомпонентами и трудноокисляемыми органическими веществами по величине ХПК, формируется в результате действия природных факторов; главной особенностью его природной трансформации является постепенное увеличе-
ниє стока органических веществ вследствие прогрессирующего заболачивания водосборной территории.
Антропогенная трансформация гидрохимического стока в течение 1970-2000-х гг. в основном проявляется в поступлении в речную сеть высокотоксичных техногенных органических микропримесей, увеличении выноса углеводородов, легкоокисляемых органических веществ по БПК5, неорганических соединений азота, микроорганизмов и связана, прежде всего, с загрязнением атмосферного воздуха и неорганизованным поступлением веществ с урбанизированных территорий.
Любое внешнее воздействие на химический состав речных вод в бассейне Средней Оби, включая сбросы стоков, является нелинейным, а резкое и относительно долгосрочное увеличение концентрации какого-либо вещества в воде возможно только при существенном одновременном увеличении концентраций большинства основных компонентов химического состава вод, что обычно возможно только на локальных участках и/или в течение непродолжительного интервала времени.
Научная новизна. Впервые на основе бассейнового подхода и комплексного анализа обширной гидрохимической, гидрометрической и гидрогеологической информации выполнено определение современного суммарного и подземного гидрохимического стока Средней Оби и ее притоков, выявлены закономерности его пространственно-временных изменений, получена цельная и объективная картина современного эколого-геохимического состояния природных вод на территории с площадью около 500 тыс. км2. На основе предложенного автором комплекса взаимосвязанных методик количественно оценен вклад наиболее важных факторов в формирование гидрохимического стока на рассматриваемой территории, установлены и охарактеризованы основные тенденции и причины его природно-антропогенной трансформации в 1970-2000-е гг., в значительной мере связанные с протекающими на рассматриваемой территории болотными процессами, долгосрочными изменениями водного режима, неорганизованным антропогенным поступление веществ с урбанизированных территорий и загрязнением атмосферного воздуха. В результате региональных обобщений гидрохимической и водохозяйст-
венной информации и математического моделирования гидрохимических процессов впервые представлен механизм поддержания относительно стабильного химического состава речных вод и гидрохимического стока. Показано, что сброс сточных вод в Среднюю Обь и ее притоки по сосредоточенным выпускам оказывает заметное влияние на состояние водных объектов обычно на локальных участках и существенно уступает по степени воздействия другим антропогенным и природным факторам. На примере рек региона впервые обоснованы зависимости между гидрохимическими показателями и интенсивностью водообмена, использование которых позволяет объективно оценить «фоновый» уровень содержания веществ в речных водах, сложившийся в конкретных природио-антропогенных условиях.
Практическое значение работы. Материалы исследований использовались при ведении государственного мониторинга состояния водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений на территории Томской области (ТЦ «Том-екгеомониторинг», контракты № 13 от 07.06.2002, №4 от 11.02.2003, № 1/03 от 30.06.2003) и решении вопросов, связанных с оценкой существующего и допустимого антропогенного воздействия на водные объекты, прогнозом изменений состояния водных объектов в процессе выполнения научно-исследовательских работ по 24 проектам, в том числе по 17 темам, где автор являлся ответственным исполнителем. Среди последних необходимо отметить следующие темы: «Доработка федеральной целевой программы «Коренное улучшение водохозяйственной и экологической обстановки в бассейне р. Томи»» (ТФ ИГНГ СО РАН, № 31/96), «Анализ качества поверхностных и подземных вод в бассейне р. Томи. Оценка воздействия строительства Крапивинского гидроузла на подземные воды» (ТФ ИГНГ СО РАН, № 5-2000), «Разработка территориальной программы рационального использования, восстановления и охраны водных объектов Томской области до 2010 года» (ТЦ «Томскгеомониторинг», № 20 от 03.09.2002 г.). Кроме того, результаты работы использовались при разработке «Временных методических указаний по проведению расчетов фоновых концентраций веществ в болотных водах и предельно допустимых сбросов (ПДС) вредных веществ в болота со сточными водами» (введе-
ны в действие на территории Томской области приказом но ГУПРиООС № 0533/з от 23.07.2003 г.), а также в процессе ведения учебных занятий в ТПУ.
Апробация работы и публикации. Материалы по диссертационной теме докладывались и обсуждались на 19 международных и российских научных конференциях, проходивших в гг. Томске (1995-1998, 2000, 2001, 2003, 2004 гг.), Новосибирске (1995 г.), Красноярске (1997 г.), Москве (1998 г.), в том числе российской научной конференции "Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов" (г. Томск, 2000 г.), XXVII Пленуме Геоморфологической комиссии РАН (г. Томск, 2003 г.), международной научной конференции «Фундаментальные проблемы современной гидрогеохимии» (г. Томск, 2004 г.). По теме диссертации опубликовано 96 работ, включая одну монографию и два учебных пособия. Основные результаты приведены в 33 работах, в том числе в 20 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК России.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 470 наименований общим объемом 391 страница машинописного текста, содержит 67 рисунков, 100 таблиц и 3 приложения.
Благодарности. Автор выражает глубочайшую признательность, прежде
всего, научному консультанту проф. С.Л. Шварцеву, а также
проф. Н.М. Рассказову, к.г.-м.н. В.А. Льготину, к.г.-м.н. Ю.В. Макушину, к.б.н. О.Г. Савичевой, к.б.н. В.А. Базанову, д.ф.-м.н. М.М. Немировичу-Данченко, д.г.н. В.А. Земцову, к.г.н. В.В. Паромову, СЮ. Краснощекову, д-ру И.Н. Эзау, Л.В. Мешковой, Б.А. Егорову, Т.Д. Кириленко и всем сотрудникам кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ и кафедры гидрологии ТГУ за помощь в проведении исследований, плодотворное обсуждение полученных результатов и конструктивную критику.
Изученность гидрохимического стока и условий его формирования в бассейне Средней Оби
Особое значение исследования гидрохимического стока и условий его формирования приобретают для участка бассейна Оби в ее среднем течении — от устья р. Томь (включая ее водосбор) до устья р.Иртыш [Иоганзен, 1971; Ресурсы поверхностных..., 1972]. Исследуемая территория расположена в юго-восточной и центральной частях Западно-Сибирской равнины и северной части Саяно-Алтайской горной страны на площади более 500 тыс. км (рисунок 1.1), в пределах которой расположены Кемеровская и Томская области, Ханты-Мансийский автономный округ, часть республики Хакасия и Красноярского края и небольшие участки республики Алтай и Новосибирской области. Максимальное расстояние между северной и южной границами - более 1000 км, западной и восточной — около 800 км. С учетом природных условий в пределах рассматриваемой территории целесообразно отдельно рассматривать ее равнинную часть (в данной работе основное внимание уделяется территории, соответствующей границам Томской области) и водосборы pp. Томь и Чулым, по сути являющиеся переходной частью между участками среднего и верхнего течения р. Обь.
Согласно физико-географическому районированию территории бывшего СССР [Атлас расчетных..., 1986], в пределах рассматриваемой территории выде ЛЯЮТСЯ і орньїе районы (южная и юго-восточная части водосбора р. Томь, верхнее течение р. Чулым), лесостепная (среднее и нижнее течение р. Томь, среднее течение р. Чулым, часть водосбора р. Шегарка) и лесная зоны (прочие территории). Большая часть площади в пределах лесостепной зоны относится к Кузнецкой котловине и Колывань-Томской складчатой зоне, являющимся, наряду с Кузнецким Алатау и Горной Шорией, орографическими компонентами Саяно-Алтайекой горной страны. Территории в пределах лесной и части лесостепной зон относятся к Западно-Сибирской равнине [Николаев, 1963; Иоганзсн, 1971; Ресурсы поверхностных..., 1972; Ресурсы пресных..., 1991; Дюкарев и др., 1997; Евсеева, 2001].
Плоский рельеф и слабая дренированность равнинной части региона в сочетании с избыточным атмосферным увлажнением (от 400 до 570 мм/год), достаточно суровым термическим режимом (средняя годовая температура воздуха от -0,6"С до -3,5"С) и рядом других факторов обусловили исключительно широкое распространение болот и заболоченных земель, занимающих не менее половины ее площади [Нейштадт, 1972; Болота..., 1976; Львов, 1991; Инишева и др., 1995; Лисе и др., 2001]. В настоящее время процесс болотообразования продолжается, причем с наиболее высокой в Западной Сибири интенсивностью: скорость годового вертикального прироста составляет 0,60...2,62 мм для Васюганского болота; 0,39...0,80 мм - для прочих западно-сибирских болот [Пологова, Лапшина, 2002]. Таюке следует отметить различия характера и интенсивности болотного процесса практически для каждого водосбора средней реки рассматриваемой территории, что нашло отражение в разработанной Ю.А. Львовым схеме болотного районирования Томской области [Львов, 1991]. Перечисленные выше природные факторы создали условия для формирования густой речной сети и определили основные черты гидрологического режима территории, характеризующегося хорошо выраженной широтной зональностью пространственного распределения водного стока и достаточно большой долей его подземной составляющей, высокой водностью и естественной зарегулированностыо стока в течение года. Основные водотоки бассейна Средней Оби - Обь, Томь, Чулым, Кеть, Тым, Вах, Тром-Юган, Аган, Большой Салым, Большой Юган, Васюган, Парабель, Чая, приток Чулыма - Кия, притоки Томи - Мрас-Су, Кондома, Уса, Тайдон, Верхняя, Средняя и Нижняя Терси.
Наиболее крупные населенные пункты на рассматриваемой территории -гг. Кемерово, Новокузнецк, Томск, Северск, Междуреченск, Прокопьевск, Кисе-левск, Осинники, Ачинск, Назарово, Мариинск, Мыски, Асино, Колпашево, Стре-жевой, пгт. Яя, Тайга, Тяжин, Крапивинский). Численность населения превышает 3 млн. человек, большую часть которых составляют городские жители. Специфика хозяйственного комплекса во многом определяется наличием богатых природных ресурсов. Прежде всего, это - углеводородное сырье (разведано 1,5 млрд. т нефти, 73,6 млрд. м газоконденсата, 757 млрд. м газа), уголь (более 13 млрд. т), железная руда, руды цветных металлов, лес (запасы древесины - 2760 млн. м ). В структуре промышленности лидирующее положение занимают предприятия топливной и химической промышленности, черной и цветной металлургии, машиностроения. Кроме перечисленных, достаточно успешно действуют предприятия легкой и пищевой промышленности; развито сельское хозяйство. В целом, субьекты Федерации, расположенные в бассейне Средней Оби, представляют собой средние по социально-экономическим показателям российские регионы. Специфическими чертами их хозяйственного комплекса являются неравномерность пространственного распределения производственных объектов и населения, значительная роль ресурсодобывающих отраслей, наличие экологически опасных производств [Аксарин, 1954; Хозяйственное..., 1991; Территориальная комплексная..., 1993; Адам, Мамин, 2001; Территориальная программа..., 2002; Промышленность..., 2002; Экологический..., 2002], что в значительной степени и определяет уровень экологической напряженности в регионе от очень низкой до очень высокой [Кочуров и др., 2002].
Рассматриваемая территория обского бассейна неоднократно являлась объ ектом исследований водного стока и химического состава поверхностных и под земных вод [Гидрогеология..., 1970; Ресурсы поверхностных..., 1972; Брюханов, 1996; Евсеева, 2001; Рассказов, 2004]. В частности, благодаря многочисленным публикациям М.Б. Букаты, В.А. Всеволожского, ЕЛ. Горюхина, Е.М. Дутовой, В.А. Зуева, Ю.Г. Копыловой, Е.И. Куприяновой, B.C. Кусковского, Ю.В. Макушина, Г.А. Плевако, Г.Л. Плевако, Д.С. Покровского, В.К. Попова, Н.М. Рассказова, Г.М. Рогова, Ю.К. Смоленцева, С.Л. Шварцева, П.А. Удодова и других авторов, включая ключевые работы С.Л. Шварцева [1978, 1998], Г.М.Рогова и В.К.Попова [1985], Н.М. Рассказова [1993] и монографии из цикла «Гидрогеология СССР» (т. XVI и XVII), «Ресурсы пресных и маломинерализованных...» (1991), были получены данные о химическом составе и гидродинамическом режиме подземных вод региона, формах миграции в них химических элементов и условиях взаимодействий в системе «вода — порода», во многом определяющих химический состав вод.
Методика обобщения и анализа гидрохимических и гидрологических данных
Значительная часть материала, использованного в данной работе, особенно данные о содержании микроэлементов, органических веществ и микроорганизмов, получена при непосредственном участии автора в результате экспедиционных исследований ТФ ИГНГ СОР РАН, ТПУ, ТГУ и ИВЭП СО РАН в 1994-2001 гг., а также в 2001 - 2005 гг. в процессе выполнения ряда научно-исследовательских работ и ведения государственного мониторинга поверхностных водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений на территории Томской области (в качестве руководителя группы мониторинга поверхностных водных объектов и начальника отдела геоэкологии и мониторинга водных объектов ТЦ «Томскгеомониторинг»), Пробы воды отбирались в соответствие с [РД 52.24.309-92; ГОСТ Р 51592-2000] в основном по фарватеру реки из поверхностного слоя в специально подготовленную посуду [Шварцев и др., 1996]. Только в зимний период 2001 г., в ходе совместных исследований ИВЭП СО РАН, ТФ ИГНГ СО РАН и ряда других организаций, отбор проб воды р. Томь осуществлялся с 0,6 глубины потока стеклянным батометром [Савичев и др., 2002 в]. Сразу же после отбора в них определялось содержание быстроизменяющихся компонентов (рН, Fe2+, Fe3+, НСОз", С032", С02, N03", N02", NH/) в соответствии с требованиями, изложенными в [Муравьев, 1999]. Все остальные ионы анализировались в стационарных лабораториях из консервированных проб воды, предварительно отфильтрованных через бумажный фильтр «синяя лента».
Макрокомпоненты, биогеннные и некоторые органические вещества (или косвенные показатели их содержания) анализировались в аккредитованных лабораториях ТПУ (руководители лабораторий Ю.Г. Копылова и Е.Г. Вертман) и ТЦ «Томскгеомониторинг» (начальник лаборатории Т.Д. Кириленко) по аттестованным методикам со следующей чувствительностью (в скобках, мг/дм3). По турбодиметрической и объемным методикам определялись содержания S042" (2,0), Са2+ (1,0), Mg2+(1,0), ХПК (2,0), гумиповые (1,0) и фульвокислоты (1,0), СГ (0,35). Колориметрическими методиками анализировались фосфаты (0,01) и содержание Si (1,0). Методами атомной абсорбции анализировались Na+ (0,002), К+ (0,01), Li (0,005), Hg (0,00001). Инверсионно-вольтамперометрическим методом определялись концентрации Zn, Cd, Pb, Си (0,0001), Bi (0,00001). Количественный спектральный анализ концентратов методом ТПИ для определения Ті, Mn, Со, Ni (0,001), Ва (0,003) выполнялся с использованием кварцевого спектрографа ИСП-28 (в гидрогеохимической лаборатории ТПУ). Редкие и редкоземельные элементы определялись из сухих остатков исследуемых вод нейтронно-активационным методом с использованием ядерного реактора НРТ-1, гамма-спектрометра в составе полупроводникового германий-литиевого детектора ДГДК-60 и амплитудного анализатора АМ-А-02Ф с чувствительностью по элементам (мкг/дм3): Sc (0,002), Rb (0,4), Sr (50), Cs (0,02), La (0,003), Се (0,06), Sm (0,005), Eu (0,003), Tb (0,07), Yb (0,0088), Lu (0,002), Hf (0,002), Th (0,006), Au (0,0008) [Шварцев и др., 1996]. В Институте химии нефти СО РАН (заведующий лабораторией Ю.П. Туров) проводился хроматомасс-спектрометрический анализ органического вещества исследуемых вод по методике США с использованием квадруполыюго хроматомасс-спектрометра "R-10-10C" фирмы NERMAG (Франция) [Туров и др., 1998; Шварцев и др., 1996; Конторович и др., 2000]. При исследовании микрофлоры природных вод, выполненных в ТПУ Н.Г. Наливайко и Н.А. Трифоновой, использовались классические методики, принятые в микробиологии и указанные в [Савичев и др., 2002 а].
Более подробное описание использованных методик и непосредственно данные о химическом и микробиологическом составе отобранных проб поверхностных, подземных и сточных вод изложены в работах [Шварцев и др., 1996, 1997, 1999, 2000, 2001, 2003; Шварцев, Савичев, 1997 а, 1999, 2002; Савичев и др., 2001, 2002 а, б, в, 2003 а, в; Савичев, 1999 а, 2000 в, 2003 а; Состояние поверхностных..., 2002, 2003; Базанов и др., 2004; Состояние поверхностных..., 2002, 2003]. Сведения о пунктах пробоотбора, в проведении которого автор непосредственно не прини мал участия, но обобщал и анализировал материалы лабораторных исследований, приведены в [Шварцев и др., 1996, 1997, 1999; Шварцев, Савичев, 1997 а; Состояние поверхностных..., 2001, 2002, 2003; Базанов и др., 2003, 2004].
Методика исследований пространственно-временных изменений гидрохимических и гидрологических характеристик включала в себя: 1) обобщение материалов, полученных из разных источников, их визуальный анализ и исключение недостоверных данных; 2) расчет статистических параметров рядов наблюдений и погрешностей их определения; 3) проверку временных рядов на однородность и случайность; 4) анализ пространственных взаимосвязей между гидрохимическими характеристиками. Все статистические расчеты проводились в соответствии со СП 33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик», «Пособием по определению расчетных гидрологических характеристик» [1984] и с учетом рекомендаций, изложенных в [Рождественский, Чеботарев, 1974; Дэвис, 1990; Христофоров, 1993].
I. Обобщение материалов включало в себя качественное сопоставление опубликованных обобщенных сведений (гидрохимическая классификация, диапазон изменений концентраций, методы определения и т.д.) и статистические процедуры обработки количественной информации, предусматривавшие исключением экстремальных значений согласно [РД 52.24.622-2001].
Многолетние изменения среднемесячных расходов воды
В случае р. Обь объяснение нарушения однородности рядов наблюдений у г. Колпашево с 1915 г. по 2002 г. несколько иное. В конце 1950-х гг. на этой реке было введено в эксплуатацию Новосибирское водохранилище сезонного регулирования. Несмотря на то, что на участке от г. Новосибирск до г. Колпашево в р. Обь впадает ряд полноводных притоков, было выявлено уменьшение нормы стока на 700 м3/с [Земцов и др., 2000]. В работе [Маркова и др., 1984] упоминается о выявленной ее авторами систематической 15 %-ой погрешености определения расходов воды р. Обь у г. Колпашево до 1962 г., что примерно и соответствует 700 м3/с, но при этом ничего не было сказано о природе этой погрешности и ее внутригодовом распределении. С учетом этого обстоятельства и, самое главное, регулирования стока р. Обь Новосибирским водохранилищем целесообразно, как и для р. Томь, рассматривать не весь ряд наблюдений (с 1915 г. по 2002 г.), а только его часть, со-отвествующую установившемуся режиму регулирования стока и единообразной методике наблюдений, то есть с 1962 г. В пределах этого периода значимые тренды годового стока и нарушения однородности рядов по среднему и дисперсии среднегодовых расходов воды не выявлены. Аналогичные выводы получены и при анализе рядов максимальных годовых уровней воды р. Обь (таблица 3.5).
Для объяснения наличия значимых трендов и нарушения однородности рядов среднегодовых расходов прочих рек в течение последних 60...70 лет с учетом современных требований к исследованиям гидрологических рядов, изложенных в [Раткович, 2003], был проведен анализ многолетних изменений среднемесячных расходов воды с целью выявления процессов формирования неоднородных по своему происхождению составляющих годового стока и их изменения в многолетнем разрезе. Результаты этого анализа представлены ниже. В целом же, в последние 25...30 лет можно константировать, во-первых, отсутствие заметных изменений среднемноголетних значений годового водного стока большинства изученных рек.
Во-вторых, для многих притоков pp. Томь и Чулым, сток которых формируется в лесостепной зоне и горных районах, характерно уменьшение дисперсии среднегодовых расходов воды за период 1970-2000 гг. по сравнению с предшествующими десятилетиями. В-третьих, наблюдается определенное увеличение годового водного стока некоторых рек, протекающих на сильно заболоченных территориях. Наиболее выражено это увеличение на северо-востоке рассматриваемой территории (р. Тым).
Проверка рядов среднемесячных расходов воды Средней Оби и ряда ее притоков на однородность показала, что в последние десятилетия происходит изменение внутригодового распределения стока, характеризующееся изменением дисперсии меженного стока и увеличением среднемесячных расходов воды ряда рек в зимнюю межень (таблица 3.6; приложение А). Аналогичный вывод по р. Томь ранее был получен в работах [Паромова, Паромов, 1995; Савичев, 1998 б], по рекам Кузнецкого Алатау и Горной Шории - в [Паромов и др., 2001], по pp. Тяжин, Яя и другим - в [Земцов, 2003, 2004], а в целом по крупным рекам Евразии, впадающим в Северный Ледовитый океан - в [Шикломанов, Шикломанов, 2003]. Увеличение меженного стока наблюдается, прежде всего, на реках с нарушениями дисперсии годового стока, что позволяет связать между собой эти факты и сделать вывод, как минимум, о региональных масштабах процессов перестройки водного режима рассматриваемой территории [Савичев, 2003 а; Земцов, 2004]. На одних реках, где доля меженного стока относительно невысокая и существует заре-гулированность стока, эти процессы пока не сказываются на величине нормы годового стока. На других реках они более значимы, что с учетом более стабильного во времени меженного стока приводит к выравниванию стока за год и уменьшению дисперсии среднегодовых расходов воды.
Органические вещества
По химическому составу воды р. Обь являются гидрокарбонатными кальциевыми, причем соотношение концентраций главных ионов в основном соответствует второму типу по классификации О.А. Алекина, что указывает на формирование макрокомпонентного состава речных вод преимущественно при взаимодействии с различными осадочными породами [Алекин, 1970; Справочник по гидрохимии, 1989]. Распределение содержаний Са2+ и НСОз" по длине реки как в весовом, так и в эквивалентном выражении примерно то же, что и распределение мине-рализации. Концентрации прочих макрокомпонентов (в мг/дм ) также уменьшаются на участке от г. Колпашево до с. Александровское. Однако их доля в процентном отношении либо практически не меняется, либо возрастает. По величине рН воды относятся в среднем к нейтральным, в летне-осенний период — к нейтральным и слабощелочным. По мере движения водных масс вниз по течению обычно отмечается уменьшение рН, хотя в межень может наблюдаться и обратная картина.
Река Томь. Воды этой реки, как и Оби, пресные мало- и среднеминерали-зованные, гидрокарбонатные кальциевые, преимущественно нейтральные или слабощелочные (таблица 4.1). В то же время (в отличие от р. Обь), для р. Томь в течение последних трех десятилетий было характерно не последовательное уменьшение минерализации и концентраций главных ионов по мере движения водных масс вниз по течению, а значительное увеличение содержаний растворенных солей на участке среднего течения (по сравнению с верховьями реки) и последующее их снижение в нижнем течении (рисунок 4.1). От верховий к устью заметно меняется и соотношение главных ионов. Так, от г. Междуреченск до пгт. Крапивинский в многолетнем разрезе происходит увеличение доли ионов Na+ и НСОз" при умень-шении вклада ионов Са . В створе г. Томск наблюдается уже противоположная картина - доля ионов Na+ и НС03" уменьшается, а ионов Са2+, S042" и СГ - увеличивается. В целом же, содержание главных ионов в р. Томь ниже, чем в р. Обь, а значения рН сопоставимы с соответствующим показателем для обских вод на участке от устья р. Томь до г. Колпашево.
Река Чулым. Воды р. Чулым на участке от с. Тегульдет до устья содержат несколько большее количество растворенных солей, чем pp. Томь и Обь. Средний уровень суммарного содержания главных ионов в водах р. Чулым остается достаточно стабильным на всем участке нижнего течения. Так, в створе с. Тегульдет среднемноголетнее значение суммы главных ионов (.„) составляет 196,3±16,5 иг/дм3, у с. Зырянское - 197,3±14,8 мг/дм\ у с. Батурине 189,4+11,9 мг/дм3. По химическому составу речные воды гидрокарбонатные кальциевые, нейтральные или слабощелочные [Бондарев, Шульга, 1983; Покатилов, 1993], причем в нижнем течении происходит некоторое увеличение в макрокомпо-пептном составе доли ионов Са2+, Na+ и НС03" при снижении вклада Mg2+. 8,0 -і г 1 Река Обь. В целях упорядочения и систематизации сведений при изучении содержаний микроэлементов в природных водах целесообразно применять геохимические классификации. Для этого, как и в работе [Шварцев, Савичев, 1996], использовалась геохимическая классификация элементов, разработанная В.И. Вернадским. В соответствии с данной классификацией выделяются циклические, рассеянные, редкоземельные и радиоактивные элементы [Вернадский, 1934].
Циклические элементы. Содержания этих элементов в речных водах бассейна Средней Оби изучены лучше других групп микрокомпонентов. Результаты обобщения материалов, полученных в различных научных и производственных организациях, представлены в таблицах 4.2, 4.3. Предварительный анализ этих данных показал, что все элементы по степени изменения содержаний вдоль русла р. Обь могут быть разделены на две группы: 1) силыюизменяющиеся с коэффициентами вариации больше 0,5 и 2) малоизмепяющиеся с коэффициентом вариации меньше 0,5. Первоначально к первой группе были отнесены Hg, Ті, Mn, Sb, Zn, Ag, Bi, Ва, а ко второй - Co, Ni, Pb, Cu, Hf [Шварцев, Савичев, 1996, 1997 а; Шварцев и др., 1996, 1997]. Однако в результате дальнейших исследований, проведенных в 1997-2001 гг., было установлено, что содержания практически всех изученных микроэлементов подвержены значительным колебаниям.
Не только максимальные, но и средние содержания многих элементов, например, Cr, Mn, Zn, Sr, Hg, Pb (относительно данных [Martin, Gordeev, 1986]), V, превышают средние концентрации для рек мира, по крайней мере, в 1,5...2 раза. Примерно равны средние (для р. Обь и рек мира) содержания Ва, Со и Мо, а концентрации Ті, Ag, Sb, Mo, Al в p. Обь меньше, чем для прочих крупных водотоков (таблица 4.3). При этом необходимо отметить, что, во-первых, по сравнению с реками промышленно развитых регионов мира содержания цинка и ряда других компонентов в р. Обь существенно ниже. Так, согласно [Новосельцев и др., 1993], в 1986-1988 гг. в водах р. Эльба наблюдались следующие среднегодовые концентрации (в мкг/дм3): Zn 50; Си 12; Cd 0,3; Cr 7; Hg 0,3; Ni 10; по данным работы [Мур, Раммамурти, 1987], в водах р. Рейн содержится в среднем (мкг/дм3): Си 12; As 7; Cr 23; Cd 1,5; согласно [Водный сектор..., 2001], в 1976 г. содержание Cd в водах р. Рур (ФРГ) составило 2,8 мкг/дм . Во-вторых, средние концентрации Pb, Cd и Hg в водах р. Обь оказались ниже так называемого «фонового» уровня содержаний указанных элементов в поверхностных водах на территории заповедников в европейской и азиатской частиях России [Ровинский и др., 2001].
Изменения средних концентраций циклических микроэлементов по длине реки практически не выходят за границы стандартной погрешности определения соответствующих норм содержания в целом для Средней Оби, хотя нельзя не отметить определенную тенденцию увеличения средних содержаний Al, Сг и Си на участке от г. Колпашево до с. Александровское (таблица 4.3).
