Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние изученности и методологические положения оценки антропогенных изменений гидрохимических р показателей качества вод
1.1. Анализ методов оценки влияния антропогенных факторов на химический состав поверхностных вод 12
1.2. Развитие методологических разработок исследования эволюции техногенеза гидрохимических показателей качества вод урбанизированных территорий
1.2.1. Материалы и методика исследований 43
1.3. Физико-географические условия территории, характеризующие особенности формирования химического состава природных вод
1.4. Функциональная организация природно-технических комплексов бассейна Верхней Оби 59
Глава 2 Факторы формирования гидрохимических показателей качества вод урбанизированных территорий 71
2.1. Источники поступления загрязняющих веществ 71
2.1.1 . Бытовые сточные воды 71
2.1.2 . Производственные сточные воды 73
2.1.3 . Шахтные и карьерные воды районов угледобычи 86
2.1.4 . Поверхностный сток с городской территории 100
2.1.5 . Сточные воды животноводческих комплексов 105
2.1.6. Поверхностный сток с сельскохозяйственных угодий 107
2.2. Характеристика системы водопользования урбанизированных территорий 110
2.2.1. Структура водопотребления и водоотведения по бассейнам рек 110
2.2.2 .Структура водопотребления и водоотведения по населенным пунктам 120
2.2.3. Сравнительный анализ системы водопользования в России 128
2.3. Распределение загрязняющих веществ по бассейнам рек 134
Глава 3 Структура и дршамика техногенеза ионно-солевого состава поверхностных вод
3.1. Определение однородности рядов общей минерализации
3.2. Эволюция химического состава поверхностных вод в условиях техногенза
3.3. Особенности формирования ионно-солевого состава воды в основные фазы гидрологического режима рек
3.4. Анализ изменений ионного стока рек за многолетний период
3.5. Общие закономерности преобразования поверхностных вод
Глава 4 Эволюция формирования и распределения органических веществ природных вод
4.1. Определение однородности рядов величин ХПК мг/л 204
4.2. Характеристика распределения органических веществ за многолетний перод 207
4.3. Изменение стока органических веществ 218
4.4. Оценка изменений внутригодового распределения стока органических веществ за многолетний период 224
4.5. Сравнительный анализ соотношения стока минеральных и органических веществ в изменении химического
состава речных вод 2?9
Глава 5 Пространственно-временная структура стока растворенных веществ 236
5.1. Методологические разработки определения модели эволюции пространственно-временной структуры стока растворенных веществ 232
5.2. Пространственно-временная структура ионного стока общей минерализации и гидрокарбонатов
5.3. Пространственно-временная структура ионного стока кальция
5.4. Пространственно-временная структура ионного стока магния
5.5. Пространственно-временная структура ионного стока натрия и калия 250
5.6. Пространственно-временная структура ионного стока сульфатов 252
5.7. Пространственно-временная структура ионного стока хлоридов 258
5.8. Пространственно-временная структура стока органических веществ 262
Глава 6 Комплексная характеристика структуры гидрохимических показателей качества вод
6.1. Исходный материал и методические положения по определению структуры гидрохимических показателей качества вод 269
6.2. Комплексная характеристика качества поверхностных вод по опорным гидростворам 274
6.3. Распределение дисперсии показателей 289
Заключение 298
Литература 304
- Развитие методологических разработок исследования эволюции техногенеза гидрохимических показателей качества вод урбанизированных территорий
- Функциональная организация природно-технических комплексов бассейна Верхней Оби
- Характеристика системы водопользования урбанизированных территорий
- Эволюция химического состава поверхностных вод в условиях техногенза
Введение к работе
Актуальность проблемы. Актуальность исследования качества воды подчёркивается в итоговых документах международных конференций: Всемирная конференция по проблемам воды для крупных городов (октябрь, 1994 г.); конференция по сохранению и защите запасов питьевой воды (октябрь, 1997 г.); Международная конференция «Вода и устойчивое развитие» (март, 1998 г.); Международный научно-промышленный форум «Великие реки» (май, 1999 г.). Во многом возникновение кризисных экологических ситуаций связано с состоянием водных ресурсов. Воздействие на водные ресурсы настолько возросли, что масштабы их загрязнения в отдельных регионах угрожают системам жизнеобеспечения. По данным Международной комиссии по окружающей среде и развитию [150], более 1 млрд. человек на Земле не располагают чистой водой.
Одними из основных гидрохимических показателей качества природных вод являются ионно-солевой состав и органические вещества (ОВ).
Проблема техногенных преобразований гидрохимических показателей остаётся дискуссионной и актуальной с позиции принятия санитарно-гигиенических критериев качества вод, так как принятая в настоящее время концепция ПДК не отражает всего спектра воздействия на экосистему. Актуальность таких задач определяется тем, что они непосредственно связаны с фундаментальными характеристиками химического состава воды (класс, группа, тип).
В результате сложнейшей истории развития и дифференциации техногенеза сформировалось разнообразие бассейновой гидрохимической структуры, что обусловливает актуальность исследования пространственно-временной эволюции техногенеза гидрохимических показателей качества вод. Количественные различия ионного и органического стока отдельных бассейнов являются основой определения интенсивности и специфики проявления техногенных факторов по временным интервалам технико-экономического развития урбанизированных территорий.
Несмотря на многочисленные и значительные работы по исследованию трансформации химического состава вод, описание их во многом оказывается неполным и разрозненным, а также недостаточным для установления основных закономерностей эволюции техногенеза гидрохимических показателей качества вод в условиях многофакторного техногенного воздействия урбанизированных территорий.
Цель и задачи исследований. Основной целью работы является установление количественных и качественных характеристик эволюции техногенеза гидрохимических показателей, выявление на их основе закономерностей трансформации химического состава вод и разработка модели пространственно-временной структуры эволюции техногенеза компонентов солевого состава и органических веществ в интервалах технико-экономического состояния урбанизированных территорий.
В соответствии с поставленной целью оформляются задачи работы:
1. Дать сравнительный анализ методов оценки и дальнейшую разработку методологических положений исследования техногенеза гидрохимических показателей качества вод.
2. Установить количественные показатели структуры водопотребления и водоотведения, характеризующие функционально-техногенные условия формирования химического состава поверхностных вод.
3. Выявить структуру и динамику техногенеза ионно-солевого состава поверхностных вод на основе многолетних гидрохимических рядов с дифференциацией химических типов воды.
4. Дать количественную оценку стока растворённых веществ в диапазонах изменений, выраженных в процентах за сравниваемые периоды узловых этапов технико-экономического состояния урбанизированных территорий.
5. Разработать методологические основы пространственно-временной модели эволюции техногенеза растворённых веществ.
6. Установить комплексную характеристику качества вод на основе факторной структуры гидрохимических показателей.
Научная новизна работы. Разрабатываемое направление исследования эволюции техногенеза гидрохимических показателей качества вод вносит вклад в развитие теоретических представлений генезиса гидрохимических преобразований поверхностных вод урбанизированных территорий.
1. Установлено, что закономерным проявлением эволюции техногенеза гидрохимических показателей качества является формирование химического состава воды, характеризуемого трансформацией структуры ионно-солевого состава в направлении реализации вариантов химических типов воды из множества возможных, определяемых классификацией О.А. Алёкина.
2. На примере отдельных бассейнов, расположенных в зоне влияния различных функционально-техногенных комплексов , исследовано формирование стока компонентов солевого состава и органических веществ. Установлено, что количественные различия стока компонентов солевого состава и органических веществ обусловлены пространственно-временной неоднородностью техногенеза. Выявлена бассейновая дифференциация диапазонов изменений компонентов солевого состава и органических веществ, характеризуемая интенсивностью и направленностью распределения техногенной нагрузки. В качестве признаков эволюции техногенеза гидрохимических показателей рассматриваются структура и динамика стока растворённых веществ в интервалах технико-экономического состояния урбанизированных территорий.
3. Впервые представлены методологические разработки пространственно-временной модели эволюции техногенеза стока растворённых веществ в виде карт-схем. На картах-схемах представлены совмещённые слои показателей стока компонентов солевого состава и органических веществ [т/(км -год)] и диапазоны их изменений выраженные в процентах за расчётные периоды.
Методологическая значимость построения карт-схем совмещённых слоев показателей стока растворённых веществ заключается в их сравнимости по бассейнам с различной трансформацией солевого состава и органических веществ в интервалах технико-экономического состояния урбанизированных территорий.
4. Установлено, что качественная структура гидрохимических показателей в условиях воздействия различных функционально-техногенных комплексов характеризуется устойчивой вариабельностью ионно-солевого состава, как ведущего фактора формирования качества вод. Значимыми факторами интерпретации качества вод обозначены содержание растворённого кислорода, органические примеси, фенолы и нефтепродукты. Для отдельных водных объектов отмечается неоднородность вариабельности показателей, характеризующих влияние органических примесей: ХПК и БГЖ5, что выражается в высоких факторных нагрузках по ХПК и более низких по БПК5.
Защищаемые положения. 1. Трансформация ионно-солевого состава дифференцированно реализует варианты химических типов воды из множества возможных, определяемых классификацией О.А. Алёкина и характеризует эволюцию техногенеза гидрохимических показателей.
2. Техногенез гидрохимических показателей изменяет установившееся равновесие в выносе растворённых веществ, отражая трансформацию химического состава воды через структуру количественных соотношений компонентов стока. Оценка стока растворённых веществ в интервалах технико-экономического состояния урбанизированных территорий определила бассейновую дифференциацию диапазонов изменений стока компонентов солевого состава и органических веществ. Структура и динамика стока компонетов солевого состава и органических веществ детерминированы дискретно-полигенетичным воздействием техногенной нагрузки.
3. Модель пространственно-временной структуры стока растворённых веществ, представленная в виде карт-схем показателей стока [т/(км2тод)] компонентов солевого состава и органических веществ, а также диапазонов их изменений, выраженных в процентах за рассматриваемые периоды, рассматривается в качестве методологической основы обоснования эволюции техногенеза гидрохимических показателей качества вод в интервалах технико-экономического состояния урбанизированных территорий.
4. Водные объекты территориально расположенные в зонах воздействия различных функционально-техногенных комплексов характеризуются устойчивой структурой качественных процессов. Основным фактором, формирующим химический состав поверхностных вод,является ионно-солевой состав. Значимыми факторами интерпретации качества вод обозначены содержание растворённого кислорода, органические примеси, фенолы и нефтепродукты.
Практическая значимость работы. Полученные результаты исследования эволюции техногенеза гидрохимических показателей качества вод дают практическое и научно-методическое обоснование для разработки системы структуры водопотребления и водоотведения с целью экономического развития региона.
Методологический принцип пространственно-временного анализа техногенного преобразования природных вод, представленный в картах-схемах совмещённых показателей стока растворённых веществ и диапазонов их изменений за сравниваемые периоды, является основой для оценки бассейнов по интенсивности образования и миграции продуктов техногенеза.
Оценка стока растворённых веществ даёт обоснование для бассейнового подхода разработки вариантов устойчивого экологически безопасного развития территорий с учётом их технико-экономического состояния.
Полученные количественные и качественные характеристики по стоку растворённых веществ обеспечивают специалистов водного хозяйства информацией для установления последовательности водоохранных мероприятий, требующих дополнительных капиталовложений, обосновании рекомендации по замене оборудования для обеспечения технологических процессов по регулированию солевого состава.
Полученные материалы и методические основы данного исследования используются в учебном процессе на геолого-географическом факультете Томского государственного университета при подготовке студентов по специальности «Природопользование».
Публикации и апробация работы. Всего опубликовано 38 работ, по теме диссертации 27. Отдельные разделы обсуждались на семинарах отделов речного стока и качества вод ГГИ (г. Ленинград, 1984 г., 1985 г., 1987 г.); на V Всесоюзном гидрологическом съезде (г. Ленинград, 1986 г.); на конференции «Проблемы рационального водопользования Урала» (г. Свердловск, 1987 г.); на семинарах лаборатории охраны приоды НИИ биологии и биофизики ТГУ и кафедры охраны природы ТГУ (г. Томск, 1985, 1987 гг.). На конференции «Проблемы рационального использования и охраны малых рек» (г. Грозный, 1989 г.); на научно-практической конференции «Водные ресурсы Томской обл., их рациональное использование и охрана» (г. Томск, 1990 г.); на научно-практической конференции «Гидрологические исследования в Сибири» (г. Томск, 1997 г.); научные чтения, посвященные памяти проф. Б.Г. Иоганзена «Состояние водных экосистем Сибири и перспективы их использования» (г. Томск, 1998 г.); на научной конференции «Актуальные вопросы геологии и географии Сибири» (г. Томск, 1998 г.); на заседании Томского отделения РГО (1998 г.);
на Всероссийской научно-практической конференции «Исследования эколого-географических проблем природопользования для обеспечения территориальной организации и устойчивости развития нефтегазовых регионов России» (г. Нижневартовск, 2000 г.); на Международной конференции «География и природопользование в современном мире» (г. Барнаул, 2001 г.).
Личный вклад автора. В основе диссертационной работы лежат результаты многолетних исследований, полученные лично автором. Часть результатов, которая вошла в диссертацию, получена в совместной работе с сотрудниками кафедры «Природопользования» ТГУ.
В тексте диссертации имеются соответствующие ссылки, показывающие характер участия соавторов в совместной разработке конкретных вопросов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, общим объёмом 339 страниц. Содержание работы включает 44 рисунка, 60 таблиц и список литературы из 360 наименований. Благодарности. Автор выражает благодарность коллективу сотрудников географического отделения геолого-географического факультета Томского государственного университета за критические замечания и помощь при создании работы.
Автор благодарен д.г.н., проф. И.А. Шикломанову; д.г.н., проф. Б.Г. Скакальскому; к.г.н. Э.А. Румянцевой за консультации, способствующие завершению работы.
Автор признателен также руководителю Государственного комитета экологии и природных ресурсов Томской области А.М. Адаму и комитета экологии г. Томска В.А. Попову за оказанную в 1995-1996 гг. финансовую поддержку при выполнении работы.
Развитие методологических разработок исследования эволюции техногенеза гидрохимических показателей качества вод урбанизированных территорий
Теоретические базовые положения изучения антропогенного воздействия на природную среду отражены в работах В.И.Вернадского [33], А.Е.Ферсмана [273]. А.Е.Ферсман, назвавший техногенезом геохимическое воздействие промышленности, отмечал: "Сейчас промышленная деятельность человека по масштабу перемещения химических элементов делается соизмеримой с деятельностью других факторов геологического и геохимического порядка...". При этом А.Е.Ферсман техногенное воздействие классифицирует как основные типы геохимических реакций: "1) сжигание С, Н, S; 2) выплавка из окисленных и сернистых соединений металлов (Fe, Си, А1, Zn, Pb); 3) перемещение и создание устойчивых строительных и дорожных материалов; 4) промышленное использование редких и дисперсных элементов; 5) химическая переработка солей". Современные масштабы техногенеза показал В.А.Ковда [101], сравнивая массы транспортируемого в природе вещества (сток рек и атмосферная взвесь) с массами антропогенного происхождения. Так, при общем природном транспорте вещества водами в 19-109 т/год, антропогенный вклад составляет 2-109 т/год (около 10 %). При этом характеристика ореолов и потоков рассеяния - состав, степень концентрации, выявление источников загрязнения водных систем является составной частью теоретических обобщений миграции химических элементов в биосфере.
Методологические разработки обобщения миграции химических элементов в биосфере во многом опираются на оценки структуры и динамики трансформации гидрохимических показателей качества вод урбанизированных территорий. Анализируемый период динамики состава поверхностных вод должен включать характерные особенности развития технико-экономических систем. Основой исследования техногенной трансформации гидрохимических показателей в интервалах технико-экономического состояния урбанизированных территорий является мониторинг природной среды. При этом мониторинг состояния природных вод имеет свои задачи и особенности, рассмотрение которых находит своё отражение во многих работах, посвященных исследованию формирования гидрохимических показателей качества поверхностных вод в условиях техногенного воздействия [7, 24, 25, 32, 40, 48, 53, 100, 125, 133, 160, 190, 200, 251, 266, 271,289,321,334,347,359]. Основные принципы организации стационарных сетевых наблюдений мониторинга качества поверхностных вод изложены в работах А.В. Караушева и Б.Г. Скакальского [92, 93].
Согласно этим принципам, стационарная сеть наблюдений должна обеспечивать: 1) приоритет контроля антропогенного воздействия; 2) систематичность и комплексность наблюдений; 3) оперативность получения и передачи информации. На основе данных системы мониторинга получены результаты оценки региональных обобщений гидрохимических показателей: ХПК, БПК5, Ог, рН, солевой состав, фенолы, нефтепродукты, биогенные соединения [28, 75, 118, 123, 126, 135, 177, 178, 238, 277, 305, 334, 347, 349], позволяющие авторам сделать выводы об основных тенденциях формирования качества поверхностных вод в условиях техногенеза. Методологические основы оценки техногенных изменений гидрохимических показателей качества вод урбанизированных территорий рассматриваются в работах многих авторов Акуленко Ю.Н. [2], Алекин О.А. [6], Алексеевский Н.И. [7], Алексеевский Н.И., Евстигнеев В.М. и др. [8], Бгатов А.В., Пальчик Н.А. и др. [17], Винокуров Ю.И., Красноярова Б.А., Ревякин B.C. [37], Вуглинский B.C. [39], Вуглинский B.C., Дмитриев В.В. [41], Гареев А.М. [42], Дубинин В.Г. [65], Злобин Е.К. [80], Клюев Н.Н. [99], Коронкевич Н.И., Зайцева И.С., Малик Л.К. [107], Кочуров Б.И. [111], Ласкорин Б., Лукьяненко В. [121], Лепихин А.П. [125], Ломоносов И.С. [128], Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. [133], Корытный Л.М. [108], Максимова Л.П. [135], Нежиховский Р.А. [152], Никаноров AM. [158], Осипова EJO. [167], Осипов В. И. [168,169], Парфенова ГІС. [184], Полишук Ю. М., Ципилева ТА. [200], Порядин А.Ф.[203], Посохов Е.В.[205], Подлипский Ю.И. [199], Рогов ГМ. .[228], Самарина B.C., Гаев А.Ф. и др. .[234], Савинов Д.Д. .[236], Скакальский Б.Г. [243], Фащевский Б.В. [271], Фелленберг Г. [272], Шикломанов И.А. [286], Шумаков Б.Б. [289], Яблоков А.В. [302], Карагьозов Г. [328], KoblakKalinska [330], Musiak М. [338], Pings W. [345], Puka V.[347], RuchayD.[349], StalzerW.[355], Shiklomanov I., Skakalsky B.[352].
Функциональная организация природно-технических комплексов бассейна Верхней Оби
Основой становления и развития природно-технических комплексов является природно-ресурсный потенциал территории, который предопределяет функциональную организацию и пространственно-временную структуру освоения территорий. Пространственно-временная структура организации природно-технических комплексов во многом обусловлена состоянием водных ресурсов. Основной особенностью хозяйственного развития данного региона является объединение всех сибирских городов общим крупномасштабным природным фактором - рекой Обью и её многочисленными притоками. По своему значению р. Обь представляется структурообразующей осью, стержнем, основным природно-ландшафтовым каркасом всей системы расселения Западно-Сибирского региона [21]. Средние и малые города имеют важное эколого-экономическое значение, определяющее систему водопользования в бассейне Верхней Оби. Наибольшее количество населения проживает в зонах Новосибирской и Кузбасской агломерации. По данным [14] численность населения на 1 кв. км по Кузбассу составляет 31 человек, по Новосибирской области — 14.7, по Алтайскому краю - 10.2. Наибольшее промышленное развитие имеет Кузбасс (Кемеровская область). Наибольшее количество сельскохозяйственной продукции производится в Алтайском крае и Новосибирской области. При этом в областных центрах — г.г. Барнаул и Новосибирск сосредоточены основные отрасли промышленного производства: металлообработка, топливно-энергетический комплекс, нефтехимический, машиностроение, производство строительных материалов, деревообработка и т.д. [143]. Основное развитие промышленной деятельности в Кемеровской области связано с добычей угля. Удельный вес Кузбасских углей в общей добычи угля б. СССР постоянно возрастал и в 1990 году составил 20.5%. Общегеологические запасы угля в Кузбассе оцениваются в 900 млрд. тонн [87]. Представление о территориальном размещении добычи угля дают данные табл. 3. Стабильно высокая добыча угля характерна для Беловского, Ленинского, Томусинского , Новокузнецкого районов. По данным [151], с 1990 по 1996 годы в Кузбассе добыто 720.6 млн. т угля. В 1996 году - 100 млн. т угля. Наибольшая добыча угля - 142 млн. т была достигнута в 1988 году, в 1989- 141.5 млн. т, 1990-134.7, 1991-111.8 млн. т. Добыча угля в Новосибирской области (Горловский бассейн) в 1987 году составила 665 тыс. т антрацита. Угли Кузнецкого бассейна характеризуются большим разнообразием. Качество их зависит от исходного органического материала, условия его превращения и изменения стадии метаморфизма.
По стадиям метаморфизма здесь прослеживается весь ряд от бурых углей тарбаганской серии до полуантрацитов и антрацитов балахонской серии, испытавшей наиболее глубокое погружение в зонах максимального прогиба синклинория. Марочный состав карбоновых и пермских углей меняется от длиннопламенных до антрацитов. Юрские угли бурые. Каменные угли пригодны для коксования и получения синтетического жидкого топлива [44]. Анализ динамики изменений в географии сбыта энергетических углей по территории России показал неуклонное сокращение зоны использования донецких углей и расширение кузнецких. В перспективе добыча угля в Кемеровской области будет возрастать [49]. Главные потребители угля расположены непосредственно в угледобывающих центрах — это энергетика, черная металлургия и углехимия. В настоящее время в Кузнецкой котловине сформировались четыре крупных промышленных узла: Кемеровский, Прокопьевско - Киселевский, Новокузнецкий, Беловско — Ленинск - Кузнецкий. Они расположены в бассейнах рек Томи, Иня, Барзас, Яя, Бочат. Здесь действуют крупные заводы: коксохимический, азотнотуковый, анилинокрасочный, производство синтетических смол и др. Самый южный промышленный узел Кузбасса -Новокузнецкий. Город Новокузнецк находится на обоих берегах Томи при впадении в неё p.p. Абы и Кондомы. Промышленный профиль г. Новокузнецка определяется тремя отраслями: черной и цветной металлургией и добычей угля. Здесь действуют Западно-Сибирский металлургический завод, алюминиевый и ферросплавный, машиностроение и др. Бассейны рек Кондома, Уса, Мрас-Су, верховья Томи, где сосредоточены железорудные месторождения (Таштагол, Шерегеш, Шалым), являются главной сырьевой базой Кузнецкого металлургического комбината. В городе Междуреченске ведется крупная добыча каменных углей. В верховьях рек Кия, Тайдон, Верхняя, Средняя и Нижняя Терси заготовка и переработка древесины. В средней части pp. Кии и Золотой Китат развито горнорудное производство.
В нижнем течении реки Томи, в пределах Томской области, определяющее влияние на состояние вод бассейна оказывает г. Томск. Промышленное развитие г. Томска сложилось в основном в годы войны.
В это время в Томск были эвакуированы ряд предприятий из европейской части СССР. Они составили основу экономического развития региона. В Томске к настоящему времени действуют энергетические, нефтехимические, металло-и деревообрабатывающие, строительных материалов, легкие и пищевые производства. Рост промышленного производства неразрывно связан с ростом городского населения. С 1939 по 1991 г. количество жителей в городе увеличилось более, чем в четыре раза. Рост промышленного производства обусловил проблему водоснабжения основных промышленных центров Кузбасса. Потребности Кузбасса в хозяйственно-питьевых водах полностью не удовлетворяются. Анализ потребностей в хозяйственно-питьевых водах по основным промышленным районам, количество потребляемой воды для водоснабжения и дефицит природных вод для целей водоснабжения приведен в работе Г.М. Рогова [228] (табл. 4). Общий водоотбор поверхностных и подземных вод для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения по Кузбассу составляет более 1,5 млн. м3/сут, в том числе 1,2 млн. м3/сут подаётся поверхностных вод (в основном из р. Томи) и около 0,3 млн. м3/сут подземных вод. Для технических целей отбирается более 7,0 млн. м /сут поверхностных вод, в основном из р. Томи.
Характеристика системы водопользования урбанизированных территорий
Водоотведение и водопотребление являются составными частями общей системы водопользования урбанизированных территорий [209]. Особенности сложившейся системы водопользования, по мнению многих авторов [7, 48, 65, 152, 242, 266, 271, 289], являются определяющими в формировании качества вод речных систем. Поступление загрязняющих веществ зависит от объема сточных вод в целом по бассейну, а также его отдельным участкам. Соотношение объемов сточных вод по различным видам хозяйственной деятельности, особенности их поступления в течение года характеризуют антропогенную нагрузку. Последовательно рассматривая использование воды по видам хозяйственной деятельности (промышленное, сельскохозяйственное, хозяйственно-питьевое водоснабжение, орошение), а также соотношение объемов водопотребления и водоотведения по бассейнам рек и населенным пунктам можно выявить приоритетные направления использования водных ресурсов. Характеристика водопользования по бассейнам рек дается на основе сравнительного анализа данных по водопотреблению и водоотведению за периоды 1980-1984 гг. и 1990-1994 гг. На основе статистических данных по использованию воды на различные хозяйственные нужды рассчитано в процентах в среднем за периоды использование воды по видам хозяйственной деятельности от общего объема водопотребления. Структура водопотребления за период 1980-1984 гг. характеризуется значительными заборами воды для производственных нужд, так для 14 водных объектов из 20 проанализированных, эта величина составляет более 50%, от всей используемой на хозяйственные нужды воды (табл. 25). В бассейнах рек Ояш, Серта, Тяжин, где нет крупных городов, основным водопотребителем является сельское хозяйство, соответственно 57%, 69%, 52% от всего водозабора на хозяйственные нужды. На орошение наибольшее количество воды расходуется в бассейне р. Алей до 55% от всего объема водопотребления. Использование воды для удовлетворения различных хозяйственных нужд предполагает неодинаковое соотношение объемов сбросных вод.
В табл. 26 дана характеристика водопотребления и водоотведения по бассейнам рек. Наименьший сброс сточных вод по отношению к водопотреблению отмечается в бассейнах рек Алей- 25%, Лебяжья - 8%, Мундыбаш — 21%, Ояш - 4%, Серта - 35%, Тяжин- 27%, что объясняется использованием воды здесь в основном на орошение и сельскохозяйственное водоснабжение, сопровождаемые значительными безвозвратными потерями. Для рек Алчедат, Барзас, Бочат, Иня, Зол. Китат, Мрас-Су, Томь, Ускат, Чулым, Яя доля сбросных сточных вод значительно больше объемов забираемых из объектов водных ресурсов (от 101% - р.Томь до 537% - р. Зол. Китат). В названных бассейнах производят дополнительную откачку шахтных вод. Нами по данным об использовании воды на хозяйственные нужды (табл. 25) и объему сбрасываемых по бассейну сточных вод (табл. 26) произведена приближенная оценка шахтных вод в общем объеме сбросных сточных вод. Оценка произведена с учетом современных безвозвратных потерь воды, выраженных в процентах от водозабора на различные хозяйственные нужды. Современные безвозвратные потери воды приняты согласно работе [286]: в промышленности 10%, на нужды городского населения 10%, на орошение 60%, на сельскохозяйственное водоснабжение 70%. Оценка произведена по следующей схеме (млн. м /год). где WUI.B. - объем шахтных вод, W - общий объем сбросных сточных вод по бассейну, Wi - объем сбросных сточных вод от объема воды, используемой на хозяйственно-питьевые нужды, W2 - объем сбросных сточных вод от объема воды, используемой на производственные нужды, W3 - объем сбросных сточных вод от объема воды, используемой на орошение, W4 - объем сбросных сточных вод от объема воды, используемой на сельскохозяйственное водоснабжение. Данные по оценке шахтных вод в общем объем сбросных сточных вод по бассейнам рек сведены в табл. 27. Анализ результатов расчета показывает, что в некоторых бассейнах основной сброс осуществляется за счет откачки шахтных вод: до 85% - p.p. Зол. Китат и Алчедат, 79 - р. Ускат, 76 - р. Мрас-Су, 56- р. Барзас, 50% - р. Яя.
Эволюция химического состава поверхностных вод в условиях техногенза
Анализ структуры и динамики ионно-солевого состава поверхностных вод в условиях техногенного воздействия дан по опорным гидростворам с с продолжительным периодом наблюдений (1952-1996 гг.). Эволюция химического состава воды за расчетный период рассматривается в соотношениях между компонентами (% - экв.), по средним за год концентрациям. Результаты расчета изменений ионно-солевого состава представлены на рис. 4-13. Анализ графического материала показывает, что динамика процессов формирования химического состава воды за период наблюдений отличается меняющейся интенсивностью, характеризуется большой контрастностью вследствие перестройки катионов. Наиболее резкие изменения в составе катионов характерны для бассейнов рек Яя — г. Яя (рис. 6), Кия — г. Мариинск (рис. 7), Иня - г. Кайлы (рис. 8), Томь - г. Новокузнецк (рис. 11), Томь -г.Томск (рис. 12), Алей - г. Алейск (рис.13). В отдельные годы вода рек становится либо магниево-кальциевой, либо натриево-кальциевой, иногда смешанной кальциево-магниево-натриевой. При этом в составе анионов для рассматриваемых бассейнов, кроме р. Алей — г. Алейск, преобладающим является ион НСОз" но с высоким содержанием S042 . Особенно высокое содержание сульфатов отмечается в реке Алей — г. Алейск до 40 - % экв. Для реки Томи как в верхнем течении (г. Новокузнецк), так и нижнем (г. Томск), максимальные значения SO4 наблюдались 1970-ые годы, более 30 - % экв. Для бассейнов рек Иня - г. Кайлы, Яя - г. Яя отмечается снижение относительного содержания ионов Са2+ и НСОз" Дальнейший анализ изменений солевого состава воды рек опорных гидростворов проведен по пятилетним интервалам времени. Результаты расчета изменений солевого состава воды рек бассейна Верхней Оби представлены в табл. 37. Согласно данным табл. 37, ионно-солевой состав воды р. Оби в створах городов Барнаула и Новосибирска по преобладающим ионам является гидро-карбанатно-кальциевым, тип II (HC03 Ca2+ + Mg2+). В бассейне р. Томи тип воды для всех расчетных периодов остается неизменным — II, но при этом отмечается изменение соотношения между VSI ионами.
Для реки Томи в створе г. Новокузнецка по всем расчетным периодам отмечается высокое содержание иона магния, особенно в 1989 -1993 гг. до 30%-экв. По анионному составу вода была гидрокарбонатной. В нижнем течении реки наиболее характерные изменения произошли в 1982 -1986 гг.Для р. Томи у г. Томска характерным является период 1982 - 1986 гг. В этот период вода р. Томи у г. Томска по катионному составу была натриево-кальциевой, по анионному - гидрокарбонатной, с высоким содержанием хлоридов, до 13%-экв. Изменение типа воды наблюдается в бассейнах рек Кия - г. Мариинск, Яя - г. Яя, где вода была либо I, либо II типа, при этом произошло увеличение относительного содержания иона Mg2+. В период 1989 - 1993 гг. вода этих рек становится гидрокарбонатной магниево-кальциевой. В бассейне р. Мрас-Су - г. Мыски наиболее характерным является период 1989 - 1993 гг., когда вода имела III тип (НШ3 + S042 Са2+ + Mg2+). Химический состав воды р. Иня — г.Кайлы за расчетные периоды оставался гидрокарбонатным натриево-кальциевым (тип I). Вода р.Алей у г. Алейска по анионному составу является сульфатно-гидрокарбонатной, по катионному имеет смешанный характер. Анализ динамических графиков (рис. 4 - 13), представленных как функция последовательности проб воды, отобранных в одной точке, но в различные моменты времени свидетельствует, согласно теоретическим разработкам А.Д. Деспиллера [54], о процессах ионообмена: НС03 - S042 ; Ca2+-Na+; Ca2+-Mg2+, а также растворении солей.: Р.Обь-г. Барнаул: NaHC03; Са(НС03)2; MgCl2; MgS04. Р.Обь - г. Новосибирск: Na2S04; Са(НС03)2; MgCl2; MgS04; NaCl. Р. Томь - г. Новокузнецк: NaCl; NaHC03; CaS04; MgS04. P. Томь - г. Томск: Na2S04; Mg(HC03)2; MgCl2; NaCl. Р.Яя-г.Яя: Na2S04; CaS04; MgCl2; NaCl. Характеристика ионно-солевого состава воды рек в половодье и межень дана по опорным речным бассейнам за многолетний период: p.p. Обь - г. Барнаул, Обь - г. Новосибирск, Томь - г. Новокузнецк, Томь -г. Томск, Мрас-Су - г. Мыски, Кия — г. Мариинск, Яя — г. Яя, Иня — г. Кайлы, Бочат — с. Бочаты, Алей — г. Алейск
По данным измерений компонентов солевого состава для каждого года наблюдений произведена выборка минимальных значений общей минерализации в период половодья и максимальных - в межень. Путем расчета относительного содержания ионов, выраженного в процентах эквивалентов от общей суммы ионов, выбранных для условий половодья и межени, определялся химический состав воды речных бассейнов. Характеристика изменений химического состава воды в основные фазы гидрологического режима представлена в диапазоне изменений компонентов солевого состава по пятилетним расчетным периодам. Обобщенные формулы химического состава вод в половодье и межень по расчетным периодам для опорных гидростворов сведены в табл. 38.
Похожие диссертации на Эволюция техногенеза гидрохимических показателей качества вод урбанизированных территорий
