Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидрологическая характеристика водохранилищ и их бассейнов
1.1 .Общие сведения о водохранилищах 6
1.1.1. Краткая физикогеографическая и гидрографическая характеристика водосборов водохранилищ 9
1.1.2. Климатические условия 15
1.2. Водный баланс, водообмен, уровень 16
1.3. Термический режим 22
1.4. Донные отложения 25
Глава 2. Особенности гидрохимического режима водохранилищ
2.1. Используемые материалы 28
2.2. Гидрохимическая характеристика основных притоков водохранилищ 32
2.3. Гидрохимические особенности водных масс водохранилищ и их сезонная изменчивость 44
Глава 3. Факторы формирования качества воды
3.1. Основные методы оценки качества воды 51
3.2. Объем и характеристика промышленных и бытовых стоков 57
3.3. Антропогенная нагрузка от точечных источников загрязнения 60
3.4. Диффузионные источники загрязнения 66
3.5. Разработка «Классификатора загрязняющих веществ, показателей состава и свойств водных объектов» 68
Глава 4. Трансформация химического состава воды в водохранилищах
4.1 .Динамика биогенных элементов в водохранилищах 72
4.2. Баланс общего фосфора 79
4.3. Солевой баланс 83
4.4. Оценка качества воды водохранилищ с использованием балансовой модели 87
4.5. Прогноз изменения минерализации воды водохранилищ 91
Глава 5. Районирование водохранилищ по показателям качества воды
5.1. Многолетнее изменение качества воды в водохранилищах 93
5.2. Районирование Чебоксарского водохранилища по комплексу гидрохимических показателей 94
5.3. Рекомендации по мониторингу качества воды 103
Заключение 106
Приложения 107
Литература 112
- Краткая физикогеографическая и гидрографическая характеристика водосборов водохранилищ
- Гидрохимическая характеристика основных притоков водохранилищ
- Объем и характеристика промышленных и бытовых стоков
- Оценка качества воды водохранилищ с использованием балансовой модели
Введение к работе
Современная Волга — это крупнейший в России природно-социальный комплекс. В ее бассейне проживает 60 млн. человек, в том числе 45 млн. горожан, производится 45%) промышленной и около 50% сельскохозяйственной продукции России. На Волге и ее притоках создано 12 крупных (объемом свыше 1 км ) водохранилищ суммарной площадью более 23000 км и полным объемом 168 км . На территории Волжского бассейна, составляющей всего 8% от площади России, сосредоточено 426 российских городов. Высокие плотность населения и концентрация различных отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства привели к интенсивной антропогенной нагрузке на экосистемы как на водосборной площади, так и в самих водохранилищах. Несмотря на спад промышленного производства после 1990 г. Волжский бассейн продолжает служить приемником больших объемов промышленных, коммунально-бытовых и сельскохозяйственных сточных вод, а также выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ, значительная часть которых поступает затем в водоемы с поверхностным и подземным стоком. С 2000 по 2003 гг. только в бассейн Горьковского водохранилища поступало от 48 тыс. т. до 77 тыс. т. в год загрязняющих веществ, а в бассейн Чебоксарского водохранилища - 97-412 тыс.т. в год.
Изучение гидролого-гидрохимического режима Горьковского и Чебоксарского водохранилищ наиболее активно велось в 60- 80 годах Институтом биологии внутренних вод АН (Н.В.Буторин, Н.А.Дзюбан) и Гидрохимическим институтом Гидромета (А.А.Зенин). Последние 20 лет специальные исследования состава воды и ее качества в этих водохранилищ не проводились, а наблюдения, ведущиеся подразделениями гидрометеослужбы и бассейновых управлений на этих водоемах, не обобщались.
В связи с этим проблема изучения особенностей формирования и трансформации качества воды в водохранилищах Средней Волги, особенно в последние годы, остается чрезвычайно актуальной.
Объект исследования: Горьковское и Чебоксарское водохранилища.
Предмет исследования - химический состав водных масс водохранилищ и их притоков. Целью работы является выявление закономерностей формирования и трансформации химического состава водных масс в Горьковском и Чебоксарском водохранилищах под воздействием поступающих в них загрязняющих веществ. Для достижения цели работы решались следующие задачи:
1. Обобщение данных о современном гидрохимическом режиме основных притоков водохранилищ.
2. Выявление особенностей формирования и сезонной изменчивости состава водных масс этих искусственных водоемов.
3. Количественная оценка загрязнения речных и водохранилищных водных масс в результате химической нагрузки от различных источников.
4. Расчет водно-солевого баланса и баланса общего фосфора в водохранилищах, оценка общей нагрузки на водоемы.
5. Оценка возможного изменения минерализации воды в Чебоксарском водохранилище в случае повышения уровня воды в нем до проектной отметки.
6. Разработка рекомендаций по оптимизации мониторинга водных масс водохранилищ. Защищаемые положения:
- особенности формирования и сезонных изменений характеристик водных масс водохранилищ и вод основных притоков;
- структура баланса солей и общего фосфора в водохранилищах в годы разной водности;
- прогноз изменения общей минерализации воды;
- районирование водохранилищ и оптимизация мониторинга качества воды.
Научная новизна работы. Впервые: сбор и обобщение гидрологической и гидрохимической информации по бассейнам Горьковского и Чебоксарского водохранилищ за весь период их существования, включая первые годы XXI в., завершен статистическим анализом характеристик солевого состава вод средневолжской части Волжско-Камского каскада водохранилищ. Приведены особенности формирования и сезонных изменений характеристик вод основных притоков и водных масс водохранилищ. Дана характеристика состава и объемов загрязненных вод поступающих из точечных и диффузионных источников в водохранилища. Показано, что существующий метод расчета ИЗВ, при котором могут использоваться различные ингредиенты в зависимости от их превышения ПДК, не может дать объективной оценки изменчивости качества воды во времени и пространстве. Разработан и находится в стадии внедрения классификатор веществ, загрязняющих водные объекты. На основании расчетов баланса общего фосфора за годы разной водности выполнена оценка фосфорной нагрузки на Горьковском и Чебоксарском водохранилищах. На основании материалов по водному стоку и гидрохимических исследований, выполнены оценки составляющих солевого баланса водохранилищ. На основе прогностических расчетов показано ожидаемое изменение минерализации воды в различных участках Чебоксарского водохранилища в случае повышения уровня его наполнения. Выявлена на основе математического моделирования внутригодовая изменчивость гидрологической структуры в речной и озерной частях Горьковского водохранилища. На основании анализа материалов гидрохимических съемок Чебоксарского водохранилища, проведенных Институтом биологии внутренних вод (ИБВВ РАН) в 1983,1984 и 1986 гг. и в 2002-2005 гг. Федеральным государственным учреждением «Центр лабораторного анализа и технических измерений по Приволжскому федеральному округу» («ЦЛАТИ по ПФО») (являющимся правопроиемником «Центра лабораторного анализа и мониторинга МНР России по Приволжскому федеральному округу» («ЦЛАМ МПР России по ПФО») и «Специализированной инспекции аналитического контроля по Приволжскому региону» («СИАК по ПР»)), исследована таксономическая структура вод и выполнено районирование Чебоксарского водохранилища по комплексу гидрохимических показателей (показателей качества воды). Практическая значимость работы. Полученные результаты подготовлены для внедрения с целью:
а) определения прогнозных показателей при гидрохимическом анализе состава воды;
б) своевременного выявления и прогнозирования развития негативных процессов, влияющих на качество воды в водных объектах и их состояние;
в) информационного обеспечения управления водным хозяйством в области использования и охраны водных объектов, построения математических моделей гидролого-гидрохимических процессов, применения средств вычислительной техники, создания и ведения баз гидроэкологических данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих совещаниях и конференциях:
Первая научно-практическая конференция «Проблемы регионального экологического мониторинга» (Нижний Новгород, 2002 г.), Всероссийская конференция с участием специалистов из стран ближнего и дальнего зарубежья (Борок, 2002 г.), Международный конгресс «Великие реки» (Нижний Новгород, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 гг.), Научно-практическая конференция (Хабаровск, 2005 г.), Международная и Молодежная конференция (Тольятти, 2003 г.), Всероссийский конгресс работников водного хозяйства (Москва, 2003 г.), The therd International Conference Ecological Chemistry (Moldovei, 2005 г.), IV Всероссийская конференция молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 2003 г.), II Всероссийская конференция «Экосистемы малых рек: биоразнообразие, биология, охрана» (Борок, ИБВВ, 2004 г.), Научная конференция (Иркутск, 2005 г.), Всероссийская научно-практическая конференция «Современные проблемы исследований водохранилищ» (Пермь, 2005 г.), Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы водохранилищ» (Пермь, 2007 г.), Международная научно-практическая конференция «Охрана, воспроизводство и устойчивое использование биологических ресурсов внутренних водоемов» (Волгоград, 2007 г.), Научная конференция «Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды» (Нароч, 2007г.), Всероссийская конференция с международным участием «Водные и наземные экосистемы: проблемы и перспективы исследований (Вологда, 2008 г.), заседание гидрологической комиссии Московского центра Русского географического общества (2008 г.).
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 35 работ, из них 8 статей, 12 материалов научных конференций и 15 тезисов докладов конференций. Четыре статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Автор в течение 5 лет принимала непосредственное участие в сборе полевых материалов, выполнении гидрохимических анализов, их обобщении, написании и формировании отчетов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. В работе 125 страниц, 25 рисунков и 53 таблицы. Список литературы насчитывает 260 работ, включая 13 работ иностранных авторов.
Краткая физикогеографическая и гидрографическая характеристика водосборов водохранилищ
Водосбор Горьковского водохранилища 228400 км , из которой 150 500 км бассейн вышерасположенного Рыбинского водохранилища. Частный водосбор Горьковского водохранилища (79000 км2) представляет собой восточную часть бассейна Верхней Волги, относящуюся к ее участку от г. Рыбинска до г. Городца. Он включает в себя восточную половину Верхневолжской, часть Ветлужско-Унженской провинции и провинцию Северных увалов. [209]
Водосбор представляет собой холмистую равнину с высотами в среднем 150 - 170м. Для рельефа бассейна характерно чередование вытянутых с юго-запада на северо-восток невысоких и сильно расчлененных эрозионной сетью возвышенностей и плоских заболоченных низин. Чередование возвышенностей и низменностей, простирающихся в одном направлении, определяет рисунок гидрографической сети - преобладающее направление долин основных притоков водохранилищ с северо-востока на юго-запад.
Основные черты рельефа сложились в дочетвертичное время. Коренные породы пермского, триасовского, юрского и мелового периодов, представленные песчано-глинистыми отложениями, перекрыты сверху толстым слоем ледниковых отложений. Ледниковые формы рельефа к настоящему времени значительно переработаны эрозионными процессами. Особенно сильно переработке подверглись возвышенности, которые расчленены густой сетью небольших долин. Глубокое расчленение возвышенностей привело к тому, что речные долины вскрыли водоносные горизонты межморенных и коренных отложений. Это определяет различия химического состава воды в реках, формирующих сток в пределах возвышенностей и низин бассейнов.
Почвенно-растителъный покров. Водосбор водохранилища расположен в хвойных лесов лесной зоны. В его почвенном покрове преобладают дерново-подзолистые почвы различного механического состава. Наибольшая облесенность характерна для левобережной части и составляет до 75%. В пределах Горьковской области (южная часть) лесами покрыто до 30% площади. Наибольшее распространение в бассейне водохранилища имеют еловые леса с примесью березы, осины и сосны. Смешанные и мелколиственные леса имеют вторичное происхождение.
Гидрография. Густота речной сети 0,4 — 0,6 км/км . Водосборы притоков обычно асимметричны, преимущественно неправильно овальной или грушевидной формы. Долины рек трапецеидальные или ящикообразные, террасированные, шириной от 1 до 8 — 10 км (p.p. Кострома, Унжа), с глубиной вреза 30—40 м. При пересечении моренных гряд долины сужаются, а глубина их вреза увеличивается до 50 — 70 м. На пониженных участках местности долины расширяются в несколько раз, так, например, ширина долин рек Костромы, Унжи, Ней и других рек древней речной сети достигает 25—30 км. Долина р. Волги большей частью узкая (2—5 км), лишь на участке Ярославль—Кострома расширяется до 20 - 25 км.
Реки бокового притока в Горьковское водохранилище характеризуются значительной неравномерностью распределения стока в течение года. Доля весеннего стока в среднем изменяется от 65 до 80, летне-осеннего—от 25 до 10, зимнего - от 5 до 8%. Главными факторами, определяющими внутригодовое распределение стока, являются климатические условия, подстилающая поверхность и величина площади водосбора. Влияние площади водосбора проявляется в том, что на более крупных реках снижается доля весеннего стока и увеличивается сток маловодных сезонов (табл. 1.2, рис. 1.3, рис. 1.4, рис. 1.5.). На большинстве притоков водохранилища наблюдается две многоводные фазы стока: весеннее половодье, обусловленное таянием снега, и осенний паводок, обусловленный выпадением дождей.
Водосбор Чебоксарского водохранилища. Общая площадь водосбора 603000км2, из них 229000 км2 бассейн Горьковского водохранилища. Частный водосбор составляет 375600 км . Большая часть этой площади -246432 км , [47] водосбор основного притока р. Оки. Водоем расположен в центре Среднего Поволжья на границе двух подзон лесной зоны [143,144, 184] и простирается на территории Нижегородской области, Чувашской республики и республики Марий Эл. Приволжская возвышенность, спускаясь к реке, образует нагорный берег, поднимающийся над водой на 70-100 м. [35].
Почвенно-растительный покров. Левый берег находится в подзоне южной тайги, возвышенный правый—в подзоне хвойно-широколиственных лесов. Почвенный покров этой местности представлен почти исключительно дерново — подзолистыми почвами различного гранулометрического состава с вкраплением аллювиальных в поймах рек, а в плохо дренируемых участках - болотно — подзолистыми почвами. Для левобережья характерны лесные и луговые ландшафты. Южная часть водосбора Оки, прилегающая к правому берегу, находится на границе степной и лесостепной зон. В ее бассейне происходит смена подзолисто-песчаных почв на севере серыми оподзоленными почвами лесостепи и тучными черноземами на юге. Большая часть водосбора р. Суры находится в пределах лесостепной зоны, хотя в верховьях сохранились значительные массивы широколиственных лесов [35,184,143].
Гидрохимическая характеристика основных притоков водохранилищ
Из многочисленных притоков Горьковского и Чебоксарского водохранилищ существенное влияние на формирование их химического состава оказывают только большие притоки: Которосль, Кострома, Немда, Унжа, Ока, Керженец, Сура, Ветлуга. Остальные реки составляют очень малую долю в водном питании и почти не оказывают влияния на формирование химического состава водохранилищных водных масс. Все притоки Верхней и Средней Волги по ионному составу воды относятся к гидрокарбонатному классу, кальциевой группе, первому и второму типам [84].
Река Которосль—правый приток Волги. Минерализация воды в ней в весенне-летне-осенний период, по данным А.А. Зенина [84], изменяется от 138 мг/л (май 1956 г.) до 385 мг/л (сентябрь 1954 г.) В период с 1997 по 2005 год зафиксированы изменения от 140 мг/л до 334 мг/л (табл. 2.2).
Относительный состав воды р. Которосли характеризуется значительным преобладанием НСОз".
По материалам наших наблюдений 2000—2005 гг. содержание SO4" в водах реки колеблется в пределах от 11,9 до 40,0 мг/л, СГ - от 9,8 до 19,9 мг/л. Среди катионов преобладает Са2+ , содержание которого колеблется от 20,8 до 32,2% экв. Доля Mg2+ довольно значительная — от 11,7 до 21,9% экв. Содержание Na+ + К+ обычно невелико—2,4—10,4% экв. Величина рН изменяется в пределах 7,83 — 8,23. Преобладание в реке ионов НСО", Са и Mg находится в соответствии с составом богатых карбонатами пород, слагающих бассейн реки.
В течение года в устьевом участке содержание СГ и SO4 колеблется в пределах 8,7 - 21,0 мг/л, 8,0 - 40,0 мг/л соответственно, NH/ - 0,06 - 0,92 мг N/л; N02" -0,019- 0,28 мг N/л, N03" - 1,01 - 23,2 мг N/л, фосфор фосфатов 0,016-0,087 мг Р/л, БПК5 —1,1—3,0 мг Qj/л, ХПК — 0,7 мг О/л, перманганатной окисляемости достигает значения 17,7 мг О/л, растворенный кислород 5,8 — 13,8 мг 02/л.
Содержание железа (Fe) в весенний период больше, чем в летне-осенний и колеблется в пределах от 0,09 до 1,11 мг Fe/л, а содержание кремния в воде изменяется от 0,8 до 2,5 мг Si/л. Река Кострома — левобережный приток Волги. Содержание SO4" в воде колеблется в пределах от 8,31 до 22,0 мг/л, хлоридов 3,55 — 70,8 мг/л. Среди анионов первое место принадлежит НС03". Из катионов превалирует Са 2+—27,9 - 33,7 % экв. Содержание Mg2+- 14,1- 15,1% экв., Na + К — 1,7— 6,8% экв. Минерализация воды по длине реки значительно варьирует. Повышенная минерализация воды в верхнем и среднем течении объясняется питанием высокоминерализованными подземными водами, которые проходят по пермским морским отложениям и обогащаются ионами НС03", Са и SO4". Величина рН воды р. Костромы изменяется в пределах 7,50—8,55, причем в летне-осенний период она более высокая, чем в весенний период [84].
В течение года общая минерализация воды также варьирует в довольно широких пределах: от 62,0 (в весеннее половодье) до 498,1 мг/л (в зимнюю межень). В устье реки изменение минерализации несколько меньше — от 120,0 до 424,0 мг/л. Причиной этого является разбавление высокоминерализованных вод р. Костромы, идущих с верховьев, маломинерализованными водами притоков, впадающих в нижнем течении. В устьевом участке в период с 1997 по 2005 гг. содержание соединений азота колеблется в пределах: NH/ - 0,05 - 0,65 мг N/л; N02" - 0,03 - 0,069 мг N/л, N03" - 0,32 - 3,09 мг N/л, фосфор фосфатов - 0,006 до 0,117 мг Р/л, БПК5 - 1,0 -4,3 мг 02/л, перманганатной окисляемости - 5,4 — 10,4 мг О/л, растворенного кислорода 5,7 — 11,2 мг 02/л. Содержание железа в воде р. Костромы повышенное и достигает 3,02 мг Fe/л. (табл.2.2.)
Вода р. Костромы как в среднем течении, так и у устья относится к гидрокарбонатному классу, кальциевой группе, второму типу [84]. Репа Немда — левый приток Волги. По величине минерализации воды р. Немда относится к рекам с маломинерализованной водой в связи с тем, что площадь ее водосбора сложена в основном отложениями меловой системы, среди которых преобладают пески, фосфориты. В среднем течении в 1954— 1958 гг. минерализация воды изменялась от 30,5 до 175,4 мг/л., в устье — от 40,6 до 156,2 мг/л. [84] По данным последних лет в устьевом участке минерализация изменялась от 95 мг/л до 241 мг/л. (табл. 2.2)
Пределы колебания SO4 " в устьевом участке 8,0 — 21,0, содержание хлоридов — 3,5 — 20,4 мг/л, рН от 6,8 до 8,7. Содержание минеральных форм азота колеблется: NH/ - 0,11- 1,3мг N/л; N02" - 0,013 - 0,135 мг N/л, N03" - 0,14 - 6,64 мг N/л., фосфор фосфатов- 0,011 до 0,097 мг Р/л. (табл. 2.2)
Содержание железа очень высокое 0,15-3,49 мг Fe/л, что не противоречит данным более ранних исследований [8]. В устьевом участке величина ХПК составляет 21,0 — 25,0 мг 02/л, БПК5 0,64-3,2 мг 02/л, перманганатной окисляемости — 3,3 — 20,9 мг О/л, растворенного кислорода 6,8 — 11,6 мг 02/л.
Объем и характеристика промышленных и бытовых стоков
В бассейне Волги ежегодное отведение сточных вод составляет около 21 км (около 36% сбросов по России), в том числе без очистки или недостаточно очищенных- 11 км3 [93—96,180]. В таблице 3.3. приведена структура сбрасываемых сточных вод по бассейнам рек за 2001/2002 год в млн. м3. В используемом « 2 ТП — Водхоз» кодификаторе не учитываются валентные формы элементов. Хозяйствующие субъекты при формировании статистической отчетности не учитывают качественные и количественные характеристики сбрасываемых сточных вод, неотраженные в графике контроля выпуска в поверхностные водные объекты, что приводит к существенным искажениям в отчетности, в том числе при формировании формы стат. отчетности «2 ТП — Водхоз».
Как привило при формировании графика контроля учитываются только те загрязняющие вещества которые непосредственно участвуют в технологическом процессе связанным с формированием сброса в поверхностные водные объекты. Например: сточные воды промывочных линий гальванических производств, очищенные сточные воды локальных очистных сооружений и т.п. При формировании 2ТП — Водхоз не учитываются качественные показатели неорганизованного ливневого стока с территории и санитарно-защитной зоны предприятия формируемые за счет рассеивания выбросов от стационарных и передвижных источников данного хозяйствующего субъекта и прилегающих источников антропогенного воздействия.
В таб. 3.5. на примере Нижегородской обл. показано изменение поступления загрязняющих веществ в бассейн реки Волги и основные притоки Чебоксарского водохранилища на территории Нижегородской области: Суру, Ветлугу, Оку в период 2001 - 2004 год.
Данные объема сбросов загрязняющих веществ 2001 - 2004 г., непосредственно в pp. Суру, Ветлугу, Оку на территории Нижегородской области приведены в приложении. Из табл. 3.5. видно, что в 2001 году максимальная масса сброса (загрязняющих веществ) со сточными водами в р. Волгу больше по сравнению с 2002 — 2004 годами. Эта же тенденция, наблюдается и реках Сура и Ока, чего нельзя сказать о реке Ветлуга. 2001 год, характеризовался как год многоводный и объем поступления сточных вод, имеющих загрязняющие вещества был больше, чем в 2002 и 2003 гг. Водность реки и масса поступления загрязняющих веществ с водосбора может играть решающую роль в формировании качества воды.
Чаще всего под антропогенной нагрузкой понимают количество загрязняющих веществ, поступающих в водотоки и водоемы от точечных и диффузионных источников загрязнения. Промышленные загрязнения в настоящее время являются основным источником загрязнения водоемов. Это органические и минеральные отходы от различных производств и промыслов, остатки используемых в технологических процессах сырья и реагентов. Наибольшее количество их поступает в водоемы в виде производственных сточных вод, теплых вод от тепловых электростанций и других производств, частично в виде смывов с загрязненных берегов и мест хранения отходов, а также в виде отдельных твердых и полужидких выбросов [209]. По длине Волги антропогенная нагрузка от точечных источников загрязнения распределена неравномерно. Меньше всего сточными водами нагружена Верхняя Волга, где они составляет 7,6% от водного стока.
Наиболее неблагоприятная экологическая обстановка складывается на водохранилищах в районах крупных промышленных городов. Здесь формируются зоны загрязнения, где концентрация химических веществ в воде в несколько раз превышает фоновые показатели, идет интенсивное накопление веществ в донных отложениях, наблюдается нарушение структуры и нормального функционирования биоценозов. Экстремальное увеличение нагрузки в этих районах может наблюдаться в период аварий в системах водоотведения городов, когда масса загрязняющих веществ в составе сточных вод может резко увеличиться в десятки и сотни раз.
Состав сточных вод разнообразен (см. раздел 3.2). Наибольшее количество примесей (вредных отходов) поступает в водоемы со сточными водами химической, нефтяной, нефтехимической, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий органического синтеза, горно-рудной, металлургической промышленности и с шахтными водами. С ростом новых производств часто образуются сточные воды с неизученным составом [209].
Следующим источником загрязнения водоемов являются стоки очистных сооружений жилкомхозов. С 1926 г. население городов волжского бассейна возросло более чем в 7 раз [209]. Урбанизация, сопровождавшаяся повышением бытового комфорта населения, развитием коммунальных служб и промышленного производства, повлекла за собой рост водопотребления из речной системы и сброса в нее все большего объема сточных вод. Характерной особенностью водоотведения крупных городов является неравномерность сброса загрязняющих веществ в водные объекты. Нагрузка от точечных источников существенно меняется от года к году и от сезона к сезону в результате изменчивости стока. При этом максимальную нагрузку водохранилища испытывают в период летне-осенней межени и в годы пониженной водности. В той или иной мере сезонная изменчивость режима сброса загрязняющих веществ в водные объекты свойственна всем точечным источникам загрязнения. В течение суток концентрации ЗВ веществ в сточных водах также не остаются постоянными. При этом объемы сточных вод, как правило, меняются незначительно и находятся в пределах 5 — 10%, а сезонные и суточные колебания концентраций химических веществ весьма велики и могут достигать сотни и десятки сотен процентов. Это объясняется неравномерностью ливневого стока из года в год и в течение одного года, неравномерностью антропогенного воздействия оказываемого хозяйствующим субъектом изменением технологий сырья, а так же неравномерностью транспортного потока в течение года.
Горьковское водохранилище. Наибольшему антропогенному влиянию подвержен речной район водохранилища. В него поступают сточные воды городов Рыбинска, Тутаева, Ярославля, Костромы, сбросные воды крупнейшей тепловой электростанции - Костромской ГРЭС - и других более мелких объектов загрязнения [209]. Основными загрязнителями Горьковского водохранилища являются предприятия МУП «Водоканал» Рыбинска, Ярославля, Костромы, Кинешмы, сбрасывающих со сточными водами основную массу загрязнений: 70%) ЛООС по БПК5, 54%) взвешенных веществ, 80% азота аммонийного, 36% железа, 85% марганца, 60% меди, 50%) никеля, 75% нитритов, 44% СПАВ, 95% фенолов, 87% фосфатов, 60% хлоридов, 50% цинка. ОАО «Автодизель» г. Ярославль, сбрасывающий: нефтепродуктов 20%, железа16%; ОАО Ярославский шинный завод, сбрасывающий: 20% нефтепродуктов, и по 6%) железа и цинка; ОАО «Славнефть» им. Менделеева, сбрасывающий 36% СПАВ, 32% никеля, 13%) марганца. В целом по Горьковскому водохранилищу насчитывается 317 источников сброса сточных вод, а по его бассейну - 743. В черте крупных городов и в местах выпуска сточных вод обнаружены высокие величины ХПК, БПК5, повышенные концентрации углеводородов нефтяного происхождения и смолистых веществ. Однако, содержание этих компонентов, а также тяжелых металлов, в основном водном потоке ниже предельно допустимых значений. Сохранению этого состояния способствует преобладающая роль в водном питании практически чистых вод поступающих из Рыбинского водохранилища, обеспечивающих высокую степень разбавления ими промышленных и бытовых стоков, что и определяет достаточно высокое качество воды [31,209].
Оценка качества воды водохранилищ с использованием балансовой модели
Для исследования внутригодовой изменчивости состава воды Горьковского водохранилища (баланса растворенных в воде консервативных веществ, солей) использовалась математическая модель ТМО (тепло — и массообмена) гидрологических процессов, протекающих в долинном водохранилище и его отдельных участках. Модель разработана в лаборатории по изучению водохранилищ на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова [191].
Модель ТМО пространственно квазидвухмерна. Водохранилище представляется в ней продольной последовательностью ее отдельных частей — расчетных отсеков (РО). РО состоят из вертикальной совокупности горизонтальных слоев (боксов), в пределах которых принято равномерное распределение вещества и тепла. Длина боксов в каждом РО постоянна. Оптимальное значение их толщины - 1 метр. Исключение составляет поверхностный слой, толщина которого изменяется от 0,5 до 1,5 м в зависимости от суточного водного баланса водоема. Временной шаг модели - 1 сутки.
Горьковское водохранилище представлено в модели шестью РО. Максимальное количество расчетных слоев равно 22. В модели учитывается также приток воды по основным притокам частного водосбора водохранилища, обеспеченным данными гидрометрических наблюдений, - по р. Которосли, р. Костроме и р. Унже, которые впадают, соответственно, в расчетные отсеки РО—I, РО-ПиРО-Ш.
Расчеты по модели производились для лет различной водности -маловодного 1973 г. (обеспеченность р = 98%), средневодного 1976 г. (р = 63%) и многоводного 1981 г. (р = 24%). Кривая обеспеченности притока в водохранилище приведена на рис. 4.2.
Маловодный 1973 г. характеризовался наименее интенсивным водообменном. Наибольшая проточность наблюдалась в апреле-мае, что характерно для Горьковского водохранилища. В остальные месяцы коэффициент водообмена не превышал 0,28. В среднем объем водохранилища обновлялся примерно за Ъ- \ месяца (табл. 4.14).
В 1976 г. наибольшая проточность была в мае, однако относительно высокие значения коэффициента водообмена сохранялись и летом. Объем воды в водохранилище обновлялся в среднем за 2-2,5 месяца. Многоводный 1981 г. отличался интенсивным водообменом. Девять месяцев коэффициент водообмена превышал 0,50, а в мае составил 1,32. В среднем вода в водохранилище обновлялась чаще, чем за 2 месяца.
В модельных расчетах использованы ежесуточные значения минерализации речных водных масс, полученные по ее зависимости от расхода воды в реке в день отбора пробы (по многолетним данным) и по среднесуточным расходам за конкретный год, опубликованными в Гидрологических ежегодниках (см. рис. 2.2 - 2.4).
По модели ТМО были рассчитаны ежесуточные значения минерализации и температуры воды в каждом боксе шести РО Горьковского водохранил ища[ 132,133]. Расчеты показали, что маловодный 1973 г. характеризовался сравнительно большей минерализацией основной водной массы водохранилища, а многоводный 1981 г.- наименьшей. Во внутригодовом ходе минерализации четко выделяются зимний период, отличающийся повышенной минерализацией, период прохождения половодья с наименьшей минерализацией воды за год, исследующий за ним летне-осенний период со все более минерализованными водами, в котором может наблюдаться временами понижение минерализации, вызванное притоком вод паводков. При этом хорошо заметно влияние речных вод, возрастающее от отсека РО —I к РО - II по мере впадения, соответственно, Которосли, Костромы и Унжи, сглаживающееся затем в озерной части водохранилища. В меженные периоды реки несут более минерализованные воды по сравнению с Волжской водной массой и основной водной массой самого Горьковского водохранилища (рис.4.3.).
В период половодья каждая река вносит свой вклад в снижение минерализации в водоеме. Примечательно, что опресняющее воздействие рек сохраняется значительно дольше, чем время прохождения основной волны половодья на самих реках. Во второй половине мая в нижнем бьефе Рыбинского гидроузла отмечена волна повышенной минерализации. Она, в последующие несколько месяцев, продвигается вниз по течению и практически затухает в озерной части Горьковского водохранилища. Эта волна, скорее всего, связана с упоминавшимся повышением в середине мая минерализации воды, сбрасываемой из Рыбинского водохранилища. Подобный эффект, правда, меньшего масштаба, возникает и в конце июля.
Скорость продвижение вод различного происхождения от места формирования вниз по течению напрямую зависит от интенсивности водообмена. Чем выше коэффициент водообмена, тем меньше времени требуется водам определенного состава на прохождение водоема. С этим связано второе основное отличие рассматриваемых лет друг от друга.
Расчеты показали, что основные различия между тремя рассматриваемыми годами в распределении температуры воды в пределах водохранилища заключаются во временном смещении годового температурного цикла. Это смещение определяется синоптическими условиями и термическим режимом притоков. В 1973 г. весеннее нагревание вод Горьковского водохранилища началось в середине апреля, в 1981 г. - в начале мая. Осеннее охлаждение завершилось в 1973 г. в начале ноября, в 1981 г. - в конце ноября.
В предыдущем разделе с использованием модели ТМО была показана гидрологическая структура Горьковского водохранилища в средний по водности год и рассмотрены ее изменения в маловодный и близкий к многоводному годы. Режим эксплуатации водохранилища за весь период его существования стабилен и его гидрологическая структура определяется главным образом водностью года. В связи с этим, представленные материалы могут использоваться как прогноз минерализации воды в водохранилище и ее пространственно-временной изменчивости, если известен прогноз водности на соответствующий год или период года.
Чебоксарское водохранилище в настоящее время находится на промежуточной отметке. Вопрос о его наполнении до проектной отметки (68 м БС) до настоящего времени на стадии обсуждения. В связи с этим прогноз качества воды и пространственно-временное изменение его гидрологической структуры актуальны и в настоящее время.
