Изучение динамики химического состава и органолептических свойств воды в Верхне-Тобольском водохранилище Костанайской области за 2013–2015 годы



Возрастающая интенсивность использования водных ресурсов приводит к тому, что практически на всей территории Республики Казахстан фиксируется накопление загрязняющих веществ в водоемах замедленного стока, в водохранилищах.

Хозяйственное использование водоемов и их водосборов исторически сложилось в непосредственной близости к данным объектам. Вокруг водоемов располагаются многочисленные источники антропогенного воздействия и, кроме того, сельскохозяйственные угодья занимают значительные части водосборов. На значительной площади водосборов проводится выпас скота, а также многие из изученных водоемов используются для водопоя сельскохозяйственных животных.

Антропогенное воздействие на экосистемы водных объектов носит комплексный характер и результатом деятельности человека является изменение гидрологического режима, гидрохимического режима, количественных и качественных характеристик водохранилищ. В настоящее время, в связи с активной хозяйственной деятельностью человека, естественный гидрологический режим водоемов претерпевает большие изменения. Во-первых, распашка земель вокруг водоёмов приводит к усилению выноса органических и минеральных веществ из почвы в водотоки и водоемы. Во-вторых, применение минеральных удобрений в сельском хозяйстве создает дополнительный поток биогенных элементов в водные объекты. В-третьих, в результате деятельности животноводческих хозяйств в экосистемы водных объектов попадает значительное количество органики и минеральных веществ. Все перечисленные факторы приводят к увеличению поступления органических и минеральных веществ в водоемы, что не может не сказаться на гидрохимическом режиме.

В связи с этим контроль качества вод на данных объектах, имеющих высокую социальную значимость, становится актуальным вопросом.

Целью нашей работы является оценка содержания химических веществ и органолептических качеств воды в Верхне-Тобольском водохранилище, в одном из основных водохранилищ Костанайской области, в разрезе трехгодичных наблюдений 2013–2015 годов.

Верхне-Тобольское водохранилище по объему является объектом многолетнего регулирования стока реки Тобол в Костанайской области. Построенное в 1972 году, оно предназначено для поддержания гарантированного стока реки, подпитки нижерасположенного Каратомарского и других водохранилищ, служащих источниками водоснабжения г. Рудного, г. Костаная и ряда других водопотребителей. Кроме того, река Тобол является трансграничным водотоком и по межгосударственному соглашению между республикой Казахстан и Россией в створе г. Кургана должен проходить сток реки Тобол заданного объема и качества. Площадь зеркала водохранилища 87,4 км². Максимальная глубина 30,0 м.1, с.115

Гидрохимический режим и качество воды в водохранилище определяются особенностями формирования стока в бассейне р. Тобол. По раннее проведенным исследованиям качество воды Верхне-Тобольского водохранилища определяется влиянием минерализованного стока р. Тобол и загрязнений, поступающих по р. Шортанды от г. Житикара, а также с.Денисовка, расположенных в его вершине. Довольно минерализованный сток поступает также от притока р. Котюбок и подземных минерализованных вод, окружающих водохранилище. В маловодные годы, при незначительном разбавлении паводком, в процессе испарения и довольно значительного питания минерализованными подземными водами, происходит увеличение минерализации поверхностных вод водохранилища, их вертикальная гидрохимическая стратификация. Наихудшее качество воды характерно для зимней межени, когда значительный объем пресной воды временно консервируется в ледовом покрове, а с глубиной минерализация увеличивается и на дне водохранилища превышает 2 г/дм3.

Для установления соответствия критериям требуемых показателей качества воды рыбохозяйственных водоемов использованы следующие нормативные документы: «Обобщенный перечень предельно-допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов», СТ РК ГОСТ Р 51592–2003 «Вода. Общие требования к отбору проб», ГОСТ 17.1.5.05–85 «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков».

Испытание полученных проб проводилось согласно аттестованным методикам выполнения анализов в испытательной лаборатории, аккредитованной в соответствии с Законом Республики Казахстан «О техническом регулировании».

В настоящей научно-исследовательской статье мы провели анализ состояния качества поверхностных вод в Верхне-Тобольском водохранилище на базе лаборатории отдела лабораторно-аналитического контроля Республиканского государственного учреждения «Департамент экологии по Костанайской области». В своей работе мы использовали данные результатов анализов, полученных за 2013–2015 гг. (таблица 1)..3

Таблица 1

Характеристика качества воды вВерхне-Тобольском водохранилище по химическим иорганолептическим показателям за 2013–2015 гг

№	Перечень показателей	ПДК рыб-хоз	2013г	2014г	2015г	Среднее значение за 2013–2015 годы
1	2	3	4	5	6	7
1	Цветность, град.	35	20,34	32,60	38,99	30,643
2	Прозрачность, см	-	22,0	16,0	15,83	17,943
3	Запах, балл	-	0	0	0	0,0
4	рН, ед.	6,5–8,5	6,9	7,4	8,2	7,50
5	Жесткость, моль/л	7	5,1	7,0	5,2	5,767
6	БПК5, мг/дм3	2	1,0	4,0	2,5	2,5
7	ХПК, мг/дм3	-	30,8	80,98	36,17	49,317
8	Кальций, мг/дм3	180	59,1	40,45	45,067	48,206
9	Магний, мг/дм3	40	21,1	45,75	37,25	34,7
10	Хлориды, мг/дм3	300	216,2	233,95	195,6	215,25
11	Сульфаты, мг/дм3	100	109,9	162,8	88,067	120,256
12	Минерализация, мг/дм3	1000–1500	755,9	852,95	446,7	685,183
13	Гидрокарбонаты, мг/дм3	-	186,1	192,2	181,4	186,567
14	Азот аммонийный, мг/дм3	0,4	0	0,295	0,177	0,157
15	Нитриты, мг/дм3	0,08	0	0,0045	0,008	0,004
16	Нитраты, мг/дм3	40	0,18	0,535	0,38	0,365
17	Фосфаты, мг/дм3	0,2	0,06	0,035	0,14	0,078
18	Железо общее, мг/дм3	0,01	0,07	0,445	0,184	0,233
19	Марганец, мг/дм3	0,01	0,086	0,47	0,02	0,192
20	Нефтепродукты, мг/дм3	0,05	0	0	0,072	0,024

По результатам нашего исследования органолептические свойства воды в 2013 году, по различным показателям находились в удовлетворительном состоянии. В 2014 году они были в пределах допустимой нормы, но цветность воды увеличилась на 38 %, показатель рН возрос на 7 %, прозрачность воды ухудшилась на 27 %, т. е., произошло незначительное снижение качества воды по органолептическим показателям. А 2015 год оказался еще более неблагоприятным: цветность в сравнении с 2014 годом ухудшилась на 19 %, а с 2013годом, почти в 2 раза. Характер рН среды изменился со слабо-кислой до слабо-щелочной, прозрачность воды осталась на уровне 2014 года. Запах в исследуемый период мы не обнаружили.

Результаты исследований по химическим показателям также оказались не однозначными. Концентрации химических веществ по всем этапам исследования представлены в среднем по общему количеству проб, отобранных в разное время года.

По первому году исследования (2013) были выявлены превышения нормативов предельно-допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного значения: по сульфатам в 1,1 раза, по железу общему в 7 раз (при нормативе ПДК — 0,01 мг/дм3), по марганцу в 8,6 раз (ПДК — 0,01 мг/дм3). По остальным ингредиентам показатели были в пределах нормы, т. е. не находились в критической близости от установленных критериев. 2

Наиболее неблагоприятным периодом для наших исследований оказался 2014год. Мы обнаружили, что произошло заметное увеличение химических веществ практически по всем исследуемым параметрам: содержание нитратов на 197,2 % (0,535 мг/дм3), увеличение магния на 118 % (45,75 мг/дм3), хлоридов на 8 % (233,95 мг/дм3), сульфатов на 48 % (162,8 мг/дм3), гидрокарбонатов (192,2 мг/дм3), железа общего на 535,7 %(0,445 мг/дм3), марганца на 446, % (0,04665 мг/дм3),общая минерализация заметно возросла на 13 % (852,95 мг/дм3), содержание только двух компонентов уменьшилось: фосфатов на 41,7 % (0,035 мг/дм3), кальция на 32 % (40,45 мг/дм3).

Нами так же был выявлен факт наличия азота аммонийного (0,295 мг/дм3), нитритов (0,0045 мг/дм3). В виду роста показателей группы азота увеличилось и содержание химического потребления кислорода на 162,9 % (80,98 мг/дм3), а биологическое потребление кислорода возросло на 400 % (4,0мг/дм3).

Факт превышения нормативов предельно-допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного назначения был установлен по БПК5 в 2 раза, магния в 1,1 раза, сульфатам в 1,63 раза, железа общего в 44,5 раз (при нормативе ПДК — 0,01 мг/дм3), марганца в 46,65 раз (ПДК — 0,01 мг/дм3). По остальным ингредиентам показатели также увеличились, но за границы нормативов не вышли. 2

В 2014 году в водохранилище также была зафиксирована наиболее высокая жесткость воды.

Исследования химических веществ в 2015 году оказались следующими. Показатель жесткости воды остался на уровне 2013 года, и его значение равнялось 5,2 ммоль/дм3. Было отмечено накопление концентрации нитритов до 0,008 мг/дм3, фосфатов до 0,14 мг/дм3 в сравнении с двумя предыдущими годами исследований, снижение концентрации азота аммонийного до 0,177 мг/дм3, нитратов до 0,38 мг/дм3. Уровень кальция достиг среднего значения за предыдущие два года и составил 45,1 мг/дм3, магния 37,25 мг/дм3.

В ходе экспериментальной работы был отмечен факт уменьшения уровня минерализации практически в 2 раза, как следствие снижения концентрации хлоридов до 195,6 мг/дм3 и сульфатов до 88,067 мг/дм3. Содержание гидрокарбонатов 186,1 мг/дм3 значительно не изменилось. Также зарегистрированы средние значения по показателям железа общего и марганца за 2013 и 2014 годы:0,184 мг/дм3, 0,02 мг/дм3 соответственно.

Химическое потребление кислорода исследуемых проб уменьшилось в сравнении с 2014 годом и достигло уровня 2013 года. Такая же тенденция отмечена и с биологическим потреблением кислорода в течение 5 суток (БПК5), показания равнялись 2,5 мг/дм3.

В процентном соотношении картина изменения химического состава водных образцов за 2015 год выглядит следующим образом. Снижение произошло по большому количеству параметров: ХПК на 55,33 %, магния на 20 %, хлоридов на 16 %, сульфатов на 46 %, азота аммонийного на 40 %, нитратов на 29 %, железа общего на 58 %, марганца на 95,7 %. А факт превышения нормативов предельно-допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного назначения был установлен по следующим параметрам: БПК5 в 1,25 раза, наибольшее значение для железа общего в 18,4 раза (при нормативе ПДК — 0,01 мг/дм3), марганца в 2 раза (ПДК — 0,01 мг/дм3). По остальным ингредиентам показатели находились в норме.

Сравнив данные полученные за три года исследования (2013–2015гг) мы выявили следующую закономерность:

Величины ХПК и БПК5по средним показателям за три года в Верхне-Тобольском водохранилище подтверждают факт отсутствия сильного антропогенного воздействия, и условное отклонение БПК5 от норматива ПДК говорит о небольших концентрациях органических соединений в исследуемых образцах. Динамика величины ХПК и БПК5 представлена на рисунке 1.

Рис. 1.Содержание трудно- и легкоокисляемых органических веществ в Верхне-Тобольском водохранилище, р.Тобол за 2013–2015гг, мг/дм3

Отсутствие факта летучих пахнущих веществ, выделяющихся в результате процессов жизнедеятельности водных организмов при биохимическом разложении органических веществ в аэробных и анаэробных условиях; химическом взаимодействии компонентов, содержащихся в воде; достаточно высокая прозрачность воды, т. е. низкое содержание в ней различных окрашенных и взвешенных органических и минеральных веществ свидетельствуют об отсутствии загрязнения водного объекта промышленными сточными водами.

Лабораторные данные по минерализации поверхностных вод оказались следующими: показатели изменяются от 852,95 до 446,7 мг/дм3, жесткость от 5,1–7,0 ммоль/ дм3. Нами были установлены колебания минерализации, причем, в 2014 году регистрируется максимальное значение. В 2015г наблюдается уменьшение по всем анионам и катионам (рисунок 2).

Рис. 2. Содержание минерализации (суммы солей), в т. ч. анионов и катионов в в Верхне-Тобольском водохранилище, р.Тобол за 2013–2015гг, мг/дм3.

Повышение концентрации нитратов, азота аммонийного, железа общего, ХПК, БПК5, возможно связано с поверхностно-ливневым стоком с водосборных площадей, приводящее к загрязнению поверхностных вод.

Рис. 3. Содержание биогенных загрязняющих веществ в Верхне-Тобольском водохранилище, р.Тобол за 2013–2015гг, мг/дм3

Согласно полученным данным, содержание биогенных загрязняющих веществ, характеризующих антропогенное влияние на Верхне-Тобольское водохранилище, было наиболее высоким в 2014 году. По итогам 2015 года содержание фосфатов достигло уровня средней концентрации за 3 годичный период, содержание нитратов, азота аммонийного уменьшилось по сравнению с 2014 годом, но превысило уровень 2013 года.

В процессе исследования нами неоднократно было установлено высокое содержание тяжелых металлов в Верхне-Тобольском водохранилище. Превышения по тяжелым металлам — железу, марганцу, и повышенное содержание солей определяется в грунтовых водах, участвующих в питании реки Тобол и ее притоков в зимнюю межень, а также в период отсутствия атмосферных осадков в летний период обусловлены неблагоприятным геохимическим фоном водосборной территории. (рисунок 4).

Рис. 4. Содержание тяжелых металлов в Верхне-Тобольском водохранилище, р.Тобол за 2013–2015 гг, мг/дм3

Основной источник тяжелых металлов в поверхностных водах — подземные воды, питающие реки, которые содержат высокие концентрации тяжелых металлов за счет поступления из бурожелезняковых руд аятской свиты и других водовмещающих пород в районе размещения водохранилища.

Высокий уровень минерализации (в том числе хлориды, сульфаты) и наличие в поверхностных водах тяжелых металлов ранее уже отмечалось в научных трудах В. К. Дейнека(2010г.), М. Б. Едигенова и других авторов. Данное обстоятельство является характерным для района размещения исследуемых водохранилищ (повышенный уровень минерализации способствует растворению тяжелых металлов из почвенных комплексов и иловых отложений). 1,с.127

Необходимо отметить факт присутствия нефтепродуктов в испытуемых образцах 2015 года, которые в 2013–2014 году не выявлялись, что подтверждает антропогенное влияние на рыбохозяйственный объект.

Подводя итоги трехгодичных исследований качества воды в Верхне-Тобольском водохранилище можно сделать вывод, что основные показатели химических веществ находятся в пределах допустимого. Загрязнения водохранилища техногенного и прочего характера представляют собой: азот аммонийный (0,177–0,295мг/дм3), нитраты (0,18–0,535мг/дм3), нитриты (0,0045–0,008мг/дм3), фосфаты (0,06–0,14мг/дм3), нефтепродукты (0,072мг/дм3). Увеличение содержания биогенных веществ также свидетельствует об их техногенном приращении.

Подтверждается факт присутствия тяжелых металлов в поверхностных водах за счет питания водохранилищ грунтовыми водами с высоким содержанием общего железа, марганца и других металлов.

Наиболее неблагоприятным по показателям загрязняющих веществ в воде оказался 2014 год.

Органолептические свойства воды в течение трех лет, по различным показателям находились в удовлетворительном состоянии, но прослеживается тенденция к стабильному ухудшению качества воды.

Результаты исследований подтверждают негативное антропогенное воздействие на изученное водохранилище. На основании химических анализов установлен факт увеличения и снижения в последующем содержания некоторых загрязняющих веществ. Это свидетельствует о течении химических и биохимических процессов в водной среде, как доказательство способности самого водохранилища восстанавливать после загрязнения свои природные свойства.

Литература:

1. Дейнека В. К. «Река Тобол в Казахстане», монография. Костанай. Костанайский печатный двор, 2010, 336с.
2. Обобщенный перечень предельно-допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов. 09.08.1990г Министерство рыбного хозяйства СССР, Москва 1990г.
3. Протоколы результатов анализов Испытательной лаборатории отдела лабораторно-аналитического контроля Республиканского государственного учреждения «Департамент экологии по Костанайской области», 2013–2015гг.