Київський національний університет імені Тараса Шевченка С.І. Сніжкo теорія І методи аналізу регіональних гідрохімічних систем монографія Київ Ніка-Центр 2005
| Вид материала | Документы |
- Київський національний університет імені тараса шевченка герасимова світлана василівна, 682.99kb.
- Араса шевченка 175 річчю Київського університету І 75 річчю географічного факультету, 2611.19kb.
- Київський Національний університет імені Тараса Шевченка Кохановська Олена Велеонінівна, 751.92kb.
- Полтавський національний педагогічний університет імені В. Г. Короленка Історичний, 675.02kb.
- Текст роботи: київський національний університет імені тараса шевченка жуковська галина, 546.29kb.
- Київський національний університет імені тараса шевченка, 355.25kb.
- Исследование окислительно-антиокислительных процессов в крови антарктических рыб, 153kb.
- Київський національний університет імені тараса шевченка науково-дослідна робота, 4074.91kb.
- Програма конференції передбачає: пленарні доповіді провідних науковців та представників, 93.09kb.
- Київський національний університет імені тараса шевченка на правах рукопису мазур тамара, 1244.31kb.
6.2. Еколого-економічна обумовленість досліджень гідрохімічної системи Джарилгацької
затоки Чорного моря
Курортне будівництво та інтенсивне господарське освоєння прибережної зони Чорного моря призводять до зростання забруднення морського шельфу і, відповідно, до зміни хімічного складу прибережних вод у локальних районах моря.
Одним із найважливіших факторів забруднення навколишнього середовища в цих районах є зрошуване землеробство, особливо рисосіяння. Загальна площа зрошуваних рисових систем на півдні України складає 62 тис.га [299]. Особливого розвитку рисосіяння в Україні набуло якраз у прибережній зоні Джарилгацької затоки, неподалік від Скадовської курортної зони.
Технологія рисосіяння базується на використанні 15-18 тис. м3 прісної води на кожен гектар рисового поля, яка витрачається на вологонасичення, рослинну транспірацію, вертикальну фільтрацію, протічну течію та скиди. Таким чином утворюється значна кількість зворотних вод, які через розгалужену мережу скидних дренажних каналів (всього 46 каналів) відводяться до Джарилгацької затоки Чорного моря.
Саме у зв’язку з цим виникла проблема екологічно безпечного водокористування в прибережній морській зоні унікального кліматичного та бальнеологічного курорту Скадовська. Адже забруднення вод затоки цілим комплексом хімічних речовин, що вимиваються з рисових полів, накопичення їх в мулових відкладах та в гідробіонтах призводить до значного погіршення якості води внаслідок надходження органічних та біогенних речовин, які стимулюють процеси антропогенної евтрофікації в морському середовищі.
Подальше прогресування цих процесів загрожує необоротними порушеннями природного стану як локальної гідрохімічної системи, так і усієї екосистеми Джарилгацької затоки, що призведе до втрати природними компонентами їх основних бальнеологічних властивостей, до перетворення курортно-оздоровчої зони в зону екологічного лиха і, як наслідок, до значних економічних збитків.
Саме ці еколого - економічні причини обумовили необхідність досліджень, результати яких наведені нижче.
6.3.Загальна характеристика матеріалів та
методики досліджень
Дослідження локальної гідрохімічної мезосистеми перехідного типу в шельфовій зоні Джарилгацької затоки в місці скиду дренажних вод рисових систем базується на матеріалах натурних досліджень, які проводились упродовж декількох років спільними зусиллями інституту “Укрводпроект”, Українського НДІ токсикології та гігієни пестицидів, полімерів і пластмас Міністерства охорони здоров’я України, Української науково-дослідної станції рисівництва Міністерства сільського господарства та проблемної науково-дослідної лабораторії гідроекології та гідрохімії Київського національного університету імені Тараса Шевченка за безпосередньої участі автора.
Для проведення режимних спостережень за параметрами гідрохімічної системи була створена досить щільна мережа гідрохімічного моніторингу, яка включала 18 пунктів контролю якості скидних вод та біля 60 морських станцій, на яких впродовж вегетаційного періоду (з квітня по жовтень) контролювали сезонні коливання стану системи та зміну якості морських вод.
У відібраних пробах води виконувалося визначення наступних фізико-хімічних параметрів: колірність, прозорість, завислі речовини, розчинений кисень, БСК5, окислюваність, лужність, жорсткість, сухий залишок, кальцій, магній, залізо, хлориди, сульфати, азот амонійний, азот нітритів, азот нітратів, СПАР, кадмій, кобальт, мідь, свинець, цинк, магній, фосфор, ртуть, гідрокарбонати, калій, натрій, сатурн, ялан, пропанід, ГХЦГ, метафос, базагран.
Обробка отриманих даних спостережень виконувалася автором з використанням власної методики дослідження гідрохімічних систем, викладеної в розділі 3 даної роботи.
6.4. Природно-антропогенні передумови формування гідрохімічної системи перехідного типу
в Джарилгацькій затоці
Джарилгацька затока знаходиться в північно-східній частині Чорного моря. Зі сходу вона відкривається широкою горловиною в Каркінітську затоку, а з півдня відділяється від неї Джарилгацькою косою, яка, при загальній довжині 42 км, тільки в одному місці, біля с. Лазурне, має вузьку протоку, що обумовлює їх сполучення. Глибина цієї протоки не перевищує в штильову погоду 0,5 м.
Джарилгацька затока являє собою мілководний басейн, максимальні глибини якого не перевищують у центральній частині 8 м. Маючи площу до 400 км2, затока вміщує при середній глибині 2,5 м близько 1 км3 води.
У північній її частині до неї відкриваються дві вторинні затоки - Каржинська та Каланчацька. Ці затоки мають площі водного дзеркала відповідно 20 і 30 км2, характеризуються мілководністю і вміщують до 20 млн.м3 води кожна.
Джарилгацька затока разом з Тендровською та Ягорлицькою створює цілісний лагунний комплекс, що входить до складу Дніпро-Каркінітської берегової області, виділеної при геоморфологічному районуванні Азово-Чорноморського басейну. Аналогом подібного лагунного комплексу є лише приморські водойми Ліонської затоки Середземного моря.
У флористичному відношенні лагунний комплекс розглядається як окремий фітогеографічний район Чорного моря, яка вміщує на своїх мілководдях понад 3 млн.т рослинної маси, що складає з урахуванням катастрофічної загибелі в останні роки фітофтори 50% всіх запасів макрофітів в Чорному морі. Великі запаси макрофітів створюють сприятливі умови для розвитку іхтіофауни [300].
У той же час спорудження Краснознаменської зрошувальної системи та створення 16 рисівницьких господарств у безпосередній близкості до Скадовської медичної зони та Джарилгацької затоки створило передумови для їх інтенсивного антропогенного забруднення.
Структура джерел забруднення моря в межах Скадовської медичної зони (СМЗ) за станом на початок 90-х років подана в табл.6.1.
Таблиця 6.1
Основні джерела забруднення моря у межах СМЗ
Води
Об`єм скидів, тис. м3 на рік
Дренажні
8463,3
Скидні
15675,8
Дренажно-скидні
37617,4
Господарсько - побутові (м. Скадовськ)
2745,0
Всього:
61756,5
Результати проведених нами раніше досліджень [250, 251, 301, 302] свідчать про значне забруднення моря зворотними водами рисівницьких систем, що містять окрім розчинених мінеральних солей, ще й значні кількості пестицидів, важких металів, біогенних, органічних та завислих речовин.
Це створює загрозу деградації морських екосистем, знижує бальнеологічний ефект Скадовського рекреаційного району.
6.5. Трансформація морської гідрохімічної системи в систему перехідного типу
Не менш важливим аспектом антропогенного впливу зворотного стоку Краснознаменської зрошувальної системи є, окрім забруднення моря специфічними хімічними речовинами, розсолонення прибережних акваторій мілководних заток. Найгостріше ця проблема проявляється в Джарилгацькій затоці, куди направляється переважна кількість скидних вод.
Для поливного зрошення використовується маломінералізована вода Каховського водосховища, що подається Краснознаменським магістральним каналом у зону рисосіяння на півдні Херсонської області.
Це гідрокарбонатно-кальцієва вода з невисокою мінералізацією (до 0,4 г/л) та жорсткістю. Вміст біогенних речовин, важких металів, специфічних забруднювачів у цій воді не перевищує допустимі норми.
Вода такого хімічного складу подається по магістральному каналу до споживачів. Починаючи з третьої декади квітня, нею заповнюються чеки рисових сівозмін. До початку фази визрівання забір води поступово збільшується, а далі споживання води знижується.
Упродовж вегетаційного періоду у зв`язку із технологічними умовами вирощування рису потрібно постійно підтримувати необхідний рівень води в рисовому чеку. Сама система регулювання передбачає відведення надлишку зрошувальних вод у вигляді скидних вод із рисових чеків та дренажних вод, що постійно фільтруються в зону аерації і з`єднуються з ґрунтовими водами. При цьому відбувається суттєва трансформація початкового хімічного складу вод.
Спочатку поливні води набувають внаслідок тривалого контакту з ґрунтовим покривом затопленого рисового чеку хлоридного натрієво-магнієвого складу. Зменшення частки Са2+, НСО3 та SO42- відбувається внаслідок вилуговування із ґрунтового покриву легко розчинних солей Na+, Cl-, SO42- та осадження гіпсу за реакціями
Ca (HCO3)2 + Na2SO4 + 2H2O = CaSO.2H2O¯ + 2NaHCO3 (6.1)
осадження
та
Na2SO4 + CaCl2 + 2H2O = 2NaCl + CaSO42H2O ¯ (6.2)
осадження
Домінуючими іонами стають при цьому Na+ і Cl-. Зростає мінералізація до 2,2 г/дм3.
В першу чергу із ґрунтів вимиваються хлориди кальцію. Цей процес особливо активно протікає перші 2-3 роки. Наступні 6-8 років помітної інтенсивності досягає вимив хлоридів натрію і, нарешті, настає черга вимиву хлоридів магнію, сульфатів натрію і магнію, бікарбонатів кальцію.
Розсолення верхнього шару ґрунту призвело до значного скорочення виносу обмінних солей скидними водами рисових чеків. Якщо в перший рік експлуатації зрошувальної системи (1966р.) мінералізація скидних вод в обмежувальному скиді ОС-2 становила 17,8 г/дм3, то в 1990 році вона зменшилась до 1,5 г/дм3. При цьому зустрічаються ділянки з мінімальною кількістю солей у скидних водах - 0,6-0,8 г/дм3.
Внаслідок змін водно-сольового балансу зрошуваної території і надходження значних об`ємів зворотних іригаційних вод зі зниженим вмістом солей почалося розсолонення прибережної акваторії Джарилгацької затоки.
Для дослідження зміни солоності води Джарилгацької затоки використано дані натурних досліджень, проведених Укрводпроектом спільно з Київським національним університетом ім. Тараса Шевченка (лабораторія гідроекології та гідрохімії) та Херсонською обласною СЕС [302]. Мережа гідрохімічного моніторингу була розгорнута в межах акваторії Джарилгацької затоки та на суміжних акваторіях і включала 18 пунктів контролю скидів зворотних вод і 60 морських станцій.
Режимні спостереження за солоністю води Джарилгацької затоки впродовж вегетаційного періоду дали, на нашу думку, цікаві результати. В межах акваторії Джарилгацької затоки виявлено два типи сезонної динаміки солоності.
Перший тип характерний для прибережної частини акваторії Джарилгацької затоки в точках спостережень №7-№12. Це акваторія затоки західніше м. Скадовська. Характеризується глибинами 2,0-2,5 м у місцях відбору проб. Наявний водообмін з більш глибокою (до 8 м) частиною затоки, завдяки чому коливання солоності на протязі вегетаційного періоду не перевищують 3,0-4,0%о. Тобто, якщо на початку поливного сезону солоність становить біля 20%о, то під впливом скидних вод вона знижується до 16%о.
Другий тип зміни солоності характерний для мілководних акваторій Каркінітської та Каланчацької заток, з глибинами 0,5-1,0 м. Тут водообмін з відкритим морем обмежений, тому під впливом значних об`ємів скидних вод солоність змінюється тут від 12-13%о на початку поливного сезону до 1-2%о під час скиду зворотних вод з рисових чеків.
Прісні води займають в цей час майже всю акваторію Каркінітської та Каланчацької заток і розтікаються тонким шаром по поверхні більш мінералізованих морських вод вглиб акваторії Джарилгацької затоки.
Вибіркові осереднені за період спостереження дані досліджень, подані у табл.6.2 характеризують просторову динаміку солоності води у затоці.
Таблиця 6.2
Середній вміст головних іонів (мг/дм3) та солоність (%о) води
Джарилгацької затоки під час роботи
Краснознаменської зрошувальної системи (квітень-жовтень)
№ точки
(на карті)
НСО3-
SO42-
Cl-
Cu2-
Mg2+
Na+ +K+
Cолоність
1/1
390
480
2479
156
289
1366
5,2
5/2
322
502
3017
250
131
1326
5,5
4/4
300
163
821
170
140
614
2,2
6/4
210
144
365
120
111
404
1,4
19
51
400
8953
269
696
6259
17,1
Як видно з поданої таблиці, солоність води затоки під впливом скидних вод Краснознаменської системи значно коливається. Вона змінюється від 1,4%о в прибережній частині у зоні впливу скидного каналу ОС-2 біля с. Приморське до 17,1%о у “чистій” точці (№19) біля острова Джарилгач. Точка №19 була спеціально включена в мережу гідрохімічного моніторингу як фонова, або контрольна, оскільки вона віддалена від берегової лінії (розміщена поза зоною впливу скидних вод). Хімічний склад води у цій точці з певними допусками відповідає природному хімічному складу води затоки.
Значно змінюється і іонний склад води. В прибережній зоні поряд з іонами Cl- та Na+ у воді в значних кількостях міститься також Ca2+ та НСО3-. Вглиб моря співвідношення між солями змінюється: домінуючу роль стійко тримають Na+ та Cl-, а характерні для континентальних вод іони втрачають своє значення (табл.6.3).
Формула сольового складу води в точці №19 (о. Джарилгач) має слідуючий вигляд
Cl 93 SO4717,1 (6.3)
Na + K 79 Mg17
За класифікацією О.О. Алекіна, це - хлоридно-натрієві води III типу ( ). Такий тип води є домінуючим у районі досліджень. Лише в прибережній зоні, у місцях скидів та розтікання маломінералізованих дренажно-скидових вод, склад води змінюється. Так, наприклад, в точці №6/4 переважають хлоридно-магнієві води III типу ( ) з сольовою формулою
Cl 57 HCO3 28 SO4 151,4 (6.4)
Mg 50 Ca 30 Na+K 20
Формула 6.4 вказує на збільшення частки континентальних іонів Ca2+, НСО3- в іонному складі води при збереженні домінуючої ролі Cl-. На зміну Na+ приходить Mg2+.
Ці дані свідчать про проходження процесів розсолонення прибережних акваторій заток-приймачів скидних вод. Ступінь розсолонення залежить від мінералізації скидних вод, а також від умов водообміну, про що було сказано вище.
Щоб отримати достовірну оцінку ступеня розсолонення морських вод, було виконано розрахунок коефіцієнтів розсолонення ( К розс.) за формулою
(6.5)
де - солоність води умовно фонова (точка №19);
- солоність води в прибережних пунктах спостережень.
Розрахунки виконані з використанням середніх за вегетаційний період значень солоності. Отримані коефіцієнти розсолонення показують у скільки разів порівняно з умовним фоном вода затоки опріснилася.
Дані, що характеризують розсолонення морських вод водами Краснознаменської зрошувальної системи наведені в табл 6.3.
У ній, окрім величин , наведені також значення солоності (%о) та лужно-хлоридного коефіцієнта. Останній розраховано як співвідношення концентрацій (мг-екв/дм3) та Cl - (%o). Даний коефіцієнт широко застосовується в морській гідрохімії [303] і показує ступінь співвідношення морських і континентальних вод у зоні змішування. Він може служити індикатором трансформації гідрохімічної системи перехідного типу і розсолення моря.
Найменш розсолонені прибережні ділянки акваторії моря, що прилягають до точок відбору проб 1/4, 7/2-10/4, 11, 12. Солоність води тут зменшилась в 1,1-1,5 разів. Хімічний склад води у цих точках близький до фонового. Водні маси з таким складом та солоністю формуються вздовж північно-західної частини узбережжя Джарилгацької затоки (Скадовськ-Красне-Новоолексіївка).
Таблиця 6.3
Розсолення прибережної акваторії Джарилгацької затоки
№ точки спостережень
(по карті)
.
Солоність, %о
/ Cl
1/1
2,5
8,9
2,58
1-2
2,1
10,6
1,56
1-3
1,9
11,6
1,60
1-4
1,3
17,3
0,98
4-1
9,7
2,3
14,3
4-2
8,4
2,7
6,05
4-3
8,6
2,6
6,29
4-4
9,6
2,4
6,00
5-1
3,7
6,1
2,09
5-2
5,3
4,2
1,75
5-3
3,8
6,2
2,12
5-4
3,9
5,7
2,12
6-1
16,8
1,3
12,9
6-2
10,3
2,2
9,44
6-3
17,7
1,3
12,2
6-4
18,4
1,2
13,0
7-1
12,3
1,8
0,60
7-2
1,07
20,9
0,51
7-3
0,82
27,2
0,50
7-4
1,09
20,6
4,90
8-1
1,57
14,3
0,64
8-2
1,44
15,6
0,58
8-3
1,23
18,3
0,50
8-4
1,43
15,7
0,51
9-1
1,35
16,7
0,62
9-2
1,08
20,8
0,61
9-3
1,19
18,9
0,59
9-4
1,1
20,0
0,50
10-1
1,5
15,3
0,78
10-2
1,2
18,5
0,72
10-3
1,3
17,3
0,79
11-1
1,6
14,8
0,71
11-2
1,5
15,1
0,55
11-3
2,3
9,6
0,57
11-4
1,4
16,0
0,61
12-1
1,4
15,8
0,57
12-2
1,3
17,7
0,76
12-3
1,6
14,6
0,66
12-4
1,6
14,4
0,86
Виняток становлять лише дві локальні ділянки з великим розсолоненням: біля м. Скадовська у місці скиду каналу ОС-6 (т.7/1), де розсолення досягає 12-кратної величини та біля с. Лиманське (т.11/3), де відбулося розсолонення води більше ніж в 2 рази.
Друга градація ступеня розсолонення (в 1,6 - 2,0 рази) характерна лише для перехідної зони від більш розсолонених до менш розсолонених вод, розташованої біля с. Хорли проти скидного каналу С-1 (точка 1/3).
В 2,1-5,0 разів розсолонені води в т.11/3 (СКР-2 біля с. Лиманське), в т.5/1, 5/3, 5/4 (СКР-5 біля с. Тарасівка) та в т.1/1, 1/2 в місці скиду С-1. В цих точках йде змішування маломінералізованих скидних вод з морськими. Солоність зменшується більш ніж вдвічі, дещо змінюється склад води, в сторону збільшення частки іонів , Мg2+ , Са2+.
Найбільш розсолоненими в межах Джарилгацької затоки є водні маси, що формуються в Каржинській та Каланчацькій затоці. Значна мілководність цих ділянок, відсутність умов для активного водообміну з відкритим морем сприяє зменшенню їх початкової солоності в 5-10 разів (Каланчацька затока) та в 10-20 разів (Каржинський лиман). Джерелом маломінералізованих вод є скиди каналів ОС-2 (с.Приморське), ОС-3 та С-2 (м. Каланчак). Лужно-хлоридний коефіцієнт свідчить про значний вплив маломінералізованих вод континентального походження. Його значення досягають 13,0 в т.6/4 та 14,3 в т.4/1. Відбувається зміна хлоридно-натрієвих вод III типу на хлоридно-магнієві.
Таким чином, у місцях скиду дренажних вод повсюдно, але в різній мірі, відбувається розсолонення морських водних мас у прибережній зоні моря. Найбільші зміни солоності та хімічного складу води спостерігаються в Каржинській затоці та в Каланчацькому лимані, а також у проміжній зоні акваторії Джарилгацької затоки. Зміна солоності позначилася також на зміні іхтіофауни цих лиманів. В опріснених частинах затоки почали акліматизуватись прісноводні види риб - сазан, карась та інші, витісняючи традиційні види (камбала, оселедець, ставрида, осетрові) із місць їх розмноження та нагулу.
Це свідчить про те, що дане питання зберігає свою актуальність і для попередження непоправних екологічних наслідків для екосистеми Джарилгацької затоки потребує подальшого комплексного дослідження.
6.6. Вплив дренажно - скидних вод на формування перехідної гідрохімічної системи у
прибережній частині акваторії моря
Простежити протікання складних фізико-хімічних і біологічних внутрішньоводоймних процесів, в результаті взаємодії яких і складається те чи інше співвідношення між компонентами хімічного складу вод природного і антропогенного походження, ідентифікувати їх і використовувати потім ці дані з метою прогнозу якості води або моделювання подальшого розвитку екологічної ситуації в цілому регіоні в ідеальному випадку можна тільки в лабораторних умовах або шляхом натурного експерименту. Але і перший і другий шляхи дуже трудомісткі, вимагають значних матеріальних затрат і часу.