Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 415-421
Пространственная неоднородность химического состава вод горных рек Кабардино-Балкарии
Г. С. Шилькрот a, *, Т. М. Кудерина a, Л. Г. Лобковская a
a Институт географии РАН
Москва, Россия
* E-mail: g.s.shilkrot@igras.ru
Поступила в редакцию 10.12.2019
После доработки 12.10.2020
Принята к публикации 02.03.2021
Аннотация
Проведенные в мае 2019 г. исследования нескольких горных рек Республики Кабардино-Балкария выявили большую пространственную неоднородность химического состава вод – важнейшей экологической характеристики водотоков. Это обусловлено главным образом природными различиями их водного и вещественного питания в высокогорье и в среднегорье. К первому случаю относится р. Баксан, питающаяся талыми водами снежников и ледников. Вода реки маломинерализованная, гидрокарбонатно-кальциевого состава. Из микропримесей преобладают элементы, характерные для атмосферных осадков и для дренируемых рекой горных пород. Реки среднегорья (Черек, Гунделен и др.) получают уже значительное питание от подземных вод, более насыщенных химическими элементами из карбонатных горных пород и гипсов. Вода этих рек умеренно минерализованная, в ионном составе некоторых рек преобладают сульфаты и кальций. На содержание и состав микроэлементов в речных водах среднегорья влияют как горные породы, так и загрязненные атмосферные осадки и деятельность человека на водосборах. В составе микроэлементов в воде всех исследованных рек преобладают стронций, железо, марганец, барий, цинк, свинец, литий и т.д. Загрязняющего влияния г. Нальчик на микроэлементный состав воды р. Нальчик не обнаружено. Ранее отмечалось воздействие Тырныаузского комбината на воды р. Баксан. В реке ниже г. Тырныауз оказалось повышенным в сравнении с ее верховьем содержание вольфрама и молибдена.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в исследованиях химического состава речных и озерных вод в ландшафтах любого типа – равнинных и горных – основным лейтмотивом звучит тема их загрязненности. Хотя под этим подразумевается следствие и негативного влияния на водные объекты деятельности человека, и природных особенностей района исследования. При этом естественным источникам химических элементов не всегда уделяется достаточное внимание. Хотя их роль в формировании состава речных вод всегда очень важна, в том числе и для горных рек.
Особенностью горных рек и их отличия от равнинных является более сложный характер формирования химического состава их вод, сильно меняющийся по длине реки от истока к устью, т.е. от высокогорий к предгорью и далее при выходе на равнину. В высокогорье реки питаются, главным образом, талыми водами снежников и ледников и получают с ними современные и накопившиеся со временем в телах снежников и ледников химические элементы. В среднегорье и в предгорьях, где, как правило, возрастает интенсивность биологических и, соответственно, химических процессов превращения веществ в ландшафтах, большую роль играет поступление в раствор химических элементов из горных пород водосборов. В результате растет обогащение ими речных и озерных вод. Но и освоение ландшафтов возрастает в направлении среднегорья и предгорья. Поэтому здесь имеют значение как природные источники поступления химических элементов в водный сток, так и антропогенное загрязняющее воздействие.
Цель исследования
На примере горных рек Республики Кабардино-Балкария охарактеризовать современный химический состав речных вод, показать пространственную неоднородность этой важнейшей экологической характеристики водотоков и оценить роль в ее формировании естественных и антропогенных факторов.
Район исследования
Республика Кабардино-Балкария как горная страна очень разнообразна по природным условиям (орографии, климату, подстилающим горным породам, почвам и растительности и т.д.). Орография горной страны предопределяет неоднородность распределения по высоте температуры воздуха и количества выпадающих осадков. Соответственно, для горной страны характерна вертикальная поясная дифференциация ландшафтов – от нивально-гляциального и альпийского поясов в высокогорьях, до лесного и лесостепного – в среднегорье и степного – в предгорной равнине. Наблюдается и пространственная неоднородность освоения ландшафтов, как по вертикальным поясам, так и в широтном плане.
Исследовались рр. Баксан, Терек, Черек, Нальчик и Гунделен, а также оз. Нижнее Голубое в бассейне р. Черек Балкарский.
Река Баксан является правым притоком р. Малка, впадающей в р. Терек на территории Кабардино-Балкарии. Истоки Баксана находятся в районе г. Эльбрус. Среднегодовой расход воды (с. Заюканово) – 33.6 м3/с. Воды реки используются в питьевых целях, а в среднегорье для орошения (Баксанская оросительная система). Серьезный антропогенный фактор воздействия на качественный состав речных вод Баксана – Тырныаузский вольфрамово-молибденовый комбинат.
Река Терек – истоки ее находятся на склонах Главного, или Водораздельного, хребта Большого Кавказа. Воды реки несут много взвеси. Река богата рыбой. Воды Терека используются для орошения (Терско-Кумский канал). Водозабор речных вод достигает 60% стока. Среднегодовой расход воды у станицы Каргалинской – 270 м3/с.
Река Черек – приток р. Баксан, образуется слиянием рр. Черек Балкарский и Черек Хулаский, длина 76 км. Начало рекам дают ледники. Среднегодовой расход воды – 39.5 м3/с у с. Советское.
Река Нальчик – небольшой водоток, входит в бассейн р. Черек. Может испытывать влияние г. Нальчик (население 239.6 тыс. человек, 2020 г.). Осадков в районе г. Нальчика (высота ~500 м над ур. м.) выпадает от 500 до 2000 мм в год.
Река Гунделен – левый приток Баксана; истоки рек, образующих р. Гунделен, – на северных склонах хребта Шаукам.
Озеро Нижнее Голубое – небольшое по площади водной поверхности, расположено на высоте около 900 м над ур. м. По-балкарски оно называется либо Чирик-кель (т.е. “Голубое”) – из-за красивого бирюзового цвета воды и ее большой прозрачности (до 30 м), либо Церик-кель (т.е. “Вонючее”) – из-за ощущаемого близ водоема сильного запаха сероводорода. Это озеро – самое глубокое на Северном Кавказе, глубина более 200 м. Особенностью озера является также изливающийся из него мощный поток вод, явно подземных, учитывая большую минерализацию озерной воды (до 1 г/л), отсутствие поверхностных притоков в озеро и малую площадь самого водоема.
Это карстовое озеро изучалось многими исследователями (Гигинейшвили и др., 1983; Кузнецов, 1928; Шилькрот, 1987). Особенности химического состава его вод и их повышенная минерализация свидетельствуют о свойствах питающих озеро подземных вод, характерных для региона исследования.
При оценке качественного состава речных вод рассматриваемого региона следует учитывать фактор обнаружения на северных склонах и в предгорьях центральной части Большого Кавказа значительных месторождений молибдена, вольфрама, сурьмы, висмута, алюминия, олова и свинцово-цинковых руд.
Разнообразие природных условий и характера освоения исследуемой горной страны предопределяет пространственную неоднородность условий водного и вещественного питания рек и может проявляться в интегрированном виде в существенных различиях качественного состава речных вод по территории.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Наше исследование базируется на данных синхронно выполненной оценки качественного состава речных вод в ближайшем окружении г. Нальчик, а также р. Баксан в высокогорье и оз. Нижнее Голубое. Наблюдения проводились в мае 2019 г. Пункты наблюдений показаны на рис. 1.
Были отобраны пробы воды для химического анализа – определения макроэлементного состава и содержания в речных водах ~50 микроэлементов, включая токсичные элементы и тяжелые металлы.
На месте наблюдений определялись минерализация воды и активная реакция – рН. То и другое выполнялось с помощью портативных приборов-кондуктометра и рН-метра серий Hanna и pHep. В Москве, в лабораторных условиях, проанализировано содержание в воде анионов (методом титрования), катионов и микроэлементов методом ICP-MS, т.е. методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе Elan6100.
Результаты химического анализа проб воды представлены в табл. 1 и 2, на рис. 2. При обсуждении полученных результатов используются материалы ранее проведенных исследований в этом регионе: в 1980-х годах (Шилькрот, 1987) и в начале 2000-х годов (Кудерина и др., 2008; Шилькрот, Кудерина, 2012), а также из других литературных источников.
Таблица 1.
Место отбора проб* |
рН | М | НС${\text{O}}_{3}^{ - }$ | S${\text{O}}_{4}^{{2 - }}$ | Са2+ | Мg2+ | Na+ | К+ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1. р. Гунделен | 7.8 | 554 | 134 (2.2) |
277 (5.8) | 167 (8.3) |
20.2 (1.7) |
5.6 (0.2) |
2.2 (0.1) |
2. р. Баксан | 7.3 | 149 | 91.5 (1.5) |
22.6 (0.4) |
25.3 (1.3) |
7.0 (0.6) |
7.7 (0.3) |
2.3 (0.1) |
3. оз. Нижнее Голубое |
7.7 | 633 | 122 (2.0) |
– | – | – | – | – |
4. р. Терек | 7.0 | 297 | 140 (2.3) |
51 (1.1) |
68.3 (3.4) |
11.8 (1.0) |
13.2 (0.6) |
2.6 (0.1) |
5. р. Черек | 7.9 | 351 | 91.5 (1.5) |
102 (2.1) | 74.6 (3.7) |
11.0 (0.9) |
16.6 (0.7) |
2.7 (0.1) |
6. р. Нальчик | 8.1 | 241 | 104 (1.7) |
36.9 (0.8) |
58.1 (2.9) |
5.5 (0.4) |
8.2 (0.4) |
1.8 (0.04) |
7. р. Нальчик | 7.6 | 182 | 91.5 (1.5) |
24.6 (0.5) |
72.1 (3.6) |
4.3 (0.4) |
4.4 (0.2) |
1.9 (0.05) |
Примечание. В скобках – содержание ионов в мг-экв; * см. рис. 1.
Таблица 2.
Место наблюдения* | Sr | Fe | Bi | W | Cd |
---|---|---|---|---|---|
1 | 2820 | 1134 | 0.004 | <0.003 | 0.06 |
2 | 81.3 | 346 | 0.007 | 0.08 | 0.02 |
4 | 425 | 1745 | 0.04 | 0.06 | 0.71 |
5 | 1353 | 207 | 0.005 | 0.01 | 0.02 |
6 | 762 | 93.1 | 0.003 | 0.03 | 0.02 |
7 | 535 | 2124 | 0.02 | 0.01 | 0.08 |
Норма СанПин** | 7000 | 300 | 100 | 50 | 1 |
Примечание. * См. рис. 1; ** СанПин 2.1.4. 1074 – 01. Питьевая вода. Гигиенические нормативы … (с изменениями на 2 апреля 2018 г.); Sn везде очень мало, <0.02 мкг/л.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные данные позволяют составить химическую характеристику речных вод региона и таким образом оценить их современное экологическое состояние. Также исследование дает возможность установить связи химического состава речных вод с факторами его формирования, как природными, так и антропогенными.
Макроэлементный состав речных вод. Река Баксан, питающаяся талыми водами снежников и ледников, отличается от других исследуемых рек наименьшей величиной минерализации воды. Состав воды р. Баксан гидрокарбонатно-кальциевый, при хорошем соответствии между содержанием гидрокарбонатов и кальция (мг-экв), см. табл. 1. Для рр. Черек и Гунделен (см. табл. 1), как и для оз. Нижнее Голубое (Шилькрот, 1987), основными ионами в солевом составе вод являются уже сульфаты и кальций. Это связано с участием в вещественном питании этих объектов гипсоносных пород, обогащающих поверхностные и подземные воды указанными ионами. Реки Гунделен и Черек выделяются среди рек региона наиболее минерализованной водой и повышенной еe жесткостью (сумма ионов кальция и магния), выше 7.0 мг-экв. Из-за показателя жесткости и повышенного содержания сульфатов вода вышеуказанных рек, как и оз. Нижнее Голубое, не соответствует гигиеническим нормам для питьевых вод.
Микроэлементный состав речных вод. Из микроэлементов в речных водах исследуемого региона преобладают стронций, железо, барий, цинк, марганец, литий и др. (см. табл. 2 и рис. 2). Максимум Sr отмечается в водах рр. Гунделен и Черек, Fe – в рр. Нальчик (перед городом, после ливней), Терек и Гунделен, Mn – в рр. Терек и Нальчик – после ливней, Ba – в р. Нальчик (после ливней), Zn – в рр. Терек, Нальчик (после ливней) и Гунделен, Pb – в рр. Терек и Нальчик (после ливней).
Вода р. Терек выделяется среди рек региона более высоким содержанием многих элементов: цинка, лития, марганца, свинца, кадмия и мышьяка. Вместе с тем, содержание всех микроэлементов в воде Терека, за небольшим исключением, как и в других реках, значительно ниже нормативов для питьевых вод. Нормативы превышены по Fe и Mn в нескольких реках: по первому элементу в 4–7 раз для рр. Терек, Гунделен, Нальчик (до города, после ливней) и в 1.5 раза – по второму (рр. Терек и Нальчик – после ливней).
Факторы, определяющие химический состав речных вод. Для р. Баксан характерен в направлении от высокогорья к среднегорью и предгорью рост минерализации речной воды и содержания в ней некоторых микроэлементов – As, Cr и Sr, особенно последнего (Шилькрот, Кудерина, 2012). Это обусловливается, несомненно, влиянием обогащенных стронцием терригенно-карбонатных отложений (Дьяченко, 2004). Но существует влияние на состав вод этой реки и деятельности Тырныаузского комбината. В сравнении с водами верховья Баксана содержание молибдена в речной воде ниже Тырныауза повышалось с 0.08 до 6.3 мкг/л, вольфрама – с 0.01 до 0.13 мкг/л (Шилькрот, Кудерина, 2012). В мае 2019 г. содержание вольфрама в р. Баксан (до Тырныауза) составляло 0.08 мкг/л, молибдена – 1.3 мкг/л.
Заметим, что проведенными ранее наблюдениями (Кудерина и др., 2008; Шилькрот, Кудерина, 2012) в верховье р. Баксан – выше п. Азау – в речной воде отмечалась незначительная концентрация Zn. То же самое оказалось и в мае 2019 г., в пункте ниже Азау. Однако в снежном покрове южного склона г. Эльбрус (на высоте 2.5 тыс. м и выше) содержание этого элемента всегда было повышенным. Другими авторами обнаружены значительные концентрации цинка (до 8 мкг/л) в зимнюю межень 2018 г. в воде р. Малка, текущей со склонов Эльбруса (Чередник, Жинжакова, 2019).
Данные 2019 г. свидетельствуют в основном о значительной роли природных факторов в формировании качественного состава речных вод в ландшафтах среднегорья. Главными из этих факторов можно считать горные породы и подземные воды. Влияние их отражено как в ионном составе речных вод, так и в составе микроэлементов. На примере р. Нальчик можно оценить влияние на микроэлементный состав речной воды металлоносных месторождений, о которых выше упоминалось.
Наблюдениями на р. Нальчик после ливневых дождей (пункт перед городом) была отмечена большая мутность речной воды, указывающая на высокий смыв в реку взвеси. Из-за ливневого стока могло повыситься в речной воде содержание некоторых микроэлементов в составе взвеси. Но такое повышение произошло и для растворенных форм микроэлементов (см. табл. 2, рис. 2 и далее в тексте).
После ливней содержание многих микроэлементов в воде р. Нальчик возросло в несколько раз в сравнении с наблюдениями до ливней (в пункте ниже города). Концентрация Co и Ni выросла в 25–24 раза, Zr в 10 раз, V в 8 раз, Cr и Nb в 6 раз. Содержание же Mo, наоборот, снизилось в 7 раз.
Об атмосферных осадках как источнике химических элементов для рек рассматриваемого района можно косвенно судить по данным мониторинга за их фоновым составом, осуществляемого Росгидрометом (Обзор…, 2019). По этим данным, современное содержание в осадках Кавказского биосферного заповедника типичных загрязнителей атмосферы – свинца, кадмия, ртути и меди – имеет разброс среднегодовых величин (от минимума до максимума) до 10 и более раз (табл. 3).
Из табл. 3 можно видеть, что в последние годы загрязнение атмосферных осадков рядом тяжелых токсичных металлов не снижается, а, наоборот, возрастает. Следовательно, растет и поступление их в ландшафты и в реки, особенно если учесть, что в высокогорье и в среднегорье рассматриваемого региона количество самих атмосферных осадков значительно. Заметим, что указанные повышенные концентрации меди и ртути в атмосферных осадках не выходят за пределы питьевых нормативов. Но эти же концентрации превышают в 10 и более раз ПДК для рыбохозяйственных водоемов, составляющих 1 и 0.01 мкг/л соответственно.
О степени влиянии загрязненных атмосферных осадков на речные воды можно было бы судить по данным, полученным для р. Нальчик в мае 2019 г. После ливней в воде р. Нальчик (до города) повысились концентрации Pb – в 14 раз, Zn – в 11 раз, Cu – в 7 раз и Cd – в 4 раза в сравнении с их содержанием в речной воде до ливней, в пункте ниже города. Однако этот рост концентраций ряда химических элементов (наряду с другими, отмеченными выше) мог быть вызван не только влиянием загрязненных атмосферных осадков, но и вымыванием этих элементов из горных пород и переносом в реку ливневым стоком. Заметим, что из-за ливней резко повысилось в воде р. Нальчик также содержание железа и марганца, а этих элементов не бывает в большом количестве в составе атмосферных осадков. И концентрация ртути после ливневого стока не менялась в речной воде, оставаясь ниже предела определения, 0.01 мкг/л. Так же мало было Hg в воде всех других рек региона.
Не обнаружилось в период наших наблюдений влияния г. Нальчик на химический состав воды р. Нальчик. Но его отмечают исследователи из г. Нальчика (Жинжакова, Чередник, 2019), осуществляющие с 2011 г. мониторинг за качественным составом вод р. Нальчик в разные сезоны и в створах выше и ниже города. По их данным, основное загрязняющее воздействие города и других поселений проявляется в повышении содержания в речной воде аммонийного азота и нитритов. Эти авторы считают также, что антропогенный фактор добавляет к качественному составу речной воды Pb, Zn, Mo. Они также обращают внимание на значительные колебания концентраций Ag в воде по длине реки – от 0.02 до 0.7 и даже 3.3 мкг/л, с максимумом, как на фоновом участке, где нет антропогенных воздействий, так и в курортной зоне г. Нальчика. По нашим данным, содержание в воде р. Нальчик этого элемента незначительно (0.02 мкг/л) – до и ниже города. Максимум Ag (0.065 мкг/л) был зафиксирован в воде р. Баксан, минимум – в р. Гунделен.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследования нескольких горных рек (Баксан, Нальчик, Черек, Терек и др.) на территории Кабардино-Балкарии, выполненного в мае 2019 г. и дополненного данными 1980-х и начала 2000-х годов, показали:
– реки региона различаются по химическому составу воды, являющемуся важнейшим экологическим показателем их состояния. Эти различия, или пространственная неоднородность химического состава речных вод, обусловливаются, главным образом, природными особенностями водного и вещественного питания водотоков в условиях высокогорных и среднегорных ландшафтов. По-разному влияет на состав речных вод и антропогенный фактор, действующий через доставку химических элементов с загрязненными атмосферными осадками и со стоками с освоенных водосборов, в частности с территорий городов Тырныауз и Нальчик;
– в высокогорье – р. Баксан получает химические элементы из талых вод снежников и ледников и дренируемых горных пород. Речная вода маломинерализованная, гидрокарбонатно-кальциевого состава;
– в среднегорье – для рр. Нальчик, Черек, Терек и Гунделен значительна в их питании роль подземных вод, насыщенных химическими элементами из дренируемых ими карбонатных отложений и гипсов. Вода многих рек умеренно-минерализованная, ионный состав воды некоторых рек (рр. Гунделен и Черек) сульфатно-кальциевый, и жесткость воды повышенная. Из-за высоких показателей содержания сульфатов и жесткости вода рр. Гунделен и Черек, как и оз. Нижнее Голубое, не соответствуют нормативам для вод питьевого назначения;
– в микроэлементном составе воды всех рек преобладают стронций, железо, марганец, барий, цинк, свинец, литий и др. Вода р. Терек выделяется повышенным содержанием многих микроэлементов;
– состав и содержание микроэлементов в речных водах среднегорья формируются под влиянием горных пород, загрязненных атмосферных осадков и деятельности человека на водосборе. Очень важным фактором оказывается поступление веществ с подземными водами и с ливневым стоком с водосборов;
– содержание большого ряда микроэлементов, присутствующих в речных водах региона, оказалось ниже нормативов для питьевых вод. Исключение составили только концентрации Fe и Mn. По первому элементу нормативы превышены в 4–7 раз для рр. Терек, Гунделен и Нальчик (после ливней, перед городом), а по Mn – в 1.5 раза для рр. Терек и Нальчик (после ливней);
– влияния г. Нальчик на содержание макро- и микроэлементов в воде р. Нальчик не обнаружено. Другими исследователями отмечается заметное присутствие в речной воде ниже города аммонийного азота и нитритов, что свидетельствует о загрязнении реки органическими соединениями. На воды р. Баксан воздействует Тырныаузский вольфрамово-молибденовый комбинат. Ниже г. Тырныауз в речной воде в несколько раз повышено в сравнении с верховьем реки содержание вольфрама и молибдена.
Список литературы
Гигинейшвили Г.Н., Гвахария В.К., Маткава Д.И., Канделаки В.В., Монишвили Д.М. Чирик-кель – глубочайшее карстовое озеро СССР // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1983. № 1. С. 83–90.
Дьяченко В.В. Геохимия, систематика и оценка состояния ландшафтов Северного Кавказа. Ростов-на-Дону, 2004. 267 с.
Жинжакова Л.З., Чередник Е.А. Компонентный состав загрязнения водотока рек Нальчик – Урвань в периоды зимней межени и летнего половодья // Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и на сопредельных территориях: Материалы VIII Международ. науч. конф. (Белгород, октябрь 2019) / под ред. М.А. Польшиной. Белгород: ИД “Белгород”, НИУ “БелГУ”, 2019. С. 126–134.
Кудерина Т.М., Шилькрот Г.С., Кудиков А.В. Качество поверхностных вод горных ландшафтов Северного Кавказа // Геоэкологические проблемы современности. Докл. 2-й Международ. конф. (Владимир, сентябрь 2008). Владимир–М., 2008. С. 124–126.
Кузнецов И.Г. Озеро Церик-кель и другие формы карста в известняках Скалистого хребта на Северном Кавказе // Изв. РГО. 1928. Т. 60. Вып. 2. Л.–М.: Гос. изд-во. С. 294–296.
Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2018 год / отв. ред. Г.М. Черногаева. М.: Росгидромет, 2019. 227 с.
Чередник Е.А., Жинжакова Л.З. Динамика содержания микропримесей в водах ледниковой реки Малка (Кабардино-Балкария) // Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и на сопредельных территориях: Материалы VIII Международ. науч. конф. (Белгород, октябрь 2019) / под ред. М.И. Польшиной. Белгород: ИД “Белгород”, НИУ “БелГУ”, 2019. С. 191–194.
Шилькрот Г.С. Карстовые озера – их свойства и отклик на антропогенные воздействия // Трансформация горных экосистем Большого Кавказа под влиянием хозяйственной деятельности. М.: ИГ АН СССР, 1987. С. 78 – 90.
Шилькрот Г.С., Кудерина Т.М. Геохимия речных и озерных вод разных географических ландшафтов // Вопросы географии. Сб. 133. Географо-гидрологические исследования. М.: ИД “Кодекс”, 2012. С. 418–430.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Серия географическая