Известия РАН. Серия географическая, 2022, T. 86, № 2, стр. 243-254

ВВЕДЕНИЕ

Западная Двина – река, протекающая в западной части Восточно-Европейской равнины по территории трех стран: России, Беларуси и Латвии (рис. 1) и впадающая в Рижский залив Балтийского моря. В соответствии с данными Водного кадастра (Ресурсы …, 1963) река вытекает из небольшого оз. Двина или Двинца, лежащего на высоте 250 м над ур. м. Площадь ее бассейна составляет 87.9 тыс. км², в том числе в Российской Федерации 26.8 тыс. км². Длина реки – 1020 км, из которых верхние 325 км приходятся на территорию России.

Рис. 1.

Схема водосборного бассейна р. Западная Двина.

Река Западная Двина пересекает границу с Беларусью в районе д. Сеньково на расстоянии 31 км ниже г. Велиж. Помимо собственно р. Западная Двина трансграничными являются ее притоки: рр. Каспля, Усвяча, Уща и Свольня, а также р. Полота, длина которой на российской территории составляет всего 7 км, а площадь водосбора 215 км².

Верхняя часть бассейна р. Западная Двина расположена на Валдайской возвышенности. Рельеф верхней и средней части бассейна носит холмистый характер и отличается типичным мореным ландшафтом – изобилует озерами и болотами, из которых берут начало многие реки системы Западной Двины. В целом, водосборный бассейн находится в зоне избыточного увлажнения.

Реки российской части рассматриваемого бассейна относятся к типу равнинных рек с преобладанием снегового питания. Режим стока в годовом разрезе характеризуется высоким весенним половодьем, относительно низкой летне-осенней меженью, нередко прерываемой дождевыми паводками, и зимней меженью, в течение которой может происходить увеличение водности в период оттепелей.

Решение проблемы охраны и использования водных ресурсов бассейна трансграничной р. Западная Двина осуществляется в соответствии с Соглашением между Правительством Российской Федерации и Правительством Республики Беларусь о сотрудничестве в области охраны окружающей природной среды от 05.06.1994 г. и Соглашением по охране и рациональному использованию трансграничных водных объектов от 15.10.2012 г.

Российская Федерация как член Хельсинкской комиссии по защите морской среды Балтийского моря (ХЕЛКОМ) имеет обязательства по сокращению поступления биогенных веществ в море в соответствии с принятым коллективным Планом¹¹. Для их выполнения необходимо иметь достоверные оценки современной нагрузки на водные объекты (поступления в гидрографическую сеть) и выноса (переноса) валового азота и валового фосфора с российской части бассейна Западной Двины на территорию Беларуси и прогноз на ближайшую перспективу с учетом планов развития отраслей экономики, в том числе, сельскохозяйственного производства.

Ниже приводятся результаты исследований, посвященных решению этих задач.

ОЦЕНКА СТОКА ВОДЫ, ПОСТУПАЮЩЕГО С РОССИЙСКОЙ ЧАСТИ БАССЕЙНА ЗАПАДНОЙ ДВИНЫ НА ТЕРРИТОРИЮ БЕЛАРУСИ

Вынос биогенных веществ с российской части бассейна реки происходит со стоком воды собственно Западной Двины, а также ее притоков (рр. Каспля, Усвяча, Уща и Свольня), водосборы которых расположены на территории двух государств. Поэтому первоначальной задачей являлось определение и анализ многолетних рядов месячного, сезонного и годового стока этих рек в створах пересечения государственной границы. Для этого использовались данные многолетних наблюдений на гидрологических постах, расположенных как на российской части бассейна (р. Западная Двина – г. Велиж, р. Усвяча – д. Козлово, р. Каспля – г. Демидов), так и на территории Беларуси (р. Нища – д. Соколище, р. Свольня – д. Пользино, р. Дрисса – с. Демехи, р. Полота – д. Янково-1-е). На р. Уща наблюдения за стоком не велись, в связи с чем сток был рассчитан по данным наблюдений по реке-аналогу (р. Нища – д. Соколище). Приведение стоковых рядов к единому многолетнему периоду (1963–2016 гг.) было выполнено с использованием методики, разработанной в ГГИ (Кокорев и др., 2011). Пересчет значений годового и сезонного стока от створов гидрологических наблюдений к створам пересечения государственной границы был выполнен с учетом площадей, не освещенных данными гидрометрических наблюдений. Границы сезонов для всех рек были приняты одинаковыми: весна (март–май), лето (июнь–август), осень (сентябрь–ноябрь), зима (декабрь–февраль).

На рис. 2 приведены хронологические графики годовых объемов стока рек рассматриваемой части бассейна Западной Двины, а также их суммарного стока. Вероятностные характеристики суммарных годовых объемов стока, поступивших с российской части бассейна реки Западная Двина на территорию Республики Беларусь, приведены в табл. 1.

Рис. 2.

Годовой сток рек российской части бассейна Западной Двины (км³): (а) суммарный сток; (б) Западная Двина; (в) Каспля; (г) Усвяча; (д) Свольня; (е) Уща.

На следующем этапе из многолетнего ряда годовых величин суммарного стока выбирались годы наиболее близкие по водности к обеспеченностям 5, 25, 50, 75 и 95%. Распределение суммарного стока между рр. Западная Двина, Каспля, Усвяча, Уща и Свольня в эти годы принималось в качестве расчетного, так же, как и распределение годового стока этих рек по сезонам. Полученные таким образом объемы годового стока рек российской части бассейна Западной Двины приведены в табл. 2.

ОЦЕНКА ВЫНОСА ВАЛОВОГО АЗОТА И ФОСФОРА РЕКАМИ БАССЕЙНА ЗАПАДНОЙ ДВИНЫ НА ТЕРРИТОРИЮ БЕЛАРУСИ В РАЗЛИЧНЫЕ ПО ВОДНОСТИ ГОДЫ

Оценка выполнена с использованием расчетных данных по годовому и сезонному стоку рек в створах пересечения государственной границы и материалов режимных гидрохимических наблюдений за содержанием минеральных форм азота и фосфора, проводимых Росгидрометом (р. Западная Двина – г. Велиж), а также выполненных организациями Росводресурсов в трансграничных створах рек бассейна Западной Двины (р. Западная Двина – д. Сеньково, р. Уща – д. Турки-Перевоз, р. Усвяча – д. Козлово, р. Каспля – 15 км ниже д. Попара, р. Свольня – д. Забелье) в 2011–2016 гг. Отметим, что размещение пунктов наблюдений на этих реках согласовано Российско-Белорусской Комиссией по охране и использованию трансграничных водных объектов. В работе использованы также результаты специальных полевых исследований в бассейнах рр. Уща и Усвяча, выполненных ГГИ и ИАЭП летом 2017 г.

Анализ связи концентраций минеральных форм азота и фосфора на даты проведения гидрохимических съемок со среднесуточными расходами воды, а также связи средних за сезон значений концентраций и расходов воды, показал, что для всех рассматриваемых рек они являются статистически незначимыми. В качестве примера на рис. 3 показаны графики связи среднесуточных концентраций минеральных форм азота и фосфора с расходами воды на дату отбора проб для гидрологического поста на р. Западная Двина у г. Велиж, по которому имеется наиболее продолжительный ряд гидрохимических наблюдений (1984–1989 и 1993–2016 гг.).

Рис. 3.

График связи расходов воды с концентрациями минеральных форм азота (а) и фосфора (б) для гидрологического поста р. Западная Двина – г. Велиж.

Многолетние изменения среднегодовых и среднесезонных концентраций минеральных форм азота и фосфора на этом посту характеризуются их снижением в 2011–2016 гг. по отношению к 1980-м годам. При этом в последние годы не наблюдается каких-либо направленных изменений концентраций как на реке Западная Двина, так и на ее притоках, что свидетельствует о стабилизации биогенной нагрузки в бассейне. Вариации концентраций в этот период были незначительными и определялись, в основном, случайными погрешностями их определения.

С учетом вышеизложенного можно сделать вывод о том, что в современных условиях вынос валового азота и фосфора реками бассейна Западной Двины определяется, главным образом, объемом их стока.

Средние сезонные концентрации минеральных форм азота в трансграничных створах рек бассейна Западной Двины за 2011–2016 гг. находятся в диапазоне от 0.109 мг/л в летний период до 0.337 мг/л в зимний для р. Западная Двина, от 0.721 мг/л (лето) до 1.121 мг/л (зима) для р. Каспля, от 0.186 мг/л (лето) до 0.454 мг/л (зима) для р. Усвяча, от 0.167 мг/л (лето) до 0.377 мг/л (зима) для р. Свольня и от 0.208 мг/л (лето) до 0.280 мг/л (зима) для р. Уща. Различия в сезонных концентрациях фосфатов весьма незначительные и лежат в пределах погрешности их определения.

Расчет выноса биогенных веществ на территорию Беларуси в различные по водности годы при современном уровне использования водных ресурсов и сложившейся структуре природных и антропогенно-измененных ландшафтов был выполнен с использованием осредненных за 2011–2016 гг. сезонных концентраций, характеризующих содержание биогенных веществ в единице объема воды (согласно принятым методикам Росгидромета – содержания минеральных форм азота и фосфора) для каждой из рек, пересекающих границу. Так как в европейских странах ХЕЛКОМ принято оперировать значениями концентраций валовых форм азота и фосфора, выполнен пересчет средних за сезон концентраций минеральных форм в концентрации валовых форм азота и фосфора с использованием переходных коэффициентов: по фосфору коэффициент равный 3, по азоту – 2. Коэффициенты определены на основании анализа данных одновременных наблюдений за содержанием растворенных (минеральных) и валовых форм азота и фосфора в воде рек соседнего близкого по физико-географическим условиям бассейна Чудско-Псковского озера и р. Нарва за 2001–2016 гг. Значения переходных коэффициентов подтверждены результатами определения соотношения концентраций минеральных и валовых форм азота и фосфора, полученными ГГИ и ИАЭП летом 2017 г. в ходе проведения полевых работ в бассейнах рр. Уща и Усвяча.

Годовые объемы стока рек были приняты в соответствии с данными, представленными в табл. 1 и 2, а распределение их по сезонам – по данным наблюдений за годы, когда суммарный сток рек был наиболее близок по водности к расчетным обеспеченностям. Расчет массы выноса валового азота и фосфора реками российской части бассейна Западной Двины на территорию Беларуси выполнен по средним концентрациям за 2011–2016 гг. при объемах годового стока, формирующегося в российской части бассейна р. Западная Двина, обеспеченностью 5, 25, 50, 75 и 95% (табл. 3 и 4 ).

ОЦЕНКА ВКЛАДА ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ В ВЫНОСЕ БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ

Для разработки прогноза выноса азота и фосфора на территорию сопредельного государства и разработки научно-обоснованных рекомендаций по минимизации биогенной нагрузки в бассейне р. Западная Двина была выполнена количественная оценка их поступления в гидрографическую сеть от диффузных и точечных источников.

Оценка диффузной нагрузки основывалась на сведениях о площадях различных типов подстилающей поверхности для водосборов рр. Западная Двина, Каспля, Усвяча, Свольня и Уща. При определении площадей за основу были приняты официальные статистические данные за 2016 г.²² Эти данные относятся к муниципальным районам Псковской, Тверской и Смоленской областей, полностью или частично расположенных в бассейне Западной Двины. Для объективной оценки площадей различного типа в пределах водосборов указанных трансграничных рек, в дополнение к информации по муниципальным районам, использованы также информация спутникового зондирования³³ и ГИС-технологии. Результаты оценки площадей различного типа приведены в табл. 5.

Как следует из данных табл. 5, 88 % всей территории заняты естественными типами подстилающей поверхности, к которым отнесены леса, болота, водная поверхность, а также сельскохозяйственные земли, не используемые для производства сельскохозяйственной продукции и прочие, не затронутые хозяйственной деятельностью площади. К сельскохозяйственным землям, не используемым для производства сельскохозяйственной продукции, отнесены площади, которые по статистическому учету отнесены к землям сельскохозяйственного назначения, но на которых не осуществлялось и не будет осуществляться выращивание сельскохозяйственных культур. Антропогенно-измененные земли (используемые и залежные сельскохозяйственные земли, урбанизированные территории) занимают 12% всей площади бассейна. К залежным землям отнесены площади, на которых не осуществляется выращивание сельскохозяйственных культур и какая-либо их обработка на протяжении более 1 года. Наибольшая доля антропогенно-измененных земель, в основном сельскохозяйственных, приходится на бассейн р. Каспля – 25% всей площади.

Количественная оценка поступления биогенных веществ в гидрографическую сеть в процессе трансформации дождевых осадков и водоотдачи из снега, поступающих на поверхность водосбора, выполнена с использованием коэффициентов, характеризующих средние их концентрации в стоке с различных типов ландшафтов (табл. 6).

Концентрации валового азота и валового фосфора, поступающих со стоком с естественных ландшафтов, а также урбанизированных территорий были приняты на основе обобщения результатов научных исследований, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом (Кондратьев, 2010; Степанова, 2009; Pitkänen,1994), а также анализа многолетних экспериментальных данных наблюдений за биогенным стоком с малых водосборов, выполненных в Валдайском филиале ГГИ.

Концентрации биогенных веществ, поступающих в гидрографическую сеть с сельскохозяйственных земель, определены по методике ИАЭП (Брюханов, 2017; Брюханов и др., 2016; Методические …, 2017).

При этом учитывалась фактическая структура сельскохозяйственных угодий (соотношение площадей под пропашными культурами, многолетними травами, лугами [пастбища], залежи), сложившаяся на уровень 2016 г., типы почв и содержание в них азота и фосфора, количество используемых минеральных и органических удобрений. В результате обобщения информации по биогенной нагрузке были получены средневзвешенные значения концентраций валового азота и валового фосфора для каждого из пяти выделенных водосборов для следующих категорий сельскохозяйственных земель:

− интенсивно используемые земли (пропашные, зерновые и зернобобовые культуры, кормовые культуры);

− залежные земли (выведенные из севооборота и не используемые более 1 года);

− земли, занятые естественной растительностью (на которых не осуществлялось и не будет осуществляться выращивание сельскохозяйственных культур).

Большой диапазон изменения концентрации валового азота и фосфора в стоке с используемых сельскохозяйственных земель (см. табл. 6) подтвержден результатами полевых работ в бассейнах рр. Уща и Усвяча летом 2017 г.

Объемы стока, поступающие с различных видов поверхностей, были определены по данным о слоях стока различной обеспеченности для каждого рассматриваемого водосбора и площадях, занимаемых соответствующими ландшафтами.

Для всех речных бассейнов, сток с которых непосредственно поступает на территорию Беларуси, были рассчитаны сезонные и годовые диффузные биогенные нагрузки (поступление валового азота и валового фосфора) на водные объекты, сформированные стоком с естественных и антропогенно-измененных ландшафтов в различные по водности годы.

Отметим, что в суммарной биогенной нагрузке учитывалось также поступление биогенных веществ от жизнедеятельности сельского населения, проживающего в населенных пунктах с отсутствием централизованной канализации. В соответствии с (Brandt et al., 2009) было принято, что величина суточной эмиссии азота на одного человека составляет 13.5 г, фосфора – 2.1 г. При этом удержание азота составляет 51%, а фосфора – 69%. Учтено также количество валового азота, поступающего на водную поверхность в результате выпавших осадков.

Оценка поступления биогенных веществ в водные объекты от точечных источников загрязнения (промышленные предприятия и объекты жилищно-коммунального комплекса) выполнена по данным государственной статистической отчетности о сбросах сточных вод. Согласно этим данным, современное поступление валового азота от точечных источников в российской части бассейна реки Западная Двина составляет около 90 т/год, а валового фосфора – 15 т/год.

Годовые объемы биогенной нагрузки при стоке 50%-ной обеспеченности приведены на рис. 4. На этом же рисунке приведены объемы выноса валового азота (см. рис. 4а) и фосфора (см. рис. 4б) на территорию Беларуси.

Рис. 4.

Современная нагрузка и вынос биогенных веществ реками российской части бассейна Западной Двины на территорию Беларуси при годовом стоке 50% обеспеченности.

Полученные результаты оценки нагрузки по валовому азоту и валовому фосфору и массе их выноса позволяют рассчитать величину удержания этих биогенных элементов в гидрографической сети. В целом по бассейну при годовом стоке 50%-ной обеспеченности удержание валового азота составляет 3950 т в год или 53% от его общей нагрузки, а удержание валового фосфора – 106 т в год или 14% от нагрузки. Суммарное поступление в гидрографическую сеть бассейна биогенных веществ в средний по водности год 50%-ной обеспеченности составляет: валового азота 7600 т/год, валового фосфора – 750 т/год. В маловодные годы 95%-ной обеспеченности 4290 т/год валового азота и 430 т/год валового фосфора, а в многоводные годы 5%-ной обеспеченности 11600 и 4300 т/год соответственно.

Распределение вклада природных и антропогенных источников в выносе валового азота и валового фосфора реками российской части бассейна Западной Двины на территорию Беларуси показано на рис. 5.

Рис. 5.

Вклад природных и антропогенных источников в вынос валового азота и валового фосфора реками российской части бассейна Западной Двины на территорию Беларуси.

Из этих данных следует, что в современных условиях большая часть нагрузки и, соответственно, выноса биогенных веществ формируется на территориях, находящихся в естественных условиях: валового азота 68%; валового фосфора 63%. Нагрузка от точечных источников составляет около 1% валового азота и менее 2% валового фосфора. Основным антропогенным источником поступления валового азота и фосфора является сельское хозяйство – его доля в суммарной нагрузке составляет 27%.

ПРОГНОЗ ПОСТУПЛЕНИЯ И ВЫНОСА БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ

Анализ перспективных планов развития различных отраслей хозяйства в российской части бассейна Западной Двины⁴⁴ показал, что рост нагрузки валовым азотом и фосфором может произойти только в результате увеличения сельскохозяйственного производства.

При прогнозе было учтено:

– планируемое к 2020 г. дополнительное введение в оборот 7.5 тыс. га сельскохозяйственных земель, не используемых в настоящее время (залежных земель);

– увеличение поголовья фуражных коров на 1.5 тыс. голов, свиней на 112 тыс. голов (с учетом сопредельных территорий на 215 тыс. голов), сельскохозяйственной птицы на 42 тыс. голов;

– увеличение количества образуемого валового азота и валового фосфора соответственно на 9610 и 2470 т в год;

– прогнозные параметры функционирования животноводческих и птицеводческих комплексов с учетом их перехода в соответствии с законодательством Российской Федерации на наилучшие доступные технологии (НДТ). В части сельскохозяйственного производства и снижения диффузной нагрузки на водные объекты в качестве НДТ учтен переход на экологически безопасные технологии переработки органических отходов животноводства, внесения органических и минеральных удобрений⁵⁵.

Прогнозные значения концентраций валового азота и валового фосфора, поступающих в водные объекты со стоком с сельскохозяйственных полей, были определены на основе прогноза годового поступления азота и фосфора от сельскохозяйственных производств в водные объекты в границах муниципальных районов бассейна Западной Двины. Прогнозные данные по районам были обобщены по бассейнам рр. Западная Двина, Каспля, Усвяча, Уща и Свольня, что позволило выполнить оценку на перспективу биогенной нагрузки и выноса валового азота и валового фосфора этими реками на территорию Беларуси.

В соответствии с выполненными прогнозными оценками с учетом планируемых изменений в сельскохозяйственном производстве, связанных с увеличением поголовья скота и птицы, увеличением площадей сельскохозяйственных угодий, изменением содержания валового азота и валового фосфора в органических удобрениях, ожидается незначительное по сравнению с современным уровнем увеличение нагрузки биогенными веществами на водные объекты российской части бассейна Западной Двины. При расчете переноса валового азота и валового фосфора доля их удержания от общей нагрузки принята аналогичной современному уровню. Прогнозная оценка выноса валового азота и фосфора на территорию Беларуси показала незначительное его увеличение в пределах 2%.

На основе этих данных можно сделать вывод о практической стабилизации воздействия биогенной нагрузки на водохозяйственную обстановку в бассейне. Необходимым условием для стабилизации является реализация планов перехода животноводческих и птицеводческих на НДТ⁶⁶.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе был реализован методический подход по оценке и прогнозу нагрузки биогенными веществами на российской части бассейна р. Западня Двина и их выноса на территорию Республики Беларусь, основанный на использовании данных государственного мониторинга водных объектов, результатах специальных полевых работ, сведениях о структуре поверхности водосборов и применении физико-статистических методов анализа.

В результате выполненных исследований установлено, что основным фактором, определяющим массу выноса биогенных веществ на территорию сопредельного государства, является объем стока, формирующийся в российской части бассейна р. Западная Двина. При современном уровне использования водных ресурсов и сложившейся структуре естественных и антропогенно-измененных ландшафтов, вынос валового азота составляет от 2070 до 5710 т/год при стоке обеспеченностью 95 и 5%, а валового фосфора – от 359 до 959 т/год. При этом суммарное поступление в гидрографическую сеть бассейна составляет по валовому азоту соответственно – 4290 и 11 600 т/год, а валового фосфора – 430 и 4300 т/год. Основной вклад в биогенное поступление в водные объекты дают природные диффузные источники, за счет которых формируется 68 и 63% общей нагрузки валовым азотом и валовым фосфором. Среди антропогенных источников диффузной нагрузки основной вклад вносят используемые в сельском хозяйстве земли – около 27%. Точечные источники загрязнения дают не более 1–2% общей биогенной нагрузки.

Прогнозная оценка поступления валового азота и фосфора в российской части реки Западная Двина и их выноса на территорию Беларуси, выполненная с учетом ожидаемого дополнительного введения в оборот сельскохозяйственных земель, увеличения количества крупного рогатого скота, свиней, птиц и внедрения наилучших доступных технологий в сельскохозяйственном производстве показала их незначительное увеличение в пределах 2%.

Полученные результаты могут быть использованы в работе Совместной Российско-Белорусской Комиссии по охране и использованию трансграничных водных объектов для обоснования позиции российской стороны.