Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 5, стр. 523-535

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве пилотного водного объекта в Верхневолжском бассейне выбран водосборный бассейн р. Яхромы – притока р. Волги третьего порядка, в пределах которого используется более 9 тыс. га мелиорируемых земель сельскохозяйственного назначения. Осушаемый массив Яхромской поймы – уникальный объект мелиорации как по площади системы, так и по интенсивности мелиоративного воздействия на природный комплекс. В результате длительной эксплуатации поймы на мелиорированных землях сформировался мелиоративный режим, характеризующийся использованием современных интенсивных агротехнологий с внесением высоких доз удобрений и применением различных агрохимикатов для борьбы с вредителями и сорняками на фоне орошения и дренажа [4]. Это обусловило весьма высокий уровень антропогенной нагрузки как на почвы, так и на водные объекты, что вызывает загрязнение почв и водных объектов биогенными веществами, тяжелыми металлами и пестицидами. Загрязнители с сельскохозяйственной территории поступают в р. Яхрому, которая выполняет функции дренирования пойменного массива, отвода паводкового стока с водораздела и дренажно-коллекторных вод с мелиорируемых земель.

Яхрома имеет длину 78 км и площадь водосборного бассейна 1437 км² и относится к категории малых рек. Исток располагается в пределах Клинско-Дмитровской гряды, а впадает в р. Сестру у поселения Усть-Пристань [1]. Бассейн Яхромы практически полностью расположен на территории Дмитровского района Московской области и характеризуется высокой антропогенной нагрузкой, которая определяется сельскохозяйственным использованием земель, наличием промышленных зон, населенных пунктов, интенсивной дорожной сети, рекреационных зон и пр. Для оценки влияния различных источников загрязнения на качество речной воды в 2019 г. были проведены рекогносцировочные исследования качества речной воды по длине реки в характерных точках. Также использовались результаты ранее проведенных исследований и литературные источники.

В 2001–2005 гг. ВНИИГиМ проводил натурные исследования качества дренажного стока и других компонентов гидросферы на Яхромской пойме [19, 20]. Оценка гидрохимического режима выполнялась по результатам измерений общих показателей качества воды в компонентах гидросферы – речных водах, коллекторно-дренажном стоке, подземных и паводковых водах. Для измерений электропроводности, температуры, рН и концентрации растворенного кислорода в компонентах гидросферы использовались приборы фирмы “WTW” (Германия) соответственно (Cond 340i/SET), рН-метр (pH 330i / SET) и оксиметр (OXI 196). Выполненные в различные сезоны года измерения показали, что наибольшие значения электропроводности воды (>1000 мкСм/см) характерны преимущественно для стока из закрытых и открытых коллекторов, относительно средние (400–800 мкСм/см) – для стока р. Яхромы, притоков с левого и правого бортов долины и напорных вод в летний период. Низкие значения электропроводности получены для талой воды (2–25), паводковых вод (145–408) и весеннего стока Яхромы в начале и средней части массива (228–272 мкСм/см), когда сток реки увеличивается за счет поступления талых вод (табл. 1). Повышенная электропроводность воды в коллекторно-дренажном стоке обусловлена длительным использованием земель поймы при производстве овощной продукции с применением интенсивных агротехнологий и внесением повышенных доз минеральных удобрений (N₁₈₀P₁₂₀K₁₀₀).

В пределах мелиорируемого массива минерализация речной воды, как правило, увеличивается как по минимальным (от 218 до 346 мг/дм³), так и по максимальным (от 587 до 703 мг/дм³) значениям. При этом наименьшие значения приурочены к паводковому периоду, а повышенные – к зимнему. Похожие данные получены в 2009–2011 гг. Н.В. Кузнецовой по всей длине продольного профиля р. Яхромы, которые показывают, что минерализация речной воды за весь период наблюдений колебалась в пределах 400–590 мг/л и увеличивалась от истоков к устью [8].

В рамках работ по проекту “Оздоровление Волги” в 2019 г. были проведены полевые исследования по распределению минерализации, рН и концентраций биогенных веществ в водных объектах по продольному профилю р. Яхромы. Наибольшая минерализация приурочена к участку реки в пределах пойменного мелиорируемого массива (точки Я-7, Я-8) (табл. 2). Минерализация воды в р. Яхроме в весенний период закономерно увеличивалась за счет диффузного стока и точечных источников от 89 мг/дм³ в верховье до 228 мг/дм³ в приустьевом участке (рис. 1).

Содержание биогенных веществ в речной воде характеризуется аналогичным распределением по длине продольного профиля, за исключением фосфатов, максимальное содержание которых приурочено к участку реки ниже сбросов сточных вод (точка Я-7). Минерализация воды притоков, поступающих в Левый Нагорный канал, меняется в пределах 227–465 мг/дм³, в открытой мелиоративной сети – от 283 до 939 мг/дм³ и уменьшается с увеличением водности мелиоративного канала. Максимальными значениями практически всех показателей характеризуется вода в Левом Нагорном канале, который принимает сток притоков, склоновый сток и несанкционированный сток из населенных пунктов. В летний период общая картина распределения минерализации по створу реки аналогична весеннему периоду, но с более высокими величинами (от 321 до 509 мг/дм³).

Повышение концентрации фосфатов и аммонийного азота в начале мелиорированной поймы обусловлено влиянием сброса сточных вод г. Дмитрова. В то же время на мелиорированной пойме наблюдается увеличение концентрации нитритов от 0.24 до 0.60 мг/дм³ вследствие внесения высоких доз минеральных удобрений при выращивании овощных культур. В мелиоративной сети содержание нитритов меняется в пределах 0.01–0.54 мг/дм³. Проведенные исследования показали, что в весенний период в процессе стока паводковых вод происходит вынос с поверхностным стоком биогенных веществ в речную сеть, что особенно характерно для ландшафтов, близких к естественным, наблюдаемым в верхней части водосбора. В пределах пойменной части содержание биогенных веществ в реке возрастает под влиянием агромелиоративных технологий. Концентрации фосфатов в мелиоративной сети достигает 2.5 мг/дм³, нитритов – 0.54, аммонийного азота – 6.44 мг/дм³, что превышает рыбохозяйственные нормативы ПДК.

В летний период проводились сельскохозяйственные работы, минерализация речной воды увеличилась в 2–3 раза и, соответственно, увеличился вынос биогенных веществ, в особенности аммония и фосфатов, несмотря на то, что июль был аномально холодным и дождливым месяцем и орошение овощей не проводилось.

На карте гидрографической сети показаны точки отбора проб и концентрации фосфатов и нитритов в водных объектах бассейна р. Яхромы в весенний период (рис. 2).

Таким образом, выполненные исследования показали, что диффузный сток играет заметную роль в загрязнении реки, наиболее ярко это выражено в районе мелиорируемой поймы, где дренажный сток и сток из мелиоративных каналов сбрасывается непосредственно в речную сеть. Содержание аммония в мелиоративной сети в весенний период составляет 9–11 мг/дм³, а в речной воде 2.6–2.8, содержание нитритов весной в мелиоративной сети достигает 0.22–1.24, в реке 0.15–0.2 мг/дм³. Это дает основание для проведения расчетов по выносу биогенных веществ в бассейне р. Яхрома.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Оценка диффузного загрязнения с сельскохозяйственных территорий, включая мелиорированный массив, выполнялась по эмпирическим зависимостям. В предложенных методиках расчета поверхностного и дренажного стока использовано действующее руководство [11]. На основе литературных данных [2–4, 6, 7, 12, 13, 16, 17] устанавливалась связь между водностью года и объемом поверхностного стока.

Величина поверхностного стока с осушенной территории оценивалась по коэффициенту стока σ в зависимости от суммы выпавших осадков по формуле [10]:

где W_{пов ст} – объем поверхностного стока м³, W_ос – среднегодовой объем выпавших осадков, м³, определяемый по формуле: где $H_{{{\text{ср\;г}}}}^{{{\text{ос}}}}$ – среднегодовые осадки за весенний и осенний период, мм; F – площадь водосбора, га. При этом учитывалось, что сток поверхностных вод с прилегающих территорий поступает в водоприемник. В качестве водоприемника рассматривалась река или пруд, имеющий сброс в реку.

Объем стока определялся по формуле:

где K_с – поправочный коэффициент стока для искусственно дренируемой территории. Результаты расчета сравнивались с данными натурных исследований по нечерноземной зоне и при необходимости корректировались [16, 17].

Вынос растворенных и сорбированных соединений азота, фосфора и калия поверхностным стоком определялся по зависимостям, изложенным в нормативном документе [11]. Расчетные зависимости учитывают практически все источники поступления азота, фосфора и калия в почву, включая конкретный состав вносимых минеральных и органических удобрений, содержание в почве валовых и подвижных форм азота, фосфора и калия через соответствующие поправочные коэффициенты, а также их остаточное количество в почве после выноса с урожаем сельскохозяйственных культур.

Годовой вынос поверхностным (твердым) стоком сорбированного и растворенного азота $В_{N}^{{{\text{тс}}}}$ рассчитывался по формуле [11]:

где K₁ – коэффициент, определяющий остаточное количество подвижных форм азота в минеральных удобрениях после использовании сельскохозяйственными растениями (для аммиачной селитры – 0.02, сульфата аммония – 0.03, хлористого аммония – 0.06); K₂ – коэффициент, определяющий количество азота, фиксированного почвой и усвоенного почвенными микроорганизмами из удобрений (для аммиачной селитры – 0.65, сульфата аммония – 0.35, натриевой селитры – 0.18, известковой аммиачной селитры – 0.065); N_y, N_о – норма внесения соответственно минеральных (y) и органических (o) удобрений, кг/га действующего вещества (д. в.); N_n, N_в – содержание минерального (n) и валового (в) азота в пахотном слое почвы ; ω, γ – коэффициенты, характеризующие вынос сорбированного азота твердым стоком и растворенного – с поверхности почвы (для торфяных почв: ω = 3.1 × 10^–5 , γ = 4.3 × × 10^–3; для дерново-подзолистой суглинистой почвы: ω = 7.2 × 10^–5 , γ = 4.8 × 10^–3; для серых лесных: ω = 1.8 × 10^–4 , γ = 1.4 × 10^–2; для выщелоченных оподзоленных черноземов: ω = 4 ×10^–5 , γ  = = 2.4 × 10^–2).

Вынос за год сорбированного фосфора с твердым стоком $В_{P}^{{{\text{тс}}}}$ определялся следующим образом [11]:

Р_у, Р_о – объемы внесения минеральных и органических удобрений, кг/га д. в.; Р_n, Р_в – содержание подвижного фосфора и валовое содержание фосфора в пахотном слое; n₂, n₃, n₄ – коэффициенты, определяющие остаточное количество фосфора из минеральных, органических удобрений и почвы соответственно (n₂ = 0.8 для почв легкого состава; 0.26 – почв тяжелого состава; 0.32 – торфяных почв; n₃ – 0.0014, 0.0004, 0.0005 соответственно; n₄ – 0.85, 0.28, и 0.34 соответственно).

Вынос за год калия в сорбированном и растворенном виде с поверхностным стоком $В_{K}^{{{\text{пс}}}}$ вычислялся по формуле [11]:

где ${{K}_{{\text{У}}}}$ – объем внесения минерального удобрения, кг/га д. в.; ${{K}_{{\text{в}}}}$ – валовое содержание калия в пахотном слое почвы: для дерново-подзолистых глеевых почв – 50 000, дерново-подзолистых суглинистых – 58 000, серых лесных – 50 600, выщелоченных черноземов – 51 250 кг/га.

Расчет объема дренажного стока W_др выполнялся по известным зависимостям по среднегодовому модулю дренажного стока [17]:

q – среднегодовой модуль дренажного стока, л/с га; F – площадь осушаемой территории, га; t – количество секунд в году, с.

При расчетах выноса биогенных веществ с дренажным стоком вводился поправочный коэффициент выноса биогенных веществ для водности среднемноголетнего года.

Вынос за год азота дренажным стоком $В_{N}^{{{\text{др}}}}$ определяется по формуле [11]:

где W_пр – запас влаги в расчетном слое почвы до уровня грунтовых вод или до глубины заложения дрен при предельной полевой влагоемкости: для торфяных почв – 4500, дерново-подзолистых суглинистых – 2682, серых лесных – 2138, выщелоченных черноземов – 2765 м³/га.

Вынос за год растворенного фосфора дренажным стоком $В_{P}^{{{\text{др}}}}$ определяется по формуле [11]:

где n₁ – величина, характеризующая содержание растворенного фосфора в почвах: легких – 0.002, тяжелых – 0.00017, торфяных – 0.0015; $W_{{nx}}^{{{\text{пр}}}}$ – запас влаги в пахотном слое почв: торфяных –1350, дерново-подзолистых суглинистых – 537, серых лесных –428, выщелоченных черноземов – 553 м³/га.

Вынос за год растворенного калия с дренажным стоком $В_{К}^{{{\text{др}}}}$ рассчитывался по формуле [11]:

где K_о – норма внесения органического удобрения, кг/га д. в.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Поверхностный сток формируется на водосборной территории, представляющей собой пологий склон, на котором выделены 3 зоны смыва: зона слабого смыва с уклоном до 0.01, площадью 10 333.6 га; зона умеренного смыва при уклонах местности 0.01–0.05, площадью 12 234 га; зона сильного смыва с крутизной склона >0.05, площадью 66.5 га. Для этого в системе ГИС создана оригинальная карта уклонов местности (рис. 3). Карта уклонов создавалась с использованием снимков SRTM, позволяющих построить карту высот определенного участка земной поверхности. Необходимость построения карты связана с расчетами интенсивности диффузного стока в зависимости от уклона местности и возможных мероприятий по снижению стока.

Для получения исходной информации при расчетах диффузного стока использовались следующие электронные карты водосборного участка в системе ГИС: карта гидрологической сети (для определения границ водосбора и получения геоморфологических, гидрологических характеристик зоны смыва); карта сельскохозяйственных участков по данным Росреестра (тип землепользования участка, и его площадь); почвенная карта (для определения типов почв и их характеристик). Все электронные карты снабжены атрибутивными таблицами, содержащими исходную информацию, необходимую для расчетов.

Расчеты выполнены согласно кадастровой карте для 1309 сельскохозяйственных участков, 96 из которых сведены в отдельную группу как мелиорируемые участки. Все участки агрегированы в три выделенные крупные зоны с разной интенсивностью смыва. В зону слабого смыва (зона I) при уклоне поверхности <0.01 вошли 427 сельскохозяйственных участка, к зоне умеренного смыва с уклоном от 0.01 до 0.05 (зона II) отнесены 768 участков, и в зону интенсивного смыва (зона III) сведены 5 сельскохозяйственных участков, мелиорируемая территория (зона IV).

При расчете учитывались основные факторы, влияющие на формирование поверхностного и дренажного стока, его качество и вынос биогенных веществ: среднегодовые осадки, модуль дренажного стока, уклон и длина склона, рельеф местности, состояние поверхности почвы, фильтрационные свойства почвы и нижележащих слоев, структура севооборота, ведущая сельскохозяйственная культура, проектная (фактическая) урожайность, дозы вносимых минеральных и органических удобрений и их состав, содержание в почве растворенных и сорбированных биогенных веществ, миграционная способность питательных веществ.

При расчете диффузного загрязнения было принято, что в зоне слабого смыва преимущественно выращивается картофель, в зоне умеренного смыва на дерново-подзолистых почвах преобладают зерновые культуры, а на торфяных почвах – картофель; в зоне интенсивного смыва на склоновых землях выращивают, как правило, зерновые, а на мелиорируемых землях – овощные культуры и частично картофель (≤20%). Дозы внесения удобрений приняты по региональным рекомендациям: под картофель объем внесения минеральных удобрений составлял 320 кг д. в./га для дерново-подзолистых почв и 240 кг/га для торфяных почв, а объем внесения органических удобрений 60 и 30 т/га соответственно; под зерновые культуры – 240 кг д. в./га минеральных удобрений и 20 т/га органических; под овощи при интенсивном земледелии средняя доза внесения минеральных удобрений принималась 400 кг д. в./га и 80 т/га – органических удобрений.

Результаты расчетов выноса биогенных веществ с сельскохозяйственных полей в бассейне р. Яхромы по зонам смыва приведены в табл. 3.

Как видно из табл. 3, объем поверхностного стока составляет 12.4 , дренажного стока 15.9 млн м³/год, при этом с дренажным стоком выносится 96.9, а с поверхностными водами только 27.4 т/год азотных соединений, что в 3.5 раза меньше, а соединений фосфора – наоборот: с поверхностным стоком выносится 6.1, с дренажным 0.4 т/год, или в 15 раз меньше. Это объясняется тем, что фосфор мало растворим в воде, адсорбируется на почвенных частицах и с эрозионным стоком выносится в водные объекты. Что касается азотных соединений, то аммиак и нитриты хорошо растворимы, легко проникают в грунтовые воды и выносятся с дренажным стоком.

Расчеты показали, что с поверхностным стоком с сельскохозяйственных полей в год выносится от 1 до 11 кг/га биогенных веществ в зависимости от зоны смыва, типа почв, сельскохозяйственной культуры и доз внесения минеральных и органических удобрений, из них азота от 0.4 до 1.5, фосфора от 0.01 до 0.3 и калия до 9 кг/га год. Вынос биогенных веществ с дренажным стоком на осушаемых землях почти в 2 раза больше, чем с поверхностным стоком и составляет 134 кг/га год. В дренажном стоке преобладает растворенные соединения азота, их вынос составляет от 7 до 12 кг/га год, фосфорных соединений с дренажным стоком выносится 0.02–0.06 кг/га год, а калия от 0.8 до 5.7 кг/га год. Сопоставление расчетных значений с натурными данными, полученными из многочисленных литературных источников (табл. 4), показало расхождение ≤10%, что позволяет использовать предложенную методику в практических целях для оценки диффузного стока с поверхностными и дренажными водами с сельскохозяйственных территорий.

Основные мероприятия по снижению диффузного стока с сельскохозяйственных угодий должны быть направлены на предупреждение появления поверхностного стока, снижение объема дренажного стока и его очистку. Для предупреждения эрозии с сельскохозяйственных и мелиорированных земель используются агротехнические мероприятия, строительство контурных дамб, буферных лесных полос, посадка сельскохозяйственных и сопутствующих культур и специальные почвозащитные севообороты. Для снижения диффузной нагрузки с сельскохозяйственных угодий рассмотрены 4 сценария мероприятий применительно к бассейну р. Яхромы:

Сценарий 1 (базовый) – отсутствие мероприятий по сокращению и улучшению качества диффузного стока.

Сценарий 2 – снижение объема поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий (пашни) на водосборе. По предотвращению смыва на сельскохозяйственной территории площадью 22632 га определены организационно-хозяйственные мероприятия, снижающие диффузный сток на 20%, агротехнические приемы – на 25–50, агромелиоративные на – 50–75 и гидротехнические сооружения на 55–85%. В зоне слабого смыва рекомендуется проведение узкозагонной вспашки, при уклонах местности 0.01–0.05 – гребневание поверхности или глубокая гребнистая вспашка, при сильном смыве – устройство валов-террас как долговременных земляных сооружений.

Сценарий 3 – очистка дренажного стока от биогенных загрязнителей на мелиоративном массиве площадью 9731 га в русловом биоплато, устраиваемом ниже мелиоративной системы в отводном канале.

Сценарий 4 (комплексный) – комбинация 2 и 3-го сценариев.

Расчеты показали, что поступление биогенных веществ в водные объекты бассейна р. Яхромы для года 50%-й обеспеченности по осадкам с поверхностными водами (створы К1–К6) и дренажным стоком (створы Я7–Я10) по сценарию 1 составило: азота – 124.2, фосфора – 6.4, калия – 279.3, суммарное значение – 409.9 т. По сценарию 2 поступление: азота – 119 т, фосфора – 4.8, калия – 212.4, всего –336.3 т, что на 18% меньше по сравнению с базовым сценарием. По сценарию 3: азота – 42.5, фосфора – 3.2, калия – 135.7 т, всего – 250 т (на 40% меньше). По  сценарию 4 поступление: азота – 37.36, фосфора – 3.24, калия – 135.7 т, суммарное поступление биогенных веществ составило – 176.3 т (на 57% меньше). Таким образом, чтобы сократить диффузный сток в 2 раза, необходимо реализовать мероприятия по сокращению объема поверхностного стока и снижению содержания биогенных веществ в дренажном стоке.

На карте объекта (рис. 4) дана масса азотных и фосфорных соединений по выделенным зонам для четырех сценариев. По всем формулам рассчитывается вынос из почвы биогенных веществ, их поступление в поверхностный или дренажный сток и далее со стоком в речную сеть.

Эффективность предлагаемых водоохранных мероприятий оценивалась по величине предотвращенного экологического ущерба согласно Методике определения предотвращенного экологического ущерба [9]. Наибольший предотвращенный ущерб, составляющий 8873.37 тыс. руб., обеспечивает комплексный сценарий 4 (табл. 5). При этом поступление биогенных веществ в речную сеть уменьшается на 233.69 т/год. По сценарию 2 предотвращенный ущерб составил 923.68 тыс. руб., уменьшение поступления биогенных веществ – 73.7 т/год; по сценарию 3 – 7949.69 тыс. руб., уменьшение поступления – 159.99 т/год. Таким образом, для данного водосбора рекомендуется выполнение комплексного сценария 4, заключающегося в том, что на водоразделе проводятся мероприятия по снижению поверхностного стока, а на пойме необходимо дренажный сток собрать в отводной канал, в котором создать русловое биоплато с последующим сбросом очищенного стока в р. Яхрому. Этот комплекс обеспечит уменьшение диффузного загрязнения от сельскохозяйственной деятельности в 2.3 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Актуальность исследования обусловлена необходимостью оценки возможного загрязнения водных объектов в процессе агропроизводства с целью их защиты и снижения рисков для жизни и здоровья населения. В связи с этим, данная статья направлена на выявление причин диффузного загрязнения водных объектов от сельскохозяйственной и мелиоративной деятельности и на оценку диффузного стока, включая поверхностные и дренажные воды. Рассматриваемый методический подход к оценке диффузного загрязнения обеспечивает решение одной из приоритетных задач природопользования и имеет практическую значимость при оценке загрязнения биогенными веществами любого водного объекта.

Выявлены закономерности диффузного загрязнения водных объектов бассейна р. Яхромы: основная диффузная нагрузка связана со сбросом дренажных вод с мелиорируемого массива, объем которых в 1.3 раза больше поверхностного стока с сельскохозяйственных полей, при этом вынос биогенных веществ составляет 78% от общего диффузного загрязнения. Основные загрязнители – азотные соединения, составляющие >30% общего объема, из них почти 80% выносится с дренажным стоком.

Предложены сценарии водоохранных мероприятий по регулированию диффузного загрязнения, обеспечивающие снижение поверхностного стока и очистку дренажных вод посредством создания руслового биоплато с последующим сбросом очищенного стока в р. Яхрому. Этот комплекс позволит снизить диффузное загрязнение от сельскохозяйственной и мелиоративной деятельности в 2.3 раза, что обеспечит предотвращенный ущерб в размере ~9 млрд руб.