Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 5, стр. 536-545

ВВЕДЕНИЕ

Исследование влияния источников загрязнения на состояние грунтовых вод в пределах водосбора Иваньковского водохранилища проводится с конца 1970-х гг.

С начала 1980-х гг. статус Иваньковского водохранилища определялся как эвтрофный [7], поэтому изучение всех источников поступления биогенных элементов в речную сеть и водоем, а также возможных путей их трансформации остается важной научной проблемой. Традиционно биогенный сток рассматривается в аспекте формирования поверхностного стока на типовых фрагментах водосбора, и крайне редко этот поток изучается как транзит через грунтовые воды.

Основная цель проведенных исследований – анализ динамики биогенной нагрузки от диффузных источников загрязнения и пространственное изменение химического состава грунтовых вод.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ И ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА

Изученная территория представляет собой юго-восточную часть водосбора Иваньковского водохранилища в пределах Конаковского района от г. Твери до г. Дубны. Иваньковское водохранилище имеет площадь водного зеркала 327 км², его длина – 127 км, протяженность береговой линии – 520 км, полезный объем – 1.12 км², общая площадь водосбора – 41 000 км². Водохранилище – основной источник питьевого водоснабжения г. Москвы.

До 82.1% годового стока рек водосбора приходится на период весеннего половодья, в летне-осеннюю межень формируется 13.5% стока рек, зимний сток равен 4.4% годового объема стока. Следует отметить, что в маловодные годы доля годового грунтового стока может составлять 15–20% [4].

Разгрузка подземных вод в Иваньковское водохранилище наиболее интенсивно происходит в период зимней межени во время сработки уровня воды [4, 10].

Климат в регионе умеренно-континентальный, среднемесячная температура самого теплого месяца равняется +17.8, холодного – (–9.8°С), среднегодовая сумма осадков составляет 654 мм (период наблюдений 1910–2014 г.).

Исследованный участок находится в Верхне-Волжской низине и приурочен к глубокой дочетвертичной депрессии, заполненной толщей четвертичных ледниковых отложений, залегающих на юрских и каменноугольных отложениях [7].

Геолого-гидрогеологические условия региона, в частности наличие разломов и палеодолин, способствуют тесной гидравлической связи между всеми водоносными горизонтами зоны активного водообмена [1]. Колодцы вскрывают воды аллювиальных и флювиогляциальных водоносных горизонтов, большинство колодцев и родников подпитываются напорными водами верхнего карбона. Грунтовые воды пресные, по кислотности нейтральные либо слабощелочные, преимущественно гидрокарбонатного кальциевого либо гидрокарбонатного кальциево-магниевого типа, общая минерализация вод в среднем колеблется от 250 до 800 мг/дм³. Глубины колодцев варьируют от 15–18 м на междуречьях и высоких надпойменных террасах до 2.5 м близ урезов рек. Уровни грунтовых вод также меняются в широких пределах – от 0.2–0.5 м в понижениях рельефа до 15.0 м на возвышенностях. В среднем по водосборной площади уровни составляют 2.5–5.0 м, в береговой зоне – 0.1–3.0 м. Дебиты родников меняются в пределах 0.01–0.7 л/с, суммарный дебит пластовых выходов достигает 10.0 л/с [10].

В результате анализа многолетних тенденций в формировании биогенного стока с водосборной площади Иваньковского водохранилища установлено, что мощность основных источников биогенного диффузного загрязнения сосредоточена в сельскохозяйственном секторе экономики и в плотной коттеджно-дачной застройке береговой зоны водохранилища [3, 4].

На рис. 1 представлена динамика внесения минеральных и органических удобрений в регионе, иллюстрирующая антропогенную нагрузку, выраженную дозой внесения минеральных удобрений (кг д.в. NPK/га) и органических удобрений (т/га) за 1976–2018 гг. За многолетний период произошло значительное уменьшение использования удобрений коллективными хозяйствами Конаковского района.

Рис. 1.

Динамика доз внесения минеральных, кг д.в./га, и органических, т/га, удобрений в коллективных хозяйствах Конаковского района в расчете на общую посевную площадь (1976–2018 гг.).

Аналогичные тенденции в изменении антропогенной нагрузки в сельскохозяйственном секторе экономики наблюдаются на всем водосборе Иваньковского водохранилища [4].

На фоне отрицательной динамики доз внесения удобрений у традиционного диффузного источника загрязнения биогенными веществами – сельского хозяйства – появился и интенсивно нарастал источник загрязнения непосредственно в береговой зоне водохранилища – коттеджно-дачная застройка [3]. На рис. 2 показано резкое увеличение площадей коттеджно-дачной застройки на примере участка береговой зоны водохранилища в разной удаленности от берега.

Рис. 2.

Динамика нарастания площадей S_∑ коттеджно-дачной застройки в береговой зоне Иваньковского водохранилища по степени удаления от уреза воды.

Специальный геоэкологический мониторинг береговой зоны Иваньковского водохранилища с водосборами его боковых притоков показал, что к настоящему времени площадь коттеджно-дачной застройки по-прежнему нарастает, что ведет к ряду негативных экологических проблем [6, 9].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА РАБОТ

В основу статьи положены материалы многолетних режимных наблюдений и экспериментов по изучению трансформации и миграции соединений азота и фосфора в системе почва–зона аэрации– грунтовые воды–водохранилище.

Анализ биогенного загрязнения грунтовых вод в 1980-е гг. проводился по результатам экспериментальных работ [1, 2, 11]. На полевых опытах (посадки кукурузы на аллювиальной террасе Волги) доказано, что почвы изучаемого района обладают низким плодородием. Для повышения урожайности необходимо использование достаточных доз минеральных и органических удобрений, что станет дополнительным источником поступления в водохранилище основных биогенных веществ – азота и фосфора.

Расчеты массовых величин выноcа нитратного азота N-NO₃ в грунтовые воды по результатам проведенных экспериментов показали, что при дозе вносимых азотных удобрений 80 кг/га из этого количества в грунтовые воды может поступать до 24 кг N-NO₃ [11].

Гидрохимические съемки содержания биогенных веществ в грунтовых водах в 1980-х гг. [2] проводились на площади 0.6 тыс. км² вокруг водохранилища в полосе шириной 3 км от уреза воды при НПУ 124.0 м (авторами эта территория обозначена как прибрежная зона).

Последующие обследования грунтовых вод охватывают площадь 4.5 тыс. км², включая прибрежную зону. Площадные съемки выполнены авторами в полевых экспедициях ИВП РАН в периоды 1997–1999 и 2013–2019 гг. [1, 10]. Всего за каждый сезон отобрано ~200 проб грунтовых и поверхностных вод.

Пробы отбирались во время летне-осенней межени из колодцев, скважин ручного бурения, боковых притоков, водохранилища, родников. По степени антропогенной нагрузки и типу ландшафта рассматривались: селитебные территории (в том числе садоводческие товарищества и коттеджные поселки), сельскохозяйственные угодья, животноводческие комплексы и естественные лесные массивы. Анализ проб воды проводили в аттестованной гидрохимической лаборатории Иваньковской научно-исследовательской станции ИВП РАН по стандартным методикам [12].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Особенности рассматриваемой территории: преобладание песчаных и супесчаных почв, промывной режим увлажнения зоны аэрации и ее незначительная мощность (особенно в прибрежной зоне) способствуют относительно быстрому проникновению биогенных элементов на уровень грунтовых вод [1, 2]. Наиболее мобильный из рассматриваемых биогенных соединений – N-NO₃. Для оценки интенсивности антропогенного загрязнения грунтовых вод проанализирован массив данных его концентраций в одних и тех же колодцах за разные отрезки времени в прибрежной зоне водохранилища (табл. 1).

Установлено, что в конце 1990-х гг. в 36% исследованных колодцев наблюдалось содержание N-NO₃, превышающее рыбохозяйственные ПДК (ПДК_рб) [14], тогда как в 1981–1984 гг. насчитывалось только 10% колодцев с превышением ПДК_рб. На участках водосбора в окрестностях животноводческих ферм содержание аммонийного азота N-NH₄ в колодцах достигало 4.7 мг/дм³ при фоновом содержании 0.2–0.4 мг/дм³; концентрации N-NO₃ достигали 56.0 мг/дм³ при фоновом содержании 0.2–0.5 мг/дм³.

C 2000 г. значительно увеличилась область распространения грунтовых вод с концентрациями N-NO₃ в пределах 4.5–10.0 мг/дм³ на фоне снижения количества опробованных колодцев с содержанием N-NO₃ выше ПДК_рб. Исследования грунтовых вод в период 2016–2019 гг. показали, что 80% опробованных колодцев содержат N-NO₃ до 4.5, 23% – в диапазоне 4.5–10.0 и 8% >10.0 мг/дм³.

На рис. 3 представлено распределение N-NO₃ в грунтовых водах исследуемой территории в конце 1980-х и 1990-х гг. [1, 2, 11]. При максимальных дозах внесения минеральных и органических удобрений на пашни в середине 1980-х гг. содержание N-NO₃ в грунтовых водах достигало 80–100 мг/дм³, к концу 1990-х гг. в тех же скважинах и колодцах его концентрации не превышали 2–5 мг/дм³.

Рис. 3.

Картосхема распределения нитратного азота в грунтовых водах на участке р. Волги д. Игуменка – г. Дубна в конце 1980-х (а) и 1990-х гг. (б). Концентрация N–NO₃, мг/дм³: 1 – <1.0; 2 – 1.0–5.0; 3 – 5.0–10.0; 4 – >10; 5 – высокие концентрации N–NO₃; 6 – экстремальные концентрации N–NO₃.

На рис. 4–6 представлены схематические карты распределения биогенных веществ в грунтовых водах: N-NO₃ по состоянию на 2019 г. и минерального фосфора Р-РО₄ за периоды 1998–2000 и 2013–2019 гг., построенные с использованием топографической основы [13].

Рис. 4.

Картосхема распределения нитратного азота в грунтовых водах водосбора Волги на отрезке Тверь–Дубна по результатам полевых исследований 2019 г. Концентрация N-NO₃, мг/дм³: 1 – < 1.0, 2 – 1.0–5.0, 3 – 5.0–10.0, 4 – >10.0, 5 – высокие концентрации N-NO₃, 6 – территории городов.

Рис. 5.

Картосхема распределения P-PO₄ в грунтовых водах водосбора Иваньковского водохранилища по результатам полевых работ в период 1998–2000 гг. Содержание Р-РО₄, мг Р/дм³: 1 – >0.01, 2 – 0.01–0.1, 3 – 0.1–0.5, 4 – 0.5–1.0, 5 – >1.0, 6 – территории городов.

Рис. 6.

Картосхема распределения P-PO₄ в грунтовых водах водосбора Иваньковского водохранилища по результатам полевых работ в период 2013–2019 гг. Содержание P-РО₄, мг/дм³: 1 – >0.01, 2 – 0.01–0.1, 3 – 0.1–0.5, 4 – 0.5–1.0, 5 – >1.0, 6 – территории городов.

С начала 1990-х г. произошло резкое снижение доз внесения минеральных и органических удобрений (рис. 1) и изменение характера антропогенной нагрузки (рис. 2). Сопоставление карт распределения биогенных соединений в грунтовых водах разных периодов показывает “смещение” зон с высокой степенью загрязненности грунтовых вод от территорий сельскохозяйственного сектора – удобряемой пашни – к селитебным территориям: коттеджным поселкам, садоводческим товариществам и дачным кооперативам, расположенным на берегах Иваньковского водохранилища, боковых притоков и их устьевых участков. На рис. 7 показана динамика содержания N-NO₃ в грунтовых водах колодцев в поселках (в том числе коттеджных), деревнях (с примыкающими территориями дачных кооперативов) на берегах водохранилища за 20-летний период. По экспериментальным работам в 2019 г. можно сделать вывод, что такая закономерность сохранилась и в настоящее время.

Рис. 7.

Динамика содержания N-NO₃ в грунтовых водах в районе населенных пунктов и коттеджно-дачной застройки в период наблюдений – 1980–2000 гг.

Анализ картографического материала и полевых исследований показал, что в настоящее время наиболее опасный источник загрязнения поверхностных и грунтовых вод биогенными элементами в высоких концентрациях – территория крупной группы сельскохозяйственных компаний “Агропромкомплектация” в правобережной части водохранилища. Если здесь в 1980-х гг. содержание N-NO₃ в грунтовых водах составляло 5–10 мг/дм³, то сейчас отмечены концентрации >10.0 мг/дм³, в отдельных колодцах – 25.0 мг/дм³ при ПДК_рб, равном 9.0 мг/дм³.

В последние 20 лет происходит незначительное снижение концентраций N-NH₄ на всей рассматриваемой территории. Однако в зоне влияния крупных животноводческих комплексов в грунтовых водах локально наблюдаются концентрации N-NH₄ – 2.5 (д. Юрьево) и 1.0 мг/дм³ (с. Дмитрова Гора, родник) при ПДК 0.39 мг/дм³. Отдельными пятнами выделяются участки распространения грунтовых вод с концентрациями N-NH₄ > ПДК_рб: это садоводческие товарищества (в районе деревень Слобода, Едимновские Горки) и коттеджные поселки (в районе деревень Свердлово и Долинки).

Практически на всей рассматриваемой территории возрастают концентрации Р-РО₄: в прибрежной зоне в 1990-х гг. – в два раза, в 2019 г. – в четыре раза (рис. 5, 6). В 1980-е гг. содержание Р-РО₄ в грунтовых водах составляло сотые и десятые доли единицы и только на полях птицефабрик достигало 0.9–1.0 мг/дм³. В настоящее время заметно увеличились концентрации Р-РО₄ в родниках и колодцах, расположенных в непосредственной близости от водохранилища. Например, в колодцах д. Старое Семеновское обнаружено содержание Р-РО₄, равное 7.9 мг/дм³, сел Городня и Юрьевское – до 2.0 мг/дм³ при ПД-К_рб =  1.0 мг/дм³.

Изучение многолетнего режима родникового стока также характеризует состояние подземной гидросферы региона [10]. Одним из авторов статьи с 1990-х гг. ведутся режимные наблюдения за родником, выход которого на дневную поверхность находится в сосновом бору в 30 м от уреза воды Иваньковского водохранилища. Родник нисходящий, выходит в нижней части II надпойменной террасы по контакту аллювиальных песков и моренных суглинков. На рис. 8 показаны рассчитанные массы выноса биогенных элементов в сопоставлении со среднегодовыми расходами воды (дебит родника) за 1999–2019 гг. Очевидно, что с возрастанием расхода увеличивается и привнос в водоем питательных веществ. Если в начале наблюдений количество вносимого в водоем с родниковым стоком суммарного минерального азота N_мин значительно преобладало над содержанием Р-РО₄, то в последние годы импульсно наблюдается доминирование последнего.

Рис. 8.

Многолетняя динамика среднегодовых расходов, л/с, выноса, кг/год, N_мин и Р_мин с водами родника “Бор” в 1999–2019 гг.

Многофакторные вегетационные опыты (метод дозированных добавок) с внесением в воду из Иваньковского водохранилища солей азота и фосфора (по восьмерной схеме Жоржа Виля) показали, что сочетание азота и фосфора в соотношении 1 : 0.1 вызывает увеличение биомассы фитопланктона до 300 мг/дм³ при 58 мг/дм³ на контроле [1, 11].

Следовательно, если в грунтовых водах, питающих водохранилище, будет наблюдаться увеличение концентраций N-NO₃, N-NH₄ и Р-РО₄, то эти потоки биогенных соединений в водоем можно рассматривать как стимулирующий фактор увеличения степени эвтрофикации Иваньковского водохранилища.

На следующем этапе исследований проводился анализ концентраций биогенных элементов в водохранилище. По данным мониторинга ИВП РАН (Иваньковская НИС) и АО “Мосводоканал” на рис. 9, 10 показана многолетняя динамика качества воды Иваньковского водохранилища по содержанию N-NO₃, N-NH₄ и Р-РО₄. Наиболее заметная тенденция уменьшения среднегодовых концентраций биогенных соединений наблюдается только по N-NH₄. Очевидно, это связано с сокращением сброса сточных вод на водосборе.

Рис. 9.

Динамика среднегодовых концентраций N-NH₄ и N-NO₃ в Иваньковском водохранилище в 1984–2019 гг.

Рис. 10.

Динамика среднегодовых концентраций P-PO₄ в Иваньковском водохранилище в 1984–2016 гг.

Несмотря на многократное уменьшение общей диффузной биогенной нагрузки [4] в сельхозяйственном производстве, концентрации минеральных форм азота отличаются относительной стабильностью. Такой дисбаланс может быть связан как с внутриводоемными процессами, так и с “перемещением” источников загрязнения ближе к береговой зоне водохранилища.

Несомненно, обсуждаемая в данной работе проблема перераспределения источников загрязнения требует дальнейших исследований и более детального обоснования факторов формирования и интенсивности биогенного стока.

ВЫВОДЫ

Иваньковское водохранилище с 1980-х гг. характеризуется как эвтрофный водоем. Поэтому особую актуальность приобретают экспериментальные исследования процессов формирования потоков биогенных элементов в системе водосбор – грунтовые воды – водоем. На водосборе рассматривались основные диффузные источники загрязнения водоема биогенными элементами.

Изучение многолетней (с 1981 по 2019 г.) динамики параметров биогенного стока в каждом блоке исследуемой системы позволяет сделать следующие выводы.

С конца 1980-х гг. по настоящее время в летнюю межень в грунтовых водах аллювиальных и флювиогляциальных водоносных горизонтов водосбора Иваньковского водохранилища, несмотря на значительное снижение сельскохозяйственной нагрузки площадей удобряемой пашни и доз внесения удобрений, наблюдается увеличение концентраций N-NO₃ – в 2–2.5, Р-РО₄ – в 3–4 раза; концентрации N-NH₄ уменьшаются.

Картографический анализ загрязненности грунтовых вод биогенными элементами показал смещение области загрязненных грунтовых вод с правобережья Верхневолжского плеса (район с. Городня) и правобережья Шошинского плеса водохранилища (с. Завидово, с. Мокшино), где раньше находились птицефабрики, на сельхозугодья комплекса “Агропромкомплектация”, использующего ежегодно высокие дозы минеральных и органических удобрений.

Результаты площадных гидрохимических съемок грунтовых вод разных временных периодов: конца 1980-х, 1990-х и 2010-х гг. показали, что в последние годы наибольшее загрязнение грунтовых вод биогенными элементами приурочено к прибрежной зоне водохранилища.

В прибрежной зоне Иваньковского водохранилища к настоящему времени сформировался новый источник загрязнения поверхностных и грунтовых вод диффузного характера – коттеджно-дачная застройка с положительной многолетней динамикой застроенных площадей и вытекающими негативными экологическими последствиями. Соответственно, в этих районах стали наблюдаться максимальные концентрации биогенных элементов в грунтовых водах.

Увеличение выноса биогенных элементов с грунтовыми водами при критической величине соотношения азота и фосфора может ускорить развитие процессов эвтрофикации Иваньковского водохранилища.

Анализ многолетних баз данных качества воды Иваньковского водохранилища показал, что после некоторого снижения концентраций минерального фосфора с 2014 г. они снова стали возрастать.

В результате многолетних исследований разработана система научного мониторинга с обоснованием пунктов наблюдений за уровенным режимом и качеством грунтовых вод.