Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАЛЫХ РЕК В БАССЕЙНАХ С РАЗЛИЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ)

Суханова М.П. 1
1 Национальный исследовательский университет «Белгородский государственный университет»
Рассмотрены особенности химического состава вод в малых реках Белгородской области, отличающихся реализуемой в пределах их бассейнов хозяйственной деятельностью: рр. Везелка, Осколец, Халань. Анализ проводился по совокупности 10 гидрохимических показателей. Методом кластерного анализа выявлены пространственные различия химического состава воды рек этих бассейнов. На основе анализа территориальной структуры бассейнов рек выделены каскадные системы, соответствующие участкам с различной степенью экологической напряженности / благополучия (защищенности). Пространственная организация рек как каскадных гидрохимических систем является реакцией на антропогенную трансформацию участков водосбора и должна быть учтена при планировании мониторинговых исследований и эколого-реабилитационных мероприятий.
малые реки
городской ландшафт
горнопромышленная зона
агроландшафт
гидрохимические каскадные системы
пространственная изменчивость
кластерный анализ
экологическая напряженность
экологическая защищенность
1. Елпатьевский П.В. Геохимия миграционных потоков в природно-техногенных геосистемах. – М.: Наука, 1993. – 252 с.
2. Ким Дж.-О., Мьюллер Ч.У., Клекка У.Р. и др. Факторный, дискриминантный и кластерный анализ: пер. с англ. – М.: Финансы и статистика, 1989. – 215 с.
3. Московченко Д.В., Пуртов В.А., Завьялова И.В. Гидрохимическая характеристика водосборных бассейнов Ханты-Мансийского автономного округа // Вестник экологии, лесоведения и ландшафтоведения. Вып. 8. – Тюмень: ИПОС СО РАН, 2007 – С. 141–148.
4. Парфенова Г.К. Эволюция техногенеза гидрохимических показателей качества вод урбанизированных территорий (на примере бассейна Верхней Оби): автореф. дис. ... д-ра геогр. наук: 25.00.27. – Томск: 2004. – 38 с.
5. Прядко М.П., Голеусов П.В. Особенности трансформации гидрохимического режима функционирования малых городских рек // Проблемы региональной экологии. – 2011. – № 2. – С. 36–40.
6. Рохмистров В.Л. Малые реки Ярославского Поволжья. – Ярославль: Издание ВВО РЭА, 2004. – 54 с.

Возрастание темпов антропогенного воздействия на природные геосистемы, сопровождающегося введением в биохимические миграционные циклы и трофические цепи элементов в количествах и соотношениях, не соответствующих сложившемуся «геохимическому гомеостазу», приводит к быстрой трансформации эколого-геохимических факторов среды [1]. Согласно бассейновой структуре организации ландшафтов значительная часть химических веществ с территории водосбора поступает в конечные водоемы стока. Гидрохимические характеристики потоковых структур поверхностного и в конечном итоге речного стока, отражают, таким образом, геохимические особенности водосборных территорий. Это обусловливает актуальность исследования пространственной динамики гидрохимических показателей качества вод [4; 6]. Даже на протяжении сравнительно небольших бассейнов малых рек заметны существенные пространственные различия химического состава вод [5]. Речные воды представляют собой сложную динамическую среду, состав которой отражает условия формирования и протекания природно-антропогенных процессов, происходящий в бассейне реки [3]. Один из способов оценки этого воздействия – анализ пространственных особенностей набора гидрохимических параметров, выступающих в качестве индикаторов здоровья речной экосистемы.

Цель данного исследования – выявление пространственных различий гидрохимических характеристик малых рек, сток которых формируется в бассейнах с различными типами (системами) природопользования.

Материалы и методы исследования

Территория Белгородской области отличается разнообразием природно-антропогенных ландшафтов, в условиях которых реализуются различные системы природопользования. С учётом региональной специфики, площади распространения и важности для формирования речного стока наибольшее значение имеют системы сельскохозяйственного, промышленного и селитебного природопользования. В качестве объектов на предмет исследования гидрохимических характеристик речных вод и их пространственных различий нами были выбраны малые реки трех бассейнов Белгородской области, отличающихся преобладанием одного типа природопользования и соответствующих ему ландшафтов: селитебных сельских и городских (бассейн р. Везелка), горнопромышленной зоны (бассейн р. Осколец) и агроландшафтов (бассейн р. Халань).

Р. Везелка (длина 26,7 км, площадь бассейна 407,7 км2) протекает в Белгородском районе Белгородской области, является правым притоком р. Северский Донец (Донской бассейн). В р. Везелка, на всем протяжении испытывающей влияние населенных пунктов, были выделены 19 точек пробоотбора, включая фоновый объект – родник в с. Пушкарное Белгородского района. Местоположения створов были обоснованы путем анализа геоэкологической ситуации в ее бассейне, а также с учетом антропогенных модификаций ее русла, произведенных в начале 1980-х годов, когда в его городском отрезке были произведены гидротехнические работы. В результате русло представляет собой каскад расширений с замедленным водообменом. Эти расширения играют противопаводковую роль, а также принимают поверхностный сток с городской части бассейна, способствуют осаждению взвешенных частиц, т.е. представляют собой природно-антропогенные очистные сооружения. На рис. 1, а представлена карта части бассейна р. Везелка с обозначением участков пробоотбора. Городской участок реки с каскадом искусственных расширений и расположенными после каждого из них створами отображен отдельной врезкой (рис. 1, б).

Р. Осколец (длина 44,8 км, площадь водосборного бассейна 520,4 км²) протекает по территории Губкинского городского округа, Старооскольского района и города Старый Оскол в Белгородской области, является правым притоком р. Оскол (Донской бассейн). Геоэкологическая ситуация в бассейне р. Осколец определяется совокупностью антропогенного преобразования территории, определяемого различными системами природопользования, преимущественно селитебного и горнопромышленного. Основная проблема связана прежде всего с влиянием горнодобывающей промышленности в Губкинском и Старооскольском районах. В пределах водосбора р. Осколец находятся два крупных железорудных карьера – Лебединского и Стойленского ГОКов, известных на всю страну своей производительностью. По результатам анализа геоэкологической ситуации в бассейне реки были выбраны местоположения створов для отбора проб воды с целью последующего гидрохимического анализа. На рис. 1, в представлена карта части бассейна р. Осколец с обозначением участков пробоотбора. Было выделено 14 створов, включая фоновый объект – родник в с. Петровки.

Р. Халань (длина реки 34,5 км, площадь водосборного бассейна 286,5 км²) протекает в Корочанском и Чернянском районах Белгородской области, является правым притоком р. Оскол (Донской бассейн). Антропогенное влияние на качество воды р. Халань связано в первую очередь с сельскохозяйственной деятельностью в ее бассейне. Река протекает преимущественно по аграрной территории – большую часть ее бассейна занимают сельскохозяйственные угодья. На рис. 1, г представлена карта части бассейна р. Халань с обозначением участков пробоотбора. Было выделено 9 створов. Их местоположения обусловлены результатами анализа геоэкологической обстановки в бассейне реки: створы выбраны в соответствии с нахождением населенных пунктов, а также приурочены к участкам, расположенным на «выходах» из прудов (створы Х2 и Х4) и после впадения притоков в р. Халань (створы Х3 и Х8). В качестве фонового объекта был взят родник в районе сёл Прилепы и Ковылено.

В августе 2011 г. и августе 2012 г. были проведены гидрохимические анализы трех исследуемых малых рек. При выборе гидрохимических характеристик рек предпочтение отдавали общим показателям. В качестве гидрохимических индикаторов были выбраны следующие показатели качества воды (с указанием методов их определения): водородный показатель pH, окислительно-восстановительный потенциал Eh, ион аммония (NH4+) – потенциометрическим методом с помощью анализатора «ЭКОТЕСТ-120»), растворенный кислород – амперометрическим методом с использованием анализатора «ЭКОТЕСТ-2000»; общая минерализация – кондуктометрическим методом с помощью анализатора WTW Cond 3110; перманганатная окисляемость – титриметрическим методом; тяжелые металлы (Pb, Zn, Cu) – вольтамперометрическим методом с помощью полярографа АВС-1.1; железо общее (Feобщ) – спектрофотометрическим методом на спектрофотометре UNICO 2804.

В день пробоотбора проводился анализ воды на pH, Eh, минерализацию, содержание растворенного кислорода, азота аммонийного. Измерения окисляемости проводились на второй день после отбора проб в лабораторных условиях. Для вольтамперометрического (на определение содержания свинца, меди и цинка) и спектрофотометрического анализа (на определение содержания железа общего) пробы воды консервировались добавлением концентрированной азотной кислоты (2:500 мл).

Картирование фрагментов бассейнов рек с обозначением точек пробоотбора осуществлялось с использованием компьютерной программы MapInfo Professional 10.0.1.

Для выявления пространственных различий гидрохимических характеристик рек использовали кластерный анализ (программа STATISTICA 6.0). Для более четкого выделения кластеров использовали метод Уорда, который позволяет «расширять» признаковое пространство [2]. В качестве меры различий использовали Евклидово расстояние.

В таблице представлены данные гидрохимических наблюдений трех исследуемых бассейнов рек по определяемым показателям качества.

pic_90.tif

а б

pic_92.tif

в

pic_92.tif

г

pic_93.tif

Рис. 1. Части бассейнов рр. Везелка (а) и ее городского участка (б), Осколец (в), Халань (г) с обозначением расположения контрольных створов – участков пробоотбора воды

Результаты исследования и их обсуждение

Для пространственного анализа гидрохимических показателей в реках целесообразно определить общность характеристик последовательности контрольных створов как замыкающих элементов каскадных систем водосбора. Выделение большого количества контрольных створов позволило выявить пространственные различия гидрохимических характеристик участков рр. Везелка, Осколец и Халань. Методом кластерного анализа были обработаны данные гидрохимических исследований за два периода наблюдений: август 2011 г. и август 2012 г.

На рис. 2 представлен результат кластерного анализа массива гидрохимических данных для р. Везелка.

Гидрохимические показатели качества рр. Везелка, Осколец, Халань за два периода наблюдений (август 2011 г. и август 2012 г.)

Обозначение створа

pH, ед.

Eh, мВ

Растворенный кислород, мг/л

Минерализация, мг/л

Ион аммония, мг/л

Окисляемость, мг/л О

Тяжелые металлы, мг/л

Железо общ.

Медь

Свинец

Цинк

2011

2012

2012

2011

2012

2011

2012

2011

2012

2011

2012

2011

2012

2011

2012

2011

2012

2011

2012

р. Везелка

В1

7,44

7

215

1,8

1

916

907

0,049

0,025

3,54

3,30

0,053

0,053

0,0052

0,0181

0,0073

0,0054

0,0015

0

В2

7,75

7,43

238

2

1,15

1065

1065

0,059

0,036

11,19

8,94

0,397

0,38

0,0066

0,0201

0,0064

0,0045

0

0

В3

7,56

7,91

223

5,65

5,6

1088

1091

0,063

0,028

9,26

8,46

0,331

0,238

0,0107

0,0325

0,0069

0,0059

0

0

Фон

7,8

6,98

257

2,54

1,83

829

862

0

0

2,90

8,62

0,003

0

0,005

0,0206

0,0058

0,0072

0,0005

0

В4

8,31

8,02

237

3,6

8,87

1031

1088

0,073

0,029

5,40

7,33

0,543

0,395

0,0651

0,0395

0,0094

0,0075

0

0,0082

В5

8,05

8,03

243

8,82

3,75

887

825

0,020

0,034

5,56

2,66

0,153

0,102

0,1162

0,0270

0,0084

0,0058

0,0162

0

В6

8,11

235

6,43

954

0,027

4,75

0,443

0,0318

0,0075

0

В7

8,65

8

241

5,72

3,75

904

942

0,069

0

4,75

5,56

0,167

0,111

0,0082

0,0225

0,0062

0,004

0,0032

0

В8

8,32

8,24

252

5,32

6,92

904

941

0,009

0

3,70

5,07

0,201

0,1

0,0033

0,0087

0,0051

0,0026

0

0

В9

8,5

8,07

261

5

7,75

907

950

0,009

0,018

5,15

5,48

0,127

0,1

0,0071

0,0108

0,0082

0,003

0

0,0080

В10

8,34

8,13

237

8,71

6,7

836

938

0,078

0,046

8,62

8,54

0,177

0,431

0,007

0,0002

0,0074

0,0019

0

0,0323

В11

8,18

7,75

258

8,16

5,1

745

848

0,02

0

9,10

8,94

0,114

0,132

0,0202

0,0036

0,0079

0,0019

0,0505

0,0015

В12

8,15

7,94

259

5,96

4,9

693

683

0,016

0

6,77

7,01

0,11

0,108

0,0036

0,0177

0,0057

0,0043

0,0109

0,0303

В13

8,63

8,05

248

9,54

7,14

703

637

0,04

0,027

5,32

7,09

0,132

0,143

0,0023

0,0194

0,0057

0,0053

0

0,0049

В14

8,9

8,43

240

9,9

8,22

739

640

0,08

0,151

7,65

6,52

0,192

0,14

0,0032

0,0057

0,0055

0,0018

0

0,0057

В15

8,63

8

238

8,53

7,51

761

604

0,32

0,237

9,18

8,13

0,266

0,17

0,0107

0,0056

0,0057

0,0047

0

0,0322

В16

8,46

8,37

250

7,97

9,78

775

605

0,56

0,469

6,36

8,86

0,311

0,242

0,036

0,0033

0,0059

0,0026

0

0

В17

8,6

7,8

240

8,79

4,94

792

599

0,401

0,413

9,83

8,62

0,302

0,15

0,1558

0,0033

0,0157

0,0038

0,1922

0

В18

8,27

8,22

242

4,53

7,91

781

686

0,431

0,420

10,15

6,77

0,245

0,227

0,0346

0,0045

0,0083

0,0039

0

0

р. Осколец

Фон

7,13

295

3,49

775

0

1,37

0,072

0,0067

0,0223

0,0147

О1

7,27

7,18

297

3,1

3,23

773

745

0,6

0,033

2,90

2,01

0,132

0,522

0,01

0,0058

0,005

0,0082

0,1312

0

О2

7,67

7,89

261

4,34

4,5

812

782

0,012

0,037

9,58

7,41

0,239

0,228

0,0072

0,0021

0,0107

0,0043

0,0193

0

О3

7,3

7,55

261

4,5

2,15

681

504

0,04

0,065

11,11

7,33

0,403

0,176

0,0078

0,0076

0,0118

0,0182

0,0823

0

О4

8,13

7,93

260

4,9

5,18

725

715

0,014

0,032

4,19

2,82

0,18

0,295

0,0203

0,0088

0,0099

0,0124

0,0725

0

О5

7,86

7,95

113

6,32

6,02

662

653

0,072

0,067

7,17

4,11

0,154

0,083

0,0169

0,0062

0,0063

0,0229

0,1965

0,0345

О6

7,62

7,92

240

4,24

5,63

726

833

0,041

0,003

6,77

6,28

0,355

0,292

0,0188

0,0065

0,0207

0,0166

0,1032

0,1062

О7

7,6

7,65

241

4,16

3,75

853

888

0,025

0,018

6,20

2,82

0,308

0,163

0,0101

0,0051

0

0,0148

0

0,0054

О8

7,54

8,01

246

6,92

6,89

887

890

0,029

0,065

6,36

2,50

0,225

0,13

0,0104

0,0039

0

0,0074

0,0018

0,0184

О9

7,05

7,96

263

5,54

5,51

898

893

0,028

0,007

5,80

2,90

0,247

0,145

0,0165

0,0061

0,0282

0,0285

0,1367

0,0048

О10

7,6

7,87

250

4,8

5,35

847

896

0,065

0,053

8,30

3,30

0,104

0,13

0,0063

0,0052

0

0,0102

0

0

О11

9,67

8,27

234

17,5

8,82

664

803

0,02

0,054

6,36

6,60

0,078

0,106

0,0101

0,0052

0,0027

0,0245

0,0664

0,0201

О12

8,92

7,85

253

12,38

8,07

663

775

0,015

0,03

7,09

6,12

0,181

0,127

0,0099

0,0057

0,0069

0,0113

0,0958

0,0236

О13

7,7

7,55

250

4,9

4,15

672

632

0,03

0,046

6,68

4,83

0,162

0,126

0,0139

0,0074

0,0117

0,0292

0,0573

0,0315

р. Халань

Х1

7,67

7,05

162

3,4

6,06

696

691

0,005

0,008

2,09

1,21

0

0,031

0,0149

0,0122

0,0074

0,0024

0,0304

0

Х2

8,41

7,47

108

3,4

2,05

618

689

0,032

0,041

6,20

5,48

0,497

0,554

0,0059

0,0276

0,0104

0,0056

0,0024

0,0047

Х3

7,17

7,41

265

3,9

6,6

793

777

0,063

0,015

3,06

3,46

0,166

0,237

0

0,0265

0,0036

0,0054

0,0505

0

Х4

8,18

7,78

243

3,51

6,18

520

477

0,012

0,023

5,88

7,49

0,98

0,471

0

0,0034

0,008

0,0066

0

0

Х5

8,33

7,61

272

10,84

7,73

725

770

0,001

0,004

6,20

6,04

0,728

0,529

0

0,0106

0,0054

0,0047

0

0

Х6

8,8

7,87

243

10,2

7,91

761

816

0,013

0,035

7,73

6,28

0,65

0,161

0,0314

0,0084

0,0089

0,0031

0

0

Х7

8,76

8,02

270

7,5

6,79

773

824

0,048

0,022

6,68

6,28

0,403

0,171

0,0077

0,0351

0,0056

0,007

0

0,0023

Х8

8,73

8,08

280

7,05

6,77

771

826

0,068

0,035

7,01

6,28

0,235

0,162

0,013

0,0319

0,0049

0,0052

0,0051

0

Х9

9

7,97

295

6,16

6,22

772

829

0,089

0,03

6,93

5,96

0,231

0,193

0,0739

0,0211

0,0091

0,0057

0

0

Фон

7,14

–8,2

4,16

739

0

1,13

0,027

0,0113

0,0041

0,0133

Примечание. «–» – нет данных.

pic_94.wmf

Рис. 2. Результат кластер-анализа массивов гидрохимических данных, сгруппированных по точкам отбора проб (р. Везелка)

По результатам кластерного анализа на р. Везелка четко можно выделить 3 каскадные системы, различающиеся гидрохимическими показателями:

1) начальная, соответствующая участку бассейна с сельским типом расселения (створы В2-В4);

2) средняя, с преимущественно пригородным типом расселения (створы В7-В11, а также В1, В5 и фон);

3) приустьевая, с городским типом застройки (створы В12-В18).

Створ В6 расположен на русле р. Везелка сразу после впадения в нее относительно крупного притока – р. Искринка, протекающей с севера на юг в северной части бассейна. По результатам кластерного анализа данный створ вынесен в отдельный гидрохимический участок.

Выделенные три каскадные системы можно отнести к «сельской», «пригородной» и «городской» гидрохимическим системам соответственно. Различия по совокупности гидрохимических показателей могут быть связаны с характером застройки территории бассейна («сельский», «пригородный» и «городской» тип) и, как следствие, с характером использования территории и антропогенного воздействия на водосбор. При этом наиболее значимые различия наблюдаются между приустьевой каскадной системой и объединенными начальной и средней системами. Эти отличия могут быть связаны также с тем, что при переходе из средней в приустьевую систему водосбора русло реки существенно преобразовано и в «городском» типе застройки представлено каскадом техногенных водоемов – расширений и углублений русла (рис. 1, б). Такая неоднородная морфология русла определяет неравномерную скорость течения реки и, как следствие, различия в процессах трансформации гидрохимических компонентов.

Следует указать, что к средней каскадной системе оказались близки створы В1, расположенный у истока р. Везелка, В5 – створ на р. Искринка перед ее впадением в р. Везелка и фоновый объект – родник. В действительности участки бассейна с расположением на них данных створов сложно отнести к «сельскому» или к «городскому» типам использования территории. Участок реки со створом В1, являющийся начальным и расположенный в верховьях р. Везелка, как и фоновый объект, представлены родниковой водой и не испытывают существенного влияния поверхностного стока с территории сельской местности, в пределах которой они расположены. Но при этом по определенным гидрохимическим характеристикам вода данных участков реки близка к речной воде «пригородной» каскадной системы, к которой относится и створ В5, расположенный на р. Искринка, в своем нижнем течении протекающей в условиях пригородной застройки. Исходя из этого, можно сделать вывод, что после слияния рр. Везелка и Искринка средняя, или «пригородная», каскадная система водосбора по своим гидрохимическим характеристикам близка к фоновым значениям, сохраняющимся вплоть до «городской» каскадной системы.

Результаты кластерного анализа по гидрохимическим характеристикам р. Везелка позволяют разделить бассейн по степени экологической напряженности на три зоны. К первой, с относительно благоприятной экологической ситуацией, относится средняя, или «пригородная», каскадная гидрохимическая система. Ее формируют такие показатели, как средний уровень минерализации (близкий к фоновому), относительно низкие содержания иона аммония и тяжелых металлов, в том числе железа общего, а также невысокие значения окисляемости. Ко второй зоне – со средней экологической напряженностью – относится начальная, или «сельская» каскадная система. От первой ее отличают более высокие значения тех же самых показателей качества, за исключением окисляемости, а также пониженное содержание растворенного кислорода, по сравнению с двумя другими каскадными системами. К третьей зоне – с высокой экологической напряженностью – относится приустьевая, или «городская», гидрохимическая система водосбора реки. Ее формируют высокие показатели pH, повышенное содержание иона аммония и железа общего, особенно в 2011 году (таблица).

Гидрохимические особенности функционирования р. Везелка обусловлены как влиянием естественных угодий и агроландшафтов (на начальном отрезке течения), так и ее городским статусом (в приустьевой части) на значительной протяженности ее водосбора. Эколого-гидрохимические проблемы реки связаны, прежде всего, с сильной техногенной нагрузкой на водосбор в пределах городской агломерации. С одной стороны, каскад искусственных водоемов выполняет функцию первичных отстойников, в которых происходит осаждение взвешенных и коллоидных веществ, попадающих в реку с водосбора. Однако, с другой стороны, донные отложения таких водоемов являются потенциальными источниками вторичного загрязнения реки.

На рис. 3 представлен результат кластерного анализа массива гидрохимических данных для р. Осколец.

pic_95.wmf

Рис. 3. Результаты кластер-анализа массивов гидрохимических данных, сгруппированных по точкам отбора проб (р. Осколец)

На р. Осколец отчетливо выделяется каскадная гидрохимическая система – участок реки, объединяемый створами О7-О10 и подверженный стоку, формируемому горнодобывающими комплексами Лебединского и Стойленского ГОКов. Данный участок бассейна можно условно отнести к «горнопромышленной» гидрохимической системе. Остальные выделенные кластеры представлены каскадными системами, располагающимися на различных по характеру использования участках бассейна. Объединение их в группы объясняется сходной реакцией речной системы на геоэкологическую ситуацию.

Один из кластеров образован отдельно лежащими друг от друга створами: О3, расположенном на «выходе» из крупного пруда в с. Осколец; О5, расположенном на русле реки на границе городской (г. Губкин) и сельской (пос. Салтыково) местностей; О13 – устье р. Осколец в его месте впадения в р. Оскол в сельской местности на окраине г. Старый Оскол (рис. 1, в). Общими для этих трех участков является близость сельской и городской (створы О5 и О13) местностей, что могло послужить основным критерием их объединения в один кластер, характеризующийся селитебным характером природопользования.

Ещё один кластер, представленный остальными шестью створами, можно разделить еще на две подгруппы: первая (створы О1, О2 и О4) начальный участок бассейна р. Осколец – расположена в сельской местности (сс. Петровки, Осколец и Кандаурово, соответственно) – определим ее как «сельская» подсистема; вторая (створы О6, О11 и О12) расположена в городской местности (г. Губкин – створ О6, г. Старый Оскол – О11 и О12) – «городская» гидрохимическая подсистема. Последние два створа второй подсистемы являются «выходами» из двух крупных городских прудов, в которых происходит отстаивание и, соответственно, частичное очищение речной воды. Участок реки со створом О6 «городской» подсистемы располагается в условиях промышленной застройки г. Губкин, однако непосредственно русло реки в данном месте находится в условиях естественной растительности на достаточно широкой территории, что могло активизировать естественные процессы самоочищения. Таким образом, «городскую» каскадную подсистему можно отнести к территории бассейна с относительной экологической защищенностью. Ее формируют довольно высокие содержания растворенного кислорода, пониженная минерализация (особенно в 2011 году), невысокие концентрации тяжелых металлов (за исключением железа общего в створе О6 в 2011 году, где оно превышает ПДК). На втором месте по данному критерию – «сельская» каскадная гидрохимическая подсистема. От «городской» ее отличают более низкие содержания растворенного кислорода и более высокая минерализация; в отношении тяжелых металлов похожая ситуация: в одном створе (О1, 2012 г.) наблюдается повышенная концентрация железа общего, многократно превышающая ПДК; кроме того, данный створ формируют относительно низкие содержания иона аммония и в целом более низкая окисляемость (за исключением створа О2) (таблица).

«Сельско-городская» система (со створами О3, О5, О13) относится к территории со средней экологической напряженностью. Она отличается более высокими показателями содержания иона аммония, а также превышением ПДК по железу общем в створе О3 (2011 г.). Наконец, «горнопромышленная» система характеризуется высокой экологической напряженностью. Ее формируют более высокая минерализация, в сравнении с остальными системами, хотя концентрации тяжелых металлов существенных отличий от других зон не имеют (содержание железа общего в целом повышено в каждой из каскадных систем с превышением ПДК в отдельных створах) (таблица).

Степень загрязнения р. Осколец по разным показателям может иметь неоднозначную оценку. Это связано со спецификой антропогенного воздействия в бассейне реки, которое включает в себя и сельскохозяйственную составляющую, и влияние городской среды (г. Губкин и Старый Оскол), и негативное воздействие горнопромышленной деятельности. Однако если влияние агроландшафтов проявляется преимущественно на начальном отрезке течения реки, а воздействие ГОКов – на всем остальном протяжении реки, то селитебный ландшафт в данном случае способствует снижению концентрации примесей.

На рис. 4 представлен результат кластерного анализа массива гидрохимических данных для р. Халань.

pic_96.wmf

Рис. 4. Результаты кластер-анализа массивов гидрохимических данных, сгруппированных по точкам отбора проб (р. Халань)

В бассейне р. Халань по результатам кластерного анализа можно выделить как минимум три каскадные гидрохимические системы:

1) начальная (створы Х1, Х2 и Х4);

2) средняя, разделенная двумя створами: Х3 и Х5;

3) приустьевая (створы Х6-Х9).

Поскольку р. Халань практически на всем своем протяжении протекает в условиях сельской местности и в ее бассейне реализована исключительно сельскохозяйственная деятельность, то выделенные каскадные системы нельзя разделить на «сельские» и «городские» – они представлены лишь сельским типом, а отличия между ними могут быть обусловлены геоэкологическими характеристиками и особенностями использования различных участков реки.

Начальная гидрохимическая система соответствует верховьям р. Халань (створы Х1 и Х2). Исток реки расположен в условиях относительной экологической защищенности: болотистая местность, по которой протекает начальный отрезок реки, является естественным фильтром, частично отчищающим от примесей поверхностный сток с территории сельскохозяйственных угодий, заполняющих более половины площади всего бассейна. Далее данный участок реки переходит в расширение русла – пруд в с. Большая Халань, в котором действуют физические процессы самоочищения реки. В данную гидрохимическую систему попадает также и участок реки со створом Х4, который объединен с первыми двумя на довольно большом расстоянии объединения (рис. 4). Створ Х4, как и створ Х2, также является «выходом» из пруда, что могло повлиять на сходство гидрохимических характеристик. Отличают данный участок реки высокие концентрации железа общего, многократно превышающие ПДК (таблица).

Средняя гидрохимическая система представлена двумя отдельно лежащими друг от друга участками бассейна р. Халань: первый из них (участок реки со створом Х3) расположен в условиях заболоченности после впадения в р. Халань небольшого правого притока, также протекающего по заболоченной местности; второй участок расположен в сельской местности после прохождения реки по большой по протяженности болотистой местности. При этом данная система характеризуется нестабильной геоэкологической обстановкой в отношении гидрохимических параметров. В частности, участок реки со створом Х5 отличается низкими концентрациями иона аммония и минерализации, но высоким содержанием ионов железа общего, многократно превышающим ПДК (таблица).

Приустьевая каскадная гидрохимическая система соответствует участку реки, простирающемуся от с. Ковылено до устья р. Халань (до ее впадения в р. Оскол перед пос. Чернянка). Объединяющим гидрохимическим фактором для данной системы является закономерное повышение к устью некоторых показателей, в частности pH, Eh, иона аммония, окисляемости и минерализации вместе с понижением концентрации растворенного кислорода, что в совокупности говорит об ухудшении экологической обстановки в данной части бассейна. Однако при этом здесь отмечается понижение в реке концентрации ионов железа общего до уровня ниже ПДК, что говорит о процессах самоочищения реки от данного тяжелого металла и стабилизации экологической обстановки в отношении данного показателя (таблица).

Среднюю и приустьевую гидрохимические системы в итоге можно объединить в одну (по результатам кластерного анализа они находятся на близком расстоянии объединения (рис. 4)), характеризующуюся нестабильной геоэкологической обстановкой и, соответственно, отнести к территории со средней экологической напряженностью. Эти две системы (средняя и приустьевая) сильно отличаются от начальной, которую, соответственно, можно отнести к территории с относительной экологической защищенностью. Начальную каскадную систему формируют относительно низкие уровни минерализации наряду с повышенными концентрациями железа общего в отдельных створах (таблица).

Эколого-гидрохимическая характеристика р. Халань и результаты кластерного анализа по описанным гидрохимическим параметрам позволяют сделать вывод о том, что данная река, принимая стоки с сельскохозяйственных угодий, расположенных в пределах ее водосбора, в этой связи ухудшает качество воды в своем нижнем течении, судя по возрастанию показателей pH, Eh, иона аммония и окисляемости к устью реки (таблица). Однако загрязнение реки в большей мере обусловлено естественными факторами, связанными прежде всего с заболоченностью большей части поймы, а также с распространением в бассейне серых лесных почв, характеризующихся повышенным содержанием подвижного железа, что в совокупности способствует аномально высоким концентрациям растворенного железа в начальном и среднем течении реки (таблица).

Заключение

Эколого-гидрохимический анализ малых рек трех различных систем природопользования позволил выявить особенности пространственного распределения гидрохимических компонентов. В соответствии с характером антропогенной трансформации водосбора каждой реки, а также с естественными геоэкологическими факторами наблюдаются характерные для отдельного вида природопользования изменения совокупности гидрохимических параметров. Пространственная изменчивость гидрохимических показателей малых рек различных ландшафтов обусловлена комплексным функционированием бассейновых геосистем а также импактным воздействием источников загрязнения горнопромышленных, урбо- и агрогеосистем и формирует информационную основу для разработки эколого-реабилитационных мероприятий в бассейнах малых рек.

Разделение речного русла на гидрохимические каскадные системы позволяет, во-первых, выделить участки рек с различной экологической напряженностью или защищенностью и тем самым уделить особое внимание более уязвимым в экологическом отношении участкам при проектировании эколого-реабилитационных мероприятий; во-вторых, при дальнейшем исследовании пространственных различий гидрохимических характеристик реки выбрать наиболее информативные в данном отношении створы, которыми должны быть, как правило, замыкающие створы каждой из каскадных систем.


Библиографическая ссылка

Суханова М.П. АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАЛЫХ РЕК В БАССЕЙНАХ С РАЗЛИЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ) // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 4. – С. 188-196;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35886 (дата обращения: 28.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674