Введение
Актуальность проблемы загрязнения речных экосистем существенно возросла в связи с нарастающим дефицитом пресных вод [1; 2], связанным в том числе с изменением климата, обмелением рек, изменением их гидрохимического состава. Решение проблемы загрязнения рек требует комплексного подхода к их мониторингу в связи с увеличением числа факторов, влияющих на состав вод [3; 4]. Малые реки являются формирующим звеном более крупных речных экосистем, поэтому их изучение является актуальным направлением гидрохимических исследований [5–7]. Антропогенное воздействие на малые реки, увеличение количества неочищаемых стоков, строительство плотин и изменение русел приводит к серьезным изменениям в гидрологическом и гидрохимическом режиме рек, качестве вод, возможности их использования для питьевых и технических целей [8]. Низкая способность к самоочищению, связанная, в частности, с относительно небольшой площадью малых рек, низкой скоростью движения водных масс, а на некоторых участках – ее отсутствие делает их более уязвимыми к загрязнениям, приводит к преждевременному переходу рек в фазу старения: снижению водности, интенсификации эвтрофирования и т.п. [9]. Эти факторы приводят к распространению в воде опасных патогенов и поллютантов, многие речные воды невозможно использовать в связи с риском для здоровья человека, значительно снижается качество растительной, животной и рыбной продукции.
На юге Западной Сибири имеется большое количество рек разного масштаба, играющих важную роль в водообеспечении региона. Гидрологическая сеть региона широка и разнообразна и включает в том числе большое количество малых рек, формирующих водный ресурс более крупных рек. Например, одним из левых притоков р. Ишим является малая река Ик (длина реки 118 км) и ее приток (р. Черемшанка), бассейн которой расположен на границе лесостепной и подтаежной зон Западно-Сибирской равнины. Водосборная площадь (2830 км2) реки имеет довольно высокую заболоченность (10–15 %). На берегах реки расположено значительное количество небольших поселений, вблизи которых открытые участки используются под пашни, сенокос и выгон. Грунты бассейна суглинистые и торфяные. Стационарные наблюдения на р. Ик по ограниченному числу гидрохимических показателей проводились в 1964–1967 гг. у с. Готопутово [10, c. 326–327], которые в 1967 г. были закрыты в связи с возведением плотин на реке. В 1991 г. авторами [11] проведено гидрологическое описание реки, потенциальных источников загрязнения, определен гидрохимический состав вод (у д. Боково), которая расположена несколько ниже с. Готопутово. Проведение мониторинга реки, даже малой, в одной точке не позволяет получить информацию о динамике изменения состава вод реки на всей ее протяженности, установить источники загрязнения рек и оценить способность реки к самоочищению. Кроме того, отбор проб в различных точках также может привести к невозможности сопоставления результатов, полученных в разное время, что затрудняет мониторинг рек в связи с отсутствием стационарных пунктов наблюдений. Однако наличие даже столь скудных данных позволит оценить характер происходящих изменений в качестве вод малых рек данного региона в течение последних 60 лет.
Целью данного исследования являлось изучение особенностей гидрохимического состава вод малой реки Ик на всей ее протяженности, что позволит подойти к мониторингу реки и оценке качества вод и источников ее загрязнения и эвтрофирования за относительно большой промежуток времени.
Для этого пробы воды анализировались на содержание главных ионов и биогенных веществ вблизи населенных пунктов на всем протяжении реки. Определены интегральные показатели качества вод. Проведено сопоставление полученных результатов с полученными ранее [10, с. 325–327, 410–416; 11].
Материалы и методы исследования
Отбор проб воды в р. Ик (т. 1–11) и р. Черемшанка (т. 12) проводился в соответствии с нормативными документами [12, с. 6–127] в 2020 г. вблизи основных населенных пунктов (рис. 1). Пробы были профильтрованы через фильтр «синяя лента». При определении фосфора отдельно проводился анализ воды и взвешенных веществ.
Определение рН проводилось потенциометрически, удельной электропроводности (УЭП) – кондуктометрически, остальные интегральные показатели – методом титрования. Главные ионы, биогенные вещества определяли на установке «Капель-105», фосфаты – фотометрически.
Результаты исследования и их обсуждение
Интегральные показатели качества вод
По течению р. Ик рН воды изменяется незначительно и в среднем составляет 8,37±0,06 (рис. 2, а), то есть воды относятся к классу слабощелочных.
Рис. 1. Карта-схема мест отбора проб воды на р. Ик и ее притоке (р. Черемшанка)
Рис. 2. Распределение значений pH (а), удельной электропроводности УЭП (б) и концентрации взвешенных веществ (в) в р. Ик и Черемшанка
В 1964–1967 гг. значения рН по этой реке отсутствуют, а в 1991 г. у с. Боково [11] рН составляло 7,63±0,20, что свидетельствует о смещении рН в щелочную область в период наблюдений. В р. Ишим рН воды ниже (8,10) [14], то есть вода р. Ик может оказывать влияние на кислотность вод принимающей реки.
Минерализация вод реки Ик (УЭП) изменяется от 850 (у истока) до 450 мкСм/см и в среднем составляет 613±80 мкСм/см (рис. 2, б), то есть уменьшается почти в 2 раза от истока к устью. В этом наблюдается некоторое сходство изменения данного показателя в другом притоке р. Ишим – р. Барсук [9]. На всей протяженности реки вода относится к пресным (до 1 г/л). В притоке р. Ик (т. 12, р. Черемшанка) зафиксировано минимальное значение минерализации – 424 мг/л. Река Черемшанка впадает в р. Ик между т. 6 и т. 7, что несколько понижает ее минерализацию. Однако более значительное снижение УЭП наблюдается после т. 10 (с. Березино), где река меняет направление, и к т. 11 (с. Викулово) УЭП уменьшается на 100 мкСм/см. При исследовании вод р. Ик в 1965 г. [10, c. 411] (т. 6, с. Готопутово) минерализация составляла 720 мг/л, сейчас – 620 мг/л, в 1991 г. (т. 7, с. Боково) минерализация вод была почти в 2 раза ниже (400 мг/л), в 2020 г. минерализация снова увеличилась почти в 1,5 раза (590 мг/л), хотя осталась несколько ниже, чем в 1965 г. По данным [13], минерализация вод р. Ишим составляет 690 мг/л, что значительно выше, чем в устье р. Ик.
Содержание взвешенных веществ (ВВ) на всей протяженности реки не превышает установленную норму для поверхностных вод (30 мг/л), но изменяется в широких пределах – от 0,9 до 15,3 мг/л (рис. 2, в). Максимальное содержание взвешенных веществ наблюдается в устье реки – т. 10 и 11, минимальное в т. 2 и 8, а также в р. Черемшанка (т. 12). В 1991 г. содержание ВВ у с. Боково (т. 7) составляло 58 мг/л [11], что превышало норму почти в 2 раза. Столь существенное снижение содержания ВВ за последние 30 лет может быть связано с понижением уровня реки в межень в связи с климатическими факторами и снижением размыва плотин со временем.
Показатель цветности на протяжении реки (рис. 3, а) варьируется в пределах 10 градусов цветности (от 25 до 35) и в среднем составляет 34±4 град. цв. Исключение составляют т. 2 (с. Большое Сорокино) и 12 (р. Черемшанка). В т. 2 это может быть связано с болотным питанием реки на этом участке или антропогенным воздействием, что более вероятно. Причиной может быть резкое изменение формы долины в этой части реки, здесь она перекрыта земляной долиной с отводом воды через две трубы, ее пересекает грунтовая дорога. На этом участке реки наблюдается зарастание, засоренность остатками растительности, отходами с ферм, что также может влиять на цветность и мутность вод. Плотина, расположенная на р. Черемшанка (т. 12), приводит к размыванию берегов в период половодья и приводит к отсутствию стока. Воды малой реки Ик имеют относительно невысокие значения показателя цветности, но для большинства проб она значительно выше значений, характерных для р. Ишим (5 град. цв.) [13], что представляет некоторую опасность загрязнения вод основной реки.
Перманганатная окисляемость (ПО), характеризующая содержание легко окисляемых органических веществ, распределена неравномерно по течению реки (рис. 3, б). В среднем по реке ПО составляет 4,6±1,0 мгО/л, что соответствует нормальным значениям для поверхностных вод (5–12 мгО/л), а в половине точек отбора – ниже 5 мгО/л. Исключением является т. 2 (с. Б. Сорокино), где окисляемость выше средней более чем в 2 раза, что согласуется с величиной цветности.
Содержание растворенного кислорода в р. Ик изменяется от 10 до 15 мг О2/л, среднее значение по реке – 12,7±0,9 мг О2/л (рис. 3, в). Содержание растворенного кислорода в т. 7 (д. Боково) в 1991 г. [11] составляло 8,6±0,9 мг О2/л, к 2020 г. оно увеличилось до 13,1 мг О2/л (почти в 2 раза). Относительно малая цветность воды и величина перманганатной окисляемости, а также высокое содержание растворенного кислорода на протяжении всей р. Ик свидетельствует о незначительном влиянии болотного питания на качество вод или высокой самоочищающей способности реки. В частности, увеличение количества растворенного О2 и снижение концентрации ВВ по сравнению с данными 1991 г. [11] может свидетельствовать о некотором улучшении состояния реки и повышении ее самоочищающей способности.
Рис. 3. Распределение показателя цветности (а), взвешенного вещества (б) и растворенного кислорода (в) в пробах р. Ик и ее притоке
Рис. 4. Распределение содержания главных ионов: (а) катионов, (б) анионов – в пробах р. Ик и Черемшанка
а) б)
в) 
Рис. 5. Диаграммы Толстихина: (а) – в верховье (т. 1–5, внутреннее кольцо) и низовье (т. 6–11) р. Ик в 2020 г.; (б) – у д. Боково (внешнее – 1991 г.; внутреннее – 2020 г.); (в) – у с. Готопутово (внешнее – 1965 г.; внутреннее – 2020 г.)
Гидрохимический состав вод характеризуется содержанием главных ионов (рис. 4). Концентрация ионов натрия (рис. 4, а) в верховье реки до т. 6 довольно высока и находится в пределах от 100 до 160 мг/л. В нижней части реки С(Na+) изменяется незначительно и составляет около 70 мг/л. Минимальное содержание ионов (34,04 мг/л) зафиксировано в р. Черемшанка (т. 12). Это более чем в 2 раза ниже среднего содержания ионов в р. Ик (95,87 мг/л). Содержание ионов Mg2+ и Ca2+ изменяется по течению реки незначительно, однако максимальные содержания ионов (45,4 и 108,3 мг/л соответственно) также зафиксированы у истока, в т. 1 (с. Александровка).
В анионном составе (рис. 4, б) преобладают HCO3--ионы, содержание которых изменяется незначительно и в среднем составляет 450±12 мг/л. Карбонат-ионы были обнаружены в точках отбора 1, 3, 4, 5, 6, 11 и 12. Максимальное содержание (18 мг/л) установлено в т. 3 (д. Стрельцовка). Концентрация Cl- и SO42- снижается, особенно в верховье р. Ик: снижение Cl- – в 3 раза, SO42- – более чем в 6 раз. Аномально низкие значения данных показателей зафиксированы в р. Черемшанка.
Различие в гидрохимическом составе в верховье и низовье р. Ик более наглядно проявляется при построении диаграмм Толстихина для средних значений на этих участках (рис. 5, а). Тип воды на обоих участках гидрокарбонатный натриево-кальциевый, но в низовье гидрокарбонат-ионы абсолютно преобладают (37 %), а в верховье их содержание снижается до 28 %, при этом концентрация Cl- и SO42- увеличивается.
Наличие литературных данных по гидрохимическому составу вод реки в 1991 [11] и 1965 гг. [10, c. 326–327] в средней части (д. Боково и с. Готопутово соответственно) позволило проследить многолетнюю динамику его изменения (рис. 5, б, в). В катионном составе т. 7 (у д. Боково) к 2020 г. значительно увеличилось (в 4 раза) содержание ионов Na+ (рис. 5, б), а Mg2+ и Ca2+ снизилось примерно на 9 %. А в анионном составе изменения не столь значительны, можно отметить значительный рост SO42-. В 1991 г. воды (у д. Боково) относятся к гидрокарбонатно-кальциевым, с высоким содержанием магния. В 2020 г. класс воды не изменился (гидрокарбонатно-кальциевый), но наблюдается высокое содержание ионов Na+. Сопоставление данных 1965 и 2020 гг. было проведено в т. 6 (у с. Готопутово), так как в прошлом изучение состава воды проводилось только в этой точке. В настоящее время состав вод в т. 6 и 7 по ряду показателей различается значительно, что потребовало использования различных данных 2020 г. Наиболее значительные изменения произошли в катионном составе: содержание Na+ увеличилось, а Ca2+ – снизилось более чем в 1,5 раза. В анионном составе изменения незначительны, наблюдается небольшое снижение содержания SO42- и Cl- за счет увеличения доли НСО3-. В 1965 г. воды р. Ик были отнесены к гидрокарбонатно-кальциевым. В 2020 г. тип воды аналогичен, но отмечается высокое содержание ионов Na+ (18 %), соизмеримое с долей кальция (20 %) в катионном составе, то есть в данном случае можно говорить о гидрокарбонатно-кальциево-натриевом типе.
Рис. 6. Распределение содержания: (а) – калия, нитрат-ионов и ионов аммония в воде; (б) – фосфора в пробах воды и взвешенного вещества; (в) – соотношение [N]:[P] в воде
Биогенные элементы определяют, с одной стороны, наличие питательных элементов в воде, с другой, степень эвтрофированности водотока. Средняя концентрация К+ в воде составляет 3,7±0,6 мг/л, но изменяется по течению реки неравномерно (рис. 6, а). Нитрит-ионы в воде не обнаружены. Концентрация ионов аммония не превышает ПДК и в среднем по реке составляет 0,23±0,07 мг/л. Средняя концентрация NO3- в реке составила 4,49±1,41 мг/л. Распределение ионов калия и нитрат-ионов имеет сходный характер. Тренды изменяются по реке трижды: рост – в верховье, относительная стабильность – в средней части реки и уменьшение в низовье. Наиболее ярко эти тренды проявляются для нитратов, что может свидетельствовать о загрязнении реки в т. 3, 4, 10 сельскохозяйственными, бытовыми или животноводческими стоками. Содержание фосфора определялось отдельно в воде и во взвешенном веществе (рис. 6, б). Среднее содержание в воде – 1,04±0,17 мг/л, во взвешенном веществе – 0,51±0,13 мг/л, то есть фосфор мигрирует преимущественно в растворенном виде. Превышение ПДКр-х (0,20 мг/л) в 3–8 раз наблюдалось во всех точках отбора, что значительно выше содержания элемента в 1991 г. – 0,12 мг/л (1,2 ПДК), то есть за последние 30 лет эвтрофирование вод прогрессирует.
Для оценки влияния азота и фосфора на эвтрофирование водного объекта часто используют соотношение N/P, поскольку баланс этих элементов в воде влияет на развитие фитопланктона [14]. Для развития зеленых водорослей требуется преобладание соединений азота, а для сине-зеленых (более токсичных водорослей) – фосфора. Оптимальным считается N/P равное 16, отклонение от которого связывают с развитием соответствующих видов водорослей. В р. Ик данный показатель изменяется от 1 до 5 (рис. 6, в), что существенно ниже оптимального и указывает на преобладающее влияние фосфора в продуцировании биомассы и в процессах эвтрофирования водного объекта. Это при высоком хроническом загрязнении реки вызывает ее зарастание, продуцирование цианобактерий, приводящих к отравлению людей и животных токсинами, а также к гибели рыбы.
Заключение
Вода р. Ик в настоящее время относится к слабощелочным, ее минерализация изменяется от 850 мг/л (у истока) до 450 мг/л (в устье реки). Сопоставление данных 1965, 1991 и 2020 гг. свидетельствует о ритмичности в изменении данного показателя со временем, что может быть связано с климатическими изменениями. Снижение содержания взвешенных веществ в р. Ик в 2020 г., по сравнению с 1991 г., может быть обусловлено значительным обмелением рек в 2020 г., уменьшением скорости водного потока. Увеличение количества растворенного кислорода и снижение концентрации взвешенных веществ по сравнению с данными 1991 г. может свидетельствовать о некотором улучшении состояния реки и повышении ее самоочищающей способности. В реке наблюдается значительное концентрирование фосфора в водорастворимой форме и во взвешенном веществе, которое превышает ПДКр-х во всех точках отбора в 10–25 раз. За последние 30 лет содержание фосфора возросло более чем на порядок, что свидетельствует о резко возрастающей эвтрофированности реки. Азот представлен преимущественно нитратной формой, и его содержание не превышает ПДКр-х. Соотношения азота и фосфора значительно ниже оптимального, что указывает на преобладающее влияние фосфора в продуцировании биомассы, это может привести к развитию цианобактерий и увеличению степени токсичности воды.