Антропогенная трансформация речного стока

Введение

антропогенный натрий речной сток

Антропогенное влияние человека на природные системы приводит к возникновению их геохимической трансформации. Возникновение таких потоков достаточно хорошо прослеживается по результатам отборов проб, проведенных в соответствии с программой мониторинговых исследований по периодам года. Репрезентативность подобных результатов достаточно высока, поскольку позволяет оценить изменение концентраций от объемов атмосферных осадков, общего объема речного стока, уноса элемента от сельскохозяйственных угодий.

Данный подход считается классическим в области оценки объемов геохимической трансформации того или иного иона, поскольку это позволяет напрямую оценить трансформацию пород, выявить наличие геохимических барьеров. В данной работе к рассмотрению принимается Онего-Северодвинский бассейн, который представляет собой структуру достаточно сложную и разнообразную во всех направлениях.

Чем сложнее изначальная структура, различны направления использования земель, тем сложнее провести оценку трансформации речного стока, а также выявить причины данного процесса, однако проведение таких работ приносит определенные результаты, чем в свою очередь определяется актуальность данной работы.

Цель работы - это провести оценку степени антропогенной трансформации речного стока в теплый период в пределах Онего-Северодвинского бассейна на примере ионов натрия.

1.     
Общее описание территории

Рассматриваемая территория занимает северо-восточную часть Европейской территории России, исключая территорию бассейна реки Печёра.

Северный край занимает северную часть Восточно-Европейской равнины. В административном отношении территория исследований включает Архангельскую область, западную часть республики Коми и большую часть Вологодской области. Все реки этой территории принадлежат к бассейну Белого моря, на западе она граничит с бассейном рек Онежского озера, на востоке с бассейном р. Печёра, на юге с бассейнами Верхней Волги и Камы.

Описываемая территория представляет собой обширную лесистую равнину, климат территории формируется под влиянием преобладающего переноса воздушных масс с западными и северо-западными ветрами, сравнительно малым количеством солнечной радиации зимой, а также отепляющим влиянием Белого моря в северной части территории. Речная сеть густая и развита сравнительно равномерно, что связано с избыточным увлажнением и однородными природными условиями на большей части рассматриваемой территории.

Рельеф района весьма однообразен и преимущественно является равнинным. Основная часть поверхности занята Северо-Двинской низменностью, занимающей территорию от Тиманского кряжа до Онего-Двинского водораздела. На большей части территории происходит чередование низменных и возвышенных равнин. Ближе к устьевым участкам рек низменности занимают обширные пространства, по мере продвижения к истоку их площадь уменьшается. Возвышенные равнины приурочены к водораздельным участкам, причём их площадь увеличивается при удалении от морского побережья.

Абсолютные отметки низменностей находятся в пределах от 30 до 80 м, на возвышенных равнинах преобладающие высоты местности находятся в диапазоне от 100 до 200 м. В целом для территории характерно понижение местности с юга на север, что во многом определяет и общее направление течения поверхностных водотоков.

Вдоль восточной границы в направлении с северо-запада на юго-восток протянулся Тиманский кряж, представляющий собой ряд сглаженных, сильно разрушенных и невысоких (от 350 до 450 м) горных хребтов, средняя его высота около 190 м. Положение Тиманского кряжа на пути господствующего западного переноса создаёт существенный орографический барьер, оказывающий влияние на распределение атмосферных осадков и речного стока. На юге района выделяется Волжско-Северодвинский водораздел, носящий характер увалов или небольших междуречных возвышенностей.

Среди равнины выделяется также западная возвышенная часть района, куда входят Каргопольское плато и Прионежье, рельеф ее в значительной мере обусловлен наличием структурных форм ледникового выпахивания, свойственных соседней Карелии.

Геологическое строение Северного края характеризуется преобладанием платформенных структур с глубоким залеганием кристаллического фундамента и перекрыванием его мощными толщами осадочных пород. В северозападной части, где кристаллический фундамент залегает довольно близко к дневной поверхности, преобладают более древние системы, здесь распространены известняки каменноугольной системы и гипсоносные толщи пермской. И те и другие геологические образования отличаются значительными процессами карстообразования, влияющими на режим поверхностных и подземных вод. Карстовая область протянулась широкой полосой от г. Каргополь в направлении на северо-восток - к устью р. Пинеги. Коренные породы выходят на дневную поверхность лишь в пределах Тиманского кряжа. На равнинной части территории широко распространены ледниковые отложения - моренные суглинки, супеси, пески и глины, которые мощным слоем покрывают равнины рассматриваемого района, достигающим десятки и даже сотни метров.

Климат района имеет специфические черты, обусловленные совместным влиянием моря и материка. Для него характерна частая смена воздушных масс различного происхождения: морской и континентальной. К востоку и к югу климатические условия становятся все более континентальными. Атлантические циклоны приносят пасмурную, тёплую с оттепелями погоду зимой и прохладную летом. Циклоническая деятельность наиболее развита осенью и зимой, летом она ослабевает. Проникновение арктических воздушных масс приносит холодную погоду с сухими ветрами. Наиболее часто эти вторжения происходят летом. Нередко приходит континентальный воздух из Сибири, принося сухую морозную погоду. В целом климат отличается довольно продолжительной, многоснежной и холодной зимой и относительно прохладным летом. Климатические условия неоднородны и существенно меняются в направлении с юго-запада, где климат более теплый и влажный, на северо-восток, где климат более суровый.

В целом для территории характерно короткое прохладное лето, и длинная холодная зима с устойчивым снежным покровом. Зима продолжается пять - шесть месяцев на западе и шесть - семь на востоке, средняя температура холодного месяца года около минус 20 °С, характерны метели, преобладают ветры южного и юго-западного направления, за зиму выпадает от 100 до 200 мм осадков.

Лето продолжается три - четыре месяца в юго-западных районах и один два в северо-восточных, средняя температура тёплого месяца года 17 °С, преобладают ветры северного и северо-восточного направления, при этом выпадает от 400 до 500 мм осадков.

Средняя годовая температура воздуха изменяется от 3 °С на юге до минус 5 °С на севере территории. Переход температуры воздуха через 0 °С осенью на севере района отмечается в конце сентября, а на юге - в конце октября. Весенние процессы, наоборот, начинаются раньше на юго-западе, где переход температуры воздуха через 0 °С весной наблюдается в начале апреля, и отсюда развиваются в направлении на северо-восток. На крайнем северо-востоке района теплый сезон начинается только в конце мая. Практически каждую зиму случаются дни с оттепелями, количество и продолжительность которых уменьшается к концу зимы в связи с ослабеванием влияния циклонической деятельности. Снежный покров появляется в начале октября, устойчивый снежный покров устанавливается в конце октября - начале ноября. Толщина снега достигает большой мощности: от 50 - 60 см на юго-западе до 100 см на северо-востоке. Большая часть территории освобождается от снега концу апреля - началу мая, продолжительность залегания снежного покрова составляет в среднем от 170 на юге до 200 дней на севере.

Почвы на большей части территории подзолистые, супесчаные или суглинистые, местами песчаные или торфянистые. Для распространения почвенного покрова характерна широтная зональность, так на севере почвы глеево-подзолистые, на юго-западной части дерново-подзолистые, на остальной территории типичные подзолистые, данная зональность значительно нарушается за счёт неоднородности геолого-геоморфологических условий рассматриваемой местности. В лесной зоне преобладают песчано-подзолистые почвы и глеево-подзолистые почвы на суглинках, на плоских водоразделах распространены торфяники. Промерзание почвогрунта начинается в конце октября, оттаивание начинается в начале мая, наибольшая глубина промерзания составляет от 100 до 200 см.

Рассматриваемая территория находится в зоне избыточного увлажнения. Годовое количество осадков изменяется с севера на юг от 600 мм до 800 мм, с преобладанием на большей части территории годовых сумм в диапазоне от 650 до 700 мм. Осадки обычно выпадают в виде небольших, но продолжительных снегопадов зимой и длительных моросящих дождей летом. Интенсивные снегопады и сильные дожди бывают редко и приурочены главным образом к южной части района. Жидких осадков выпадает за год от 50 до 60 %, твёрдых от 25 до 30 %, остальная часть атмосферных осадков приходится на долю смешанных осадков в виде мокрого снега и снега с дождём.

Вся территория расположена в лесной (таежной) зоне, леса преимущественно еловые, с примесью берёзы, сосны и местами ольхи, занимают до трёх четвертей всей поверхности района.

В пределах южной части территории леса еловые или елово-пихтовые с примесью липы, на севере леса редкостойные. Залесённость водосборов преимущественно 80 %, местами увеличивается до 95 - 99 %, большая часть безлесных площадей приходится на болота.

Значительное количество осадков, относительно малые потери на испарение и неблагоприятные условия стока поверхностных вод способствуют развитию процессов заболачивания. Рассматриваемая территория характеризуется высокой степенью заболоченности. Болота распространены повсеместно, чаще встречаются на северо-западе, где климат более влажный, а поверхность более ровная. Заболоченность водосборов здесь достигает 15 - 20 % и более.

В основном болота представлены верховым типом выпуклых моховых, грядово-мочажинных болот, местами мочажины сменяются озерами площадью до 0.5 км². По долинам рек встречается большое число низинных травяных болот и заболоченных лугов и лесов. Основная масса болот приурочена к низменностям, много болот на севере территории.

На территории Северного Края распространены порово-пластовые подземные воды, приуроченные к рыхлым песчано-глинистым четвертичным отложениям или отложениям мезозойского и палеозойского периодов. В районах распространения карстовых образований преобладают трещинно-карстовые воды. Воды первого от поверхности водоносного горизонта безнапорные, глубина их распространения в сглаженном виде повторяет очертания рельефа. На возвышенностях уровень залегания грунтовых вод находится на глубине от 10 до 15 м и более, на низменностях значительно меньше, смыкаясь с уровнем воды низинных болот. Подземные водоразделы как правило совпадают с поверхностными, режим подземных вод определяется климатическими факторами.

Сезонные колебания уровня подземных вод связаны с неравномерным выпадением атмосферных осадков, с интенсивностью их инфильтрации и величиной испарения с поверхности водосборов. Годовая амплитуда колебания уровня грунтовых вод составляет от 1 до 3 м для плоских междуречий, увеличиваясь до 5 - 10 м в местах разгрузки грунтовых горизонтов. Доля подземного питания в общем стоке рек составляет от 10 до 30 %, в карстовых районах она возрастает до 30 - 50 %.

По типу питания реки Серного края относятся к рекам преимущественно снегового питания, их водный режим характеризуется высоким весенним половодьем и низкой зимней меженью.

Речная сеть в пределах рассматриваемой территории густая и развита достаточно равномерно, некоторым разрежением она характеризуется только в карстовых районах. Коэффициент густоты речной сети преимущественно оставляет от 0.5 до 0.6 км/км², в бассейне Онеги снижается до 0.3 км/км², а в карстовых районах достигает 0.1- 0.2 км/км² и даже меньше.

Большую часть поверхностных водотоков составляют малые реки и ручьи длиной до 10 км, их доля составляет до 94 % от общего числа рек территории. Рек длиной свыше 100 км - 280, а свыше 500 км всего 14. Главные реки рассматриваемой территории это Онега, Северная Двина и Мезень, протекают в северо-западном направлении и впадают в Белое море. Северная Двина, выносящая огромное количество наносов имеет в устьевой части многорукавную дельту, а реки Онега и Мезень имеют широкие мелководные эстуарии.

Основное питание реки получают за счет таяния снега, доля которого в общем годовом стоке составляет свыше 50 %, что позволяет отнести их к рекам преимущественно снегового питания. Остальное питание осуществляется за счет летних и главным образом осенних дождей, а также за счет грунтовых вод.

В западной части района (бассейн Онеги) доля снегового питания заметно уменьшается и преобладание его становится менее заметным, многие реки здесь характеризуются высокой степенью озёрности. Реки этой части района имеют смешанное питание с преобладанием снегового, что характерно.

2.      Расчет степени антропогенной трансформации ионов натрия в теплый период

Расчет проводится по объекту р. Волошка, информация об объекте отражена в таблице 1.

Таблица 1. Характеристика объекта исследования

В теплое время года были зафиксированы следующие значения стока:

Таблица 2. Концентрации в речном стоке весной

Как видно из данной таблицы, натрий как самостоятельный элемент обнаруживается с 1995 года весной, рассмотрим такую же зависимость для лета.

Таблица 3. Концентрации в речном стоке в осенне-летний период

Также как и в весеннее время в осенне-летний период самостоятельная концентрация натрия провялилась только 1995 году. Рассмотрим общее количество ионов натрия за рассматриваемый период.

Таблица 4. Концентрация ионов натрия в речном стоке

Рисунок 1. Изменение концентрации натрия по годам

антропогенный натрий речной сток

Проведем оценку антропогенной трансформации ионов натрия в речном стоке в теплый период.

Оценка баланса ионов производится на основе вычленения приходной и расходной составляющей баланса для данной геосистемы. В общем виде балансовое уравнение в пределах водосборной площади представляет собой разницу между приходной и расходной частями:

, (1)

Приходную часть составляют следующие компоненты:

 (2)

где: В_лит.- количество ионов литогенного происхождения, поступившее за год, т;

В_атм.- количество ионов, поступившее на территорию водосбора с атмосферными осадками за год, т;

В_удобр - количество ионов, поступившее на территорию сельхозугодий в пределах водосбора с минеральными удобрениями, т;

В_нас.п. - количество ионов, образовавшееся на территории населенных пунктов (выгребные ямы), т;

В_{жив.комп.} - количество ионов, образовавшееся на территории животноводческих комплексов, т.

Расходная часть баланса, фиксирующая удаление анализируемых ионов из ландшафта и поступление их в реки, состоит из следующих компонентов:

 расходная=поверхн ИС+подземн ИС+ур.с/х, (3)

где: С_{поверхн ИС} - количество ионов, выносимого поверхностным стоком с территории бассейна, т;

С_{поверхн ИС} - количество ионов, выносимого подземным стоком с территории бассейна, т;

С_ур.с/х - вынос ионов с сельскохозяйственным урожаем, т.

Итак, перейдем к более подробному описанию расчетов приходной и расходной компоненты уравнения (2, 3).

Так, количество ионов, выпадающих на территорию водосбора с атмосферными осадками, определялось для каждого месяца как произведение количества осадков на концентрацию ионов.

Годовые величины выпадений ионов рассчитывались как сумма ежемесячных выпадений.

Количество вносимых удобрений (в пересчете на анализируемый элемент) определялось в соответствии с учетной формой земельного баланса по данным Государственного Комитета по статистике республики Коми за период 2000-2007 гг. При этом учитывалось, что исследуемый элемент поступает в почвы вместе с калийными и азотными удобрениями.

S - площадь посевов на водосборе, га.

Величина выноса ионов натрия с речным стоком рассчитывалась по формуле:

, (4)

где C_i и Q_i- концентрация ионов (мг/л или г/м³) и расход воды в день взятия анализа (м³/сек);_водн. - объем жидкого стока за год, 26,9 (км³);- число проб за год.

Годовой жидкий сток (W_водн) рассчитывался как сумма ежесуточных расходов воды по всем гидрологическим сезонам года.

Оценка литогенной составляющей в бюджете ионов (W_{ИС подземн}) производилась на основании данных концентрации ионов в период весеннего половодья и стока в летне-осенний период.

Далее величина выноса натрия с растительной массой урожая сельскохозяйственных культур (B_y, кг/год) определялась согласно формуле:

 (5)

гдеC_j - содержание натрия в j-той культуре, кг/ц;

Y_j - урожайность j-й культуры, ц;

F_j - площадь, занимаемаяj-й культурой, га;

n - количество культур.

Депонирование ионов растительностью и торфом болот отражает изъятие элемента из круговорота и равен ежегодному истинному приросту биомассы. Величина депонирования ионов лесными и болотными экосистемами определялась на основе методики изучения динамики и биологического круговорота в фитоценозах, разработанной Л.Е. Родиным, Н.П. Ремезовым и Н.И. Базилевичем.

Разница между количеством элемента, образовавшегося в пределах водосбора, а также поступившего с атмосферными осадками, и выносимым с данной территории, представляет собой показатель, отражающий особенности его баланса на водосборной территории.

Величина выноса натрия с растительной массой урожая сельскохозяйственных культур (B_y, кг/год) определяется для зерновых, корнеплодных, овощей открытого грунта (данные концентраций подбираются согласно агротехническим справочникам)

Оценка баланса ионов производится на основе вычленения приходной и расходной составляющей баланса для данной геосистемы. В общем виде балансовое уравнение в пределах водосборной площади представляет собой разницу между приходной и расходной частями:

, (1)

Расходная часть баланса, фиксирующая удаление анализируемых ионов из ландшафта и поступление их в реки, состоит из следующих компонентов:

 расходная=поверхн ИС+подземн ИС+ур.с/х

Приходную часть составляют следующие компоненты:

В_лит.- количество ионов литогенного происхождения, поступившее за год, т - определяется по данным о геологическим строении территории региона, согласно последним данным с 1995 года данная величина составила 0,817 т.

В_атм.- количество ионов, поступившее на территорию водосбора с атмосферными осадками за год, т - определяется по сводной статистике Гидрометеорологического института, за период с 1995 года объем составил 19802 т.

В_удобр - количество ионов, поступившее на территорию сельхозугодий в пределах водосбора с минеральными удобрениями, т - принимается согласно справочникам о применяемых удобрениях с 1995 года - 6780 т.

В_нас.п. - количество ионов, образовавшееся на территории населенных пунктов (выгребные ямы), т - определяется по справочным данным о количестве откаченных стоков с 1995 года - данная цифра является усредненной, а погрешность составляет 15 % - 0,230т

В_{жив.комп.} - количество ионов, образовавшееся на территории животноводческих комплексов, т - практически отсутствует

Приходную часть составляют следующие компоненты:

В общем виде балансовое уравнение в пределах водосборной площади представляет собой разницу между приходной и расходной частями:

Таким образом, отложения натрия достигло 6337 тонн с 1995 года. Поскольку геохимическое накопление - это длительный процесс, то вполне вероятно, что накопления натрия гораздо более высоки.

Заключение

Проведенные расчеты показали, что накопление натрия за последние 20 лет составили свыше 6 тонн, что указывает на достаточно активные геохимические процессы, а также возможное наличие геохимических барьеров, которые обеспечивают удержание натрия. Совершенно очевидно, что данная трансформация носит техногенный характер, о чем свидетельствует непостоянность концентраций, а также период обнаружения ионов натрия.

Антропогенное преобразование речного стока - это проблема весьма распространенная, особенно в части распространения таких ионов, как натрий. Подобное загрязнение имеет весьма непредсказуемые последствия, особенно с учетом того, что какая-то часть ионов натрия накапливается.

Список литературы

1. Афанасьев В.Н., Маркова А.И. Статистика сельского хозяйства. - М.: Финансы и статистика, с 1995 г

2.      Зубаков В.А. К стратиграфии четвертичных отложений долины Енисея на участке Осипово-Туруханск. - Труды Межведомств. совещания по разработке унифицированных стратиграфических схем Сибири, переиздан в 2012г.

.        Лазуков Г.И. К вопросу о стратиграфическом расчленении четвертичных отложений бассейна нижней Оби. - Труды межведомств. совещания по разработке унифицированных стратиграфических схем Сибири, переиздан в 2012г.

.        Прозорнов Л.Л., Экзарьян В.Н. Введение в геоэкологию. М.: «Пробел», 2010. 208 с.

.        Репкин Р.В., Тюлина В.Б. Исследования водосборных бассейнов малых рек. Географическое краеведение: Материалы IV Всероссийской науч.- практ. конф., ВГПУ, Владимир, 2002. С. 144-147.

.        Репкин Р.В., Тюлина В.Б., Климова Т.Н. и др. Исследование истоков малых рек в водосборных бассейнах. // Экология речных бассейнов: Труды 2-й Междунар. науч.-практ. конф. / Под общ. ред. проф. Т.А. Трифоновой. Владимир, 2002. С. 87-90.

.        Российский статистический ежегодник 1995 - 2014: Стат. сб. / Госкомстат России. М., 1996 - 2015. - 690с.