Оценка диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиорируемых территорий в бассейне малой реки и мероприятия по его снижению тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тимошкин Алексей Дмитриевич

• Тимошкин Алексей Дмитриевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Тимошкин Алексей Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДИФФУЗНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ И МЕЛИОРАТИВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

1.1 Основные понятия и определения диффузного стока, условия его формирования

1.2 Отечественный опыт изучения диффузного стока

1.3 Мировой опыт в изучении диффузного стока

1.4 Обзор методов и моделей, применяемых для оценки диффузного стока и загрязнения

1.4.1 Статистические и эмпирические методы расчета диффузного стока и загрязнения

1.4.2 Опыт разработки и применения имитационных моделей для исследования диффузного стока

1.4.3 Детерминированные модели неточечных источников

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ВЫБОР И ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Обоснование выбора опытного объекта бассейна малой реки

и характеристика его природных условий

2.2 Источники загрязнения реки Яхромы

2.3 Исследование и оценка качества воды по профилю реки Яхрома

2.4 Разработка специализированной геоинформационной системы бассейна реки Яхрома

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ДИФФУЗНОГО СТОКА С ВОДОСБОРА РЕКИ ЯХРОМА

3.1 Вынос биогенных веществ в бассейне реки Яхрома

3.2 Результаты расчета выноса биогенных веществ с водосбора реки Яхрома

3.3 Адаптация модели SWAT для оценки диффузного стока в бассейне реки Яхрома

3.3.1 Обоснование возможности использования модели SWAT для оценки диффузного стока в бассейне реки Яхрома

3.3.2 Описание модели SWAT и порядок вычисления поверхностного стока

3.3.3 Описание входных параметров модели SWAT и методы их определения

3.3.4 Подготовка исходных параметров для модели SWAT по бассейну реки Яхрома

3.3.5 Тестовые расчеты для водосбора реки Яхрома по программному комплексу SWAT

Выводы по главе

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ВОДООХРАННЫМ МЕРОПРИЯТИЯМ, ИХ РАНЖИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ ПО ОЧИСТКЕ ДРЕНАЖНОГО СТОКА

4.1 Обзор мероприятий по снижению диффузного стока с сельскохозяйственных земель

4.2 Рекомендации по выбору системы оптимальных водоохранных мероприятий для исследуемого водного объекта реки Яхрома

4.3 Рекомендации по очистке дренажного стока

4.4 Структура базы данных по выбору метода очистки диффузных и дренажно-коллекторных вод

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ПРОВЕДЕНИЕ СЦЕНАРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И

РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ПО ОЦЕНКЕ ДИФФУЗНОГО СТОКА

5.1 Методические рекомендации по проведению сценарных исследований и обоснованию мелиоративных мероприятий для снижения диффузного стока на водосборе малой реки

5.2 Оценка предотвращенного ущерба

5.3 Прототип экспертной системы по оценке диффузного и дренажного стока и снижению биогенной нагрузки на водный объект

Выводы по главе

РЕКОМЕНДАЦИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиорируемых территорий в бассейне малой реки и мероприятия по его снижению»

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В последние десятилетия обострились

проблемы снижения водности и ухудшения качества речных вод во всем мире

и в России, что связано как с интенсификацией хозяйственной деятельности

человека: развитием промышленности, сельскохозяйственного производства,

инфраструктуры, энергетики, транспорта; так и общим загрязнением

атмосферы и компонентов природной среды. Основными источниками

загрязнения речного стока традиционно считаются сбросы неочищенных и

недостаточно очищенных сточных вод. Несмотря на принимаемые в

последнее десятилетие в России меры по повышению качества очистки

сточных вод и снижению их объема существенного улучшения не произошло.

По данным Государственного Доклада «О состоянии и об охране окружающей

среды Российской Федерации в 2021 году» состояние водных ресурсов

оценивается как неудовлетворительное. Как и в предыдущие годы,

максимальную нагрузку испытывает река Волга и ее притоки, которые

характеризуются как чрезвычайно грязные. Контролируемый сброс в бассейне

Верхней Волги за 1990-2012 гг. уменьшился почти в 3,5 раза по объему, по

нефтепродуктам - в 6 раз; сульфатам - в 19,3; хлоридам - в 3,4; цинку - в 15;

меди - в 17,8; азоту - в 3,5; фосфору - в 7,2. Однако ожидаемого улучшения

качества воды не произошло, особенно это касается малых притоков реки

Волги, которые и формируют объем и качество воды. Такое положение может

быть связано с диффузным загрязнением, что вызвало необходимость

проведения многолетних исследований по федеральному проекту

«Оздоровление Волги», посвящённых проблеме загрязнения Волжского

бассейна [1]. К диффузному загрязнению можно отнести поверхностный и

подземный сток с сельскохозяйственных территорий, включая

мелиорированные земли. Орошение и осушение земель создает предпосылки

поступления рассредоточенных по площади и длине реки загрязнений с

поверхностными, подземными и дренажными водами, сброс которых в

5

настоящее время никем не контролируется. Особенно это важно для бассейнов малых и средних рек, где развито сельскохозяйственное производство. Особую опасность представляет агропроизводство на пойменных землях, где возделываются по интенсивной технологии овощные культуры, для выращивания которых применяются значительные дозы минеральных и органических удобрений. На таких территориях наблюдается смыв поверхностных вод во время паводков, ливней и продолжительных дождей, сброс загрязненных дренажных вод непосредственно в русло реки. В этой связи актуальны исследования по выявлению закономерностей диффузного стока в пределах водосбора, имеющего значительные площади сельскохозяйственных и мелиорированных угодий, его оценки и разработки мероприятий по снижению. Работа выполнена в составе поисковой темы: «Разработка и апробация методов определения диффузного стока, мероприятий и технических решений по снижению поступления загрязняющих веществ с сельскохозяйственных земель в бассейне реки Волга, создание электронного архива данных по объектам мелиорации» в рамках Приоритетного проекта «Оздоровление Волги».

Степень разработанности темы.

Изучению и прогнозированию поверхностного стока с водосборов

посвящены работы российских и зарубежных ученых: А.Т. Барабанова (2012),

В.И. Панова (2012), А.В. Кулик (2022), Iseri H. (2013) [2], Ouyang W. (2017) [3],

Wischmeier W.H. (1978), Zhang F. (2011). Диффузное загрязнение

рассматривается в работах В.И. Данилова-Данильяна (2020) [1], Л.В.

Кирейчевой (2019) [4], Е.А. Лентяевой (2019) [5], С.А. Манжиной (2020) [6],

Л.Д. Ратковича (2016), А.И. Лычака (2011), Е.В. Веницианова (2019), В.О.

Полянина (2020), И.А. Вишневской (2020), А.П. Демина (2020), Н.А. Назарова

(1996), А.В. Слабуновой (2020), Н.В. Кирпичниковой (2021), А.П.

Суровикиной (2021), Dickinson W.T. (1990), Guo H.Y. (2004), Hiramatsu K.

(2013) [2]. Вопросам математического моделирования диффузных стоков и

загрязнения посвящены работы: В.Г. Пряжинской (2001), В.В. Фадеева (1989),

6

Г.С. Шилькрота и С.В. Ясинского (2002), Baginska B. (2003), Betson R.P. (1975), Donigian A.S.Jr. (1991), Fonseca A. (2005), Hock B. (1970), Hong H. (2006), Huang J. (2005), Kostarelos K. (2011) [7], Ouyang W. (2014), Tetzlaff B. (2009) [8].

Цель исследования - оценка диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиорируемых территорий в бассейне реки Яхрома и обоснование мелиоративных мероприятий для его снижения.

Задачи исследования. В процессе исследований были поставлены и решены следующие задачи:

• анализ мирового и отечественного опыта изучения процессов диффузного загрязнения, обзор существующих методов и моделирования диффузного стока;

• обоснование объекта исследований, сбор и анализ информации по климатическим, гидрологическим, гидрогеологическим и почвенным условиям, актуальному состоянию сельскохозяйственного производства и агрохимическим показателям сельскохозяйственных земель бассейна реки Яхрома;

• разработка специализированной геоинформационной системы (ГИС) водосбора реки Яхромы, включающей информационные характеристики объекта исследований для выявления источников диффузного загрязнения;

• изучение процессов формирования диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиорируемых территорий на водосборе реки Яхрома, оценка объема и качества диффузного стока;

• проведение натурных исследований по оценке качества воды в реке и снегомерной съемки в бассейне реки Яхрома;

• анализ технических решений по водоохранным мероприятиям, их ранжирование и разработка базы данных по очистке дренажного стока;

• разработка методики проведения сценарных исследований, обоснование водоохранных мероприятий и выполнение оценки предотвращенного экологического ущерба;

• разработка прототипа экспертной системы по снижению диффузного загрязнения в бассейне реки Яхрома.

Предмет исследований - диффузный сток, формирующийся в бассейнах малых рек на землях сельскохозяйственного производства, включая мелиорированные территории гумидной зоны Российской Федерации.

Объект исследований - методы оценки диффузного стока в бассейне реки с сельскохозяйственных территорий, мероприятия по снижению поверхностного стока и предотвращению загрязнения реки биогенными веществами.

Научная новизна. Разработана специализированная ГИС для бассейна реки Яхрома, включающая информационные характеристики и специализированные карты, необходимые для выполнения количественной оценки объема поверхностного и дренажного стока и выноса биогенных веществ с сельскохозяйственных угодий, выявлены закономерности влияния уклона местности на формирование диффузного стока.

Составлены методические рекомендации по проведению сценарных исследований, включающие выбор и ранжирование агротехнических, агромелиоративных и гидротехнических мероприятий с целью определения наилучшего комплекса водоохранных мероприятий.

Для бассейна Яхромы адаптирована имитационная модель Soil and Water Assessment Tool (SWAT), по которой выполнено сопоставление аналитических расчетов с данными по модели, показавшее удовлетворительную сходимость результатов.

На основе выполненных исследований впервые разработан прототип экспертной системы поддержки принятия решений по сокращению диффузного загрязнения с учетом различных сценариев антропогенных воздействий, включающий информационный блок на основе ГИС,

интеллектуальный, расчетный блоки, блок принятия решений и блок формирования рекомендаций по снижению диффузного стока для бассейна реки Яхрома.

Основные положения, выносимые на защиту:

- закономерности формирования и оценка диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиоративных территорий на водосборе Яхромы по эмпирическим зависимостям и модели SWAT.

- обоснование комплекса мелиоративных мероприятий для снижения диффузного стока на водосборе малой реки и методические рекомендации по проведению сценарных исследований результатов их реализации.

- прототип экспертной системы поддержки принятия решений по сокращению диффузного загрязнения с учетом различных сценариев антропогенных воздействий для водного объекта бассейна реки Яхрома, включающая базу данный по мероприятиям и технологиям очистки дренажного стока.

Методы исследования. В процессе исследований использованы основные теоретические положения мелиоративной науки, системный подход к выявлению источников диффузного загрязнения, географические информационные системы, математическое моделирование, статистическая обработка данных. При определении качества речной воды использовался кондуктометр Cond 330: SET WTW и многодиапазонный кондуктометр HI8733 фирмы «HANNAinstruments», определение биогенных и химических элементов проводилось при помощи приборов Эксперт-001 (pH-метр-ионометр), Эксперт-002 (кондуктометр), Эксперт-003 (фотометр флюориметр). Основой для проведении снегомерной съемки являлась действующая методика Государственного комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды [10]. При адаптации программы SWAT использовалась методика калибровки модели.

Практическая значимость работы заключается в разработке специализированной ГИС водосбора реки Яхрома, включающей

9

информационные характеристики объекта исследований, которые могут быть направлены для решения различных прикладных задач. Создана база технических решений по очистке дренажного стока, применение которой возможно при проектировании мелиоративных систем для снижения нагрузки на природные объекты и в учебном процессе. Результаты исследований и специализированная ГИС использованы для выполнения проекта ПНИ, и в настоящее время доступны по ссылке http://esp.iwp.ru/index2.html.

Степень достоверности результатов исследований Результаты проведенных исследований были сопоставлены с результатами натурных исследований, проведенных автором, а также с многочисленными литературными данными. Выполнение всех этапов работы проводилось в соответствии с действующими рекомендациями, методиками и использованием современного оборудования.

Личный вклад автора заключается в обзоре и анализе проблемы диффузного загрязнения, разработке концептуальной модели, обосновании методов исследования, проведении полевых работ по оценке качества воды реки Яхрома и снегомерной съемки, написании статей. Лично автором разработана специализированная геоинформационная система, служащая источником информации, необходимой для проведения оценки диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиорируемых территорий, «База данных по методам очистки диффузных и дренажно-коллекторных вод», проведена адаптация модели Soil and Water Assessment Tool для ее применения на территории бассейна реки Яхрома и разработан прототип экспертной системы по оценке диффузного стока.

Апробация работы. Основные положения докладывались и были

одобрены на Всероссийской научной конференции «Научные проблемы

оздоровления российских рек и пути их решения» (Нижний Новгород, 2019),

Международной юбилейной научно-практической конференции «Проблемы

развития сельскохозяйственных мелиораций и водохозяйственного комплекса

на базе цифровых технологий» (Москва, 2019), VII Международной научно-

10

практической конференции молодых ученых "Экология и мелиорация агроландшафтов: перспективы и достижения молодых ученых" посвященной 120-летию со дня рождения Альбенского А.В. (Волгоград, 2019), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы использования почв и повышения их плодородия», посвященной 100-летию кафедры почвоведения Белорусской государственной сельскохозяйственной академии (Горки, 2021), III Международной научной конференции по междисциплинарным исследованиям (SDE-IR III) (Екатеринбург, 2023), круглых столах и секциях Ученого совета ВНИИГиМ.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 21 статье, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, включая 2 публикации в журналах, входящих в международную базу Scopus. Получено 4 свидетельства о регистрации, включая 3 о регистрации баз данных и 1 о регистрации программы для ЭВМ. Доля публикаций автора составляет 70 %.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 10 приложений и 51 рисунок. Список литературы включает 161 источник, в том числе 74 зарубежных авторов.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность и благодарность за всестороннюю помощь на всех этапах выполнения диссертационной работы своему научному руководителю, д.т.н., профессору Людмиле Владимировне Кирейчевой. Автор благодарит за опыт и помощь сотрудников ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова»: к.т.н. Яшина В.М., к.б.н. Пуховскую Т.Ю. и Павлова В.Ю. Так же автор выражает глубокую признательность к.т.н. Лентяевой Е.А. за опыт и помощь в проведении исследований.

ГЛАВА 1. ДИФФУЗНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ И МЕЛИОРАТИВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

1.1 Основные понятия и определения диффузного стока, условия его формирования

Загрязнение речных вод связано как с точечными источниками, представляющими собой сосредоточенный сброс сточных вод посредством инженерных сооружений промышленных предприятий, коммунальных служб, энергосистем, так и рассредоточенное по площади поступление поверхностного и подземного стока в речную сеть. Нормативно закрепленное определение термина «диффузный сток» в настоящее время отсутствует [11]. Однако общий смысл сводится к тому, что под диффузным стоком понимается неоднородный и рассредоточенный по площади водосбора сток поверхностных, подземных и дренажных вод. С диффузным стоком в водный объект попадают различные вещества, вызывающие загрязнение воды и донных отложений. В периоды таяния снегового покрова, а также во время дождевых паводков, основную часть поступающих с поверхностным стоком поллютантов составляют взвешенные и биогенные вещества. Поверхностный сток, частично фильтруясь через почвенный слой и породы зоны аэрации, образует подземный сток, который переносит растворенные минеральные вещества и пестициды в водные объекты. Кроме того, на мелиорируемых территориях формируемся дренажный сток, который бесконтрольно сбрасывается в реки, что способствует загрязнению водных объектов [11].

В монографии «Диффузное загрязнение водных объектов: проблемы и решения» «диффузное загрязнение как процесс характеризуется прерывистым поступлением загрязняющих веществ и зависимостью формирования и дальнейшего распространения от общих физико-географических условий и погодных явлений» [1]. Различные отвалы строительных работ, шламонакопители, животноводческие комплексы, сельскохозяйственные территории являются источниками загрязнения, на которых может

формироваться диффузный (поверхностный) сток, способный переносить в больших количествах вещества, загрязняющие водные объекты. Некоторые из указанных источников (например, строительные площадки) могут быть зарегулированы и взяты под контроль. Но такие источники диффузного загрязнения как фруктовые сады, сельскохозяйственные поля и т.п. практически неуправляемы. В настоящее время серьезным источником поллютантов, поступающих в водные объекты, стала массовая застройка на берегах рек и озер, в пределах водоохранных зон. Загрязняющие вещества способны попасть в водные объекты несколькими различными путями. Первый путь - во время снеготаяния и обильных атмосферных осадков образуется поверхностный сток, в котором содержатся взвешенные и биогенные вещества. Второй путь - во время процесса инфильтрации формируется подземный сток. Для загрязняющих веществ, поступающих с мелиорированных земель, также существует третий путь - сбрасываемые в речную сеть дренажные воды, являющиеся совокупностью поверхностного и подземного стоков, что способствует повышению уровня загрязнения в водном объекте (рисунок 1.1).

Наиболее распространёнными факторами, провоцирующими неконтролируемые диффузные стоки с сельскохозяйственных территорий, являются:

- помещение питательных веществ в почвенный слой без проведения соответствующей запашки и/или в неподходящий для этого период;

- не соблюдение правил по обращению, хранению и утилизации химических препаратов, включающих как средства для обработки и защиты растений, так и минеральные удобрения;

- неконтролируемое внесение различных мелиорантов с целью улучшения физико-химических свойств почвы, в результате чего внесенные дозы превалируют над поглотительной способностью почвы и произрастающих на ней растений;

- нарушение технологии хранения и утилизации отходов производственного цикла, включающее в себя утечки, потери при осуществлении транспортировки и т.д.;

- не соблюдение установленных нормативов в сфере хранения, обращения и утилизации химических веществ;

- неправильная организация размещения животноводческих комплексов, нарушение технологий кормления, устройство водопоя и мест выгула скота в водоохранной зоне. Прерывистый характер поступления диффузного стока зависит от природных условий и погодных явлений, а также от сельскохозяйственной и мелиоративной деятельности.

Рисунок 1.1 — Схема диффузного загрязнения водных объектов с сельскохозяйственных угодий

В качестве диффузных источников сельского хозяйства выделяют: площадной смыв поверхностными водами с сельскохозяйственных угодий, включая осушаемые и орошаемые земли, территорий животноводческих

комплексов и птицеводческих фабрик, промышленных предприятий, тепличных и фермерских хозяйств, садоводческих кооперативов и пр. Поллютанты, смываемые с сельскохозяйственных территорий, попадают в водоемы и водостоки без какой-либо очистки, а поэтому содержат высокую концентрацию загрязнителей. Основными факторами, влияющими на формирование поверхностного стока, его качество и вынос биогенных веществ, являются: климатические условия, рельеф местности, состояние поверхности почвы, миграционная способность питательных веществ. С одного гектара пашни в год выносится до 80 кг нитратного азота, 3 кг фосфора и 60 кг калия, в зависимости от характера выпадающих осадков и объема внесения минеральных и органических удобрений [12].

Серьезную опасность для здоровья человека и животных представляют соединения азота, особенно содержание нитратного азота, его концентрации ограничивают в водных объектах до 10 мг/л Ы-Ы03-, нитритов до 0,08 мг/л Ы-NO2, аммония до 0,5 мг/л Ы-ЫИ^. На мелиорированных землях, помимо поверхностного стока, формируются дренажные воды. С дренажным стоком в водные объекты поступают органическое вещество, остатки минеральных удобрений, отдельные ионы химических элементов [13, 14]. По материалам многочисленных исследований [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21] концентрация дренажного стока и вынос солей из осушаемых минеральных почв гумидной зоны характеризуется следующими величинами, в зависимости от типа почвы: суглинистые почвы: азот - 5.. .91 мг/л (1,4.. .4,1 кг/га), фосфор - 0,4... 0,5 мг/л (до 1 кг/га), калий - 2,10 мг/л (3.12 кг/га), кальций - 61.107 мг/л (20. 147 кг/га), магний 21.28 мг/л (10.76 кг/га), сера - 38.172 мг/л (84.420 кг/га); супесчаные почвы: азот - 2,0.121,0 мг/л (8.84 кг/га), фосфор - 0,2. 0,3 мг/л (0,6.1,2 кг/га), калий - 0,2.14,0 мг/л (до 14 кг/га), кальций - 53.74 мг/л (22.238 кг/га), магний - 13.58 мг/л, 32.62 кг/га, сера - до 400 кг/га [22].

Таким образом, диффузный сток, являясь мощным источником

загрязнения водных объектов, оказывает существенное влияние на социально-

экологические условия, что вызывает необходимость его изучения,

15

количественной и качественной оценки для разработки мероприятий по предотвращению негативного воздействия на водные объекты.

1.2 Отечественный опыт изучения диффузного стока

В России, как и во всем мире, проблеме диффузного загрязнения водных объектов уделяется огромное внимание. Поверхностному стоку с водосборов посвящены работы М. И. Львовича, А. М. Грина, В. Е. Водогрецкого [23], Н. И. Коронкевича [24], А. Т. Барабанова, В. И. Панова, А. И. Петелько, А.В. Кулик и др. Диффузное загрязнение рассматривается в работах А.И. Лычака, Л.В. Кирейчевой, Е.А. Лентяевой, Е.В. Веницианова, В.И. Данилова-Данильяна, С.А. Манжиной, В.О. Полянина, И.А. Вишневской, А.П. Демина,

A.В. Слабуновой, Н.В. Кирпичниковой, А.П. Суровикиной, Г. А. Чуяна и др., С. А. Кондратьева, Е. П. Чернышева и др., Н. И. Хрисанова [25], Г. К. Осипова, Н. А. Назарова, В. Г. Пряжинской [26], Г. С. Шилькрот, С. В. Ясинского [27],

B. Е. Закруткина и др., С. В. Долгова, В. В. Бородычева [28], А. Л. Бубер, А. А. Бубер [29], С. Д. Исаевой [30], В. Н. Маркина [31], Л. Д. Ратковича [32], Ю. П. Добрачева, И. В. Глазуновой [33], С. А. Соколовой и др. Однако, большая часть исследований как склонового стока, так и диффузного загрязнения носит локальный характер, выполнена давно и недостаточно отражает современное их состояние, а сток и диффузное загрязнение рассматривается изолированно друг от друга.

В 2009 году была принята Водная стратегия РФ на период до 2020 года. Наиболее значимым направлением деятельности по развитию водохозяйственного комплекса России ставилась охрана и восстановление водных объектов. В стратегии отмечалось, что диффузное загрязнение оказывает высокую негативную нагрузку на водные объекты, однако в Водном кодексе такое загрязнение не обозначено, поэтому возникла ситуация, в которой диффузное загрязнение не включается в системы мониторинга, в результате чего большинство водоохранных мероприятий являются малоэффективными.

Качественная и количественная оценка сбросных дренажных вод,

являющихся одним из источников загрязнения, осложняется

недостаточностью, а иногда и полным отсутствием учета мониторинговых

служб, неудовлетворительном, и, как следствие, не функционирующем

состоянии наблюдательных постов, отсутствием информации об объемах и

качестве дренажных вод от Депмелиорации МСХ РФ. Основным

инструментом выполнения целей и задач Водной стратегии являются

федеральные целевые программы (ФЦП). В структуре документов по

программно-целевому планированию ключевую роль сыграла ФЦП «Развитие

водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012- 2020 годах». В

ФЦП были включены конкретные водохозяйственные и водоохранные

мероприятия, направленные на достижение целевых ориентиров Водной

стратегии. При этом можно выделить три уровня реализации положений

Водной стратегии - федеральный, бассейновый и региональный, на которых

решаются как проблемы регионов, так и, что более принципиально, водных

бассейнов. Так, разработанные Схемы комплексного использования и охраны

водных объектов (СКИОВО) объединяют мероприятия в рамках бассейна

реки, а региональные программы по развитию водохозяйственного комплекса

- в рамках отдельных регионов. В настоящее время в Российской Федерации

в процессе реализации находится национальный проект «Экология». В его

состав входят три масштабных федеральных проекта, нацеленных на защиту

водных ресурсов, а в частности - на снижение поступающих в водные объекты

объемов загрязняющих веществ и улучшение состояния экосистем. Этими

проектами являются «Сохранение уникальных водных объектов»,

поставленная задача которого - расчистка береговых линий и восстановление

водных объектов, «Оздоровление Волги» - улучшение экологического

состояния реки Волги, являющейся главной водной артерией европейской

части России, и «Сохранение озера Байкал», нацеленный на снижение объемов

поступающих загрязненных вод и расчистку береговых линий. Так же

разрабатывается объединенный водный проект, в который войдут все

17

крупнейшие артерии России - Дон, Амур, Урал, Иртыш, водоемы Балтийского бассейна [34].

Масштабность и актуальность проблемы диффузного загрязнения отмечается многими отечественными авторами. Их исследования, проводимые в пределах Русской равнины, выявили, что доля диффузных источников загрязнения в формировании загрязняющего фона на территориях водосборных бассейнов малых рек составляет от 40 до 90%. Исследования, проведенные в бассейне р. Волги в составе федеральных проектов «Возрождение Волги» (1999-2010 гг) и «Оздоровление Волги» (2018-2024 гг), также демонстрируют весьма существенный вклад диффузных источников загрязнения в ухудшение показателей качества водных ресурсов, в частности, они повышают такие элементы как: нефтепродукты, органические и взвешенные вещества, тяжелые металлы, биогенные элементы [35].

Так, по данным Доклада о состоянии и об охране окружающей среды в

2021 г. [36] Волга отнесена к ряду наиболее загрязненных водных объектов на

территории РФ. Так, по сравнению с предыдущими годами, ухудшилось

качество воды в створах Угличского, Рыбинского, Горьковского

водохранилищ. Ниже г. Астрахань качество воды улучшилось до

«загрязненной» (3 класс), но выше города ухудшилось до «грязной» (4 класс).

Качество воды в дельте реки Волга улучшилось с 4-го до 3-го класса. Районы

Средней и Нижней Волги наиболее благоприятны для ведения сельского

хозяйства по природно-климатическим показателям, однако почвы в

настоящее время сильно истощены и требуют мероприятий по

восстановлению плодородия. Вследствие нарушения физических свойств почв

широко распространена эрозия, что влечет за собой малоэффективный

процесс внесения удобрений и большой процент выноса твердой фракции и

химических веществ как с поверхностным, так и дренажным стоком (порядка

30-60%). В бассейне среднего и нижнего течения р. Волги имеются крупные

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тимошкин Алексей Дмитриевич, 2024 год

источники

Муницнпа дьные hetoti-IHKH

точечные-

□ Друго е.'Не и ззе ста о

Рисунок 1.2 — Количество поступающих в водные объекты загрязнителей из различных источников

На основе полученной информации, Агентство по охране окружающей среды США (U.S. EPA) направило усилия на наращивание рабочих мощностей в сфере сельского хозяйства на снижение диффузного загрязнения водных объектов. Принятие Закона о чистой воде позволило активизировать государственный механизм поддержки и субсидирования местных и региональных инициатив, направленных на защиту водных объектов. Главным координатором, предоставляющим финансирование в виде грантов или займов на реализацию различных мероприятий, направленных на локализацию источников диффузного загрязнения водоемов и снижение их

негативного влияния на водные ресурсы с целью повышения уровня экологической обстановки водных объектов, является U.S. EPA. Статьей 319 «Закона о чистой воде» так же предусмотрено финансовое снабжение и других аналогичных программ, например, таких как Программа мониторинга неточечных источников, которая является одной из основных экологически направленных политик государства и изучает влияние различных типов землепользования на водосборных бассейнах и увязывает эти параметры с полученными данными по различным показателям качества воды (химическим, биологическим и т.д.). Данная Программа направлена на осуществление нескольких задач:

- обеспечение эффективности водоохранных мероприятий и технических приемов для снижения диффузного загрязнения;

- подробное описание и понимание действия механизмов формирования поверхностного стока и поступления с ним поллютантов, и получение достоверной информации о различных способах реализации их контроля.

После начала функционирования данных программ множество ученых активно занялись изучением диффузного стока, в результате чего в 1992 году неточечные источники загрязнения были классифицированы на основе распространённых видов землепользования, а также определены основные типы поллютантов, характерные для таких источников загрязнения. По мнению многих исследователей, основными загрязнителями от диффузных источников следует считать: пестициды, биогенные соединения, тяжелые металлы, азотные соединения, хлориды, взвешенные вещества, патогенные организмы, радионуклиды, нефтепродукты и масла [47].

В 1996 году Департамент природных ресурсов США проводил

исследования по вычислению индекса выщелачивания азота для оценки

загрязнения им из неточечных источников. Этот индекс был основан на

потенциале выщелачивания обводненных почв, количестве азота, доступного

для выщелачивания и пространственном расположении источников азота на

водоразделе. Для получения необходимых исходных данных для расчета

22

индекса, таких как сочетание землепользования, гидрологические индексы почв и т.д., применялись географические информационные системы.

Политика по защите водных объектов, проводимая Соединенными Штатами Америки позволила добиться заметного улучшения качества стоков, но даже спустя несколько десятилетий после внесения регулирующих поправок в законодательство диффузный сток остается нерешенной проблемой, а сельскохозяйственная деятельность по-прежнему считается основным источником загрязнения, вторым по величине источником диффузного загрязнения водно-болотных угодий и третьим - по загрязнению озер. Так, например, в 2017 году был зафиксирован максимум распространения зоны гипоксии в устьевой области реки Миссисипи, что было вызвано поступлением избыточных количеств азота и фосфора. По оценкам Геологической службы США в мае 2017 г. с водосбора в р. Миссисипи было вынесено 165 тыс. т нитратов и более 22 тыс. т фосфора. Это показало, что Закон о чистой воде хоть и позволил снизить большинство видов загрязнения, но не смог достичь целей, поставленных Конгрессом США в 1972 году, которые заключались в том, чтобы «сделать все воды США пригодными для рыбного промысла и плавания» и «обеспечить нулевой сброс загрязняющих веществ в воду» [48].

В 2012 году Департамент сельского хозяйства совместно с Агентством по охране окружающей среды начал реализацию Национальной инициативы по улучшению качества воды (National Water Quality Initiative - NWQI) [49]. Основная цель проекта заключается в снижении поступающих загрязняющих веществ, таких как: биогенные элементы, взвешенные вещества и патогенные микроорганизмы из рассредоточенных источников на территории заранее выбранных пилотных водосборов, на которых основным видом деятельности является сельское хозяйство. Эти водосборные территории были выбраны Службой сохранения природных ресурсов в результате проведенных исследований и множественных консультаций с региональными службами, ответственными за состояние водных ресурсов. Так же на условия отбора

23

пилотных объектов повлияла возможность покрытия расходов на гранты и инвестиции сельхозтоваропроизводителям за счет государственного финансирования, предусмотренного различными природоохранными программами, направленными на улучшение состояния водных объектов в связи с их загрязнением диффузными стоками [50], для которых необходимо неотложное проведение природоохранных мероприятий для улучшения качества воды.

В Европейском союзе, так же, как и в США, применяется бассейновый

принцип, а также проблемно-ориентированный подход при управлении

водными ресурсами. Важным документом на территории Европейского

союза является Водная Рамочная директива ЕС [50], которая была принята в

2000г. как результат долговременного сотрудничества европейских стран в

области интегрированного управления водными ресурсами и ставшая

неотъемлемой его частью. Данный документ устанавливает юридические

нормы и обеспечивает условия для управления, защиты и улучшения

качества водных ресурсов с целью достижения благоприятного состояния

поверхностных и грунтовых вод на территории ЕС [50]. Водная директива

является одним из главных инструментов регулирования водоохранной

политики, которой придерживается Европейский Союз. Она дополняется

более мелкими, «дочерними» директивами, с помощью которых происходит

регулирование более конкретных аспектов человеческой деятельности,

которая так или иначе связана с использованием водных ресурсов и способна

влиять на экологическое состояние водных объектов [51, 52, 53, 54]. В рамках

такого подхода делается акцент на будущее развитие природоохранной

деятельности, подразумевающее более детальную и научно обоснованную

интеграцию этой политики в прочие производственные сферы общества:

сельское хозяйство, производство электроэнергии, рыбоводство, а также более

социальные сферы, такие как транспорт, туризм и прочие. Природоохранная

политика ЕС также направлена на источники диффузного загрязнения,

существующие в самых разных отраслях хозяйственной деятельности. В

24

целом Европейский Союз ставит очень амбициозную цель в области экологии водных ресурсов - привески поверхностные водные объекты в такое состояние, при котором отклонение показателей содержащихся в воде загрязняющих веществ было бы весьма незначительным по сравнению с показателями фонового загрязнения. Для достижения такой цели выделяют наиболее приоритетные загрязняющие вещества, и на основании показателей их концентрации в водных объектах устанавливают гидрохимический статус этих водоемов и «лимиты концентрации» загрязняющих веществ, которые являются своеобразным аналогом предельно допустимых концентраций, утвержденным законодательством Российской Федерации [55]. В список загрязняющих веществ входят нитриты и нитраты, вещества обладающие канцерогенным, мутагенным действием, пестициды, некоторые тяжелые металлы (такие как ртуть, кадмий, медь, цинк, никель), мышьяк, вещества ухудшающие кислородный режим (по БПК и ХПК) и некоторые другие химические вещества. Все перечисленные поллютанты способны попадать в водные объекты как посредством точечных сбросов сточных вод с предприятий разной направленности, так и с диффузными стоками из неточечных источников, таких как сельскохозяйственные поля. Целью установления таких лимитов является снижение загрязняющих веществ до их концентрации, соответствующей эталонным значениям, которые определены для природных территорий, не нарушенных человеческим фактором.

Директива указывает на необходимость изучения и оценки диффузного

загрязнения в соответствии с типом землепользования в водосборном

бассейне. Так же указывается необходимость мониторинга источников

диффузного загрязнения для установления степени их воздействия на водные

объекты. С целью осуществления контроля диффузного загрязнения были

созданы и в дальнейшем внедрены наиболее эффективные практики с

применением наилучших доступных технологий (best environmental practices),

которые описаны в прочих законодательных документах европейского союза.

В результате, директива делает акцент не на устранение последствий

25

загрязнения, а на его предотвращение еще на стадии формирования диффузного загрязнения.

В 2012 г. так же в дополнение к директиве была разработана Водная концепция (Water Blueprint), направленная на устранение недостаточной интеграции, отсутствия различных методик для оценки применяемых водоохранных мероприятий и пр., что в итоге не позволяет полноценно применять водоохранную политику на всей территории ЕС. Документ был подготовлен с использованием детальной информационной поддержки, основанной на результатах научно-исследовательских работ, а также практик управления речными бассейнами и аналитических материалов Европейского агентства по окружающей среде, относящихся к состоянию природных вод и дефициту водных ресурсов, которые ранее были недоступны [56].

Во Франции ученые, столкнувшись с проблемами здравоохранения, связанными с интенсивным использованием пестицидов, выделили диффузное загрязнение как серьезную проблему, которая касается всех субъектов. Для решения возникающих проблем был реализован подход картографического анализа на основе ГИС, который позволяет оценить пространственное воздействие диффузного загрязнения, возникающего в результате применения мероприятий по защите растений. Такой метод реализовали на юге Франции, на водосборном бассейне озера Этан-де-лОр. В этом районе около 60% всей площади водосбора занимают сельскохозяйственные угодья. Предложенный подход помогает территориальным субъектам, расположенным в водосборном бассейне, в реализации стратегий управления рисками диффузного загрязнения, связанного с использованием пестицидов в сельском хозяйстве с учетом экологических и социально-экономических проблем и характеристик окружающей среды [57].

В связи с экстенсивным земледелием проблема загрязнения

поверхностных вод привлекла повышенное внимание в Китае и на Тайване.

Многие ученые из этих стран посвящают свои работы определению

26

неточечных источников загрязнения, из которых поступают различные биогенные загрязнители, такие как натрий, фосфор, азот и т.д. Так, около 81% общего загрязнения вод азотом на территории Китая вызвано именно такими источниками. Загрязнение фосфором составляет 93% [58]. Среди прочих источников загрязнения именно сельское хозяйство является наиболее серьезным источником загрязненного диффузного стока [59]. В последние годы многие исследователи Китая пытаются контролировать загрязнение диффузными стоками с помощью ряда инженерных методов. Так, в некоторых исследованиях [60, 61, 62, 63] делается попытка предотвратить попадание загрязняющих веществ из нескольких источников в водные объекты нижнего течения водосбора путем постоянной оптимизации экологической прибрежной зоны, в частности, с помощью методов фильтрации, испарения, осаждения, адсорбции, поглощения растениями и других процессов. Кроме того, другие ученые использовали методы, учитывающие более чистое производство, чтобы уменьшить степень загрязнения диффузным стоком. Также встречаются упоминания об изменении структуры ландшафта для оптимизации качества воды в водоразделе [64]. В целом, чтобы сдержать загрязнение из неточечных источников, главным приоритетом является наиболее подробное представление об уровне загрязнения и зонах критических источников. В связи с тем, что осуществление регулярного мониторинга диффузного стока затруднено на большой территории в связи с его пространственно-временной неравномерностью и высокой стоимостью, для оценки диффузного загрязнения проводятся исследования с использованием различных гидрологических моделей. Ниже приведен обзор применяемых в мире математических моделей.

1.4 Обзор методов и моделей, применяемых для оценки диффузного стока и загрязнения

Выполнение расчета поверхностного рассредоточенного стока и

загрязняющих химических веществ, содержащихся в его составе, является

весьма трудозатратным процессом. Это связанно с тем, что определение количества и качества воды, поступающей в водные объекты, подразумевает учет её взаимодействия с территорией водосборного бассейна и различными источниками загрязнения, которые могут быть как антропогенного, так и природного происхождения. Такая особенность, присущая диффузным стокам, вынуждает исследователей прибегать к систематическому подходу для изучения данного явления и расчетов таких стоков. Данный подход подразумевает под собой рассмотрение водосборного бассейна как некой обособленной территориальной единицы, у которой есть четко обозначенные границы, внутри которых существуют более мелкие единицы элементарных ландшафтов, с которых поступает диффузный сток в водный объект. Широкое распространение в мире получили различные математические модели, направленные на оценку нагрузки из неточечных источников на различные водные объекты. Такие модели применяются как в научных целях, так и в инженерной среде для планирования и проектирования наиболее эффективных природоохранных сооружений и мероприятий [65].

Использование математических моделей для изучения поверхностного стока предполагает наличие множества различной информации, которая требуется для использования самой модели и для её калибровки и верификации. К такой информации относятся такие характеристики водосборного бассейна водного объекта как: параметры водопроницаемости почвенного покрова, площадные характеристики, максимальная влагоемкость почвы, эрозионные характеристики, характеристики сельскохозяйственного производства, климатические данные, наличие и состояние оросительных и осушительных систем. В связи с этим специалисты часто применяют более упрощенные эмпирические модели и регрессионные модели [66]. В следующих разделах рассмотрены наиболее широко применяемые в зарубежной и отечественной практике методы и модели оценки диффузного стока и расчета загрязнения водных объектов.

1.4.1 Статистические и эмпирические методы расчета диффузного стока и загрязнения

Статистический метод Агентства по охране окружающей среды США. Водосборные территории водных объектов структурно являются весьма сложными гидро-геохимическими объектами, поэтому результаты прогнозирования различных процессов и явлений в пределах их границ носят, как правило, весьма вероятностных характер. Оценка диффузной нагрузки на территории таких водосборов, вне зависимости от применяемой методики, зачастую содержит в исходной информации неопределенные данные, либо неопределенные параметры самой модели.

При недостатке данных мониторинга на объекте вводится такое понятие как Event mean concentrations (EMC -средняя концентрация события (СКС). СКС - это средняя концентрация поллютантов для конкретного погодного явления (ливня), выражаемая в единицах массы на единицу объема (мг/л) [67]. Несмотря на сложность определения СКС в связи с большим количеством влияющих на неё факторов, она используется во множестве моделях определения диффузного стока. Рассчитать СКС можно по формуле:

где M - масса поступающих загрязняющих веществ; V - объем ливневого стока; C(t) и Q(t) - концентрация и расход загрязняющих элементов в поверхностном стоке, которые обуславливаются временем, и поступают с водосборной территории в процессе выпадения осадков.

При получении результатов измерения СКС для следующих друг за другом атмосферных явлений (осадков) появляется возможность сделать выводы об определенных постоянных характеристиках распределения значений СКС. Так, в отчете [68] было предложено оценивать серединное значение такого распределения, которое называют медианой СКС участка (site

CKC

м_ jC(t)Q(t)dt V ~

(1.1)

median ЕМС). В последствии, при проведении анализа полученных значений медиан различных водосборных территорий можно построить их распределение, охарактеризовав его коэффициентом вариации и медианой.

Применение статистического метода EPA (Environmental Protection Agency) и использование функции распределение средней концентрации события позволило сделать существенный шаг в оценке диффузного стока по сравнению с более устаревшими методами, которые строятся на основании усредненных концентраций. Этот метод часто применяется в таких странах как США, Китай, Австралия, Индии и других.

Регрессионные модели. С 1979 по 1983 годы в Соединенных Штатах Америки был осуществлен исследовательский проект, являющийся «Общенациональной программой по изучению стока (NURP)» [68], направленный на комплексные исследования городских вод, образующихся в результате выпадения атмосферных осадков. Этот проект дал существенный толчок к созданию обширной базы данных [69], которая включала в себя множество различных результатов о проведенных натурных экспериментах, наблюдениях и лабораторных изысканиях, связанных с водами поверхностных стоков. Основываясь на этой базе данных, ученые и различные специалисты получили возможность составлять разнообразные стохастические модели, позволяющие в той или иной мере оценивать диффузный сток и диффузное загрязнение природных объектов.

Благодаря применению многопараметрического регрессионного анализа входных данных, специалисты смогли разработать различные регрессионные зависимости, которые позволяют оценить поступающий поверхностный сток и поллютанты, переносимые в его составе. Такие обобщенные зависимости можно представить в виде следующего уравнения:

C = ß0x Xf1 х Xß2 х... х Xßm x BCF , (1.2)

где C - средняя концентрация i-го вещества в диффузном стоке (СКС);

30

Во ...В m- коэффициенты уравнения регрессии; Х1 ... Xn - переменные модели, в данном случае являются показателями факторов, способных оказывать значительное влияние на диффузный сток и его нагрузку на водные объекты, такие как: суммарное количество осадков; площадь мелиорируемых земель; общая доля земель, имеющих непроницаемые покрытия (дороги, площади и т.д.); климатические показатели, такие как: интенсивность выпадающих осадков, их среднее количество, температурные показатели и количество поступающего с осадками атмосферного азота; BCF - поправочный коэффициент (bias correction factor).

Как считают некоторые авторитетные американские специалисты, регрессионные модели, разработанные при участии Геологической службы США [70] - наиболее точные и эффективные эмпирические модели, которые позволяют выполнять расчеты, ориентированные на определение негативного влияния поступающих ливневых вод на экологические системы. Для осуществления расчетных операций в данных моделях отсутствует необходимость в сборе многочисленных данных и проведения соответствующего мониторинга, что является характерной чертой моделей, принадлежащих к типу «черный ящик». Но из-за того, что они предсказывают усредненные значения рассчитываемых величин, они не способны дать оценку обеспеченности полученных результатов расчета. Это является одним из существенных недостатков регрессионного анализа по сравнению со стохастическими моделями.

Универсальное уравнение почвенной эрозии. Так же, как и биогенные элементы, взвешенные вещества оказывают одно из главных загрязняющих воздействий на большую часть водосборов, на территории которых располагаются сельскохозяйственные земли. Зачастую многие загрязнители, такие как фосфор, поступают в водный объект с поверхностным твердым стоком, и для учета таких поллютантов многие модели поверхностного стока включают в свой состав возможность проведения оценки и анализа взвешенных частиц, переносимых диффузными стоками. Более упрощенные

31

модели могут брать за основу уравнения и модели расчета эрозии почвенного покрова.

Уравнение почвенной эрозии (USLE) - эмпирическая эрозионная модель является одной из самых распространенных в мировой практике моделей [71]. С её помощью можно оценить среднегодовые потери почвы при плоскостной и ручейковой эрозии, в то же время, уравнение почвенной эрозии не рассчитывает выходы образовавшихся наносов и осаждений (например, у подножья оврагов). Параметры для осуществления расчета по уравнению почвенной эрозии сравнительно легко получить для различных природных областей. Само уравнение имеет вид:

А = Я*К*ЬБ*С*Р, (1.3)

где A - потери почвенного слоя в результате эрозионных процессов (т/га в год); R - коэффициент осадков и стока, который находится в прямой зависимости от географического положения изучаемого объекта; К -коэффициент эродируемости почвы, который учитывает водопроницаемость и противоэрозионную стойкость почв; LS - коэффициент уклона, зависящий от длины и крутизны склона и характеризующий отношение потери почвы с данного склона к принятому за эталонный (длина - 22,1 м и уклон 9%); С -коэффициент характеризующий возделываемые культуры и используемую сельскохозяйственную технику (отношение потерь почвы с данного поля к потерям почвы с поля, занятого черным паром); Р - коэффициент снижения потерь при использовании противоэрозионных мероприятий (отношение почвенных потерь к потерям почвы с поля).

Данная модель используется во множестве более сложных, составных моделях, в которых так же учитывается влияние склоновой эрозии и следующих за ней потерь почвенного слоя, например, Water and Tillage Erosion Model (WaTEM) (модель водной и почвенной эрозии), Water Erosion Prediction Project (WEPP) (прогнозирование водной эрозии) и многих других.

32

Методика определению расчетных концентраций минеральных, органических веществ и пестицидов в дренажном в поверхностном стоке с мелиорируемых земель " разработана организациями ВНИИВО, ВНИИГиМ им. Косякова, БелНИИМиВХ, СевНИИГим, В/О "Союз-водпроект", Главнечерноземводстроем и Ленгипроводхозом и рекомендована в качестве нормативного документа BТP-П-30-81 Министерством мелиорации и водного хозяйства СССР в 1981 году для использования.

Эта методика позволяет проводить оценку объема поверхностного и дренажного стока, а также рассчитывать количество поступающих с данными стоками загрязняющих веществ, таких как азот, фосфор, калий, пестициды. Конечной целью применения данной методики является разработка проектов комплексного использования земель, направленных на снижение поступления поллютантов в водные объекты с сельскохозяйственных территорий.

Расчетные зависимости учитывают практически все влияющие на сток факторы, такие как состав вносимых минеральных и органических удобрений, содержание в почве биогенных веществ, вид возделываемых культур, тип почв и их окультуренность и т.д. Так же одним из преимуществ данной методики является возможность ее применения в любом регионе бывшего СССР, за исключением «хлопковой зоны». К недостаткам данной методики можно отнести то, что проведение расчетных операций по ней целесообразно только для природных вод, и данные методы расчета не рассматривают использование сточных и возвратных вод, которые могут применяться для орошения с/х культур. Кроме того, в эмпирические уравнения включены многочисленные коэффициенты, не имеющие логического смысла, что затрудняет проверку адекватности зависимостей.

Обобщенная методика по оценке выноса биогенных веществ с

сельскохозяйственных водосборов. В случаях проведения экологических

экспертиз проектных решений эксперты зачастую руководствуются

минимальными вводными параметрами, количество которых ограничивается

существующими действующими нормативными документами,

33

используемыми в различных проектных водохозяйственных организациях. Аналогичный недостаток данных испытывают и эксперты, работа которых заключается в разработке и предложении различных водоохранных мероприятий, направленных на уменьшения человеческого воздействия на водные объекты в результате хозяйственной деятельности. При недостатке данных для оценки негативного влияния диффузных стоков применяются менее точные, но более простые в использовании модели. Для повышения надежности получаемых результатов привлекают информацию экспертов, а также дополнительно задействуются результаты, полученные в ранее проводимых исследованиях на других водосборах. Для изучения миграционных путей загрязняющих веществ применяется принцип бассейнового подхода, учитываются назначение и практическое применение расположенных в пределах водосбора объектов, их близость к поверхностным водным объектам и т.д. Построенные таким методом схемы перестают быть исключительно эмпирическими моделями и приближаются к концептуальным моделям за счет применения ранее полученных данных. Но и исключительно концептуальными моделями они не являются, поскольку применяемые в них зависимости опираются на метод идентификации, который основывается на анализе получаемых реакций природных экосистем на внешние воздействия.

Так, расчет количества биогенных элементов, выносимых из почвы после окончания уборки сельскохозяйственных культур, выполняется с применением формулы [25; 72; 73]:

, (1.4)

где - масса ьго биогенного вещества, которое выносится стоком с территории сельскохозяйственных угодий, на которых проводятся посевные работы для п культур, кг/га; К^ - коэффициент (кг/ц), характеризующий вынос /-го биогенного элемента с биомассой у-й культуры; - площадь, на

34

которой произрастает с/х культура, га; у! - урожайность взращиваемой культуры, ц/га.

Масса естественных потерь ьго биогенного вещества Ж считается в рассматриваемой методике пропорциональной величине Я{.

^ = (1.5)

где щ - коэффициент перемещения химических веществ; ц -безразмерный коэффициент, учитывающий воздействие водности конкретного временного промежутка на объем вымываемых биогенных элементов с сельскохозяйственных территорий. Он рассчитывается как соотношение слоя поверхностного стока в конкретный временной промежуток к слою поверхностного стока в средний по водности период. [25; 72; 73].

Анализ различных эмпирических моделей показал, что зачастую применение статистических и эмпирических моделей строго привязано к конкретным водосборным бассейнам, поэтому их использование на других водосборах может приводить к получению результатов, отличающихся от реальных значений. Но при использовании этих моделей на тех территориях, для которых они создавались, в типичных для данной местности условиях, специалист может рассчитывать на получение результатов, наиболее приближенных к реальным значениям. Для использования простейших моделей не требуется сбор множества входных параметров, но они способны давать приемлемые предварительные прогнозы. Часто такие модели используются в экспертной деятельности для обоснования управленческих решений, если возникает необходимость проверки правильности выбранного технического решения, например:

а) на основе данных, предоставляемых метеорологическими станциями

оперативно можно дать оценку изменения диффузной нагрузки на водные

объекты, которая обеспечивается поступлением загрязняющих веществ во

35

время выпадения осадков;

б) рассчитать необходимые объемы накопительных бассейнов при составлении проектов строительства или реконструкции очистных сооружений;

в) при планировании водоохранных мероприятий в пределах водосборного бассейна рассчитать количество поллютантов в диффузных стоках при различных климатических условиях и сельскохозяйственном применении, в результате чего оценить необходимость и эффективность запланированных мероприятий.

1.4.2 Опыт разработки и применения имитационных моделей для исследования диффузного стока

В настоящее время мировой опыт гидрологических исследований

позволяет решать множество различных задач, к которым можно отнести:

прогнозирование поверхностного стока, который переносит в своем составе

биогенные вещества; планирование и реализация природоохранных

мероприятий; антропогенное воздействие [74] на водные ресурсы и

поступающий в них сток с различных территорий; разработка сооружений,

целью которых является снижение негативной нагрузки на водные объекты и

уменьшение эрозии почвенных покровов. Каждая из таких моделей

отличается от других своей структурой, научной направленностью, а также

требуемой исходной информацией для проведения расчетов. На сегодня не

существует единой универсальной модели. Так, например, в

Гидрохимическом институте Федеральной службы по гидрометеорологии и

мониторингу окружающей среды [1] было разработано около шестидесяти

моделей, описывающих вынос из почвы азотных соединений, в частности в

виде оксида азота (Ы02) и аммония (ЫН4+), основанных на проведенных

полевых исследованиях на сельскохозяйственных участках. Множество

созданных моделей требуют для своей работы слишком большой объем

информации, получаемой в процессе натурных исследований. Некоторые

36

данные могут быть получены исключительно в результате проведения полевых исследований на территории изучаемого района.

Множество моделей могут дать только схематическое представление о процессах формирования биогенной нагрузки и её изменениях во времени и пространстве. Такие модели не применяются для долгосрочного прогнозирования и оптимизации процессов загрязнения. Основными причинами данной проблемы являются трудоемкость расчетов и отсутствие длительных полевых исследований [75].

С 90-х годов прошлого столетия широко развивается пространственное

математическое моделирование на основе интеграции географических

информационных систем с различными экологическими моделями в

масштабах водораздела. Многочисленные модели H/WQ с

сосредоточенными и распределенными параметрами, включая CREAMS [76],

ANSWERS [77], AGNPS [78] и SWRRB-WQ [79], были разработаны для

прогнозирования воздействия сельского хозяйства на качество

поверхностного диффузного стока. Пространственно-временная

изменчивость ландшафтных характеристик, включая почву,

землепользование, топографию и климат, влияет на гидрологический отклик

физической системы и сильно ограничивает применимость моделей.

Следовательно, для оценки загрязнения из неточечных источников требуется

мультидисциплинарный подход, включающий дистанционное зондирование,

ГИС и имитационную модель. Развивающаяся в современном мире

технология, представленная географическими информационными

системами, предоставляет инструменты для создания, обработки и

пространственной организации разрозненных данных для распределенного

моделирования. Таким образом, сопряжение цифровых тематических карт,

полученных с помощью дистанционного зондирования, с другими

соответствующими картами через ГИС обеспечивает мощный механизм для

анализа информации, полученной с помощью дистанционного зондирования,

в сочетании с другими переменными окружающей среды или тематическими

37

слоями в географической базе данных. Это также позволяет быстро обновлять географическую базу данных, что делает ГИС функциональным и гибким инструментом для экологической оценки. При загрязнении из неточечных источников необходима количественная оценка гидрологических параметров водосбора, таких как пиковый расход, скорость образования наносов и объем стока, и это основная информация для мер по сохранению почвы и воды в водоразделе. Спутниковые изображения широко используются в областях сельского, лесного хозяйства, управления водосборами, гидрологического моделирования [80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91].

ГИС по сути дела является инструментом для управления, запроса, визуализации и анализа пространственно привязанной информации [92]. Во многих исследовательских проектах изучались возможности использования ГИС для хранения пространственных данных, выполнения интерактивного пространственного анализа и отображения данных и результатов моделирования с помощью карт и таблиц [93, 94, 95]. Развитие ГИС вышло за рамки управления исходными данными и тематического картографирования, и превратилось в сложное моделирование и визуализацию для задач научного распределенного моделирования.

В последние годы было сделано много попыток связать модели диффузного загрязнения с ГИС. Например, Леон и др. [96] сообщили об опыте интеграции ГИС с распределенной моделью качества воды (WATFLOOD) при моделировании загрязнения из диффузных источников на сельскохозяйственных водосборах; Бразиер и др. [97] продемонстрировали полезность связи ГИС с моделями эрозии почвы для повышения результатов до национального масштаба. Питерс и др. [98] разработали модель на основе ГИС для оценки вклада диффузных и точечных источников в азотные и фосфорные нагрузки в низинных притоках рек; Смит и др. [ 99] рассчитали баланс фосфора для Северной Ирландии путем интеграции ГИС с применением модели экспортных коэффициентов, разработанной в 1996 году

38

Вопрос в сочетании моделей диффузного загрязнения с ГИС состоит в том, чтобы выбрать правильную стратегию такого объединения. Многие, но не все, модели диффузного загрязнения являются расширением гидрологических моделей, включая дополнительные модули для оценки эрозии и поступления наносов, а также выбросов, выщелачивания и переноса загрязнителей с поверхности земли и из почвы [101]. С точки зрения точности пространственных единиц, используемых в анализе, модели диффузного загрязнения можно сгруппировать как пространственно сосредоточенные или распределенные модели. Сосредоточенные модели используют пространственное усреднение параметров и выполняют вычисления по всему водосборному бассейну. Преимущество сосредоточенных моделей состоит в том, что они обычно имеют простые алгоритмы и используют усредненные данные по всему водосбору для расчетов. Распределенные модели основаны на разделении ландшафта и связанных с ним объектов на более мелкие функциональные земельные участки. Уравнения с частными производными также часто используются для описания динамического состояния потока и движения загрязняющих веществ, связанных с этим потоком. Для облегчения такого подхода обычно требуются большие объемы данных и параметров. Например, требуется 22 входных параметра для каждой ячейки для полной версии модели ЛОКРБ [102, 103, 104, 105].

Модель АС№8 разработана для анализа загрязнения из неточечных

источников на сельскохозяйственных водосборах. В модели используется

подход с распределенными параметрами для количественной оценки

водораздела путем деления площади на однородные квадратные ячейки, что

позволяет проводить анализ в любой точке в пределах водораздела. Модель

моделирует объем стока, наносов и питательных веществ и их вынос из

сельскохозяйственных водосборов. Рассматриваемые питательные вещества

включают азот (К) и фосфор (Р), которые являются незаменимыми

питательными веществами для растений и вносят основной вклад в

39

загрязнение поверхностных вод (диффузного стока). Характеристики стока и процессы переноса наносов и питательных веществ моделируются для каждой ячейки. Нагрузка N, P выражается в единицах концентрации или массы и подразделяется на связанные с осадком и водорастворимые компоненты. Таким образом, можно исследовать эрозию потока и химическое движение в любой точке водораздела. Источники загрязнения на возвышенностях, способствующие возникновению потенциальной проблемы, могут быть идентифицированы, и их можно определить по приоритетам для принятия корректирующих мер для наиболее эффективного улучшения качества воды. Сток прогнозируется с использованием метода кривой стока службы охраны почв (SCS). Объем наносов прогнозируется с использованием модифицированной версии универсального уравнения потери почвы (USLE). Компоненты движения питательных веществ были адаптированы из модели CREAMS. Расчеты химического переноса делятся на растворимую и адсорбированную фазы.

Model SWRRBWQ (Симулятор для Водных Ресурсов в Сельских Бассейнах) - модель была разработана на сельскохозяйственной экспериментальной станции USDA-ARS и Temple, Темпл, штат Техас, и в Национальной лаборатории исследования эрозии почв Университета Пердью, Западный Лафайет, штат Индиана, и представляет собой непрерывную имитационную модель, позволяющую рассчитывать гидрологические и связанные с ними процессы в сельских бассейнах. Цель модели - предсказать влияние управленческих решений на гидрологический цикл прудов и водохранилищ, а также на рост сельскохозяйственных культур, их урожайность, вынос питательных веществ и миграцию пестицидов в суббассейне или на выходе из бассейна. Бассейн можно разделить максимум на 10 суббассейнов, чтобы учесть различия в почвах, землепользовании, сельскохозяйственных культурах, топографии, растительности или погоде. SWRRBWQ одновременно вычисляет поток воды на каждом суббассейне и

моделирует миграцию отложений и химических веществ за пределы бассейна.

40

В программе предусмотрен блок контроля качества воды в озере, с помощью которого можно проследить движения пестицидов и фосфора в зависимости от их первоначального применения на суше до их окончательного осаждения в озере.

SWRRBWQ может моделировать влияние системы управления на уровне фермы севооборотов, обработки почвы, даты посадки сельскохозяйственных культур, график полива, а также нормы и сроки внесения удобрений и пестицидов. Модель разделяет потери нитратов между поверхностным стоком, боковым подповерхностным стоком, просачиванием и поглощением растениями. Она также вычисляет растворимый и связанный с осадком фосфор, вычисляет количество пестицидов, выщелачиваемых через верхний слой почвы, и вычисляет выход наносов с использованием модифицированного универсального уравнения потерь почвы (MUSLE).

HUWQ (Инструмент контроля качества воды в гидрологических единицах) был разработан группой управления информационными ресурсами Службы охраны природных ресурсов (NRCS) в Форт-Коллинзе, штат Колорадо. Программное обеспечение, известное как HUWQ Tool, было задумано как общий интерфейс для четырех моделей определения нагрузки загрязняющих веществ на подземные воды систем управления сельским хозяйством (GLEAMS), калькулятор воздействия эрозии/производительности (EPIC), симулятор водных ресурсов в сельских бассейнах - качество воды (SWRRBWQ) и сельскохозяйственное загрязнение из неточечных источников (AGNPS). GLEAMS и EPIC - это модели для небольших масштабов, а SWRRBWQ и AGNPS - для водоразделов большего размера. Текущая версия HUWQ Tool не включает ни одну из моделей в масштабе поля. HUWQ Tool работает в среде UNIX с использованием системы поддержки анализа географических ресурсов (GRASS) для обеспечения пространственного представления водораздела с отдельными картами или «слоями», такими как почвы, сеть водотоков, землепользование и топография. Атрибуты,

относящиеся к слоям географических информационных систем (ГИС), вводятся и сохраняются в базе данных INFORMIX [106].

Hydrological Simulation Program - FORTRAN (HSPF) - программный комплекс для моделирования гидрологии водосбора и качества воды как для обычных, так и для токсичных органических загрязнителей. HSPF объединяет модели ARM и NPS в масштабе водосборных бассейнов. Это единственная комплексная модель гидрологии водосбора и качества воды, которая позволяет выполнять интегрированное моделирование процессов стока загрязняющих веществ с учетом гидравлических и наносно-химических взаимодействий в потоке. Результатом моделирования является хронология скорости стока, нагрузки наносов, концентраций питательных веществ и пестицидов, а также количества и качества воды в любой точке водосбора. HSPF моделирует три типа отложений (песок, ил и глина) [107].

MEPhos - основанная на ГИС модель, которая позволяет проводить

системную количественную оценку среднегодовых общих выбросов фосфора

в поверхностные воды [108]. MEPhos включает диффузные и точечные

источники загрязнения водных объектов: искусственный дренаж, отток

грунтовых вод, эрозию, смыв, очистные сооружения городских сточных вод,

промышленные стоки, дождевые воды и комбинированные сливы

канализации. Моделирование, дифференцированное по площади,

выполняется для количественной оценки диффузных стоков фосфора через

искусственный дренаж, отток подземных вод, смыв и эрозию и основан на

фосфопах, т.е. диффузных P-входах [109]. Для определения компонентов

среднегодового стока, связанных с путями поступления загрязнителей, модель

MEPhos соединена с моделью водного баланса GROWA [110]. Программа

GROWA предоставляет среднегодовые суммы поверхностного стока,

дренажного стока и пополнения подземных вод в виде растровых сеток с

пространственным разрешением 50 x 50 м2. Принимая во внимание, что

входные данные для моделирования диффузных P-входов были

предоставлены с разделением по площади цифровыми картами с высоким

42

разрешением, например, почвенной картой масштаба 1:50000, среднегодовые поступления фосфора через коллекторы дождевой воды и комбинированных сточных вод должны быть смоделированы комплексно для речных суббассейнов. Поступление фосфора от муниципальных очистных сооружений и промышленных предприятий моделируется отдельно для каждого объекта. После расчета среднегодовых поступлений фосфора по всем направлениям, выбросы суммируются для речных суббассейнов, связанных с датчиками качества воды, и с размерами от 50 и 500 км2. Затем добавляется среднегодовая нагрузка суббассейна, расположенного выше по течению, и вычитается количество сорбированного фосфора. Это позволяет проверить смоделированные P-нагрузки путем сравнения со среднегодовыми P-нагрузками, определенными на основе измеренных данных о качестве воды и контролируемых створах [8].

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) - это общедоступная программная модель, активно поддерживаемая Службой сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США в Центре исследований и распространения знаний Blackland в Темпле, штат Техас, США. Эту модель применяют во множестве стран, включая Россию, и она постоянно дополняется и развивается. По состоянию на июль 2012 года было опубликовано более 1000 рецензируемых статей, в которых описаны её различные приложения [111].

SWAT является имитационной почвенно-гидрологической моделью,

которая выполняет расчеты с суточным временным шагом в масштабе

водосборного бассейна водного источника [112]. Целью данной модели

является прогнозирование долгосрочных воздействий на большие и сложные

бассейны, а также на сельскохозяйственные площади. SWAT можно

применять для моделирования на бассейновой территории круговорота

питательных веществ и воды с учетом использования сельскохозяйственных

земель, что позволяет оценивать природоохранную экологическую

деятельность человека и методы управления сельскохозяйственной

43

деятельностью и водными ресурсами. Она охватывает широкий спектр процессов, связанных с гидрологическим балансом, качеством воды и переносом веществ в соответствии с землепользованием и изменением климата и соответствует задачам, поставленным в данной диссертационной работе. В основе SWAT лежит уравнение водного баланса (рисунок 1.3). Пользователь этой программы может решать задачи многих отраслей, таких как: гидрология, сельское хозяйство, почвоведение, биология, химия, экология и различных других сфер деятельности. Модель SWAT работает как механизм имитации водного баланса территорий речных бассейнов, где ведется сельское хозяйство, и рассматривает все стороны взаимодействия воды, растительности и почвы.

Рисунок 1.3 — Уравнение водного баланса, лежащее в основе программного комплекса SWAT

Модель способна решать множество задач, направленных на оценку различных процессов, происходящих в природе. Среди них можно выделить такие задачи как:

• имитация круговорота воды;

• прогнозирование паводковых процессов;

• моделирование процесса загрязнения почвенных и водных ресурсов;

• оценка продуктивности роста биомассы лесов;

• районирование территории;

• проведение оценки антропогенной нагрузки, такой как уровень водопотребления, загрязнение почв химическими соединениями и т.д.

Модель SWAT является свободно распространяемым бесплатным программным продуктом.

1.4.3 Детерминированные модели неточечных источников

Наиболее простыми для использования считаются камерные модели. Они применяются для оценки и прогнозирования стоков, поступающих из рассредоточенных источников, и являются подвидом детерминированных моделей. При своей простоте, такие модели способны учитывать происходящие в системе «река-водосборная территория» динамические изменения. При использовании камерных моделей появляется возможность учитывать различные явления, такие как, например, миграционную способность для различных форм загрязняющих веществ. Для проведения расчетов на водосборных территориях в камерных моделях учитывают их поверхностную неоднородность и делят на блоки малых частных водосборов (камер), которые являются как временными, так и постоянными. Такие малые водосборы будут отличаться друг от друга уровнем загрязнения, и, как следствие, количеством поступающих со стоковыми водами загрязняющих веществ, что наблюдается в их замыкающих створах. Сложение концентраций с замыкающих створов таких водосборов с учетом временных рамок их поступления, позволяет получить общую картину формирования загрязняющих стоков и количества поллютантов на всем водосборном бассейне водного объекта и учесть динамические изменения, происходящие в системе «водоприемник-водосборная территория».

Нульмерные модели, в силу своей простоты и невысокими

45

требованиями к исходной информации, а также сравнительно низкой стоимости реализации, являются весьма востребованными. Их часто применяют при возникновении потребности дать оперативную оценку и прогноз поступления поллютантов в водный объект при различных условиях.

Например, была разработана камерная модель для расчета поступления поллютантов [113]. В ней были заимствованы из модельной системы EGMО (Физически Обоснованная Концептуальная Модель Формирования Стока) [114] описания изменения влажности в прикорневой зоне и расчетные характеристики стока в процессе выпадения атмосферных осадков. Расчеты таяния снегового покрова позволяли определять изменения стока с водосборной территории на основании данных, получаемых с метеорологических станций [115]. Расчетные операции для определения биогенной нагрузки на водные объекты в данной модели сведены к использованию метода постоянных концентраций: применяются эмпирические соотношения, выбранные на основе методических рекомендаций по расчету средних концентраций подвижных и общих форм фосфора и азота [116]. В соответствии с этими рекомендациями средняя концентрация общих форм биогенных элементов в стоке Собщ (в мг/л) рассчитывается по следующим зависимостям:

Собщ = С-п + С-т.; С-п — к(кг • Вп + к.2 • Е-у)', Ст — Б05 •10 6 (16)

где Сп - концентрация подвижных форм соединений в воде; Ст-концентрация веществ в твердом стоке; Б0 и Оп - содержание общих и подвижных форм в почве, мг/кг; - объем удобрений, вносимых при сельскохозяйственной деятельности, кг/га; 5 - мутность потока в замыкающем створе для исследуемого участка, г/м3; к - эмпирическая константа, кг- коэффициент растворимости поллютанта, кг/л; к2- константа, характеризующая возможность вымыва вносимых удобрений с

поверхностным стоком, мг/га (л/кг).

Такая модель позволяет отразить основные параметры и процессы формирования выноса биогенных элементов в пределах водосборного бассейна и оценить возможное влияние планируемых сельскохозяйственных мероприятий на гидрохимический режим исследуемого водного объекта.

Моделирование переноса загрязнений подземными водами требует учета инфильтрации воды в подземные горизонты, что являются одним из источников переноса загрязняющих веществ между поверхностными водными объектами. Процесс инфильтрации способствует перемещению загрязняющих веществ из верхних почвенных слоев в нижние слои почвы и грунтовые воды. Зеркальный процесс, подъем грунтовых вод и их фильтрация в почвенные слои также способен вызывать загрязнение грунтов и почв. По этим причинам вертикальное перемещение воды в толще почвы и грунта является важным фактором формирования подземного диффузного стока на водосборах. Для построения моделей, учитывающих перемещение поллютантов, следует использовать уравнения конвективно-дисперсионного транспорта воды и растворов, на которых базируются гидродинамические модели [117].

Точечные модели биогеохимических процессов созданы для

определения и расчета химических процессов в почве, трансформации таких

загрязняющих веществ как минеральные соли, тяжелые металлы,

радионуклиды и прочие загрязняющие вещества. Все поллютанты могут

иметь различные агрегатные состояния (твердые, жидкие, газообразные) и

способны трансформироваться в зависимости от влияния различных

внешних факторов, таких как температура окружающей среды,

насыщенность почвы влагой, поступление кислорода и аэрация почвенного

слоя. Для описания проходящих с поллютантами процессов вводятся

различные коэффициенты, характеризующие данные факторы. Часто такие

характеристики как температура воздуха вводятся как внешний параметр, а

более сложные компоненты как, например, влагонасыщенность,

47

рассчитываются в отдельных специальных гидрологических блоках.

Таким образом, на основе обзора и анализа отечественного и мирового опыта для оценки диффузного стока с водосбора предложена концептуальная модель проведения настоящих исследований, включающая анализ природных и хозяйственных источников диффузного стока, составление ГИС водосбора, содержащей полный набор информации для оценки диффузного стока. Обоснование методов оценки диффузного загрязнения, включающих эмпирические методы расчета выноса загрязняющих веществ с сельскохозяйственных полей и математическое моделирование диффузного стока по комплексным имитационным моделям. Для снижения диффузной нагрузки на водные объекты требуется обосновать комплекс природоохранных мелиоративных мероприятий, что является составной частью настоящей диссертационной работы. Все это должно быть реализовано в разрабатываемой экспертной системе по оценке диффузного стока (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 — Концептуальная модель оценки диффузного стока с сельскохозяйственных территорий

Выводы по главе 1

1. Диффузный сток является одним из наименее изученных и слабо контролируемых источников загрязнения водных объектов, но в то же время он оказывает существенное влияние на перемещение загрязняющих веществ (ЗВ) в пределах водосборных бассейнов и диффузное загрязнение водных объектов. Главной проблемой поступления диффузного стока в водные объекты становится сложность его определения, связанная с отсутствием единых нормативов и методов его учета и контроля.

2. Поверхностный и подземный сток, переносящий загрязняющие вещества, в дальнейшем попадает в водные объекты, загрязняя их и зачастую делая их непригодными для дальнейшего использования. Возникают многочисленные экологические проблемы, усугубляемые другими факторами антропогенного влияния. Это влечет за собой разрушение устоявшихся экосистем и требует разработки мероприятий по его снижению.

3. Анализ имеющихся в научной и нормативной литературе сведений показал, что, как в России, так и во всем мире правительственными органами различных уровней ответственности вводятся множественные законы по снижению поступления диффузных стоков и разрабатываются и принимаются целевые программы, направленные на снижение объемов загрязняющих веществ, попадающих в водные объекты и разрабатываются различные мероприятия и способы мониторинга с целью предотвращения дальнейших негативных последствий.

4. Выполненный в рамках данной работы краткий анализ существующих моделей для изучения диффузного стока показал, что моделирование поступления рассредоточенного стока в водные объекты является трудоемкой задачей. Даже для моделирования в рамках системы взаимодействия «река-водосбор», считающейся простейшей, необходимо иметь двумерное представление о всех подсистемах водосборных территорий.

5. Для оценки загрязнений, поступающих из неточечных источников, требуется множество различных параметров, таких как характеристики почвы, землепользования, климатические данные и т.п. Геоинформационные системы позволяют анализировать информацию, полученную с применением дистанционного зондирования и сочетать эти данные с имитационными моделями для более точного расчета гидрологических характеристик водосборных бассейнов.

6. Рассмотренный в работе программный комплекс SWAT является наиболее распространенной и достаточно надежной гидроэкологической моделью, которая использовалась в различных климатических и физико-географических условиях для решения ряда задач. SWAT охватывает широкий спектр процессов, связанных с гидрологическим балансом, качеством воды и переносом веществ на водосборе, включающем и сельскохозяйственные территории, и соответствует задачам, поставленным в данной диссертационной работе. На базе анализа мирового и отечественного опыта сформированы задачи настоящих исследований, связанные с выявлением источников диффузного загрязнения, их систематизации с целью дальнейшей оценки и разработки природоохранных мероприятий для его снижения.

ГЛАВА 2. ВЫБОР И ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Обоснование выбора опытного объекта бассейна малой реки и характеристика его природных условий

Для оценки диффузного стока в качестве исследуемого объекта был выбран водосборная территория реки Яхрома, находящийся в Дмитровском районе Московской области. Река Яхрома входит в категорию малых рек, поскольку имеет протяженность русла не выше 100 км и площадь водосборного бассейна в пределах 2000 км2, и является притоком третьего порядка в Верхневолжском бассейне, впадает в р. Сестра, которая, в свою очередь, является притоком реки Дубны, впадающей в Волгу. Районы Верхней Волги в основном относятся к Нечерноземной зоне и характеризуются достаточным и избыточным увлажнением, что обуславливает распространение осушительных мелиоративных систем. Примерно 50% сельскохозяйственных угодий заболочены или переувлажнены. Значительные площади осушительных систем располагаются преимущественно на пойменных землях притоков р. Волга, с которых дренажный сток непосредственно, без какой-либо очистки, сбрасывается в речную сеть. Водосборы малых рек, как правило, густо заселены и сельскохозяйственно освоены, за счет чего на них формируется существенный диффузный сток, загрязняющий речные воды. Малые реки, являясь составной частью гидрографической сети Волжского бассейна, транспортируют загрязнения, поступающие с водосборов, непосредственно в реку Волгу.

В бассейне реки Яхромы расположен осушаемый массив Яхромской

поймы, который является уникальным объектом мелиорации, как по площади

системы, так и по интенсивности мелиоративного воздействия на природный

комплекс [22] и речные воды. На пойме находится мелиоративная система

двустороннего регулирования, включающая в себя закрытый горизонтальный

дренаж и различную дождевальную технику. Эта система позволяет

обеспечить интенсивное выращивание сельскохозяйственных культур в

51

пределах поймы. В результате длительной эксплуатации на мелиорированных землях сформировался мелиоративный режим, определяющий весьма высокий уровень антропогенной нагрузки как на почвы, так и на водные объекты, которая, в свою очередь, ведет к увеличению поступления биогенных и минеральных веществ в речную воду. Многолетние натурные исследования, проведенные различными учеными (В.А. Трифоновым, Е.Б. Стрельбицкой, Н.В. Кузнецовой, В.М. Яшиным и др.) в пределах водосборной территории реки Яхрома также являются обоснованием выбора данного речного массива в качестве объекта исследования. Большая часть данных исследований проводилась в пределах Яхромской поймы, на мелиорируемом массиве.

Водосборная территория реки Яхрома площадью водосборного бассейна 1437 км2 по данным водного реестра РФ приписывается к Верхневолжскому бассейновому округу. Исток реки Яхрома располагается в пределах Клинско-Дмитровской гряды, и впадает в реку Сестра у поселения Усть-Пристань (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Вид р. Яхрома (слева-направо) в верховье, на выходе с массива Яхромской поймы и в приустьевой части дер. Усть-Пристань (фото

В.М. Яшина)

Гидрологический режим реки формируется под воздействием

климатических и антропогенных факторов. В Московской области

52

химический состав малых рек в меженные периоды определяется в основном за счет снегового типа питания и высокого поступления грунтовых вод. Питание рек Подмосковья оценивается на 55-61% снеговым, от 17 до 33% грунтовым и от 11 до 23% дождевым стоком. В пределах мелиорируемого массива на формирование режима оказывает влияние общая схема мелиоративной системы и режим эксплуатационных мероприятий. Территория бассейна реки Яхрома характеризуется высокой антропогенной загруженностью, которая определяется сельскохозяйственным использованием земель, наличием промышленных зон, населенных пунктов, интенсивностью дорожной сети, наличием рекреационных зон. Современная (освоенная) долина реки Яхрома переходит в озеровидное расширение, сформировавшееся в доледниковый период и в последующее время заторфованное. Пойма р. Яхрома имеет преимущественно равнинный рельеф с многочисленными понижениями различной конфигурации. В северовосточной части она примыкает к коренному склону, сформированному в виде отдельных, относительно невысоких возвышенных форм рельефа.

Климат. Характеристика климата в пределах водосборного бассейна реки Яхромы составлена по данным метеостанции «Дмитров», расположенной в городе Дмитров на высоте 138 м над уровнем моря. За период 1951 - 2023 гг. среднегодовая температура воздуха составила 4,9°С. Максимальное значение температуры атмосферного воздуха было зарегистрировано в 2010 году в июле (+37,5°С), минимальное значение отмечено в 2017 году в январе (-34,5°С). В северной части Московской области, в которой располагается исследуемый водосборный бассейн, преобладает умеренно континентальный климат. на данных территориях четко прослеживается сезонность, летний сезон стабильно теплый, а зима стабильно холодная. Зимний период характеризуется достаточно устойчивым снежным покровом. Теплый период в среднем длится 210 дней. В начале ноября температура переходит через 0°С к отрицательным значениям. Среднегодовая сумма осадков по многолетним наблюдениям составляет 630

53

мм (рисунок 2.2). До 70% от всех годовых осадков выпадает в период положительных температур воздуха, с апреля по октябрь.

Рисунок 2.2 — Сумма среднегодовых осадков по метеостанции в г.

Дмитров

Снежный покров можно наблюдать с ноября до середины апреля, но были отмечены случаи его наличия в середине октября (13.10.2010) и в начале мая (10.05.2017), средняя высота снежного покрова достигает отметок в 55 -60 см.

Гидрография и гидрология. Река Яхрома в своем среднем течении зарегулирована плотиной Яхромского водохранилища, из которого вода через дюкер под руслом канала им. Москвы подается в русло реки на противоположный берег канала. К западу от канала происходит слияние трех рек: Яхромы и ее левых притоков Икши и Волгуши, в результате чего речной поток Яхромы становится более полноводным. Река Волгуша - является крупнейшим притоком реки Яхромы, ее длина составляет 40 км, а площадь водосборной территории 284 км2. Ее исток находится в озере Нерском, к западу от станции Катуар у поселка Озерецкого. После впадения в реку Яхрому двух весьма значимых притоков - реки Икша и реки Волгуши - русло

меняет свое направление и дальше река протекает на север, в сторону города Дмитров. После городской черты река вновь сворачивает на северо-запад, в сторону Яхромской поймы. В пределах поймы скорость реки становится ниже. Дальше, до впадения в реку Сестру, берега реки становятся пологими и с правых берегов в нее вливаются новые притоки, например, река Кухолка. В результате строительства канала им. Москвы река оказалась поделенной на две части: верхнюю - от своего истока в Пушкинском районе до Яхромского водохранилища и нижнюю - от канала им. Москвы до устья. В своем нижнем течении русло реки Яхрома располагается параллельно каналу им. Москвы и проходит вдоль восточной границы города Яхрома, где в нее впадает ручей, содержащий в себе загрязненные воды с городских очистных сооружений. Ниже г. Дмитров река протекает по широкой заторфованной котловине, которую называют Яхромской поймой, здесь расположен крупный мелиоративный объект площадью более 9 тыс. га сельскохозяйственных угодий, который является крупнейшей в регионе оросительно-осушительной системой двустороннего регулирования водного режима почв. В южной части пойменного массива расположены поселения с низкой плотности застройки. Для перехвата поступающих с этих территорий загрязненных вод был построен Левый нагорный канал, который впадает в реку Яхрома [118].

Через 20—25 км вниз по течению реки пойма соединяется с долиной реки Сестры и переходит в Верхне-Волжскую низменность. Наивысшие точки над уровнем моря в пределах пойменной части реки - 128 - 131 м. Схема гидрографической и мелиоративной сети показана на рисунке 2.3.

В границах мелиорированной поймы часть реки была канализирована и переименована в Новую Яхрому, её береговую линию укрепили дамбами для предотвращения эрозии почв. Водообмен реки с открытыми мелиоративными каналами регулируется системой шлюзов (рисунок 2.3, рисунок 2.4).

Рисунок 2.3 — Схема гидрографической и мелиоративной сети на

Яхромской пойме

Рисунок 2.4 — Шлюзы на мелиоративной системе Яхромской поймы

(фото В.М. Яшина)

На Яхромской пойме формируется дренажный сток, расчетный среднегодовой модуль которого по данным натурных наблюдений составляет

56

0,04-0,05 л/с га в зависимости от количества выпавших осадков, а также подачи воды для проведения необходимых оросительных мероприятий. Дренажный сток не контролируется и сбрасывается в реку без какой-либо очистки. Мелиорированный массив Яхромской поймы заканчиваются у с. Рогачево и ниже его пойма соединяется с долиной реки Сестры.

Гидрогеологические условия. Водосборный бассейн реки Яхрома территориально расположен в пределах Московского артезианского бассейна (МАБ), который представляет сложную систему взаимосвязанных водоносных и водоупорных горизонтов: входящих в четвертичный водоносный комплекс современных отложений, представленных песками, супесью, торфом, сапропелем и заторфованным суглинком, аллювиальными песками верхнечетвертичных отложений, флювиогляциальными мелко- и среднезернистыми песками, средне- и крупнозернистыми аллювиальными песками нижнечетвертичных отложений. МАБ характеризуется обширной площадью распространения и выдержанностью водоносных горизонтов и водоупоров и высокими гидростатическими напорами подземных вод в известняках карбона.

Грунтовые воды территории, в основном, безнапорные, характеризуются резкие перепады глубины залегания и мощности водоносных горизонтов. Ниже располагаются водоносные горизонты, гидравлически связанные с грунтовыми водами. Водоносные горизонты имеют повышенную напорность и способствует подпитыванию верхних безнапорных горизонтов. Ниже залегает водоносный комплекс, приуроченный к толще слабопроницаемых юрских глин, а под ним так называемый Клязьминско-ассельский водоносный горизонт, приуроченный к известнякам и доломитам, который характеризуется высокими напорами, практически везде в пределах поймы превышающими напоры четвертичного водоносного комплекса. Клязьминско-ассельский водоносный горизонт, который подстилается выдержанной по площади толщей щелковских глин. На территориях в пределах Яхромского водосборного бассейна, которые не

57

предназначены для сельскохозяйственной деятельности, минерализация грунтовых вод находится в пределах до 0,5 г/дм3. Эти воды принадлежат к гидрокарбонатному классу. В зонах ведения сельского хозяйства, а также на территориях населенных пунктов грунтовые воды получают дополнительное питание и, соответственно, дополнительное количество растворенных веществ за счет поступления бытовых сточных вод и вод коллекторно-дренажного стока с осушаемых территорий.

Почвенный покров. Территория водосборного бассейна реки Яхрома находится в пределах Смоленско-Московской возвышенности, на большей её части преобладают дерново-подзолистый тип почв. В пределах Яхромского бассейна, на возвышенностях, почвенный слой представлен, в основном, дерново-подзолистыми типичными и глееватыми почвами. Зоны пониженного рельефа характеризуются наличием в них дерново-подзолистых глеевых почв, также присутствуют заболоченные участки местности, для которых характерны эвтрофные и олиготрофные торфяные почвы. Во время периодов половодья в бассейне реки Яхрома на берегах речных долин происходит отложение взвешенных в воде осадков, содержащих в себе высокую концентрацию перегноя, что приводит к образованию в таких местах пойменных почв.

Почвы пойменной террасы реки Яхромы представлены следующими разновидностями: дерново-глеевыми супесчаными, легко-, средне- и тяжелосуглинистыми, иловато-болотными суглинистыми, торфяными и перегнойно-торфяными [118]. В 1914 г. на территории ОПХ ЦТБОС (ныне ФГУП «Первомайский») организовано Яхромское (Кончининское) болотное опытное поле и начаты первые научные изыскания, направленные на изучение почв и пойменного биогеоценоза.

Осушительная сеть. К 50-м годам на Яхромской пойме было осушено

7114 га в основном открытыми осушителями с междренными расстояниями

100 м (5564 га). Закрытым дренажом было осушено только 1550 га.

Осушенные земли использовалась для выращивания однолетних и

58

многолетних трав, создания пастбищ и сенокосов - 2266 га. С 60-х годов начался второй этап освоения Яхромской поймы - этап интенсивного использования эволюционированных из торфяника высоко окультуренных торфяных почв в сельскохозяйственном производстве. В результате строительства закрытого дренажа, активно влияющего на режим грунтовых вод и водный режим мелиорируемых торфяных почв, появляется принципиальная возможность использовать окультуренные и сформировавшиеся торфяные почвы в более интенсивных системах земледелия с включением севооборотов с пропашными и овощными культурами.

2.2 Источники загрязнения реки Яхромы

Среди основных источников загрязнения речных вод бассейна р. Яхрома выделяются точечные и неточечные (диффузные) стоки. К точечным источникам загрязнения можно отнести сточные воды крупных городских поселений, сбрасываемые с водоочистных сооружений, ливневые стоки, воды, сбрасываемые промышленными и сельскохозяйственными предприятиями. Самым крупным источником точечного загрязнения в пределах водосборного бассейна реки Яхрома является город Дмитров. Его площадь составляет 26 км2, а население (по состоянию на 2023 год) - 64307 человек. Сточные воды, поступающие с городских территорий, подаются на водоочистные сооружения, с которых в дальнейшем сбрасываются в канал Старая Яхрома, впадающий в реку Яхрому на несколько километров выше по течению от мелиорируемого пойменного массива. Очистные сооружения города морально и физически устарели и не способны осуществлять должную очистку. В рамках федерального проекта «Оздоровление Волги» и региональных подпрограмм в 2023-2025 годах планируется строительство новых, современных очистных сооружений, мощность которых ожидается в 2 раза выше существующих [119].

Помимо коммунально-бытовых сточных вод на очистные сооружения подаются загрязненные воды с различных городских предприятий. Промышленное производство в Дмитровском районе осуществляется 42 крупными и средними предприятиями, а также 102 производственными компаниями малого бизнеса. К таким предприятиям относятся ООО «Дмитровский кабельный завод», ООО «Дмитровский мебельный комбинат», ООО «Комбинат железобетонных изделий», ООО «Леко», ЗАО «Сталко-Групп». Некоторые учреждения провели обновление своей технической базы и реконструировали очистные сооружения. По экспертным данным, с учетом изношенности водоочистных сооружений и развитие промышленного комплекса, объем сточных вод составляет не менее 3 млн. м3 в год., что является существенным показателем, оказывающим влияние на общее поступление загрязняющих веществ в реку Яхрому.

Также в бассейне имеются 196 садовых некоммерческих товариществ (СНТ), которые являются источниками диффузного загрязнения. В районе функционируют 58 крестьянских (фермерских) хозяйств, которые производят 15 тыс. тонн картофеля и овощей, 350 т. молока и другую сельскохозяйственную продукцию. К наиболее крупным аграрным предприятиям района можно отнести:

- Агрохолдинг «Дмитровские овощи» (которому принадлежат такие хозяйства как: ООО «Фрухтринг», ЗАО «Агрофирма «Бунятино», ООО «Дмитровские овощи») - один из крупнейших агрохолдингов России, который осуществляет полный цикл производства овощей и картофеля: выращивание, хранение и переработку сельскохозяйственных продуктов, доставку готовой продукции своим клиентам по Москве и Подмосковью, так же поставки осуществляются по всей территории России. Этому агрохолдингу принадлежит наибольшая часть посевных земель района - около 38% от всех остальных с/х производителей (2802 га), а в соотношении с с/х землями Московской области это составляет 12,5%;

- ФГУ СПО МО «Яхромский аграрный колледж» (сейчас «Яхромский колледж») - одно из наиболее старых предприятий Дмитровского района, было основано в 1958 г., на принадлежащих ему землях выращивается картофель и овощи - до 30 тыс. т., зерно - 1 тыс. т., так же производится молоко - до 2 тыс. т;

- ООО «Агронавт» и ЗАО «Куликово» достаточно крупные агрохолдинги, которые производят ежегодно по 45 тыс. тонн картофеля и овощей. Указанные предприятия никаких очистных сооружений не имеют и являются диффузными источниками загрязнения реки.

Диффузные источники загрязнения также представлены землями сельскохозяйственного использования, Площадь сельскохозяйственных угодий составляет 32364 га, на которой формируется поверхностный сток, с которым выносятся растворенные и сорбированные биогенные вещества, пестициды и другие химические элементы. Всего на карте землепользования выделено 1309 участков, на которых возделываются преимущественно картофель и зерновые культуры.

Существенным источником диффузного загрязнения реки является мелиоративный объект на Яхромской пойме. Вся площадь внутри границ пойменного массива осушается закрытым горизонтальным дренажем с глубиной залегания дрен 0,8-1,2 м и междренным расстоянием 12, 14 и 18 м. Общая протяженность закрытой оросительной сети составляет 2,41 км, протяженность открытых оросителей - 3,442 км. Как было указано выше, дренажный сток попадает в коллекторы, из которых рассредоточено сбрасывается в реку от поселка Торфоболотной станции до населенного пункта Рогачево на протяжении более 25 км [1 20, 121, 122].

Все контролируемые и неконтролируемые загрязнения поступают в реку, меняя ее гидрохимический состав. Ниже приведены материалы изучения качества речной воды по продольному профилю реки.

2.3 Исследование и оценка качества воды по профилю реки Яхрома

Цель данного исследования - установление распределения концентраций биогенных веществ по продольному профилю реки, что позволяет определить места с наиболее выраженными источниками загрязнений. В рамках работ по проекту «Оздоровление Волги» в течении 4-х лет (2019-2022гг.) были проведены полевые исследования совместно с к.т.н. В.М. Яшиным по определению качества речной воды реки Яхрома от ее истока до впадения в реку Сестру.

Методика исследований включала визуальные наблюдения, измерение в

компонентах гидросферы «in situ» электропроводности и температуры воды с

использованием многодиапазонного кондуктометра HI8733 фирмы

«HANNAinstruments», отбор проб осуществлялся в пластиковую посуду и

последующие анализы выполнялись в лаборатории ВНИИГиМ им. А.Н.

Костякова. Использовались следующие методы анализа: - рН,

электропроводность, калий - потенциометрический; аммоний, фосфаты -

фотометрический; нитриты - калориметрический. Отбор проб проводился в

весенние, летние, и осенние периоды в 2019-2022 годах. Содержание аммония

определялось в соответствии с «Методикой измерений массовой

концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим

методом с реактивом Несслера» [123]. Количественное содержание фосфатов

было определено по «Методике измерений массовой концентрации фосфат-

ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом

с молибдатом аммония» [124]. Содержание калия определялось по «Методике

количественного анализа вод и водных растворов на содержание ионов калия

потенциометрическим методом с помощью ионоселективного электрода

"Эком К"» [125]. Нитраты определялись по «Методическим указаниям по

определению хлоридов, нитратов и аммония в водах. Москва, 1996.» [126], pH:

«ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ВОД. Методика измерений

потенциометрическим методом. Ростов-на-Дону. 2017» [127].

Электропроводность измерялась в соответствии с методикой к кондуктометру

62

Cond 330: SET WTW [128]. Часть данных о наличии загрязняющих биогенных веществ в речных водах была получена с использованием системы капиллярного электрофореза «Капель» модели «Капель-105М» с соблюдением установленных нормативов и ГОСТ-ов [129].

Расположение точек отбора проб воды представлено на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 — Карта-схема размещения точек отбора проб речной воды и распределения концентраций загрязняющих веществ в бассейне реки

Яхрома

Проведенные исследования показали, что по всей длине реки минерализация закономерно увеличивается за счет диффузного стока из точечных источников. Наибольшее значение в весенний период, в связи с накоплением солей в речной воде, приурочено к устью реки (точка Р-11). В летний период, за счет орошения и уменьшения минерализации дренажного стока, резко возрастающая в начале поймы минерализация воды к выходу из мелиорируемого массива снижается. Наибольшее значение приурочено к началу Яхромского пойменного массива (точка Р-6), что связанно с поступлением недостаточно очищенных сточных вод г. Дмитрова и поступлением солей с диффузным стоком (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 — Изменение минерализации воды р. Яхрома по длине реки Яхромы от истока до устья

Содержание биогенных элементов в речной воде характеризуется аналогичным распределением по длине продольного профиля. Верхнее течение реки характеризуется полным отсутствием в речной воде содержащихся биогенных веществ, или незначительными, фоновыми их концентрациями. Наиболее высокие показатели фиксируются на участке реки ниже сбросов сточных вод города Дмитров (точка Р-6) и в пределах

мелиорируемого массива, что связанно с использованием значительного количества минеральных удобрений в агропроизводстве.

Динамика изменения биогенных элементов в речной воде по различным периодам года показана на рисунках 2.7. В верхней части водосбора в весенний период, когда происходит снеготаяние и паводковые воды попадают в реку, концентрации биогенных элементов не значительна, особенно это характерно для ландшафтов, близких к естественным. В летний период в верхней части водосборного бассейна концентрации биогенов также минимальны. В пределах пойменной части содержание биогенов формируется под влиянием агромелиоративных технологий. Концентрации фосфатов в мелиоративной сети в летний сезон достигает 2,69 мг/л (данные 2022 года), аммониного азота - 7,48 мг/л, калия - 7,23 мг/л, что значительно превышает рыбохозяйственные нормативы ПДК.

Нитраты, мг/дм3

15 10 5 0

U hill llll I

il i I

Р-1 Р-2 Р-3 Р-4 Р-5 Р-6 Р-7 Р-8 Р-9 Р-10Р-11 Весна Лето ■ Осень

Калий, мг/дм3

II. II

Р-1 Р-2 Р-3 Р-4 Р-5 Р-6 Р-7 Р-8 Р-9 Р-10Р-11 Весна Лето ■ Осень

Аммоний, мг/дм3

10

1.1 i.l II. J

1,

Р-1 Р-2 Р-3 Р-4 Р-5 Р-6 Р-7 Р-8 Р-9 Р-10Р-11 Весна Лето ■ Осень

Фосфаты, мг/дм3

0,5

_

1 III j 1, 1 1

Р-1 Р-2 Р-3 Р-4 Р-5 Р-6 Р-7 Р-8 Р-9 Р-10Р-11 Весна Лето ■ Осень

5

0

1

0

Рисунок 2.7 — Распределение концентраций биогенных элементов (мг/л) по длине реки Яхромы от истока до устья

По приведенным диаграммам видно, что в летний период содержание контролируемых параметров характеризуются более высокими значениями по сравнению с весенним периодом. Наиболее высокие показатели фиксируются в пределах мелиорируемого массива, что связанно с использованием значительного количества минеральных удобрений в агропроизводстве. Исключение составляет распределение фосфатов по длине продольного профиля, максимальное содержание которых наблюдается на участке реки ниже сбросов сточных вод города Дмитров (точка Р-6).

Максимальными значениями практически всех показателей характеризуется сток в Левом нагорном канале, который принимает сток притоков, склоновый сток и несанкционированный сток населенных пунктов (таблица 2.1).

Таблица 2.1— Результаты анализа отобранных проб воды в реке Яхрома (август, 2022 год)

Соде )жание химических веществ (мг/л)

Точка отбора пробы К+ Мв2+ Са2+ С1- Б042- N03- Б- Р043-

Р - 1, Яхрома, дер. Герасимиха 0,12 0,97 6,26 22 81,97 4,95 14,07 1,36 0,21 -

Р - 3, Яхрома ,дер. Шустино 0,15 2 6,98 22,39 88,35 8,4 22,9 1,7 0,24 0,08

Р - 6, Яхрома, начало поймы 5,05 7,23 34,67 24,23 90,14 53,22 26,11 — 0,29 2,05

Р - 8, Яхрома, 1/3 поймы 5,98 6,62 33,44 23,61 87,28 54,35 26,1 — 0,29 2,26

Р - 9, Яхрома, центр поймы 7,48 6,98 35,51 23,28 84,92 55,26 21,61 — 0,28 2,69

Р - 10, Яхрома выход 5,1 5,97 26,74 23,84 85,16 41,59 21,98 0,89 0,3 —

Р - 11, р. Яхрома, устье 5,68 6,35 28,79 23,74 85,92

Кан. Лев.

Нагорный, ш. 52,35 20,22 101,8 23,34 64,32 63,56 24,59 — 0,44 4,24

Кулик.

Таким образом, по оценке качества речной воды по продольному профилю реки можно констатировать следующее: во все периоды наблюдается увеличение минерализации от истока к устью, что связано с

поступлением загрязняющих веществ, как из точечных источников, так и с диффузным стоком; загрязнение фосфатами определяется в большинстве случаев сбросом коммунально-бытовых сточных вод из точечных источников; сельскохозяйственная деятельность играет существенную роль в загрязнении реки в пределах поймы, где дренажный сток сбрасывается непосредственно в речную сеть; общий фон загрязнения биогенными элементами формируется от всех источников загрязнения, рассмотренных в разделе 2.2 [130, 131, 132].

2.4 Разработка специализированной геоинформационной системы бассейна реки Яхрома

На основе данных, сформированных по результатам мониторинга, литературным источникам и выполненным автором исследований для бассейна реки Яхрома разработана ГИС согласно требованиям к перечню необходимой информации для проведения расчетов по оценке диффузного стока с сельскохозяйственных территорий, в том числе с мелиорируемых земель Яхромской поймы в реку Яхрома. Для решения задач по созданию цифровых карт для исследуемой территории бассейна реки Яхрома была применена программа Quantum GIS (QGIS Desktop) - свободная кроссплатформенная геоинформационная система.

В состав ГИС включена информация о характеристике бассейна по следующим природным характеристикам: климатическим,