Водосбор Иваньковского водохранилища
(по материалам ИВП РАН)
Характеристики диффузных источников загрязнения

Цель исследований диффузных источников загрязнения: изучение факторов формирования и динамики стока загрязняющих веществ. Одновременно проводились комплексные экспедиции в Иваньковском водохранилище по изучению гидрохимического и гидробиологического режимов, а также влияние диффузных источников загрязнения на состояние грунтовых вод. Итог многолетних экспериментов – разработанные специальные методики по оценке мощности диффузных источников загрязнения и сопоставление с точечными. Разработка сценариев водоохранных бассейновых программ и оценка их эффективности по отношению к качеству воды в замыкающем створе водоема.

Исследование проблемы диффузного загрязнения и анализ многолетней динамики основных источников загрязнения проводился на основании сформированных электронных баз данных за период 1986-2018 гг.

  1. Метеорологические параметры:
    • среднесуточная температура воздуха;
    • среднесуточные осадки (мм);
    • экстремальные значения температуры воздуха и осадков.
  2. Гидрологические параметры:
    • водный баланс Иваньковского водохранилища;
    • среднесуточные расходы воды по створам: р. Волга – г. Старица, р. Тверца – с. Медное, р. Тьма – с. Новинки.
  3. Гидрохимические параметры:
    • нефтепродукты;
    • взвешенные вещества;
    • азот (нитратный, аммонийный, минеральный, общий);
    • фосфор (фосфатов, минеральный);
    • органические вещества;
    • взвешенные вещества.
  4. Параметры для расчета диффузного стока с городских территорий:
    • численность населения, общая площадь, площадь функциональных зон (городская застройка, автодороги с асфальтовым покрытием, парки и скверы), концентрация загрязняющих веществ в поверхностном стоке.
  5. Параметры для расчета диффузного стока с промышленных площадок:
    • площадь промышленных зон, концентрации загрязняющих веществ в поверхностном стоке.
  6. Параметры для расчета диффузного стока с сельскохозяйственных территорий для 17-ти административных районов:
    • экспликация сельскохозяйственных угодий (пашни, сенокосы, пастбища);
    • использование минеральных и органических удобрений – масса внесения и дозы внесения по типам сельскохозяйственных угодий
    • сельскохозяйственные культуры (типы культур) и урожайность (ц/га);
    • поголовье в животноводстве (крупный рогатый скот, свиньи, козы и овцы, лошади, куры).

Для сопоставления основных диффузных источников проводились расчеты с осреднением параметров с разным уровнем антропогенной нагрузки по трехлеткам: 1986-88 гг., 2001-03 гг., 2015-17 гг.

В пределах данного пилотного водосбора в многолетней динамике и соответствующей оценке будут рассматриваться следующие диффузные источники загрязнения водных объектов:

Все города водосбора Иваньковского водохранилища не имеют очистных сооружений очистки ливневого стока, поэтому ливневые и талые поверхностные стоки поступают непосредственно в речную сеть.

В крупных городах поверхностные сточные воды представляют собой большие объемы загрязненных вод. Анализ состава сточных вод показал, что основными загрязняющими веществами являются взвешенные вещества и нефтепродукты.

На количество поверхностных стоков влияют гидрометеорологические условия, такие как продолжительность и интенсивность дождя, количество осадков в зимний период.

Для городских территорий выделяют три типа поверхностей, характеризующихся опреде¬ленными инфильтрационными особенностями: непроницаемые (асфальт, крыши), полупроницаемые (грунтовые площадки) и проницаемые (пар¬ки, скверы). К стокообразующим относятся непроницаемые и, частично, полупроницаемые поверхности.

С поверхностным стоком значительное количество загрязняющих веществ вносится в водные объекты, вызывая их загрязнение и заиление. Донные отложения, формирующиеся в водоемах в дождливую погоду, нарушают жизнедеятельность микроорганизмов и отрицательно сказываются на биоценозе и процессах самоочищения.

Классификация основных источников поступления химических веществ в состав поверхностного стока

Факторы формирования загрязнения ливневого стока урбанизированной территории

Качественная характеристика поверхностного стока определяется продолжительностью предшествующего сухого периода, длительностью и интенсивностью выпадения осадков, санитарным состоянием территории, а также степенью загрязненности атмосферы.

Удельный вынос примесей со стоком поверхностных вод с тер¬ритории города зависит от многих факторов: состояния дорожных покрытий, доли площадей с эродирующим грунтом, уровня организации и при¬меняемой технологии уборки территории, удаления бытового мусора и промышленных отходов, уровня производства на предприятиях, режима работы пыле- и газоочистных установок, от уровня эксплуатации авто¬транспорта, от локализации участков территории, где неизбежны просыпи и проливы сырья и промежуточных продуктов, от упорядочения складирования и транспортировки сыпучих и жидких материалов.

Загрязненность талого и дождевого городского стока имеет свои особенности.

Талый сток – формируется в результате накопления снега не территории, имеет высокую интенсивность по выносу загрязняющих веществ, характеризуется более высокими концентрациями загрязняющих веществ. Например, значения ХПК могут достигать 1500 мгО2/л, БПКп – 300 мгО2/л.

В зависимости от численности населения для городов водосбора приведены концентрации взвешенных, органических веществ и нефтепродуктов.

Для городов Иваньковского водохранилища по экспериментальным исследованиям приведены осредненные концентрации взвешенных веществ и нефтепродуктов дождевого и талого стока.

Поверхностный сток городов может формировать высокие значения загрязняющих веществ в самом водном объекте. При организации мониторинга с ежедневным отбором проб воды в период снеготаяния в р. Волга наблюдались концентрации нефтепродуктов до и после г. Твери, превышающие ПДК в 40 раз

Для оценки поверхностного диффузного смыва с территории основных населенных пунктов водосбора рассмотрены города водосбора Иваньковского водохранилища с площадными характеристиками основных функциональных зон (жилая застройка, гаражи, автостоянки, зеленые насаждения, промышленные зоны).

Гистограмма площадей и населения основных населенных пунктов водосбора Иваньковского водохранилища

Динамика общей площади городских территорий водосбора Иваньковского водохранилища

Многолетняя динамика площадей и населения основных населенных пунктов водосбора Иваньковского водохранилища

Средние концентрации взвешенных веществ в дождевом и талом стоке городов Иваньковского водохранилища

Средние концентрации нефтепродуктов в дождевом и талом стоке городов Иваньковского водохранилища

Количество осадков в зимний период по метеостанциям водоосбора

Количество осадков в весенний период по метеостанциям водоосбора

Количество осадков в летний период по метеостанциям водоосбора

Количество осадков в осенний период по метеостанциям водоосбора

Промышленный потенциал водосбора Иваньковского водохранилища

Промышленные площадки на водосборе сосредоточены, в основном, в городах.

Для определения диффузного загрязнения с поверхностным стоком промышленных зон рассчитывались определяющие функциональные зоны в городах водосбора.

Для анализа формирования диффузного стока с промышленных площадок пилотного водосбора проведен анализ общей площади промышленных зон за период 1990-2018 гг.

Поверхностный сток площадок промышленных предприятий является одним из опасных источников загрязнения водных объектов различными химическими примесями. В зависимости от характера производства и продолжительности бездождного периода формируются экстремальные значения и амплитуда концентраций загрязняющих веществ. Максимальные концентрации, в основном, наблюдаются в первую фазу ливней.

Экспериментальные гиетограф (q), гидрографы (Q) и полютографы нефтепродуктов (Снфпр) ливневых коллекторов № 1 и № 2 промплощадки Конаковсакой ГРЭС во время дождя 25.09.1990 г.

Экспериментальные дождевые полютографы взвешенных веществ и нефтепродуктов промплощадки полиграфкомбината «Детская литература». г. Тверь, 1987 г.

На основании экспериментальных исследований для промышленных площадок водосбора получены средние (для талого и дождевого) модули выноса загрязняющих веществ.

Экспериментальные модули смыва загрязняющих веществ с промплощадок водосбора Иваньковского водохранилища, кг/га год

Для корректировки массовый значений диффузного поверхностного стока промышленных площадок водосбора Иваньковского водохранилища проведен анализ метеорологических параметров.

Количество осадков в зимний период по метеостанциям водоосбора

Количество осадков в весенний период по метеостанциям водоосбора

Количество осадков в летний период по метеостанциям водоосбора

Количество осадков в осенний период по метеостанциям водоосбора

Структура посевных площадей водосбора Иваньковского водохранилища

Иваньковское водохранилище в настоящее время имеет статус эвтрофного водоема. Поэтому особую актуальность имеет оценка биогенного стока с фрагментов водосбора с высокой сельскохозяйственной нагрузкой.

Рассматриваемый водосбор большей частью расположен в Нечерноземной зоне с потенциально возможным вымыванием биогенных веществ из почвы. Величина выноса (модуль стока биогенных веществ) зависит от рельефа, типа почвы, уклона, дозы вносимых удобрений, вида вспашки, гидрометеорологических условий и т.д.

В структуре сельского хозяйства водосбора в настоящее время преобладает отрасль животноводства, доля продукции которой составляет 66,1%, доля продукции растениеводства - 33,9%.

Динамика использования сельскохозяйственных земель на водосборе Иваньковского водохранилища. 1987 – 2017 гг.

Динамика численности крупного рогатого скота и свиней в сельскохозяйственном секторе Иваньковского водохранилища. 1995-2017 гг.

Динамика урожайности зерновых, картофеля и овощей сельскохозяйственных предприятий водосбора Иваньковского водохранилища

Многолетняя динамика внесения минеральных удобрений на водосборе Иваньковского водохранилища

Дозы внесения минеральных (кг д.в,/га) и органических удобрений (т/га) в Конаковском районе, в расчете на общую посевную площадь (1976-2018 гг.)

Дозы внесения минеральных (кг д.в,/га) и органических удобрений (т/га) в Конаковском районе, на фактически удобренную площадь (1976-2018 гг.)

Многолетняя динамика использования сельскохозяйственных земель в Конаковском районе (пашни, сенокосы, пастбища). 1991-2015 гг.

Параметры к расчету выноса биогенных элементов по балансу содержания биогенных элементов в почве и выносу с урожаем сельскохозяйственных культур (расчетный период времени 1966-2017 гг.)
№ пп Параметр методики
1 Отгружено азота с минеральными удобрениями (т). Среднее 1986-88 гг.
Отгружено фосфора с минеральными удобрениями (т). Среднее 1986-88 гг.
2 Внесено азота на поля с минеральными удобрениями (т). Среднее 1986-88 гг.
Внесено фосфора на поля с минеральными удобрениями (т). Среднее 1986-88 гг.
3 Потери азота на площадках складирования минеральных удобрений (т). Среднее 1986-88 гг.
Потери фосфора на площадках складирования минеральных удобрений (т). Среднее 1986-88 гг.
4 Поголовье крупного рогатого скота (КРС) (тыс.голов).
5 Поголовье свиней (тыс.голов).
6 Поголовье овец и коз (тыс.голов).
7 Поголовье лошадей (голов).
8 Поголовье птиц (шт).
9 Выход животноводческих отходов (тыс.т).
10 Содержание азота в животноводческих отходах (кг/т).
Содержание фосфора в животноводческих отходах (кг/т)
11 Выход азота с животноводческими отходами (кг/т).
Выход фосфора с животноводческими отходами (кг/т).
12 Вывезено азота на поля с органическими удобрениями (т). Среднее 1986-88 гг.
Вывезено фосфора на поля с органическими удобрениями (т). Среднее 1986-88 гг.
13 Потери азота с навозохранилищ (т). Среднее 1986-88 гг.
Потери фосфора с навозохранилищ (т). Среднее 1986-88 гг.
14 Выход азота в атмосферу с площадок складирования минеральных удобрений (т). Среднее 1986-88 гг.
Выход азота  в атмосферу с навозохранилищ (т). Среднее 1986-88 гг.
15 Вынос азота в гидрографическую сеть  с навозохранилищ (т). Среднее 1986-88 гг.
16 Вынос азота в гидрографическую сеть с площадок складирования минеральных удобрений (т). Среднее 1986-88 гг.
17 Вынос фосфора в гидрографическую сеть (т). Среднее 1986-88 гг.
18 Пастбища (га). Сенокосы (га). Пашня (га)
19 Внесение азота с минеральными удобрениями (т).
Внесение фосфора с минеральными удобрениями (т).
21 Вынос азота с пастбищ (т). Среднее 1986-88 гг.
Вынос азота с сенокосов (т). Среднее 1986-88 гг.
Вынос азота с пашни (т). Среднее 1986-88 гг.
Вынос фосфора с пастбищ (т). Среднее 1986-88 гг.
Вынос фосфора с сенокосов (т). Среднее 1986-88 гг.
Вынос фосфора с пашни (т). Среднее 1986-88 гг.
22 Районирование водосбора по выносу азота в %
23 Районирование водосбора по выносу азота (т) в соответствии с процентом выноса. Среднее 1986-88 гг.
24 Урожайность зерновых (тыс.т). Урожайность картофеля (тыс.т).
25 Внесение азота на поля с минеральными удобрениями (т). Внесение фосфора на поля с минеральными удобрениями (т). Внесение азота на поля с органическими удобрениями (т). Внесение фосфора на поля с органическими и минеральными удобрениями (т). Внесение азота с минеральными и органическими удобрениями (т). Внесение фосфора с органическими и минеральными удобрениями (т)
26 Вынос азота с урожаем сельскохозяйственных культур (кг/га). Вынос фосфора с урожаем сельскохозяйственных культур (кг/га).
27 Расчет дисбаланса азота (кг/га). Расчет дисбаланса фосфора (кг/га). Баланс питательных веществ (кг/га).
28 Не усвоено азота сельскохозяйственными культурами (т). Не усвоено фосфора сельскохозяйственными культурами (т).

Специальный геоэкологический мониторинг береговой зоны Иваньковского водохранилища выявил резкое повышение антропогенной нагрузки с территорий с плотной коттеджно-дачной застройкой, особенно непосредственно у уреза воды (1978-2005 гг).

Районирование прибрежной зоны водохранилища (1980-2014 гг.) показывает, что диффузная нагрузка и загрязнение водохранилища нарастает.

Загрязнение водохранилища от данного типа диффузного источника загрязнения носит импульсный характер во время интенсивных дождей и снеготаяния.

Пример мониторинга водоохранной зоны Иваньковского водохранилища в районе интенсивной коттеджно-дачной застройки

Пример районирования правобережной зоны Иваньковского водохранилища по типам антропогенной нагрузки с учетом многолетней динамики 1980 – 2014 гг.

В ливневые дожди в результате формирования поверхностного стока с береговой зоны повышаются концентрации непосредственно в Иваньковском водохранилище.

Нарастание площадей застройки участка побережья Иваньковского водохранилища в полосах, разноудаленных от уреза воды (1978-2005 гг.)

Концентрации различных веществ в створах до (Низовка) и после (Плоски) застроенной береговой зоны в период интенсивных дождей 1998 г.

Минерального азота (Nмин)

Нитратного азота (N-NO3-)

Перманганатной окисляемости (ПО)

БПК5

Хлоридов (Cl-)

Фосфора минерального (P-PO4-)

Влияние диффузных источников загрязнение на состояние грунтовых вод детально изучалось на фрагментах водосбора Иваньковского водохранилища в пределах Конаковского района с 1980 г. С учетом нарастания процессов эвтрофикации водохранилища, высоким дозам применяемых удобрений (80-е годы ХIХ в.) особое внимание было уделено биогенным элементам – азоту и фосфору. Выбор района исследований обусловлен близким залеганием грунтовых вод к поверхности. В экспериментальный мониторинг входили опорные точки: грунтовые скважины, колодцы, родники. Кроме концентраций биогенных элементов проводились измерения уровня залегания грунтовых вод. Основные источникам диффузного загрязнения грунтовых вод: удобряемые поля и пашни, животноводческие комплексы и фермы, склады минеральных и органических удобрений, садоводческие товарищества, коттеджные поселки.

В Конаковском районе в настоящее время находится 11 предприятий сельскохозяйственного назначения, по которым детально изучалась динамика биогенной нагрузки с 1976 г. По загрязненности грунтовых вод отмечено снижение концентраций азота и фосфора в районах удобряемой пашни (заметно снижены дозы внесения), но резко возросли концентрации в районах коттеджно-дачной застройки.

Административная карта Конаковского района

Карта земель сельскохозяйственных предприятий Конаковского района

Схематическая почвенная карта

Схематическая геолого-литологическая карта строения зоны аэрации и верхнего горизонта грунтовых вод

Карта-схема экспериментального мониторинга грунтовых вод фрагмента водосбора Иваньковского водохранилища в 1986-88 гг.

Карта-схема экспериментального мониторинга грунтовых вод фрагмента водосбора Иваньковского водохранилища в 1998-2000 гг.

Карта-схема экспериментального мониторинга на фрагментах водосбора Иваньковского водохранилища в конце 90-х годов ХIХ в.

Карта-схема экспериментального мониторинга на фрагментах водосбора Иваньковского водохранилища (2013-19 гг.).

Схематическая карта использования земель. 90-е годы ХХ в.

Распределение N-NO3 в грунтовых водах водосбора Иваньковского водохранилища в конце 80-х годов ХХ в.

Распределение N-NO3 в грунтовых водах водосбора Иваньковского водохранилища в конце 90-х годов ХХ в.

Cодержание N-NO3 в режимных колодцах населенных пунктов в конце 70-х и 90-х годов

Содержание N-NH4 в грунтовых водах водосбора Иваньковского водохранилища по результатам полевых исследований в 1999 г.

Cодержание нитратного азота (N-NO3) в грунтовых водах фрагмента водосбора Иваньковского водохранилища в 2019 г.

Содержание аммонийного азота (N-NH4) в грунтовых водах фрагмента водосбора Иваньковского водохранилища в 2019 г.

Содержание минерального фосфора (P-PO4) в грунтовых водах фрагмента водосбора Иваньковского водохранилища в 2019 г.