Мелиоративная оценка пригодности поверхностных вод водозаборной зоны Береславского водохранилища для орошения

Полный текст

Введение

Хозяйственная деятельность и факторы окружающей среды оказывают существенное влияние на ионный состав водотоков, гидрохимический режим и качество поверхностных вод. Возникающие вследствие этого процессы химической и биологической трансформации водных объектов определяют вид водопользования [1, 2].

По имеющимся многолетним данным происходит регулярное загрязнение поверхностных вод биогенными элементами, тяжелыми металлами, а также другими загрязняющими веществами антропогенного происхождения, фактические концентрации которых превышают предельно допустимые концентрации для открытых водоемов [3, 4]. Поэтому все природные воды характеризуются многокомпонентным составом, что обусловливает их классификацию по совокупности допустимых значений содержания химических элементов, в пределах которых рекомендуется использование водного объекта.

Один из важных показателей качества воды — минеральный состав, в частности ионы 1‑й группы (СO₃^2–, НСО₃^–, Cl^–, SО₄^2–, Са²⁺, Мg²⁺, Na⁺, K⁺), определяющие ее водно-­солевой баланс и минерализацию. Сезонная концентрация этих ионов подвержена изменениям и показатели компонентного состава воды сильно варьируют в зависимости от геологических и климатических условий, что и создает проблемы для заинтересованных водопользователей [5].

В этой связи оценка качества природных вод, используемых для орошения, является важной задачей мониторинга мелиоративного состояния почв.

Цель исследования — мониторинг и оценка пригодности поверхностных вод водозаборной зоны Береславского водохранилища для орошения.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования были воды Береславского водохранилища. Пробы воды отбирали ежемесячно с мая по сентябрь 2023 г. с глубины 0,30…0,35 м в чистые пластиковые бутылки, предварительно ополоснутые в исследуемой воде. Исследование образцов воды проводили в испытательной лаборатории ВНИИОЗ с использованием известных методик (табл. 1).

Таблица 1
Методики исследования ионно-­солевого состава образцов воды

Показатель	Методика исследования
Карбонаты СO32‑ и гидрокарбонаты НСО3–	Титриметрический [1]
Хлорид-ион Cl–	Титриметрический [2]
Сульфат-ион SО42–	Титриметрический [3]
Кальций Са2+ и магний Мg2+ в комплексе	Комплексонометрическое титрование [4]
Натрий Na+ и калий K+ в комплексе	Пламенно-­фотометрический [5]

Для классификации воды применяли методику О.А. Алекина ^[6]: классы по преобладающему аниону, %-экв: гидрокарбонатный (СO₃^2– + НСО₃^–), сульфатный (SО₄^2–) и хлоридный (Cl^–); группы по преобладающему катиону, %-экв: кальциевая, магниевая и натриевая; типы по соотношению между ионами, мг-экв/дм³.

Ионно-солевой состав воды выражали по формуле М.Г. Курлова в общем виде ^[7]:

где Sp — микроэлементы (As, Fe, F и др.) и свободные газы (CO₂, H₂S, N₂ и др.), мг/дм³; M — общая минерализация воды, г/дм³; в числителе и знаменателе — соответственно анионы и катионы в порядке убывания с содержанием не менее 5 %-экв; pH — показатель активности катионов водорода, ед.; T — температура воды, °C; D — дебит (расход) воды, м³/сут.

Качество воды для орошения оценивали по ее общей минерализации (табл. 2), а также значениям ирригационных коэффициентов, учитывающих содержание хлоридов и сульфатов натрия K_i (> 18,0 — хорошее; 18,0…6,0 — удовлетворительное; 5,9…1,2 — неудовлетворительное; < 1,2 — непригодное для орошения), вероятность натриевого K_Na и магниевого K_Mg осолонцевания почвы (> 1,0 — есть опасность, < 1,0 — нет опасности).

Таблица 2
Оценка качества воды по А.Н. Костякову ^[8]

Группа	I	II	III	IV
Минерализация, г/л	< 0,4	0,4…1,0	1,0…3,0	> 3,0
Качество воды	Хорошее	Ограниченное применение	Опасна для растений	Засоление почвы

Ирригационные коэффициенты рассчитывали по формулам [6, 7]:

Результаты исследования и обсуждение

Результаты проведенных исследований ионно-­солевого состава образцов воды приведены в виде графиков (рис. 1) [8], которые иллюстрируют динамику анионов и катионов минерального состава по месяцам вегетационного периода.

В частности, отмечены рост ионов сульфата и магния, резкое падение в летние месяцы концентрации ионов натрия, что обусловило выбор методик для оценки влияния этих макрокомпонентов на качество подаваемой для орошения воды. Стоит отметить, что рост Mg²⁺ в природной воде является негативным признаком, поскольку он относится к токсичным элементам для растений. Более того увеличение содержания катиона магния ведет к повышению гидратированности илистой части почвы.

В течение вегетационного периода минерализация природной воды в зоне водозабора изменялась в диапазоне от 0,998 до 1,601 г/дм³. Максимальные значения минерализации наблюдали в июле, немногим ниже этот показатель был в мае. По А.Н. Костякову, вода характеризуется как слабоминерализованная и относится преимущественно к III группе, представляя опасность при использовании для орошения сельскохозяйственных культур. По О.А. Алекину, вода на начало и конец поливного сезона классифицируется как натриевая сульфатно-­хлоридного класса, в июле и августе химизм воды сменяется на сульфатный класс магниево-­натриевой группы (табл. 3).

Рис. 1. Динамика водно-­солевого состава воды
Источник: выполнили А.Е. Новиков, А.Ю. Торопов с помощью MS Excel, MS Word.

Таблица 3
Характеристика природной воды в зоне водозабора по месяцам вегетационного периода

Источник: выполнили А.Е. Новиков, А.Ю. Торопов с помощью MS Word.

В наблюдениях за сезонными изменениями основных компонентов минерального состава воды (табл. 4) относительно их предельно-­допустимых концентраций (для водоемов рыбохозяйственного значения, ПДК_рх) отмечено превышение аниона сульфата в мае и августе соответственно на 7 и 91 мг/дм³, а в июле — почти в 1,5 раза (715 мг/дм³ против 500 мг/дм³).

В катионном ряду основными загрязнителями были натрий (в комплексе с калием), его наибольшая концентрация 299 мг/дм³ отмечена в мае, в июле снизилась практически до ПДК_рх (202 мг/дм³ против 200 мг/дм³), а также магний, концентрация которого в июле превысила ПДК_рх на 28 мг/дм³. Резкое увеличение содержания ионов сульфата и магния в июле могло быть вызвано уменьшением водности водозаборной зоны водохранилища за счет изменения гидрологического режима питания, высокими температурами воздуха и отсутствием атмосферных осадков. Подтверждением такому выводу служат более ранние результаты исследования качества воды в природных водоисточниках на рассматриваемой территории орошаемого земледелия [9, 10].

В целом изменчивость минерализации воды, с одной стороны, связана с поступающими объемами донской воды, закачиваемыми насосными станциями для поддержания режимов судоходства, и зависит от интенсивности навигации. Другим не менее важным источником, повышающим минерализацию в зоне водозабора Береславского водохранилища, является имеющий с ним границы водораздела ерик Песчаный с концентрацией солей в воде 3500…4900 мг/дм³ [11, 12].

Выполненные расчеты ирригационных коэффициентов (рис. 2) с учетом изменчивости химического состава воды во времени (табл. 4) также свидетельствуют о ее возможном негативном воздействии на ионное равновесие в почвенном поглощающем комплексе и мелиоративное состояние почв в целом [13—15].

Таблица 4
Химический состав природной воды в зоне водозабора по месяцам вегетационного периода

Ионны	Среднее	Месяц					ПДКрх[9], мг/дм3
		Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь
СО32–	3,2 0,10	4,0 0,13	5,0 0,16	5,0 0,16	2,0 0,06	–	100
НСО3–	243,2 3,98	320,0 5,24	263,0 4,31	239,0 3,91	193,0 3,16	201,0 3,29	1000
Cl–	198,6 5,60	273,0 7,71	231,0 6,52	202,0 5,70	138,0 3,89	149,0 4,20	350
SO42–	513,4 10,67	507,0 10,55	401,0 8,31	715,0 14,88	591,0 12,29	353,0 7,34	500
Са2+	96,0 4,45	110,0 5,48	85,0 3,99	110,0 5,39	120,0 5,88	55,0 2,74	200
Mg2+	81,2 6,67	64,0 5,26	64,0 5,26	128,0 10,53	92,0 7,57	58,0 4,77	100
Na+ + К+	208,0 9,04	299,0 13,0	228,0 9,91	202,0 8,78	139,0 6,04	172,0 7,47	200

Примечание. Над чертой — мг/дм³, под чертой — мг-экв/дм³.
Источник: А.Е. Новиков, А.Ю. Торопов с помощью MS Word.

В частности, поливы водой с минеральным составом, сформированным в период весеннего половодья (май), начала биологического лета (июнь) и окончания вегетации культур (сентябрь), способствуют вымыванию катионов кальция и магния из коллоидной фазы в почвенный раствор и развитию натриевого осолонцевания. В июле и августе возрастают риски магниевого осолонцевания почвы, сопровождающиеся ухудшением ее водно-­физических и фильтрационных свой­ств. Сложившийся в наблюдаемый период тип засоления природной воды (сочетание Mg²⁺ с Na⁺) в водоисточнике ведет к развитию специфического осолонцевания почв, в основе которого развиваются процессы трансформации из геля в состояние золя почвенных коллоидов и литогенез мелкодисперсной минеральной части при вермикулитизации гидрослюдистого материала.

Рис. 2. Оценка пригодности природной воды для орошения: A и B — удовлетворительное и неудовлетворительное качество; C и D — есть и нет опасности засоления
Источник: А.Е. Новиков, А.Ю. Торопов с помощью MS Excel, MS Word.

Расчеты пригодности поверхностных вод относительно содержания хлоридов и сульфатов натрия также свидетельствуют о вероятности накопления вредных солей в почве и ее осолонцевания, при длительном использовании таких вод требуется разработка и проведение агротехнических и агромелиоративных мероприятий по предупреждению этих негативных процессов.

Заключение

Гидрологический режим питания и климатические факторы существенно влияют на динамику ионно-­солевого состава воды водозаборной зоны Береславского водохранилища. Исследования 2023 г. показывают, что в течение вегетации сельскохозяйственных культур с мая по сентябрь сохраняется вероятность угнетения растений и ухудшения мелиоративного состояния орошаемых земель из-за поливов минерализованной водой с общим содержанием солей от 1000 до 2000 мг/дм³. По результатам выполненных расчетов ирригационных коэффициентов, определяющих характер засоления по эквивалентному соотношению катионов, изучаемые природные воды представляют опасность для сложившегося равновесия в обменных процессах почвы, а при качественном составе воды в период биологического лета — риски обеструктуривания почвы. По концентрации хлоридов и сульфатов натрия поливная вода удовлетворительного качества, вследствие этого при длительном орошении необходимо проведение агротехнических и агромелиоративных мероприятий по предупреждению процессов засоления.

 

^{1 ГОСТ 31957—2012. Вода. Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов. Введ. 01.01.2014. М. : Стандартинформ, 2019. 23 с.}

^{2 ПНДФ 14.1:2.96—97. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации хлоридов в пробах природных и очищенных сточных вод аргентометрическим методом. Утв. 21.03.1997. М., 1997. 19 с.}

^{3 ПНДФ 14.1:2.107—97. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовых концентраций сульфатов в пробах природных и очищенных сточных вод титрованием солью бария в присутствии ортанилового K. Утв. 21.03.1997. М., 1997. 17 с.}

^{4 ГОСТ 31954—2012. Вода питьевая. Методы определения жесткости. Введ. 01.01.2014. М.: Стандартинформ, 2018. 12 с.}

^{5 РД 52.24.391—2008. Массовая концентрация натрия и калия в водах. Методика выполнения измерений пламенно-­фотометрическим методом. Утв. 04.06.2008. Ростов-на-­Дону, 2008. 28 с.}

^{6 Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л. : Гидрометеорологическое издательство, 1970. 444 с.}

^{7 Резников А.А., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. Методы анализа природных вод. М. : Недра, 1970. 488 с.}

^{8 Костяков А.Н. Основы мелиорации. М. : Сельхозиздат, 1960. 150 с.}

^{9 Приказ Минсельхоза России от 13.12.2016 г. № 552 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения» (в ред. Приказов Минсельхоза России от 12.10.2018 г. № 454, от 10.03.2020 г. № 118, от 22.08.2023 г. № 687).}

Об авторах

Андрей Евгеньевич Новиков

ВНИИОЗ - филиал ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова»; Волгоградский государственный технический университет

Email: ae_novikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8051-4786
SPIN-код: 2068-3882

доктор технических наук, член-корреспондент РАН, директор, ВНИИОЗ - филиал ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова», ; заведующий кафедрой процессов и аппаратов химических и пищевых производств, Волгоградский государственный технический университет

Российская Федерация, 400002, г. Волгоград, ул. им. Тимирязева, д. 9; Российская Федерация, 400005, г. Волгоград, пр. им. Ленина, д. 28

Алексей Юрьевич Торопов

ВНИИОЗ - филиал ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова»

Email: vniioz-algo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8798-0296
SPIN-код: 7591-4701

научный сотрудник

Российская Федерация, 400002, г. Волгоград, ул. им. Тимирязева, д. 9

Антон Александрович Поддубский

Российский университет дружбы народов

Email: poddubskiy-aa@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0001-9796-2924
SPIN-код: 2173-6807

кандидат технических наук, директор агроинженерного департамента, агротехнологический институт

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Мария Васильевна Московец

ВНИИОЗ - филиал ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова»

Email: vniiozalgo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1997-6313
SPIN-код: 7861-7180

научный сотрудник

Российская Федерация, 400002, г. Волгоград, ул. им. Тимирязева, д. 9

Роман Валентинович Збукарев

ВНИИОЗ - филиал ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова»

Автор, ответственный за переписку.
Email: zbukarevr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9237-547X
SPIN-код: 6089-6985

лаборант-исследователь

Российская Федерация, 400002, г. Волгоград, ул. им. Тимирязева, д. 9

Список литературы

Дополнительные файлы