Скачать

Динамика изменения значений индекса загрязненности морской воды акватории Северного Каспия с 2001 по 2004 год

Каспийское море - самый крупный в мире внутриконтинентальный водоем, не связанный с мировым океаном, площадью более 398000 км3. Расположено оно на крайнем юго-востоке Европейской территории России.

Каспийское море имеет климатообразующее значение и уникально тем, что донесло реликтовую флору и фауну, в том числе крупнейшее в мире стадо осетровых рыб (90 % мирового запаса). В Каспийском море обитает более 500 видов растений и 850 видов животных. Каспий является главнейшим миграционным путем и местом обитания водоплавающих и береговых птиц. (Касымов А.Г., 1994). В Каспийском регионе находятся пять государств: Россия, Азербайджан, Казахстан, Туркменистан, Иран, в прибрежной зоне которых проживает более 5 млн. человек, около 200 крупных городов с более чем 220 источниками промышленного загрязнения, число которых с каждым годом растет. Всего за год в водотоки Астраханской области со стоками промышленных предприятий и коммунального хозяйства сброшено 1616,8 т органических веществ, 14,3 т нефтепродуктов, 97128,5 т сухого остатка, 28733,3 т хлоридов, 12173 т сульфатов, 611,9 т азота в форме аммиака, 1425,4 т азота в форме нитратов, 26,0 т азота в форме нитритов, 24,9 т СПАВ, 55,9 т железа, 15,7 т марганца, 2,34 т цинка, 1,25 т меди, 0,85 т свинца (www.caspinfo.ru)

Каспийское море подвергается жестоким нагрузкам вследствие промышленного загрязнения, сброса токсичных и радиоактивных отходов, сельскохозяйственных и иных сточных вод, а также из-за добычи и переработки нефти. Основными источниками загрязнения Каспийского моря являются речной сток, эксплуатация и разведка морских нефтепромыслов, предприятия нефтяной и нефтехимической промышленности, транспортировка нефти морским путем, коммунальные стоки городов и сброс вод с сельхозугодий. Ежегодно в Каспийское море сбрасывается примерно 39 км3 сточных вод, из которых почти 8 км3 загрязнены. В море впадают около 130 рек, хотя 75% притока поступает лишь от одной – Волги (Жильцов, Зонн, Ушков, 2000). Сбрасываемые сточные воды содержат более 1000 химических соединений, включая токсичные, которые накапливаются в рыбе и кормовых гидробионтах) (Катунин Д.Н., 2000).

Однако, главным загрязнителем, безусловно, является нефть. Каспийское море является первым крупным водоемом в мире, который начал подвергаться масштабному нефтяному загрязнению (Касымов А.Г., 1994). Считается, что источниками углеводородных загрязнений, поступающих в Северный Каспий, являются: транспортировка нефти, естественное просачивание углеводородов, промышленные сбросы и нефтеперерабатывающая индустрия, а также утечки с прибрежных нефтяных разработок.

На практике для определения уровня загрязнения вод моря используют комплексную оценку качества вод по индексу загрязненности вод (ИЗВ). ИЗВ – это важный показатель экологического состояния водоема. При достаточном количестве показателей он позволяет определить класс качества воды, который является интегральной характеристикой загрязненности поверхностных и глубинных вод.

Актуальность темы моей курсовой работы связана с тем, что с каждым годом число предприятий, влияющих на экологическое состояние вод Северного Каспия неуклонно растет. Вместе с ним растет и число загрязняющих веществ, уровень загрязнения с каждым годом меняется. Необходимо отслеживать годовые изменения ИЗВ морской воды Северного Каспия, чтобы не допустить критического загрязнения и гибели экосистемы.

В связи с вышеизложенным, целью данной работы являлось изучение состояния вод Северного Каспия на основании изменения значений индекса загрязнённости водоёма морской воды в период с 2001 по 2004 год.

Были выделены следующие задачи исследования:

1. Определение уровня загрязнения вод на основании анализа изменения значений ИЗВ морской воды в период с 2001 по 2004 г.

2. выявление динамики распределения ИЗВ морской воды акватории структуры «КНК» с 2001 по 2004 год.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Экологическое состояние вод Северного Каспия

1.1.1 Географическая характеристика

Море лежит на границе двух крупных частей единого материка Евразии. Географические координаты крайних точек современной акватории Каспийского моря (без Кара-Богаз-Гола): на севере — 47° 07' с.ш., на юге — 36° 33' с.ш.; на западе — 46° 43' в.д. и на востоке — 54°03'в.д.

По физико-географическим признакам, характеру рельефа и особенностям гидрологического режима Каспийское море делится на северную, среднюю и южную части. Северным Каспием считается район, расположенный к северу от линии, соединяющей восточную оконечность острова Чечень с мысом Тюб-Караган. Границей между Средним и Южным Каспием является линия, проходящая от Апшеронского полуострова до мыса Куули (Гюль и др., 1971).

Площадь Северного Каспия при уровне моря 28,0 метров ниже уровня Мирового океана составляет 91942 км2, объем воды 397 км3. На долю Северного Каспия приходится более 24,3% площади и 0,5% объема моря. Максимальная глубина Северного Каспия равна 25 м, а средняя составляет 4,4 м. Большая часть его площади (68%) занята глубинами менее 5 м. В западной части Северного Каспия области глубин 0-6 м занимают меньшую площадь, чем в восточной (Каспийское море, 1986).

Северный Каспий по географическому расположению, морфологии и конфигурации дна, климатическим условиям, водному балансу и другим особенностям резко отличается от других частей моря.

Северная часть моря отличается мелководностью, которая ярко выражена в прибрежных районах. Область малых глубин занимает большую прибрежную зону, распространяясь в море на расстояние от 11 до 55 км2 (Гюль и др., 1971). Рельеф Северного Каспия неоднороден.

Донные осадки Северного Каспия по своему происхождению делятся на терригенные, биогенные и хемогенные. Каждому типу осадков свойственны определенные особенности распространения. Терригенные осадки приурочены к дельтам рек (к зонам транзита речных вод). С увеличением глубины доля биогенных осадков повышается. В восточной части Северного Каспия весьма заметен вклад хемогенных осадков (Салманов М.А., 1999). Особенностью Северного Каспия является широкое распространение наилка, имеющего в основном биогенноепроисхождение и играющего важную роль в трофодинамике водоема.

Климат Северного Каспия – континентальный, который объясняется расположением моря в центре Евразийского континента, а его северной части - в степной и пустынной зонах. Однако в последние годы климат Северного Каспия стал более мягким, резко уменьшилась повторяемость суровых зим.

Мелководность Северного Каспия только увеличивает континентальность климата и зависимость гидрологических условий от хода метеорологических процессов. Средняя годовая температура воды северной части Каспийского моря составляет 11-13°. Низкие пологие берега северной части моря не препятствуют притоку континентальных воздушных масс, которые свободно проникают на акваторию моря (Касымов А.Г., 1994 ).

1.1.2 Водный баланс и уровень моря

На многолетние колебания уровня моря оказывают влияние многие факторы, основные из которых климатические изменения, тектонические процессы и хозяйственная деятельность человека. Вклад этих факторов в многолетние колебания уровня не одинаков. Как показали исследования, климат - это основной фактор, определяющий вековые и межгодовые изменения уровня моря.

За исторический период уровень моря претерпевал значительные колебания (Крицкий С.К., 1975), продолжающиеся и в настоящее время. В начале XX в. уровень был относительно стабилен. Затем с 1929 по 1941 гг. произошло его резкое понижение на 1,9 м. В 1956-1970 гг. положение уровня несколько стабилизировалось, но с 1971 г. уровень снова стал понижаться и в 1977 г. достиг самой низкой отметки за текущее столетие - 29,0 м. С 1978 г. уровень начал повышаться. В настоящее время среднегодовой уровень Каспийского моря составляет -27,0 м (www.caspinfo.ru).

Основной приходной статьей водного баланса является речной сток, а расходной - испарение с водной поверхности моря. Приход и расход воды может быть оценен в км3 или см уровня моря. Приток речных вод в среднем обеспечивает приращение уровня моря на 77 ,см. Роль атмосферных осадков менее существенна. Приращение уровня моря в результате их выпадения на водную поверхность составляет около 20 см. Наиболее мощным фактором водного баланса является испарение, за счет которого расход воды с поверхности моря составляет среднем 97 см в год. В годовом ходе низший среднемесячный уровень наблюдается в зимний период (январь-февраль), затем идет его подъем с наибольшей интенсивностью в мае-июне. Наивысший уровень обычно отмечается в июле, потом идет спад, наиболее интенсивный в августе-сентябре. Среднемноголетний размах сезонных изменений уровня моря (разность наибольшего и наименьшего среднемесячных уровней в году) за 1900-1990 гг. составил в среднем по морю около 30-35 см.

Динамика вод Северного Каспия в основном зависит от ветра, только мелководной зоне устьевого взморья Волги сильны стоковые течения. Согласно многолетним данным (Мадат-заде, 1959; Гюль и др., 1971) в течение года над Северным Каспием преобладают ветра восточных румбов (СВ, В, ЮВ), наибольшая повторяемость которых наблюдается весной и осенью. Летом и зимой увеличивается повторяемость западных и северо-западных ветров, но при этом она все равно не превышает повторяемости восточных ветров (Гидрометеорологические условия, 1986).

1.1.3 Гидрологическая структура и водные массы

В Северном Каспии действуют два основные вида течений: стоковые и ветровые. Постоянно действующие по направлению стоковые течения заметны до районов с глубинами 6-8 м лишь в период устойчивого штиля. В западной части моря стоковый поток имеет генеральное направление на юг, в восточной части - на юго-восток. Средние скорости его составляют 2-5 см/с и действуют только в поверхностном слое толщиной не более 3-4 м.

При слабых неустойчивых (во времени по скорости и направлению) ветрах течение обычно несильное (не более 5-8 см/с), неустойчивое и практически может иметь любое направление. Сток реки Волги в северной части моря делится на две ветви. Меньшая идет вдоль северного берега на восток, сливается с водами реки Урал и образует замкнутый круговорот; большая проходит вдоль западного побережья на юг, севернее Апшеронского полуострова, пересекая моря, уходит к восточным берегам и вливается в воды, движущиеся на север. Таким образом, в Северном Каспии формируются воды, движущиеся против часовой стрелки (Иванов В.П., Сокольский А.Ф., 2000).

Важнейшей гидрологической характеристикой Северного Каспия является соленость воды, отличающая широким размахом пространственно-временной изменчивости. Это обусловлено тем, что поверхностный сток формируется тремя реками - Волгой, Уралом и Тереком. Главную роль в водном питании (а также в поступлении биогенных и органических веществ) играет р. Волга. Влияние Урала и Терека носит локальный характер.

Северному Каспию свойственна высокая неоднородность морской среды, обусловленная взаимодействием речных и морских вод. Наиболее резкое изменение солености происходит в результате опреснения волжскими водами (Архипова и др., 1972). В пределах северо-каспийской водной массы выделено несколько типов вод (Косарев, 1975): опресненные соленостью менее 6-7%о; промежуточные или смешения соленостью 7-9‰; солоноватые соленостью 9-11 ‰. Однако границы между ними не имеют четкой локализации в пространстве (КатунинД.Н., ХрипуновИ.В., ПоляниноваА.К., 1998). Это связано с тем, что на распределение солености влияет условия, которым свойственна высокая степень изменчивости: речной сток, размах межгодовых колебаний которого равен его среднемноголетнему значению; динамика вод, особенно, водообмен между восточной и западной частями Северного Каспия, а также между ним и Средним Каспием; испарение, формирующее отрицательный пресный баланс в восточной части моря и т.д. (Каспийское море: гидрология и гидрохимия, 1986). С учетом этих обстоятельств Д.Н. Катуниным было выделено в Северном Каспии три зоны (КатунинД.Н., ХрипуновИ.В., ПоляниноваА.К.,1998):

- зона, где происходит устойчивая адвекция речных вод;

- зона, где воздействие речного стока велико, максимум опреснения в июне - августе;

- зона, где влияние речных вод нивелируется воздействием ветровых течений.

Годовой максимум солености в западной части Северного Каспия имеет два максимума (зимний и летний) и два минимума (летний и осенний). Повышение солености в зимние месяцы связано с уменьшением расходов воды в зимнюю межень. Летний максимум, который, как правило, наблюдается в августе, обусловлен уменьшением водности в летнюю межень, усилением компенсационного подтока вод из Среднего Каспия и увеличением испарения. Минимум годового хода солености в июне-июле объясняется прохождением максимальных расходов р. Волги. Второй минимум солености (осенний) вызывается преобладанием в это время северо-западных сгонных ветров (Каспий, 1986).

каспий акватория загрязнение

1.1.4 Химический состав и степень загрязнения морской воды

Химический состав морской воды Северного Каспия отличается непостоянством как в пространстве, так и во времени и определяется, поступлением громадного количества растворенных и взвешенных веществ (минеральных и органических) с речным стоком, а также процессами их трансформации в зоне смешения речных и морских вод. Волга является также существенным источником загрязнения каспийских вод. Основной вклад в загрязнение вносит транзитный сток, формирующийся в верхнем и среднем течении реки.

Для обитателей моря особое значение имеют химические элементы, входящие в состав «живого вещества» (кислород, углерод, азот, фосфор, кремния), минеральные и органические соединения которых присутствуют в воде в растворенном и взвешенном виде. Процессы обмена этими элементами между водой и «живым веществом» в Северном Каспии протекают интенсивно. Из морской воды обитатели моря потребляют растворенные вещества, необходимые для роста и развития, в нее в конечном счете в растворенном виде возвращаются продукты их жизнедеятельности.

В силу вышеизложенного гидрохимические параметры, характеризующие обменные процессы между водой и «живым веществом», например, содержание и отношение азота, фосфора и кремния (Сапожников В.В. и др., 2001) или разность между растворимостью и содержанием кислорода в воде (Бутаев А.М. и др., 1999) могут использоваться в качестве показателей функционального состояния биологических сообществ, биологической продуктивности морских вод (Курапов А.А., Еремеева С.В., Мельников С.А., 1999).

Распределение кислорода в Северном Каспии неравномерно, но в среднем его содержание несколько превышает 90% насыщения. Причем максимальный уровень кислорода отмечается зимой. Благодаря повышению плотности вод Северного Каспия происходит интенсивное перемешивание вод, в результате чего улучшается вентиляция глубинных слоев и происходит насыщение их кислородом (Салманов М.А., 1999).

Особенностью распределения кислорода в Северном Каспии в летнее время является формирование площадей с его дефицитом (гипоксия) в придонном слое западной части Северного Каспия в пограничном районе со Средним Каспием (Каспийское море, 1986). С возросшим в 1990-е годы поступлением органического вещества из дельты Волги в Северный Каспий связывается ежегодное возникновение летом обширных зон гипоксии (Бухарицин П.П., 1996). В настоящее время можно говорить о начальной стадии эвтрофикации вод западной части Северного Каспия, где зоны с недостатком кислорода составляют до 50% площади акватории (Иванов В.П., Сокольский А.Ф., 2000).

Важным фактором, влияющим на формирование химического состава вод Северного Каспия, являются течения. Перенос вещества в Северном Каспии существенно связан с протекающими в нем биологическими процессами. Во-первых, течения переносят основную массу гидробионтов. Во-вторых, в зависимости от направления течений, могут по-разному перераспределяться биогенные вещества и продукты жизнедеятельности водных организмов. В-третьих, течения обуславливают распространение загрязняющих веществ, попадающих в Северный Каспий и другие районы моря со стоками рек. Наконец, в-четвертых, с изменением направления течений могут меняться физико-химические условия обитания водных организмов, в первую очередь соленость воды, а так же температура и кислородный режим (Иванов В.П., Сокольский А.Ф., 2000).

Фоновые уровни содержания нефтяных углеводородов в морской воде изменяются в очень широких пределах в зависимости от многих природных и техногенных факторов. Максимальные концентрации тяготеют к прибрежным и внутренним морским водам, зонам интенсивного судоходства и иной хозяйственной деятельности (Попова Н.В., Андреев В.В., 2003), а также к районам выхода (просачивания) углеводородов из месторождений на шельфе (Патин С.А., 2001). С развитием нефтяного промысла увеличилось загрязнение Каспия нефтью и нефтепродуктами.

До конца 1960-х годов отсутствовал запрет на сброс нефтепродуктов море. Нефть попадала в море из переполненных нефтехранилищ, созданных на искусственных островах, негерметичных трубопроводов, проложенных по дну моря от эстакад, при ее перевозке и перегрузке на берег танкерами. Вообще, морской флот, в том числе танкерный стал в шестидесятые годы основным источником нефтяного загрязнения Каспия. Так, с балластными и подсланевыми водами в 1969 г. в море было сброшено 54 тыс. т нефти (Салманов М.А., 1999). В связи с этим следует отметить, что транспортировка нефти, будучи обязательным атрибутом нефтегазодобывающей деятельности на шельфе Мирового океана, одновременно является одним из основных источников его нефтяного загрязнения (Герлах С.А., 1985), причем наиболее крупные аварийные разливы нефти связаны именно с ее перевозкой, а не с добычей или переработкой.

Благодаря запрету на сброс балластных и неочищенных сточных вод уровень нефтяного загрязнения Каспия начал уменьшаться. В этих условиях основным источником поступления нефтепродуктов в: Каспийское море, так же как в Мировой океан (Герлах С.А., 1985) и другие моря России (Шапоренко С.И., 1997), стал поверхностный сток. Так, в вершине дельты Волги в период с 1977 по 1993 гг. годовой сток нефтяных углеводородов в среднем составил 71,6 тыс. т.

Сравнительная оценка результатов исследований 2002 и 2003 гг. выявила снижение степеней превышения ПДК для ртути и фенолов и увеличение их для БПК5, нефтяных углеводородов (НУ) и хлорорганических соединений (ХОС). Уровни содержания железа не изменились.

Рассчитанный по результатам исследований 2002-2003 гг. коэффициент комплексности загрязненности водного объекта для акватории Северного Каспия составил 17%, что указывает на участие антропогенной составляющей в формировании химического состава поверхностных вод района наблюдений. При этом под коэффициентом комплексности загрязнения понимается отношение числа загрязняющих веществ, содержание которых превышает функционирующие в стране нормативы, к общему числу нормируемых ингредиентов, определенных программой исследования.

1.1.5 Характеристика биоты Каспийского моря

Фитопланктон является неотъемлемой составной частью экосистемы моря и служит основным источником первичной продукции, за счет которого существуют вышестоящие по трофической пирамиде организмы - консументы. Фитопланктон - индикатор изменяющихся условий среды, и динамика его в каждом водоеме специфична.

Характерная особенность фитопланктона северной части Каспийского моря по результатам наших исследований - богатство пресноводными и бедность морскими видами. Среди пресноводных; водорослей встречаются представители всех групп фитопланктон, кроме пирофитовых. Основная доля (48%) в этом комплексе приходилась на зеленые водоросли. Солоноватоводно-пресноводным видам по значимости в общем составе фитопланктона принадлежало второе место. Основу группы составляют диатомовые (54%) и сине-зеленые (35%) водоросли. Морские виды в общем количестве водорослей составляли всего 12-14%. Ведущая роль в водоеме принадлежала диатомовым водорослям. Они самые богатые по числу видов, широко распространены по акватории моря и представлены во всех экологических группах

Видовой состав зоопланктона Каспия небогат и насчитывает около 120 видов, не считая временных форм - личинок бентосных организмов, Сезонные изменения зоопланктона Северного Каспия определяются двумя основными факторами - температурой и соленостью. По данным, полученным в 2002 г., зоопланктон на исследуемой акватории Северного Каспия насчитывал 10 видов, разновидностей и форм, а в 2003 г. -14 видов. Кроме истинно планктонных форм, в толще воды присутствовали олигохеты, нематоды, личинки полихеты, нереиса и краба. Основу зоопланктона составляли коловратки и веслоногие рачки.

Для фауны Каспийского моря в целом и для донной фауны в частности характерен высокий процент эндемичных видов и родов (41 %) в основном среди ракообразных и моллюсков, что свидетельствует о древности фауны этого водоема.

Качественный состав зообентоса на акватории Северного Каспия по результатам наших исследований в 2002 г. включал 13 и в 2003 г. -40 видов игрупп донных организмов. Среди них большую часть видов составляли ракообразные.

Ихтиофауна Каспийского моря не отличается видовым разнообразием и по числу видов значительно уступает другим южно-европейским морям. В составе ихтиофауны Каспийского моря насчитывается 124 вида и подвида рыб, относящихся к 17-ти семействам. Преобладают морские (43,5%) и речные (34,4%) рыбы, проходные и полупроходные составляют соответственно 14,7% и 7,4%. Наиболее ценными промысловыми рыбами являются реликтовые осетровые (осетр, севрюга, белуга), запасы которых в Каспийском море до последнего времени составляли 70-75% от общемировых. Со второй половины XX столетия, с началом широкого гидротехнического строительства на реках Каспийского бассейна, жизненный цикл осетровых был нарушен, что привело в совокупности с другими негативными антропогенными и естественными факторами к катастрофическому состоянию популяций осетровых рыб. Основные районы нагула осетровых расположены по всей акватории Северного Каспия и вдоль западного побережья Среднего Каспия и находятся под влиянием пресного биогенного стока Волги и рек дагестанского побережья.

При распределении полупроходных рыб по местам нагула в море лимитирующим фактором является соленость.

Морские промысловые рыбы Каспийского моря представлены тремя видами килек, несколькими видами сельдей и двумя видами кефали. Снижение уловов килек в последние годы связывают с массовым развитием вселенца - гребневика мнемиопсиса, который питается преимущественно планктоном, подрывая тем самым кормовую базу килек.

1.2 Интегральная и комплексная оценка качества воды

Каждый из показателей качества воды в отдельности, хотя и несет информацию о качестве воды, все же не может служить мерой качества воды, т.к. не позволяет судить о значениях других показателей, хотя иногда косвенно бывает связан с некоторыми из них. Например, увеличенное, по сравнению с нормой, значение БПК5, косвенно свидетельствует о повышенном содержании в воде легкоокисляющихся органических веществ; увеличенное значение электропроводности — о повышенном солесодержании и др. Вместе с тем, результатом оценки качества воды должны быть некоторые интегральные показатели, которые охватывали бы основные показатели качества воды (либо те из них, по которым зафиксировано неблагополучие).

В простейшем случае, при наличии результатов по нескольким оцениваемым показателям, может быть рассчитана сумма приведенных концентраций компонентов, т.е. отношение их фактических концентраций к ПДК (правило суммацпи). Критерием качества воды при использовании правила суммацпи является выполнение неравенства:

∑ СФi/ПДКi ≤ 1

i=1

где: СФi и ПДКi — фактическая концентрация в воде и ПДК для i-ro компонента.

Следует отметить, что сумма приведенных концентраций согласно ГОСТ 2874 может рассчитываться только для химических веществ с одинаковым лимитирующим показателем вредности — органолептическим и санитарно-токсикологическим.

При наличии результатов анализов no достаточному количеству показателей можно определять классы качества воды, которые являются интегральной характеристикой загрязненности поверхностных вод. Классы качества определяются по индексу загрязненности воды (ИЗВ), который рассчитывается как сумма приведенных к ПДК фактических значений 6 основных показателей качества воды по формуле:

, где:

Ci — среднее значение определяемого показателя за период наблюдений (при гидрохимическом мониторинге это среднее значение за год):

ПДКi — предельно-допустимая концентрация для данного загрязняющего вещества:

6 — число показателей, берущихся для расчета (на их выборе мы остановимся в этой же главе чуть ниже).

Значение ИЗВ рассчитывают для каждого пункта отбора проб (створа). Далее по табл. 1 в зависимости от значения ИЗВ определяют класс качества воды.

В число 6 основных, так называемых "лимитируемых" показателей при расчете ИЗВ входят, в обязательном порядке, концентрация растворенного кислорода и значение БПК5, а также значения еще 4 показателей, являющихся для данного водоема (воды) наиболее неблагополучными, или которые имеют наибольшие приведенные концентрации (отношение Сi/ПДКi). Такими показателями, по опыту гидрохимического мониторинга водоемов, нередко бывают следующие: содержание нитратов, нитритов, аммонийного азота (в форме органических и неорганических аммонийных соединений), тяжелых металлов — меди, марганца, кадмия и др., фенолов, пестицидов, нефтепродуктов, СПАВ (синтетические поверхностно-активных вещества.

Таблица 1

Характеристики интегральной оценки качества воды