Исследование экологического риска водных ресурсов притоков Дона (на примере рек Подгорная и Толучеевка)

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Исследование экологического риска водных ресурсов притоков Дона (на примере рек Подгорная и Толучеевка)

Богачева  А.А. 1
1МБОУ Калачеевская СОШ №1
Петрова  В.И. 1
1МБОУ Калачеевская СОШ №1
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Введение

В гербе г. Калач символично отражено слияние двух рек – Толучеевки и Подгорной - притоков Дона, протекающих через наш город (Приложение 1). В советское время на р. Подгорная был оборудован гидрологический пост, велись наблюдения за состоянием обеих рек. Много лет назад пост закрыли, и внимание властей и спецслужб реки привлекают только во время весеннего половодья. Своими исследованиями мы решили продолжить мониторинг состояния милых нашему сердцу рек. В этом состоит актуальность и одновременно практическая значимость нашей работы.

Период исследования: 2009-2018 г. В течение этого времени исследование рек проводилось поэтапно разными членами НОУ «Олимп», лично мною, последние 2 года.

Цель исследования: проведение оценки экологического риска водных ресурсов притоков Дона, протекающих в черте нашего города. Объект исследования: реки Подгорная, Толучеевка. Предмет исследования: состояние водных ресурсов, их уязвимость.

Задачи:1. Провести сравнительный анализ, установить причинно-следственные связи по основным факторам, определяющим состояние водных ресурсов.

2. Выявить различия во влиянии антропогенного воздействия на состояние рек и прилегающих территорий.

3. Сопоставить степень экологического риска рек, рассматривая комплексное действие факторов, определяющих состояние водных ресурсов.

4. Привлечь внимание общественности к состоянию рек Толучеевка и Подгорная с целью оказания практической помощи рекам.

Гипотеза исследования: Водные ресурсы р. Подгорная более уязвимы и восприимчивы к внешним воздействиям.

При проведении исследований мы использовали методики локального мониторинга рек. Статистические: 1. Регистрационно-измерительная методика определения уровня воды, скорости течения. 2. Полевые исследования для оценки состояния водных ресурсов.

3. Органолептический метод определения свойств и внешнего загрязнения воды.

4. Метод пробных площадок для определения степени рекреационных нагрузок.

Камеральные: аналитический, статистический и графический методы обработки материала.

2. Литературный обзор

Рассматриваемые нами реки относятся к Подгоренскому гидрологическому району. Он занимает юго-восточную часть Воронежской области. Его площадь 14800 км[5] - 28% от площади области.

Данные о реках взяты из учебных пособий Курдов А.Г. «Реки Воронежской области», Воронеж: ВГУ, 1984 г. [3]; «География Воронежской области» Нестеров Ю.А., Подколзин В.В., Понамарева З.В., Сушков В.Н. Воронеж: 2002 [4]; «Эколого-географический Атлас-книга Воронежской области» / ред. Федотов В.И. – Воронеж: ВГУ, 2012 [6].

Река Толучеевка – самый нижний по течению приток Дона на Воронежской земле, который впадает с левого берега на 1001 км от устья реки. Длина реки 143 км, суммарная площадь водосбора 5030 км2. Перепад высот от истока до устья составляет 0,66 ‰ [6]. Река Подгорная – приток р. Толучеевки. Ее длина 68 км, площадь водосбора – 968 км². В черте города Калача р. Подгорная сливается с р. Толучеевка. По характеру течения обе реки являются равнинными, с медленным течением, скорость которого у р. Подгорная выше-0,23 м/с, у р. Толучеевка - 0,17м/с. Это объясняется более высоким падением реки в точке исследования. Паспортные данные рек даны в приложении 2.

Место рек по отдельным показателям среди рек области установлено по учебному пособию Смолянинов В.М., Дегтярев С.Д., Щербинина С.В. «Экологическая оценка состояния речных водосборов Воронежской области». Воронеж: «Истоки», 2007 [5]. Подгорная и Толучеевка относятся к группе рек со средним риском [5] На этот показатель влияют как деятельность человека, так и природные факторы, где основная роль принадлежит климату, рельефу, растительности, определяющими сток. Данные из этого пособия позволяют провести сопоставление основных факторов и сделать соответствующие выводы. Здесь же дается формула расчета коэффициента истощения водных ресурсов.

В бассейне р. Подгорная выше распаханность земель и в 1,5 раза ниже облесенность. Это приводит к увеличению смыва гумуса в реку и, как следствие, к заиливанию и зарастанию русла, что особенно заметно в районе Заброденского моста. Модуль весеннего стока на этой реке в 3 раза выше, чем объясняется тот факт, что большая часть калачеевских улиц весной затапливается водами р. Подгорная. Эродированность земель и эрозия гумуса выше в бассейне р. Подгорная, что подтверждает сделанный нами выше вывод по поводу твердого стока.

Сток, о котором говорилось выше, содержит ядовитые вещества, используемые в сельском хозяйстве: удобрения, ядохимикаты, пестициды. Их содержание в нашей реке - один из самых высоких показателей на реках области [6]. Накопление в воде азота и фосфора вызывает развитие сине-зеленых водорослей, что делает воду непригодной для всего живого. Загрязнение вод р.Толучеевка, по мнению ученых, в 3 раза выше, что, несомненно, отражается на экологическом состоянии речной воды: прозрачность ниже, мутность выше, запах более ощутим (определены ранее проведенными исследованиями).

На водность рек оказывает влияние хозяйственная деятельность человека. По этому показателю р. Подгорная и р. Толучеевка относятся к III , который характеризуется наибольшим для Воронежской области ухудшением качества земельных ресурсов водосбора.

Методика полевых исследований в доступной форме раскрыта в пособиях Алексеева С.В. «Практикум по экологии» – М. АО «МДС», 1996 [1] Антимонов Н.А. «Школьные походы по изучению рек, озер, болот родного края».- М: Учпедгиз, 1963 [7]. Таблицы, по которым определяли запах, загрязнение, осадок, взяты из книги Колбовский Е.Ю. “Изучаем малые реки”- Ярославль: Академия Развития, 2004 [8].

3. Методика исследований

3.1 Наблюдения за климатом и водными ресурсами

Климат имеет наибольшее значение в формировании водных ресурсов рек. В ходе наших исследований в течение 7 лет мы установили следующее:

1. Между температурой воздуха и температурой воды установлена прямая зависимость. Высокая температура в теплое время приводит к повышению показателя испаряемости, а это сказывается на водности рек, их обмелении.

2. В последние годы наблюдается сухая весна: 2010 г.-103 мм, 2011 г.- 61,5 мм, 2012 г.- 98 мм, 2013г.- 90 мм, 2014 г.- 93 мм, 2015 г.- 86 мм, 2016 г.- 95 мм,

2017 г.- 76 мм, 2018 г. – 83 мм [2], что ведет к быстрому снижению уровня воды в реках после паводка, который в течение 6 лет отличается низким уровнем.

3. Лето последних лет характеризуется высокими температурами, повышающими испарение воды с водной глади и резкое снижение водности рек. Это еще больше усугубляется малым количеством выпадающих осадков в бассейнах р. Толучеевка и р. Подгорная: 2010 г – 39 мм, 2011 г – 197,7 мм, 2012 г – 147,3 мм, 2013г.- 65мм, 2014 г.- 112 мм, 2015г.- 55 мм, 2016 г.- 69 мм, 2017- 59 мм, 2018 г.- 91мм [2].

4. В итоге, 7 лет подряд реки испытывают дефицит поверхностного стока. Наиболее экстремальными для водных ресурсов рассматриваемых рек оказались 2010 г. и 2015г.: рекорд летних температур, высокая испаряемость, минимум осадков, как результат, - резкое снижение уровня воды.

5. За период 2011– 2014 г. уровень воды в Толучеевке летом снизился на 9 –11 см, а в экстремальных 2010 г., 2015г. уровень понижался на 23 см (зафиксировано по реперу); в р. Подгорная уровень воды снизился за период 2011– 2014 г. на 10 – 15 см, в 2010г. 2015г. – до 25 -28 см (Приложение 4).

6. Наблюдения показали, что в сентябре, когда температура воздуха падает, резко снижается испарение, уровень воды в реках по сравнению с летней меженью повышается.

7. Осень 2014 г. выдалась абсолютно сухой, поверхностный сток отсутствовал. Несмотря на это, по реперу мы зафиксировали повышения уровня воды – осенний паводок. На р. Толучеевке он был более выражен: вода поднялась с 7.09.2014 г. по 22.10.2014 г. на 28 см, в р. Подгорная – на 12 см.

8. В 2015 г. из - за длительного отсутствия осадков в течение нескольких месяцев повышения уровня воды не произошло.

9. За годы наших наблюдений (2010г.- 2018 г.) ширина русла и уровень воды в р. Толучеевка снизились в точках исследования на 45 см и 10 см соответственно, а в р. Подгорная - на 70 см и 13 см соответственно. Отмечено по реперу - отметкам на сваях, стоящих в воде и лежащих на берегу у моста (Приложение 4) .

10. Весенний паводок наблюдался только в 2010 г. (630см), небольшой разлив после дождей отмечен в феврале 2016 г., в 2018 году отмечен наиболее высокий подъем воды за все годы наших наблюдений – 674 см.

3.2 Рекреационное воздействие на реку

Изменения в климате (жаркое и сухое лето) привели к увеличению рекреационных нагрузок на реки и отбору воды. Для изучения нагрузок в зонах отдыха на первом этапе исследований было выбрано по 3 точки на разном расстоянии от реки.

Для определения антропогенных нарушений почвы использовалась методика Алексеева [1]. Степень изреженности травостоя определялась на площадках 100 х 100 см. Для определения фильтрации на каждой площадке были вбиты полые цилиндры, в которые заливалась вода и с помощью секундомера устанавливалась продолжительность просачивания воды. Степень уплотненности почвы определялась глубиной проникновения штыковой лопаты в почву при небольшом нажиме. Полученные результаты отражают данные схемы.

В пойме р. Подгорная традиционно проводятся массовые мероприятия, более велико число отдыхающих на реке, расположен детский оздоровительный лагерь «Солнышко», в котором отдыхает несколько сот детей.

Схемы 1-3

Густота травостоя

Степень уплотненности почвы

Фильтрация

Анализ схем 1-3 показывает, что наибольшая степень уплотненности почвы, изреженность травостоя, затрудненная фильтрация воды наблюдаются ближе к реке, более выражены в пойме р. Подгорная, где выше рекреационные нагрузки.

Небольшие глубины, песчаное дно, наличие ила на дне приводят к поднятию донных отложений и замутнению воды в местах купания, что отражается на прозрачности воды.

Схема 4

Вывод: анализ схемы 4 исследования показал, что вода в р. Подгорная более прозрачна, что обусловлено песчаным дном, а дно Толучеевки более заилено, вода легко подвергается замутнению.

3.3 Оценка эколого-гидрологического риска рек

Используя методику, данную в учебном пособии Смолянинов В.М., Дегтярев С.Д., Щербинина С.В. «Экологическая оценка состояния речных водосборов Воронежской области» - Воронеж: «Истоки», 2007-133 с.[5], провели оценку эколого-гидрологического риска наших рек и рассчитали коэффициент истощения водных ресурсов.

Таблица 1

Эколого-гидрологический риск

Линии сравнения

р. Подгорная (№1)

р. Толучеевка (№2)

Вывод

R истощения

0,26

0,24

Немного выше у реки №1

R деградации речного стока

0,49

0,22

В 2,2 выше у реки №1

R загрязнения

0,68

0,66

Немного выше у реки №1

Коэффициент истощения водных ресурсов рассчитали, используя формулу [5]: Кист = (Vпов + Vпод) : Qгод ст , где Vпов и Vпод - водоотбор поверхностных и подземных вод, тыс.м3/км2; Qгод ст – среднемноголетний расход годового стока, м3/с.

Произвели расчет:

Река Толучеевка - Кист = (Vпов + Vпод) : Qгод ст = (0,6 + 1,1) (тыс. м3 км2) : 3,2 м3/с = 0,53

Река Подгорная Кист = (Vпов + Vпод) : Qгод ст = (0,5 + 1,4) (тыс. м3 км2) : 3,2 м3/с = 0,59

Таблица 2

Выделение остроты риска путем ранжирования значения[5]

Слабая

Средняя

Сильная

Очень сильная

0,00 – 0,25

0,25 – 0,50

0,50 – 0,75

0,75 – 1,00

Определенная путем ранжирования острота риска показала, что реки имеют сильную остроту риска и у р.Подгорная она выше. Исходя из этого, мы можем сказать, что водные ресурсы рек Подгорная и Толучеевка необходимо не только контролировать, но и эффективно защищать от деградации.

4. Результаты исследований

1. Природные факторы формирования водных ресурсов этих рек в большинстве своем сходны, но есть и различия: а) модуль весеннего стока у реки Подгорной в 3 раза выше – 0,9 л/км2; б) облесенность бассейна этой реки в 1,5 раза ниже; в) распаханность земель, их эродированность выше, что отражается на высоком показателе потери гумуса – 719 кг/га, что в 1,3 раза выше показателя р. Толучеевка (Приложение 3).Показатели, приведенные выше, предопределяют увеличение твердого стока в реку.

2. Эколого-гидрологический риск р. Подгорная выше, она более уязвима. Это подтверждают следующие данные: а) деградация речного стока в 2,2 раза выше;

б) загрязнение от удобрений и ядохимикатов более выражено – 7,9 т/км2, р. Толучеевка – 7,2 т/км2; в) больше смыв гумуса и твердый сток (Приложение 3).

Последние два фактора способствуют зарастанию, заиливанию, обмелению русла, что особенно наглядно происходит в последние 4 года. Маршрутным методом подтвердили, что данные процессы более выражены на р. Подгорная.

3. Наблюдения за климатом в течение 9 лет позволили сделать вывод о тенденции его потепления и сокращения объема осадков, особенно в теплый период года. Как следствие, 7 лет подряд реки испытывают дефицит поверхностного стока. Это сказывается на водности рек, на состоянии водных ресурсов.

4. За 9 лет наблюдений реки стали уже: Подгорная - на 70 см, Толучеевка – на 45 см; уровень воды в них снизился на 13см и 10 см соответственно (Приложение 4).

5. Анализ схем 1-3 показывает, что наибольшая степень уплотненности почвы, изреженность травостоя, затрудненная фильтрация воды наблюдаются в местах наибольшего скопления людей и техники, то есть ближе к реке. Эти изменения более выражены в пойме р. Подгорная, где выше рекреационные нагрузки (Приложение 5).

6. Рассчитанный нами по формуле коэффициент истощения водных ресурсов для каждой реки позволил выделить остроту риска путем ранжирования значения. У обеих рек она сильная, но у р. Подгорной она выше: Кист= 0,59;у р. Толучеевка – Кист=0,53.

5. Выводы

1. Установили, что наряду с природными факторами: климатом, подстилающей поверхностью, на формирование водных ресурсов оказывает влияние хозяйственная деятельность человека и рекреационные нагрузки. Путем сравнения природных и антропогенного факторов формирования водных ресурсов двух рек выявили, что они сходны, однако, р.Подгорная более уязвима к их воздействию.

2. Выявили: за 7 лет исследований ширина русла и уровень воды в р. Подгорная изменились в большей степени: на 70 см и 13 см соответственно, а в р. Толучеевка – на 45 см и 10 см (Приложение 4).

3. Установили: эколого-гидрологический риск р. Подгорная выше, она более уязвима. Это доказывают данные: а) деградация речного стока в 2,2 раза выше; б) облесенность бассейна р.Подгорная в 1,5 раза ниже; в) эродированность земель и распаханность выше, что увеличивает твердый сток: потери гумуса в 1,3 раза больше – 719 кг/га; г) загрязнение от удобрений и ядохимикатов более выражено – 7,9 т/км2 (р. Толучеевка – 7,2 т/км2) - (Приложение 3).

Последние два фактора способствуют зарастанию русла, что особенно наглядно происходит в последние 4 года.

4. По степени антропогенного воздействия наибольшему влиянию подвергается р. Подгорная (Приложение 5), что влияет на степень риска и коэффициент истощения водных ресурсов.

5. Рассчитанный по формуле коэффициент истощения водных ресурсов для каждой реки позволил выделить остроту риска путем ранжирования значения. У обеих рек она сильная, у р. Подгорной она выше: Кист= 0,59; у р.Толучеевка – Кист= 0,53 (Приложение 6).

6. Нами полностью доказана гипотеза о большей уязвимости водных ресурсов реки Подгорная.

Как говорят ученые ВГУ [5], деградирующие водные объекты нуждаются не только в профилактических мерах, но и в восстановительных мероприятиях. Нами даны рекомендации по сохранению и улучшению состояния малых рек.

Здесь уместно привести слова В. М. Пескова: «Все ли мы понимаем, какое это сокровище! Можно заново построить разрушенный город. Можно посадить лес, выкопать пруд. Но речку, если она умирает, как всякий живой организм, сконструировать заново невозможно».

Результаты исследований были представлены на заседаниях НОУ «Олимп», на семинаре учителей естественных наук, на конференциях разного уровня.

Перспективы

Исследовать состояние реки Подгорной после мероприятий по очистке русла реки.

6. Используемые источники

Алексеев С.В. и др. Практикум по экологии - М.: АО «МДС», 1996 – 196с.

Данные метеостанции г. Калач.

Курдов А.Г Реки Воронежской области. – Воронеж: Издательство ВГУ, 1984 – 164с.

Нестеров Ю.А., Подколзин В. В., Понамарева З.В., Сушков В.Н. География Воронежской области.- Воронеж: Издательство ВГУ, 2002-137с.

Смольянинов В.М., Дегтярев С.Д., Щербинина С.В. Эколого-гидрологическая оценка состояния речных водосборов Воронежской области. - Воронеж: «Истоки», - 2007 – 133 с.

Эколого-географический Атлас-книга Воронежской области / Под. Ред. Проф. В.И. Федотова. – Воронеж: Издательство Воронежского госуниверситета, 2012 – 514с.

Антимонов Н.А. Школьные походы по изучению рек, озер, болот родного края.- М: Учпедгиз, 1963 -132 с.

Колбовский Е.Ю. Изучаем малые реки. - Ярославль: Академия Развития, 2004 – 224 с.

П риложение 1

Схема расположения рек Подгорная и Толучеевка

Приложение 2

Сводная таблица сравнительных показателей

рек Подгорная и Толучеевка

Линии сравнения

р. Подгорная (№1)

р. Толучеевка (№2)

Вывод

Длина реки

68 км

143 км

Река №2 длиннее в 2,2 раза

Ширина долины

8 км

4,5 км

Долина реки №1 шире в 1,8 раза

Ширина реки

2-8 м

4-12 м

Русло реки №2 шире

в 1,5 – 2 раза

Глубина реки

0.33 – 2 м

0,5 – 3 м

Река №2 глубже в 1,5 раза

Скорость течения

0,18-0,25 м/с

0,17 м/с

Течение воды в реке №1 больше на 0,01- 0,08 м/с

Температураводы

07.09.2015

18,0’C

17,5’C

Немного выше в реке №1

Прозрачность воды

34-36 см

30 см

Выше в реке №1

Приложение 3

Приложение 4

С нижение уровня воды (см ) Изменение ширины русла рек (см)

Приложение 5

Густота травостоя в пойме рек (шт.) Степень уплотненности почвы

Приложение 6

Просмотров работы: 100