AN EVALUATION OF WATER QUALITY OF THE ARGAZI RESERVOIR
AN EVALUATION OF WATER QUALITY OF THE ARGAZI RESERVOIR
Abstract
The work presents data on the water quality of the Argazi Reservoir, which in cascade with the Shershnevskoye Reservoir is the main source of drinking water for the residents of the Chelyabinsk industrial estate. The study showed that for many years the water quality of the reservoir was negatively affected by wastewater discharges from industrial enterprises and municipal services of Miass and Karabash cities (via the Sak-Elga River, a tributary of the Miass River). In evaluating water quality, the SCIDWP index was used, which was calculated for such standardized water quality indicators as dissolved oxygen, chlorides, sulphates, ammonium nitrogen, nitrite nitrogen, nitrate nitrogen, total iron, compounds of copper, zinc, manganese, nickel, organic compounds by BOD5, COD, oil products, phenols. The analysis of SCIDWP from 2016 to 2020 showed that there is an improvement in water quality, which may be associated with the diversion of clean flow of the Sak-Elga River bypassing the polluted territory of Karabash urban district and directing clean water to the Argazi water reservoir. The article evaluates the level of water pollution depending on the dissolved oxygen content and for the four-year period the dissolved oxygen content was at the level from "moderately polluted (III)" to "very clean (I)", the oxygen regime of the reservoir was favourable and met the fishery standards of MAC. The article presents data on the content of lead compounds (first class of hazard) in water. The study found that in 60.0% of samples the average content of lead ions has values within 1.1-1.53 MAC, which confirms the influence of industrial effluents of Karabash urban district.
1. Введение
Челябинская область богата природными водоемами – 3784 озера и 3602 реки. При всём богатстве водных источников наибольшее питьевое значение для Челябинского региона представляет каскад Аргазинское – Шершневское водохранилищ . Этапы создания Аргазинского водохранилища: 1927 год – проектные работы, 1938 год – основное строительство, в 1946 год – закончены строительно-монтажные работы по плотине и водосбросу. В том же 1946 году происходит заполнение водохранилища паводковыми водами в объеме 654 млн. куб. км при площади водного зеркала составила 102 кв. км нормальный подпорный уровень (НПУ) составляет 271,5 м,
, , .Распоряжением Правительства РФ от 02.11.2009 года №1629-р (ред. от 07.03.2016) Аргазинский гидроузел наряду с Шершневской плотиной являются стратегическими объектами и относятся к гидротехническим сооружениям первого класса, подлежат обязательной охране полицией и поднадзорных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору . С 21 января 1969 г. решением Исполнительного комитета Челябинского областного Совета народных депутатов № 29 «Об охране памятников природы в области» Аргазинское водохранилище отнесено к особо охраняемым природным территориям, имеет статус памятника природы Челябинской области, профиль ООПТ – гидрологический. Постановлением Законодательного Собрания Челябинской области от 31.01.2008 г. № 1009 «Об утверждении границ памятника природы Челябинской области Аргазинского водохранилища и его охранной зоны» утверждены границы памятника природы Челябинской области Аргазинского водохранилища
, . Учитывая всё выше изложенное, а именно, что Аргазинское водохранилище является одним из основных источников питьевого водоснабжения Челябинской области и ценный рекреационный ресурс, относится к особо охраняемой природной территории, необходимо регулярно проводить контроль качества воды.Основой для водохранилища явилось уникальное озеро Аргази, которое наряду с озерами Увильды, Тургояк, Большой Кисегач относится к наиболее крупным водоемам области
. В водохранилище впадают реки Миасс, Аткус, Каменная, а также канал из озера Увильды, вытекает река Миасс.Долгие годы акватория водохранилища через приток р. Миасс - р. Сак-Элга испытывала негативное воздействие от сброса сточных промышленных и коммунальных вод городов Миасс и Карабаш. С целью стабилизации экологической ситуации и снижения поступления загрязненных вод через приток р. Миасс - р. Сак-Элга, в 2019 году по заказу Министерства экологии Челябинской области, специалистами Западно-Уральского института водных и экологических проблем (г. Пермь) проведено обследование Аргазинского водохранилища. В рамках проекта выполнено более 3500 химических исследований, проведено рекогносцировочное обследование водоохранной зоны водохранилища
. Проведенные обследования позволили завершить в 2020 году возведение канала для отвода чистого стока реки Сак-Элга в обход загрязненной территории Карабашского городского округа и направления чистой воды в Аргазинское водохранилище .При написании статьи использовали:
1) данные ежегодных Докладов об экологической ситуации в Челябинской области за 2016-2022 годы, находящиеся в свободном доступе на сайте Министерства экологии Челябинской области в разделе Информация об экологической ситуации в Челябинской области
;2) отчетная документация государственного контракта «Реализация положений Схемы развития и размещения, особо охраняемых природных территорий Челябинской области, в том числе мониторинг состояния особо охраняемой природной территории Челябинской области Аргазинское водохранилище» за 2022 год.
Наблюдения за качеством воды Аргазинского водохранилища проводятся в двух створах: 5,2 км к востоку от г. Карабаш, 18 км выше плотины и в черте д. Байрамгулово, 0,3 км выше Аргазинского гидроузла.
2. Результаты исследования
Водоемы Челябинской области на протяжении ряда лет испытывают аномальное обмеление, обусловленное засушливой погодой и влиянием глобального потепления. По данным гидрометеослужбы уровень воды на многих озерах за последние 6 лет понизился на 20-70 см, что отражается на наполняемости водохранилищ. По состоянию на 1 июня наполненность Аргазинского водохранилища в 2019-2022 годах менялась следующим образом: 74,93% (2019-2020 гг.) ˃ 61-65% (2022 г.). Учитывая тот факт, что падение уровня воды может отразиться на качестве воды в водоёмах, необходим постоянный мониторинг качества воды. При оценке качества воды целесообразно использовать относительный комплексный показатель степени загрязненности поверхностных вод – УКИЗВ, определяющий часть загрязняющего компонента в общем загрязнении воды при одновременном присутствии ряда загрязняющих веществ. Классификация качества воды на основе значений УКИЗВ в зависимости от степени их загрязненности позволяет выделить пять классов качества воды.
Таблица 1 - Классификация качества воды на основе значений УКИЗВ
Класс | Характеристика | Разряд | Характеристика |
1-й класс | условно чистая | - | - |
2-й класс | слабо загрязненная | - | - |
3-й класс | загрязненная | разряд «а» | загрязненная |
разряд «б» | очень загрязненная | ||
4-й класс | грязная | разряд «а» | грязная |
разряд «б» | грязная | ||
разряд «в» | очень грязная | ||
разряд «г» | очень грязная | ||
5-й класс | экстремально грязная | - | - |
Примечание: по ист. [6]
В работе представлены результаты расчета УКИЗВ по таким нормируемым показателям качества воды как растворенный кислород, хлориды, сульфаты, азот аммония, азот нитритов, азот нитратов, железо общее, соединения меди, цинка, марганца, никеля, органические соединения по БПК5, ХПК, нефтепродукты, фенолы. За четыре года с 2016 по 2020 годы УКИЗВ изменялся следующим образом: 2016 г. = 4,86 (4Б) < 2017 г. = 6,16 (4В) ˃ 2018 г. = 5,39 (4Б) ˃ 2019 г. = 2 (слабо загрязненная) = 2020 г. = 2 (слабо загрязненная). Можно заключить, что проведенные работы по отводу чистого стока реки Сак-Элга в обход загрязненной территории Карабашского городского округа и направления чистой воды в Аргазинское водохранилище дали положительные результаты и привели к улучшению качества воды.
Аргазинское водохранилище является водной экологической системой и для жизни гидробионтов определяющее значение имеет кислородный режим. Кроме того, от содержания растворенного кислорода в воде можно оценить уровень ее загрязнения (табл. 2).
Таблица 2 - Содержание кислорода в водоемах с различной степенью загрязненности
Уровень загрязненности воды и класс качества | Растворенный кислород | |
лето, мг/л | % насыщения | |
Очень чистые, I | 9 | 95 |
Чистые, II | 8 | 80 |
Умеренно загрязненные, III | 7..6 | 70 |
Загрязненные, IV | 5..4 | 60 |
Грязные, V | 3..2 | 30 |
Очень грязные, VI | 0 | 0 |
Примечание: по ист. [8]
Следует отметить, что во все периоды исследования кислородный режим водохранилища был благополучен и соответствовал рыбохозяйственным нормативам ПДК. Содержание растворенного кислорода в воде изменялось в следующем порядке: 2017 г. (7,66-11,7 мг/дм3) – 2018 г. (5,30-14,0 мг/дм3) – 2019 г. (7,90-14,20 мг/дм3) – 2020 г. (7,80-16,50 мг/дм3) – 2022 г. (8,38-9,40 мг/дм3), при норме не ниже 4 мг/дм3. Качество воды и находилось на уровне от «умеренно загрязненные (III)» до «очень чистые (I)». В 2018 г. содержание растворенного кислорода опускалось до уровня загрязнения, который варьирует между значениями от «умеренно загрязненные (III)» – «загрязненные (IV)» до «очень чистые» (I).
В результате техногенного воздействия к приоритетным загрязнителям водоемов относятся соединения тяжелых металлов, особый интерес представляют соединения свинца, относящиеся к первому классу опасности. В современных условиях в природных водах соединения свинца встречается практически повсеместно и в типичных гидрокарбонатных водах содержание его изменяется от следов до 0,05 мг/дм3, ПДК – 0,006 мг/дм3. В таблице 3 приведены данные о содержании соединений свинца в воде Аргазинского водохранилища в 2022 году.
Таблица 3 - Содержание соединений свинца в воде Аргазинского водохранилища
Загрязняющее вещество | Дата отбора проб | Точки отбора | Р/хоз. норм. | ||
ПП1 | ПП2 | ПП3 | - | ||
Соединения свинца, мг/дм3 | 13.05.2022 | 0,0081±0,0020 | 0,0075±0,0019 | 0,0064±0,0016 | Не более 0,006 |
17.06.2022 | 0,0092±0,0022 | 0,0074±0,0018 | 0,0077±0,0019 | ||
20.07.2022 | Менее 0,0020 | Менее 0,0020 | Менее 0,0020 | ||
19.08.2022 | Менее 0,0050 | Менее 0,0050 | Менее 0,0050 | ||
09.09.2022 | Менее 0,0020 | Менее 0,0020 | Менее 0,0020 | ||
Примечание: ПП 1 - 550.19'42,25728'' N, 600 22'8,57856''E; ПП 2 - 550.23'7,06524'' N, 600 27'349,72572''E; ПП 3 - 550.27'42,80292'' N, 600 21'33,94152''E
Об уровне загрязнения воды водохранилища свидетельствует тот факт, что лишь в 40,0 % проб воды концентрации соединений свинца находились в пределах 0,002-0,005 мг/дм3, т.е. ниже ПДК, а в 60,0 % проб среднее содержание соединений свинца находится на уровне 1,06-1,53 ПДК и составляет 0,0049 (0,0064-0,0092 мг/дм3). В то же время, выявленные концентрация соединений свинца далеки от смертельно опасных для рыб значений равных 0,1-0,3 мг/л. Следует отметить, что опасность загрязнения воды соединениями свинца определяется негативным влиянием этих соединений на нервную систему человека, особенно остро проявляется у детей, ведет к замедлению умственного развития. Негативно влияет на сердечно-сосудистую систему, работу ЖКТ
.Водные массы водохранилища формируются в большей степени за счет атмосферного питания, что и находит отражение в химическом составе воды. Соединения свинца относятся к халькофильным элементам и находятся в природных водах в растворенном и взвешенном (сорбированном) состоянии. В растворенной форме встречается в виде минеральных и органоминеральных комплексов, а также простых ионов, в нерастворимой – главным образом в виде сульфидов, сульфатов и карбонатов
. Из полученных данных можно констатировать, что ситуация остаётся напряженной и свидетельствует об активном загрязнении водоема , в том числе за счёт попадания в водоём промышленных отходов, содержащих токсичные соединения тяжелых металлов, которые вредят не только окружающей среде, но и здоровью человека. В то же время хотелось бы отметить, что современная экологическая ситуация складывалась в течение не одного десятилетия и даже не одного столетия. Первые железоделательные заводы на территории, выделенной позднее в Кыштымский горный округ, где расположен ныне Карабаш, были построены и пущены в 1737 году. Старейшим металлургическим предприятием России является Карабашский медеплавильный комбинат – крупный производитель черновой меди из медного концентрата, а черновая медь содержит определенные примеси – спутники основного металла . Изменения экологической ситуации начались с 2004 года, когда завод перешёл под управление Группы «Русская медная компания» (РМК), начинается масштабная программа по экологической и технологической модернизации предприятия, в которую компания вложила свыше 30 миллиардов рублей. За это время проведена замена шахтных печей на печи с погружной фурмой, работающих по процессу Ausmelt, которая активно используется для переработки сырья, содержащего медь, никель, свинец, олово, цинк и драгоценные металлы, установлены конверторы с газоплотными напыльниками, не выбрасывающими пыль при работе, проведены работы по реабилитации карабашского пруда , . На заводе проведена реконструкция химико-металлургического комплекса, исключающего выбросы металлургических газов в воздух за счёт утилизации в новом сернокислотном цехе, внедрена сульфидно-известковая технология очистки, которая позволяет не только извлекать из стоков отходы производства, но и производить полезный продукт, такой как строительный гипс . Введён замкнутый цикл оборота воды, все стоки, доводятся до состояния условно чистого раствора, очищенная вода далее возвращается в технологический оборот и вновь используется для нужд производства, в частности, в градирнях и для охлаждения шлака в металлургическом цехе .Даже с учётом проводимой модернизации производства, для снижения загрязнения воды Аргазинского водохранилища, промышленным предприятиям Карабашского городского округа необходимо продолжать совершенствовать системы очистки сточных вод от соединений тяжелых металлов. В современной промышленности очищение сточных вод от ионов тяжелых металлов осуществляют разными способами, в том числе мембранным методом. При имеющихся достоинствах, мембранный метод имеет и ряд ограничений – высокое потребление энергии, короткий срок службы мембран из-за концентрационной поляризации, за счет чего в непосредственной близости от места разделения образуется концентрат загрязнений, который со временем приводит к ухудшению селективности и проницаемости перегородки , . Решить проблемы мембранного метода позволяет синтезированный, усилиями наших ученых совместно с учеными из Индии, новый вид мембран на основе особо пористых наночастиц оксида алюминия, легированного цинком . Полученные мембраны на основе пористых наночастиц, помимо полного удаления тяжелых металлов из отработанных вод промышленных предприятий, обладают «противообрастающими свойствами», т.е. устойчивостью материала к обрастанию водными микроорганизмами, которые в итоге выводят из строя приборы и устройства, долго находящиеся в водных средах . Учитывая достижения науки, рекомендуем руководству, технологам и экологам промышленных предприятий Карабашского городского округа, обратить внимание на мембранный метод очистки сточных вод, который по данным журнала Chemosphere, имеет 98%-ную эффективность при удалении соединений свинца.
3. Заключение
Улучшению качества воды способствовал отвод чистого стока реки Сак-Элга в обход загрязненной территории Карабашского городского округа и направления чистой воды в Аргазинское водохранилище, что отражает показатель УКИЗВ. Установлено, что, несмотря на падение уровня воды, кислородный режим водохранилища благополучен и соответствует рыбохозяйственным нормативам ПДК. Выявленное загрязнение соединениями свинца подтверждает длительное негативное воздействие от поступления загрязненных промышленных сточных вод с территории Карабашского городского округа. Дополнительным, мощным источником поступления ионов свинца в воду являются донные отложения, исследование которых планируется в будущем.