Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 415-421

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в исследованиях химического состава речных и озерных вод в ландшафтах любого типа – равнинных и горных – основным лейтмотивом звучит тема их загрязненности. Хотя под этим подразумевается следствие и негативного влияния на водные объекты деятельности человека, и природных особенностей района исследования. При этом естественным источникам химических элементов не всегда уделяется достаточное внимание. Хотя их роль в формировании состава речных вод всегда очень важна, в том числе и для горных рек.

Особенностью горных рек и их отличия от равнинных является более сложный характер формирования химического состава их вод, сильно меняющийся по длине реки от истока к устью, т.е. от высокогорий к предгорью и далее при выходе на равнину. В высокогорье реки питаются, главным образом, талыми водами снежников и ледников и получают с ними современные и накопившиеся со временем в телах снежников и ледников химические элементы. В среднегорье и в предгорьях, где, как правило, возрастает интенсивность биологических и, соответственно, химических процессов превращения веществ в ландшафтах, большую роль играет поступление в раствор химических элементов из горных пород водосборов. В результате растет обогащение ими речных и озерных вод. Но и освоение ландшафтов возрастает в направлении среднегорья и предгорья. Поэтому здесь имеют значение как природные источники поступления химических элементов в водный сток, так и антропогенное загрязняющее воздействие.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Наше исследование базируется на данных синхронно выполненной оценки качественного состава речных вод в ближайшем окружении г. Нальчик, а также р. Баксан в высокогорье и оз. Нижнее Голубое. Наблюдения проводились в мае 2019 г. Пункты наблюдений показаны на рис. 1.

Рис. 1.

Картосхема расположения пунктов наблюдения. Пункты: 1 – на р. Гунделен, перед впадением ее в р. Баксан; 2 – на р. Баксан, ниже пос. Нейтрино; 3 – на оз. Нижнее Голубое; 4 – на р. Терек; 5 – на р. Черек; 6 – на р. Нальчик, ниже города; 7 – на р. Нальчик, до города.

Были отобраны пробы воды для химического анализа – определения макроэлементного состава и содержания в речных водах ~50 микроэлементов, включая токсичные элементы и тяжелые металлы.

На месте наблюдений определялись минерализация воды и активная реакция – рН. То и другое выполнялось с помощью портативных приборов-кондуктометра и рН-метра серий Hanna и pHep. В Москве, в лабораторных условиях, проанализировано содержание в воде анионов (методом титрования), катионов и микроэлементов методом ICP-MS, т.е. методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе Elan6100.

Результаты химического анализа проб воды представлены в табл. 1 и 2, на рис. 2. При обсуждении полученных результатов используются материалы ранее проведенных исследований в этом регионе: в 1980-х годах (Шилькрот, 1987) и в начале 2000-х годов (Кудерина и др., 2008; Шилькрот, Кудерина, 2012), а также из других литературных источников.

Рис. 2.

Содержание растворенных в речных водах микроэлементов, мкг/л, май 2019 г. Пункты 1–2, 4–7 (см. рис. 1).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные данные позволяют составить химическую характеристику речных вод региона и таким образом оценить их современное экологическое состояние. Также исследование дает возможность установить связи химического состава речных вод с факторами его формирования, как природными, так и антропогенными.

Макроэлементный состав речных вод. Река Баксан, питающаяся талыми водами снежников и ледников, отличается от других исследуемых рек наименьшей величиной минерализации воды. Состав воды р. Баксан гидрокарбонатно-кальциевый, при хорошем соответствии между содержанием гидрокарбонатов и кальция (мг-экв), см. табл. 1. Для рр. Черек и Гунделен (см. табл. 1), как и для оз. Нижнее Голубое (Шилькрот, 1987), основными ионами в солевом составе вод являются уже сульфаты и кальций. Это связано с участием в вещественном питании этих объектов гипсоносных пород, обогащающих поверхностные и подземные воды указанными ионами. Реки Гунделен и Черек выделяются среди рек региона наиболее минерализованной водой и повышенной еe жесткостью (сумма ионов кальция и магния), выше 7.0 мг-экв. Из-за показателя жесткости и повышенного содержания сульфатов вода вышеуказанных рек, как и оз. Нижнее Голубое, не соответствует гигиеническим нормам для питьевых вод.

Микроэлементный состав речных вод. Из микроэлементов в речных водах исследуемого региона преобладают стронций, железо, барий, цинк, марганец, литий и др. (см. табл. 2 и рис. 2). Максимум Sr отмечается в водах рр. Гунделен и Черек, Fe – в рр. Нальчик (перед городом, после ливней), Терек и Гунделен, Mn – в рр. Терек и Нальчик – после ливней, Ba – в р. Нальчик (после ливней), Zn – в рр. Терек, Нальчик (после ливней) и Гунделен, Pb – в рр. Терек и Нальчик (после ливней).

Вода р. Терек выделяется среди рек региона более высоким содержанием многих элементов: цинка, лития, марганца, свинца, кадмия и мышьяка. Вместе с тем, содержание всех микроэлементов в воде Терека, за небольшим исключением, как и в других реках, значительно ниже нормативов для питьевых вод. Нормативы превышены по Fe и Mn в нескольких реках: по первому элементу в 4–7 раз для рр. Терек, Гунделен, Нальчик (до города, после ливней) и в 1.5 раза – по второму (рр. Терек и Нальчик – после ливней).

Факторы, определяющие химический состав речных вод. Для р. Баксан характерен в направлении от высокогорья к среднегорью и предгорью рост минерализации речной воды и содержания в ней некоторых микроэлементов – As, Cr и Sr, особенно последнего (Шилькрот, Кудерина, 2012). Это обусловливается, несомненно, влиянием обогащенных стронцием терригенно-карбонатных отложений (Дьяченко, 2004). Но существует влияние на состав вод этой реки и деятельности Тырныаузского комбината. В сравнении с водами верховья Баксана содержание молибдена в речной воде ниже Тырныауза повышалось с 0.08 до 6.3 мкг/л, вольфрама – с 0.01 до 0.13 мкг/л (Шилькрот, Кудерина, 2012). В мае 2019 г. содержание вольфрама в р. Баксан (до Тырныауза) составляло 0.08 мкг/л, молибдена – 1.3 мкг/л.

Заметим, что проведенными ранее наблюдениями (Кудерина и др., 2008; Шилькрот, Кудерина, 2012) в верховье р. Баксан – выше п. Азау – в речной воде отмечалась незначительная концентрация Zn. То же самое оказалось и в мае 2019 г., в пункте ниже Азау. Однако в снежном покрове южного склона г. Эльбрус (на высоте 2.5 тыс. м и выше) содержание этого элемента всегда было повышенным. Другими авторами обнаружены значительные концентрации цинка (до 8 мкг/л) в зимнюю межень 2018 г. в воде р. Малка, текущей со склонов Эльбруса (Чередник, Жинжакова, 2019).

Данные 2019 г. свидетельствуют в основном о значительной роли природных факторов в формировании качественного состава речных вод в ландшафтах среднегорья. Главными из этих факторов можно считать горные породы и подземные воды. Влияние их отражено как в ионном составе речных вод, так и в составе микроэлементов. На примере р. Нальчик можно оценить влияние на микроэлементный состав речной воды металлоносных месторождений, о которых выше упоминалось.

Наблюдениями на р. Нальчик после ливневых дождей (пункт перед городом) была отмечена большая мутность речной воды, указывающая на высокий смыв в реку взвеси. Из-за ливневого стока могло повыситься в речной воде содержание некоторых микроэлементов в составе взвеси. Но такое повышение произошло и для растворенных форм микроэлементов (см. табл. 2, рис. 2 и далее в тексте).

После ливней содержание многих микроэлементов в воде р. Нальчик возросло в несколько раз в сравнении с наблюдениями до ливней (в пункте ниже города). Концентрация Co и Ni выросла в 25–24 раза, Zr в 10 раз, V в 8 раз, Cr и Nb в 6 раз. Содержание же Mo, наоборот, снизилось в 7 раз.

Об атмосферных осадках как источнике химических элементов для рек рассматриваемого района можно косвенно судить по данным мониторинга за их фоновым составом, осуществляемого Росгидрометом (Обзор…, 2019). По этим данным, современное содержание в осадках Кавказского биосферного заповедника типичных загрязнителей атмосферы – свинца, кадмия, ртути и меди – имеет разброс среднегодовых величин (от минимума до максимума) до 10 и более раз (табл. 3).

Из табл. 3 можно видеть, что в последние годы загрязнение атмосферных осадков рядом тяжелых токсичных металлов не снижается, а, наоборот, возрастает. Следовательно, растет и поступление их в ландшафты и в реки, особенно если учесть, что в высокогорье и в среднегорье рассматриваемого региона количество самих атмосферных осадков значительно. Заметим, что указанные повышенные концентрации меди и ртути в атмосферных осадках не выходят за пределы питьевых нормативов. Но эти же концентрации превышают в 10 и более раз ПДК для рыбохозяйственных водоемов, составляющих 1 и 0.01 мкг/л соответственно.

О степени влиянии загрязненных атмосферных осадков на речные воды можно было бы судить по данным, полученным для р. Нальчик в мае 2019 г. После ливней в воде р. Нальчик (до города) повысились концентрации Pb – в 14 раз, Zn – в 11 раз, Cu – в 7 раз и Cd – в 4 раза в сравнении с их содержанием в речной воде до ливней, в пункте ниже города. Однако этот рост концентраций ряда химических элементов (наряду с другими, отмеченными выше) мог быть вызван не только влиянием загрязненных атмосферных осадков, но и вымыванием этих элементов из горных пород и переносом в реку ливневым стоком. Заметим, что из-за ливней резко повысилось в воде р. Нальчик также содержание железа и марганца, а этих элементов не бывает в большом количестве в составе атмосферных осадков. И концентрация ртути после ливневого стока не менялась в речной воде, оставаясь ниже предела определения, 0.01 мкг/л. Так же мало было Hg в воде всех других рек региона.

Не обнаружилось в период наших наблюдений влияния г. Нальчик на химический состав воды р. Нальчик. Но его отмечают исследователи из г. Нальчика (Жинжакова, Чередник, 2019), осуществляющие с 2011 г. мониторинг за качественным составом вод р. Нальчик в разные сезоны и в створах выше и ниже города. По их данным, основное загрязняющее воздействие города и других поселений проявляется в повышении содержания в речной воде аммонийного азота и нитритов. Эти авторы считают также, что антропогенный фактор добавляет к качественному составу речной воды Pb, Zn, Mo. Они также обращают внимание на значительные колебания концентраций Ag в воде по длине реки – от 0.02 до 0.7 и даже 3.3 мкг/л, с максимумом, как на фоновом участке, где нет антропогенных воздействий, так и в курортной зоне г. Нальчика. По нашим данным, содержание в воде р. Нальчик этого элемента незначительно (0.02 мкг/л) – до и ниже города. Максимум Ag (0.065 мкг/л) был зафиксирован в воде р. Баксан, минимум – в р. Гунделен.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследования нескольких горных рек (Баксан, Нальчик, Черек, Терек и др.) на территории Кабардино-Балкарии, выполненного в мае 2019 г. и дополненного данными 1980-х и начала 2000-х годов, показали:

– реки региона различаются по химическому составу воды, являющемуся важнейшим экологическим показателем их состояния. Эти различия, или пространственная неоднородность химического состава речных вод, обусловливаются, главным образом, природными особенностями водного и вещественного питания водотоков в условиях высокогорных и среднегорных ландшафтов. По-разному влияет на состав речных вод и антропогенный фактор, действующий через доставку химических элементов с загрязненными атмосферными осадками и со стоками с освоенных водосборов, в частности с территорий городов Тырныауз и Нальчик;

– в высокогорье – р. Баксан получает химические элементы из талых вод снежников и ледников и дренируемых горных пород. Речная вода маломинерализованная, гидрокарбонатно-кальциевого состава;

– в среднегорье – для рр. Нальчик, Черек, Терек и Гунделен значительна в их питании роль подземных вод, насыщенных химическими элементами из дренируемых ими карбонатных отложений и гипсов. Вода многих рек умеренно-минерализованная, ионный состав воды некоторых рек (рр. Гунделен и Черек) сульфатно-кальциевый, и жесткость воды повышенная. Из-за высоких показателей содержания сульфатов и жесткости вода рр. Гунделен и Черек, как и оз. Нижнее Голубое, не соответствуют нормативам для вод питьевого назначения;

– в микроэлементном составе воды всех рек преобладают стронций, железо, марганец, барий, цинк, свинец, литий и др. Вода р. Терек выделяется повышенным содержанием многих микроэлементов;

– состав и содержание микроэлементов в речных водах среднегорья формируются под влиянием горных пород, загрязненных атмосферных осадков и деятельности человека на водосборе. Очень важным фактором оказывается поступление веществ с подземными водами и с ливневым стоком с водосборов;

– содержание большого ряда микроэлементов, присутствующих в речных водах региона, оказалось ниже нормативов для питьевых вод. Исключение составили только концентрации Fe и Mn. По первому элементу нормативы превышены в 4–7 раз для рр. Терек, Гунделен и Нальчик (после ливней, перед городом), а по Mn – в 1.5 раза для рр. Терек и Нальчик (после ливней);

– влияния г. Нальчик на содержание макро- и микроэлементов в воде р. Нальчик не обнаружено. Другими исследователями отмечается заметное присутствие в речной воде ниже города аммонийного азота и нитритов, что свидетельствует о загрязнении реки органическими соединениями. На воды р. Баксан воздействует Тырныаузский вольфрамово-молибденовый комбинат. Ниже г. Тырныауз в речной воде в несколько раз повышено в сравнении с верховьем реки содержание вольфрама и молибдена.