Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Комплексная оценка загрязнения стока реки Невы и ее притоков биогенными веществами

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Комплексная оценка загрязнения стока реки Невы и ее притоков биогенными веществами"

На правах рукописи

ТОРОПОВА НАТАЛЬЯ МИХАЙЛОВНА

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТОКА РЕКИ НЕВЫ И ЕЁ ПРИТОКОВ БИОГЕННЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации иа соискание учёной степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2006

¿ОР£ А гхос

На правах рукописи

ТОРОПОВА НАТАЛЬЯ МИХАЙЛОВНА

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТОКА РЕКИ НЕВЫ И ЕЁ ПРИТОКОВ БИОГЕННЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена на кафедре Прикладной экологии ГОУ ВПО Российский государственный гидрометеорологический университет

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор Шелутко В.А. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Кондратьев С.А.

кандидат географических наук, профессор Орлов В.Г.

Ведущая организация: Государственный гидрологический институт

Защита состоится « ^ » 2006 г. в часов минут на

заседании диссертационного совета Д 212.197.03 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, Сатст-Петербург, пр. Металлистов, д.З, аудитории 406е

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан « » 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Бескид П.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время проблема загрязнения и истощения водных ресурсов является одной из наиболее важных глобальных проблем в мире. Вода широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, быту и подвержена непосредственному антропогенному загрязнению. Гидросфера является естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ. С ростом городов, развитием промышленности, активизацией сельского хозяйства давление человека на водные объекты все более усиливается.

Изобилие в регионе Санкт-Петербурга и Ленинградской области водных ресурсов высокого качества способствовало их нерациональному использованию на протяжении длительного периода. В настоящее время река Нева и ее притоки испытывают на себе существенную антропогенную нагрузку, интенсивность которой пока не имеет выраженной тенденции к снижению. В связи с этим особенно актуальными становятся вопросы, связанные с поступлением биогенных веществ в р. Неву и по р. Неве в Невскую губу Финского залива. Поступление биогенных веществ в р. Неву, определяемое притоком воды из Ладожского озера и стоком загрязняющих веществ с части водосбора р. Невы ниже Ладожского озера, в том числе с территории г. Санкт-Петербурга, в значительной степени осложняет экологическую обстановку в Финском заливе. Между тем сведения об объеме стока биогенных веществ по Неве часто противоречивы и, по-видимому, нуждаются в уточнении. Определения объема стока биогенных веществ в устьевой части реки имеют весьма приближенный характер. Сами объемы стока не увязаны по длине реки и не увязаны' с возможными поступлениями биогенных веществ с территории Санкт-Петербурга.

Цель и задачи исследования. Целью исследований является комплексная оценка загрязнения стока р. Невы и ее протоков биогенными веществами, а также оценка объема биогенных веществ, поступающих по реке Нева в Невскую губу.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Оценка степени загрязнения р. Невы и ее притоков биогенными веществами.

2. Анализ динамики изменения степени загрязнения р. Невы и ее притоков

биогенными веществами во времени.

3. Анализ баланса биогенных веществ по длине реки Нева и на ее притоках.

4. Оценка объема стока биогенных веществ по длине р. Невы.

5. Уточнение стока биогенных веществ за счет выделения экстремальных выбросов, связанных с аварийными ситуациями естественного и антропогенного происхождения.

Исходные материалы и методы исследования. Исследования проводятся на основании данных стационарных наблюдений Северо - Западного УГМС с 1970 по 2003 годы.

В качестве методов исследования используется широкий спектр средств статистической обработки данных, проводится оценка по стандартным нормативным критериям качества воды (ПДК), используются балансовые методы анализа.

Научная новизна работы.

1. Впервые проведено исследование баланса биогенных веществ подлине реки Невы.

2. Выявлены основные закономерности изменения концентраций и объемов стока биогенных веществ в р. Неве и ее притоках во времени.

3. Выявлены основные закономерности изменения концентраций и объемов стока биогенных веществ по длине р. Невы.

4. Дана оценка роли сброса биогенных веществ притоками реки Невы в общем балансе биогенных веществ в р. Неве.

5. Впервые применена теория выбросов для выявления аварийных сбросов биогенных веществ и последующей корректировки оценок концентраций и объемов стока биогенных веществ в р. Неве.

Защищаемые научные положения

1. Система и результаты комплексной оценки изменения загрязненности биогенными веществами стока р. Невы и ее притоков во времени.

2. Система и результаты комплексной оценки изменения загрязненности биогенными веществами стока р. Невы по длине.

3. Комплекс приемов и результаты оценки баланса биогенных веществ в стоке р. Невы.

4. Необходимость учета выносов при анализе концентраций и объемов стока биогенных веществ по р. Неве и на ее притоках.

5. Рекомендации по оценке экстремальных значений концентраций биогенных веществ в стоке р. Невы.

Личный вклад автора

В основе диссертационной работы лежат результаты пятилетних исследований стока биогенных веществ, полученные лично автором. Часть результатов, связанная с анализом стока биогенных веществ в малых реках, получена под руководством и при участии к.т.н., доцента В.Г. Гутниченко, что отмечено в списке публикаций.

Практическая ценность и апробация работы.

Полученные в работе выводы могут быть использованы при разработке и реализации природоохранных мероприятий по снижению загрязнения биогенными веществами р. Невы и ее притоков, а также позволяют более точно оценить поступление биогенных веществ по р. Неве в акваторию Невской губы Финского залива.

Основные положения диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на итоговых сессиях ученого совета РГТМУ (2001, 2004), научных и научно-практических конференциях (российских и международных), семинарах политехнического симпозиума «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (2000, 2004), на научной конференции «Экология Санкт-Петербурга и его окрестностей» (2005).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов, изложена на страницах, включает 30 рисунков и 20 таблиц. Список использованных источников включает 65 наименований, в том числе 4 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы; определены цель и задачи исследования; показана научная новизна и практическая значимость исследований.

В первой главе представлена физико-географическая характеристика и характеристика хозяйственной освоенности района исследования

Экологические условия любой территории формируются из сложной сово-

купности естественных (абиотических и биотических) факторов, к которым присоединяются антропогенные факторы, часто оказывающиеся негативными для природы.

К значимым природным факторам, определяющим экологические условия в Петербургском регионе, можно отнести: наличие крупной и разветвленной водной системы Ладога - р. Нева - Восточная часть Финского залива; господствующий западный перенос в атмосфере; высокая влажность воздуха; регулярный подъем воды в Неве и Невской губе, сопровождающийся затоплением части территории Санкт-Петербурга.

К антропогенным факторам можно отнести: наличие крупнейшего в бассейне Балтийского моря многомиллионного города (Санкт-Петербурга), являющегося крупным транспортным и индустриальным центром; преобладание (особенно в Санкт-Петербурге и Ленинградской области) наиболее неблагоприятных с экологической точки зрения промышленных предприятий; наличие в Ленинградской области крупных агропромышленных комплексов, животноводческих ферм и птицеводческих предприятий; интенсивное и многофакторное антропогенное воздействие на природную среду в бассейне Ладожского озера и в бассейне р. Невы.

В достаточно суровых климатических условиях района Санкт-Петербурга и Ленинградской области водные экосистемы в большей степени подвержены разрушению, чем в районах с мягким благоприятным климатом. Компенсационные ресурсы экосистем в данных условиях незначительны (Шикломанов, 1989). Кроме этого, высокая хозяйственная освоенность района препятствует активизации процессов самовосстановления, постоянное антропогенное давление гасит компенсационные ресурсы водных экосистем. Таким образом, особенности физико-географических условий района исследований обуславливают меньшую восстановительную способность природных водных ресурсов, чем в более южных районах.

Взаимодействие перечисленных и других факторов привело к значительному и непрерывному на протяжении последних лет ухудшению качества вод в системе Ладожское озеро - р. Нева - Восточная часть Финского залива, особенно в районах водозаборов г. Санкт-Петербурга и в Невской губе Финского залива. В настоящее время проблема снижения качества воды в водных объектах, пожалуй, является основной экологической проблемой Петербургского региона. В связи с этим

оценка качества воды в р. Неве и ее притоках имеет особое практическое значение.

Во второй главе приводится описание объектов исследования.

Объектами исследования в работе являются р. Нева и ее притоки, протекающие по территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области.

В Неву впадет 26 небольших рек и речек, главнейшие из которых - левобережные реки Мга, Тосна, Ижора, Славянка и правобережная - река Охта. Все эти притоки по сравнению с Невой невелики и практически не оказывают влияния на ее водный режим.

В настоящее время река Нева является одной из наиболее изученных рек страны. Регулярные гидрологические и гидрохимические наблюдения на сети стационарных пунктов наблюдений на р. Неве и водных объектах Санкт-Петербурга и Ленинградской области выполняются Северо-Западным УГМС.

В работе используются данные наблюдений по гидрологическому и гидрохимическому режиму на 22 створах р. Невы и ее притоках за период с 1970 по 2003 год (рис. 1).

Исходные данные отличаются разной продолжительностью, дискретностью и полнотой: по разным створам в нашем распоряжении имеются данные ежеквартальных наблюдений до 1989,1992 или до 1998 года. Помимо этих данных, для всех створов имеются осредненные за год данные наблюдений по гидрохимическому режиму за период с 1995 по 2003 гг. В качестве концентраций в устье р. Невы рассчитаны средневзвешенные по расходу воды суммарные концентрации веществ в устьях рукавов Большая Нева, Большая Невка, Малая Невка и Малая Нева:

8 - се, *<г1+82*<з2+83*<2з+84*<г4) / (с^-кь-кь-кг«) (1),

где в], 32, Бз, и <31, <32, <2з, <2«, - соответственно средняя концентрация биогенного вещества и средний расход воды в устьях Большой Невы, Большой Невки, Малой Невки и Малой Невы.

Рис. 1. Карта-схема расположения объектов исследования

В диссертации рассматриваются следующие показатели биогенного загрязнения воды: биохимическое потребление кислорода БГГК5, концентрация растворенного кислорода 02, концентрации аммонийного, ннтритного, нитратного и общего азота, концентрации минерального, органического, общего и валового фосфора.

Биогенные вещества являются жизненно важными компонентами химического состава поверхностных вод, и их недостаток лимитирует (ограничивает) развитие водных организмов. В большей части водных систем такими лимитирующими элементами являются фосфор и, в меньшей степени, азот.

Однако, не только недостаток, но и повышенное содержание биогенных ве-I ществ в воде препятствует развитию высших водных организмов. Так, при увели-

чении содержания биогенов в воде повышается продуктивность водных экосистем, происходит ухудшение качества воды, а после достижения некоторых критических значений, начинается зарастание водного объекта. При этом снижаются возможности его использования живыми организмами и человеком, падают его эстетическая и хозяйственная ценность. Такое ускоренное, антропогенное эвтрофирование рассматривается как загрязнение среды.

Способность рек очищаться от биогенных веществ в первую очередь зависит от наличия в воде кислорода. В аэробных условиях происходит благоприятная в отношении качества воды трансформация: мочевина - аммиак - нитриты - нитраты. В анаэробных условиях процесс развивается в противоположном направлении: происходит трансформация нитратов в нитриты, и далее в аммиак. Поэтому одним из средств очищения сточных вод является создание условий для аэрации воды.

Необходимо отметить, что воды р. Невы характеризуются высоким содержанием растворенного кислорода во все гидрологические сезоны года. Благоприятный кислородный режим обусловлен хорошими условиями аэрации реки вследствие высоких скоростей течения и низкой температуры воды. Вместе с тем, в малых водотоках перегрузка органическими веществами сточных вод, может приводить к дефициту кислорода.

В третьей главе проводится анализ изученности загрязнения р. Невы и ее притоков биогенными веществами, приводится обзор литературных источников.

В течение довольно длительного времени изучение ресурсов поверхностных вод проводилось без должного учета их качества. Между тем, данные о химическом составе воды позволяют решать вопросы происхождения водных масс, стекающих по русловой сети, выявлять их взаимодействие с окружающей средой, решать вопросы управления качеством водной среды (Скахальский Б.Г., 1999).

Процессам загрязнения поверхностных водных объектов свойственны определенные закономерности: неравномерность загрязнения водных объектов на территории; периодически возникающие аварийные ситуации, сопровождающимися массовыми выбросами загрязняющих веществ в водные объекты; формирование устойчивых областей загрязнения, обусловленных постоянным поступлением в водные объекты промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод. ^

На водосборе р. Невы представлены все характерные типы как естественных, так и урбанизированных ландшафтов, точечные и распределенные источники загрязнения. Современное состояние большинства водных объектов Санкт-Петербурга является кризисным, находящимся в состоянии антропогенного экологического регресса (Скакальский Б.Г., 1999; Шелутко В.А. и др., 1999).

Нарушение гидрологического режима водных объектов тесно связано с застройкой и урбанизацией территории. В связи с этим важным вопросом является выделение фоновой (естественной) и антропогенной составляющих загрязнения водных объектов.

В зависимости от решаемой конкретной задачи различают следующие виды фоновых характеристик водного объекта: естественный фон, отражающий качество водных масс реки потока, гидрохимический режим которой выше рассматриваемого створа не нарушен деятельностью человека; измененный фон, характеризующий 1 измененные деятельностью человека условия формирования качества вод в пределах всего или части водосборного бассейна или же отражающий воздействия многочисленных неорганизованных сбросов сточных вод, находящихся выше рассматриваемого створа; условный фон, отражающий влияние на гидрохимический режим водотока всех видов антропогенного воздействия, в том числе и организованных сбросов сточных вод, находящихся выше расчетного створа, но не учитываемых специально в рассматриваемой конкретной задаче (Скакальский Б.Г., 2005).

В современных условиях антропогенный фактор играет основную роль в процессах формирования качества поверхностных вод, причем само понятие «качество» воды сегодня рассматривается с точки зрения ее пригодности для конкретного вида водопользования. Выделение антропогенной составляющей загрязнения водных объектов выполнялось рядом исследователей (Дмитриев В.В., 2000; Дмитриев В.В., Фрумин Г.Т., 2004; Фрумин Г.Т., 1998; Фрумин Г.Т. и др., 2000).

В настоящее время достаточно хорошо изучен вопрос поступления общего фосфора в Невскую губу со стоком реки Невы и ее рукавов по материалам наблюдений в устье реки Невы (Водные объекты ..., 2002). Однако не исследованы процессы формирования и трансформации биогенной нагрузки по длине р. Невы от истока, а также вклад притоков и влияние городской среды.

В недостаточной степени изучены экстремальные концентрации биогенных веществ в р. Неве и ее притоках, характеризующие пики антропогенного воздействия либо наступление неблагоприятных гидрометеорологических условий в бассейне рек,

В четвертой главе рассматриваются методы оценки и нормирования качества воды, используемые для решения поставленных в диссертации задач.

Количественные значения измеренных физических или химических параметров среды приобретают экологический смысл тогда, когда достоверно показано их влияние на конкретные биологические объекты. Существующий в настоящее время подход к оценке качества воды основан иа сопоставлении результатов определения химического состава, физических свойств, бактериологических характеристик воды и т.д. в отдельных точках водного объекта с соответствующими нормативными показателями

Оценка загрязненности рек биогенными веществами в работе производится по величине превышения пороговых концентраций этих веществ: предельно допустимых концентраций (ПДК).

Для получения обобщенных данных наблюдений, позволяющих оценить изменчивость загрязненности воды во времени и пространстве, широко используются статистические методы (Орлов В.Г., 1988; Скахальский Б.Г., 2005; Шелутко В.А., 1991; Шелутко В.А., Дмшриев В.В., 2003). В работе используются следующие оценки числовых характеристик состояния водных объектов: средние и экстре-

мальные значения концентрация биогенных веществ, средние квадратические отклонения, коэффициенты вариации и асимметрии рядов данных наблюдений; коэффициенты корреляции рядов данных. Кроме того, проводится выбор законов распределения по рядам исходных данных, статистическая проверка гипотез о внутрирядной и межрядной однородности рядов данных.

При исследовании изменений гидрохимических показателей по длине р. Невы и на ее притоках используются балансовые методы. Для уточнения возможных значений концентраций биогенных веществ и объемов стока биогенных веществ используется методика оценки экстремальных уровней химического загрязнения речной сети урбанизированной территории (Шелутко В.А., 2002).

В пятой главе приводятся результаты комплексной оценки степени загрязнения р. Невы и ее притоков биогенными веществами и изменения концентраций биогенных веществ в р. Неве и ее притоках во времени.

При анализе изменения степени загрязнения воды биогенными веществами во времени важно учитывать значения фонового (естественного) содержания рассматриваемых веществ. Однако действительный естественный (природный) фон загрязнений химическими веществами стока р. Невы и притоков неизвестен. Поэтому в работе в качестве фоновых содержаний биогенных веществ в речных водах территории Санкт-Петербургского региона были приняты следующие оценки средних годовых и максимальных значений показателей качества воды, определенные на основе натурных измерений в речной сети вне городской сети: нитраты 0,1 -0,3 мг/л, нитриты 0,004 - 0,005 мг/л, фосфаты 0,005 - 0,01 мг/л (Интегрированное управление..., 2001).

На основе анализа корреляционных связей и кластерного анализа в работе исследованы взаимосвязи между показателями, характеризующими биогенное загрязнение р. Невы и ее притоков: физико-химическими показателями (расходом воды, температурой воды, рН, БГОС5, концентрацией растворенного кислорода) и концентрациями биогенных веществ (концентрациями аммонийного, нитратного, нитритного, общего азота, концентрациями минерального, органического, общего и валового фосфора). Оказалось, что концентрации исследуемых биогенных веществ практически не зависят от расходов воды. Отсутствие тесной связи показателей биогенного загрязнения воды с расходом воды, по всей видимости, вызвано

рядом естественных и антропогенных факторов, в частности зарегулированностью стока р. Невы Ладожским озером.

Для оценки состояния загрязнения р. Невы и ее притоков выполнен расчет оценок числовых характеристик по рядам измеренных и рядам средних годовых концентраций биогенных веществ. В табл. 1 и 2 в качестве примера приведены результаты расчетов по рядам измеренных и средних годовых концентраций общего азота и общего фосфора. Результаты расчетов по рядам всех исследуемых биогенных веществ представлены в диссертации.

Средние концентрации биогенных веществ в притоках р. Невы в несколько раз выше, чем в самой реке Неве. Наиболее подвержены биогенному загрязнению притоки р. Невы, протекающие по территории Ленинградской области. Максимальные концентрации азота (особенно аммонийного) и фосфора зафиксированы в устьях рек Славянка, Ижора и Мга. Среди городских притоков подвержены особенно сильному биогенному загрязнению (в порядке снижения концентраций): Ох-та, Обводный канал, Карповка, Черная речка.

Среднегодовые и среднемноголетние концентрация аммонийного азота в р. Неве и некоторых городских притоках не превышают ПДК, в то время как в областных притоках превышения ПДК выявлены на протяжении практически всего периода исследований.

Средние за период исследований концентрации ипритного азота находятся в пределах ПДК. Однако, в отдельные годы в р. Неве ниже впадения рек Ижора, Славянка н Охта концентрации нитритного азота превышают ПДК. В притоках р. Невы превышение ПДК в 1,5 - 5,5 раз фиксируются на протяжении всего периода исследований, В некоторых створах (в порядке увеличения концентраций: р. Нева -ниже впадения рек Ижора и Славянка, устья рек Ижора и Славянка, устья рек Карповка, Охта, Обводный канал и Черная речка) концентрации нитритов достигают десятикратных превышений ПДК.

Превышения ПДК по нитритам и аммонийному азоту наиболее часто наблюдаются на участке Невы ниже впадения рек Славянки и Охты, а также в рукавах невской дельты.

Таблица 1. Числовые характеристики рядов средних годовых концентраций общего азота и общего фосфора

Река Азот общий Фосфор общий

среднее многолетнее, мг/л коэфф. вариации Cv коэфф. асимметрии Сэ среднее многолетнее, мг/л коэфф. вариации О коэфф. асимметрии Cs

р.Нева - г. Шлиссельбург 0,64 0,75 1,25 0,03 0,63 1,62

р.Нева - г. Кирове* 0,71 0,85 1,30 0,03 0,52 -0,90

р.Нева - ниже вп. р. Тосны 0,68 0,89 1,44 0,04 0,53 -0,83

р.Нева - ниже вп. р. Ижоры 0,97 0,74 1,29 0,10 0,73 0,76

р.Нева -г/п Новосаратовка 0,75 0,77 1,13 0,10 0,89 2,59

р.Нева - ниже вп. р. Охты 0,86 0,67 0,72 0,06 0,49 0,05

р.Нева - выше Литейного моста 0,59 0,66 1,33 0,03 0,41 -1,60

Устье р. Невы 0,61 0,64 1,60 0,03 0,74 1,09

р. Мга - п. Павлове 2,07 0,40 -0,08 0,63 0,58 0,42

р. Тосна - п. Усть-Тосна 0,97 0,70 0,95 0,08 0,76 1,64

р. Ижора - г. СПб 4,27 1,01 2,61 0,19 0,50 0,31

р. Славянка - г. СПб 6,19 1,55 3,38 0,06 0,64 1,07

р. Черная речка 1,40 0,98 3,70 0,03 0,43 0,67

р. Фонтанка 0,63 0,47 0,96 0,07 0,66 1,78

р. Ждановка 0,65 0,38 0,79 0,12 0,64 0,64

р. Карповка 1,75 0,58 1,36 0,04 0,55 0,62

р. Мойка 0,66 0,52 0,90 0,04 0,44 0,83

Обводный канал 1,65 0,87 1.75 0,12 0,37 0,38

р. Охта 2,28 0,64 1,53 0,66 0,43 -0,12

Таблица 2. Числовые характеристики рядов измеренных концентраций общего азота и общего фосфора

Река Азот общий Фосфор общий

по раду измеренных значений по ряду при исключении выбросов по раду измеренных значений по ряду при исключении выбросов

среднее многолетнее, мг/л коэфф. асимметрии С$ коэфф. вариации Су среднее многоле тнее, мг/л коэфф. асимметрии Са коэфф. вариации Су среднее многолетнее, мг/л коэфф. асимметрии С$ коэфф. вариации Су среднее многолетнее, мг/л коэфф. асимме трни Са коэфф. вариации Су

рЛева - г. Шлиссельбург 037 1,59 0,64 0,35 139 0,48 0,02 1,90 0,84

рЛева - г. Кировсж 0,38 230 0,65 0,36 1,09 0,52 0,04 1,27 0,86

рЛева - ниже вп. р.Тосаы 034 1.04 031 0,04 0,71 0,89

р.Нева - ниже »п. р.Ижоры 0.60 2^2 1.02 0,06 2 Л 1ДЗ 0,04 1.01 0,83

рЛева- гУп Новосариовка 0,41 3,54 0,97 039 2,41 0,80 0,12 4,30 1,48 0,10 1,52 0,96

р.Нева - ниже »п. р.Охты 0,54 1,97 0.82 0,05 0,80 0,72

рЛева- выше Лшейило моста 032 2,12 032 0,03 0,02 037

Устье р. Невы 0,40 4,18 0.62 036 0,8183 0,4036 0,03 ЗД1 1,46 0,02 0,86 0,49

р. Мга - п. Павлова 2,02 1.48 0,82 0,59 0,63 0,96

р. Тосва - п. Устъ-Тосва 0,71 236 0,93 0,09 1,42 0,68 0,07 -0,21 0,49

р. Ижора - г. ОТб 4,14 530 1,26 332 0,27 0,52 0,22 -0,84 039

р. Сдавши - г. СПб 5,94 3,95 1.67 433 2Д5 1,07 0,51 0,24 0,72

р. Карповка 1,94 1,25 0,64 0,21 0,84 0,55

р. Червах речка 1,45 4,56 131 1,06 1,40 0,62 0,09 1,76 0,73 0,08 0,88 0,61

р. Фонтанка 0,50 3.14 0,63 0,46 0,67 0,45 0,04 336 0,90 0,03 0,74 0,49

р. Ждано»*» 0,53 1,83 031 0.50 0,97 0,43 0,09 3.76 1,94 0,03 0,48 037

р. Мойка 033 338 0,75 0,46 0,17 0,45 0,06 1,86 1,09 0,04 1,27 0,77

Обводаый канал 1,70 2,77 1,24 13» 2,13 0,98 0,04 2,73 1,01 0,03 1.01 0,46

р. Оста 234 1,93 0,89 0,12 1,01 0,52

Средние многолетние концентрации нитратного азота составляют порядка 0,1 ПДК во всех исследуемых створах (ПДК - 9,0 мг/л). Несмотря на то, что превышения ПДК не происходит, зафиксированные значения концентраций, безусловно, выше концентраций, свойственных незагрязненным природным водам (0,1 - 0,3 мг/л). Повышение содержания нитратов указывает на увеличение «вторичного» загрязнения водного объекта.

Среднегодовые и среднемноголетвие концентрации минерального фосфора в р. Неве и ее притоках составляют десятые доли ПДК, за исключением устьев р. Мги и р. Славянки, где в отдельные годы наблюдаются 2-х и 3-х кратные превышения ПДК. Также повышенные концентрации минерального фосфора выявлены в р. Неве ниже впадения этих притоков. Значения концентраций минерального фосфора в р. Неве и притоках оцениваются сотыми и десятыми долями мг/л при фоновых значениях - 0,005 - 0,01 мг/л. Таким образом, можно говорить о существенном содержании минерального фосфора в водах исследуемых рек, что, возможно, связано с процессами смыва фосфора с сельскохозяйственных полей и выделения из донных отложений. Следует иметь ввиду, что малые водотоки, такие как Обводный канал, Черная речка, реки Фонтанка, Ждановка и другие характеризуются интенсивным заилением и загрязнением донных отложений.

Несмотря на существенные различия среднегодовых и среднемноголетних концентраций биогенных веществ в р. Неве и ее притоках, значения коэффициентов вариации и асимметрии исходных рядов приблизительно одинаковы для р. Невы и ее притоков. Значения коэффициентов вариации меняются в пределах 0,3 -3,0, и в общем показывают очень большую межгодовую изменчивость концентраций биогенных веществ. Следует также отметить, что коэффициенты вариации значений концентраций биогенных веществ в несколько раз (3-12) превышают коэффициенты вариации характеристик речного стока (расхода воды).

Значения коэффициентов асимметрии меняются по исходным рядам от 0,4 до 5,6, что указывает на возможность наличия в исходных рядах концентраций экстремальных значений, в несколько раз превышающих значения основной массы данных.

Для анализа динамики изменения концентраций биогенных веществ в р. Неве и ее притоках во времени в диссертации построены графики изменения средних

годовых концентраций биогенных веществ во времени. На рис. 2 в качестве примера приведен график изменения концентраций аммонийного азота во времени.

1970 1975

1980 1985

1990

1995

2000

—♦—Нева-Шлиссельбург устье р. Невы

-Ж— р.Нева-Новосаратовка -ПДК

Рис.2. Изменение концентраций аммонийного азота во времени.

Как следует из анализа этих трафиков, период с 1970 года по настоящее время можно разделить на два временных отрезка с различными условиями формирования загрязнения речного стока биогенными веществами: с 1970 по 1989 гг. и с 1990 по 2003 гг. Для подтверждения обоснованности выделения указанных периодов по каждому створу на р. Неве и ее притоках выполнена проверка межрядной однородности рядов данных за эти периоды времени. Анализ однородности произведен на основе проверки гипотезы о равенстве средних значений концентраций по двум указанным периодам с помощью критерия Стыодента.

Расчеты показали, что большинство исследуемых рядов неоднородны по среднему значению, причем значения концентраций большинства биогенных веществ во второй период превышают значения в первый период. Нельзя не отметить и наметившуюся, начиная с 1995 года, тенденцию увеличения загрязненности речного стока биогенными веществами.

Таким образом, статистически установлено разделение многолетних рядов концентраций на 2 - 3 периода. Установленному факту можно дать физическое объяснение.

Так, период с 1970 по 1989 год характеризуется проведением наиболее круп-

ных хозяйственных мероприятий, повлиявшим на качество поверхностных вод Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Начало 70-х годов является периодом интенсивного развития производства в городе и области и запуска крупных предприятий, использующих в своей деятельности водные объекты, на которых или вблизи которых они расположены. Пик негативного влияния пришелся на 1980 -1990 годы. В этот период осуществлялась два значимых мероприятия: реконструкция городской канализации и строительство комплекса по защите города от наводнений (КЗС). При этом в конце 80-х годов, по крайней мере в средних годовых концентрациях аммонийного азота, наметилась положительная тенденция, связанная с активными мерами по строительству и запуску водоохранных сооружений.

Период с 1990 по 2003 год характеризуется неустойчивым уровнем антропогенного воздействия. Так, начало периода характеризуется экономическим кризисом, сопровождающимся падением уровня производства и нестабильной работой промышленных предприятий, что должно было привести к резкому снижению уровня загрязнения. С другой стороны, в этот период снижается значение природоохранной деятельности предприятий, основной целью для которых становится только поддержание своей работоспособности и выпуск продукции с наименьшими экономическими затратами. В это время практически не осуществляются профилактические работы по поддержанию локальных очистных сооружений в технически исправном состоянии, и, тем более, не внедряются новые природоохранные технологии. С конца 90-х годов начинается восстановление хозяйственной деятельности. Однако, эта деятельность уже имеет другие масштабы. Если до кризиса ставка делалась на крупные производства тяжелой промышленности, то сейчас основной упор делается на предприятия по выпуску продукции народного потребления. При этом в структуре производства, наряду с небольшим числом крупных предприятий, преобладают мелкие и средние предприятия, работающие на базе и на площадях не действующих сегодня предприятий-гигантов. Все это большое количество мелких предприятий, которые не имеют желания, а также финансовой и технической возможности внедрять природоохранные технологии, оказывает едва ли не более существенное негативное воздействие на окружающую среду, чем крупные производства с отлаженной технологической схемой. Помимо этого, в настоящее время, при условии наращивания темпов производства, дает о себе знать

"вторичное" загрязнение, обусловленное естественной трансформацией веществ в водных объектах в период промышленного спада.

Следует отметить, что для некоторых малых рек, имеющих высокий уровень загрязнения биогенными веществами, характерна однородность биогенного состава в исследуемые периоды. То есть на состояние реки не оказывают существенного влияния изменения производственной деятельности в ее бассейне. Возможно, это объясняется тем, что при относительном снижении антропогенного давления сказывается вторичное загрязнение рек. К таким рекам в первую очередь относятся Обводный канал и Охта.

В шестой главе выполнена комплексная оценка изменений концентраций и стока биогенных веществ по длине реки Нева.

Анализ изменений загрязненности биогенными веществами стока воды по длине р. Невы, во-первых, представляет редкую возможность сопоставления стока биогенов в отдельных створах большой реки, когда время добегания между створами не превышает 3-5 часов и, следовательно, трансформация и изменения концентраций и расходов биогенов между створами не должны быть значительными. Во-вторых, подобный анализ позволяет оценить приращение стока биогенных веществ за счет поступления загрязнений с отдельных частей водосбора, в том числе и с территории Санкт-Петербурга, и сопоставить его с боковым притоком этих веществ, рассчитанным по данным наблюдений.

На рис. 3 в качестве примера приведены графики значений средних многолетних концентраций аммонийного азота, минерального и общего фосфора в пунктах наблюдений по длине р. Невы. Как следует из анализа этих и других графиков, представленных в диссертации, по длине р. Невы наблюдается четко выраженное повышение концентраций всех форм азота и фосфора от истока до створов ниже впадения рек Ижора, Славянка и Охта. Дальше, вниз по течению, до Литейного моста происходит уменьшение средних годовых концентраций на 30 - 40 %, а затем небольшое их увеличение, такое, что в устье реки Невы концентрация биогенных элементов лишь на 5 -10 % больше чем в истоке.

" 0,4 а) Аммонийный азот

5 о.з

о. £ 0,2

2 о,1

2 о,о

—среднеиноголетнее

—■—среднеиноголетнее при исключении выбросов

—пдк

в) Общий фосфор

—среднеиноголетнее

_-*-средиемноголетнее при исключении выбросов

Рис. 3. Изменение средних концентраций и средних концентраций при исключении выбросов биогенных веществ по длине р. Невы

Таким образом, наибольшие значения концентраций биогенных веществ в реке Нева наблюдаются при входе в Санкт-Петербург. Вниз по течению, в пределах городской черты, значения концентраций биогенных веществ резко уменьшаются, то есть большая часть накопленных ранее в воде биогенных веществ пропадает. Получается, что Санкт-Петербург не только не повышает загрязненность стока реки Нева биогенными веществами, но и оказывает на него очищающее влияние.

Полученный вывод, во-первых, противоречит современным представлениям об антропогенном влиянии на речной сток, а, во-вторых, не согласуется с данными о сбросах биогенных веществ предприятиями и о концентрациях биогенных веществ в стоке малых рек, впадающих в р. Неву в черте города. Для анализа этих противоречий в работе рассматривается уравнение баланса биогенных веществ по длине реки Нева и на ее отдельных участках:

V« = УК + Увп -Ур«, (2),

где V» и Ук - средний многолетний объем годового стока биогенных элементов соответственно через нижний и верхний створ рассматриваемого участка, У(П -средний многолетний объем бокового притока биогенных веществ за год на рассматриваемом участке, Удо - средний многолетний объем распада биогенных веществ в р. Неве.

Под боковым притоком биогенных веществ У6п в данном случае понимается весь приток биогенных веществ с областной У^ и городской \ггор территории бассейна, примыкающей к данному участку реки:

Убп - Уовл + У^ (3),

В общем случае боковой приток может быть определен как сумма трех составляющих:

Убп ~ У оброс ^ Удлва." У ост. (4),

где Усврос - объем сброса биогенных веществ со стоками предприятий, Ут№ - объем поверхностного стока биогенных веществ с территории бассейна с ливневыми и поливо-моечными водами, У^ - объем биогенных веществ, аккумулированный в

водотоках и водоемах на территории города и области. Определение указанных составляющих в настоящее время практически невозможно, что связано как с краткостью имеющихся рядов наблюдений, так и с неточностью учета этих составляющих и большой погрешностью их оценки. Поэтому для оценки Уеп в данном случае был использован другой способ, основанный на интегральном учете этих составляющих. С этой целью по всем притокам реки Невы, освещенным гидрохимическими и гидрометрическими наблюдениями, производится расчет средних многолетних значений стока биогенных элементов, находится средний объем стока с километра квадратного территории водосбора и находится средний взвешенный по территории модуль отдельно для городской и областной территории. Затем для определения бокового притока в пределах областной и городской территории найденные значения модуля стока биогенных веществ с единицы территории умножаются на соответствующие площади бассейна реки Невы.

Объем распада биогенных веществ Vp.cn. сложно определить, поскольку в водных объектах происходит непрерывный круговорот биогенных веществ, сопровождающийся значительными изменениями их концентраций. Однако, в данном случае, как отмечалось выше, время добегания воды р. Невы от д. Новосаратовки до устья составляет всего 2-3 часа и большой объем распада биогенных веществ в этих условиях невозможен (Скакальский Б.Г., 1999).

Результаты расчета объемов стока биогенных веществ по длине реки и их бокового притока представлены в табл. 3. Здесь же представлены средние за последние годы (1990 - 2003) объемы сброса биогенных веществ предприятиями Санкт-Петербурга, приведенные по данным материалов статистической отчетности предприятий 2ТП - водхоз (Экологическая обстановка..., 2004).

Из представленных данных следует, что объем стока биогенных веществ по длине р. Невы увеличивается от истока и достигает в районе д. Новосаратовка значений, превышающих значения в истоке реки в 1,4-20 раз. Особенно велико на этом участке приращение стока минерального фосфора (20-кратное). Ниже д. Новосаратовка к устью р. Невы происходит существенное уменьшение объема стока биогенных веществ (в 1,3 - 14,0 раз). Сравнив объемы стока биогенных веществ в истоке реки и в ее устье, видно, что приращение на этом участке Невы невелико и составляет от 2,0 % и лишь для некоторых веществ достигает 45 %.

Вещество Объем стока р. Невы Боковой приток Сбросы предприятий г.СПб

из Ладожского озера (исток р. Невы) в створе г/п Новосаратовка в Невскую губу (устье р. Невы) Областные притоки Городские притоки

Азот аммонийный 4940 6720 5040 1850 1270 6900

Азот нитритный 470 3100 680 80 50 255

Азот нитратный 18050 58500 19090 1380 510 4360

Фосфор минеральный 370 7500 540 210 100 -

Фосфор общий 1640 9950 1830 210 180 2300

Фосфор валовый 4190 15400 4990 610 400 -

Судя по представленным данным, несмотря на то, что площадь водосбора от истока до устья р. Невы составляет лишь 2 % от всей площади водосбора реки, вклад бокового притока в загрязнение стока биогенными веществами составляет до 80 % от количества биогенных веществ, поступающих из Ладожского озера. Так, боковой приток биогенных веществ с областной территории составляет следующие значения: по аммонийному азоту - 37 % от выноса из Ладожского озера (по данным в истоке р. Невы), по ипритному азоту - 17 %, по нитратному азоту - 8 %, по минеральному фосфору - 57 %; по общему фосфору 13 по валовому фосфору 15 %. Приращение стока биогенных веществ от истока до д. Новосаратовки увязано с данными об объеме бокового притока с областной территории, увеличение объема стока биогенных веществ на этом участке физически обосновано.

На втором участке ниже д. Новосаратовка до устья выявлено отрицательное приращение стока биогенных веществ. В то же время объем бокового притока с городской территории составляет до 18 % от объема стока веществ в створе г/п Новосаратовка. Кроме того, существенный вклад (от 8 % до 103 % от объема стока у д. Новосаратовка) дают сбросы предприятий. Данные об объеме сброса биогенных веществ со сточными водами предприятий свидетельствуют о том, что под их влиянием должно произойти существенное приращение объема стока биогенных веществ: до 140 % от объема стока в истоке р. Невы. Несмотря на это, объем стока биогенных веществ в устье Невы значительно меньше, чем в д. Новосаратовка, таким образом баланс стока биогенных веществ на втором участке не увязан и выяв-

ленное снижение объема стока веществ не обосновано физическими причинами.

Следует отметить, что рассчитанный сток нитратного азота и фосфатов через устье р. Невы незначительно превышает или находится в пределах фоновых значений стока этих веществ, установленных для рек Санкт-Петербургского региона (фоновые значения по нитратному азоту составляют 7-22 тыс. тонн/год, по фосфатам - 360 - 720 тонн/год) (Интегрированное управление..., 2001). Исключение составляет фактический среднегодовой сток нитритного азота, который превышает фоновый сток (300 - 360 тонн/год) примерно в 2 раза.

Наиболее вероятной причиной снижения концентраций биогенных веществ обычно являются процессы их естественной трансформации и использования в своей жизнедеятельности гидробионтами. Однако, в данном случае это вряд ли возможно, поскольку время, за которое вода проходит путь от д. Новосаратовки к устью не позволяет таким процессам реализоваться.

Другой возможной причиной могут являться возможные погрешности в методике определения концентраций. В частности, нами было сделано предположение о том, что в указанных створах зачастую фиксируются максимальные значения, приуроченные к прохождению экстремальных гидрометеорологических условий или к аварийным (залповым) сбросам сточных вод предприятиями. В связи с этим была предпринята попытка объяснить выявленные особенности на основе анализа экстремальных значений измеренных концентраций с помощью теории выбросов. Анализ производился путем определения закона распределения концентраций биогенных веществ по имеющимся рядам наблюдений. В качестве возможных законов распределения рассматривались наиболее широко распространенные в гидрометеорологии законы: нормальный закон распределения, закон распределения Пирсона Ш типа, логарифмически-нормальный закон, законы распределения Джонсона, Гамбела, Крицкого-Менкеля. Оценка согласия каждого из названных законов с эмпирическими данными производилась с помощью критерия согласия Смирнова-Колмогорова ту2. В результате анализа выяснилось, что наиболее подходящими в данном случае являются законы распределения Пирсона III типа и Джонсона.

Вместе с тем было выявлено, что в каждом ряду наблюдений имеются от 1 до 3 - б эмпирических точек, резко отклоняющихся вправо от теоретической кри-

вой обеспеченности. При этом крайняя справа из этих точек, имеющая минимальное значение из отскакивающих точек, в 2-3 раза превышала следующие за ней значения. Проверка этих отскакивающих точек по критерию Диксона (Джонсон и др., 1980) подтвердила вывод о внутренней неоднородности исходных рядов и позволила выделить рассматриваемые экстремальные значения как выбросы, т.е. как значения, не соответствующие закону распределения основного массива данных ряда наблюдений.

Таким образом, в каждом временном ряду концентраций биогенных веществ для каждого створа выделяются две группы данных наблюдений. Первая группа составляет подавляющее большинство наблюдений и определяет выбор закона распределения. Эта группа, по-видимому, отражает режим загрязнения речных вод в условиях регулярной работы предприятий в бассейне реки в нормальных погодных условиях.

Вторая группа данных представляет явное меньшинство наблюдений, не соответствующих закону распределения основной массы данных. Эти значения, по-видимому, отражают режим загрязнения речных вод при аварийных сбросах или в экстремальных погодных условиях.

Наибольшее количество выбросов характерно для рядов наблюдений за концентрациями нитритного азота (56 выбросов), валового фосфора (43 выброса), общего азота (41 выброс) и аммонийного азота (40 выбросов), т.е. содержание этих веществ наиболее подвержено колебаниям под антропогенным или природным воздействием.

Исключение выбросов из расчетов средних годовых и средних многолетних концентраций биогенных веществ позволило получить более объективные данные, существенно отличающиеся от ранее рассчитанных в сторону снижения (табл. 4).

Исходя из проведенного анализа, можно с достаточной степенью уверенности утверждать, что ряды наблюдений при исключении выбросов описывают процесс загрязнения речного стока при регулярном и постоянном антропогенном воздействии, когда все предприятия - водопользователи в бассейне рассматриваемой реки работают по заданному графику в нормальном режиме. При этом выбросы, скорее всего, отражают поступление загрязняющих веществ в каких-то экстремальных условиях, чаще всего связанных с аварийными сбросами предприятий или

стоком веществ с территории речного бассейна в экстремальных гидрометеорологических условиях (Шелутко В.А., 2002).

Таблица 4. Среднегодовой объем стока биогенных веществ в р. Неве за период 1990 -1998 гг. (тоннЛтщ)

Створ Объем стока Объем стока при исключении выбросов

Нева-Шлиссельбург Нева-Новосаратовка устье р. Невы Нева-Шлиссельбург Нева-Новоса-ратовка устье р. Невы

Азот аммонийный 4940 6720 5040 2100 6720 4720

Азот нитритный 470 3100 680 310 1430 500

Азот нитратный 18030 58310 19090 18010 52490 18840

Фосфор минеральный 370 7500 540 330 5820 540

Фосфор общий 1640 9950 1830 1520 8150 1570

Фосфор валовый 4190 15400 4990 3680 11460 3640

Исключение выбросов позволило в некоторой степени сгладить динамику объема стока биогенных веществ по длине р. Невы, несмотря на это, увеличение средних годовых концентраций и объемов стока веществ в среднем течении р. Невы (в створах ниже впадения р. Ижора, г/п Новосаратовка, ниже впадения р. Охта) остается достаточно существенным. Исключение экстремальных значений не привело к существенному увеличению приращения объемов стока ниже г/п Новосаратовка, или снижению объемов стока в этом створе.

Таким образом, учитывая баланс биогенных веществ по длине р. Невы, некоторое увеличение объемов стока биогенных веществ от истока до г/п Новосаратовка является физически обоснованным (за счет бокового притока и вклада предприятий). Однако здесь стоит обратить внимание на то, что это увеличение намного превышает боковой приток на этом участке. С другой стороны, сумма бокового притока и объема стока биогенных веществ в истоке р. Невы довольно хорошо совпадает с объемом стока биогенных веществ в устье реки.

На основании выше изложенного, ряд наблюдений у д. Новосаратовки, по-видимому, нуждается в дальнейшей проверке, необходимы дополнительные исследования, основанные на анализе исходных данных, с целью выявления причин резкого увеличения объема стока биогенных веществ у д. Новосаратовка и его снижения в устье.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в результате выполнения диссертационной работы.

1. Разработана система комплексной оценки и дан анализ изменений концентраций биогенных веществ в стоке р. Невы и ее притоков во времени. Показана согласованность изменений характеристик биогенного загрязнения с характеристиками антропогенной деятельности.

2. Разработана система комплексной оценки и дан анализ изменений концентраций биогенных веществ по длине р. Невы. В результате выяснилось, что начиная от устья и примерно до д. Новосаратовки происходит увеличение загрязнения стока р. Невы биогенными веществами за счет поступления бокового притока, а от д. Новосаратовки до устья происходит уменьшение концентраций биогенных элементов по неустановленной причине.

3. Разработан комплекс приемов оценки баланса биогенных веществ по длине р. Невы на основе учета бокового притока. Объем бокового притока биогенных веществ, поступающих по притокам в р. Неву, составляет порядка 60 % от объема стока биогенных веществ, поступающих из Ладожского озера; объем притока биогенных веществ за счет сбросов предприятий Санкт-Петербурга составляет до 140 %, что должно оказать существенное влияние на загрязнение стока р. Невы.

4. Показано, что ряды измеренных и средних годовых концентраций загрязняющих веществ в стоке р. Невы и ее притоках хорошо описываются законами распределения Пирсона Ш типа и в«, Джонсона.

5. Анализ максимальных значений концентраций биогенных веществ на основе теории выбросов позволил получить более объективные значения объемов стока биогенных веществ, существенно отличающихся от рассчитанных по всем исходным данным.

Публикации по теме диссертации

1. Оценка загрязнения малых рек Санкт-Петербурга биогенными веществами II Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон. Материалы международной конференции. 18-20 октября 2000. -СПб.: изд. РГТМУ, 2000.-е. 108. (в соавторстве с Гутниченко В.Г.)

2. Загрязнение малых рек Санкт-Петербурга биогенными веществами // Пя-

27

тая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Тезисы докладов. - СПб, декабрь 2000.-c.12.

3. Оценка загрязнения малых рек Санкт-Петербурга биогенными веществами // Итоговая сессия ученого совета РПГМУ. Материалы итоговой сессии. - СПб.: изД РГГМУ, 2001. (в соавторстве с Гутниченко В.Г.)

4. Исследование загрязнения малых рек Санкт-Петербурга биогенными веществами // Вопросы прикладной экологии. Сборник научных трудов. - СПб.: изд. РГТМУ, 2002.-c.30. (в соавторстве с Гутниченко В.Г.)

5. Оценка загрязнения малых рек Санкт-Петербурга биогенными веществами // Тезисы международной школы «Современные методы эколого-геохимической оценки состояния и изменений окружающей среды». - Новороссийск.: НИИ Геохимии биосферу РГУ, 2003. - с. 134.

6. Особенности загрязнения малых рек Санкт-Петербурга биогенными веществами // Итоговая сессия ученого совета РГГМУ. Материалы итоговой сессии. -СПб.: изд. РГГМУ, 2004.

7. Исследование состояния загрязнения малых рек биогенными веществами (на примере малых рек Санкт-Петербурга) II Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: Материалы семинаров политехнического симпозиума. Декабрь 2004 года. СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2004. - с. 19.

8. Загрязнение малых рек биогенными веществами в условиях техногенного влияния крупных городов (на примере малых рек Санкт-Петербурга и Ленинградской области) II Экология фундаментальная и прикладная: Проблемы урбанизации. Материалы Междунар. науч.-практ. конф., Екатеринбург, 3-4 февр. 2005 г. • Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2005. - с. 413.

9. Анализ загрязнения р. Невы и ее притоков биогенными веществами // Экология Санкт-Петербурга и его окрестностей. Материалы научной конференции, СПб., 2005. (в соавторстве с Шелутко В.А., Гутниченко В.Г.)

Подписано к печати 03 02 2006 Формат 60 х 84716 Тираж 70 экз Заказ № 068 ГП ИПК«Вести». 191311, Санкт-Петербург, ул Смольного,д. 3.

Я-oosft

35 0 в

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Торопова, Наталья Михайловна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЩАЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ И ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Физико-географическая характеристика района исследования.

1.1.1. Рельеф и геологическое строение.

1.1.2. Почвенный и растительный покров.

1.1.3. Климатические условия.

1.1.4. Характеристика гидрографической сети региона.

1.2. Хозяйственная освоенность района исследования и влияние антропогенной деятельности в районе на биогенное загрязнение рек.

1.2.1. Промышленность.

1.2.2. Коммунальное хозяйство.

1.2.3. Поверхностный сток с территории.

1.2.4. Агропромышленный комплекс.

2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Гидрологическая характеристика исследуемых водных объектов.

2.2. Анализ изученности гидрохимического режима малых рек.

2.3. Характеристика исследуемых гидрохимических показателей и их роль в водных экосистемах.

2.3.1. Водородный показатель рН, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода.

2.3.2. Различные формы азота.

2.3.3. Различные формы фосфора.

3. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ Р. НЕВЫ И ЕЕ ПРИТОКОВ БИОГЕННЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ).

4. ОЦЕНКА И НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОД.

4.1. Методы статистической обработки информации.

4.1.1. Числовые характеристики рядов наблюдений и классификация данных.

4.1.2. Законы распределения.

4.1.3. Статистическая проверка гипотез и оценка однородности информации.

4.2. Оценка качества поверхностных вод.

5. АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ В Р. НЕВЕ И ЕЕ ПРИТОКАХ ВО ВРЕМЕНИ.

5.1. Исследование взаимосвязи показателей биогенного загрязнения рек.

5.2. Анализ степени загрязнения р. Невы и ее притоков и динамики изменения концентраций биогенных веществ во времени.

5.2.1. Изменение среднегодовых значений рН, БПК5 и концентраций растворенного кислорода.

5.2.2. Изменение среднегодовых концентраций различных форм азота.

5.2.3. Изменение среднегодовых концентраций различных форм фосфора.

6. АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ И СТОКА БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ ПО ДЛИНЕ РЕКИ НЕВЫ.

6.1. Изменение средних концентраций биогенных веществ по длине р. Невы и в ее притоках.

6.2. Оценка экстремальных уровней загрязнения рек биогенными веществами.

6.2.1. Оценка уровней загрязнения рек по исходным рядам наблюдений.

6.2.2. Оценка концентраций биогенных веществ при исключении выбросов.

6.2.3. Оценка экстремальных значений выбросов биогенных веществ.

6.3. Вынос биогенных веществ со стоком р. Невы.

6.3.1. Анализ стока воды в р. Неве. 6.3.2. Анализ баланса биогенных веществ по длине р. Невы и ее притоков.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Комплексная оценка загрязнения стока реки Невы и ее притоков биогенными веществами"

В настоящее время проблема загрязнения и истощения водных ресурсов является одной из наиболее важных глобальных проблем в мире, поскольку гидросфера является естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ. Сегодня можно смело утверждать, что проблема обеспечения чистой водой касается каждого жителя нашей планеты. По данным ООН, не менее 100 стран мира сталкиваются с нехваткой пресной воды, а 31 государство стоит перед угрозой серьезного водного кризиса. Нашей стране водный голод, к счастью, пока не грозит, но вопросы качества питьевой воды стоят очень остро. В реки, озера, подземные источники за год попадают сотни тысяч тонн нефтепродуктов, нитратов, фосфора, металлов и других веществ. В целом по России до 20% проб воды не отвечают требованиям стандарта (Фрумин, 1998).

В течение довольно длительного времени изучение ресурсов поверхностных вод проводилось без должного учета их качества. Между тем, данные о химическом составе воды позволяют решать вопросы происхождения водных масс, стекающих по русловой сети, выявлять их взаимодействие с окружающей средой, решать вопросы управления качеством водной среды.

Одним из самых уязвимых компонентов водной среды являются пресноводные экосистемы. В настоящее время качество воды на большинстве речных и озерных водосборов формируется под совместным влиянием природных и антропогенных факторов.

Одной из причин интенсивного снижения качества воды природных объектов является рост антропогенного влияния и урбанизация. С каждым годом уровень урбанизации становится все выше, увеличивается население городов и занимаемая ими территория, вода все более широко используется в промышленности, сельском хозяйстве и быту. С ростом городов, развитием промышленности, активизацией сельского хозяйства давление человека на водные объекты все более усиливается.

Промышленные, хозяйственно-бытовые, сельскохозяйственные и другие сточные воды, сбрасываемые в водные объекты, вызывают в той или иной степени выраженные антропогенные изменения качества воды, нарушая тем самым экологическое равновесие. В местах поступления сточных вод образуются зоны загрязнения, где вследствие высоких концентраций загрязняющих веществ ограничивается или полностью прекращается водопользование и происходит деградация экосистем.

При решении вопросов качества природных вод необходимо особенно внимательно относится к изучению состояния малых рек. Малые реки формируют общие водные ресурсы, водный и гидрохимический режимы средних и крупных рек, определяют их экологическую специфику. Одна из особенностей малых рек - тесная связь формирования стока с ландшафтом бассейна, что создает необычайную уязвимость малых рек при хозяйственном освоении водосбора. Последние 40-50 лет наблюдается наиболее интенсивное вмешательство в жизнь малых рек, связанное с периодом активного техногенного развития в стране. Это приводит к резкому изменению естественного режима малых рек, к нарушению водного и химического баланса, а в некоторых случаях - к полному уничтожению малых рек.

В последние десятилетия одной из наиболее актуальных проблем при изучении качественных характеристик состояния водных ресурсов становится биогенное загрязнение водных объектов и их эвтрофирование. Биогенные вещества являются жизненно важными компонентами химического состава поверхностных вод, и их недостаток лимитирует (ограничивает) развитие водных организмов. В большей части водных систем такими лимитирующими элементами являются фосфор и, в меньшей степени, азот.

Однако, не только недостаток, но и повышенное содержание биогенов в воде препятствует развитию высших водных организмов. При увеличении содержания биогенов в воде повышается продуктивность водных экосистем, происходит снижение качества воды, а после достижения некоторых критических значений, начинается зарастание водного объекта. При этом снижаются возможности его использования живыми организмами и человеком, падают его эстетическая и хозяйственная ценность.

Целью настоящих исследований является комплексная оценка загрязнения стока р. Невы и ее притоков биогенными веществами, а также оценка объема биогенных веществ, поступающих по реке Нева в Невскую губу.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Оценка степени загрязнения р. Невы и ее притоков биогенными веществами.

2. Анализ динамики изменения степени загрязнения р. Невы и ее притоков биогенными веществами во времени.

3. Анализ баланса биогенных веществ по длине реки Нева и на ее притоках.

4. Оценка объема стока биогенных веществ по длине р. Невы.

5. Уточнение стока биогенных веществ за счет выделения экстремальных выбросов, связанных с аварийными ситуациями естественного и антропогенного происхождения.

Актуальность работы определяется необходимостью изучения гидрохимического режима речных вод в условиях перехода от естественного состояния речных водосборов к измененному в результате многокомпонентного антропогенного воздействия.

В качестве объектов исследования в работе выбраны р. Нева и ее притоки:

- пост в истоке реки Нева - р. Нева, г. Кировск (фоновый и контрольный створы);

- пост р. Нева г. Санкт-Петербург (шесть створов по длине реки от истока до устья);

- створы в рукавах дельты Невы (Большая Невка, Малая Нева, Малая Невка);

- четыре створа в устьях областных притоков (Мга, Тосна, Ижора, Славянка);

- семь створов в устьях городских притоков и каналов (реки Карповка, Черная речка, Фонтанка, Мойка, Ждановка, Обводный канал и Охта).

Река Нева и притоки не случайно выбраны в качестве объектов исследования. В дельте реки Невы, в месте ее впадения в Невскую губу Финского залива расположен крупный промышленный, транспортный узел - город Санкт-Петербург. Кроме этого, по своему течению река Нева принимает многочисленные притоки, протекающие по территории хозяйственно освоенной Ленинградской области.

Изобилие в регионе водных ресурсов высокого качества способствовало их нерачительному использованию на протяжении длительного периода. Вода природных объектов использовалась (и используется сегодня) в целях питьевого, коммунально-бытового и промышленного водоснабжения. Водная система «Ладожское озеро - Нева - Финский залив» служит важным транспортным путем для судов типа «река-море». Меньшие водотоки используются для внутреннего речного и маломерного флота. Большинство водных объектов имеет рыбохозяйственное значение, по крайней мере в местном масштабе. Велика рекреационная роль как крупных, так и малых водотоков региона. И, наконец, водные экосистемы принимают и в большой степени утилизируют бытовые и промышленные стоки города и области.

Таким образом, в настоящее время река Нева и притоки испытывают на себе существенную антропогенную нагрузку, интенсивность которой не имеет тенденции к снижению.

В связи с указанным выше значительный интерес представляет оценка состояния и изменений загрязнения р. Невы во времени, а также баланс и объем стока биогенных веществ по длине р. Невы в Невскую губу Финского залива.

Исходными материалами для исследования являются многолетние данные стационарных наблюдений за гидрохимическим режимом водных объектов, выполняемых Северо - Западным УГМС за период с 1970 по 2003 годы.

В качестве методов исследований используется широкий спектр статистических средств обработки информации и установления связей между гидрохимическими показателями. Проводится сопряженный анализ гидрохимического и водного режимов речных вод, используются балансовые методы анализа. Оценка качества воды выполняется по стандартным нормативным критериям качества воды (ПДК).

Достоверность содержащихся в диссертации оценок и результатов обеспечивается использованием в качестве информационной базы материалов государственной системы наблюдений за состоянием поверхностных вод, применением стандартных методов математико-статистической обработки данных наблюдений, использованием нормативных величин предельного содержания химических веществ в воде, установленных для основных видов водопользования на территории России.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Торопова, Наталья Михайловна, Санкт-Петербург

1. Алекин О.А. Основы гидрохимии. Отв. Ред. С В Бруевич. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1970.-444 с.

2. Алекии О.А. Эвтрофирование озер Водные ресурсы, 1979, 4, с.25-28.

3. Антонова В.И., Танюхина О.Н., Кудина Л.Н., Дубовская Л.В., Григорьева И.Г., Салмина З.А. Оценка экологического состояния водных объектов по «Критериям...» для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия// Критерии экологической безопасности. Материалы научнопрактической конференции 25-27 мая 1994 г. СПб.: Санкт-Петербургский научный центр РАН, 1994. с. 78-79.

4. Анцулевич А.Е., Флоринская Т.М. Экологические проблемы в Ленинградской области и пути их решения. Под ред. Проф. Чистобаева А.И. СПб.: Санкт-Петербург НЦ РАН, 1996. -112 с.

5. Вайновский П.А., Малинин В.Н. Методы обработки и анализа океанологической информации. Многомерный анализ. СПб.: Изд-во РГГМИ, 1992. 96с.

6. Владимиров A.M., Орлов В.Г., Сакович В.М.. Экологические аспекты использования и охраны водных ресурсов СПб: Изд. РГГМИ, 1997. 125 с.

7. Водные объекты Санкт-Петербурга/ под ред. д.ф.-м.н. А. Кондратьева и д.х.н. Г.Т.Фрумина. СПб., 2002.-348 с.

8. Вопросы прикладной экологии. Сборник научных трудов. СПб.: изд. РГГМУ, 2002. 111 с.

9. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фараонов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). Екатеринбург.: УИФ «Наука»., 1994.

10. Вуглинский B.C., Скакальский Б.Г., Гронская Т.П. Кадастр водных объектов Санкт-Петербурга: концепция и результаты 1-го этапа составления. Тезисы доклада на Всероссийской научной конференции 16-18 ноября 1999г. СПб.: изд. РГГМУ, 1999.-С.13-15. И. Гидрология устьевой области Невы./Под ред. С. Байдина. М.: 1965. 380 с.

11. Гладкий Ю.Н., Доброскок В.А., Семенов С П Экономическая география 134

12. Джонсон. Н., Лион Ф., Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. -М.: Мир, 1980.-510 с.

13. Дмитриев В.В. Эколого-географическая оценка состояния внутренних водоемов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук. СПб.: 2000. 52 с.

14. Дмитриев В.В. Диагностика и моделирование водных экосистем. СПб.: Изд. СПбГУ, 1995.

15. Дмитриев В.В., Огурцов А.Н., Третьяков В.Ю, Васильев В.А. Многокритериальная оценка экологического состояния и устойчивости геосистем на основе метода сводных показателей.// Вестник СПбГУ. Сер.7, 1999, вып.1 7).

16. Дмитриев В.В., Фрумин Г.Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем.- СПб., 2004. 294 с.

17. Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши. Том 1(29), ВЫН.2*, 5, 7, 23*.- Л., 1969 1998 гг.

18. Ежегодник качества поверхностных вод суши по гидрохимическим показателям на территории Ленинградской области за 1995 2003 годы. СанктПетербург, 1996 2004 гг.

19. Зенин А.А., Белоусова Н.В. Гидрохимический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.-238 с.

20. Знаменский В.А. Экологическая безопасность водной системы СанктПетербурга. СПб.: НИИ Химии СПбГУ, 2000. 120 с.

21. Иванова М.Б. Общие принципы и критерии оценки экологического состояния пресноводных экосистем// Критерии экологической безопасности. Материалы научно-практической конференции 25-27 мая 1994 г. СПб.: СанктПетербургский научный центр РАП, 1994. с. 86-87.

22. Интегрированное управление водными ресурсами Санкт-Петербурга и Ленинградской области опыт создания системы поддержки принятия решений. СПб.: Вогеу Print, 2001. 419 с.

23. Кондратьев К.Я., Бобылев Л.П., Григорьев А.А., Донченко В.К., Покровский О.М. Региональный экологический мониторинг и экологическая безопас135

24. Кондратьев А., Фрумин Г.Т., Сорокин И.Н., Тройская Т.П. Современное состояние водоемов Санкт-Петербурга.// Материалы симпозиума «Стратегия экологической безопасности Санкт-Петербурга с использованием опыта Пидерландов». 9-12 сентября, 1997 г.

25. Корте Ф., Бахадир М., Клайн В., Лай Я.П., Парлар Г., Шойнерт И. Экологическая химия: Пер. с нем./Под ред. Ф.Корте. М.: Мир, 1997. 396 с.

26. Максимова М.П. Критерии антропогенного эвтрофирования речного стока и расчет антропогенной составляющей биогенного стока рек.// Водные ресурсы, 1979, 1,с.62-67.

27. Материалы к отчету по водному кадастру малых рек Санкт-Петербурга лаборатории Государственного гидрологического института (рукопись), 1995-1997 гг.

28. Методические указания по расчету платы за неорганизованный сброс загрязняющих веществ в водные объекты. Утв. Председателем Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды В.И. ДаниловДанильян 29.12.98 г.

29. Нежиховский Р.А. Русловая сеть бассейна и процесс формирования стока воды. Л., Гидрометеоиздат, 1971. 476 с.

30. Орлов В.Г. и др. Контроль качества поверхностных вод. Л.: Изд. ЛПИ, 1988.-140 с.

31. Осипов ГГ.К. Комплексная оценка и управлепие потоками биогенных веществ в природно-аграрных систем (в связи с антропогенным эвтрофированием). Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук. СанктПетербург, 1994.

32. Основные направления деятельности администрации Санкт-Петербурга по оздоровлению экологической обстановки на 1996-2005 годы. Утв. постановлением Правительства Санкт-Петербурга «Об экологических проблемах СПб и о мерах, принимаемых для улучшения экологической обстановки в городе» от 10.08.95 г. №43. 136

33. Охрана окружающей среды, природопользование и обеснечение экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 2001 году./ Под ред. Д.А. Голубева, Н.Д. Сорокина. СПб.: Комитет по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности, 2002.

34. Очистка воды: технологии XXI века.//Рго-движение. Кондиционирование, вентиляция, отопление и водоснабжение. СПб.: ЗАО "Изд. Норма", март 2002 г.

36. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нащего обитания: В 4-х книгах. Кн.

37. Загрязнение воды и воздуха: Пер с англ. М.: Мир, 1995. 296 с.

38. Ресурсы поверхностных вод СССР. Гидрологическая изученность, т. 1-22. Л.: Гидрометеоиздат, 1961-65.

39. Ресурсы поверхностных вод СССР. Основные гидрологические характеристики. Л.: Гидрометеоиздат, 1961-78. 41. РД. Методические указания. Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям. РД 52.24.643-2002.

40. Руководство по химическому анализу поверхностных вод сущи /Под ред. А.Д.Семенова. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 541 с.

41. Румянцев В.А., Драбкова В.Г., Кондратьев А. Опыт изучепия водной системы «Ладожское озеро р.Пева Певская губа Восточная часть Финского залива» и особенности формирования ее экосистемы.// Материалы симпозиума «Стратегия экологической безопаспости Санкт-Петербурга с использованием опыта Нидерландов». 9-12 сентября, 1997 г.

42. Сергиенко Л.А. Растительные сообщества эстуария реки Луги под воздействием антропогенной нагрузки// Критерии экологической безонасности. Материалы научно-практической конференции 25-27 мая 1994 г. СПб.: Санкт137

43. Состояние Северо-Занадного и Северного регионов России /под ред. А.К. Фролова. СПб.: Наука, 1996. 370 с.

44. Торонова Н.М. Вонросы обращения с навозом и нометом в сельскохозяйственных предприятиях Ленинградской области// Охрана окружающей среды и «органическое» сельское хозяйство. Сборник докладов научно-производственного экологического семинара. Под ред. В.Н. Афанасьева. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2005.с.14-19.

45. Торопова Н.М. Вопросы обращения с навозом и пометом в сельскохозяйственных предприятиях Ленинградской области// Экология и сельскохозяйственная техника. Т.З. Экологические аспекты производства продукции животноводства и электротехнологий: Материалы 4-й научно-практической конференции. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2005.- с.24-30

46. Устойчивое развитие и Местная повестка дня на 21 век. Избранные документы и материалы/С.Г.Инге-Вечтомов, Т.М. Флоринская, В.В, Худолей, Г.Л. Егорова. СПб.: 2000.-252 с.

47. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение

48. Фрумин Г.Т., Баркан Л.В. Новый метод комплексной оценки загрязненности поверхностных вод.// Критерии экологической безопасности. Материалы научно-практической конференции 25-27 мая 1994г. СПб, Санкт-Петербургский научный центр РАН, 1994. -218с.

49. Фрумин Г.Т. Оценка состояния водных объектов и экологическое нормирование. С Петербург, 1998.

50. Фрумин Г.Т. Экологическая химия и экологическая токсикология. СПб.: изд. РГГМУ, 2000. 198 с.

51. Хендерсон-Селлерс Б., Маркленд Х.Р. Умирающие озера. Причины и контроль антропогенного эвтрофирования. Пер. с англ.- Л.: Гидрометеоиздат, 1990. -279 с.

52. Шелутко В.А. Оценка экстремальных уровней загрязнения речной сети урбанизированных территорий Вопросы прикладной экологии. Сборник научных трудов. СПб.: изд. РГГМУ, 2002. с. 15-23. 138

53. Шелутко В.А., Васильев В.А., Гутниченко В.Г. Экологические проблемы больших городов и промышленных зон. Тезисы доклада на Всероссийской научной конференнии 16-18 ноября 1999 г. СПб.: изд. РГГМУ, 1999. с. 70.

54. Шелутко В.А., Дмитриев В.В. Геоэкологические проблемы, мониторинг и оценка качества среды больших городов и промышленных зон. Геоэкологический мониторинг: теория и практика. Сбрник научных статей по материалам научно-практической конференции 2002 г. Под ред. д.г.н. В.В. Дмитриева, к.г.н. Шилова. СПб.: АССПИН., 2003. с. 31-48.

55. Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон. Материалы международной научной конференции 18-20 октября 2000 г. СПб.: изд. РГГМУ, 2000. 220 с.

56. Экологическая обстановка в Санкт-Петербурге и Ленинградской области (справочно-аналитический обзор).- Госкомитет по охране окружаюшей среды Санкт-Петербурга и Ленинградской области, 1997-2001 гг.

57. Экологическая обстановка в Санкт-Петербурге/ Под редакцией Д.А. Голубева, П.Д. Сорокина. Санкт-Петербург.: ФормаТ, 2004.-784 с илл.

58. Экологические проблемы Северо-Запада России и пути их решения. СПб., 1997-528 с.

59. Abstract of the First International Lake Ladoga Symposium, 1

60. Joensuu.: University of Joensuu, 1995.

61. Lehtoranta J., Pitkanen П. and Sandman O. Sediment accumulation of nutrients (N, P) in the eastern Gulf of Finland (Baltic Sea). Water, Air, and Soil Pollution 99, 1997.-pp.477-486.

62. Munn R.E. Environmental Impact Assessment In Developing Countries: Principles And Procedures. Toronto: Canada, Institute For Environmental Studies. Univ. of Toronto press, 1979. 112 p.

63. Pauli Haimi, R-S Wirkkala, K.Eloheimo Nitrogen and Phosphorus fluxes in the river Neva. Finnish Environment Institute. Final report. 1997. 31 p. 139