Известия Русского географического общества, 2022, T. 154, № 4, стр. 39-53

ВВЕДЕНИЕ

Актуальной проблемой крупных населенных пунктов является обеспечение экологической безопасности объектов питьевого и хозяйственного водоснабжения. Поверхностный сток с селитебных территорий оказывает негативное воздействие на качество природных вод приемного бассейна. Он формируется из талых, дождевых, поливомоечных и дренажных вод. Химический состав поверхностного стока сильно изменяется по территории города, поскольку его формирование происходит в разных функциональных зонах: промышленных, автотранспортных, строительных площадок, многоэтажных и малоэтажных жилых районов. Различные загрязняющие вещества, смываемые с этих районов города, служат источником токсичных веществ (нефтепродуктов, тяжелых металлов, СПАВ и др.) в принимающем водном объекте. В российских городах экологическому мониторингу поверхностного стока с урбанизированных территорий уделяется недостаточное внимание, что частично может быть объяснено отнесением поверхностного стока в ранее действующем законодательстве к условно-чистым водам, не требующим очистки перед сбросом в водоем. Это упущение исправлено в 2018 г. нормативным документом [16]. Ливневые канализации, по большей части построенные в советское время, имели одну цель – отведение поверхностного стока. В настоящее время развитие жилой застройки, промышленности и инфраструктуры не всегда сопровождается одновременным созданием ливневой канализации [17].

Петрозаводск – город с населением 280 тыс. чел., расположенный на юго-западном берегу Петрозаводской губы Онежского озера. Поверхностные стоки с его селитебной территории оказывают существенное влияние на экосистему губы и озера в целом [8, 15]. Малые реки – Лососинка и Неглинка, водосборы которых находятся на урбанизированной территории города, также подвержены антропогенному воздействию. Уровень и характер этого воздействия определяется функциональными особенностями прибрежных районов. Ливневый и дренажный сток города поступает по трубам без очистки в Петрозаводскую губу. Выявление особенностей химического состава речного, ливневого и дренажного стока в Петрозаводскую губу Онежского озера имеет важное экологическое значение для Республики Карелия.

Цель исследования – изучение химического состава речных и поверхностных сточных вод с селитебной территории города Петрозаводска, поступающих в Петрозаводскую губу Онежского озера.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Территория г. Петрозаводска (135 км²) располагается в юго-западной части Петрозаводской губы (площадь 72 км²) Онежского озера. Транспортировка поверхностных сточных вод по селитебной территории города осуществляется как по коллекторно-дренажной системе, так и открытым способом.

Сезонный отбор проб осуществлялся в апреле, мае, июле, октябре 2017 г. и марте 2018 г. в восьми коллекторно-дренажных выпусках, трех ручьях и двух реках, протекающих по территории города. Пробы воды в реках отбирались в верховье и устье (рис. 1). Описание станций отбора проб воды представлено в табл. 1.

Химический анализ проводился по показателям, отражающим особенности антропогенного воздействия на поверхностно-сточные и речные воды. При этом рассматривались следующие группы показателей:

1. Минерализация, электропроводность и ионный состав воды (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$, ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$, Cl^–).

2. Органическое вещество (ОВ): цветность, перманганатная окисляемость (ПО), химическое потребление кислорода (ХПК), биохимическое потребление кислорода за 5 суток (БПК₅).

3. Биогенные элементы: Р_общ, Р_мин, ${\text{NH}}_{4}^{ + }$, ${\text{NO}}_{2}^{ - }$, ${\text{NO}}_{3}^{ - }$, N_орг, Si, Fe, Mn.

4. рН воды, взвешенное вещество.

5. Загрязняющие вещества: нефтепродукты, тяжелые металлы (Cu, Zn, Pb, Cd).

Определение химического состава природных вод проводили в лаборатории гидрохимии и гидрогеологии Института водных проблем Севера КарНЦ РАН. При выполнении химических анализов использовались методы, описанные в [1]. Щелочность (Alk, мг${\text{HCO}}_{3}^{ - }$/л) определялась потенциометрическим методом с двухточечным титрованием до pH 4.5 и 4.2; Na⁺ и K⁺ – пламенно-фотометрическим методом; Ca²⁺ и Mg²⁺ – атомно-абсорбционным методом; ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ – фотометрическим методом с хлоридом бария и сульфоназо III; Cl^– – фотометрическим методом с тиоцинатом ртути и нитратом железа (III); ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ – фотометрическим индофенольным методом; ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ – восстановлением на кадмиевом редукторе и с последующим анализом нитритов с сульфаниламидом и N-(1-нафтил)-этилендиамина дигидрохлоридом; N_общ – персульфатным окислением в щелочной среде; Fe_общ – атомно-абсорбционным методом; Р_общ – персульфатным окислением и последующим анализом фосфора минерального; Р_мин – фотометрическим методом Морфи и Райли; нефтепродукты – экстракционно-хроматографическим ИК-спектрометрическим методом; Cu, Zn, Pb, Cd – атомно-абсорбционным методом; взвешенное вещество – гравиметрическим методом; Si – фотометрическим методом в виде желтой кремниймолибденовой гетерополикислоты.

Оценка загрязненности поверхностных сточных вод и рек, протекающих по селитебной территории, выполнена по РД 52.24.643-2002 [13]. В работе применялись ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения [12].

Объем выноса веществ с селитебной территории г. Петрозаводска определяли по их концентрации в воде и объему стока с этой территории. Объем стока с селитебной территории г. Петрозаводска был рассчитан для теплого и холодного периодов, с учетом застроенных, заасфальтированных и иных “запечатанных” площадей.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Поверхностные сточные воды (ПСВ). ПСВ, поступающие в прибрежные районы Петрозаводской губы, характеризуются высокой минерализацией. Солевой состав в ПСВ изменяется в течение года в широких пределах – от 264.7 до 1277.0 мг/л (в среднем 403.7 мг/л), и в 11 раз превышает минерализацию воды в губе (24.4 мг/л). На 10 станциях отбора проб стоков относительное снижение минерализации (%-экв.) летом по сравнению с весной выявлено в четырех случаях, повышение – в пяти случаях, отсутствие изменений – в одном случае. Понижение концентрации натрия и хлора летом по сравнению с весной наблюдается в 70% случаев, а повышение концентрации сульфатов – в 80% случаев. По-видимому, с одной стороны это обусловлено пылевидными выбросами цемента, с другой – выпадениями серной кислоты, связанным с преобладанием западного переноса воздушных масс со стороны индустриально развитых стран Западной Европы. Таким образом, “импорт” серы превышает “экспорт” и выпадение в результате собственных эмиссий [5, 10]. Зимой 2018 г. наблюдались частые оттепели и с талыми водами в ПСВ поступали химические реагенты, обогащенные хлористым натрием, понижающим обледенение дорожных покрытий города. Поэтому в этот сезон, по сравнению с осенью, наблюдается повышение концентрации натрия и хлора в ПСВ в 40% проб, а содержание сульфатов в 85% проб понижается (табл. 2).

Одновременное изменение концентрации ионов натрия и хлора указывает на антропогенное загрязнение ПСВ, связанное с хозяйственно-бытовой деятельностью.

Содержание органических веществ в ПСВ по косвенным показателям (ПО и ХПК) сравнительно невысокое для сточных вод и изменяется в течение года соответственно от 2.2 до 58.9 мгО/л (в среднем 13.6 мгО/л) и от 17.3 до 96.4 мгО/л (в среднем 42.4 мгО/л) (табл. 3). Среднегодовое значение БПК₅ по 11 выпускам ПСВ равнялось 5.28 мгО₂/л (2.5 ПДК для рыбохозяйственных водоемов) и составляло 40% от ПО и 8% от ХПК, что указывает на присутствие легкоокисляемых ОВ в ПСВ в течение всего года. Экстремальных значений отношение $\frac{{{\text{БП}}{{{\text{К}}}_{{\text{5}}}}}}{{{\text{ПО}}}}$ (101.5) достигает в коллекторно-ливневых водах центрального района города (станция 7).

На десяти станциях отбора проб ПСВ снижение концентрации ОВ по ПО и ХПК в летний период по сравнению с весенним выявлено в четырех случаях, повышение – в пяти случаях. Причем снижение содержания от весны к лету выражено более резко (от 30 до 55%, в среднем 39%), чем увеличение (от 2 до 54%, в среднем 24%). Увеличение концентрации ОВ по ПО и ХПК от осени к зиме было отмечено в 5 случаях (56%), уменьшение – в 3 (33%), отсутствие – в 1 (11%).

Среднегодовое содержание взвешенных веществ в ПСВ по 11-ти выпускам равняется 14.0 мг/л (см. табл. 3). Максимальные их концентрации (83.2 мг/л) определены на станции 8, минимальные – на станции 6 (3.9 мг/л). В речных водах наименьшие концентрации взвешенных веществ (0.7–1.3 мг/л) найдены в верховьях в зимний период, наибольшие – 12.3 и 70.0 мг/л в устьевых участках рек Лососинка и Неглинка соответственно.

В ПСВ отмечается высокая вариабельность содержания соединений фосфора и азота (табл. 4). Концентрация общего фосфора изменяется в течение года в широких пределах; среднее значение составляет 250 мкг/л. Максимум его концентрации приурочен к осеннему сезону (среднее за сезон – 453 мкг/л). Среднегодовое содержание общего фосфора в ПСВ в 10 раз превосходит его концентрации в водах губы (25 мкг/л). Содержание минерального фосфора высокое и составляет 60–98% от общего, что явно связано с хозяйственно-бытовыми источниками его поступления в ПСВ. Наиболее высокие концентрации Р_мин и Р_общ, равные 1678 и 2136 мкг/л, отмечены в ливневых выпусках в восточной части побережья губы (станция 8).

Преобладающей формой минеральных форм азота в ПСВ в течение года является нитратная, составляющая 0.2–6.51 мгN/л (в среднем 2.92 мгN/л). Среднегодовая концентрация аммонийного азота в 2 раза меньше нитратного. Концентрация N_орг в ПСВ изменяется от 0.01 до 1.58 мгN/л (в среднем 0.67 мгN/л); эта форма соединений азота не превалирует. Среднегодовая концентрация N_орг в 7 раз меньше, чем среднегодовая сумма минеральных соединений азота (табл. 4).

Источником литофильно-биогенных элементов (Fe, Si) в ПСВ служит в основном поступление их из трансформированных грунтов и горных пород городской территории.

Содержание общего железа в исследованных ПСВ в течение года изменялось от 0.1 до 18.9 мг/л. Его средняя за год концентрация составляла 2.3 мг/л, что в 12 раз выше таковой в водах губы. Содержание кремния во всех выпусках ПСВ находилось в пределах 2.8–6.9 мг/л (в среднем за год 4.8 мг/л). Средние концентрации его в водах губы в 2 раза ниже.

Ранее исследования содержания биогенных элементов в ПСВ были проведены весной 1993 г. и 2003 г. и для сравнения данных в табл. 5 приведены их средние значения по всем выпускам за указанные годы и весну 2017 г. Из таблицы видно, что содержание всех минеральных форм биогенных элементов увеличилось в 2017 г. в 2–4 раза по сравнению с 1993 и 2003 гг., т.е. антропогенная составляющая в ПСВ неуклонно возрастает.

Водосбор р. Неглинки (станция 12) отличается высокой заболоченностью (15%) [3]. Вода в верховье реки обогащена гумусовыми веществами (цветность 292 град.; ПО 44.1 мгО/л; pH 4.31) (см. табл. 3). При таких низких значениях pH в воде отсутствуют гидрокарбонаты, а превалирующим анионом являются сульфаты, катионом – H⁺. Такое необычное распределение связано в первую очередь с особенностью кислотно-основного равновесия поверхностных вод гумидной зоны. Такая специфика вод связана с наличием органических веществ, содержание которых сопоставимо с содержанием минеральных веществ, поэтому кислотно-основное равновесие в них обусловлено двумя системами: карбонатной и гумусовой; рН таких вод определяется содержанием их равновесных компонентов [6]. Кислотность поверхностных вод гумидной зоны обусловлена наличием свободных ионов H⁺, углекислого газа и слабых органических кислот, в первую очередь гумусовых [6]. Степень антропогенного воздействия на химический состав воды рек Лососинка (станции 14, 15) и Неглинка (станции 12, 13) возрастает от верховьев к устьям. В верховьях рек качество воды соответствует их природному состоянию. Следует особо подчеркнуть степень антропогенного воздействия на воды р. Неглинка. В верховьях р. Неглинки и Лососинки общая минерализация воды составляла 5.5 и 28.9 мг/л соответственно, в устье рек она возросла в первой в 46 раз, во второй – в 2 раза (см. табл. 2). Причем возрастание общей минерализации в воде р. Неглинка связано в первую очередь с увеличением содержания хлорида натрия, в особенности в период половодья. Также повышенное содержание хлоридов и сульфатов установлено в устье р. Неглинки, что, по-видимому, связано с интенсивным поступлением минеральных веществ с городской территории вместе с дождевыми и талыми водами. Кардинальное изменение формулы ионного состава воды (в %-экв, среднегодовое) реки Неглинка от верховья (1) к устью (2) служит яркой иллюстрацией антропогенного воздействия на химический состав воды реки:

Перераспределения доли главных катионов и анионов в ионном составе р. Лососинка не происходило, но незначительно повышаются доли Na⁺и Cl^–.

Содержание растворенного кислорода в р. Лососинка изменяется от 8.30 до 10.27 (73–89% насыщения). Концентрация растворенного кислорода и процент насыщения в р. Неглинка низкие летом в истоке (5.91 мг/л и 57% насыщения) и повышаются в замыкающем створе до 8.31 мг/л и 80% насыщения.

Вода в верховье рек, как ранее было отмечено, содержит большое количество аллохтонного ОВ природного происхождения. Так, средние величины цветности в р. Неглинка и р. Лососинка равны 292 и 156 град., ПО – 44.1 и 21.7 мгО/л, ХПК – 84.9 и 44.3 мгО/л, БПК₅ – 1.38 и 1.33 мгО₂/л соответственно. К устью показатели ОВ в воде р. Лососинка практически не изменяются, тогда как в р. Неглинка значения цветности, ПО и ХПК уменьшаются практически вдвое. При этом количество легкоокисляемого ОВ существенно возрастает – среднее значение БПК₅, отражающего лабильную часть ОВ, составляет здесь 5.66 мг О₂/л (см. табл. 3).

Низкое содержание минерального (5-15 мкг/л) и общего фосфора (10–35 мкг/л) характерно для природных вод Карелии и истоков изучаемых рек [5]. К устью среднегодовые концентрации Р_мин в воде р. Неглинка возрастают с 15 (верховье) до 99 мкг/л, а Р_общ – с 43 до 140 мкг/л (см. табл. 4). Доля Р_мин в составе Р_общ возрастает с 35 до 71%, что свидетельствует об антропогенном воздействии, вызванном поступлением хозяйственно-бытовых сточных вод с селитебной территории. Кроме того, на водосборной территории реки имеется ряд неорганизованных свалок бытового и хозяйственного мусора, а значительная часть водосбора реки находится на территории г. Петрозаводска [14]. Максимально высокое содержание общего фосфора (262 мкг/л) было выявлено в р. Неглинка в период осеннего паводка.

Среднегодовое содержание минеральных форм азота ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ и ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ в р. Неглинка возрастает по течению к устью соответственно с 0.10 до 1.80 мгN/л и с 0.09 до 0.66 мгN/л, тогда как в р. Лососинка концентрации ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ и ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ соответственно увеличиваются незначительно: с 0.08 до 0.25 мгN/л и с 0.04 до 0.09 мгN/л.

Загрязняющие вещества в ПСВ. Загрязняющие вещества (тяжелые металлы и нефтепродукты) поступают в ПСВ из несанкционированных свалок городских отходов, промышленных предприятий, автотранспорта, автозаправок. Эти загрязняющие вещества попадают в Петрозаводскую губу в больших количествах в периоды весеннего паводка и обильных дождей. Содержание нефтепродуктов было в пределах 0.01–7.54 мг/л. Максимальное их количество зафиксировано в центральной части города (станции 4, 5, 6). В воде всех выпусков содержание Cd (0.01–0.12 мкг/л) и Pb (0.3–4.3 мкг/л) было значительно ниже ПДК (табл. 6). Концентрация Zn варьировала в широких пределах (12.2–154.2 мкг/л), и в среднем составляла 67.4 мкг/л (6.7 ПДК). Максимальное содержание цинка определено в выпуске на станции 3, где протекают заводские стоки ДСК, малых предприятий и промышленной зоны “Петрозаводскмаш”, а также в выпуске на станции 6, стоки которого протекают через центр Петрозаводска. Кроме того, все исследованные ПСВ содержали повышенное количество Cu – от 4.3 до 95.4 мкг/л (в среднем 30 мкг/л, или 30 ПДК). Хочется отметить, что повышенное содержание Cu и Zn характерно для всего региона и, по всей видимости, помимо антропогенного воздействия, их содержание в ПСВ отражает и геохимические особенности территории [7, 9]. При поступлении в Петрозаводскую губу часть металлов, например Fe, будет связана с органическим веществом аллохтонного происхождения, а остальные элементы (Zn, Pb, Cd) будут находиться в ионных, то есть наиболее токсичных формах [11].

Из загрязняющих веществ в воде рек, протекающих по селитебной территории города, исследовались нефтепродукты и тяжелые металлы (Zn, Cu, Pb, Cd). Среднегодовые концентрации нефтепродуктов в верховьях рек Лососинка и Неглинка равны 0.08 мг/л, к устьям рек они возрастают до 0.17 (3.4 ПДК) и 0.52 мг/л (10.4 ПДК) соответственно. Среди тяжелых металлов превышение ПДК в устьевых участках рек отмечено для Zn (от 3 до 5 ПДК) и Cu (от 20 до 48 ПДК). Максимальные концентрации первого отмечены в р. Лососинка, а второго – в р. Неглинка (см. табл. 6).

Воды р. Лососинка на всем течении по КИЗВ (комплексный индекс загрязненности вод) и УКИЗВ (удельный комбинированный индекс, определяемый по частоте и кратности превышения ПДК) относятся к “слабо загрязненным” водам в истоке, а в замыкающем створе – к “загрязненным”. Вода р. Неглинка в устье по критерию УКИЗВ является “очень загрязненной” (табл. 7). В устье реки наблюдается изменение состава главных ионов, с преобладающим катионом натрия.

Характеристика водного стока с селитебной территории. К основным факторам, определяющим изменение водного баланса на урбанизированных территориях, можно отнести следующее:

− наличие участков водонепроницаемых грунтов;

− преобразование воздушных масс над городом, что сопровождается изменением температуры воздуха, осадков и испарения;

− изменение условий формирования подземных вод и режима их стока.

Определяющую роль в изменении годового стока с больших водосборов играют первые два фактора. В среднем за год на территорию г. Петрозаводска выпадает 620 мм атмосферных осадков [2]. Объем стока каждого из 11 обследованных выпусков ПСВ неизвестен, и они не охватывают всю урбанизированную территорию города, поэтому сток ПСВ с селитебной территории определяли водно-балансовым методом. Принималось, что изменение стока соответствует изменению испарения [8]. Для г. Петрозаводска было рассчитано испарение отдельно для теплого и холодного периода с учетом площади застроенных и заасфальтированных территорий [4]. Результаты расчета испарения с различных территорий представлены в табл. 8.

Значение стока с окружающей город территории, полученное при осреднении величин стока ближайших рек, составляет 350 мм. Водонепроницаемая территория города, составляющая около 16%, снижает испарение, следовательно, увеличивает сток на 38 мм. В таком случае слой стока с городской территории составляет 388 мм. Площадь селитебной территории города составляет 135 км², тогда объем стока с селитебной территории города будет равен: 135.0 × 388 × 10⁶ = 52 380 тыс. м³/год. Среднемноголетний расход воды р. Лососинки равен 3.21 м³/с, р. Неглинки – 0.48 м³/с. Исходя из сказанного выше, был определен вынос химических веществ с селитебной территории города с поверхностными водами и речным стоком (табл. 9).

Как видно из табл. 9, наибольшее влияние селитебной территории Петрозаводска отражается на минерализации ПСВ и речных вод. Вынос минеральных веществ с ПСВ в 9.5 раза выше, чем органических (по ХПК). Биогенный сток с селитебной территории невелик (Р_общ 13.1 т/год, N_общ 272.4 т/год). Однако бόльшая часть от Р_общ приходится на Р_мин – 72%, а от N_общ 56% приходится на ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ и 27% – на ${\text{NH}}_{4}^{ + }$. Доля N_орг небольшая – 13%, и совсем низкая доля ${\text{NO}}_{2}^{ - }$ – 4%. Такое распределение в стоке форм азота закономерно, поскольку дренажные ливневые воды с селитебной территории хорошо насыщены кислородом, и процесс нитрификации в них заканчивается образованием нитратов.

Основная доля в суммарном биогенном стоке (P, N, Fe, Si) в ПСВ приходится на N_общ (41%). Второе место занимает Si, затем идут Fe и Р. В речном биогенном стоке около половины его приходится на долю кремния. ПСВ и речные воды вносят в Онежское озеро значительное количество нефтепродуктов (около 28 т/год). Высокое количество Сu (5.1 т/год) вносится с речными водами, а Zn (3.5 т/год) – с ПСВ.

ВЫВОДЫ

Проведенный анализ химического состава ПСВ и речных вод, стекающих с селитебной территории города Петрозаводска, показал, что он подвержен значительной внутригодовой изменчивости и пространственно неоднороден. Выявлено, что наибольшие изменения претерпевает минеральный и биогенный состав вод, в особенности в период весеннего половодья, когда талые воды содержат максимальное количество натрия и хлора. В летний период повышается содержание сульфатов в ПСВ, что связано с их поступлением с атмосферными осадками. В осенний период в ПСВ содержание общего фосфора достигает максимальных величин (в среднем 453 мкг/л). Кроме того, по данным прошлых исследований (в весенний период 1993, 2003 и 2017 гг.) отмечается тенденция роста содержания биогенных веществ в 2–4 раза, что говорит о возрастании антропогенного воздействия на ПСВ.

Проведенные исследования химического состава ПСВ и речных вод позволили оценить их поступление в Петрозаводскую губу Онежского озера. Загрязнение ПСВ нефтепродуктами носит локальный характер. Оно максимально в промышленных зонах города. Речные воды в течение периода открытой воды имеют высокие концентрации нефтепродуктов. Река Лососинка, устьевые и предустьевые части которой расположены на территории бывшего тракторного завода, выносит в Петрозаводскую губу 17.2 т/год нефтепродуктов. Исследованные ПСВ и воды р. Неглинки относятся к классу “грязных” или “очень грязных”.

Химический состав ПСВ и речных вод отражает все негативные процессы хозяйственной деятельности на урбанизированной территории Петрозаводска. Изменение хозяйственной деятельности на селитебной территории сказывается на содержании основных химических компонентов в воде. Петрозаводская губа Онежского озера служит источником централизованного хозяйственного водоснабжения и объектом рекреационной и рыбохозяйственой деятельности, поэтому необходима организация систем очистки ПСВ с урбанизированной территории города и организация круглогодичного мониторинга за качеством ПСВ.

Статья подготовлена при финансовом обеспечении федерального бюджета на выполнение государственного задания КарНЦ РАН (ИВПС КарНЦ РАН). Исследования выполнены на научном оборудовании Центра коллективного пользования Федерального исследовательского центра “Карельский научный центр Российской академии наук”.