1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Водные ресурсы
  4. T. 50, № 2, 2023

Водные ресурсы, 2023, T. 50, № 2, стр. 203-217

Антропогенные изменения гидрохимического режима и качества воды городского водотока (на примере реки Лихоборки, Московский регион)

Т. Б. Фащевская a, *, А. Н. Словягина a, В. О. Полянин a, А. В. Алгушаева a

a Институт водных проблем РАН
119333 Москва, Россия

* E-mail: tf.ugatu@yandex.ru

Поступила в редакцию 01.06.2022
После доработки 23.09.2022
Принята к публикации 04.10.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приведены результаты гидрохимического мониторинга малой реки, протекающей в пределах урбанизированного водосбора г. Москвы. Выполнена вероятностная оценка соответствия качества речной воды нормативным требованиям и наступления случаев высоких уровней загрязнения реки (высокого и экстремально высокого загрязнения). Установлены особенности гидрохимического режима реки, отличающие городской водоток от природных водных объектов. Выполнена оценка репрезентативности данных наблюдений контролирующей качество речной воды организации и установлено, что временной шаг рядов измеряемых показателей качества недостаточен для того, чтобы полностью отражать их изменчивость. Низкая достоверность данных мониторинга контролирующей организации не позволяет объективно оценивать степень загрязнения водотока и эффективность проводимых водоохранных мероприятий.

Ключевые слова: малая река, урбанизированный водосбор, точечные и диффузные источники загрязнения, гидрохимический режим, вероятностная оценка качества воды.

Естественные сезонные колебания химического состава воды водотоков, определяемые комплексом физико-географических условий (гидрометеорологических и факторов подстилающей поверхности), в пределах урбанизированных водосборов меняются под влиянием хозяйственной деятельности человека. Изменение метеорологического режима над территорией городa и образование “острова тепла” [1, 12], ландшафтные преобразования и наличие участков водосбора с водонепроницаемым покрытием существенно влияют на характеристики гидрологического цикла и на формирование городского поверхностного стока [10, 30].

Поступление загрязняющих веществ от точечных и диффузных источников, сосредоточенных на городской территории, зачастую превышает потенциал самоочищающей способности рек [4, 6–8, 31]. Естественные речные русла в городских условиях трансформированы или заключены в коллекторы [2, 11]. Замена естественных русел спрямленными канализованными участками или подземными коллекторами приводит к уничтожению природных буферов на пути миграции загрязняющих веществ, поступающих в водотоки с поверхностным стоком [22, 27].

В результате интенсивного антропогенного воздействия на городские водотоки происходит прогрессирующее ухудшение качества воды, разрушается структурно-функциональная организация водных экосистем, снижается водохозяйственный и рекреационный потенциал рек, определяющиx социальную привлекательность территории проживания людей [3, 26]. Для определения и снижения негативных последствий влияния хозяйственной деятельности человека на городские водотоки решающее значение имеет система гидрохимического мониторинга. При этом возникает главный вопрос – об ее информативности и пригодности получаемых на ее основе данных для заявленных целей [14, 21, 28, 29, 32].

Цели данной работы – получение количественных оценок качества воды р. Лихоборки, выявление особенностей ее гидрохимического режима и факторов его формирования, анализ репрезентативности данных ведомственного мониторинга водотока. Река Лихоборка, как и другие малые реки в черте г. Москвы, почти утратила характерные для природных водных объектов черты. Эта река – приток р. Москвы 2-го порядка и протекает по территории Северного и Северо-Восточного административных округов г. Москвы (рис. 1). Река берет начало в районе г. Долгопрудного Московской области и до слияния с руч. Коровий враг называется р. Бусинкой [13]. Общая длина р. Лихоборки составляет 17 км, из которых 7 км заключены в коллектор. Оставшаяся часть представляет собой условно естественное русло, местами в виде открытых каналов с искусственно укрепленными берегами [23]. Площадь водосбора реки составляет 58 км2, средний расход воды ~0.5 м3/с [24].

Рис. 1.

Расположение р. Лихоборки и точек отбора проб воды на карте г. Москвы.

Исследуется верхняя половина водосбора р. Лихоборки, на которой расположены объекты, негативно влияющие как на экологическую обстановку города в целом, так и на качество речной воды. В верховье река протекает вдоль двух крупных полигонов ТБО Долгопрудненского и Левобережного. Далее река протекает по промзоне “Коровино”, в пределах которой в реку поступают сточные воды ТЭЦ-21, территории рыбного завода “Меридиан”, снегосплавного пункта на ул. Ижорской и др. Затем река на >3 км уходит в подземный коллектор, принимающий поверхностный и дренажный сток с промзоны “Автомоторная” (на которой расположены автобазы, склады, растворно-бетонные узлы), со строительных площадок, а также с территорий жилых районов Ховрино, Головинского и Левобережного. На своем пути река несколько раз пересекает крупные объекты городской транспортной инфраструктуры: автодорожную развязку МКАД (в районе 79 км) и Северо-Восточную хорду (СВХ), а также железнодорожные пути Октябрьской железной дороги.

ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Для исследования антропогенных изменений гидрохимического режима и качества воды р. Лихоборки использовались данные мониторинга, проведенного в период с июня 2020 г. по август 2021 г. в четырех точках, расположенных в верхнем и среднем течении реки (рис. 1). Ежедекадно в каждой точке с интервалом в полчаса отбиралось по две пробы воды. Всего за исследуемый период в каждой точке мониторинга отобрано свыше 80 проб воды. Описание местоположения точек мониторинга и объектов хозяйственной деятельности – источников загрязнения реки, расположенных в пределах частных водосборов, – приведено в табл. 1. Анализировались следующие физико-химические показатели качества воды: взвешенные вещества, нефтепродукты, хлориды, сульфаты, БПК5, ХПК, азот аммонийный, рН.

Таблица 1.  

Описание точек гидрохимического мониторинга р. Лихоборки

Точка
мониторинга 		Название и местоположение
точки мониторинга
(соответственно рис. 1) 		Краткая характеристика водосбора
и объектов хозяйственной деятельности – источников загрязнения реки
1 р. Бусинка, МКАД 79 км
(внешняя сторона);
расстояние от истока реки
до точки 1–2.37 км 		Исток реки в лесопарке в северной части г. Долгопрудного; протекает вдоль двух полигонов ТБО – Долгопрудненского и Левобережного; вытекает из двух перепускных труб под автодорожной развязкой с внешней стороны МКАД
2 р. Лихоборка, Зеленоградская, 23; расстояние от истока реки
до точки 2–5.04 км 		В пределах частного водосбора река пересекает МКАД, принимает сбросную воду с ТЭЦ-21, сток с рыбзавода “Меридиан”, ССП “Ижорский”, со строительных площадок, авторемонтных мастерских и др.; сливается с ручьем Коровий враг, оба водных объекта протекают по промзоне “Коровино”; вытекает из перепускной трубы после железнодорожных путей
3 р. Лихоборка, Лихоборская набережная, 5 (левый водовыпуск);
расстояние от истока реки
до точки 3–8.17 км 		В пределах частного водосбора расположены промзона “Автомоторная”, строительные площадки, жилые районы Ховрино и Головинский (частично), проходит СВХ; выходит из коллектора через двойной оголовок (левая труба)
4 р. Лихоборка, Лихоборская набережная, 5 (правый водовыпуск); расстояние от истока реки до точки 4–8.17 км В пределах частного водосбора расположены промзона “Автомоторная”, строительные площадки, жилые районы Головинский (частично) и Левобережный; выходит из коллектора через двойной оголовок (правая труба)

В процессе отбора проб воды неоднократно фиксировались случаи несанкционированных залповых сбросов в реку сточных вод неустановленного происхождения, содержащих опасные для гидробионтов загрязняющие вещества. На рис. 2 приведены примеры загрязнения реки химическими веществами, приведшими к гибели рыб.

Рис. 2.

Загрязнение р. Лихоборки в результате несанкционированных залповых сбросов сточных вод: а – 22.06.2020 сброс нефтепродуктов через правый водовыпуск (точка 4) и взвешенных веществ через левый водовыпуск (точка 3); б – 18.05.2021 сброс взвешенных веществ и слизи с запахом гниения (точка 2); в – 29.03.2021 сброс через левый водовыпуск (точка 3) белой жидкости с резким химическим запахом; г – 22.10.2020, д – 11.11.2020 сброс оранжевой/лиловой жидкости с запахом растворителя через водовыпуск новой сети ливневой канализации СВХ в р. Лихоборку, Лихоборская наб. д. 15.

Для оценки репрезентативности существующего мониторинга р. Лихоборки использовались данные ведомственного мониторинга ГУП “Мосводосток” по качеству речной воды в точке, расположенной в месте выхода реки из подземного коллектора через двойной оголовок по адресу: Лихоборская набережная, д. 5. Места отбора проб воды контролирующей организацией совпадают с точками 3 и 4 мониторинга, проведенного в рамках данного исследования. Всего за исследуемый период ГУП “Мосводосток” отобрано 6 проб воды (ежеквартально).

ВНУТРИГОДОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И КАЧЕСТВА РЕЧНОЙ ВОДЫ

Результаты проведенного мониторинга показывают, что значения исследуемых показателей качества воды р. Лихоборки характеризуются большой временнóй изменчивостью и могут значительно различаться как в пробах воды, отобранных с интервалом в полчаса (изменения при парном отборе проб), так и в пробах воды, отобранных в различные сезоны года (сезонные изменения) (рис. 3–5). Анализ приведенных на рис. 3–5 графиков позволяет выделить несколько типов внутригодовой динамики показателей качества воды, отражающих характер поступления загрязняющих веществ с водосборной территории.

Рис. 3.

Внутригодовые изменения показателей качества воды р. Лихоборки в точке мониторинга 3: средние значения (сплошная линия) и диапазон концентраций загрязняющих веществ, измеренных с интервалом в полчаса (заштрихованная область между штриховыми линиями).

Рис. 4.

Внутригодовые изменения содержания в воде р. Лихоборки сульфатов: средние значения (сплошная линия), диапазон концентраций, измеренных с интервалом в полчаса (заштрихованная область между штриховыми линиями). Точки: а – 1, б – 2, в – 3, г – 4.

Рис. 5.

Внутригодовые изменения содержания в воде р. Лихоборки нефтепродуктов: средние значения (сплошная линия), диапазон концентраций, измеренных с интервалом в полчаса (заштрихованная область между штриховыми линиями). Точки: а – 1, б – 2, в – 3, г – 4.

Поступление в воду взвешенных, органических веществ и нефтепродуктов часто имеет залповый характер, что выражается в резком увеличении их содержания в речной воде (рис. 3, 5б–5г). Например, на рис. 3 видно, что несанкционированный сброс 29.03.2021 белой жидкости с сильным химическим запахом (фотография загрязнения реки на рис. 2в) привел к значительному росту содержания в речной воде органических веществ, оцениваемых по показателям БПК5 и ХПК.

Концентрации загрязняющих веществ в городском водотоке также могут существенно увеличиваться в определенные периоды года, например во время снеготаяния или выпадения дождей. В эти периоды происходит вымывание с поверхности или из почвенно-грунтовой толщи водосбора значительного количества накопленных за сухой период загрязняющих веществ, поступление которых в речную сеть может приводить к высокому уровню загрязнения речной воды. Например, такая динамика концентраций загрязняющих веществ характерна для взвешенных веществ и хлоридов (рис. 3), нефтепродуктов в точках 2–4 (рис. 5б–5г).

В других случаях концентрации загрязняющих веществ в речной воде могут варьировать в сравнительно нешироком диапазоне относительно среднегодовых концентраций без заметных трендов и связи с сезонами года. Такое изменение концентраций характерно для азота аммонийного и рН (рис. 3), сульфатов (рис. 4), иногда – нефтепродуктов (рис. 5а) и взвешенных веществ (в точке 1).

Изменения химического состава речной воды при парном отборе проб

Сравнительный анализ концентраций загрязняющих веществ в пробах воды, отобранных с интервалом в полчаса, показывает, что разница между ними может достигать значительных величин. Нефтепродукты характеризуются наибольшей получасовой разницей концентраций, диапазон изменения которой в точке мониторинга 4 достигает 36 раз. Меньшей разницей характеризуются: хлориды – 5–21 раз, взвешенные вещества – 5–13, БПК5 – 3–15, сульфаты – 2–12, азот аммонийный – 3–7 и ХПК – 2–4 раза. Все случаи наибольшей получасовой разницы концентраций загрязняющих веществ наблюдаются в точках мониторинга 3 и 4 и, как правило, связаны с залповым поступлением в реку сточных вод. pH характеризуется наименьшей разницей измеренных с интервалом в полчаса концентраций (≤10%).

Сезонные изменения химического состава и качества речной воды

Для выявления закономерностей сезонных изменений химического состава воды р. Лихоборки определены диапазоны варьирования и рассчитаны средние значения показателей качества воды в различные фазы водного режима. Для естественных водотоков, протекающих в аналогичных физико-географических условиях, характерны следующие фазы водного режима: половодье (апрель, май), летне-осенний период (июнь–ноябрь) и зимняя межень (декабрь–март). Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2.  

Результаты определения значений показателей качества воды р. Лихоборки

Точки
мониторинга 		Диапазон
измеренных значений 		Среднегодовое значение Среднее значение за фазу водного режима
половодье летне-осенний период зимняя межень
Взвешенные вещества, мг/л
1 6.4–242 47.0 30.9 46.7 55.4
2 5.2–624 50.2 82.5 21.2 92.1
3 5.6–611 51.1 70.3 29.5 84.9
4 3.0–782 46.3 66.1 26.0 77.1
Нефтепродукты, мг/л
1 0.16–2.52 0.59 0.39 0.54 0.78
2 0.12–12.9 0.64 0.65 0.34 1.23
3 0.12–33.8 1.75 0.90 1.25 3.17
4 0.09–17.2 0.79 1.00 0.40 1.48
Хлориды, мг/л
1 93.0–1232 250 228 160 434
2 24.3–3215 302 168 140 693
3 32.0–2928 305 187 190 596
4 31.3–2249 300 239 233 465
Сульфаты, мг/л
1 20.7–121 48.3 53.4 46.4 49.2
2 5.65–134 44.3 52.9 38.2 52.2
3 18.3–75.6 45.0 59.5 40.9 45.7
4 18.1–92.4 48.3 62.6 44.9 47.9
БПК5, мгО2/л
1 3.12–61.6 16.7 8.69 12.0 29.6
2 3.08–97.0 8.91 16.0 5.52 12.2
3 2.81–180 12.7 14.3 8.00 21.3
4 2.36–53.0 6.40 10.8 4.78 7.45
ХПК, мгО/л
1 30.3–340 100 61.8 92.5 133
2 21.4–337 51.3 66.8 47.0 52.1
3 22.1–1782 87.0 65.9 49.8 172
4 21.1–144 43.5 50.2 43.8 39.5
Азот аммонийный, мг/л
1 2.53–38.6 13.7 7.28 13.7 17.1
2 0.45–12.4 2.05 3.00 1.76 2.16
3 0.46–8.43 1.84 2.52 1.53 2.13
4 0.26–5.99 1.67 2.35 1.51 1.65
рН
1 6.9–8.1 7.5 7.6 7.6 7.4
2 7.5–8.9 8.1 8.0 8.1 8.1
3 7.5–9.3 8.1 7.9 8.0 8.2
4 7.4–8.4 7.9 7.8 7.9 8.0

Оценка качества речной воды выполнена путем сравнения данных мониторинга с ПДК загрязняющих веществ, установленными для водных объектов рыбохозяйственного (ПДКрх) и культурно-бытового (ПДКкб) водопользования (табл. 3) [16, 17]. Определены вероятности превышения ПДК и наступления случаев высокого загрязнения (ВЗ) и экстремально высокого загрязнения (ЭВЗ) речных вод (табл. 3) [18, 19]. Для этого построены 32 эмпирические кривые обеспеченности измеренных значений показателей качества воды (в каждой из четырех точек мониторинга 8 показателей). В работах [8, 25] описана методика построения кривых обеспеченности и приведены результаты подобных исследований. Для примера на рис. 6 показана схема определения искомых значений, а в табл. 4 приведены его результаты.

Таблица 3.  

ПДКрх, ПДКкб, ВЗ и ЭВЗ показателей качества воды р. Лихоборки

Показатель качества Критерии качества и уровней загрязнения воды
ПДКрх ПДКкб ВЗ ЭВЗ
Взвешенные вещества, мг/л 10.75 11.25 107.5 537.5
Нефтепродукты, мг/л 0.05 0.3 1.5 2.5
Хлориды, мг/л 300 350 3000 15 000
Сульфаты, мг/л 100 500 1000 5000
БПК5, мгО2/л 2.1 4 10 40
ХПК, мгО/л 15 30 150 750
Азот аммонийный, мг/л 0.4 1.5 4 20
Рис. 6.

Пример определения вероятностей превышения ПДКрх, ПДКкб, уровней ВЗ и ЭВЗ по кривой обеспеченности концентрации азота аммонийного в воде р. Лихоборки в точке мониторинга 1.

Таблица 4.  

Вероятности превышения ПДКрх, ПДКкб, ВЗ и ЭВЗ в воде р. Лихоборки, %

Точки
мониторинга 		Вероятность достижения и превышения уровня
ПДКрх ПДКкб ВЗ ЭВЗ ПДКрх ПДКкб ВЗ ЭВЗ
Взвешенные вещества БПК5
1 91 91          8 <0.1 99.9 95 56 6.5
2 90 85          6 0.2 99.9 60 10 0.2
3 90 85          5 <0.1 99.9 55 13 2.5
4 90 85 2.5 0.2 99.9 50 9 0.3
Нефтепродукты ХПК
1 99.9 82 1.4 <0.1 99.9 98 12 –
2 99.9 46 3.5          1 99.9 80           2.5 –
3 99.9 56        14          7 99.9 80 8 0.6
4 99.9 50          6 2.5 99.9 60 1 –
Хлориды Азот аммонийный
1 15 10 – – 99.9          99.9 91        21
2 22 19 0.4 – 99.9 52 9 –
3 26 22 0.1 – 99.9 50 8 –
4 20 16 – – 99.1 44          4.2 –

На основе проведенного анализа результатов мониторинга установлено, что концентрации взвешенных веществ в речной воде варьируют в течение года в диапазоне 3.0–782 мг/л, что соответственно составляет 0.3–73.0 ПДКрх. Вероятность превышения ПДК в разных точках мониторинга достигает 85–91% (табл. 4). Вниз по течению реки диапазон измеренных концентраций взвешенных веществ становится шире, а вероятность превышения уровня ВЗ снижается от 8 (в точке 1) до 2.5% (в точке 4).

Внутригодовое изменение содержания взвешенных веществ в естественных водотоках характеризуется его увеличением в половодье и уменьшением в зимний период [25]. В р. Лихоборке наибольшие концентрации взвешенных веществ отмечаются в зимний период (табл. 3), наименьшие – в летне-осенний период (точки 2–4) и половодье (точка 1). Такое изменение внутригодового содержания взвешенных веществ в водотоке связано с особенностями формирования его гидрохимического режима на урбанизированном водосборе. Максимальные концентрации взвешенных веществ в точках 2–4 отмечаются в марте – последнем месяце, предшествующем половодью в водотоках, протекающих в естественных условиях. В условиях отепляющего действия городской среды и покрытия части водосборной территории водонепроницаемым покрытием (асфальтом) снеготаяние, по-видимому, происходит на месяц раньше и интенсивнее, чем в естественных условиях.

Измеренные концентрации нефтепродуктов в речной воде стабильно превышают ПДКрх и варьируют в диапазоне 0.09–33.8 мг/л, что соответственно составляет 1.8–676 ПДКрх. Вероятность превышения ПДКкб в разных точках проведения мониторинга варьирует в диапазоне 46–82%, уровня ВЗ – в диапазоне 1.4–14.0%. Вероятность экстремально высокого загрязнения р. Лихоборки нефтепродуктами достигает 7% в точке 3 (табл. 4). Наибольшие средние (за фазу водного режима) концентрации нефтепродуктов в речной воде отмечаются в зимнюю межень, наименьшие – в половодье (точки 1, 3) или в летне-осенний период (точки 2, 4). При этом максимальные суточные концентрации нефтепродуктов во всех точках мониторинга наблюдаются в марте.

В работе [15] показано, что значительное количество нефтепродуктов поступает в городской водоток в сорбированном на взвешенных органических и минеральных частицах виде, или же сами нефтепродукты представляют собой мелкодисперсные взвешенные частицы, являющиеся результатом разрушения асфальтобетонных дорожных покрытий и продуктов истирания автомобильных шин. Поэтому между содержаниями в воде р. Лихоборки нефтепродуктов и взвешенных веществ установлены корреляционные зависимости, характеризующиеся значениями коэффициента корреляции R в диапазоне 0.43–0.96 (рис. 7).

Рис. 7.

Графики связи между содержанием нефтепродуктов и содержанием взвешенных веществ в воде р. Лихоборки в точках мониторинга: а – 1 (R = 0.43); б – 4 (R = 0.96).

Концентрации главных ионов (хлоридов и сульфатов) в р. Лихоборке варьируют в течение года в очень широком диапазоне: хлоридов – от 24.3 до 3215 мг/л, сульфатов – от 5.65 до 134 мг/л. Такое значительное (в десятки и сотню раз) изменение внутригодового содержания в речной воде главных ионов не характерно для водотоков, протекающих в естественных условиях. С вероятностью 10–26% содержание хлоридов в разных точках мониторинга превышает ПДКрх и ПДКкб, с вероятностью 0.2–0.4% содержание сульфатов превышает ПДКрх.

В естественных водотоках со снеговым типом питания внутригодовое изменение содержания главных ионов характеризуется их увеличением в зимний период и уменьшением в период половодья. В количественном соотношении в течение года сульфаты преобладают над хлоридами. В р. Лихоборке наибольшие концентрации хлоридов отмечаются в зимнюю межень (табл. 2), максимальные – в феврале или марте (рис. 8). Минимальные концентрации хлоридов наблюдаются в летне-осенний период (точки 1, 2, 4) или в половодье (точка 3). Наибольшие концентрации в речной воде сульфатов отмечаются во всех точках мониторинга в половодье, минимальные – в летне-осенний период. Среднемесячное содержание хлоридных ионов в разных точках мониторинга превышает содержание сульфатных ионов в 1.2–28 раз (рис. 8).

Рис. 8.

Внутригодовые изменения содержания хлоридов и сульфатов в воде р. Лихоборки в точках мониторинга: а – 1, б – 2, в – 3, г – 4.

Такое соотношение концентраций хлоридов и сульфатов в речной воде не характерно для естественных водотоков и, по-видимому, это результат многолетнего воздействия на ее химический состав противогололедных реагентов, основные компоненты которых – хлориды кальция, натрия и калия [20 ] . Об этом также свидетельствует периодическое увеличение содержания хлоридов в воде р. Лихоборки, наблюдаемое во всех точках мониторинга (как, например, в точке 3 на рис. 3) в период со второй половины ноября до конца июля, которое может быть связано лишь с вымыванием с поверхности или из почвенно-грунтовой толщи водосбора хлоридов, накопленных в нем за зимний период. Таким образом, значительное количественное превышение хлоридных ионов над сульфатными во все месяцы года, а также несинхронность внутригодового изменения содержания в речной воде главных ионов свидетельствуют о мощном антропогенно обусловленном изменении химического состава воды р. Лихоборки и о его преобразовании по морскому типу, при котором среди анионов преобладают хлоридные [9].

В поверхностных водах сезонные изменения БПК5 зависят от температуры, концентрации растворенного в речной воде кислорода и жизненных циклов гидробионтов [9]. Поэтому биохимическая окисляемость обычно минимальна в зимнее время, когда в воде содержится минимальное количество органических веществ, а их поступление с водосборной площади ограничено. Летом, когда температура воды максимальна, скорость окисления органических веществ повышается и величина биохимического потребления кислорода достигает максимальных значений. Содержание загрязняющих веществ, оцениваемых по показателю ХПК, увеличивается в периоды половодья и дождевых паводков, что связано с увеличением водного стока и с поступлением с водосбора органических веществ естественного и антропогенного происхождения [25].

Сезонные изменения содержания загрязняющих веществ, оцениваемых по показателям БПК5 и ХПК, в р. Лихоборке подобны: наибольшие значения отмечаются в зимний период (точки 1, 3) или в половодье (точки 2, 4), наименьшие – в летне-осенний период (точки 2, 3) или половодье (точка 1). Месяцы с максимальными концентрациями – декабрь и январь в точке 1; март в точках 2 и 3; март и апрель в точке 4.

Значения показателей всегда превышают ПДКрх и варьируют в диапазоне: БПК5 – от 2.4 до 180 мг/л, ХПК – от 21.1 до 1782 мг/л. В точках мониторинга будет превышена ПДКкб органических веществ, оцениваемых по БПК5 – с вероятностью 50–95%, оцениваемых по ХПК – с вероятностью 60–98% (табл. 4). Вероятность превышения ВЗ варьирует для БПК5 в диапазоне 9–56%, для ХПК в диапазоне 1–12%. Наибольшее среднегодовое содержание загрязняющих веществ, оцениваемых по показателям БПК5 и ХПК, и вероятность превышения ВЗ отмечается в точке 1, расположенной под автодорожной развязкой МКАД. Вниз по течению реки среднегодовое содержание загрязняющих веществ и вероятность превышения ВЗ снижаются. Опасность экстремально высокого загрязнения р. Лихоборки веществами, оцениваемыми по показателям БПК5 и ХПК, достигает 6.5% в точке 1 и 0.6% в точке 3 соответственно (табл. 4).

Подобие изменения содержания в речной воде органических веществ, оцениваемых по показателям БПК5 и ХПК, сопровождается тесной корреляционной связью этих двух показателей (R в точках мониторинга варьирует в диапазоне 0.81–0.88) и указывает на поступление органических загрязнений в реку из одного и того же источника. В точках 2–4 установлены корреляционные зависимости между концентрацией нефтепродуктов и величинами БПК5 (R в диапазоне 0.84–0.94) и ХПК (R – 0.61–0.77).

Содержание в речной воде азота аммонийного почти всегда превышает ПДКрх и варьирует в диапазоне 0.26–38.6 мг/л. Вероятность превышения значения ПДКкб в точках мониторинга достигает 44.0–99.9%. Наибольшим загрязнением азотом аммонийным речная вода характеризуется в точке 1, вниз по течению оно снижается, и в точке 4 среднегодовое содержание азота аммонийного уменьшается в 8 раз. Вероятность превышения ВЗ в точке 1 достигает 91%, в точке 4 снижается до 4.2% (табл. 4). В точке 1 возможно формирование ЭВЗ с обеспеченностью 21%.

Для большинства речных вод повышение концентрации азота аммонийного характерно в основном в весенне-летне-осенний период из-за смывов с водосборной территории. В зимний сезон в условиях пониженного водного стока высокие концентрации аммонийного азота в речных водах обычно связаны с поступлением хозяйственно-бытовых сточных вод [25]. Внутригодовое изменение содержания азота аммонийного в р. Лихоборке во всех точках мониторинга однообразно, происходит скачкообразно, без тенденции увеличения или уменьшения в речной воде в связи со сменой сезонов года. Наибольшие значения характерны для половодья (точки 2–4) или зимней межени (точка 1), наименьшие – для летне-осеннего периода (точки 2–4) или половодья (точка 1). Подобное внутригодовое распределение содержания азота аммонийного может свидетельствовать о том, что в речных водах периодически присутствуют стоки хозяйственно-бытовой канализации в результате несанкционированного подключения жилых домов, гаражей и незаконных сооружений к сетям ливневого водостока.

Все измеренные значения рН варьируют в диапазоне 6.9–9.3 и почти полностью находятся в пределах нормы качества воды (6–9) для водных объектов хозяйственно-бытового и рекреационного водопользования [16]. Вероятность превышения уровня ПДКкб ≤ 0.7%.

ОЦЕНКА РЕПРЕЗЕНТАТИВНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЕДОМСТВЕННОГО МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА РЕЧНОЙ ВОДЫ

В работе предпринята попытка оценить репрезентативность данных наблюдений контролирующей качество воды р. Лихоборки организации, по которым судят о степени загрязнения водотока. Для этого выполнено сопоставление осредненных значений показателей качества воды, определенных в рамках данного исследования в парных пробах, и результатов ведомственного мониторинга качества речной воды в месте выхода р. Лихоборки из подземного коллектора в районе Лихоборской набережной, д. 5. Результаты этого сопоставления приведены на рис. 9 и в табл. 5.

Рис. 9.

Внутригодовые изменения показателей качества воды р. Лихоборки в точках мониторинга 3 (штриховая линия) и 4 (сплошная линия), а также результаты ведомственного мониторинга (ВМ) “Мосводостока”.

Таблица 5.  

Сопоставление результатов собственного мониторинга (в точках 3 и 4) и ведомственного мониторинга (ВМ) р. Лихоборки за исследуемый период

Показатель качества воды Диапазон измеренных значений Среднегодовое значение
минимум максимум
ВМ точка 3 точка 4 ВМ точка 3 точка 4 ВМ точка 3 точка 4
Взвешенные вещества, мг/л 6.8 5.6 3.0 17.5 611 782 13.1 51.1 46.3
Нефтепродукты, мг/л 0.10 0.12 0.09 1.04 33.8 17.2 0.46 1.75 0.79
Хлориды, мг/л 98.5 32.0 31.3   459 2928 2249   196    305   300
Сульфаты, мг/л 38.3 18.3 18.1   102 75.6 92.4 63.2 45.0 48.3
БПК5, мгО2/л 3.63 2.81 2.36 15.5   180 53.0 7.63 12.7 6.40
Азот аммонийный, мг/л 0.56 0.46 0.26 1.19 8.43 5.99 0.86 1.84 1.67

На графиках (рис. 9) видно, что определенные в рамках ведомственного и собственного мониторинга концентрации загрязняющих веществ в одни и те же даты отбора проб воды вполне сопоставимы. Однако очевидно, что в результате чрезвычайно малой частоты отбора проб организацией, контролирующей качество воды, не выявляется большая внутригодовая изменчивость концентраций загрязняющих веществ в речной воде. По большинству загрязняющих веществ (за исключением сульфатов) это определяющий фактор невысокой достоверности информации о степени загрязнения водотока и об условиях формирования качества его воды в течение года. Так, по данным ведомственного мониторинга, концентрации взвешенных веществ в речной воде в течение года меняются в 2.6 раза, а по данным собственного мониторинга – в 10 раз больше (табл. 5). По данным ведомственного мониторинга, внутригодовое изменение концентраций нефтепродуктов составляет 10.4 раза, а по данным собственного мониторинга – 282 раз и т. д. В результате среднегодовая концентрация загрязняющих веществ занижается в 1.6 (хлориды) – 3.9 раз (взвешенные вещества). Малая достоверность данных ведомственного мониторинга лишает возможности рассчитывать реальные объемы выноса загрязняющих веществ с водосбора, объективно оценивать степень загрязнения водотока, оперативно выявлять и устранять источники его загрязнения, определять эффективность реализации водоохранных мероприятий.

ВЫВОДЫ

В результате проведенного исследования получены количественные оценки качества воды р. Лихоборки. Установлено, что речная вода в пределах исследуемого участка водосбора реки хронически не соответствует нормативам качества для водных объектов рыбохозяйственного водопользования по большинству из определенных в процессе мониторинга показателей: взвешенным веществам, нефтепродуктам, ХПК, БПК5, азоту аммонийному. Определена вероятность несоответствия воды р. Лихоборки нормативам качества вод культурно-бытового назначения. Вероятность превышения ПДКкб в речной воде в разных точках мониторинга следующая, %: органических веществ, оцениваемых по ХПК, – 60–98; азота аммонийного – 44–99.9; органических веществ, оцениваемых по БПК5, – 50–95; нефтепродуктов – 46–82; хлоридов – 10–22; взвешенных веществ ~90.

Выполнена вероятностная оценка наступления случаев высоких уровней загрязнения реки. Вероятность высокого (≥10 ПДК) загрязнения реки в точках мониторинга следующая, %: взвешенными веществами – 2.5–8, нефтепродуктами – 1.4–14, азотом аммонийным – 4.2–91, загрязняющими веществами, оцениваемыми по ХПК, – 1–12. Вероятность высокого (≥5 ПДК) загрязнения, оцениваемого по БПК5, достигает 9–56%. В отдельных точках мониторинга будет наблюдаться экстремально высокое (≥50 ПДК) загрязнение реки с вероятностью 0.6 (ХПК) – 21% (азот аммонийный).

Выявлены следующие особенности гидрохимического режима р. Лихоборки, отличающие городские водотоки от природных и свидетельствующие о подчиненности природных факторов формирования химических состава воды антропогенным:

отсутствуют различия содержания загрязняющих веществ в речной воде в разные фазы водного режима, или максимумы и минимумы концентраций отмечаются в те фазы водного режима, когда в естественных водотоках наблюдаются минимумы и максимумы концентраций;

диапазоны внутригодового изменения измеренных концентраций загрязняющих веществ значительно (в несколько и десятки раз) больше, чем в естественных водотоках;

наблюдается не характерное для естественных водотоков соотношение содержаний в речной воде хлоридов и сульфатов, указывающее на преобразование химического состава речной воды по морскому типу.

Установлены следующие основные факторы формирования качества воды и изменения в гидрохимическом режиме городского водотока.

1. Микроклиматические условия городской среды и покрытие части водосборной территории водонепроницаемым покрытием приводят к смещению сроков и сокращению продолжительности снеготаяния, увеличивают частоту выпадения осадков и сокращают длительность их стекания в водоток.

2. Диффузные источники, рассредоточенные по водосборной территории и подверженные влиянию метеорологических факторов, способствуют накоплению загрязняющих веществ на поверхности или в почвенно-грунтовой толще водосбора в сухой период и высокому уровню загрязнения речной воды в периоды снеготаяния и выпадения дождей.

3. Точечные источники существенным образом влияют на формирование и поддержание постоянного уровня загрязнения речной воды, особенно в маловодные периоды года, когда диффузный сток с водосбора снижается. Так, в результате несанкционированного подключения жилых домов, гаражей и незаконных сооружений к сетям ливневой канализации в речных водах периодически присутствуют стоки хозяйственно-бытовых сточных вод.

4. Значительный вклад в формирование высоких уровней загрязнения реки в любые сезоны года вносят неконтролируемые несанкционированные залповые сбросы сточных вод, при которых непосредственно в реку или в водоприемные колодцы ливневой канализации в течение непродолжительного времени сбрасывается значительное количество загрязняющих веществ. Наибольшее влияние залповых сбросов проявляется в зимний период, когда поверхностный сток с водосбора практически отсутствует. В этот период наблюдается максимальный за год уровень загрязнения р. Лихоборки нефтепродуктами, взвешенными и органическими веществами, что может быть обусловлено залповыми сбросами.

Установленные особенности суточного и внутригодового изменения различных показателей качества воды р. Лихоборки, а также оценка репрезентативности результатов мониторинга, проводимого контролирующей организацией, свидетельствуют о необходимости следующих мер:

разработка и реализация более гибкой программы мониторинга, адаптированной к условиям формирования качества воды городского водотока, учитывающей гидроклиматические особенности территории и набор объектов-загрязнителей в пределах частных водосборов на отдельных участках речной сети;

внедрение в практику мониторинга автоматизированных станций, которые позволяли бы отслеживать изменения качества воды по наиболее репрезентативным показателям в режиме реального времени;

совершенствование организационно-правовых основ инспекционного и лабораторного контроля за деятельностью хозяйствующих субъектов, расположенных в пределах урбанизированной водосборной территории.

Список литературы

  1. Варенцов М.И., Самсонов Т.Е., Кислов А.В., Константинов П.И. Воспроизведение острова тепла Московской агломерации в рамках региональной климатической модели COSMO-CLM // Вестн. Московского ун-та. Сер. 5, География. 2017. № 6. С. 25–37.

  2. Горюнова С.В. Влияние антропогенного воздействия на экологическое состояние малой городской реки // Вестн. Московского гор. пед. ун-та. Сер. Естественные науки. 2010. № 2. С. 57–64.

  3. Горюнова С.В. Закономерности процесса антропогенной деградации водных объектов. Автореф. дис. … докт. биол. наук. М.: МГУ, 2006. 43 с.

  4. Государственный доклад “О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2016 году”. М.: Минприроды России; НИА-Природа, 2017. 760 с.

  5. Доклад “О состоянии окружающей среды в городе Москве в 2014 году” / Под ред. А.О. Кульбачевского. М.: ДПиООС, НИА-Природа, 2015. 384 с.

  6. Доклад “О состоянии окружающей среды в городе Москве в 2016 году” / Под ред. А.О. Кульбачевского. М.: ДПиООС, НИиПИ ИГСП, 2017. 363 с.

  7. Доклад о состоянии окружающей среды в Москве в 2009 году. М.: ДПиООС, 2010. 238 с.

  8. Долгоносов Б.М., Корчагин К.А. Сезонные изменения в распределении вероятностей показателей качества речной воды // Вод. ресурсы. 2014. Т. 41. № 6. С. 39–48.

  9. Зенин А.А., Белоусова Н.В. Гидрохимический словарь / Под ред. А.М. Никанорова. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 241 с.

  10. Коронкевич Н.И., Мельник К.С. Влияние урбанизированных территорий на речной сток в Европе // Изв. РАН. Сер. географическая. 2019. № 3. С. 78–87.

  11. Лебедева Е.В., Михалев Д.В. Водные объекты урбанизированных территорий: подходы и методы реабилитации (на примере Московского региона) // Территория и планирование. 2010. № 2. С. 62–68.

  12. Ле Минь Туан, Шукуров И.С., Нгуен Тхи Май. Исследование интенсивности городского острова тепла на основе городской планировки // Строительство: наука и образование. 2019. Т. 9. Вып. 3 (33). 22 с.

  13. Насимович Ю.А. Реки, озера и пруды Москвы. [Электронный ресурс.]. http://temnyjles.narod.ru/ Reki3-36.htm (дата обращения: 15.10.2021)

  14. Никаноров А.М. Научные основы мониторинга качества вод. СПб.: Гидрометеоиздат, 2005, 576 с.

  15. Орлов Б.В., Бойкова И.Г., Печников В.Г. Экологическая реабилитация Московской городской водоотводящей системы // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 7. С. 51–57.

  16. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28 января 2021 г. № 2 “Об утверждении санитарных правил и норм СанПиН 1.2.3685-21 Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания”.

  17. Приказ Минсельхозы России от 13.12.2016 № 552 (ред. от 10.03.2020) “Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения”.

  18. Приказ Росгидромета от 31.10.2000 № 156 “О введении в действие порядка подготовки и представления информации общего назначения о загрязнении окружающей природной среды (с изменениями на 30 декабря 2015 года)”.

  19. Р 52.24.756-2011 Рекомендации. Критерии оценки опасности токсического загрязнения поверхностных вод суши при чрезвычайных ситуациях (в случаях загрязнения).

  20. Распоряжение Департамента жилищно-коммунального хозяйства и благоустройства города Москвы № 05-14-650/1 от 28.09.2011 г. “Об утверждении Технологии зимней уборки проезжей части магистралей, улиц, проездов и площадей (объектов дорожного хозяйства г. Москвы) с применением противогололедных реагентов и гранитного щебня фракции 2–5 мм (на зимние периоды с 2010–2011 гг. и далее)”. 50 с.

  21. Рекомендации по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты. М.: НИИ ВОДГЕО, 2014. 88 с.

  22. Рыбка К.Ю. Фито-очистная система открытого типа как природно-техногенный барьер для загрязняющих веществ. Дис. … канд. геогр. наук: М.: ИВП РАН, 2020. 229 с.

  23. Словягина А.Н., Полянин В.О., Фащевская Т.Б. Пространственно-временнáя динамика качества воды городского водотока (на примере р. Лихоборка) / Сб. ст., посвященный 100-летию со дня образования Гидрохим. ин-та, “Современные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод”. Ч. 1. Ростов-на-Дону: ГХИ, 2020. С. 146–152.

  24. Товарищ Хэлл. Подземные реки Москвы. Екатеринбург: Издател. решения, 2019. 492 с.

  25. Фащевская Т.Б. Оценка антропогенного воздействия на качество водных объектов (на примере р. Белой). Дис. … канд. геогр. наук: СПб.: РГГМУ, 2006. 216 с.

  26. Щеголькова Н.М. Динамика экологического состояния основного водотока мегаполиса (на примере реки Москвы). Автореф. дис. … докт. биол. наук. М.: МГУ, 2006. 48 с.

  27. Best Management Practices Guide for Stormwater. Burnaby: GVS&DD, 1999. 100 p.

  28. Brion N., Verbanck M.A., Bauwens W., Elskens M., Chen M., Servais P. Assessing the impacts of wastewater treatment implementation on the water quality of a small urban river over the past 40 years // Environ. Sci. Pollution Res. 2015. V. 22. P. 12720–12736.

  29. Dressing S.A., Meals D.W., Harcum J.B., Spooner J., Stribling J.B., Richards R.P., Millard C.J., Lanberg S.A., O’Donnell J.G. Monitoring and Evaluating Nonpoint Source Watershed Projects. Washington: EPA, 2016. 522 p.

  30. Impacts of Impervious Cover on Aquatic Systems: Watershed Protection Research Monograph No. 1. Ellicott City: Center for Watershed Protection, 2003. 158 p.

  31. Ullah Z., Khan H., Waseem A., Mahmood Q., Farooq U. Water Quality Assessment of the River Kabul at Peshawar, Pakistan: Industrial and Urban Wastewater Impacts // J. Water Chem. Technol. 2013. V. 35. № 4. P. 170–176.

  32. Vilmin L., Flipo N., Escoffier N., Groleau A. Estimation of the water quality of a large urbanized river as defined by the European WFD: what is the optimal sampling frequency? // Environ. Sci. Pollution Res. 2018. V. 25. P. 23 485–23 501.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Водные ресурсы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал