Эколого-геохимическая оценка состояния водных объектов Калужской области (на примере рек Лужа, Шаня и Суходрев)
|
Введение 4
1. Обзор литературы 7
2. Описание объектов исследования 13
2.1. Физико-географическая характеристика 14
2.1.1. Климат 14
2.1.2. Рельеф и геологические условия 15
2.1.3. Гидрологические условия 16
2.1.4. Почвенно-растительные условия 16
2.2. Эколого -геохимическое состояние рек (по фондовым данным) и их использование 17
3. Материалы и методы 22
3.1. Метод отбора проб донных отложений 22
3.2. Методы отбора проб природной воды 23
3.3. Методы оценки качества поверхностных вод и донных отложений 24
3.4. Методика определения ассимиляционной способности водного объекта и предельной
нагрузки на него 27
4. Результаты исследования 31
4.1. Результаты анализа содержания загрязняющих веществ относительно установленных
нормативов и фоновых концентраций в воде 31
4.1.1. Река Шаня 31
4.1.2. Река Суходрев 34
4.1.3. Река Лужа 37
4.2. Определение класса качества воды по удельному комбинаторному индексу
загрязненности 41
4.2.1. Река Шаня 41
4.2.2. Река Суходрев 42
4.2.3. Река Лужа 44
4.3. Результаты анализа содержания загрязняющих веществ относительно фоновых
концентраций в донных отложениях 45
4.3.1. Река Шаня 45
4.3.2. Река Суходрев 47
4.3.3. Река Лужа 49
4.4. Оценка ассимиляционной способности реки и предельной нагрузки на неё 51
4.4.1. Река Шаня 52
4.4.2. Река Суходрев 53
4.4.3. Река Лужа 54
4.5. Ранжирование участков водотока по состоянию загрязнения компонентов водного объекта относительно степени загрязнения 56
4.5.1. Река Шаня 57
4.5.2. Река Суходрев 59
4.5.3 Река Лужа 62
Заключение 66
Благодарности 68
Список литературы 69
Приложения 74
Приложение А. Кратность превышения загрязняющих веществ в поверхностных водах относительно допустимых уровней 74
Приложение Б. Отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе поверхностных вод к концентрации в фоновой пробе 87
Приложение В. Отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе донных отложений к концентрации в фоновой пробе 97
Приложение Г. Оценка ассимиляционной способности рек и предельной нагрузки на них... 102
1. Обзор литературы 7
2. Описание объектов исследования 13
2.1. Физико-географическая характеристика 14
2.1.1. Климат 14
2.1.2. Рельеф и геологические условия 15
2.1.3. Гидрологические условия 16
2.1.4. Почвенно-растительные условия 16
2.2. Эколого -геохимическое состояние рек (по фондовым данным) и их использование 17
3. Материалы и методы 22
3.1. Метод отбора проб донных отложений 22
3.2. Методы отбора проб природной воды 23
3.3. Методы оценки качества поверхностных вод и донных отложений 24
3.4. Методика определения ассимиляционной способности водного объекта и предельной
нагрузки на него 27
4. Результаты исследования 31
4.1. Результаты анализа содержания загрязняющих веществ относительно установленных
нормативов и фоновых концентраций в воде 31
4.1.1. Река Шаня 31
4.1.2. Река Суходрев 34
4.1.3. Река Лужа 37
4.2. Определение класса качества воды по удельному комбинаторному индексу
загрязненности 41
4.2.1. Река Шаня 41
4.2.2. Река Суходрев 42
4.2.3. Река Лужа 44
4.3. Результаты анализа содержания загрязняющих веществ относительно фоновых
концентраций в донных отложениях 45
4.3.1. Река Шаня 45
4.3.2. Река Суходрев 47
4.3.3. Река Лужа 49
4.4. Оценка ассимиляционной способности реки и предельной нагрузки на неё 51
4.4.1. Река Шаня 52
4.4.2. Река Суходрев 53
4.4.3. Река Лужа 54
4.5. Ранжирование участков водотока по состоянию загрязнения компонентов водного объекта относительно степени загрязнения 56
4.5.1. Река Шаня 57
4.5.2. Река Суходрев 59
4.5.3 Река Лужа 62
Заключение 66
Благодарности 68
Список литературы 69
Приложения 74
Приложение А. Кратность превышения загрязняющих веществ в поверхностных водах относительно допустимых уровней 74
Приложение Б. Отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе поверхностных вод к концентрации в фоновой пробе 87
Приложение В. Отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе донных отложений к концентрации в фоновой пробе 97
Приложение Г. Оценка ассимиляционной способности рек и предельной нагрузки на них... 102
Вода — это необходимый компонент окружающей человека среды, а также всех растительных и животных экосистем. К большому сожалению, качество воды во многих странах мира ухудшилось в течении 20-го века, более того данный тренд наблюдается и в настоящее время (Vellskova, et al., 2018). Это является следствием увеличения антропогенной нагрузки. Таким образом, встает вопрос о необходимости оценки степени загрязненности водных объектов и их самоочищающей способности для избежания возникновения негативных последствий (заиления русла реки, изменения прибрежных ландшафтов, ухудшения качества воды, возрастания заболеваемости населения, исчезновения флоры и фауны свойственной данному водному объекту, в том числе краснокнижных видов) и продолжения разумного использования водных объектов без ущерба экономики.
Актуальность данной темы заключается в том, что по берегам рек, как правило, много густонаселенных районов, которые нужно снабжать водой, пригодной для человеческих нужд (Pallavi, et al., 2021). Это оказывает дополнительную нагрузку на реки и ведет к ухудшению качества воды. Из этого всего следует, необходимость мониторинга и контроля качества вод для поддержания речных экосистем (Tian, Yu, 2019; Zhao, et al., 2018; Zinabu, et al., 2019). Это позволит понять какие источники оказывают наибольшее негативное влияние на качество поверхностных вод и донных отложений и, соответственно, принять наиболее эффективные меры по предотвращению или снижению угнетающего влияния на водный объект. Также в данной выпускной квалификационной работе (далее ВКР) будет предложен вариант оценки ассимилирующей способности реки — способности водного объекта принимать определенную массу веществ в единицу времени без нарушения норм качества воды в контролируемом створе или пункте водопользования (ГОСТ 17.1.1.01-77). Необходимость оценки ассимилирующей способности реки возникла в рамках «Государственного мониторинга водных объектов в части полномочий субъекта Российской Федерации (мониторинг рек — Лужа, Шаня и Суходрев)» во время прохождения летней производственной практики. Реки — Лужа, Шаня и Суходрев на протяжения долго времени активно используются для забора воды, сброса сточных или/и дренажных вод различными предприятиями или загрязняются в результате воздействия близлежащих населеннных пунктов и привноса загрязнителей притоками. В 2019 году, по данным отдела водных ресурсов Московско-Окского бассейнового водного управления Федерального агентства водных ресурсов, в поверхностные водные объекты было сброшено 83,16 млн куб. м (в 2018 году - 81,21 млн куб. м) сточных, транзитных и других вод. Таким образом, расчет ассимиляционного потенциала крайне важен [10].
Целью данной работы является эколого-геохимическая оценка состояния рек — Лужа, Шаня и Суходрев в Калужской области и определение ассимиляционной способности рек.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить литературу по данной тематике;
2. Сделать физико-географическое описание объектов исследования;
3. Рассчитать кратность превышения загрязняющих веществ в поверхностных водах относительно допустимых уровней;
4. Определить отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе поверхностных вод к концентрации в фоновой пробе;
5. Определить отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе донных отложений к концентрации в фоновой пробе;
6. Оценить ассимилирующую способность рек;
7. Провести ранжирование участков водотока по состоянию загрязнения компонентов водного объекта относительно степени загрязнения и визуализировать данные.
Объектами исследования являются реки Калужской области: рек — Лужа, Шаня и Суходрев.
Предмет исследований — ассимиляционная способность рек и предельная нагрузка на них.
Для изучения этой темы информационной базой послужили труды: Шаврака Е.И., Израэля Ю.А. и Цыбань А.В., Богомолова А.В., Совги Е. Е. и Мезенцева И. В., Абдурахманова Г. М. и Монахова С. К., Никанорова А. М., Логинова Е. В. и Лопуха П.С.; а также труды зарубежных ученых: Vellskova, et al.; Qadri, et al.; Krom; Farhadian, et al.; Vugteveen, et al; Oschwald; Adesuyi; Loganathan, et al.. При написании работы для анализа были использованы результаты лабораторных исследований, полученные при проведении «Государственного мониторинга водных объектов в части полномочий субъекта Российской Федерации (мониторинг рек — Лужа, Шаня и Суходрев)», проведенного сотрудниками ООО «ТехноТерра».
В структуре ВКР можно выделить несколько составных частей: во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи работы. В первой главе представлена основная информация по данной тематике. Вторая главая содержит описание объектов (рек — Лужа, Шаня и Суходрев) исследования с привязкой к физико-географическому положению. В третей главе приведена информация о материалах и методах исследования. В четвертой главе проводится анализ результатов исследований, полученных при написании данной ВКР. В приложениях представлены численные результаты анализа: в Приложении А — кратность превышения загрязняющих веществ в поверхностных водах относительно допустимых уровней, в Приложении Б — отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе поверхностных вод к концентрации в фоновой пробе, в Приложении В — отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе донных отложений к концентрации в фоновой пробе.
Актуальность данной темы заключается в том, что по берегам рек, как правило, много густонаселенных районов, которые нужно снабжать водой, пригодной для человеческих нужд (Pallavi, et al., 2021). Это оказывает дополнительную нагрузку на реки и ведет к ухудшению качества воды. Из этого всего следует, необходимость мониторинга и контроля качества вод для поддержания речных экосистем (Tian, Yu, 2019; Zhao, et al., 2018; Zinabu, et al., 2019). Это позволит понять какие источники оказывают наибольшее негативное влияние на качество поверхностных вод и донных отложений и, соответственно, принять наиболее эффективные меры по предотвращению или снижению угнетающего влияния на водный объект. Также в данной выпускной квалификационной работе (далее ВКР) будет предложен вариант оценки ассимилирующей способности реки — способности водного объекта принимать определенную массу веществ в единицу времени без нарушения норм качества воды в контролируемом створе или пункте водопользования (ГОСТ 17.1.1.01-77). Необходимость оценки ассимилирующей способности реки возникла в рамках «Государственного мониторинга водных объектов в части полномочий субъекта Российской Федерации (мониторинг рек — Лужа, Шаня и Суходрев)» во время прохождения летней производственной практики. Реки — Лужа, Шаня и Суходрев на протяжения долго времени активно используются для забора воды, сброса сточных или/и дренажных вод различными предприятиями или загрязняются в результате воздействия близлежащих населеннных пунктов и привноса загрязнителей притоками. В 2019 году, по данным отдела водных ресурсов Московско-Окского бассейнового водного управления Федерального агентства водных ресурсов, в поверхностные водные объекты было сброшено 83,16 млн куб. м (в 2018 году - 81,21 млн куб. м) сточных, транзитных и других вод. Таким образом, расчет ассимиляционного потенциала крайне важен [10].
Целью данной работы является эколого-геохимическая оценка состояния рек — Лужа, Шаня и Суходрев в Калужской области и определение ассимиляционной способности рек.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить литературу по данной тематике;
2. Сделать физико-географическое описание объектов исследования;
3. Рассчитать кратность превышения загрязняющих веществ в поверхностных водах относительно допустимых уровней;
4. Определить отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе поверхностных вод к концентрации в фоновой пробе;
5. Определить отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе донных отложений к концентрации в фоновой пробе;
6. Оценить ассимилирующую способность рек;
7. Провести ранжирование участков водотока по состоянию загрязнения компонентов водного объекта относительно степени загрязнения и визуализировать данные.
Объектами исследования являются реки Калужской области: рек — Лужа, Шаня и Суходрев.
Предмет исследований — ассимиляционная способность рек и предельная нагрузка на них.
Для изучения этой темы информационной базой послужили труды: Шаврака Е.И., Израэля Ю.А. и Цыбань А.В., Богомолова А.В., Совги Е. Е. и Мезенцева И. В., Абдурахманова Г. М. и Монахова С. К., Никанорова А. М., Логинова Е. В. и Лопуха П.С.; а также труды зарубежных ученых: Vellskova, et al.; Qadri, et al.; Krom; Farhadian, et al.; Vugteveen, et al; Oschwald; Adesuyi; Loganathan, et al.. При написании работы для анализа были использованы результаты лабораторных исследований, полученные при проведении «Государственного мониторинга водных объектов в части полномочий субъекта Российской Федерации (мониторинг рек — Лужа, Шаня и Суходрев)», проведенного сотрудниками ООО «ТехноТерра».
В структуре ВКР можно выделить несколько составных частей: во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи работы. В первой главе представлена основная информация по данной тематике. Вторая главая содержит описание объектов (рек — Лужа, Шаня и Суходрев) исследования с привязкой к физико-географическому положению. В третей главе приведена информация о материалах и методах исследования. В четвертой главе проводится анализ результатов исследований, полученных при написании данной ВКР. В приложениях представлены численные результаты анализа: в Приложении А — кратность превышения загрязняющих веществ в поверхностных водах относительно допустимых уровней, в Приложении Б — отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе поверхностных вод к концентрации в фоновой пробе, в Приложении В — отношение концентрации загрязняющего вещества в пробе донных отложений к концентрации в фоновой пробе.
В ходе данной работы была рассчитана кратность превышения загрязняющих веществ в поверхностных водах относительно допустимых уровней, определено отношение концентраций загрязняющих веществ в пробе поверхностных вод к концентрациям в фоновых пробах, посчитан относительный комплексный показатель степени загрязненности (УКИЗВ), оценено содержание загрязняющих веществ в контрольных створах относительно фоновых поверхностных вод и проведено ранжирование участков в зависимости от состояния загрязнения компонентов по степени загрязнения. В результате этого было оценено эколого-геохимическое состояния рек, выявлены возможные источники, которые оказывают наибольшее негативное влияние на качество поверхностных вод и донных отложений и дано наглядное представление данных (рисунок 4.5.). Предложенный вариант оценки ассимилирующей способности рек (разделе 4.4) позволил выявить потенциальные источники загрязнения и обратить внимание на проблемы, которые развиваются или могут возникнуть.
Основные выводы:
• Наиболее распространенными видами загрязнения рек являются органические вещества, фосфаты, нитриты, нитраты, соединения меди, железа, цинка, марганца, которые поступают в результате поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий и со сбросами сточных вод ЖКХ. Также наблюдается точечное поступление загрязняющих веществ с промышленных предприятий. Стоит отметить, что не отрицается возможность увеличения концентраций в результате естественного геохимического фона (требуется более полное исследование);
• Площадные и диффузные источники являются определяющими антропогенными источниками загрязнения для данных рек, так как наблюдается относительно большое число деревень и поселений по берегам рек, где активно ведется огородничество, садоводчество и развито сельское хозяйство;
• Из полученных результатов в разделе 4.4 на всех участках рек — Шаня, Суходрев и Лужа превышена нагрузка по фосфатам, а также на большинстве участков наблюдается превышение по аммонийному азоту, нитрит-иону, меди и железу. Можно предположить, что сточные воды и поверхностный сток оказывают заметное влияние на реки и их самоочищающую способность. Стоит учитывать, что исследования проводились за один период, и в зависимости от сезона, ассимилирующая способность рек может меняться;
• Наглядное представление (рисунок 4.5.) ранжирования участков водотока по состоянию загрязнения компонентов водного объекта относительно степени загрязнения помогает выявить наиболее проблемные участки, которые требуют более пристального внимания при дальнейшем мониторинге. По возможности следует снизить нагрузку на данные участки для предотвращения угнетения речной экосистемы и увеличения заболеваемости населения.
Таким образом, была проведена оценка эколого-геохимического состояния рек — Шаня, Суходрев и Лужа, а также в результате исследований была получена большая аналитическая база, которая необходима для статистики и дальнейших исследований.
Основные выводы:
• Наиболее распространенными видами загрязнения рек являются органические вещества, фосфаты, нитриты, нитраты, соединения меди, железа, цинка, марганца, которые поступают в результате поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий и со сбросами сточных вод ЖКХ. Также наблюдается точечное поступление загрязняющих веществ с промышленных предприятий. Стоит отметить, что не отрицается возможность увеличения концентраций в результате естественного геохимического фона (требуется более полное исследование);
• Площадные и диффузные источники являются определяющими антропогенными источниками загрязнения для данных рек, так как наблюдается относительно большое число деревень и поселений по берегам рек, где активно ведется огородничество, садоводчество и развито сельское хозяйство;
• Из полученных результатов в разделе 4.4 на всех участках рек — Шаня, Суходрев и Лужа превышена нагрузка по фосфатам, а также на большинстве участков наблюдается превышение по аммонийному азоту, нитрит-иону, меди и железу. Можно предположить, что сточные воды и поверхностный сток оказывают заметное влияние на реки и их самоочищающую способность. Стоит учитывать, что исследования проводились за один период, и в зависимости от сезона, ассимилирующая способность рек может меняться;
• Наглядное представление (рисунок 4.5.) ранжирования участков водотока по состоянию загрязнения компонентов водного объекта относительно степени загрязнения помогает выявить наиболее проблемные участки, которые требуют более пристального внимания при дальнейшем мониторинге. По возможности следует снизить нагрузку на данные участки для предотвращения угнетения речной экосистемы и увеличения заболеваемости населения.
Таким образом, была проведена оценка эколого-геохимического состояния рек — Шаня, Суходрев и Лужа, а также в результате исследований была получена большая аналитическая база, которая необходима для статистики и дальнейших исследований.