ВОДНО-СОЛЕВОЙ БАЛАНС ОЗЕР УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ПРИМЕРЕ СУЗДАЛЬСКИХ ОЗЕР Г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
|
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Физико-географическое описание объекта исследования 6
1.1 Физико-географическое описание водосбора Суздальских озер и их
морфометрические характеристики 6
1.2 Геоэкологические особенности водосбора Суздальских озер 9
1.3 Виды антропогенных воздействий на акваторию и водосборную территорию
Суздальских озер 11
2 Гидрологическая и гидрохимическая изученность 14
2.1 Водный баланс озер в фоновых условиях 14
2.2 Гидрохимическая характеристика озер в фоновых условиях 18
2.2.1 Гидрохимическая характеристика озер Карельского перешейка и
восточной Латвии 18
2.2.2 Гидрохимическая характеристика Суздальских озер по литературным
данным 20
2.3 Особенности миграции фосфора и фосфорная нагрузка на озера в фоновых
условиях 22
2.3.1 Поступление фосфора и фосфорная нагрузка на водоемы Карельского
перешейка 22
2.3.2 Вынос фосфора и фосфорная нагрузка на Суздальские озера по
литературным данным 23
3 Методики исследований 25
3.1 Методика проведения полевых гидрологических наблюдений 25
3.2 Методика проведения полевых гидрохимических наблюдений 26
3.3 Методики лабораторного анализа 28
3.4 Методика расчета водного баланса 28
3.5 Методика расчета водно-солевого баланса, внешней и внутренней нагрузок 29
4 Гидрохимические особенности Суздальских озер по экспериментальным данным
2018-19 гг 31
4.1 Пространственная изменчивость гидрохимических показателей вод
Суздальских озер по данным полевых и лабораторных исследований 32
4.1.1 Органолептические показатели 33
4.1.2 Водородный показатель 33
4.1.3 Растворенный кислород 33
4.1.4 Общая минерализация и содержание главных ионов 36
4.1.5 Органическое вещество 38
4.1.6 Лимитирующий биогенный элемент 39
4.1.7 Общий и минеральный фосфор 40
4.1.8 Общий и минеральный азот 41
4.1.9 Органические и неорганические загрязняющие вещества 43
4.2 Сезонная изменчивость гидрохимических показателей Нижнего Суздальского
озера 46
4.2.1 Общая минерализация 46
4.2.2 Растворенный кислород 47
4.2.3 Органическое вещество 47
4.2.4 Общий и минеральный фосфор 48
4.2.5 Общий и минеральный азот 49
4.2.6 Общее железо и фенолы 50
4.3 Гидрохимическая характеристика водотоков Нижнего Суздальского озера ..51
4.3.1 Общая минерализация 52
4.3.2 Органическое вещество 53
4.3.3 Общий и минеральный фосфор 54
4.3.4 Общий и минеральный азот 56
4.3.5 Общее железо 57
5 Водно-солевой баланс Суздальских озер по экспериментальным данным 59
5.1 Водный баланс системы Суздальских озер в 2018-19 гг 59
5.2 Водно-солевой баланс Нижнего Суздальского озера за 2019 год 61
6 Разработка рекомендаций по снижению эвтрофирования Нижнего Суздальского
озера 66
6.1 Методы восстановления озерных экосистем при антропогенном воздействии
по литературным данным 66
6.2 Рекомендации по снижению нагрузки на Нижнее Суздальское озеро и
снижению эвтрофирования 70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Данные гидрохимического анализа 77
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Сезонная изменчивость биогенных элементов в водах Нижнего
Суздальского озера 84
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Физико-географическое описание объекта исследования 6
1.1 Физико-географическое описание водосбора Суздальских озер и их
морфометрические характеристики 6
1.2 Геоэкологические особенности водосбора Суздальских озер 9
1.3 Виды антропогенных воздействий на акваторию и водосборную территорию
Суздальских озер 11
2 Гидрологическая и гидрохимическая изученность 14
2.1 Водный баланс озер в фоновых условиях 14
2.2 Гидрохимическая характеристика озер в фоновых условиях 18
2.2.1 Гидрохимическая характеристика озер Карельского перешейка и
восточной Латвии 18
2.2.2 Гидрохимическая характеристика Суздальских озер по литературным
данным 20
2.3 Особенности миграции фосфора и фосфорная нагрузка на озера в фоновых
условиях 22
2.3.1 Поступление фосфора и фосфорная нагрузка на водоемы Карельского
перешейка 22
2.3.2 Вынос фосфора и фосфорная нагрузка на Суздальские озера по
литературным данным 23
3 Методики исследований 25
3.1 Методика проведения полевых гидрологических наблюдений 25
3.2 Методика проведения полевых гидрохимических наблюдений 26
3.3 Методики лабораторного анализа 28
3.4 Методика расчета водного баланса 28
3.5 Методика расчета водно-солевого баланса, внешней и внутренней нагрузок 29
4 Гидрохимические особенности Суздальских озер по экспериментальным данным
2018-19 гг 31
4.1 Пространственная изменчивость гидрохимических показателей вод
Суздальских озер по данным полевых и лабораторных исследований 32
4.1.1 Органолептические показатели 33
4.1.2 Водородный показатель 33
4.1.3 Растворенный кислород 33
4.1.4 Общая минерализация и содержание главных ионов 36
4.1.5 Органическое вещество 38
4.1.6 Лимитирующий биогенный элемент 39
4.1.7 Общий и минеральный фосфор 40
4.1.8 Общий и минеральный азот 41
4.1.9 Органические и неорганические загрязняющие вещества 43
4.2 Сезонная изменчивость гидрохимических показателей Нижнего Суздальского
озера 46
4.2.1 Общая минерализация 46
4.2.2 Растворенный кислород 47
4.2.3 Органическое вещество 47
4.2.4 Общий и минеральный фосфор 48
4.2.5 Общий и минеральный азот 49
4.2.6 Общее железо и фенолы 50
4.3 Гидрохимическая характеристика водотоков Нижнего Суздальского озера ..51
4.3.1 Общая минерализация 52
4.3.2 Органическое вещество 53
4.3.3 Общий и минеральный фосфор 54
4.3.4 Общий и минеральный азот 56
4.3.5 Общее железо 57
5 Водно-солевой баланс Суздальских озер по экспериментальным данным 59
5.1 Водный баланс системы Суздальских озер в 2018-19 гг 59
5.2 Водно-солевой баланс Нижнего Суздальского озера за 2019 год 61
6 Разработка рекомендаций по снижению эвтрофирования Нижнего Суздальского
озера 66
6.1 Методы восстановления озерных экосистем при антропогенном воздействии
по литературным данным 66
6.2 Рекомендации по снижению нагрузки на Нижнее Суздальское озеро и
снижению эвтрофирования 70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Данные гидрохимического анализа 77
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Сезонная изменчивость биогенных элементов в водах Нижнего
Суздальского озера 84
В данной работе исследуется водно-солевой баланс озер урбанизированных территорий. В качестве объекта исследования выступает система Суздальских озер г. Санкт-Петербурга, включающая Нижнее, Среднее, Верхнее Суздальские озера, р. Старожиловку и Каменку.
Актуальность исследования состоит в изучении водно-солевого баланса Суздальских озер для того, чтобы разработать рекомендации по улучшению их экологического состояния и замедлению процессов эвтрофирования. Суздальские озера в городе служат местом рекреации людей, поэтому являются достаточно значимыми объектами для населения и требуют пристального внимания за качеством воды, чистотой береговой зоны, экологическим состоянием акватории и соблюдением водоохранной зоны вокруг озер и водотоков.
Так, целью данного исследования является оценка внешней и внутренней биогенной нагрузки Суздальских озер на основе водно-балансовых расчетов и составление рекомендаций по улучшению их гидроэкологического состояния. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1) составить физико-географическое описание и провести рекогносцировочное обследование водосбора Суздальских озер с последующим выявлением источников антропогенного воздействия;
2) проанализировать литературу по данным предыдущих гидрохимических и балансовых исследований региона и системы Суздальских озер;
3) провести полевые и лабораторные гидрохимические исследования в летний период 2019 года;
4) создать информационную базу данных по результатам химико-аналитических определений Агрофизического института в основные гидрологические фазы водности;
5) провести статистическую обработку гидрохимических данных;
6) составить гидрохимическую характеристику исследуемых озер на основе оценки пространственной и сезонной изменчивости основных показателей химического состава вод;
7) оценить внешнюю и внутреннюю нагрузку биогенных элементов и тяжелых металлов на основе проведения водно-балансовых расчетов;
8) разработать рекомендации по улучшению экологического состояния озер и снижению процессов эвтрофирования Суздальских озер.
Актуальность исследования состоит в изучении водно-солевого баланса Суздальских озер для того, чтобы разработать рекомендации по улучшению их экологического состояния и замедлению процессов эвтрофирования. Суздальские озера в городе служат местом рекреации людей, поэтому являются достаточно значимыми объектами для населения и требуют пристального внимания за качеством воды, чистотой береговой зоны, экологическим состоянием акватории и соблюдением водоохранной зоны вокруг озер и водотоков.
Так, целью данного исследования является оценка внешней и внутренней биогенной нагрузки Суздальских озер на основе водно-балансовых расчетов и составление рекомендаций по улучшению их гидроэкологического состояния. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1) составить физико-географическое описание и провести рекогносцировочное обследование водосбора Суздальских озер с последующим выявлением источников антропогенного воздействия;
2) проанализировать литературу по данным предыдущих гидрохимических и балансовых исследований региона и системы Суздальских озер;
3) провести полевые и лабораторные гидрохимические исследования в летний период 2019 года;
4) создать информационную базу данных по результатам химико-аналитических определений Агрофизического института в основные гидрологические фазы водности;
5) провести статистическую обработку гидрохимических данных;
6) составить гидрохимическую характеристику исследуемых озер на основе оценки пространственной и сезонной изменчивости основных показателей химического состава вод;
7) оценить внешнюю и внутреннюю нагрузку биогенных элементов и тяжелых металлов на основе проведения водно-балансовых расчетов;
8) разработать рекомендации по улучшению экологического состояния озер и снижению процессов эвтрофирования Суздальских озер.
В рамках выполнения задач работы и достижения поставленной цели к основным результатам работы можно отнести следующие:
1) составлено физико-географическое описание Суздальских озер и представлены результаты рекогносцировочного экологического обследования;
2) выявлены особенности водного баланса и составлена гидрохимическая характеристика озер, находящихся в фоновых условиях, а также Суздальских озер по данным предыдущих исследований;
3) произведены полевые и лабораторные гидрохимические исследования в летний период 2019 года;
4) составлена гидрохимическая характеристика водных объектов по сезонной и пространственной изменчивости компонентов химического состава вод;
5) рассчитан водный и водно-солевой баланс, внешняя и внутренняя нагрузка биогенных элементов и тяжелых металлов, произведено сравнение с фоновыми озерами;
6) разработаны рекомендации по улучшению экологического состояния озер и снижению процесса эвтрофирования Суздальских озер.
Основными выводам работы являются:
1. По результатам обследования прибрежной территории Суздальских озер было установлено сильное антропогенное воздействие на водные объекты, которое выражается в загрязнении прибрежной территории и самих вод. Была произведена инвентаризация источников загрязнения вод озер и фотофиксация результатов антропогенного воздействия на Суздальские озера.
2. По результатам исследований 2018-19 гг. в Нижнем Суздальском озере наблюдаются интенсивные процессы эвтрофирования. Гидрохимическими признаками протекающих процессов эвтрофирования являются: увеличение содержания растворенного кислорода до 127 % нас. и защелачивание воды до рН = 8 ед. в летний вегетационный период и значительное снижение содержания растворенного кислорода до 53 % нас. и рН до 6,8-7,3 ед. при прекращении вегетации в осенний период. Аналогичная сезонная изменчивость, связанная с активизацией вегетации, установлена и для соединений фосфора, минимальные значения которых регистрируются в весеннее-летний период Робщ = 0,055 мг/дм3 на фоне увеличения осенью Робщ = 0,071 мг/дм3. Важным признаком эвтрофирования исследуемых озер является повышенный относительно регионального фона уровень содержаний общего фосфора и азота, составляющих соответственно 0,05 мг/дм3 и 2,4 мг/дм3 в сравнении с региональными фоновыми значениями Робщ = 0,02 мг/дм3 и N^ = 1,5 мг/дм3. Для Нижнего Суздальского озера выявлено высокое нитритное загрязнение с концентрацией N-NO2 до 15*ПДКвр, обусловленное аллохтонным поступлением со стоком р. Старожиловки и грунтовыми водами с кладбища. Для содержаний тяжелых металлов (свинца, цинка, кадмия) и нефтеуглеводородов не было выявлено превышений ПДКвр. Наибольшие превышения ПДКвр зарегистрированы для фенолов, марганца и железа, которые, возможно, связаны с естественным региональным геохимическим фоном, определяющимся заболоченностью водосборной территории.
3. На основе сопоставления элементов водного баланса фоновых озер Карельского перешейка по литературным данным и рассчитанного автором водного баланса Нижнего Суздальского озера выявлен ряд различий. Для фоновых озер Карельского перешейка приходная и расходная части баланса практически совпадают, что соответствует доле подземного притока, не превышающей 2 %. Напротив, в городских Суздальских озерах грунтовый приток составляет не менее 30 %, что косвенно указывает на негативное влияние техногенных изменений урбанизированных ландшафтов.
4. На основе расчета водно-солевого баланса Нижнего Суздальского озера за 2019 год определены значения внешней и внутренней нагрузок для биогенных элементов и тяжелых металлов. Годовая внешняя нагрузка, соответствующая аллохтонному поступлению биогенных элементов в озеро составляет: Робщ = 0,5 г/м2, Р-РО4 = 0,3 г/м2, No^ = 28,2 г/м2, N-NO3 = 15,3 г/м2, N-NH4 = 10,1 г/м2, N-NO2 = 1,9 г/м2. Годовая внешняя нагрузка, соответствующая аллохтонному поступлению тяжелых металлов в озеро составляет: Беобщ = 1,67 г/м2, Zn = 0,06 г/м2, Mn = 0,16 г/м2. Внутренняя нагрузка биогенных элементов, соответствующих автохтонному поступлению этих элементов из донных отложений составляет: Робщ = 0,10 г/м2, Р-РО4 = 0,15 г/м2; N^ = 7,80 г/м2, N-NO3 = 3,13 г/м2, N-NH4 = 5,71 г/м2, N-NO2 = 0,29 г/м2.
5. По данным невязки солевых балансов различных химических веществ проанализированы особенности их привноса и выноса с притоками Нижнего Суздальского озера — р. Старожиловкой и Каменкой. Отрицательная невязка баланса, установлена для общей минерализации, главных ионов, органического вещества (по ХПК), фенолов и общего железа, которая свидетельствует о выносе этих веществ в открытую речную сеть по р. Каменке. Положительная невязка баланса установлена для всех соединений азота и фосфора, цинка и марганца, что свидетельствует о депонировании этих веществ в озере. Максимальная удерживающая способность (52-56%) установлена для минерального фосфора и аммонийного азота, минимальная (до 15%) — для нитритного азота. Всего за 2019 год депонировалось в озере: Р-РО4 до 107 кг, N-NO2 — до 200 кг, N-NO3и N-NH4 — от 2 до 4 т, Zn — 16 кг, Mn — 45 кг.
6. Из анализа данных балансовых исследований сделаны выводы о рекомендуемых мероприятия по улучшению экологической обстановки в системе Суздальских озер. К ним относятся мероприятия по расчистке русла канализированной части нижнего течения р. Старожиловки, а также очистка береговой водоохранной зоны озер от мусора и контроль потенциальных источников загрязнения воды от коммерческих предприятий.
1) составлено физико-географическое описание Суздальских озер и представлены результаты рекогносцировочного экологического обследования;
2) выявлены особенности водного баланса и составлена гидрохимическая характеристика озер, находящихся в фоновых условиях, а также Суздальских озер по данным предыдущих исследований;
3) произведены полевые и лабораторные гидрохимические исследования в летний период 2019 года;
4) составлена гидрохимическая характеристика водных объектов по сезонной и пространственной изменчивости компонентов химического состава вод;
5) рассчитан водный и водно-солевой баланс, внешняя и внутренняя нагрузка биогенных элементов и тяжелых металлов, произведено сравнение с фоновыми озерами;
6) разработаны рекомендации по улучшению экологического состояния озер и снижению процесса эвтрофирования Суздальских озер.
Основными выводам работы являются:
1. По результатам обследования прибрежной территории Суздальских озер было установлено сильное антропогенное воздействие на водные объекты, которое выражается в загрязнении прибрежной территории и самих вод. Была произведена инвентаризация источников загрязнения вод озер и фотофиксация результатов антропогенного воздействия на Суздальские озера.
2. По результатам исследований 2018-19 гг. в Нижнем Суздальском озере наблюдаются интенсивные процессы эвтрофирования. Гидрохимическими признаками протекающих процессов эвтрофирования являются: увеличение содержания растворенного кислорода до 127 % нас. и защелачивание воды до рН = 8 ед. в летний вегетационный период и значительное снижение содержания растворенного кислорода до 53 % нас. и рН до 6,8-7,3 ед. при прекращении вегетации в осенний период. Аналогичная сезонная изменчивость, связанная с активизацией вегетации, установлена и для соединений фосфора, минимальные значения которых регистрируются в весеннее-летний период Робщ = 0,055 мг/дм3 на фоне увеличения осенью Робщ = 0,071 мг/дм3. Важным признаком эвтрофирования исследуемых озер является повышенный относительно регионального фона уровень содержаний общего фосфора и азота, составляющих соответственно 0,05 мг/дм3 и 2,4 мг/дм3 в сравнении с региональными фоновыми значениями Робщ = 0,02 мг/дм3 и N^ = 1,5 мг/дм3. Для Нижнего Суздальского озера выявлено высокое нитритное загрязнение с концентрацией N-NO2 до 15*ПДКвр, обусловленное аллохтонным поступлением со стоком р. Старожиловки и грунтовыми водами с кладбища. Для содержаний тяжелых металлов (свинца, цинка, кадмия) и нефтеуглеводородов не было выявлено превышений ПДКвр. Наибольшие превышения ПДКвр зарегистрированы для фенолов, марганца и железа, которые, возможно, связаны с естественным региональным геохимическим фоном, определяющимся заболоченностью водосборной территории.
3. На основе сопоставления элементов водного баланса фоновых озер Карельского перешейка по литературным данным и рассчитанного автором водного баланса Нижнего Суздальского озера выявлен ряд различий. Для фоновых озер Карельского перешейка приходная и расходная части баланса практически совпадают, что соответствует доле подземного притока, не превышающей 2 %. Напротив, в городских Суздальских озерах грунтовый приток составляет не менее 30 %, что косвенно указывает на негативное влияние техногенных изменений урбанизированных ландшафтов.
4. На основе расчета водно-солевого баланса Нижнего Суздальского озера за 2019 год определены значения внешней и внутренней нагрузок для биогенных элементов и тяжелых металлов. Годовая внешняя нагрузка, соответствующая аллохтонному поступлению биогенных элементов в озеро составляет: Робщ = 0,5 г/м2, Р-РО4 = 0,3 г/м2, No^ = 28,2 г/м2, N-NO3 = 15,3 г/м2, N-NH4 = 10,1 г/м2, N-NO2 = 1,9 г/м2. Годовая внешняя нагрузка, соответствующая аллохтонному поступлению тяжелых металлов в озеро составляет: Беобщ = 1,67 г/м2, Zn = 0,06 г/м2, Mn = 0,16 г/м2. Внутренняя нагрузка биогенных элементов, соответствующих автохтонному поступлению этих элементов из донных отложений составляет: Робщ = 0,10 г/м2, Р-РО4 = 0,15 г/м2; N^ = 7,80 г/м2, N-NO3 = 3,13 г/м2, N-NH4 = 5,71 г/м2, N-NO2 = 0,29 г/м2.
5. По данным невязки солевых балансов различных химических веществ проанализированы особенности их привноса и выноса с притоками Нижнего Суздальского озера — р. Старожиловкой и Каменкой. Отрицательная невязка баланса, установлена для общей минерализации, главных ионов, органического вещества (по ХПК), фенолов и общего железа, которая свидетельствует о выносе этих веществ в открытую речную сеть по р. Каменке. Положительная невязка баланса установлена для всех соединений азота и фосфора, цинка и марганца, что свидетельствует о депонировании этих веществ в озере. Максимальная удерживающая способность (52-56%) установлена для минерального фосфора и аммонийного азота, минимальная (до 15%) — для нитритного азота. Всего за 2019 год депонировалось в озере: Р-РО4 до 107 кг, N-NO2 — до 200 кг, N-NO3и N-NH4 — от 2 до 4 т, Zn — 16 кг, Mn — 45 кг.
6. Из анализа данных балансовых исследований сделаны выводы о рекомендуемых мероприятия по улучшению экологической обстановки в системе Суздальских озер. К ним относятся мероприятия по расчистке русла канализированной части нижнего течения р. Старожиловки, а также очистка береговой водоохранной зоны озер от мусора и контроль потенциальных источников загрязнения воды от коммерческих предприятий.