Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы оценки влияния городского ландшафта на качество водоемов 13
1.1 Водоемы – природный компонент урболандшафта 13
1.1.1 Воздействие отраслей ЖКХ на водоемы 14
1.2 Экологические индикаторы состояния водоемов 15
1.3 Показатели качества воды 16
1.4 Показатели антропогенного эвтрофирования водоемов 22
1.5 Показатели характера сапробности водоемов 23
1.6 Комплексные показатели экологического состояния водоемов 25
1.7 Мероприятия по восстановлению водоемов 26
1.7.1. Современные способы экореабилитации водоемов 27
1.8 Оценка безопасности грунтовых плотин, образующих водоемы 28
1.8.1 Методы оценки безопасности грунтовых плотин 30
1.8.2 Срок эксплуатации грунтовой плотины 32
Выводы по первой главе 33
2 Объект и методы исследования 34
2.1 Объект исследования 34
2.1.1 Природно-ландшафтная характеристика г. Уфа 36
2.1.2 Функционально-планировочная структура урболандшафта г. Уфа 37
2.1.3 Характеристика пруда Теплый 40
2.1.4 Характеристика пруда Долгий 41
2.1.5 Характеристика фонового объекта 43
2.2 Методика отбора проб воды 44
2.2.1 Методы измерения гидрохимических показателей 47
2.3 Описание фитоценозов водоемов 48
2.4 Статистические методы обработки данных 49
2.5 Метод попарного сравнения 50 Выводы по второй главе 51
3 Геоэкологическая оценка водоемов 52
3.1 Исследование геоэкологической опасности водоемов 52
3.2 Способ геоэкологической оценки городских водоемов
3.2.1 Сбор исходных данных для геоэкологической оценки водоемов 53
3.2.2 Анализ исходных данных для геоэкологической оценки водоемов 55
3.3 Разработка сводного показателя для оценки состояния водоемов 56
3.3.1 Обоснование выбора показателей качества воды 56
3.3.2 Преобразование показателей качества воды 59
3.3.3 Выбор агрегирующей функции сводного показателя 63
3.3.4 Разработка шкалы сводного показателя 64
3.3.5 Оценка качества водоемов, в которые сбрасываются производственные сточные воды 66
3.3.6 Оценка пригодности водоемов для ЖКХ по сводному показателю 67
3.4 Разработка математической модели по определению концентрации растворенного кислорода в водоемах, подверженных тепловому загрязнению 68
3.4.1 Математическая модель по определению концентрации растворенного кислорода 69
3.5 Апробация разработанного способа геоэкологической оценки 71
3.6 Исследование антропогенных факторов, воздействующих на пруды Теплый и Долгий (этап 3.1) 72
3.7 Морфометрическое исследование прудов Теплый и Долгий (этап 3.2) 73
3.8 Гидрохимический анализа водоемов (этап 3.3) 76
3.9 Исследование температуры воды прудов Теплый и Долгий 76
3.9.1 Анализ теплового загрязнения пруда Теплый (этап 4.3) 83
3.10 Исследование концентрации растворенного кислорода прудов Теплый и Долгий 84
3.11 Апробация предложенной математической модели по определению концентрации растворенного кислорода 90
3.12 Исследование рН воды прудов Теплый и Долгий 94
3.13 Исследование электропроводности воды прудов Теплый и Долгий 99
3.14 Исследование перманганатной окисляемости воды прудов Теплый и Долгий105
3.15 Гидробиологическое исследование прудов Теплый и Долгий
3.15.1 Флористическое описание пруда Теплый (этап 3.4) 110
3.15.2 Флористическое описание пруда Долгий (этап 3.4) 113
3.15.3 Гидробиологическое исследование фонового объекта 118
3.16 Оценка геоэкологической обстановки прудов Теплый и Долгий (этап 4.2) 120
3.17 Оценка качества воды прудов Теплый и Долгий по сводному показателю (этап 4.5) 125
Выводы по третьей главе 126
4 Рекомендации и технические решения по восстановлению водоемов 128
4.1 Разработка рекомендаций по наблюдению за грунтовыми плотинами городских водоемов 128
4.2 Построение ориентированного графа, описывающего связи между видами воздействия воды на грунтовую плотину 131
4.3 Определение критического срока эксплуатации грунтовой плотины методом построения классификационных шкал 136
4.4 Определение критического срока эксплуатации грунтовой плотины методом кластерного анализа 138
4.5 Разработка алгоритма выбора мероприятий по экореабилитации городских водоемов 1 4.6 Разработка устройства очистки бессточных водоемов 144
4.7 Сифонный водосброс 148
4.7.1 Анализ экспериментальных данных 152
Выводы по четвертой главе 157
Выводы 158
Список литературы
- Экологические индикаторы состояния водоемов
- Функционально-планировочная структура урболандшафта г. Уфа
- Анализ исходных данных для геоэкологической оценки водоемов
- Определение критического срока эксплуатации грунтовой плотины методом построения классификационных шкал
Введение к работе
Актуальность. Каждый город представляет собой природно-техногенную систему, основу которой составляет ландшафт, включающий природные и антропогенные компоненты. Одним из природных компонентов городских ландшафтов (или урбо-ландшафтов), подверженных антропогенному воздействию являются водоемы.
При современных темпах урбанизации основное влияние на водоемы оказывают строительство (промышленное, транспортное, жилищно-гражданское, гидротехническое и гидромелиоративное), посредством массовой застройки территории водосбора, и жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ), обеспечивающее функционирование города и комфортное проживание населения.
В пределах города на водоемы воздействуют следующие экологические (в том числе антропогенные) факторы природно-техногенных систем:
– химическое загрязнение, обусловленное сверхнормативным поступлением пол-лютантов в водоем, вследствие сброса производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод, неорганизованного поверхностного стока, захламления прибрежной зоны твердыми коммунальными отходами и т.д.;
– рекреационная нагрузка;
– тепловое загрязнение из-за сброса подогретых вод ТЭЦ, которые приводят к изменению геоэкологической обстановки водоемов.
В настоящее время городским водоемам уделяется недостаточно внимания, а оценка их качества и, как следствие, принятие своевременных решений по обеспечению их устойчивого существования затруднены по причине отсутствия информации. По данным Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды на территории РФ общее количество пунктов режимных наблюдений на городских водоемах (114) в 13 раз меньше чем на водотоках (1538).
Основными направлениями изучения вопроса геоэкологической оценки состояния водоемов городского ландшафта являются: развитие научных основ мониторинга; нормирование антропогенной нагрузки; оценка изменения состояния водоемов под влиянием ЖКХ по различным показателям; разработка природозащитных технологий. При всем этом, гидрохимические и гидробиологические показатели качества воды, как правило, рассматриваются раздельно, что затрудняет однозначную оценку состояния городских водоемов, и как следствие выбор мероприятий по их оздоровлению. В связи с этим тема диссертационного исследования является весьма актуальной.
Теоретическая и методологическая основа исследований базируется на идеях и трудах ведущих ученых в области геоэкологии, лимнологии и природопользования: Абакумов В.А., Алекин О.А., Баренбойм Г.М., Богословский Б.Б., Былинкина А.А., Дмитриев В.В., Драбкова В.Г., Драчев С.М., Жигульский В.А., Жукинский В.Н., Кро-мер Р., Масликов В.И.; Музалевский А.А., Оксинюк О.П., Прыткова М.Я., Пупырев Е.И., Реймерс Н.Ф., Розенберг Г.С., Румянцев И.С., Сватовская Л.Б., Сметанин В.И.,
Столберг Ф.В., Федоров М.П., Якушко О.Ф., Henderson-Sellers B., Hutchinson G.E., Kalff J., Markland H.R. и др.
Характерным примером городского ландшафта, в пределах которого на водоемы воздействует хозяйственная деятельность человека и при этом на них отсутствуют гидропосты, является г. Уфа.
Область исследования соответствует паспорту научной специальности 25.00.36 – Геоэкология (строительство и ЖКХ) (технические науки) по пунктам:
5.6. Природная среда и ее изменения под влиянием урбанизации строительной и
хозяйственной деятельности человека: загрязнение почв, горных пород, поверхностных
и подземных вод, возникновение и развитие опасных природных и техноприродных
процессов. Характеристика, оценка состояния и управление современными ландшаф
тами.
5.7. Характеристика, оценка состояния и управление природно-техногенными
ландшафтами (в т.ч. урболандшафтами).
5.16. Технические средства, технологии и сооружения для локализации и ликвидации негативных природных и техногенных воздействий на окружающую среду при осуществлении строительной и хозяйственной деятельности.
Цель работы. Разработка способа геоэкологической оценки состояния водоемов городских ландшафтов, позволяющего определять их изменения под влиянием ЖКХ и предложить мероприятия по ликвидации негативных воздействий хозяйственной деятельности.
Основные задачи исследования:
– провести анализ существующих методов геоэкологической оценки состояния городских водоемов и применяемых показателей;
– классифицировать водоемы городского ландшафта с учетом воздействующих антропогенных факторов и их морфологических особенностей;
– разработать алгоритм геоэкологической оценки состояния городских водоемов при воздействии хозяйственной деятельности;
– предложить минимально достаточный комплекс показателей качества воды для оценки состояния водоемов;
– разработать сводный показатель качества водоемов, объединяющий предложенный комплекс гидрохимических и гидробиологических показателей;
– апробировать предложенный алгоритм геоэкологической оценки состояния водоемов и разработанный сводный показатель на конкретных объектах;
– на основе полученных результатов геоэкологической оценки предложить рекомендации и технические решения по ликвидации техногенных воздействий на водоемы при осуществлении хозяйственной деятельности.
Объект исследования. Водоемы в городском ландшафте.
Научная новизна работы:
– предложена классификация водоемов городского ландшафта по степени геоэкологической опасности;
– приведены научно-методические основы геоэкологической оценки состояния водоемов городского ландшафта при влиянии на них ЖКХ;
– разработан сводный показатель для оценки состояния водоемов, объединяющий предложенный минимально достаточный комплекс гидрохимических и гидробиологических показателей качества воды;
– научно обоснован комплекс мероприятий, направленных на восстановление водоемов городского ландшафта, подверженных антропогенному воздействию.
Теоретическая значимость работы. Расширение методической базы геоэкологической оценки изменения состояния водоемов городских ландшафтов при воздействии на них ЖКХ, путем разработки сводного показателя качества водоемов, позволяющего однозначно оценить их состояние и выбрать мероприятия по экореабилита-ции.
Практическая значимость работы. Разработаны программы для ЭВМ по расчету:
– сводного показателя качества водоемов по измеренным значениям гидрохимических показателей и рассчитанному значению индекса сапробности с учетом периода отбора проб и проточности водоема (свидетельство о гос. рег. прог. для ЭВМ № 2012613253 от 06.04.12 г.);
– концентрации растворенного кислорода в водоемах-охладителях объектов электроэнергетики по измеренному значению температуры сбрасываемых вод и морфомет-рическим характеристикам водоема (свидетельство о гос. рег. прог. для ЭВМ № 2012611727 от 15.02.12 г.).
Апробирована работа сифонного водосброса грунтовой плотины (патент №100528 от 20.12.10 г.) в лабораторных условиях.
Материалы диссертационного исследования используются в учебном процессе: кафедры «Техносферная и экологическая безопасность» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I (справка о внедрении от 05.05.17 г.).
Результаты и материалы диссертационной работы внедрены в деятельность: АО Ленинградские областные коммунальные системы; Филиал «ЦЛАТИ по Республике Башкортостан» ФГБУ «ЦЛАТИ по ПФО» (акт внедрения № 01-146 от 21.03.17 г.).
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались следующие методы:
– методы планирования экспериментов;
– физико-химические методы анализа воды (измерение температуры воды, концентрации растворенного кислорода, определение перманганатной окисляемости тит-3
риметрическим методом и др.);
– методы флористического описания;
– статистические методы анализа лабораторно-полевых измерений;
– методы системного анализа и экспертных оценок при оценке параметров математических моделей;
– геоинформационные системы ArcGis 9.3.1 и Surfer 9.0.
Положения, выносимые на защиту.
1. Способ геоэкологической оценки состояния водоемов городского ландшафта,
подверженных воздействию со стороны ЖКХ, по предложенным критериям геоэколо
гической опасности, включающий:
– исследование состояния водоемов по предложенным наборам гидрохимических (I, II, III приоритет) и гидробиологических показателей качества воды и разработанному сводному показателю (патент № 2492641 от 20.09.13 г.);
– оценка наличия теплового загрязнения водоемов, используемых как охладители объектов электроэнергетики, с последующим расчетом концентрации растворенного кислорода по предложенной математической модели, реализованной в виде программы для ЭВМ (№ 2012611727 от 15.02.12 г.);
и апробированный на примере конкретных водоемов.
2. Технические решения по устранению последствий воздействия отраслей ЖКХ
на водоемы:
– устройство очистки бессточных водоемов (патент № 2511142 от 10.04.14 г.) для удаления органических веществ из толщи водоема;
– сифонный водосброс (патенты №100528 от 20.12.10 г. и №116159 от 20.05.12 г.) для изъятия вод из гиполимниона, апробированный на лабораторной модели.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом лабораторных исследований воды (180 проб) в аккредитованной лаборатории на поверенном оборудовании с применением общепринятых методов анализа; использованием статистических методов обработки экспериментальных данных; сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных данных с результатами аналогичных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях, симпозиумах и семинарах в Санкт-Петербурге (2012, 2016), Москве (2012–2015), Уфе (2010–2014), Минске (2011–2014), Тольятти (2011, 2013), Челябинске (2011, 2012), Иркутске (2011), Оренбурге (2011), Праге (2012), Новосибирске (2012–2014), Казани (2011, 2012), Салерно (2013). Лабораторные исследования сифонного водосброса выполнены в рамках программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.») (2010 г.).
Личный вклад автора заключается в:
– формулировке идеи, постановке целей и задач исследования, проведении теоре-4
тического обобщения и анализа сведений об изменениях водоемов под воздействием антропогенных факторов ЖКХ;
– сборе морфометрических данных, отборе проб воды на химический анализ, флористическом описании водоемов, интерпретации полученных данных;
– разработке: критериев геоэкологической опасности, алгоритма геоэкологической оценки состояния водоемов городских ландшафтов, минимально достаточного комплекса показателей качества воды, сводного показателя состояния водоемов и технических решений по восстановлению водоемов.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 30 печатных работ, из них 2 в международных изданиях, включенных в системы цитирования Web of Science и Scopus; 6 в изданиях, рекомендованных ВАК. Получены 4 патента и 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 187 страницах основного текста, иллюстрирована 50 рисунками и 57 таблицами. Список литературы включает 271 наименование.
Экологические индикаторы состояния водоемов
Антропогенное эвтрофирование водоемов обусловлено возрастанием притока биогенных веществ (азот, фосфор) в результате техногенной деятельности человека [58]. По схеме Тинемана-Наумана водоемы по уровню биологической продуктивности (трофический статус) разделяются на олиго-, мезо-, эвторфные и дистрофные.
В настоящее время существует множество показателей, определяющих трофический статус водоема [93]: – гидробиологические: продукция фитопланктона (Винберг Г. Г. [94], Китаев С. П. [95]), интенсивность фотосинтеза (Романенко В. И. [96]), концентрация хлорофилла «а» (Бульон В. В. [97], Винберг Г. Г. [98], Хендерсон-Селлерс Б. [59], Dobson F. H. [99]), биомасса фитопланктона (Китаев С. П. [95], Милиус А. Ю. [100], Михеева Т. М. [101], Трифонова И. С. [102]), численность зоопланктона (Blancher E. [103]), ихтиомасса (Руденко Г. П. [104]); – гидрохимические: прозрачность воды по диску Секки (Китаев С. П. [95], Романенко В. И. [96], Хендерсон-Селлерс Б. [59]), кислородный коэффициент (Салазкин А. А. [105]), концентрация фосфора (Милиус А. Ю. [100]), концентрация азота (Forsberg C., Ryding S. O. [106]), углерод растворенного органического вещества (Калинина Л. А. и Румянцева Э. А. [107]), электропроводность (Институт охраны природы и заповедного дела Минэкологии России, 1992), рН (Романенко В. Д. [108]).
Сопоставление приведенных гидрохимических и гидробиологических показателей трофического статуса водоема с показателями таблицы 1.2 и 1.3 свидетельствует о возможности использования одних и тех же показателей для определения, как качества воды, так и трофического статуса водоема.
Степень загрязнения городских водоемов органическими веществами определяется сапробностью, т.е. комплексом физиолого-биохимических свойств организма, обусловливающим его способность обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ (Долгов Г. И. и Никитинский Я. Я. [109]). В соответствии с классификацией Р. Кольквитца и М. Марссона существует четыре зоны сапробности: поли-, мезо ( и )- и олигосапробные. В качестве гидробиологических показателей качества воды используют практически все группы водных организмов: планктонные и бентосные беспозвоночные, бактерии, простейшие водоросли, макрофиты и рыбы [60, 110-112]. Р. Кольквитц и М. Марссон в начале ХХ-го века разработали списки видов-индикаторов, характерных для каждой из зон сапробности, которые в последующем пополнялись отечественными и зарубежными исследователями (Балушкина Е. В. [113], Долгов Г. И. и Никитинский Я. Я. [109], Кутикова Л. А. [114], Никулина В. Н. [115], Сладечек В. [116], Тодераш И. К. [117]).
Определение сапробности водоемов по индикаторным видам осуществляется: – графо-аналитический методом Кнеппа [60, 111, 118-120]; – методом Пантле и Букка [111, 118-120]; – методом Дж. Ротшeйн [111, 118]; – методом М. Зелинки и П. Марван [111, 118]; – методом координат С. Головина [111].
В условиях большого количества водоемов в пределах урболандшафта для оперативного определения индекса сапробности воды чаще всего используют макрофиты. Существуя на границе водораздела, характер развития, обилие видового состава и жизненность макрофитов являются качественным показателем состояния водоемов [121].
Оксиюк О. П. и Жукинский В. Н. в своей работе [122] соотнесли две шкалы: сапробности и трофности: олигосапробность – олиготрофия, -мезосапробность – мезотрофия, –мезасапробность – эвтрофия и полисапробность – гипертрофия, что позволяет показатели трофического статуса использовать для определения характера сапробности. В свою очередь, как показано выше, трофический статус водоема возможно определить по гидрохимическим показателям качества воды.
Таким образом, отдельные показатели качества воды могут быть использованы для определения, как трофического статуса водоема, так и характера сапробности (например, электропроводность воды). 1.6 Комплексные показатели экологического состояния водоемов
Для оценки состояния водоемов городского ландшафта кроме отдельных гидрохимических и гидробиологических показателей используются комплексные показатели, которые условно возможно разделить на четыре группы: включающие только гидрохимические показатели (первая группа), включающие только гидробиологические (вторая группа), включающие как гидрохимические, так и гидробиологические показатели качества воды (третья группа) и все остальные (четвертая группа) [123, 124].
Основными исследователями в области разработки мероприятий по восстановлению водоемов, т.е. по улучшению и/или сохранению их состояния с учетом природного потенциала, являются Богданов Н. И. [138], Волшаник В.В. [4], Драбкова В. Г. [139], Кривицкий С.В. [140], Кромер Р. К. [141], Маркленд Х. Р. [59], Прыткова М. Я. [139], Пупырев Е.И. [4], Румянцев И. С. [141], Сметанин В. И. [98], Хендерсон – Селлерс Б. [59], Якушко О.Ф. [139] и др.
Хендерсон-Селлерс Б., Маркленд Х. Р. в своей работе [59] мероприятия по экореабилитации водоемов разделяет на профилактические и восстановительные. К профилактическим относят: контроль сброса, удаление и подавление активности биогенных веществ, использование предварительного отстойника, практика использования земель, изменение вида вещества. Восстановительные методы: отвод стока, разбавление, углубление дна, изоляция донных отложений, драгирование, спуск водохранилища, химическая обработка, реаэрация, сбор биомассы, биологический контроль. Однако, в работе отсутствуют критерии, основанные на состоянии водоемов, позволяющие выбрать конкретные мероприятия.
Драбкова В. Г., Прыткова М. Я., Якушко О.Ф. в работе [139] предлагают две группы мероприятий по восстановлению только сильно загрязненных водоемов. В первую группу входят мероприятия на водосборе: агро-, луго- и лесомелиоративные, гидротехнические (водоемы-регуляторы, очистные сооружения), почвоохранные, запретительные (внесение удобрений, хранение удобрений на полях) и рекомендательные (дробный и локальный способы внесения удобрений). Во вторую группу входят мероприятия в водоеме: инженерные (дноуглубление, изоляция донных отложений, аэрация), химические (внесение в водоем сульфата меди, квасцов), биологические (сбор и изъятие макрофитов, водорослей, рыб, разведение рыб).
Кривицкий С. В. в своей работе [140] предлагает процесс экореабилитации разбить на три этапа: 1) сбор исходных данных; 2) техническая реабилитация (выемка иловых отложений, ремонт подпорных сооружений, берегоукрепительные работы); 3) биологическая реабилитация (заселение живых организмов и посадка макрофитов). Отдельные из вышеприведённых мероприятий по восстановлению водоемов рассмотрены в работах отечественных [142-149] и зарубежных исследователей [150-158]. Метод выбора технологии восстановления водоемов с использованием нечетких множеств предложен в работе [159], однако в данном методе используются только некоторые показатели качества воды, при этом не учитывается общее состояние водоема. Таким образом, в настоящее существует множество методов по экореабилитации водоемов, но отсутствуют критерии выбора конкретного мероприятия.
Функционально-планировочная структура урболандшафта г. Уфа
Отбор проб воды осуществлялся в соответствии с нормативными документами: ГОСТ 24902-81 [228], ГОСТ 17.1.3.07-82 [61], ГОСТ 17.1.5.05-85 [229], ГОСТ Р 51592-2000 [230], регламентирующими порядок проведения отбора проб, обеспечивающими правильность отбора проб и сохранность определяемых ингредиентов.
При контроле качества воды, по водоему устанавливалось не менее трех точек отбора проб, равномерно распределенных по акватории с учетом строения береговой линии. Для площадного водоема точки отбора проб располагались в центральных узлах секторов, на которые первоначально разбивались водоемы. Для протяженного водоема точки отбора проб повторяли срединную линию водоема, с минимальным расстоянием между точками 100 м (рисунок 2.7) [61].
В соответствии со схемами отбора проб воды, приведенными на рисунке 2.7, определены точки отбора пробы воды на прудах Теплый и Долгий (рисунок 2.8). Схема отбора проб воды на прудах: а) Теплый; б) Долгий Географические координаты установленных точек отбора проб воды на прудах Теплый и Долгий приведены в таблице 2.2.
Географические координаты точек отбора проб воды на прудах Теплый и Долгий Точки отбора проб Пруд Теплый Пруд Долгий 1 2 3 1 5447 6" с.ш. 566 34" В.Д. 5443 41" с.ш. 5554 33" в.д. 2 5447 5" с.ш. 566 26" в.д. 5443 44" с.ш. 5554 38" в.д. 3 5447 5" с.ш. 566 7" в.д. 5443 51" с.ш. 5554 39" в.д. 4 5447 1" с.ш. 566 7" в.д. 5443 58" с.ш. 5554 38" в.д. 5 5447 1" с.ш. 566 15" в.д. 5444 1" с.ш. 5554 38" в.д. 6 5447 1" с.ш. 566 22" в.д. 5444 9" с.ш. 5554 37" в.д. 7 5446 56" с.ш. 566 15" в.д. 5444 15" с.ш. 5554 35" в.д. 8 5446 56" с.ш. 566 22" в.д. 5444 21" с.ш. 5554 36" в.д. 9 5446 50" с.ш. 566 15" в.д. 10 5446 50" с.ш. 566 22" в.д. 11 5446 45" с.ш. 566 22" в.д. 12 5446 41" с.ш. 566 22" в.д. 13 5446 39" с.ш. 566 24" в.д. На исследуемых водоемах устанавливался один горизонт у поверхности воды: 0,3 м от поверхности воды, т.к. средняя глубина обоих водоемов не превышает 5 м [61]. На пруду Теплый пробы воды отбирались в установленных точках (таблица 2.2) осенью (18.11.2010, 14.10.2011, 15.10.2012), весной (26.04.2011, 27.04.2012), в начале лета (16.06.2011, 27.06.2012) и в конце лета (17.08.2011, 21.08.2012). На пруде Долгий точечные пробы воды отбирались весной (27.04.2011, 26.04.2012), в начале лета (20.06.2011, 26.04.2012), в конце лета (16.08.2011, 24.08.2012) и осенью (12.10.2011, 16.10.2012).
Для определения гидрохимических показателей пробы воды отбирались в стеклянную посуду с минимальным объемом 0,5 дм3. Отбор проб воды сопровождался фиксацией глубины с помощью ручного эхолота JJ-Connect Fisherman 130 и температуры воды - цифровым термометром ТМ 1001 М. 2.2.1 Методы измерения гидрохимических показателей
Измерение гидрохимических показателей для оценки состояния водоемов проводилось в аккредитованной лаборатории на поверенном оборудовании. Водородный показатель определялся в соответствии с ПНД Ф 14.1:2:3:4.121-97 [231] потенциометрическим методом на приборе pH-метр Эксперт-001-1рН. Метод основан на измерении ЭДС электродной системы, состоящей из стеклянного электрода, потенциал которого определяется активностью водородных ионов, и хлорсеребряного электрода сравнения с известным потенциалом в диапазоне от 1 до 14.
Концентрация растворенного кислорода определялась в соответствии с ISO 5814:1990 [232] полярографическим методом на приборе АЖА-101М. Метод основан на измерении предельного диффузионного тока при напряжении, соответствующим восстановлению на индикаторном электроде молекулярного кислорода, содержащегося в воде.
Электропроводность воды определялась в соответствии с РД 52.24.495-2005 [233] методом прямой кондуктометрии на приборе inoLab Cond Level1. Метод основан на контактном измерении тока с учетом электролитической постоянной датчика проводимости и температуры воды.
Абсолютная погрешность приборов, используемых для измерения показателей, представлена в таблице 2.3. Таблица 2.3 – Абсолютная погрешность приборов Прибор Абсолютная погрешность Дискретность прибора Ручной эхолот JJ-Connect Fisherman 130 ±0,5 м 0,1 м Цифровой термометр ТМ 1001 М ±1 С 0,1 С pH-метр Эксперт-001-1рН ±0,02 0,01 Кислородомер АЖА-101М ±(0,2+0,01А) 0,1 мг/дм inoLab Cond Level 1 ±0,005А 1 мкСм/см Примечание: А – показание прибора Перманганатная окисляемость воды определялась в соответствии с ПНД Ф 14.1:2:4.154-99 [234] титриметрическим методом, основанным на окислении веществ, присутствующих в пробе воды, известным количеством перманганата калия в сернокислой среде при кипячении в течение 10 минут. Не вошедший в реакцию перманганат калия восстанавливался щавелевой кислотой. Избыток щавелевой кислоты оттитровывался раствором перманганата калия. По разности результатов титрования исследуемой и холостой пробы рассчитывалось количество кислорода, израсходованного на окисление органических веществ.
Флористическое описание водоемов проводилось в естественных границах на наиболее однородных участках основных сообществ путем натурных исследований фитоценозов. В ходе флористического описания определялись состав и структура сообществ гелофитов, гидатофитов и плейстофитов и выявлялись индикаторные виды высшей водной растительности, включенные в систему Кольквитца - Марсcона [60, 118]. Ввиду небольших размеров водоемов (менее 1 км2) трансекты не закладывались. Для глазомерной оценки степени зарастания водоемов использовалась схема K. Starmach (рисунок Б1, Приложение Б) [235]. При исследовании фитоценозов описывалось общее состояние фитоценоза, флористический состав, обилие видов по глазомерной шкале O.Drude [235], особенности размещения высшей водной растительности по площади водоема (равномерное, пятнами, полосами и т.д.) и жизненность видов по шкале А.Г. Воронова [60]. Флористическое описание прудов Теплый и Долгий проводилось в начале лета (15.06.2011, 27.06.2012 и 14.06.2011, 26.06.2012 соответственно) в период отбора проб воды.
Анализ исходных данных для геоэкологической оценки водоемов
Таким образом, при величине QA 0,3688 водоем в пределах урболандшафта является пригодным для ЖКХ, за исключением случаев теплового загрязнения. Сравнив полученный результат (таблица 3.8) с данными таблицы 3.7, в работе предложено условие пригодности водоемов для конкретных видов водопользования ЖКХ: если качество воды по рассчитанному значению сводного показателя «очень чистый», «чистый», «умеренно загрязненный», то водоем является пригодным для хозяйственно-питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения и рекреационного водопользования.
Для оперативного расчета концентрации растворенного кислорода в условиях теплового загрязнения и отсутствия гидропостов предложена математическая модель (этап 5.1). При разработке математической модели по определению концентрации растворенного кислорода предложен интегральный подход, объединяющий уравнение Стритера-Фелпса (Streeter H.W., Phelps, E.B. 1925) [243-247], уравнение фактической и равновесной концентрации кислорода (Леонов, 1989) и уравнение продольной дисперсии. 3.4.1 Математическая модель растворенного кислорода определению концентрации
В общем случае модель Стритера-Фелпса для растворенного кислорода записывается в виде [243]: d2D_vdD Е (3.19) k2-D + k1-L-r = 0 dx2 dx и справедлива при следующих ограничениях: – расход и гидравлические характеристики потока постоянны; – в водоеме соблюдается режим полного перемешивания. Решением уравнения (3.1) при граничном условии D (0)=D0 является: D = D0-ey2X + Ух 2Е 2Е Уг К f-r к еу х - к еУ2Х L0(e»x -еУ2Х) + (\- - ) к к2-кх к-к (и- и2+4-к1-Е), (u- uz+4-k2-E) (3.20) (3.21) (3.22) где D – дефицит кислорода, мг/дм3; k2 – коэффициент реаэрации, 1/сут [35, 248]: k2 = 3,68 v 1,024 Т-20 (3.23) где v - скорость течения, м/с; h - средняя глубина водоема, м; Кі - коэффициент неконсервативности органического обуславливающий БПКполн: кх = 0,23 1,047 вещества (3.24) L0 – БПКполн в начальном створе, мг/л; Е – коэффициент продольной дисперсии, м2/с, определяется по уравнению Караушева [248]: и- g h 37 " 2 , (3.25) где пш - коэффициент шероховатости дна; Sh - коэффициент Шези, определяется по уравнению Павловского Н.Н. [248]: Ry Sh = — п- (3.26) ш у = 25 пш - 0,13 - 0,75 4я( пш - 0,1) где R - гидравлический радиус: R = Z , (3.28) где СО - площадь живого сечения; X - смоченный периметр: где т - уклон дна водоема; /иг- интенсивность внешнего поступления органических веществ в единицах БПК и растворенного кислорода соответственно, г/м3с (при отсутствии диффузионного поступления вещества извне f=r=0); х - расстояние от места сброса теплых вод до расчетного створа, км. Фактическая концентрация растворенного кислорода [35, 249]: Сфакт= Срат-В, (3.30) где СРавн - концентрация насыщения воды кислородом (равновесная концентрация), мг/дм3 [250]: Сравн = 14,62 - 0,4042 Т + 0,00842 Т2 - 0,00009 Г3 где Т - температура сбрасываемых подогретых вод в начальном створе, С. Путем подстановки дефицита растворенного кислорода, определяемого по зависимостям 3.20-3.22, и равновесной концентрации, определенной по 3.31, в 3.30 определяется фактическая концентрация растворенного кислорода водоема, подверженного тепловому загрязнению. Для снижения трудоемкости расчетов концентрации растворенного кислорода предложенная математическая модель реализована в виде программы для ЭВМ «Расчет концентрации растворенного кислорода в водоеме в условиях теплового загрязнения» (свидетельство о государственной регистрации № 2012611727 от 15.02.12 г.).
Разработанный способ геоэкологической оценки изменения состояния водоемов при воздействии ЖКХ (рисунок 3.1), как и предложенные критерии геоэкологической опасности апробированы на водоемах г. Уфа. Результаты оценки соответствия водоемов г. Уфа критериям геоэкологической опасности (А, Б, В) приведены в таблице 3.9.
Как видно из таблицы 3.9, все водоемы на территории г. Уфа подвержены антропогенному воздействию, при этом ко II группе (А + В) геоэкологической опасности относится водоем плотинного типа (пруд) Долгий, а к III группе водоем плотинного типа (пруд) Теплый. Таким образом, в качестве апробации (объектов исследования) выбраны пруды Теплый и Долгий, представляющие наибольшую геоэкологическую опасность для населения г. Уфа. Геоэкологическая оценка водоемов г. Уфа проведена поэтапно, в соответствии с разработанной схемой (рисунок 3.1).
При исследовании антропогенных факторов, воздействующих на пруды Теплый и Долгий учитывались факторы прямого (непосредственного) и косвенного (опосредованного) воздействия. Прямое воздействие на пруд Теплый проявляется в виде точечного сброса нормативно-чистых подогретых вод Уфимской ТЭЦ-2. Прямое воздействие на пруд Долгий отсутствует.
Площадное воздействие на пруд Теплый проявляется в виде рекреационной нагрузки (на берегу пруда имеется оборудованный пляж и расположена база отдыха «Райский берег»). Линейным источником загрязнения прудов Теплый и Долгий является неорганизованный поверхностный сток с поверхности водосбора.
Точечными источниками загрязнения пруда Долгий являются выпуски хозяйственно-бытовых сточных вод с селитебной зоны и захламление прибрежной зоны твердыми коммунальными отходами. производственные сточные воды в водоемы не сбрасываются.
Для исследования глубины прудов Теплый и Долгий проводилось измерение глубины водоемов в ноябре 2010 г. и в апреле 2011 г. в точках отбора проб воды, приведенных на рисунке 2.8. По полученным экспериментальным данным выполнено пространственное распределение глубины водоема по площади прудов Теплый и Долгий с нанесением изолиний в программе ArcGis 9.3.1 (Spatial Analyst) (рисунок 3.2).
Определение критического срока эксплуатации грунтовой плотины методом построения классификационных шкал
В ходе флористического описания пруда Долгий выявлены индикаторные виды, включенные в список Кольквитца-Марссона [118], и определена частота их встречаемости (этап 3.5). Таблица по определению частоты встречаемости индикаторных видов приведена в таблице Б1 (Приложением Б). На основе полученных данных рассчитан индекс сапробности пруда Долгий (таблица 3.28) (этап 4.4).
Результаты расчета индекс сапробности пруда Долгий (2011 – 2012 гг.) Год Вид Сапробность Индикаторнаязначимость(s) Частотавстречаемости(h) Индекс сапробности 2011-2012 Elodea Canadensis Michx. -мезасапроб 1,85 7 1,92 Ceratophyllum demersum L. -мезасапроб 1,9 7 Lemna minor -мезасапроб 2,25 2 В результате проведенного исследования сапробности пруда Долгий установлено, что индекс сапробности водоема в 2011 и 2012 г. равен 1,92, т.е. пруд Долгий является -мезосапробным (1,5-2,5). В соответствии со шкалой индекса сапробности по классу качества [239] водоем является умеренно загрязненным.
Полученные результаты флористического описания пруда Долгий сравнивались с результатами описания фитоценозов пруда Теплый. Выявлено, что виды, произрастающие на обоих водоемах, отличаются фенологической фазой.
В 2011 г. на пруду Долгий виды в основном находились в фазе бутонизации, а на пруду Теплый – в фазе цветения, что связано с особым микроклиматом на пруду Теплый, обусловленным сбросом теплых вод Уфимской ТЭЦ-2. В 2012 г. наблюдается ускорение фенологических фаз на пруду Долгий, однако данное явление не наблюдается на пруду Теплый. Отсутствие изменений в фенологической фазе на пруду Теплый в 2012 г. по сравнению с 2011 г., обусловлено адаптацией растений к особому (теплому) микроклимату на водоеме, обусловленного сбросами теплой воды Уфимской ТЭЦ-2. В итоге ранняя и теплая весна 2012 г. не оказала влияние на рост высшей водной растительности пруда Теплый, по сравнению с прудом Долгий.
Сообщества прудов Теплый и Долгий отличаются качественным составом высшей водной растительности. При этом выявлено, что в прибрежной зоне пруда Теплый произрастают индикаторные виды антропогенного воздействия, свидетельствующие о загрязнении водоема органическими веществами (Ceratophyllum demersum L., Sagittaria sagittifolia L.) и азот- и фосфор содержащими (Hydrcharis mrsus-rnae). Анализ рисунков 3.4 и 3.28 показал, что приведенные индикаторные виды произрастают в северо-восточной части, характеризующейся заболоченностью, и в юго-восточной, в районе неорганизованного стока поверхностных вод.
В прибрежной зоне пруда Долгий произрастают индикаторные виды антропогенного воздействия, свидетельствующие о загрязнении водоема органическими веществами (Ceratophyllum demersum L., Elodea Canadensis Michx, Stratiotes aloides L, Eleocharis palustris), азот- и фосфор содержащими и тяжелыми металлами (Alisma plantago-aquatica L.). Анализ рисунка 3.29 показал, что индикаторные виды, свидетельствующие о загрязнении водоема органическими веществами, рассредоточены по всей прибрежной зоне водоема, что, вероятно, связано с площадным антропогенным воздействием на водоем. Однако, Alisma plantago-aquatica L. произрастает только в южной части водоема, характеризующейся заболоченностью и зарастанием.
Присутствие тяжелых металлов в водоеме, обусловлено тем, что в начале XXв. в Нижегородке (ранее Нижегородская слобода) располагалось семь кожевенных заводов, которые использовали пруд Долгий для вымачивания шкур [225]. В качестве основных дубильных веществ на кожевенных заводах использовали соли хрома, что и способствовало поступлению тяжелых металлов в водоем. Накопление тяжелых металлов, именно, в южной части водоема, обусловлено тем, что в начале ХХ в. пруд Долгий соединялся с р. Белой в северной части водоема (рисунок 2.3), и это способствовало интенсивному водообмену в северной части водоема и застою воды в южной.
В результате проведенного сравнения результатов флористического описания прудов Теплый и Долгий выявлено, что для пруда Долгий характерно наибольшее число индикаторных видов антропогенного загрязнения по сравнению с прудом Теплый, обусловлено тем, что пруд Долгий является более загрязненным органическими веществами, чем пруд Теплый. Полученные результаты гидробиологического исследования прудов Теплый и Долгий сопоставлялись с фоновым объектом.
Фоновым объектом для сравнения полученных результатов гидробиологического исследования прудов Теплый и Долгий выбрано оз.Сарва, расположенное на расстоянии 80 км от г. Уфа в одной и той же физико-географической зоне. В июне 2012 года проводилось флористическое описание оз. Сарва в естественных границах путем натурных исследований фитоценозов.
Флористический состав оз. Сарва включает 4 вида высших водных растений, принадлежащих к 4 семействам (Рдестовые, Частуховые, Сусаковые, Хвощовые). Основное сообщество гелофитов оз. Сарва - ассоциация хвоща приречного с водными растениями (Equisetum fluviatile aqui-herbosum).
В соответствии с полученными результатами исследования фитоценозов степень зарастания оз. Сарва по схеме Штармаха является равномерной и составляет 1 балл, т.е. 2 % от общей площади водоема. Зарастание водоема макрофитами до 2 %, неравномерного типа (разреженными группами). Характеристика высшей водной растительности, произрастающей в прибрежной зоне оз. Сарва (2012 гг.) приведена в таблице 3.29.