Содержание к диссертации
Введение
1. Общая физико-географическая и хозяйственная характеристика района исследования 8
1.1. Физико-географическая характеристика района исследования 9
1.1.1. Рельеф и геологическое строение 9
1.1.2. Почвенный и растительный покров 10
1.1.3. Климатические условия 11
1.1.4. Характеристика гидрографической сети региона 13
1.2. Хозяйственная освоенность района исследования и влияние антропогенной деятельности в районе на биогенное загрязнение рек 13
1.2.1. Промышленность 16
1.2.2. Коммунальное хозяйство 19
1.2.3. Поверхностный сток с территории 21
1.2.4. Агропромышленный комплекс 22
2. Объекты исследования 25
2.1 Гидрологическая характеристика исследуемых водных объектов 25
2.2 Анализ изученности гидрохимического режима малых рек 30
2.3 Характеристика исследуемых гидрохимических показателей и их роль в водных экосистемах
2.3.1. Водородный показатель рН, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода 38
2.3.2. Различные формы азота 40
2.3.3. Различные формы фосфора
3. Анализ изученности загрязнения р. невы и ее притоков биогенными веществами (обзор литературных источников).. 44
4. Оценка и нормирование качества вод 54
4.1. Методы статистической обработки информации 54
4.1.1. Числовые характеристики рядов наблюдений и классификация данных 54
4.1.2. Законы распределения 57
4.1.3. Статистическая проверка гипотез и оценка однородности информации
4.2. Оценка качества поверхностных вод 61
5. Анализ изменения концентраций биогенных веществ в р. Неве и ее притоках во времени 63
5.1. Исследование взаимосвязи показателей биогенного загрязнения рек 63
5.2. Анализ степени загрязнения р. Невы и ее притоков и динамики изменения концентраций биогенных веществ во времени
5.2.1. Изменение среднегодовых значений рН, БПК5 и концентраций растворенного кислорода 70
5.2.2. Изменение среднегодовых концентраций различных форм азота 71
5.2.3. Изменение среднегодовых концентраций различных форм фосфора 80
6. Анализ изменения концентраций и стока биогенных веществ по длине реки невы 94
6.1. Изменение средних концентраций биогенных веществ по длине р. Невы и в ее притоках 94
6.2. Оценка экстремальных уровней загрязнения рек биогенными веществами
6.2.1. Оценка уровней загрязнения рек по исходным рядам наблюдений 104
6.2.2. Оценка концентраций биогенных веществ при исключении выбросов 109
6.2.3. Оценка экстремальных значений выбросов биогенных веществ 112
6.3. Вынос биогенных веществ со стоком р. Невы 115
6.3.1. Анализ стока воды в р. Неве 116
6.3.2. Анализ баланса биогенных веществ по длине р. Невы и ее притоков 118
Заключение 131
Список использованных источников
- Почвенный и растительный покров
- Характеристика исследуемых гидрохимических показателей и их роль в водных экосистемах
- Числовые характеристики рядов наблюдений и классификация данных
- Оценка уровней загрязнения рек по исходным рядам наблюдений
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время проблема загрязнения и истощения водных ресурсов является одной из наиболее важных глобальных проблем в мире. Вода широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, быту и подвержена непосредственному антропогенному загрязнению. Гидросфера является естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ. С ростом городов, развитием промышленности, активизацией сельского хозяйства давление человека на водные объекты все более усиливается.
Изобилие в регионе Санкт-Петербурга и Ленинградской области водных ресурсов высокого качества способствовало их нерациональному использованию на протяжении длительного периода. В настоящее время река Нева и ее притоки испытывают на себе существенную антропогенную нагрузку, интенсивность которой пока не имеет выраженной тенденции к снижению. В связи с этим особенно актуальными становятся вопросы, связанные с поступлением биогенных веществ в р. Неву и по р. Неве в Невскую губу Финского залива. Поступление биогенных веществ в р. Неву, определяемое притоком воды из Ладожского озера и стоком загрязняющих веществ с части водосбора р. Невы ниже Ладожского озера, в том числе с территории г. Санкт-Петербурга, в значительной степени осложняет экологическую обстановку в Финском заливе. Между тем сведения об объеме стока биогенных веществ по Неве часто противоречивы и, по-видимому, нуждаются в уточнении. Определения объема стока биогенных веществ в устьевой части реки имеют весьма приближенный характер. Сами объемы стока не увязаны по длине реки и не увязаны' с возможными поступлениями биогенных веществ с территории Санкт-Петербурга.
Цель и задачи исследования. Цепью исследований является комплексная оценка загрязнения стока р. Невы и ее притоков биогенными веществами, а также оценка объема биогенных веществ, поступающих по реке Нева в Невскую губу.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Оценка степени загрязнения р. Невы и ее притоков биогенными веществами.
-
Анализ динамики изменения степени загрязнения р. Невы и ее притоков биогенными веществами во времени. ' рос. Национальная і
і БИБЛНОГККЛ і
-
Анализ баланса биогенных веществ по длине реки Нева и на ее притоках.
-
Оценка объема стока биогенных веществ по длине р. Невы.
-
Уточнение стока биогенных веществ за счет выделения экстремальных выбросов, связанных с аварийными ситуациями естественного и антропогенного происхождения.
Исходные материалы и методы исследования. Исследования проводятся на основании данных стационарных наблюдений Северо - Западного УГМС с 1970 по 2003 годы.
В качестве методов исследования используется широкий спектр средств статистической обработки данных, проводится оценка по стандартным нормативным критериям качества воды (ПДК), используются балансовые методы анализа.
Научная новизна работы.
-
Впервые проведено исследование баланса биогенных веществ подлине реки Невы.
-
Выявлены основные закономерности изменения концентраций и объемов стока биогенных веществ в р. Неве и ее притоках во времени.
-
Выявлены основные закономерности изменения концентраций и объемов стока биогенных веществ по длине р. Невы.
-
Дана оценка роли сброса биогенных веществ притоками реки Невы в общем балансе биогенных веществ в р. Неве.
-
Впервые применена теория выбросов для выявления аварийных сбросов биогенных веществ и последующей корректировки оценок концентраций и объемов стока биогенных веществ в р. Неве.
Защищаемые научные положения
-
Система и результаты комплексной оценки изменения загрязненности биогенными веществами стока р. Невы и ее притоков во времени.
-
Система и результаты комплексной оценки изменения загрязненности биогенными веществами стока р. Невы по длине.
-
Комплекс приемов и результаты оценки баланса биогенных веществ в стоке р. Невы.
-
Необходимость учета выбросов при анализе концентраций и объемов стока биогенных веществ по р. Неве и на ее притоках.
5. Рекомендации по оценке экстремальных значений концентраций биогенных веществ в стоке р. Невы.
Личный вклад автора
В основе диссертационной работы лежат результаты пятилетних исследований стока биогенных веществ, полученные лично автором. Часть результатов, связанная с анализом стока биогенных веществ в малых реках, получена под руководством и при участии к.т.н., доцента В.Г. Гутяиченко, что отмечено в списке публикаций.
Практическая ценность и апробация работы.
Полученные в работе выводы могут быть использованы при разработке и реализации природоохранных мероприятий по снижению загрязнения биогенными веществами р. Невы и ее притоков, а также позволяют более точно оценить поступление биогенных веществ по р. Неве в акваторию Невской губы Финского залива.
Основные положения диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на итоговых сессиях ученого совета РГТМУ (2001, 2004), научных и научно-практических конференциях (российских и международных), семинарах политехнического симпозиума «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (2000, 2004), на научной конференции «Экология Санкт-Петербурга и его окрестностей» (2005).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов, изложена на '& страницах, включает 30 рисунков и 20 таблиц. Список использованных источников включает 65 наименований, в том числе 4 иностранных.
Почвенный и растительный покров
Региона Санкт-Петербурга и Ленинградской области занимает сравнительно небольшую территорию, отличающуюся высокой хозяйственной освоенностью. Здесь практически полностью вовлечены в эксплуатацию все виды полезных ископаемых (горючие сланцы, торф, фосфориты, бокситы, минерально-строительные материалы), а также лесные, водные и земельные ресурсы.
В силу своеобразия географического положения район играет важную роль в развитии межрайонных и межгосударственных связей. В структуре производства Санкт-Петербурга и Ленинградской области основную долю составляет обрабатывающая промышленность. Основными отраслями специализации являются машиностроение, легкая и химическая промышленность. Видное место занимают также нефтепереработка и целлюлозно-бумажное производство. Относительно высок уровень развития вспомогательных и обслуживающих отраслей промышленности: электроэнергетики, пищевой и других, а также строительства, сельского хозяйства, транспорта. Основная часть экономического потенциала - производственной и социальной инфраструктур - приходится на Санкт-Петербург, здесь же проживает и большая часть населения. Уровень сельскохозяйственного производства особенно высок в Ленинградской области. Таким образом, Санкт-Петербург и Ленинградская область отличаются высоким уровнем антропогенной нагрузки на территорию.
Среди прямых форм значимого воздействия города и области на окружающую среду следует назвать загрязнение восточной части Финского залива коммунально-бытовыми и промышленными стоками.
В Санкт-Петербурге расположено около 2 тыс. предприятий, среди которых преобладают водоресурсно-энергоемкие и экологически опасные производства с устаревшим оборудованием и отсталыми технологиями.
В Ленинградской области крупнейшими промышленными центрами являются города Выборг, Волхов, Гатчина, Кириши, Кировск, Луга, Сланцы, Сосновый Бор, Тихвин, Тосно, при этом порядка 60 % очистных сооружений сточных вод работают с перегрузкой и не очищают стоки до требуемых параметров.
Ежегодно из водных объектов, находящихся на территории Санкт-Петербурга, забирается почти 2 млрд. м3 свежей воды, третья часть от забора сбрасывается обратно в водоемы, причем более трети - без очистки, а две трети - в недостаточно очищенном виде. Промышленные предприятия города сбрасывают со стоками в водоемы города порядка 1,5 млрд. м3 загрязненных сточных вод в год, из них 41 % - вообще без очистки, 59 % - прошедших очистку, но не подвергнутых
обеззараживанию. В канализацию г. Санкт-Петербурга в настоящее время сбрасывают свои сточные воды более 900 предприятий, с общим поступлением стоков около 1 млн. м3 в сутки (Знаменский, 2000). Для такого объема суммарная мощность локальных очистных установок недостаточна. Поэтому в сточных водах, поступающих на городские очистные сооружения, содержится большое количество загрязняющих веществ, не снимаемых технологией биологической очистки (в том числе соединения азота и фосфора, которые, наоборот, образуются в водах после подобной обработки).
Почти все сточные воды и загрязнения Санкт-Петербурга попадают в Невскую губу до дамбы комплекса защитных сооружений от наводнений (КЗС). Невская губа работает как гигантское естественное сооружение седиментационной и биологической очистки, однако депонированные в ней поллютанты скорее рано, чем поздно, оказываются источником вторичного загрязнения самой губы и восточной части Финского залива.
Объемы сброса загрязненных сточных вод Ленинградской области составляют 25 % от объема загрязненных сточных вод Санкт-Петербурга. При этом значителен поверхностный сток загрязняющих веществ с сельскохозяйственных территорий области.
Помимо использования рек как источника водоснабжения городов и промышленных объектов и приемника сточных вод, реки Ленинградской области используются также для производства электроэнергии, судоходства, сплава леса, в качестве приемников осушительных систем, для рыболовства, а также в бальнеологических целях.
В Санкт-Петербурге и Ленинградской области можно выделить следующие основные источники биогенных веществ: - промышленные сточные воды - коммунальное хозяйство (хозяйственно-бытовые стоки) - поверхностный сток - агропромышленный комплекс (стоки с сельскохозяйственных угодий) В таблице 1.1. (Хендерсон-Селлерс и др., 1990) представлены основные загрязняющие вещества, характерные для различных видов производств. Основными промышленными источниками аммиака и других форм азота являются химическое, сталелитейное производство и нефтеперегонка. Фосфаты поступают в основном после металлообработки - неорганический фосфор выступает как промежуточный продукт в процессе гальваники, фосфатирования, промывки, травления и полировки. Наиболее сильными загрязнителями являются предприятия целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Характерными для этих производств загрязняющими веществами являются органические и неорганические соединения азота.
Характеристика исследуемых гидрохимических показателей и их роль в водных экосистемах
Водородный показатель РН воды - один из важнейших показателей качества вод. От величины рН зависит развитие и жизнедеятельность водных растений, устойчивость различных форм миграции элементов, агрессивное действие воды. Величина концентрации ионов водорода в речных водах обычно колеблется в пределах 6,5 - 8,5. Изменения величины рН тесно связаны с процессами фотосинтеза и распада органических веществ.
Наличие растворенного кислорода в воде имеет исключительно важное значение в жизни гидробионтов. При достаточном количестве кислорода проявляется активность аэробных микроорганизмов, которые питаются органическими веществами. При этом образуются СОг, Н20, нитраты, фосфаты, и вами. При этом образуются С02, Н20, нитраты, фосфаты, и другие кислородсодержащие вещества. Поскольку нитраты и фосфаты в естественных водоемах содержатся в столь малых количествах, что ограничивают рост растений и планктона, то при выделении нитратов и фосфатов стимулируется рост водорослей высших растений. Это в свою очередь способствует усиленному росту зоопланктона и размножению высшей фауны, которые употребляют кислород для дыхания. Таким образом, с ростом числа живых организмов в воде увеличивается количество отмирающих, для разрушения органических остатков которых также необходим кислород. Резко возросший расход кислорода при этом не может восполниться за счет фотосинтеза, а также аэрации. Если же органические остатки не будут скоро переработаны, вода на длительное время останется без кислорода, и аэробные микроорганизмы не смогут существовать. Их гибель будет сопровождаться массовым размножением анаэробных микроорганизмов, которые разрушают биомассу путем брожения. Этот переход состояний воды называют опрокидыванием. При малом содержании кислорода нормальная популяция аэробных бактерий также погибает. Вместо них развивается популяция бактерий, использующих для своей жизнедеятельности серу, которая способна заменить кислород в реакциях окисления; при этом, например, вместо воды (НгО) образуется сульфид водорода (H2S). Распавшиеся органические вещества так изменяют состояние воды, что делается невозможным возвращение системы к аэробному состоянию без принятия искусственных мер (Ревелль и др., 1995).
Таким образом, окисление органического вещества бактериями ведет к исчезновению кислорода в воде.
О количестве органического вещества в воде обычно судят по биохимическому потреблению кислорода (БПК) за 5 и 20 суток. БПК определяет расход кислорода на разрушение микроорганизмами содержащихся в воде органических веществ в основном нестойких, легкоусвояемых, значительная часть которых поступает в водные объекты с промышленными и бытовыми стоками. Этот показатель -весьма важный индикатор загрязнения воды. Однако БПК ничего он говорит о том, какие именно органические вещества и в каком количестве содержатся в воде. Оценка уровня загрязненности по БПК5 не является полной, т.к. при анализе учитываются только биологически быстро разрушающиеся вещества, но не учитыва ются вещества, разрушающиеся с трудом, а также неорганические вещества. Тем не менее, этот показатель дает возможность быстро и наглядно оценить максимальную опасность загрязнения, которую создают сточные воды.
Аммонийный азот NH4. Аммиак находится в воде в равновесии с ионом аммония, а при повышении температуры и при рН больше 7 равновесие сдвигается в сторону выделения NH3. При температуре 25 градусов и рН равном 11 равновесие сильно сдвинуто в сторону выделения аммиака, который выделяется в такой концентрации, что вода может оказаться токсичной для многих живых организмов.
Аммонийный азот образуется благодаря реакции аммонификации из растворенного и взвешенного азотсодержащего органического вещества водотока под действием определенных бактерий. Действие таких нитрофицирующих бактерий, как Nitrosomonas и Nitrobacter, в течение длительного времени может перевести аммиак в нитриты и далее в нитраты. Сезонный круговорот аммония слабо согласован - наблюдаются явные случайные пики и резкие снижения, связанные с процессами разложения водорослей после цветения. Но в целом фиксируются повышения в холодный период года.
При вдыхании аммиака и при питье его раствора в воде он быстро усваивается организмом; при растворении его в крови создается щелочная среда, и начинают растворяться белки.
Нитритный азот NO2. Присутствие в незагрязненных поверхностных водах связано главным образом с процессами минерализации органического вещества и нитрификации. Аммонийные ионы окисляются до нитритных ионов и при отсутствии дефицита кислорода нитриты окисляются далее до нитратов. Поэтому нитрит-ные ионы в заметных количествах обнаруживаются в периоды и в зонах дефицита 02 в условиях замедленного развития Nitrobacter (Ревелль и др., 1995).
Другим процессом образования нитритных ионов в водоемах является де-нитрификация. Восстанавливать нитраты может довольно большое количество бактерий, и этот процесс должен быть неотъемлемой частью широкого геохимического цикла азота. Нитриты являются неустойчивыми компонентами природных вод, поэтому при благоприятных для их окисления условиях, характерных для поверхностных вод, они встречаются в незначительных количествах (сотые - тысячные доли мг/л).
Сезонные колебания концентрации нитритов характеризуются отсутствием последних зимой и появлением весной при начале минерализации нового неживого органического вещества. Наибольшее содержание нитритов (до 10-20 мг/м ) наблюдается во время летней стагнации и их присутствие обычно связано с процессом распада образовавшегося за лето органического вещества и с активностью фитопланктона, поскольку установлена способность диатомовых и зеленых водорослей восстанавливать нитраты до нитритов. Осенью содержание нитритов уменьшается.
Повышенное содержание нитритов указывает на усиление процессов разложения органических остатков в условиях более медленного окисления N02 до N03, что показывает на загрязнение водоема, то есть является важным санитарным показателем. Наличие нитритов в повышенных концентрациях свидетельствует либо о спуске в водоем промышленных сточных вод, либо о дефиците кислорода. Появление нитритов в повышенных количествах возможно в районах спуска сточных вод предприятий, использующих нитритные соли в качестве ингибиторов коррозии.
Нитратный азот N03. Присутствие нитратных ионов в природных поверхностных водах связано главным образом с внутриводоемными процессами, в первую очередь с процессами нитрификации - окислением аммонийных ионов в присутствии растворенного кислорода под действием нитрифицирующих бактерий. Важным источником обогащения поверхностных вод нитратами являются образующиеся при атмосферных электрических разрядах окислы азота. Содержание нитратов в атмосферных осадках достигает нередко 0,9 - 1,0 мг/л (Ревелль и др., 1995).
Нитраты обладают слабой комплексообразующей способностью, поэтому в незагрязненных поверхностных водах концентрации нитратных ионов составляют тысячные и сотые доли мг/л. При переходе водоема от олиготрофного к мезо- и эв-трофному статусу абсолютная концентрация нитратов в общей сумме минерального азота возрастает. Во многих реках содержание нитратов может достигать десятков мг/л.
Числовые характеристики рядов наблюдений и классификация данных
Нитритный и нитратный азот, объединенные в результате кластеризации в первый класс, связаны между собой процессами нитрофикации и денитрофикации и характеризуют как "свежее", так и "вторичное" загрязнение вод. Как следует из анализа графиков, представленных на рисунках, концентрации нитритов и нитратов очень существенно различаются от года к году. Резкие увеличения концентраций наблюдаются в 1971, 1977-78, 1994 годы; в период 1972-76 гг. имеют место наименьшие концентрации; в период 1980-1993 гг. на фоне увеличения значений наблюдаются их незначительные колебания; после 1994 года произошло резкое падение концентраций, которые до 1998 г. оставались примерно на одном уровне.
Амплитуда изменений рН и растворенного кислорода, объединенных во второй класс, велика до 1985 года, затем колебания становятся незначительными.
БПК5, концентрации аммонийного и общего азота, железа, объединенные в третий класс, изменяются в противофазе с рН и растворенным кислородом, что объясняется затратами кислорода на окисление органического вещества. Однако амплитуда колебаний этих показателей несколько больше, чем у показателей второго класса. По результатам кластеризации можно сказать, что аммонийный азот дает наибольший вклад в общий азот.
Для оценки состояния загрязнения р. Невы и ее притоков выполнен расчет числовых характеристик рядов данных наблюдения в створах исследуемых рек в период 1970 - 2003 гг. (34 года): средних концентраций биогенных веществ, средних квадратических отклонений а, коэффициентов асимметрии Cs и вариации Cv, отношений Cs/Cv. Числовые характеристики рядов данных наблюдений приведены в табл. 1-13 приложения А.
Оценка степени загрязнения р. Невы и ее притоков выполнена путем сравнения средних концентраций биогенных веществ в воде с предельно допустимыми концентрациями этих веществ. Кратность превышения средних концентраций ПДК в створах на р. Неве и ее притоках приведена в табл. 10 приложения Б.
Анализ динамики изменения концентраций биогенных веществ в р. Неве и ее притоках во времени выполнен на основе осредненных за год материалов наблюдений за концентрациями биогенных веществ. По данным наблюдений до 1992 года были рассчитаны средние значения концентраций вещества за год, после 1992 года используются значения среднегодовых концентраций, опубликованные в «Ежегодниках качества поверхностных вод суши» (Ежегодник качества..., 1996-2004). По среднегодовым значениям концентрации каждого исследуемого вещества построены графики изменения концентраций биогенных веществ во времени с нанесением линии ПДК (рис. 5.3. - 5.18.). Для удобства анализа исследуемые водные объекты объединены в две группы: река Нева от истока до устья и притоки р. Невы.
В качестве данных по устью р. Невы приняты средневзвешенные по расходу воды средние годовые концентрации веществ в устьях рукавов Большая Нева, Большая Невка, Малая Невка и Малая Нева: SzrSrQi+S2-Q1+Si-Qi+SA-QA Q1+Q2+Q1+Q4 где Si, S2, S3, S4 и Qb Q2, Q3, Q4 - соответственно средняя многолетняя концентрация биогенных веществ и средний многолетний расход воды в устьях Большой Невы, Большой Невки, Малой Невки и Малой Невы.
На представленных ниже графиках четко выделяются два периода с различным характером загрязнения вод реки биогенными веществами: с 1970 по 1989 гг. и с 1990 по 2003 гг. Для каждого периода исследований рассчитаны числовые характеристики рядов данных для каждого водного объекта (среднемноголетнее значение, СКО, коэффициенты асимметрии и вариации, отношение Cs/Cv). Числовые характеристики рядов данных наблюдений с 1970 по 1989 гг. и с 1990 по 2003 гг. также приведены в табл. 1-13 приложения А.
Числовые характеристики рядов наблюдений за значениями рН, БПК5 и концентрациями растворенного кислорода приведены в табл. 1А - ЗА приложении А,.
Из таблиц видно, что значение рН воды после 1989 года незначительно уменьшилось (меньше, чем на 1 %) в одних створах и незначительно увеличилось (меньше, чем на 1 %) в других створах. Во всех исследуемых створах значения рН не превышают ПДК. Ряды наблюдений за значением рН на большинстве исследуемых створов, за исключение створа р. Нева г. Шлиссельбург и притоков Славянка, Карповка, Черная речка, Мойка, являются однородными во времени. Коэффициент асимметрии рядов наблюдении после 1990 года практически на всех створах малых рек и реки Невы стал отрицательным, против положительного коэффициента асимметрии до 1989 г. Для всех створов характерна слабая изменчивость рН в оба периода (коэффициент вариации меньше 0,01).
Концентрация растворенного кислорода в водах исследуемых рек находится в пределах допустимых значений, дефицит кислорода практически не наблюдается. После 1990 года концентрация растворенного кислорода на большинстве створов незначительно возросла (в пределах 5 %). Исключение составили створы в устьях рек Ждановка и Охта, р. Нева - г. Кировск створ 1 (г. Шлиссельбург), р. Нева - г. Санкт-Петербург в створе г/п Новосаратовка, р. Нева - г. Санкт-Петербург ниже впадения р. Охта, где концентрация растворенного кислорода незначительно снизилась. Коэффициент вариации рядов наблюдений во второй период снизился на всех реках в 1,1 - 4,6 раза по сравнению с первым периодом, что говорит о большем постоянстве концентраций растворенного кислорода после 1990 года. Аналогичный вывод можно сделать при оценке однородности рядов за два периода времени: в истоке р. Невы и в устьях большинства притоков ряды являются неоднородными.
Средние значения БПК5 на протяжении всего периода исследований превышает ПДК в 1,5 - 3,5 раза, причем до 1990 года превышения постоянны, а после превышения норм носят периодический характер. Изменчивость значений БПК5 также существенно снизилась во второй период. Таким образом, после 1990 года произошло снижение и стабилизация содержания легкоокисляемой органики, ряды данных по БПК5 неоднородны практически на всех исследуемых створах.
Числовые характеристики рядов средних годовых концентраций аммонийного азота приведены в табл. 4 приложения А. Изменения среднегодовых концентраций в р. Неве и ее притоках представлены на рисунках 5.3.-5.4.
Среднемноголетние концентрации аммонийного азота составляют от 0,5 до 1 ПДК во всех створах, расположенных на р. Неве и на рукавах ее дельты, а также в устьях некоторых притоков (рек Фонтанка, Ждановка, Мойка и Тосна). В устьях остальных притоков (Мга, Ижора, Славянка, Карповка, Черная речка, Обводный канал и Охта), а также в устье Большой Невки средние многолетние концентрации аммонийного азота превышают ПДК и достигают более 12 ПДК. Наибольшие среднемноголетние концентрации аммонийного азота имеют место в устьях р. Славянка (12,5 ПДК), р. Ижора (5,5 ПДК), р. Охта (4,3 ПДК).
Оценка уровней загрязнения рек по исходным рядам наблюдений
В табл. 1 приложения Б приведены оценки числовых характеристик рядов измеренных значений концентраций биогенных веществ в р. Неве и ее притоках за периоде 1970 по 1998 г.
При анализе числовых характеристик, рассчитанных по ряду данных наблюдений, обращают на себя внимание достаточно высокие средние концентрации биогенных веществ, в особенности аммонийного и нитритного азотов.
Помимо довольно высоких среднемноголетних концентраций биогенных веществ, имеют место высокие значения коэффициентов вариации, в несколько раз (3-12) превышающие коэффициенты вариации характеристик речного стока.
Высокие средние значения концентраций биогенных веществ могут быть в какой-то степени объяснены большим объемом сброса сточных вод многочислен4 ными предприятиями, расположенными в бассейнах исследуемых рек, а также процессами трансформации веществ в водных системах. Более сложным является объяснение сильной изменчивости концентраций во времени.
Первое возможное объяснение - большая изменчивость сброса биогенных веществ. Однако, крупные предприятия - основные загрязнители - работают по достаточно отлаженному производственному циклу, и, по данным литературы, коэффициенты вариации их сбросов в нормальном рабочем состоянии не превышают 0,2 - 0,3, что даже меньше коэффициентов вариации речного стока.
Второе возможное объяснение - большая изменчивость расходов воды, приводящая к большим колебаниям количественных характеристик разбавления сточных вод, в том числе и их концентраций, даже при практически неизменных характеристиках сброса сточных вод. Однако, как следует из данных расчетов, коэффициент вариации стока р. Невы выше города составляет 0,2 - 0,3, т.е. значительно меньше, чем Cv концентраций биогенных веществ. Так Cv аммонийного и нитрит-ного азота в 5 - 9 раз выше Cv расхода воды; Cv нитратного и общего азота в 2,5 - 3 раза выше Cv расхода воды; Cv различных форм фосфора в 3 - 7 раз выше Cv расхода воды. В большей степени это характерно для реки Невы и ее рукавов (Cv расхода воды составляет 0,2 - 0,3). Для малых рек, впадающих в Неву в черте города, характерны более высокие значения коэффициентов вариации расхода воды (до 0,5) и сопоставимые с ним (или превышающие его в 1 - 2 раза) коэффициенты вариации концентраций биогенных веществ. Коэффициент вариации стока областных притоков Невы - рек Мга, Тосна, Ижора - составляет от 1 до 4, что сопоставимо с Cv концентраций биогенных веществ в этих притоках.
Таким образом, приведенные возможные объяснения большой изменчивости концентраций биогенов в р. Неве не выдерживает критики, и, по-видимому, являются несостоятельным, в то же время они отчасти справедливы для притоков Невы.
Поскольку сопоставление числовых характеристик рядов измеренных значений концентраций биогенных веществ не позволило выявить причину большой изменчивости концентраций, был проведен анализ согласованности данных наблюдений с теоретическими законами распределения случайной величины.
Выбор законов распределения производился на основе численных экспериментов путем подбора теоретического закона распределения наилучшим образом согласующегося с эмпирическими данными наблюдений. При этом рассматривались 6 наиболее распространенных в гидрометеорологии законов: нормальный закон распределения, закон распределения Пирсона III типа, закон распределения Крицкого-Менкеля, логарифмически-нормальный закон распределения, закон распределения Гамбела, закон распределения Джонсона. Наиболее подходящими для описания временных рядов концентраций и расходов оказались законы распределения Пирсона III типа, Sw Джонсона, логарифмически-нормальный и Крицкого-Менкеля, а в отдельных случаях Гамбела. Ни в одном случае нормальный закон распределения, рекомендуемый для оценок концентраций (Шелутко, 1991), не был выбран в качестве оптимального для описания закона распределения концентраций биогенных веществ.
Следует отметить, что чаще всего расхождения рассчитанных критериев согласия для четырех выбранных оптимальных законов распределения статистически незначимы. Поэтому на данном этапе при расчетах экстремальных величин с одинаковым успехом может быть использован любой из выбранных законов. В то же время теоретически применение закона Sw Джонсона для анализа концентраций биогенных веществ является более обоснованным, так как этот закон имеет ограничения по максимуму, что соответствует физической сути концентраций загрязняющих веществ, в то время как другие из отобранных законов не имеют ограничений по максимуму.
Из анализа графиков оптимальной теоретической и эмпирической кривых обеспеченности, построенных в поле клетчатки вероятности, следует, что на каждом из них имеется от 1 до 3-6 эмпирических точек, резко отклоняющихся вправо от теоретической кривой обеспеченности (рис.6.5).
Попытка посадить отклоняющиеся эмпирические точки на теоретические кривые обеспеченности путем изменения параметров законов распределения (отношения Cs/Cv) не привели к положительным результатам, так как при этом нарушалось соответствие эмпирических и теоретических значений для подавляющего большинства точек.
