Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ и применение методов оценки загрязнения водных объектов по гидрохимическим показателям 10
2 Объекты исследования 27
2.1 Обоснование выбора объектов исследования 27
2.2 Физико-географическая характеристика района исследования 28
2.2.1 Географическое положение 28
2.2.2 Рельеф и грунт 29
2.2.3 Почвенный покров и растительность 29
2.2.4 Климатические условия 30
2.3 Хозяйственная освоенность района исследования и влияние антропогенной деятельности в районе на загрязнение рек тяжёлыми металлами 31
2.4 Гидрохимическая и санитарная характеристика бассейнов рек Охта и Великая 33
2.5 Гидрологическая характеристика рек Охта и Великая 35
2.6 Подземные воды 37
3 Характеристика исходных данных 39
3.1 Гидрохимические данные 39
3.2 Гидрологические данные 43
4 Анализ влияния учёта водности рек на точность расчёта среднегодовых значений концентраций загрязняющих веществ 51
4.1 Анализ проблемы оценки среднегодовых концентраций загрязняющих веществ 51
4.2 Предлагаемая методика оценки влияния учёта водности рек на точность расчёта среднегодовых значений концентраций загрязняющих веществ 55
4.3 Анализ погрешностей оценок среднегодовых концентраций за счёт неучёта водности по рекам Охта и Великая 58
4.4 Заключение и выводы 72
4.5 Рекомендации по снижению погрешностей расчёта среднегодовых концентраций без учёта водности, при отсутствии измеренных расходов воды 74
5 Анализ влияния числа измерений концентраций загрязняющих веществ в год на точность определения их среднегодовых концентраций в реках 76
5.1 Постановка задачи 76
5.2 Методика оценки влияния частоты измерений на расчёт средних годовых концентраций 88
5.3 Оценка изменений погрешностей определения средних годовых концентраций при уменьшении числа наблюдений 92
5.4 Анализ погрешностей определения средних годовых концентраций в отдельные годы 94
5.5 Анализ обобщенного ряда погрешностей определения средних годовых концентраций при уменьшении числа измерений в год 99
5.6 Анализ влияния числа измерений в год на относительные погрешности расчёта среднегодовых концентраций тяжёлых металлов за счёт неучёта водности 109
5.7 Заключение и выводы 113
5.8 Рекомендации по снижению методической погрешности расчёта среднегодовых концентрации при меняющемся от года к году числе измерений 115
6 Гидрохимический баланс низовья р. Охта 116
6.1 Постановка задачи 116
6.2 Баланс тяжёлых металлов в низовье р. Охта 117
6.3 Характеристика составляющих баланса тяжёлых металлов для исследуемого участка р. Охта 118
6.3.1 Поступление тяжёлых металлов через верхний замыкающий створ 118
6.3.2 Сбросы тяжёлых металлов в пределах расчётного участка из всех источников загрязнения 124
6.3.3 Отток тяжёлых металлов через замыкающий створ 134
6.3.4 Невязка, отражающая суммарное воздействие погрешностей измерений и неучтённых источников тяжёлых металлов 137
6.4 Результаты расчёта баланса тяжёлых металлов в низовье р. Охта 138
6.5 Выводы 147
6.6 Рекомендации для более точного расчёта гидрохимического баланса ТМ в реках, подверженных высокой антропогенной нагрузке 148
Выводы 150
Список использованных источников 152
- Гидрохимическая и санитарная характеристика бассейнов рек Охта и Великая
- Анализ погрешностей оценок среднегодовых концентраций за счёт неучёта водности по рекам Охта и Великая
- Анализ погрешностей определения средних годовых концентраций в отдельные годы
- Невязка, отражающая суммарное воздействие погрешностей измерений и неучтённых источников тяжёлых металлов
Введение к работе
Актуальность темы
Одним из ведущих направлений геоэкологии является изучение влияния антропогенных воздействий на природную среду и её компоненты. В большой степени это влияние сказывается на водных ресурсах, особенно в изменении их качественных характеристик вследствие загрязнения сточными водами и непосредственным поступлением загрязняющих веществ (ЗВ) в русла рек и водоёмов с территорий водосборных бассейнов.
Геоэкологические исследования по определению антропогенного влияния на качественные характеристики рек и озёр во многом опираются на имеющиеся ряды данных гидрохимических наблюдений. До 1989 г. эти данные, в том числе данные первичных наблюдений публиковались в полном объёме в еже-годниках. С 1990 г. публикуются лишь сведения о средних годовых концентра- ц циях ЗВ, рассчитанные по данным первичных наблюдений. Именно эта информация используется в настоящее время как для характеристики экологического состояния рек и водоёмов, так и для оценки динамики развития процессов их загрязнения во времени.
Однако, в последнее время выявился целый ряд фактов, которые ставят под вопрос надёжность и репрезентативность данных о средних годовых концентрациях ЗВ в реках. Так на основе анализа изменений средних годовых концентраций биогенных веществ по длине р. Нева были получены противоречивые результаты об изменении стока этих ЗВ по длине реки. Как было установлено, наибольшие значения стока биогенных веществ в р. Нева наблюдаются в её среднем течении при входе в Санкт-Петербург. По многолетним данным, вниз по течению, в пределах городской черты, поток биогенных веществ резко уменьшается на 30 - 40 % [1]. «Очищающую» способность города не удалось объяснить ни физическими, ни биохимическими процессами.
В связи с этим возникла необходимость в проверке и уточнении методики оценки средних годовых концентраций ЗВ, и в частности, её соответствии особенностям данных гидрохимических наблюдений. Актуальность этой проблемы определяется тем, что именно от её решения во многом зависит обоснованность выводов и прогнозов относительно экологического состояния рек и водоёмов. Именно это определило направление и содержание данной работы.
Цель и задачи исследования
Цель работы заключается в усовершенствовании методов оценки загрязнения речных вод на основе учёта особенностей геоэкологической информации.
Для достижения поставленной цели автором решались следующие задачи:
а) анализ современных методов оценки антропогенного влияния на речные экосистемы по литературным источникам;
б) анализ особенностей геоэкологической информации на примере временных рядов гидрохимических наблюдений на реках;
в) разработка теоретических основ учёта водности при оценке степени загрязнения речных вод при наличии и отсутствии наблюдений за расходами воды;
г) разработка и апробация методики оценки влияния учёта водности рек на точность определения их средней годовой концентрации;
д) разработка и апробация методики оценки влияния числа измерений концентраций загрязняющих веществ в год на точность определения их средней годовой концентрации;
е) Разработка комплекса приёмов оценки гидрохимического баланса на участке реки в условиях высокой антропогенной нагрузки как интегрального метода контроля гидрохимической информации.
Научная новизна работы
- на основе разработанной методики впервые показано, что неучёт водности рек при отборе проб для химического анализа приводит к большим погрешностям при оценке средних годовых концентраций загрязняющих веществ, сопоставимых в ряде случаев со значениями предельно допустимых концентраций, что существенно влияет на результаты оценки загрязнения речных вод;
- впервые предложена методика по учёту водности при расчётах средних годовых концентраций загрязняющих веществ для случая отсутствия наблюдений за расходами воды на данном пункте;
- доказано, что изменение числа проб для химического анализа в различные годы существенно влияет на результаты расчётов средних годовых концентраций загрязняющих веществ. При этом возможные погрешности за счёт уменьшения числа проб могут превышать значения предельно допустимых концентраций рассматриваемых элементов;
- впервые выполнен расчёт и анализ гидрохимического баланса для низовья р. Охта.
Практическое значение полученных результатов
Разработанные методики позволяют оценить погрешности расчёта средних годовых концентраций загрязняющих веществ в реках, возникающих при использовании принятых методов: без учёта водности во время отбора проб и при разном количестве измерений в год.
Рекомендации, приведённые в работе, позволяют снизить методические погрешности при обработке геоэкологической информации. Так, разработана методика по учёту водности при расчётах средних годовых концентраций загрязняющих веществ при отсутствии наблюдений за расходами воды на данной реке. Кроме того, разработаны рекомендации по учёту неоднородности рядов наблюдений по числу измерений концентраций загрязняющих веществ в год при оценке динамики загрязнения рек во времени.
Впервые рассчитан баланс тяжёлых металлов на участке р. Охта в черте г. Санкт-Петербурга. Оценён вынос тяжёлых металлов р. Охта в р. Нева.
Гидрохимическая и санитарная характеристика бассейнов рек Охта и Великая
В верхнем течении р. Охта, в Ленинградской области, её воды по классификации с использованием индекса загрязнённости вод (ИЗВ) можно отнести к "умеренно загрязненным" и далее "чистым", но на территории Санкт-Петербурга воды реки относятся к "грязным" и "очень грязным". Ниже плотины, где осуществляются основные сбросы в р. Охта, качество воды реки значительно ухудшается. По данным многолетних исследований вода реки на данном участке и ниже по течению не отвечает гигиеническим требованиям по химически и бактериологическим показателям: высокая степень загрязнения наблюдается в створах - после впадения Муринского ручья, у Ильинского моста, у железнодорожного моста «Ржевка», у Комаровского моста. В результате длительного загрязнения реки сточными водами предприятий и организаций, расположенных в её бассейне, сложилась неблагоприятная экологическая обстановка. Р. Охта является одной из самых загрязнённых рек Санкт-Петербурга химиче скими веществами, в том числе тяжёлыми металлами. Так, в течение многих лет в воде отмечается повышенное содержание железа и марганца. В ряде проб отмечается содержание железа более высокое, чем в природной воде (до 2.1 мг/дм ), например, в створе р. Охта после впадения Муринского ручья со о -з
держание железа достигает 8.45 мг/дм ; в створе у д. Мурино до 5.6 мг/дм ; в створе у Комаровского моста 3.1 мг/дм . Отмечается также почти повсеместное наличие плёнки нефтепродуктов на поверхности воды и сильная замазученность берегов. По санитарно-гигиенической классификации степень загрязнения реки высокая и чрезвычайно высокая (индекс загрязнения 2-3). Русла рек сильно захламлены бытовым мусором. Водоохранная зона и прибрежная защитная полоса не организованы.
По данным Севзапрыбвода р. Охта относится к рекам I рыбохозяйствен-ной категории, а её притоки - реки Лубья, Жерновка, Оккервиль - И-ой рыбохо-зяйственной категории. Однако в результате высокой антропогенной нагрузки реки потеряли своё рыбохозяйственное значение.
Таким образом, р. Охта правобережным притоком вносит в р. Неву большое количество ЗВ в районе водозабора Главной водозаборной станции и является мощным фактором загрязнения водоисточника города. Санитарно-эпидемиологическая ситуация расценивается в целом как неблагоприятная.
Как было сказано выше, в наибольшей степени на качество вод р. Великая влияют города Псков и Остров. Так, ниже г. Пскова значительные превышения наблюдаются по ТМ: не соответствуют рыбохозяйственным стандартам 90-95 % проб по железу, марганцу и меди, а также 50 % проб по цинку и свинцу. Для хозяйственно-бытовых и рекреационных целей не соответствуют 60 % проб по железу и 40 % по кадмию. По методике ИЗВ оценки качества воды в реках, р. Великая ниже г. Пскова относится к 4 классу качества (загрязнённые).
Участок р. Великая выше г. Острова можно отнести к зоне умеренного воздействия, где антропогенное влияние промышленных и бытовых точечных источников загрязнения на качество вод в реках проявляется в меньшей степени. Здесь воды реки умеренно загрязнённые - 3 класс качества по ИЗВ. Воды р. Великая ниже г. Острова не отвечают требованиям качества вод рыбохозяйт-свенного водоёма по уровню металлов - 45 % меди и свинцу, 35 % железо и 35 % марганец.
Площадь водосбора/?. Охта составляет 768 км . Длина реки - 90 км, глубина 0.5 - 5.5 м. В черте городской застройки р. Охта протекает на протяжении 17.5 км. Скорость течения - 0.1 м/сек. Среднемноголетний расход воды в устье - 7.2 м /с. Уклон р. Охта составляет 1.4%о. Распаханность бассейна составляет 53 %.
Реки характеризуются смешанным питанием с преобладанием снегового (от 40 до 50 % годового стока). На долю подземного питания приходится около 25 % годового стока, примерно столько же на долю дождевого питания. В годовом ходе уровней воды выделяется четыре фазы: весеннее половодье, летняя межень, осенний паводок и зимняя межень. По характеру водного режима реки относятся к восточно-европейскому типу с высоким половодьем, низкой летней и зимней меженью и подъёмом уровня воды осенью под влиянием обложных дождей.
В 9 км от устья расположен Ржевский гидроузел с Охтинским водохранилищем, образованным плотиной (Схема регулирования..., 1989). Водохранилище руслового типа, протяженностью около 6 км. Ширина 100 - 300 м, глубина 3 -4м (наибольшая 6 - 8 м). Водохранилище суточного регулирования. При нормальном подпорным уровне площадь зеркала водохранилища равна 1.3 км2, объём -3.7 млн. м , что составляет около 3 % среднемноголетнего стока реки за год. Водохранилище служит источником промышленного водоснабжения ОАО «Пл астполимер».
Участок р. Охта от плотины до устья находится в подпоре от р. Нева. Ширина реки достигает здесь 45 - 60 м, глубина - 2,5 - 3.0 м. На участке 0 - 8 км от устья река судоходна.
Река Охта имеет ряд притоков: р. Лубья, р. Оккервиль, р. Жерновка, ручей Нарвин, ручей Горелый, Муринский, Капральев, ручьи Безымянные. В бассейне р. Охта имеется ряд прудов.
Подъём воды весеннего половодья начинается во П-ой декаде апреля. Наивысшие уровни наблюдаются в конце апреля - начале мая. Продолжительность половодья 1.0-1.5 месяца. Высота уровня весеннего половодья над меженным составляет 1.5 - 2,5 м. Летняя межень устанавливается в первой половине июня и заканчивается в октябре. Ежегодно межень прерывается дождевыми паводками высотой до 0.5 - 1.0 м. Летний минимум приходится на июль. Зимняя межень устанавливается в конце ноября - середине декабря и заканчивается с подъёмом весеннего половодья. Зимний минимум наблюдается в феврале-марте.
Основной сток рек проходит в период весеннего половодья, доля которого составляет около 50 % объёма годового стока. На зимнюю межень приходится 15-29 %, на летнее - осенний период - 28 - 35 % годового стока. Среднего до-вой модуль стока рек составляет 9-10 л/с-км .
Ледостав устанавливается обычно в начале декабря. Толщина льда на реках, находящихся в естественных условиях, к концу зимы достигает 40 - 60 см. Вскрытие рек происходит обычно в середине апреля. На малых реках лёд тает на месте, на более крупных бывает ледоход в течение 2-3-х дней.
Река Великая имеет площадь водосбора 25 200 км2, длину бассейна 207 км, при средней ширине 122 м, длина реки составляет 430 км, среднемноголет-ний расход 124 м /сек., средний уклон - 0.47 %о. Река берёт начало вблизи д. Шепели (Новосокольнический район Псковской области) и впадает в оз. Псковское в 4 км западнее д. Муровицы.
Для бассейна р. Великая характерно присутствие большого количества рек, озер и болот. Озёрность водосбора составляет 7.6%. Болота занимают 11.5% территории бассейна р. Великая. Таким образом, в целом, водно-болотные угодья (озера, реки и болота) занимают 18.7 % территории бассейна. Залесённость бассейна составляет 36 %.
Анализ погрешностей оценок среднегодовых концентраций за счёт неучёта водности по рекам Охта и Великая
Как следует из анализа данных, представленных в приложении Г, значения погрешностей 5 за счёт неучёта водности могут быть весьма значительными. Так в отдельные годы средние годовые концентрации, рассчитанные как средние арифметические значения - Sa, могут быть как выше, так и ниже концентраций, рассчитанных как средневзвешенные по водности - Sc. Таким образом, по всем пяти пунктам наблюдения, при расчёте среднегодовых концентраций ТМ как средних арифметических, из-за неучёта водности результаты либо искусственно завышались, либо занижались. Завышение результатов составляло по отношению к Sc, от 25 % (р. Охта, марганец, 1987 г.) до почти 500 % (р. Великая - г. Остров, нижний створ, марганец, 1987 г.). Занижение средних годовых концентраций из-за неучёта водности изменялось от -42 % (р. Великая - г. Псков, верхний створ, 1969 г.) до -60 % (р. Великая - г. Остров, нижний створ, железо, 1973 г.). Таким образом, погрешности вычисления средних годовых концентраций ТМ без учёта водности (5) могут быть настолько велики, что на порядок превышают погрешность определения концентраций ТМ в воде -15 %. Это приводит к серьёзному искажению анализа загрязнения реки как в отдельные годы, так и за многолетний период, например при анализе трендов среднегодовых концентраций.
На рисунке 4.1 приведены экстремальные погрешности 8 по всем рядам наблюдений за многолетний период. Интересно отметить, что максимальные погрешности Jmax, как правило, имеют положительный знак, то есть наблюдаются при Sa Sc. «,%
Охта-устье Великая-Псков, Великая-Псков, Великая-Остров, Великая-Остров, в.с. ас. в.с. ас.
Для выявления систематичности завышений и занижений результатов расчёта среднегодовых концентраций ТМ за счёт неучёта водности, по рядам среднегодовых концентраций, полученных первым и вторым методом, были рассчитаны средние за многолетний период значения концентраций ТМ и погрешностей 8} (приложение Б).
Средние многолетние значения средних годовых концентраций, рассчитанных без учёта водности, в большинстве случаев превышают значения, полу ченные с учётом водности (рисунок 4.2). Так по рассматриваемым рядам эти превышения составляют от 1 % (р. Охта, хром) до 120 % (р. Великая -г. Остров, верхний створ, марганец). Только по железу (р. Великая - г. Остров, верхний и нижний створы) наблюдается отрицательное смещение средних многолетних значений концентраций за счёт неучёта водности. Это явление может объясняться особенностями формирования процесса поступления железа в речной сток в средней части бассейна р. Великая. Дело в том, что в маловодные периоды доля болотного питания речного стока, основного поставщика железа, уменьшается и река переходит в основном на родниковое питание.
В Медь ШЖелезо В Хром D Марганец В Свинец D Никель Рисунок 4.2 - Среднемноголетние погрешности 8 оценок среднегодовых концентраций ТМ за счёт неучёта водности, %. Охта-устье - результаты расчётов по створу р. Охта - устье; Великая-Псков, в.с. - по створу р. Великая г. Псков, верхний створ; Великая-Псков, н.с. - по створу р. Великая - г. Псков нижний створ; Великая-Остров, в.с. - по створу р. Великая - г. Остров, верхний створ; Великая-Остров, н.с. - по створу р. Великая - г. Остров, нижний створ.
Необходимо отметить, что для рядов по марганцу погрешности 5 , как в
своих экстремальных значениях, так и за многолетний период, для всех пунктов наблюдения положительны (рисунки 4.1 и 4.2). Максимальных своих значений эти погрешности достигают на пунктах наблюдения в г. Остров. Таким образом, среднегодовые концентрации марганца, рассчитанные как среднеарифметические, как правило, превышают концентрации, рассчитанные как средневзвешенные. Это означает, что для рядов по марганцу наблюдается обратная связь «водность - концентрации», что наиболее выражено для постов в г. Остров. По-видимому, это объясняется тем, что в г. Остров, самом малом из наблюдаемых городов, поступление марганца в основном происходит со сточными водами, а поступление с ливневыми, за счёт смыва с территории города - незначительно. В связи с этим при прохождении больших расходов воды происходит разбавление вод реки и как следствие, уменьшение концентраций в данный период.
Среднее квадратическое отклонение (СКО) значений концентраций, вычисленных первым методом, незначительно отличаются от СКО концентраций, рассчитанных по второму методу и могут отклоняться от них как в положительную, так и в отрицательную сторону (приложение В). Значения СКО концентраций, вычисленных как средневзвешенных по водности, изменяются от 6.0 мкг/дм - свинец, до 52,4 мкг/дм - марганец. СКО по железу составляет 0.4 мг/дм3. Коэффициент асимметрии (Cs) рядов концентрации Sa, для всех металлов положителен и изменяется от 0.54 (железо) до 3.04 (медь). Для рядов концентраций Sc, значения Cs незначительно отличаются от Cs по рядам а (приложение В). По р. Охта экстремальные значения погрешностей 5, положительны (рисунок 4.1). Погрешность ? за отдельные годы меняется для разных металлов от 25 % (Мп, 1987 г.) до 170 % (Си, 1971 г.). В среднем, по всем металлам максимальные погрешности $ составили 83 %. Это говорит о том, что неучёт водности при вычислении среднегодовых концентраций ТМ на р. Охта может привести к завышению результата более чем в полтора раза.
Средиемноголетние значения погрешности по р. Охта для большинства металлов положительны и варьируют от 1 % - хром, до 55 % - никель (рисунок 4.1). Таким образом, среднегодовые концентрации ТМ по р. Охта, вычисленные без учёта водности, систематически завышаются.
Анализ погрешностей определения средних годовых концентраций в отдельные годы
Как следует из данных, представленных в Приложении Д, в отдельные годы относительная погрешность оценки средних годовых значений концентраций (8) определённая по эталонным годам при уменьшении числа проб и распределении их сроков отбора в соответствии с опорными годами, достигает очень больших значений. Так, по хрому и свинцу экстремальные погрешности определения средних годовых концентраций 8 за счёт уменьшения числа проб от 12 до 4 составили соответственно от -49.9 до 65.0 % и от -68.1 до 64.7 % по отношению 12 срочным наблюдениям. Не на много меньше значения экстремальных погрешностей 8 для марганца и железа. Они составили соответственно от -68.1 до 25.8 % и от -59.7 до 52.0 %. По меди экстремальные погрешности расчётов за счёт уменьшения числа проб в году составили от -39.3 до 56.4 % и по ртути от -54.6 до 5.3%. Таким образом, при сокращении числа проб от двенадцати до четырёх в год, были выявлены погрешности расчётов среднегодовой концентрации ТМ как в меньшую, так и в большую сторону. Экстремальные абсолютные погрешности 8, как отрицательные, так и положительные, для каждого металла практически всегда были выше 25 %, а для всех металлов диапазон экстремальных погрешностей 8 составил от -68.1 до 65.0 %.
Следует отметить, что значение относительной погрешности 8 и её числовых характеристик, в некоторой степени зависит от выбора эталонного года (приложение Д). Дело в том, что каждый эталонный год характеризуется своим внутригодовым распределением концентраций ЗВ в реке, общим уровнем загрязнения водного объекта в этот год. Важно также, на какие фазы загрязнения воды попали даты отбора проб в данном эталонном году. Так, на рисунках 5.4 -5.8 представлены возможные значения относительных погрешностей 3 (%), определённые для каждого эталонного года по всем опорным годам. Как видно из графиков, относительные погрешности 8 могут меняться для каждого эталонного года в широком диапазоне как в положительную, так и в отрицательную сторону, как например, по хрому за 1990 и 1991 гг. (рисунок 5.4). Однако, в другие годы изменения погрешностей определения концентрации хрома носят явно систематичный характер. Так в 1992 г. все значения погрешностей были отрицательными, а в 1993 г. - преимущественно положительными. Вызвано это тем, что четыре пробы, отобранные в опорных годах, менее детально отражают годовую картину загрязнения на реках. Характер распределения погрешностей 8 для каждого эталонного года определяется тем, на низкие или высокие концентрации ТМ попали отборы проб в опорном году.
По другим металлам так же прослеживается закономерность распределения погрешностей 8 в зависимости от эталонного года (рисунки с 5.5 по 5.8). Так, для каждого металла, значение погрешности 8, вычисленное для разных опорных лет и осреднённое по одному эталонному году, может существенно меняться ( сред) (приложение Д). Минимальные значения 8 сред наблюдались по хрому (от -18.8 до 8.9 %) и свинцу (от -20.6 до 24.3 %). Однако более высокие значения погрешности 5сред для разных эталонных лет наблюдаются по железу и меди. Так, для железа эта ошибка для разных эталонных лет составила от -8.7 до 35.8 %. Это значит, что за счёт уменьшения числа проб в год, вычисленная среднегодовая концентрация железа может быть искусственно завышена примерно на 20 % или занижена примерно на 35 % в зависимости от выбора эталонного года, с которым ведётся сравнение. Для меди диапазон погрешностей составил от -14.5 до 42.0 %. По марганцу наблюдаются максимальные для всех ТМ значения погрешности сред - от -60.5 до 7.3 %. Это значит, что возможное занижение значений среднегодовых концентраций марганца при уменьшении числа проб в год может составить 7 %, а завышение может достигать примерно 60 %.
Таким образом, для всех металлов среднее значение погрешностей 8, в зависимости от выбора эталонного года, может меняться от -60.5 до 42.0 %, что в абсолютном значении составляет от -55.42 мкг/дм до 7.01 мкг/дм .
В связи с тем, что значения погрешностей 8 зависят от того, по какому эталонному году они были рассчитаны, было решено для более точной оценки погрешностей определения средних годовых концентраций при уменьшении числа проб в год от 12 до 4, произвести их объединение. Так, в один ряд были объединены относительные погрешности по каждому рассматриваемому металлу за все эталонные годы, взятые как с учётом их знака, так и по абсолютному значению (по модулю).
Невязка, отражающая суммарное воздействие погрешностей измерений и неучтённых источников тяжёлых металлов
Как было сказано выше, баланс ТМ для низовья р. Охта (плотина Охтинского водохранилища - устье) был рассчитан по формуле (1). Поступление через вышележащий створ и отток через замыкающий створ рассчитывались по формуле (6.2) по данным о среднегодовых расходах воды (глава 2) и среднегодовых концентрациях ТМ по верхнему и нилшему створам. Среднегодовые концентрации рассчитывались по данным наблюдений таких организаций как СЭС, СЗУГМС, ОАО НИИ «Химволокно» и ОАО «Пластполимер» (см. таблицу 6.1).
Для минимизации методических погрешностей основной вариант расчёта баланса проводился по данными одной организации - СЭС - в верхнем и нижнем створах. Но для подтверждения полученных результатов были так же рассчитаны контрольные варианты баланса по данным организаций: ОАО НИИ «Химволокно» и ОАО «Пластполимер» в верхнем створе и СЗУГМС - в нижнем, так как в отличие от СЭС, наблюдения за химическим составом вод р. Охта этими предприятиями равномерно охватывает весь год.
Схема сопоставления данных о концентрации ТМ, приуроченных к верхнему и нижнему створам, для расчётов различных вариантов гидрохимического баланса, представлена в таблице 6.8. Нумерация пунктов наблюдения за химическим составом воды р. Охта приведена в соответствии с таблицей 3.1 и рисунком 3.1.
На основе данных о массе ТМ, проходящей за год через верхний и нижний створ (тонны), а также по данным о массе сброшенных за год металлов в р. Охта со сточными и ливневыми водами (тонны) для каждого металла был рассчитан годовой баланс и вычислены абсолютные и относительные невязки (формулы 6.4 и 6.5). Составляющие гидрохимического баланса, рассчитанного по вариантам I -VI, приведены в таблицах 6.9 - 6.14. В данных таблицах приведены следующие сокращения. В - поступление через вышележащий створ, С -сбросы ТМ в пределах расчётного участка из всех источников загрязнения, О -отток ТМ через замыкающий створ, А - невязка баланса (А=0-В-С), А,% - невязка в процентах от О (А%=(А 100%)/О).
Как видно из результатов, наименьшие невязки баланса были получены при расчёте по варианту I. Так, при расчёте баланса ТМ по данным СЭС в верхнем и нижнем створах, невязки расчёта баланса по отдельным годам находятся в диапазоне от +71 до -190 %. За многолетний период средние значения относительных невязок составляют по меди -65 %, по железу +1 %, по свинцу -19 % и по марганцу -32 %. Таким образом, максимальные погрешности наблюдались по меди. Так, в 1996, 2000 и 2001 гг. по этому металлу относительные погрешности превысили 100 %. Так же в 2001 г. получены погрешности, превышающие 100 % по свинцу и в 1997 г. по марганцу. Однако среднемноголет-ние значения относительных концентраций по всем металлам не превышают 100 %, что в общем, соответствует результатам других исследований по составлению балансов ТМ на реках. Нужно отметить, что в большинстве случаев невязки имеют отрицательный знак.
При расчёте баланса по варианту II, т.е. по данным о концентрациях ТМ полученных СЭС в верхнем створе и СЗУГМС в нижнем, относительные погрешности составили от +80 до -466 %. Наибольшие погрешности наблюдались по железу - до -466 % и по меди - до -502 %. Среднемноголетние погрешности по всем металлам кроме железа, как и в варианте I, не превышают 100 % и составляют по меди -80 %, по свинцу +27 % и по марганцу -15 %. По железу среднемноголетняя абсолютная погрешность составила -175 %. Так же как и в варианте І, в варианте II преобладают погрешности с отрицательными знаком.
Как видно по ряду абсолютных погрешностей по меди, выделяется значение, полученное за 1996 г. - 502 %. Связано это с тем, что в этом году в верхнем створе СЭС была зафиксирована аномально высокая концентрация меди в трёх пробах из пяти. Однако в нижнем створе ни СЭС ни СЗУГМС не зафиксировали высоких концентраций. В связи с этим, в уравнении баланса поступление меди через верхний створ превысило поступление через нижний как по варианту I, так и по варианту II.
Расчёт баланса меди и железа по варианту III также дал отрицательные погрешности. Максимальная относительная погрешность по железу составила -506 %, что привело к высокому среднемноголетнему значению - -208 %. Сред-немноголетнее значение относительной погрешности по меди составило -18 %.
В результате расчёта баланса железа и никеля по варианту IV и V были получены более высокие значения среднемноголетних относительных погрешностей, чем в предыдущих вариантах. Так, среднемноголетние погрешности по железу составили соответственно -184 и -176 %, по никелю - -43 и -96 %.
Расчёт баланса меди, железа и марганца по варианту VI за 2001 г. был произведён по ежемесячным наблюдениям ОАО «Пластполимер» за концентрациями этих металлов в верхнем створе. Таким образом, были сопоставлены детальные, равномерно распределённые в году по времени наблюдения за концентрацией ТМ в верхнем створе, проведённые ОАО «Пластполимер» и такие же ряды наблюдений в нижнем створе, полученные СЗУГМС. Действительно, относительная погрешность по меди составила в этом году всего -2 %. А по марганцу впервые была получена положительная невязка баланса - +42 %. Однако, невязка по железу была высока и составила -184 %. Возможно, это объясняется тем, что расчёт баланса по таким рядам наблюдений был сделан лишь за один год.
Обобщая полученные результаты, можно сказать следующее. Для расчёта гидрохимического баланса ТМ по р. Охта на участке от плотины Охтинского водохранилища до устья за период с 1989 по 2001 гг., наиболее удачным оказался вариант I, то есть сопоставление данных СЭС в верхнем и нижнем створах. Невязки баланса здесь, как правило, не превышают 100 % за отдельные годы и никогда не превышают 100 % в среднем за многолетний период. Вариант расчёта II так же дал неплохие результаты. Лишь по меди и свинцу в 1996 г. были получены невязки, превышающие 100 %. Так же, как и в варианте I, во втором варианте среднемноголетние невязки в отдельные годы не превышают 100 %. Однако нужно заметить, что невязки, полученные по этим двум вариантам, как правило, имеют отрицательный знак.
Расчёт баланса по вариантам III, IV, V и VI подтверждает общую закономерность в получении невязки баланса. Так, во всех этих вариантах, преобладают невязки с отрицательным знаком. Однако, интересные результаты были получены при расчёте баланса по варианту VI, при анализе данных о ежемесячных концентрациях ТМ в верхнем и нижнем створах (ОАО «Пластполимер» и СЗУГМС) за 2001 г. Так, здесь была получена практически нулевая невязка по меди и положительная невязка по марганцу.
В тех случаях, когда невязки баланса за многолетний период превышают 100 %, как правило, наблюдаются одно или два экстремальных значения годовых невязок баланса. Именно эти выбросы в рядах годовых невязок и приводят к их высоким среднемноголетним значениям. Такие выбросы связаны с неравномерностью загрязнения реки в пространстве и по времени. Так результатом анализа проб, отобранных на расстоянии всего нескольких десятков метров, могут стать концентрации, которые отличаются на порядок. Таким образом, разница между концентрациями ТМ в пробах, отобранных в верхнем и нижнем течении реки, могут отражать не только тенденцию изменения концентраций по длине реки, но и зависеть, например, от случайного попадания пробы на «пятно» более загрязнённых вод.
Отрицательный знак невязок, может объяснятся заходом более чистых вод р. Нева в устье р. Охта. Для нашего расчётного уравнения (6.1) это означает увеличение расхода воды в устье. Это влечёт за собой отток ТМ из замыкающего створа. Такая поправка сместила бы невязки баланса в положительную сторону.
Так же на расход воды в устье реки может влиять городская застройка. Как уже было сказано (глава 3), расходы воды в устье р. Охта вычислялись по данным р. Охта - д. Ново-Девяткино по соотношению площадей водосборов. Однако, характер подстилающей поверхности водосбора р. Охта - д. Ново-Девяткино и р. Охта - устье неодинаков. Так, в первом случае, поверхность водосбора представлена пашнями, различной растительностью. Во втором случае, подстилающая поверхность водосбора представлена городской застройкой, асфальтом, что может увеличить модуль стока. В свою очередь, увеличение модуля стока в нижнем течении р. Охта приводит к увеличению расходов воды в устье и к уменьшению отрицательных невязок баланса.
В результате расчёта составляющих баланса ТМ для низовья р. Охта, увязки его составляющих и анализа полученных невязок был получен ряд выводов.
Основным предприятием-загрязнителем низовья р. Охта является ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга». Масса ТМ, сбрасываемая со сточными водами этого предприятия составляет 80 % от общих сбросов в р. Охта. Так же к основным источникам загрязнения р. Охта ТМ нужно отнести поступление металлов с территории города с атмосферными осадками. Особенно велико содержание ТМ в снежном покрове. Во время снеготаяние вся масса металлов из снега поступает в водотоки города. Масса поступающих металлов в реки так велика, что, как правило, в апреле-мае наблюдаются максимальные годовые концентрации ТМ, не несмотря многократное увеличение водности рек во время весеннего половодья.
