Загрязнение биогенными элементами реки Нева

ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЩАЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ И ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Физико-географическое описание района исследования
1.1.1 Характеристика гидрографической сети региона
1.1.2 Геологическое строение и рельеф
1.1.3 Почвенный и растительный покров
1.1.4 Климатические условия
1.2 Хозяйственная освоенность района исследования
1.2.1 Промышленность
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ ЭКОСИСТЕМ РЕКИ НЕВА
2.1 Описание загрязняющих веществ
2.1.1 Водородный показатель, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода
2.1.2 Различные формы азота
2.1.3 Различные формы фосфора
2.1.4 Железо
2.2 Влияние исследуемых элементов на экологию и человека
2.3 Санитарно-гигиенический мониторинг
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПДКвр - 0,08 мг/дм3 в виде иона NO2- или 0,02 мг/дм3 в пересчете на азот.
В соответствии с требованиями глобальной системы мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS) нитрит- и нитрат-ионы входят в программы обязательных наблюдений за составом питьевой воды и являются важными показателями степени загрязнения и трофического статуса природных водоемов.
2.1.3 Различные формы фосфора
Соединения фосфора попадают в природные воды в результате процессов жизнедеятельности и посмертного распада водных организмов, выветривания и растворения пород, содержащих фосфаты, обмена с донными осадками, поступления с поверхности водосбора, а также с бытовыми и промышленными сточными водами. Загрязнению природных вод фосфором способствуют широкое применение фосфорных удобрений, полифосфатов, содержащихся в моющих средствах, флотореагентов и др.
Неорганические соединения фосфора в природных водах представлены в виде ортофосфатов и полифосфатов (к последним причисляются также пирофосфаты), причем преобладающей формой обычно являются ортофосфаты - соли ортофосфорной кислоты. Сумму неорганических соединений фосфора часто обозначают термином «фосфор минеральный»; данный термин принят и в настоящей методике выполнения измерений (иногда термин «фосфор минеральный» применяют по отношению к ортофосфатам, однако, несмотря на то, что ортофосфаты являются обычно преобладающей формой, такое использование термина некорректно). Если используется термин «фосфаты», обычно имеют в виду ортофосфаты, в противном случае приводят уточнение, например, полифосфаты, пирофосфаты и т.п.
Фосфаты в воде могут присутствовать в виде различных ионов в зависимости от величины рН. В водах соединения фосфора, как минеральные, так и органические могут присутствовать в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Переход соединений фосфора из одной формы в другую осуществляется довольно легко, что создает сложности при определении тех или иных его форм. Обычно идентификация их осуществляется по процедуре, с помощью которой проводят определение. В том случае, когда анализируют фильтрованную пробу, говорят о растворенных формах, в противном случае - о суммарном содержании. Содержание взвешенных соединений фосфора находят по разности. Определение растворенных фосфатов (ортофосфатов) осуществляется по реакции с молибдатом аммония и аскорбиновой кислотой с образованием молибденовой сини в исходной водной пробе, в то время как для определения полифосфатов требуется предварительно перевести их в фосфаты путем кислого гидролиза. Следует, однако, отметить, что разграничение приведенных форм не является строгим. При определении фосфатов из-за кислой реакции среды может гидролизоваться некоторая часть полифосфатов или лабильных органических соединений фосфора, но доля таких соединений невелика и на практике этим пренебрегают. При определении растворенных форм также может возникать неопределенность из-за возможности быстрого перехода разных форм фосфора друг в друга или прохождения через фильтр коллоидных веществ с размером частиц меньше, чем размер пор фильтра, поэтому иногда используют термин не «растворенные» формы, а «фильтруемые».
По причинам, приведенным выше, для получения сравнимых результатов определения соединений фосфора и однозначной их интерпретации важно строгое соблюдение условий предварительной обработки проб и процедуры анализа, в частности при определении растворенных форм проба должна быть отфильтрована как можно быстрее после отбора через фильтр с размером пор 0,45 мкм.
Концентрация фосфатов в незагрязненных природных водах может составлять тысячные, редко сотые доли мг/дм3. Повышение их содержания свидетельствует о загрязнении водного объекта. Концентрация фосфатов в воде подвержена сезонным колебаниям, поскольку она зависит от интенсивности процессов фотосинтеза и биохимического разложения органических веществ. Минимальные концентрации соединений фосфора наблюдаются весной и летом, максимальные - осенью и зимой.
Уменьшение содержания фосфатов в воде связано с потреблением его водными организмами, а также переходом в донные отложения при образовании нерастворимых фосфатов.
Предельно допустимая концентрация фосфатов (в пересчете на фосфор) в воде водных объектов рыбохозяйственного назначения составляет:
- для олиготрофных водных объектов 0,05 мг/дм3;
- для мезотрофных - 0,15 мг/дм3;
- для эвтрофных - 0,20 мг/дм3.
Предельно допустимая концентрация фосфатов для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения не установлена, в них нормируется только содержание полифосфатов. Предельно допустимая концентрация полифосфатов составляет 3,5 мг/дм3 в пересчете на фосфат-ион и 1,1 мг/дм3 в пересчете на фосфор.
2.1.4 Железо
Главными источниками соединений железа в природных водах являются процессы химического выветривания и растворения горных пород.
Влияние на качество воды. Содержащая железо вода (особенно подземная) сперва прозрачна и чиста на вид. Однако даже при непродолжительном контакте с кислородом воздуха железо окисляется, придавая воде желтовато-бурую окраску. Уже при концентрациях железа выше 0.3 мг/л такая вода способна вызвать появление ржавых потеков на сантехнике и пятен на белье при стирке. При содержании железа выше 1 мг/л вода становится мутной, окрашивается в желто-бурый цвет, у нее ощущается характерный металлический привкус. Все это делает такую воду практически неприемлемой как для технического, так и для питьевого применения. По органолептическим признакам (См. раздел "Органолептические показатели качества воды") предел содержания железа в воде практически повсеместно установлен на уровне 0.3 мг/л (а по нормам ЕС даже 0.2 мг/л). Здесь необходимо подчеркнуть, что это ограничение именно по органолептическим соображениям. По показаниям вредности для здоровья такой параметр не установлен (см. ниже).
В щелочной среде сульфосалициловая кислота с железом (Fe2+ и Fe3+) образует комплексное соединение желтого цвета. Окраска устойчива и позволяет определять железо фотометрически. Предел обнаружения методики составляет 0,1 мг/л. Определению мешают медь (>0,25 мг/л) и алюминий (>2 мг/л). Для водоемов предельно допустимая концентрация общего железа составляет 0,3 мг/л.
2.2 Влияние исследуемых элементов на экологию и человека
Питьевая вода - важнейший фактор здоровья человека. Практически все ее источники подвергаются антропогенному и техногенному воздействию разной интенсивности. Санитарное состояние большей части открытых водоемов России в последние годы улучшилось из-за уменьшения сброса стоков промышленных предприятий, но все еще остается тревожным.
Наиболее сильно поверхностные воды загрязнены в бассейнах Волги, Дона, Иртыша, Невы, Северной Двины, Тобола, Томи и ряда других рек.
Из-за нехватки сооружений для очистки и обеззараживания воды на большинстве водопроводов с водозабором из открытых водоемов состояние источников централизованного водоснабжения в целом по стране крайне неблагополучное.
Чаще всего низкое качество питьевой воды из централизованных систем водоснабжения связано с повышенным содержанием в ней железа и марганца. Избыток железа природного происхождения характерен для подземных вод в южной и центральной частях России, а также в Сибири. Кроме того, концентрация железа повышается при коррозии стальных и чугунных водопроводных труб. От этого страдает Санкт-Петербург, где коррозии способствует мягкая вода. По данным региональных органов санэпидемслужбы, около 50 млн человек, т. е. треть населения страны, пьют воду с повышенным содержанием железа. В Тульской области ПДК по железу нарушены в 3,7 раза, в Томской и Тюменской областях в 30% проб норматив по железу превышен в 5 раз.
Низкое качество питьевой воды сказывается на здоровье населения. Микробное загрязнение нередко служит причиной кишечных инфекций. Так, в 1998 г. в стране зарегистрировано 122 вспышки острых кишечных инфекционных заболеваний, вызванных питьевой водой (в 1997 г. - 112), с числом заболевших 4403 человек (в 1997 г. - 3942). Наибольшее число вспышек в местах с централизованным водоснабжением, где в результате заболело свыше 50 человек, отмечалось в ряде регионов.
2.3 Санитарно-гигиенический мониторинг
Одним из главных недостатков поверхностных водоемов как источников централизованного питьевого водоснабжения является постоянно существующий риск внезапного ухудшения качества воды. Это может быть связано как с природными, так и техногенными катаклизмами и привести как к принципиальной технологической невозможности подачи качественной воды населению, так и к трудно поправимым повреждениям самих систем водоподготовки и водораспределения. Предупредить подобные негативные последствия можно только путем организации специализированной системы мониторинга. Такого рода система на геоинформационной основе с использование ППП «Гидроэкопрогноз» была разработана для бассейна р.Невы. Она позволяет обеспечить заблаговременное информирование персонала станций об изменении качества воды реки Невы в местах водозаборов. Река имеет важное водохозяйственное значение по обеспечению водой Санкт-Петербурга, но подвержена высокой антропогенной нагрузке. В её русле расположено 100 выпусков промышленных предприятий и более 300 выпусков водоканала, а также 5 водозаборов водопроводных станций: Волковская, водопроводная станция у деревни Корчмено, Северная, Южная и Главная водопроводные станции [3].
К основным задачам разработки системы мониторинга были отнесены:
1. Обоснование расположения контрольных створов, их количества и числа станций постоянного (в реальном времени) и периодического наблюдения, на которых необходимо проводить контроль качества поверхностных вод р. Невы.
2. Определение маркерных показателей для создания системы мониторинга качества воды р. Невы, и обоснование периодичности их определения.
3. Обоснование выбора методов и средств измерения, анализа и передачи данных о качестве воды с учетом их эколого-экономической эффективности при практической реализации.
4. Разработка системы мероприятий по заблаговременному предупреждению и оповещению об ухудшении качества воды в области водозаборов водопроводных станций.
5. Оценка капитальных и ежегодные экономические затраты на организацию санитарно-гигиенического мониторинга р. Невы.
Для информационной поддержки разработки систем мониторинга были использованы геоинформационные системы [1, 5], обеспечивающие анализ больших объёмов разнородной информации, работу с картографическими базами данных. Функции ГИС для целей разработки систем мониторинга позволили решить задачи оперативного поиска данных, детализации рассматриваемого объекта, получения справочной информации. Встроенные алгоритмы ГИС обеспечивают: поддержку баз данных, работу с внутренним языком программирования, интеграцию с приложениями MS office, открытость архитектуры программы.
Графическое представление данных помещенных на карту, воспринимается намного лучше, чем большое количество различных графиков и диаграмм. Укрупнено- разработанная структура ГИС комплекса «Нева» содержит:
1) картографическую основу исследуемого участка р. Невы;
2) базы данных ПТС «Нева»;
3) модель имитационного моделирования переноса и превращения загрязняющих веществ.
В отличие от существующих подходов к нормированию антропогенной на-грузки, в работе предложена структура географической информации, обеспечивающая, с одной стороны, улучшение восприятия, с другой стороны, дающая географическую привязку промышленных предприятий. Картографическая информация включает: береговые линии водоемов; кварталы жилой застройки, улицы, малые реки, озера и пруды, промз оны, зеленые насаждения, промышленные предприятия и посты гидрологического и гидрохимического контроля.
В качестве базового программного продукта была взята программа ArcInfo ver.9.1 американской фирмы ESRI – ведущего мирового лидера в области создания ГИС. На первом этапе была разработана ГИС-основа р. Невы [2].

Рис. 2. Схема участка р. Невы
К созданной ГИС-системе была подключена база данных, содержащая данные по р. Неве, включая основные притоки и рукава и базу данных предприятий с полной информацией о их водозаборе и сбросе сточных вод. В качестве базы данных для создания экологического банка данных по р.Неве был выбран программный продукт фирмы MS Office MS Access. Данная база содержит информацию более чем по 100 промышленным предприятиям, данные по постам гидрологического и гидрохимического контроля за многолетний период наблюдений.
С использованием базы данных было проведено: ранжирование предприятий по массам загрязняющих веществ, поступивших в водный объект от предприятий, районирование водных объектов по степени антропогенной нагрузки, идентификация концентраций различных загрязнителей на постах гидрохимического контроля за различные временные промежутки. Созданная база данных позволяет пользователю получать оперативный доступ к любой хранящейся в ней информации, делать широкий спектр выборок по интересующим показателям за любой временной период, осуществлять различные виды статистических обработок. На основе созданной базы данных было проведено ранжирование всех источников загрязнения по массовым сбросам загрязняющих веществ.
В базу были занесены следующие массивы информации: гидрологические данные, гидрохимические данные, данные о колич еств е сточных вод, поступивших в водный объект от конкретного предприятия, данные о массе загрязняющих веществ, поступивших в водный объект от конкретного предприятия.
Информационную основу созданной базы данных, охватывающей участок р. Нева – Невская губа – прибрежные зоны Финского залива, составила информация, пол ученная в ГУП “Водоканал” по всем его выпускам , включая общесплавные, хозяйственно-бытовые, дождевые и канализационные водовыпуски за период наблюдений с 1999 по 2004 годы. Были собраны среднегодовые данные за 2003 год по объёмам и химическому составу сточных вод городских предприятий, имеющих прямые водовыпуски в Неву или в прибрежные зоны Финского залива. Информация о фактическом состоянии качества воды в данной системе была получена по результатам наблюдений, проводимых на постах контроля Госкомгидромета, и результатам анализов природной воды в водозаборных трубах водопроводных станций, принадлежащих ГУП “Водоканал” за пятилетний период наблюдений.
В созданный программный продукт была интегрирована модель имитационного моделирования процессов КДП и ПВ, реализованная на основе базовых продуктов: ППП “Гидроэкопрогноз” 2.97.001 с версиями ГЭП-01.02 и 03. Были реализованы алгоритмы расчёта процессов КДП и ПВ для двумерной нестационарной модели с постоянными и переменными параметрами [4].

Рис. 3. Программа Гидроэкопрогноз
Интегрированная модель имитационного моделирования позволила в реальном времени оценить состояние водной экосистемы при условии изменения различных параметров моделирования. Для проведения численных экспериментов исследуемая экосистема была разбита на участки с относительно однородными гидрологическими характеристиками.
Были проведены численные эксперименты по различным участкам и параметрам моделирования. Смоделированы аварийные ситуации и залповые сбросы.
На основе созданной бассейновой ГИС-системы были проведены следующие численные эксперименты:
1. На основании расчётных и натурных эпюр распределения концентраций загрязняющих веществ по ширине р. Невы показано, что влияние рек Мга, Тосна, Ижора и Славянка, впадающих с левого берега, не распространяется далее середины реки. Это предопределяет отсутствие влияния на водозабор СВС, расположенный в 100 метрах от правого берега.
2. Реки Мга и Тосна не влияют на водозабор ЮВС, а влияние рек Ижоры и Славянки определяется незначительным изменением максимальной концентрации до 10 %, кратностью разбавления в 67 раз для р. Ижоры, 256 раз для р. Славянки.
3. В случае возникновения одновременных чрезвычайных ситуации на реках Ижора и Славянка, максимальные концентрации загрязняющих веществ могут увеличиться в 2 раза в створе водозабора ЮВС. На расстоянии 100 метров от берега, где расположен сам водозабор, это увеличение составит не более 50 %.
4. Состояние воды у водозабора ЮВС определяется преимущественно влиянием р. Ижоры. В 100 метрах от берега вклад р. Ижоры в увеличение концентрации составляет не менее 85 % от общего вклада рек.
5. Размещение и ввод в эксплуатацию АСК в помещениях СВС и особенно ЮВС позволит в реальном времени осуществлять защиту сооружений этих станций от аварийного загрязнения, а также осуществлять раннее предупреждение расположенных ниже по течению ВВС и ГВС станций о возникновении ситуаций аварийного загрязнения воды р. Невы, соответственно, за 2 и 4 часа.

Рис. 4. Схема расположения постов контроля
Места расположения автоматических станций контроля диктовались репрезентативностью качества воды, близостью к водозаборам ГУП “Водоканал”, а также предполагаемой технической реализацией станций. Последнее обстоятельство привязывало их к существующим техническим сооружениям на русле реки (опоры мостов) и в береговой зоне (помещения водопроводных станций).
Географическая привязка предполагаемых створов контроля следующая:
1. Гидрологический пост в истоке р. Невы (станция Петрокрепость).
2. Один километр ниже Ладожского моста (створ водозабора водопроводной станции г. Кировска).
3. Пятьдесят метров выше Кузьминского моста (расположение станции во второй от левого берега опоре моста).
4. В устье реки Тосны.
5. У деревни Корчмино (створ водовыпуска перерабатывающего очистного комплекса СПКО-1).
6. В устье реки Ижоры.
7. В устье реки Славянки.
8. На водозаборе Северной водозаборной станции.
9. На водозаборе Южной водозаборной станции.
10. На водозаборе Волковской водозаборной станции.
11. На водозаборе Главной водозаборной станции.
Сценарии реагирования на несоответствие качества воды допустимым нормам:
1 – превышение критических уровней физико-химических показателей, влекущих высокую опасность бактериального загрязнения. При этом необходимо проинформировать контролирующие органы, произвести дополнительный отбор проб воды с целью дальнейшего их анализа на бактериологическое загрязнение, и в случае его выявления принять меры по устранению выявленных недостатков вплоть до прекращения подачи воды потребителям;
2 – превышение физико-химических показателей ПДК в питьевой воде. Необходимо проинформировать контролирующие органы и по их требованию потребителей, провести проверку технологии очистки воды, принять меры по устранению выявленных недостатков вплоть до прекращения подачи воды потребителям;
3 – превышение критических значений загрязнения в оды, определяемых по результатам биоиндикации (гибель животных-биоиндикаторов или критическое изменение параметров их жизнедеятельности на фоне заметных изменений физико-химических параметров воды водоисточника). При этом следует немедленно информировать контролирующие органы и потребителей; принять экстренные меры вплоть до перекрытия заслонки водозабора и прекращения подачи воды потребителям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Река Нева протекает по территории Ленинградской области и города Санкт-Петербурга и соединяет Ладожское озеро с Невской губой Финского залива Балтийского моря. Нева вытекает из Ладожского озера в районе Шлиссельбурга, протекает по Приневской низине. Её длина от Шлиссельбургской губы Ладожского озера до устья, при впадении Большой Невы в Невскую губу у Невских ворот Санкт-Петербургского торгового порта составляет 74 км, а площадь собственного бассейна 5 тыс. км². На берегах Невы расположены четыре крупных города Шлиссельбург, Кировск, Отрадное и Санкт-Петербург, а также несколько десятков более мелких населённых пунктов.
Большое количество городов на берегах Невы определяет интенсивное воздействие на химический состав ее вод.
Питьевая вода - важнейший фактор здоровья человека. Практически все ее источники подвергаются антропогенному и техногенному воздействию разной интенсивности. Санитарное состояние большей части открытых водоемов России в последние годы улучшилось из-за уменьшения сброса стоков промышленных предприятий, но все еще остается тревожным.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Апарин Б.Ф., Рубилин Е.В. Особенности почвообразования на двучленных породах северо-запада Русской равнины. Л., 1975. 181с.
2. Бахматова К. А. Агрогенетическая характеристика почв Приневской низменности / автореф. дисс. к.с-х. н. 1997. 24с.
3. Гагарина Э.И. Литологический фактор почвообразования (на примере Северо-Запада Русской равнины) / Изд-во СПбГУ. 2004. 258с.
4. Гагарина Э.И., Матинян Н.Н., Счастная Л.С., Касаткина Г.А. Почвы и почвенный покров северо-запада России / СПб. Из-во СПбГУ. 1995. 236с.
5. Герасимова М.И. География почв России. М. Изд-во МГУ. 2007 312с.
6. Геология СССР. Том I. Ленинградская, Псковская и Новгородская области. Геологическое описание. Северо-Западное территориальное ГУ. «Недра», М., 1971 г. 504 с.
7. ГОСТ 17.1.5.04-81 Охрана природы. Гидросфера. Приборы и устройства для отбора, первичной обработки и хранения проб природных вод. Общие технические условия
8. ГОСТ Р 51592-2000 Вода. Общие требования к отбору проб
9. ГОСТ 17.1.5.05-85 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков
10. Добровольский Г.В., Урусевская И.С. География почв. М. Изд-во МГУ. Наука. 2006. 460 с.
11. Иванова Г.Г., Иванов А.А., Шпигун О.А. Определение форм фосфора в природных водах // Вестник МГУ. Сер. 2. Химия. Т. 40. № 2. 1999. С. 118 – 123.
12. Исаченко А.Г., Дашкевич 3.В., Карнаухова Е.В. Физико-географическое районирование Северо-запада СССР. Изд. ЛГУ. 1965.
13. Исаченко А.Г. Ландшафтное районирование и типология ландшафтов Ленинградской области / в сб. Общие принципы стратегии лесопользования на ландшафтно-типологической основе. под ред. Волков Б.Л. СПб: СпбНИЛХ. 1994. С. 11 - 25.
14. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1 – 6. Выпуск 3. – Л.: Гидрометеоиздат,1988.
15. Классификация и диагностика почв России / Авторы и составители: Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И. Лебедева, М.И. Герасимова. Смоленск. Ойкумена. 2004. 342 с.
16. Малаховский Д.Б. Геоморфология и четвертичные отложения северо-запада Европейской части СССР. Л.: Изд-во «Наука», Ленингр. отд, 1969.
17. Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. 3-е изд., доп. и перераб. – СПб.: «Крисмас+», 2004. – 248 с.
18. Ниценко А.А. Хозяйственно-геоботаническое районирование Ленинградской области. Л . 1964.
19. Онищенко Г.Г. Вода и здоровье // Экология и жизнь. 4, 1999.
20. Почвы Ленинградской области / под. ред. В.К. Пестрякова. Лениздат. 1973. 344с.
21. Ягов Г.В. Контроль содержания соединений азота при очистке сточных вод:// Водоснабжение и санитарная техника, № 7, 2008, С. 45-49
22. Ягов Г.В. Современные методы определения содержания общего азота и углерода в пробах природных вод // Вода. Химия и экология, № 10, 2009, С. 28-33.
2