Характеристика исходных данных

В работе использовались данные наблюдений СЗУГМС за концентрацией твердых металлов (ТМ) в р. Охте-устье за период 1969 – 1998 гг.: медь, марганец, свинец, ртуть, хром общий и железо общее (Глава 2). Такой выбор ТМ обусловлен наличием наиболее полных рядов наблюдений по этим элементам. По другим ТМ, например цинк и никель наблюдения проводились крайне редко и нерегулярно и поэтому в дальнейших исследованиях эти металлы не рассматривались.

Р. Охта была выбрана в качестве объекта исследования по той причине, что из всех рек Санкт-Петербурга, кроме Невы, только на р. Охте проводятся измерения концентраций ТМ до 12 раз в год (см. главу 2). По другим малым рекам города такие измерения проводятся обычно до четырёх, максимум до пяти раз в год.

Вообще, при назначении программы и сроков отбора проб воды для определения концентраций ЗВ, обычно руководствуются специальным нормативным документом (ГОСТ 17.1.3.07-82), в соответствии с которым все пункты наблюдений за качеством воды водотоков делят на 4 категории. При этом наблюдения за качеством воды ведут по определенным видам программ, которые выбирают в зависимости от категории пункта контроля (табл.4.1). Периодичность проведения контроля по гидрохимическим показателям устанавливают в соответствии с категорией пункта наблюдений. При выборе программы контроля учитывают целевое использование водотока, состав сбрасываемых сточных вод, требования потребителей информации.

Параметры, определение которых предусмотрено обязательной программойнаблюдений за качеством поверхностных вод по гидрохимическим и гидрологическим показателям, включают в себя помимо всего прочего и наблюдения за концентрацией ТМ.

Сокращенную программу наблюдений за качеством поверхностных вод на водотоках по гидрологическим и гидрохимическим показателям подразделяют на три вида:

1. Первая программа предусматривает определение расхода воды, температуры, концентрации растворённого кислорода, удельной электропроводности, визуальные наблюдения.

Таблица 5.1 – Программы и периодичность наблюдений для пунктов различных категорий

2. Вторая программа предусматривает определение расхода воды, температуры, рН, удельной электропроводности, концентрации взвешенных веществ, ХПК, БПК₅, концентрации 2–3 загрязняющих веществ, основных для воды в данном пункте контроля, визуальные наблюдения.

3. Третья программа предусматривает определение расхода воды, скорости течения, температуры, рН, концентрации взвешенных веществ, концентрации растворённого кислорода, БПК₅, концентрации всех загрязняющих воду в данном пункте контроля веществ, визуальные наблюдения.

Таким образом, первая и вторая сокращённые программы не предусматривают обязательного измерения концентраций ТМ. Однако третья сокращённая программа (ежемесячно для всех пунктов, кроме пунктов IV категории: на незагрязнённых участках водотоков и на водотоках, расположенных на территориях государственных заповедников и национальных парков) включает в себя, как уже было сказано, наблюдения за концентрацией всех загрязняющих воду в данном пункте контроля веществ.

В обязательной же программе, (для всех без исключения пунктов наблюдения) чётко прописаны наблюдения за ТМ. Отбор проб по обязательной программе осуществляют, как правило, 7 раз в год в основные фазы водного режима: во время половодья – на подъёме, пике и спаде; во время летней межени – при наименьшем расходе и при прохождении дождевого паводка; осенью – перед ледоставом; во время зимней межени.

Таким образом, измерения концентрации ТМ для всех пунктов наблюдения на водотоках, протекающих в черте города, должны проводиться ежемесячно. А для всех без исключения пунктов наблюдения, по крайней мере, в основные фазы водного режима.

Однако, например, по всем малым рекам Санкт-Петербурга отборы проб на ТМ проводились с разной частотой. Так, на р. Фонтанке количество измерений концентраций Cr и Fe в год за весь период наблюдения менялось от одного до семи, отбор проб на Cu, Mn, Pb изменялось от одного до четырёх раз. На р. Карповке и р. Мойке отбор проб на Cr проводился от двух до четырёх раз в год. На Fe от трёх до пяти раз. На Cu, Mn и Pb пробы отбирались от одного до четырёх раз в год.

На р. Охте, одной из самых изученных рек Санкт-Петербурга, количество наблюдений за концентрациями ТМ в устье менялось каждый год. Так, для таких элементов как марганец, свинец и медь в устье р. Охты с 1969 г. по 1980 г. наблюдения за гидрохимическим режимом проводились до четырёх раз в год, с 1981 г. по 1989 г. – до восьми раз, а с 1990 г. по настоящее время – 12 раз в год. Количество наблюдений за концентрациями других металлов также менялось из года в год от 1 до 12 (таблица 5.2).

Как уже было сказано, при малом количестве проб воды для химического анализа, в отличие от более полных рядов наблюдений в течение года (например ежемесячных наблюдений), отбор проб должен проводиться в основные фазы водного режима с обязательным измерением в паводок. Такой учёт водности реки необходим, чтобы адекватно отражать динамику загрязнения водотока в течение года.

Таблица 5.2 – Количество наблюдений за концентрацией ТМ в р. Охте в разные годы

Однако, эти требования часто не соблюдаются на практике. Рассмотрим ситуацию с наблюдениями за концентрациями меди на р. Охта – устье. Так, с 1969 по 1989 гг. за год отбиралась одна проба (1970, 1976, 1977, 1980, 1982 гг.), две пробы (1971 г.), три (1969, 1972, 1979, 1984, 1985 гг.), четыре (1978 г.), пять (1987 г.) или шесть проб (1983, 1988, 1989 гг.). В 1986 г. было отобрано восемь проб, а в 1973, 1974, 1975 и 1981 гг. наблюдения за концентрацией меди вообще не проводились. И лишь с 1990 г. пробы отбирались регулярно – один раз в месяц (таблица 5.3).

Таблица 5.3 – Расписание проведения измерений концентраций меди в стоке р. Охты за многолетний период

Кроме того, что в период 1969-1989 гг. наблюдения за концентрациями меди проводились каждый год с разной частотой, они к тому же, проводились и в разные сроки. Так, из таблицы 5.3 видно, что в многолетней перспективе лишь октябрь и август освещены наблюдениями более или менее регулярно. В отборах проб в другие месяцы системы не наблюдается. Важно отметить, что плохо освещены наблюдениями зимняя межень и период весеннего половодья – периоды, когда с высокой вероятностью ожидаются максимальные концентрации ТМ. Так, начиная с 1969 и до 1990 года, с которого начались ежемесячные наблюдения, с ноября по апрель месяц было произведено всего 10 наблюдений за химическим составом воды. При этом лишь одно из них, в 1986 г., было проведено в период весеннего половодья.

Таким образом, при анализе информации о концентрации меди за многолетний период приходится иметь дело с данными наблюдений, полученными как в разные сроки и, так и в разные фазы водного режима.

Подобная ситуация по срокам наблюдения в пункте р. Охта–устье сложилась и по другим металлам. Из анализа сроков наблюдений за всеми металлами, с 1969 по 1989 гг., следует, что относительно полно освещены наблюдениями – 5-6 измерений за весь период наблюдений – май, август и октябрь месяцы. Другие месяцы, когда также проводились измерения, остались менее освещёнными: январь, апрель, ноябрь и декабрь.

Для того, чтобы оценить, насколько такой график отбора проб согласуется с колебаниями водности исследуемого водного объекта, на рис. 1 и 2 представлены среднесуточные гидрографы речного стока р. Охты – д. Новодевяткино с отмеченными датами взятия проб на химический анализ (на примере меди). Из рисунка 5.1 видно, что в 1983 г. измерения концентрации меди проводились 6 раз: 21

Рисунок 4.1 – Гидрограф стока р. Охта – д. Ново-Девяткино, 1983 г.

февраля, 8 июня, 12 июля, 10 августа, 20 сентября и 20 октября, то есть наблюдениями освещена в основном зимняя и летняя межень. Частично охвачены пробами на химический анализ осенние паводки. Но в период весеннего половодья нет ни одного измерения.

В 1984 г. измерения проводились 24 мая, 31 июля и 16 октября, охватив, таким образом, летнюю межень и частично осенний паводок (рис. 2). При этом не охвачена зимняя межень и, самое главное, весеннее половодье.

Рисунок 4.2 – Гидрограф стока р. Охта – д. Ново-Девяткино, 1984 г.

В другие годы ситуация с распределением измерений концентраций ТМ в течение года принципиально не отличалась от рассмотренных. Таким образом, отборы проб воды для химического анализа проводились без привязки к водности реки.

Однако, наши исследования показали, что режим отбора проб влияет на результаты исследований и его согласование с основными фазами водного режима рек необходимо. Не смотря на то, что уровень загрязнения рек в условиях больших городов в основном определяется интенсивностью антропогенной нагрузки, связь концентраций ЗВ с водностью рек всё же существует. Так, по данным о концентрациях ТМ в малых реках Санкт-Петербурга с 1970 по 1989 гг. прослеживается тенденция прохождения максимума концентраций в феврале и марте (р. Карповка, р. Мойка и р. Фонтанка) и в мае (р. Охта и Обводный канал). Большинство минимальных значений наблюдалось в октябре (р. Карповка, Обводный канал и р. Фонтанка) и в августе (р. Охта и р. Мойка). Этот вывод получен на основе анализа большого объёма информации (за многолетний период по пяти водотокам для внутригодовых концентраций меди, свинца, марганца и железа), однако он носит оценочный характер из-за того, что как уже было сказано, в эти годы пробы отбирались примерно четыре раза в год и практически никогда – в половодье.

Нами был проведён анализ внутригодового хода концентраций меди, марганца, свинца, хрома и ртути по р. Охте – устье за период 1990-1997 гг., когда проводились ежемесячные отборыпроб на эти металлы. Данный период был выбран ещё и потому, что в эти годы функционировал гидрологический пост на р. Сестре, по которой, как по реке аналогу, были рассчитаны внутригодовые расходы воды р. Охты (глава 2). Таким образом, анализ проводился как по измеренным концентрациям, так и по взвешенным по водности, среди которых были выделены максимумы и минимумы. Все результаты расчётов сводились в таблицы, где указывалось, сколько за указанный период максимумов/минимумов по всем металлам пришлось на январь, февраль и т.д.

Результаты анализа проиллюстрированы на рисунке 5.3, из которого видно, что довольно часто максимальные значения концентраций ТМ наблюдаются в зимнюю межень, что связано с низкой водностью реки в данный период. Но в большинстве случаев, максимальные концентрации ТМ наблюдаются в период весеннего половодья – апреле, а так же на спаде – в мае. Особенно это выражено для концентраций, взвешенных по водности, т.к. в этот период проходят максимальные расходы воды. Прохождение максимальных концентраций ТМ в половодье связано с тем, что в зимний период происходит их накопление в снежном покрове, с последующим стоком в реки с талыми водами. Содержание ТМ в снеге на момент снеготаяния для индустриальных районов может быть сопоставимо или даже превосходить поступление металлов с промышленными сбросами.

Рисунок 4.3 – Время прохождения максимальных годовых концентраций меди, марганца, свинца, хрома и ртути за период 1990-1997 гг., р. Охта – устье.

Периодичность прохождения минимальных концентраций металлов в р. Охте не так хорошо выражена, как у максимальных концентраций (рис. 4.4). Связано это с тем, что по некоторым металлам часто наблюдались нулевые концентрации. Однако и здесь прослеживается тенденция. Так, по данным о концентрациях ТМ в малых реках Санкт-Петербурга с 1970 по 1989 гг. (когда проводилось, как правило, четыре измерения в год) прослеживается тенденция прохождения минимума концентраций в октябре (р. Карповка, Обводный канал и р. Фонтанка) и августе (р. Охта и р. Мойка). Интересно, что именно в эти месяцы, как уже было сказано, СЗУГМС как правило проводило отборы проб воды на малых реках Санкт-Петербурга (таблица 5.3), отслеживая тем самым состояние рек в период наименьшей их загрязнённости.

Однако за период 1990-1993 гг., при проведении ежемесячного отбора проб, для рядов концентраций по меди, марганцу, свинцу, хрому и ртути по р. Охте-устье, было выявлено, что минимальные значения концентраций ТМ наблюдаются, как правило, в сентябре и феврале (рисунок 5.4).

Рисунок 4.4 – Время прохождения минимальных концентраций меди, марганца, свинца, хрома и ртути за период 1990-1993 гг., р. Охта-устье.

Резюмируя, можно сказать, что данные по концентрациям ТМ по р. Охта – устье за 1969 – 1989 гг., носят нерегулярный характер как по количеству измерений в год, так и по срокам отбора проб в разные годы. Как правило, в указанный период наблюдения проводились в летнюю межень, реже – в осенний паводок, ещё реже – в зимнюю межень и практически никогда в весеннее половодье. Такое расписание отбора проб воды для химического анализа почти не освещает периоды, когда на реках Санкт-Петербурга, как правило, наблюдаются максимальные концентрации ТМ – зимняя межень и весеннее половодье (рисунок 5.1 и 5.2) и не соответствует имеющимся методикам. Очевидно, это должно привести к существенным погрешностям вычисления среднегодовых концентраций ТМ по сравнению с расчётами по 1990-1998 гг., когда проводились регулярные измерения концентраций ТМ. Эти погрешности были оценены по предложенной методике.