CC BY
33
УДК 504.43/45.06:(556.535:004.01) DOI: 10.33764/2618-981Х-2019-4-1-134-140
АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ МАЛОЙ РЕКИ НА ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Александр Тимофеевич Зиновьев
Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Россия, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1, доктор технических наук, зав. лабораторией гидрологии и геоинформатики, тел. (906)940-94-77, e-mail: zinoviev@iwep.ru
Ольга Вольфовна Ловцкая
Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Россия, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1, старший научный сотрудник лаборатории гидрологии и геоинформатики, тел. (3852)66-65-01, e-mail: lov_olga@inbox.ru
Проведён пространственный анализ данных экспериментальных исследований загрязнения малых рек, протекающих по территории города Барнаула. Установлен ряд количественных связей между концентрациями нитратов и нитритов в точках наблюдений. На основе соотношения баланса массы примесей в водной среде выполнены оценки коэффициента разбавления.
Ключевые слова: загрязнение речной воды, нитраты, нитриты, баланс массы примеси, коэффициент разбавления.
THE ANALYSIS OF POLLUTION PROCESSES IN A SMALL URBAN RIVER
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 6, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Chief Researcher, phone: (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Alexander T. Zinoviev
Institute for Water and Envirinmental Problems, 1, Molodyozhnaya St., Barnaul, 6565038, Russia, Dr. Sc., Head of Laboratory of Hydrology and Geoinformatics, phone: (906)940-94-77, e-mail: zinoviev@iwep.ru
Olga V. Lovtskaya
Institute for Water and Environmental Problems, SB RAS, 1, Molodezhnaya St., Barnaul, 656038, Russia, Senior Researcher of Laboratory of Hydrology and Geoinformatics, phone: (3852)66-65-01, e-mail: lov_olga@inbox.ru
The spatial analysis of experimental data on pollution of small rivers flowing through the city of Barnaul was performed. Some quantitative relationships be-tween nitrate and nitrite concentra-
tions in observation sites were established. The dilution ratio was estimated based on the relation of impurity mass balance in the water.
Key words: river water pollution, nitrates, nitrites, impurity mass balance, dilution ratio.
Введение
Для разработки моделей и методов оценки загрязнения речной воды в результате диффузного стока примесей с урбанизированных территорий требуется привлечение данных натурных наблюдений (гидрологических, гидрохимических и биогеохимических) по пилотным участкам рек и их водосборных территорий [1-7]. Эти работы включают в себя отбор гидрохимических проб, определение основных параметров речного потока, совмещенное по времени с отбором гидрохимических проб, промеры глубин по набору створов и т.д. [8-11].
Основой математических моделей качества воды являются соотношения баланса примесей в реке, к которых присутствуют слагаемые, описывающие изменение их концентраций за счет протекающих в воде биохимических реакций, взаимодействия со взвешенными наносами, атмосферным воздухом, поступлением со сточными водами и притоками и так далее [4, 6-8]. Необходимым этапом исследований является численный анализ экспериментальных результатов с последующей разработкой методов оценки диффузного стока с урбанизированных территорий путем решения обратных задач моделирования качества воды [7-9].
Цель работы состоит в первичном анализе данных наблюдений современных гидрологических и гидрохимических характеристик малых рек г. Барнаула.
Объекты и методы исследований
Объектами наблюдений являются р. Барнаулка и ее приток р. Пивоварка в черте г. Барнаула [10-12]. В ходе обследования по нескольким створам изучалась гидрохимия и гидрология этих рек в их нижнем течении (рис. 1). Точки 5, 6, 7 позволяют отследить изменения гидрохимических характеристик реки в зоне преимущественно малоэтажной застройки городских окраин. Точка 7, расположенная непосредственно выше устья реки Пивоварки, является входной точкой в зону с максимальной антропогенной нагрузкой. Здесь река протекает по центральной, плотно застроенной и густонаселенной части города. Кроме того, на участке между этой точкой и устьем реки расположены водовыпуски городской системы ливневой канализации. Часть ливневого стока направляется также в реку Пивоварку. Следует отметить, что эта река, целиком протекающая в пределах города, притом в основном по районам старой малоэтажной застройки (так называемого «частного сектора»), вносит существенный вклад в общее загрязнение Барнаулки. Последняя точка (т. 10) расположена вблизи устья р. Барнаулка, ниже всех ливневых во-довыпусков.
/
О 1 2 3 км
• Пункты отбора гидрохимических проб
Рис. 1. Местоположение пунктов полевых работ на р. Барнаулке
17-18 июля 2018 г.
В течение 17 и 18 июля 2018 г. был выполнен комплекс полевых работ по р.Барнаулке на вышеперечисленных створах, который включал в себя: отбор гидрохимических проб, а также определение расходов воды. Кроме того, отбор проб и измерение расхода воды проводилось также на приустьевом участке реки Пивоварки. Хотя наблюдения (отборы проб и измерения расходов воды) в разных пунктах осуществлялись не синхронно, они были выполнены в достаточно короткий интервал времени - 28 часов. Следует отметить, что как в ходе выполнения работ, так и, по крайней мере, за трое суток до их начала, осадков в бассейне р. Барнаулка не выпадало.
В пунктах 05 - 07 и 09 гидрохимические пробы отбирались с левого берега реки, а в пунктах 08 и 10 - из центра русла с пешеходных мостиков. Кроме того, в пункте 08, в створе мостика, были отобрано две дополнительные пробы у обоих берегов реки. Проба в реке Пивоварке также отбиралась в центре ее русла (вброд). Данные экспериментальных исследований представлены в таблице.
Гидрохимический состав и расходы воды в р. Барнаулке и р. Пивоварке (ПВ), измеренные 17-18 июля 2018 г.
Река Пункт измерений NО2- мг/л NО3- мг/л нщ, мг/л Расход воды, м3/с
Барнаулка 5 0.002 0.70 1.5 -
Барнаулка 6 0.041 0.54 1.1 -
Барнаулка 7 0.047 0.94 0.82 6.39
Барнаулка 8л (лев. берег) 0.31 1.9 0.78 -
Барнаулка 8ц (середина) 0.22 1.3 1.0 6.52
Барнаулка 8п (пр. берег) 0.033 0.95 0.88 -
Барнаулка 9 0.088 1.4 1.3 -
Барнаулка 10 0.32 2.6 1.4 6.76
Пивоварка 11 2.6 41 4.6 0.13
Результаты и обсуждения
Анализ таблицы показывает, что концентрации нитрат и нитрит ионов в воде р. Барнаулки в летний период, в целом, последовательно увеличиваются по мере продвижения к устью. Это может свидетельствовать о преимущественном поступлении этих ионных компонентов с площади водосборного бассейна реки.
Примеси, поступающие с водами р. Пивоварки, высококонцентрированные (т. 11). Процесс их последовательного разбавления (рис. 2) от левого берега к правому берегу р. Барнаулки подтверждается измерениями на створе 8 (точки 8 л, 8ц, 8п).
Рис. 2. Изменения концентрации нитратов и нитритов в поперечном сечении р. Барнаулка (створ 8)
Данные измерений по нитратам и нитритам ведут себя вполне согласовано в точках 8л и 8ц. Отношения их концентраций в этих точках составляют 6.13 и 5.91 соответственно.
Более детальный анализ результата разбавления после впадения р. Пивоварки в р. Барнаулку можно провести с использованием следующего соотношения баланса массы примесей [13]
(VБ + ¥п ) • Я СуММ _ VБ • а Б + ГП • Я П С1)
где VБ и яб - расход воды и концентрация примеси в точке 7 в р. Барнаулке, VПи аП - расход воды и концентрация примеси в точке 11 в р. Пивоварке,
ЯСуММ - суммарная концентрация примеси в точке 9. Тогда из соотношения (1) следует, что
а _ ^ • ЯБ + ^ • ЯП _ Я ^ + Я ^ (2)
Чсумм _ VБ + VП "аБ VБ + VП ап VБ + VП ■ ()
Учитывая, что -Б— «1, получим соотношение для оценивания коэф-
VБ + Vп У *
фициента разбавления
К = Vп ~ ЯсУММ - Яб (3)
^ + ^ ап '
Используя соотношение (3) и данные табл. 1, получим следующие оценки коэффициентов разбавления для нитритов, нитратов и аммония:
Кт _ 0.0158, Кш- _ 0.0112, Кш: _ 0.104.
С другой стороны, коэффициент разбавления в точке 9, рассчитанный непосредственно по расходам воды в реках Барнаулка и Пивоварка, составляет 0.0196 и достаточно близок к значениям соответствующих коэффициентов для нитритов и нитратов. Что касается аммония, то расхождения в полученных коэффициентах разбавления более существенные и требуются дополнительные исследования.
Рассматривая отношения измеренных концентраций нитратов и нитритов в устье р. Пивоварки и в точке 9, достаточно удалённой от её устья (рис. 1), получим
ало- (т.11) а ып- (т.11)
-1 _ 29.55, -- _ 29.29. (4)
Яло-(т.9) Яло;(т.9)
Высокий уровень согласия в отношениях (4) указывает на отсутствие на этом участке р. Барнаулки значимых источников нитратов и нитритов. На участке реки между точками 9 и 10 происходит заметный рост этих компонентов, который обусловлен дополнительным их поступлением с территории г. Барнаула.
Заключение
Выполнен численный анализ экспедиционных и химико-аналитических исследований для различных пилотных участков малых рек, подверженных воздействию диффузного загрязнения с урбанизированной территории (территории г. Барнаула). Установлены количественные связи между концентрациями нитратов и нитритов в нижнем течении р. Барнаулки.
Полученные результаты могут быть использованы для построения компьютерных моделей качества воды и определения диффузного загрязнения поверхностных вод с целью разработки методов оценки диффузного стока с урбанизированных территорий путем решения обратных задач.
Благодарности
В статье использованы материалы и методы, полученные при работе над проектом «Разработка методов оценки диффузного стока с урбанизированных территорий путем решения обратных задач моделирования качества воды» (Федеральный проект «Оздоровление Волги»).
Комплекс полевых работ выполнен научными сотрудниками ИВЭП СО РАН К. В. Марусиным и А. В. Дьяченко. Химический анализ проб воды проведен в химико-аналитическом центре ИВЭП СО РАН (начальник центра - д.х.н. Т. С. Папина).
Работа выполнена в рамках Госзадания (№2 0315-2019-0004) и подготовлена при поддержке программы президиума РАН № 51 «Изменение климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования» (№ 0315-2018-0016), а также в рамках Госзадания по проекту «Изучение гидрологических и гидрофизических процессов в водных объектах и на водосборах Сибири и их математическое моделирование для стратегии водопользования и охраны водных ресурсов» (0383-2016-0002, 0383-2019-0003), финансовой поддержке РФФИ и Правительства Новосибирской области в рамках научного проекта № 19-47-540008.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Математические модели контроля загрязнения воды: монография. - М. : Мир, 1981. -
472 с.
2. Вода России. Речные бассейны: монография. - М. : ФГУП, 2002. - 572 с.
3. Ambrose R. D., Wool T. A., Martin J. L., Connoly J. P., Schanz R. W. WASP5.X A Hy-drodynamic and water quality model. - Athens : EPA, 1991. - 349 p.
4. Михайлов С. А. Диффузное загрязнение водных экосистем. Методы оценки и математические модели: аналитический обзор. - Барнаул : День, 2000. - 130 с.
5. Мотовилов Ю. Г., Фащевская Т. Б. Пространственно распределенная модель формирования стока тяжелых металлов в речном бассейне // Вода: химия и экология. - 2018. -№ 1 - 3. - C. 18-31.
6. Коронкевич Н. И., Долгов С. В. Сток с водосбора как источник диффузного загрязнения рек // Вода и экология: проблемы и решения. - 2017. - № 4 (72). - С. 103-110.
7. Борзилов В. А., Седунов Ю. С., Новицкий М. А. Прогнозирование вторичного радиоактивного загрязнения рек тридцатикилометровой зоны Чернобыльской АЭС // Метеорология и гидрология. - 1989. - № 2. - С. 5-13.
8. Методические основы оценки антропогенного влияния на качество поверхностных вод: методическое пособие. / Под ред. А. В. Караушева. - Л. : Гидрометеоиздат, 1981. - 176 с.
9. Дрюпина Е. Ю., Эйрих А. Н, Эйрих С. С., Папина Т. С. Влияние крупных городов на качество речных вод (на примере р. Обь в районе г. Барнаула) // Вода: химия и экология. -2014. - № 7. - С. 3-9.
10. Handbook of Hydrology. / Ed. D. R. Maidment. - New York : Mc GrowHill, 1992. - 518 p.
11. Лепихин А. П., Возняк А. А., Тиунов А. А., Богомолов А. В. К проблеме корректности методов расчетов и задания исходной гидрологической и гидрохимической информации при регламентации техногенных воздействий на водные объекты // Водное хозяйство России. - 2017. - № 1. - С. 58-77.
12. Семчуков А. Н., Квон В. И. Определение интенсивности сброса загрязняющих веществ в реку по данным наблюдений в расположенном ниже створе // Метеорология и гидрология. - 1999. - № 7. - С. 84-91.
13. Семчуков А. Н., Квон В. И. Численное решение одной обратной задачи о качестве воды в реках // Сибирский журнал индустриальной математики. - 1999. - Т. 2, № 1. - С. 151-163.
14. Сухоруков Ф. В., Дегерменджи А. Г., Белолипецкий В. М. Закономерности распределения и миграции радионуклидов в долине р. Енисей: монография / Под ред. В. Ф. Шабанова, А. Г. Дегерменджи. - Новосибирск: Академическое издательство «Гео», 2004. - 286 с.
15. Гордин И. В., Винницкая И. П., Кирпичникова Н. В. Идентификация неконтролируемых залповых поступлений сточных вод в нестационарном потоке // Химия и технология воды. - 1990. - Т. 12. - № 11. - С. 967-973.
16. Пряжинская В. Г. Современные методы управления качеством речных вод урбанизированных территорий // Водные ресурсы. - 1996. - Т. 23. - № 2. - С. 168-176.
17. Река Барнаулка: экология. Флора и фауна бассейна: монография / Под ред. М. М. Силантьевой. - Барнаул : АГУ, 2000. - 224 с.
18. Темерев С. В. Микроэлементы в поверхностных водах бассейна Оби: монография. -Барнаул : Алтайский госуниверситет, 2006. - 336 с.
19. Темерев С. В., Галахов В. П., Плотникова Ю. Е. Формирование и распределением химического стока реки Барнаулки // Известия Алтайского государственного университета. -2001. - №3 (21). - С. 32-37.
20. Долматова Л. А., Егорова Л. С., Михайленко М. А. Летучие фенолы в объектах экосистемы р. Барнаулка // Известия АлтГУ. - 2004. -№ 3. - С. 10-14.
21. Горгуленко В. В. Пространственная неоднородность и сезонная динамика токсичности воды р. Обь в окрестностях г. Барнаула // Вода: химия и экология. - 2012. - № 11 (53). -С. 16-21.
22. Ротанова И. Н., Пупкова В. В. Малые реки городской территории как природоохранные объекты урбанизированной среды (опыт исследований на примере Барнаула) // География и природопользование Сибири. - 2013. - № 15. - С. 171-181.
23. Шилькрот Г. С., Ясинский С. В. Пространственно-временная изменчивость потока биогенных элементов и качества воды малой реки // Водные ресурсы. - 2002. - Т. 29. -№ 3. - С. 343-349.
© В. Ф. Рапута, А. Т. Зиновьев, О. В. Ловцкая, 2019
