CC BY
242
УДК 504.064.2 ББК 26.222
Е.С. Урусова
оценка загрязненности реки охта в пределах санкт-петербурга на основе применения интегральных кривых*
Целью работы является оценка пространственно-временной динамики загрязненности реки Охта в переделах Санкт-Петербурга на основе анализа интегральных кривых. Исходными материалами для исследования являются данные наблюдений за концентрациями различных форм азота, растворенного кислорода, нефтепродуктов и СПАВ а также показателя БПК5 на реке Охта за период 1995-2013 гг. Рассматриваются 2 пункта наблюдений: Ильинский мост и Комаровский мост. В качестве методов исследований используется широкий спектр статистических средств обработки информации и метод территориальных обобщений. Анализ основных числовых характеристик показал, что ряды среднегодовых значений концентраций и объемов стока обладают большой изменчивостью и высокой степенью положительной асимметрии. Оценка однородности показала, что чуть больше половины всех рядов наблюдений однородны, то есть отражают реальную картину состояния реки в условиях высокой антропогенной нагрузки. Неоднородные ряды наблюдений содержат в себе два типа данных: отражающие загрязненность реки в условиях постоянной антропогенной нагрузки, и в условиях залповых сбросов от предприятий или в результате влияния гидрометеорологических явлений. Оценка пространственно-временной динамики загрязненности реки Охта показала, что для большинства веществ характерно увеличение значений концентраций от истока к устью. Во всех рядах наблюдения имеют место периоды или отдельные годы, когда значения концентраций резко возрастали. Интегральные кривые являются достаточно простым и достоверным методом оценки пространственно-временной динамики изменения концентраций и объемов стока содержащихся в воде веществ.
Ключевые слова:
биогены, интегральные кривые, качество поверхностных вод, река Охта, числовые характеристики.
Урусова Е.С. Оценка загрязненности реки Охта в пределах Санкт-Петербурга на основе применения интегральных кривых // Общество. Среда. Развитие. - 2015, № 4. - С. 171-175.
© Урусова Елена Сергеевна - кандидат географических наук, доцент, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург; e-mail: [email protected]
С ростом городов, развитием промыш- грязненности реки Охта достаточно высок ленности и сельского хозяйства антропоген- вследствие большого числа выпусков сточное воздействие на водные объекты все более ных вод и поверхностного стока с городс-усиливается. Промышленные, хозяйствен- ких и промышленных территорий [2, с. 62]. но-бытовые, сельскохозяйственные и другие Существующие в настоящее время мето-сточные воды, сбрасываемые в водные объ- ды оценки загрязненности рек не всегда учи-екты, вызывают в той или иной степени вы- тывают основные особенности гидрохими-раженные антропогенные изменения качес- ческих наблюдений [7, с. 15]. Для учета этих тва воды, нарушая тем самым экологическое особенностей при оценке пространственно-равновесие [1, с. 94]. В результате происходит временной динамики изменений загрязнен-изменение качественного состава воды, что ности рек удобнее всего использовать такую влияет на её пригодность для различных методику, которая достаточна проста в при-видов использования [5, с. 183]. Особенно менении и позволяет провести оценку с ми-сильно загрязняются малые, и даже средние нимальным количеством графических постреки, находящиеся в промышленных и гус- роений. Именно этим требованиям удовлет-тонаселённых районах [2, с. 61; 3, с. 18]. воряет методика оценки пространственно-На территории Санкт-Петербурга рас- временной динамики загрязненности рек на полагается большое количество малых рек основе применения интегральных кривых. естественного происхождения. Большинст- Целью работы является оценка прово из них протекают по территории города странственно-временной динамики зав пределах промышленных и селитебных грязненности реки Охта в пределах Санкт-территорий, что приводит к их существен- Петербурга на основе анализа интегральному загрязнению. В частности, уровень за- ных кривых.
* Данное исследование выполнено при поддержке Комитета по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга.
О
о
3 ю О
Материалы и методы
В качестве исходных данных использовались измеренные и среднегодовые концентрации азота аммонийного, азота нитратного, азота нитритного, растворенного кислорода, нефтепродуктов, СПАВ* и показателя БПК5** в двух пунктах наблюдения: Ильинский мост (0,8 км ниже плотины Ржевского водохранилища) и Комаровский мост (0,5 км выше впадения в р. Нева).
Достоверность оценок и результатов обеспечивается использованием в качестве информационной базы материалов государственной системы наблюдений за состоянием поверхностных вод, применением стандартных методов математической обработки данных наблюдений.
Оценка основных числовых характеристик (математическое ожидание, средне-квадратическое отклонение, коэффициент вариации и коэффициент асимметрии) проводилась с использованием метода моментов. Выбор данного метода обусловлен его простотой применения и независимостью оценок от закона распределения [6, с. 86].
Для оценки однородности рядов наблюдений применялись параметрические критерии (Стьюдента и Фишера) и непараметрический критерий Уилкоксона. Общий вывод для ряда наблюдения делался на основании сопоставления результатов по всем трем критериям.
Оценка среднегодового значения концентрации проводилась на основе вычисления среднего арифметического значения по всем измеренным в ¿-м году значениям.
Для оценки пространственно-временной динамики загрязненности реки Охта наряду с другими методами применялась методика, основанная на построении интегральных кривых. Разностные интегральные кривые получили широкое распространение с 1930-х гг., когда их начали активно использовать для расчетов многолетнего регулирования стока. В настоящее время предприняты попытки их использования для оценки пространственно-временной динамики загрязненности рек [8, с. 97].
Интегральные кривые представляют собой графическое отображение зависимости (1):
ц = /(;) , (1)
где ц. - нарастающая сумма значений ряда у от первого до .-го члена ряда (. = 1, 2, ..., п), то есть:
Ъ =Х Я ,
(2)
г=1
* Синтетические поверхностно-активные вещества (прим. ред.).
** Биохимическое потребление кислорода (БПК) -показатель загрязнения, характеризующийся количеством кислорода (в мг), который за установленный период времени израсходован на окисление загрязнителей водоема, содержащихся в единице объема (обычно в 1 л) при 20°С. В практике БПК чаще всего определяется в течение 5 суток (БПК5) (прим. ред.).
у. - ¿-е значение ряда У, г - порядковый номер значений У; . - порядковый номер нарастающих сумм значений у.
В настоящее время интегральные кривые используются не только при расчетах регулирования стока, но и для выявления изменений тенденции развития процесса и времени начала этих изменений, то есть для определения переломных точек в многолетних колебаниях стока, если такие есть [4, с. 95; 8, с. 97]. Это позволяет выявить наличие тенденции в развитии процесса, даже если другими методами оценки однородности и стационарности она не выявляется.
Последнее определяется тем, что с увеличением . значимость отклонений средних значений в отдельные годы от средних многолетних значений в сумме ц. уменьшается и общий вид графика связи (1) определяется общей тенденцией нарастания суммы значений с увеличением периода наблюдений. Именно поэтому на интегральных кривых более четко прослеживаются изменения многолетних колебаний рассматриваемого процесса, вызванные, как правило, влиянием хозяйственной деятельности или, что также бывает, погрешностями измерений [4, с. 96].
Результаты и выводы
Результатом проведенного исследования является оценка пространственно-временной динамики загрязненности реки Охта в черте города Санкт-Петербург.
На первом этапе была проведена оценка основных числовых характеристик исходных рядов наблюдений за гидрохимическим режимом реки Охта в двух пунктах наблюдения: Комаровский мост и Ильинский мост. Результаты оценки представлены в табл. 1.
Как видно из представленных данных, все исследуемые ряды наблюдений обладают достаточно ярко выраженной положительной асимметрией, т.е. в полученных рядах встречаются отдельные достаточно высокие значения концентраций. Исключение составляют ряды концентраций растворенного кислорода, для которых значения коэффициентов асимметрии не столь велики. В 10 случаях из 14 значение Cs больше единицы, в 6 случаях оно превосходит 2. Наибольшая степень асимметрии в сторону больших значений характерна для рядов нитратного азота и нефтепродуктов на станции Комаровский мост.
Значения коэффициентов вариации также достаточно велики, что говорит о высокой вариативности значений рядов концентраций. Из представленных в табл. 1 результатов видно, что наимень-
Таблица 1
Оценка основных числовых характеристик исходных рядов значений концентраций в реке Охта (в пределах города Санкт-Петербург)
Станция комаровский мост Ильинский мост
растворенный кислород
п 68 67
тх 6,09 7,58
СКО 2,74 2,11
^ 0,45 0,28
Cs 0,13 0,12
бпк5
п 65 65
тх 5,50 4,50
СКО 5,33 2,20
^ 0,97 0,49
Cs 2,01 0,76
азот аммонийный
п 60 59
тх 2,61 1,98
СКО 1,75 1,28
^ 0,67 0,64
Cs 1,10 0,74
азот нитритный
п 68 67
тх 0,182 0,182
СКО 0,182 0,184
^ 1,00 1,02
Cs 2,00 1,91
азот нитратный
п 59 59
тх 2,44 3,66
СКО 3,59 4,87
^ 1,47 1,33
Cs 4,47 3,37
нефтепродукты
п 62 60
тх 0,23 0,15
СКО 0,34 0,13
^ 1,50 0,85
Cs 4,26 1,16
СПАВ
п 59 59
тх 0,165 0,166
СКО 0,157 0,164
^ 0,95 0,99
Cs 1,81 2,39
шие значения коэффициентов вариации характерны для рядов концентраций растворенного кислорода, наибольшие - для рядов значений измеренных концентраций нитритного и нитратного азота.
Исходя из этого можно сделать вывод, что распределение исследуемых исходных рядов концентраций асимметрично относительно математического ожидания. Очевидно, что для таких рядов применение некоторых методов и критериев, основанных на предположении о нормальности распределения, не всегда оправдано.
Выявленные особенности исходных рядов наблюдений за гидрохимическим режимом реки Охта могут быть связаны с повышенной антропогенной нагрузкой на реку в пределах городской черты. Увеличение интенсивности антропогенного воздействия приводит к увеличению содержания отдельных веществ в водах реки, тем самым приводя к смещению ряда значений концентраций в сторону больших величин. Высокая вариативность рядов может быть вызвана наличием в рядах наблюдений выбросов, связанных с аварийными сбросами предприятий или с воздействием неблагоприятных гидрометеорологических явлений на водосборе [7, с. 17].
Результаты проверки однородности исходных рядов значений концентраций растворенного кислорода, различных форм азота, нефтепродуктов, СПАВ и показателя БПК5 по совокупности трех критериев представлены в табл. 2. Здесь однородным считается тот ряд, для которого по параметрическим критериям (Стьюдента и Фишера) и по непараметрическому критерию Уилкоксона гипотезы не опровергаются. Если хотя бы по одному из трех критериев гипотеза опровергается, то такой ряд считается неоднородным.
В результате проверки выяснилось, что для 57% исследованных рядов гипотеза однородности не опровергается. Это говорит о том, что данные ряды значений концентраций отражают истинную картину загрязненности реки в условиях постоянного антропогенного воздействия. Из табл. 2 видно, что неоднородными являются ряды концентраций аммонийного азота, нитратного азота и показателя БПК5. Следует отметить, что неоднородность этих рядов наблюдается на обеих станциях.
Можно предположить, что в таких неоднородных рядах имеются 2 типа значений: первая группа обусловлена постоянным антропогенным воздействием на водный объект, вторая группа связана с разовыми аварийными сбросами загрязняющих веществ, вызывающими резкое кратковременное увеличение концентраций загрязняющих веществ в водотоке. Таким образом, можно сделать вывод, что некоторые
о О
Таблица 2
Оценка однородности исходных рядов значений концентраций для реки Охта (в пределах Санкт-Петербурга)
Станция Комаровский мост Ильинский мост
02 Не опровергается Не опровергается
бпк5 Опровергается Опровергается
:-:н4 Опровергается Опровергается
N-N0,, Не опровергается Не опровергается
n-n0, Опровергается Опровергается
нефтепродукты Не опровергается Не опровергается
СПАВ Не опровергается Не опровергается
о
3
о
исходные ряды значении концентрации не однородны по своему генезису.
Для оценки пространственно-временной динамики загрязненности реки Охта использована методика, основанная на построении и анализе интегральных кривых среднегодовых значении концентраций. Интегральные кривые среднегодовых значений были построены для всех исследуемых показателей.
На рис. 1 представлены интегральные кривые показателя БПК5. Данный рисунок позволяет оценить сразу и пространственное распределение показателя и временную динамику изменения.
Так, из рис. 1 видно, что вниз по течению реки значения показателя БПК5 возрастают, т.к. концентрации в створе Ильинский мост ниже, чем в створе Комаровский мост. Что касается временной динамики изменения, то можно сделать вывод, что она не одинакова в двух имеющихся пунктах наблюдения. В створе Ильинский мост до 2007 г. интегральная кривая нарастает равномерно, что говорит об отсутствии резких увеличений или снижений среднегодовых значений. С 2010 г. мы видим изменение угла наклона интегральной кривой, а именно происходит резкое увеличение значений сумм среднегодовых значений БПК5, что говорит об увеличении отдельных среднегодовых значений в эти годы. В пункте Комаровский мост изменения угла наклона кривой встречаются чаще. Видно, что в период 1996-2000, 20052008 и с 2011 года среднегодовые значения БПК5 возрастают, то есть в эти периоды можно констатировать увеличение содержания легко окисляемых органических веществ в водах реки Охта в районе Комаров-ского моста. Кроме того, исходя из общего вида интегральных кривых в двух створах наблюдения можно сделать вывод о неоднородности рядов наблюдений, что было подтверждено ранее (табл. 2).
На рис. 2 представлена пространственно-временная динамика изменения концен-
мгО2/дм 90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Рис. 1. Интегральные кривые среднегодовых значений БПК. траций азота нитритного в водах реки Охта. Можно отметить, что интегральные кривые в створах Ильинский мост и Комаровский мост изменяются во времени практически синхронно. Видно, что в период 2002-2005 гг. имеет место увеличение среднегодовых значений концентраций азота нитритного в двух рассматриваемых створах. Анализ пространственной динамики содержания азота нитритного показал, что среднегодовые значения концентраций незначительно возрастают от истока к устью и в последние годы практически не различаются.
Если говорить об оценке однородности исходных рядов наблюдений по интегральным кривым среднегодовых значений концентраций азота нитритного, то мы можем предположить неоднородность. Однако, как мы видели выше (табл. 2), ряды измеренных значений концентраций азота нит-ритного однородны. Это можно объяснить тем, что высокие значения среднегодовых концентраций наблюдались всего 4 года и могли быть обусловлены влиянием на оценку среднегодового отдельных измеренных высоких значений концентраций. Эти отдельные высокие значения измеренных концентраций не вносят существенного вклада в нарушение однородности в масштабах концентрация мг/дм3
3,5
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
Рис. 2. Интегральные кривые среднегодовых значений концентраций азота нитритного.
концентрация мг/дм3
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
Комаровский мост
Ильинский мост
а а
сс а а
а а
о о о
о о сч
о о
сс о о
00 о
§ 3
см см
Рис. 3. Интегральные кривые среднегодовых концентраций нефтепродуктов.
всего большого ряда измеренных значений концентрации азота нитритного.
На рис. 3 представлены интегральные кривые среднегодовых концентраций нефтепродуктов.
Значения концентраций нефтепродуктов в створе Комаровский мост существенно выше, чем в створе Ильинский мост, что говорит о нарастании загрязнения нефтепродуктами вниз по течению реки Охта. Также в обоих створах наблюдения можно отметить периоды повышенных значений среднегодовых концентраций нефтепродуктов, что сказывается на увеличении интенсивности нарастания интегральных кривых.
Анализ пространственно-временной динамики содержания растворенного кислорода в водах реки Охта показал, что концентрации снижаются вниз по течению реки. Для исследуемых створов характерно резкое снижение значений концентраций в последние годы.
Для азота аммонийного характерно увеличение значений среднегодовых концентраций вниз по течению реки. Для азота нитратного, наоборот, характерно снижение значений, что можно объяснить увеличением интенсивности окисления органических соединений в условиях снижения концентраций кислорода. Как следствие, мы видим увеличение содержания азота нитритного и снижение концентраций азота нитратного.
список литературы:
Содержание СПАВ в водах реки Охта в обоих исследуемых створах наблюдения примерно одинаково. Для среднегодовых значений концентраций характерны резкие увеличения значений в отдельные годы.
Можно сделать следующие выводы:
1. Анализ оценок основных числовых характеристик показал, что практически все временные ряды значений концентраций, за исключением кислорода, обладают высокой степенью положительной асимметрии и высокой вариативностью. Для таких рядов необходимо проводить обязательную проверку однородности.
2. Оценка однородности исходных рядов наблюдения показала, что для более половины рядов наблюдений гипотеза однородности не опровергается. По видимому, эти ряды отражают общую динамику загрязненности реки в условиях постоянного антропогенного воздействия. Неоднородные ряды наблюдений, по-видимому, содержат в себе два типа значений: полученные в результате постоянного антропогенного воздействия, и в результате аварийных сбросов, связанных с деятельностью предприятий и гидрометеорологическими условиями.
3. Оценка пространственно-временной динамики загрязненности реки Охта показала, что для большинства веществ характерно увеличение значений концентраций от истока к устью. Концентрации кислорода снижаются вниз по течению реки, что также говорит о загрязненности Охты. Во всех рядах наблюдения имеют место периоды или отдельные годы, когда значения концентраций резко возрастали.
4. Интегральные кривые являются достаточно простым и достоверным методом оценки пространственно-временной динамики изменения концентраций и объемов стока содержащихся в воде веществ. Они могут использоваться для выявления изменений тенденции развития процесса и времени начала этих изменений, то есть для определения переломных точек в многолетних колебаниях, если такие есть. Анализ интегральных кривых позволяет сделать вывод об однородности ряда наблюдений.
[1] [2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Гальцова В.В., Дмитриев В.В. Практикум по водной экологии и мониторингу состояния водных экосистем. - СПб.: Наука, 2007 - 364 с.
Зуева Н.В., Гальцова В.В., Дмитриев В.В., Степанова А.Б. Использование структурных характеристик сообществ макрофитов как индикатора экологического состояния малых рек Запада Ленинградской области // Вестник СПбГУ. Серия 7. Геология, География. - 2007, вып. 4. - С. 60-71. Контроль качества поверхностных вод / Под ред. В.Г. Орлова. - Л.: ЛПИ, 1988. - 140 с. Нассер Отман Мохаммед Отман. Комплексная оценка поступления биогенных веществ с водосбора по длине реки Великая / Дисс. ... канд. геогр. наук. - СПб.: РГГМУ, 2015. - 164 с. Фащевский Б.В. Основы экологической гидрологии. - Минск: Экоинвест, 1996. - 240 с. Шелутко В.А. Численные методы в гидрологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 238 с. Шелутко В.А. Оценка экстремальных уровней загрязнения речной сети урбанизированных территорий // Вопросы прикладной экологии. Сборник научных трудов.- СПб: изд. РГГМУ, 2002. - С. 15-23. Шелутко В.А, Нассер Отман, Урусова Е.С. Анализ процессов загрязнения стока р. Великой различными формами азота // Вестник СПбГУ Серия 7. Геология, География. - 2014, вып. 3. - С. 95-103.
о
3,0
0,0
