Runoff of nutrients and pollutants from urban watersheds

Full Text

Введение Активизация урбанизации началась в XVIII в. К 2021 г. доля городского населения в мире превысила 56 % и может к 2030 г. возрасти до 60 %. В России доля городского населения составляет около 75 %[1]. Вместе с численностью городского населения увеличивается площадь городов и возрастает антропогенная нагрузка на окружающую среду. Существует необходимость оценки антропогенного влияния на водные экосистемы. Урбанизированные территории оказывают влияние на водные объекты поступлением в них сточных вод и рассеянного поверхностного стока с водосбора. По результатам наших исследований в пределах Санкт-Петербурга происходит увеличение массы переносимых рекой Невой субстанций. Так, общая масса поверхностно-активных веществ увеличивается на 5 %, а цинка - на 220 % [1]. Последний феномен может быть объяснен поступлением соединений цинка из оцинкованных кровельных листов в историческом центре города. Загрязняющие токсические вещества и соединения азота и фосфора поступают с урбанизированных территорий в водные объекты главным образом в составе рассеянного поверхностного стока. При определении допустимой антропогенной нагрузки на водные экосистемы используются величины модулей стока различных субстанций. Модуль стока какого-либо вещества - это отношение массы этой субстанции, поступающей с водосборного бассейна в речную сеть за единицу времени, к его площади. То есть это поступление субстанции с единичной площади водосбора за определенный промежуток времени, обычно за год. При оценке антропогенной нагрузки на речную сеть Санкт-Петербурга существует одна важная проблема - это недостаточный охват государственной сетью экологического мониторинга водных объектов. Гидрографическая сеть города насчитывает около 47 водотоков. Северо-западное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (СЗУГМС) выполняет ежемесячные исследования качества воды на 13 водотоках в пределах Санкт-Петербурга. Большинство водотоков оказываются неохваченными сетью мониторинга [2]. В связи с этим существует настоятельная необходимость оценки поступления субстанций с городских водосборов, сток с которых не учитывается в программе государственного мониторинга. Цель исследования - сравнение модулей стока ряда субстанций с водосборных бассейнов рек Волковки и Охты Санкт-Петербурга, определенных нами, с модулями, полученными в результате других исследований стока с урбанизированных водосборов. Обзор проблемы в литературе Основной вклад в загрязнение водных объектов вносят сбросы недостаточно очищенных сточных вод и поступающий с водосборной площади загрязненный рассеянный поверхностный сток. Роль последнего пока изучена недостаточно в связи с объективными трудностями измерений и расчетов. В статье коллег из Румынии [3] приведено сравнение концентраций субстанций в поверхностном стоке по результатам их исследований с данными, полученными в других странах (табл. 1). Также в табл. 1 приведены среднегодовые концентрации некоторых субстанций в поверхностном стоке, поступившем в реку Волковку в 2017-2019 гг. по данным ГУП «Водоканал СПб». Из табл. 1 видно, что среднегодовая концентрация общего азота в поверхностном стоке с водосборного бассейна реки Волковки превышает это значение в реках США, Малайзии и ряда стран Европы и сопоставима с концентрацией общего азота в поверхностном стоке в Иране. Таблица 1 Осредненные концентрации ряда загрязняющих веществ, азота и фосфора в поверхностном стоке с урбанизированных водосборов [3] Показатель США ФРГ Румыния Франция Дания Финляндия Малайзия Иран Р. Волковка Общ. азот, мг/л 1,2-1,9 2,4 - 2,8 1,1 1,8 - 6,7 5,6 Общ. фосфор, мг/л 0,3-0,4 0,4 - 0,8 0,3 0,2 0,4-1,0 0,3 0,4 Свинец, мкг/л 6,0-140,0 118,0 1,0 27,0-133,0 6,0 11,4 190,0 278,0 - Цинк, мкг/л 70,0-200,0 275,0 79,0 270,0-550,0 60,0 232,0 50,0 342,0 40 Медь, мкг/л 12,0-33,0 48,0 51,0 55,0-61,0 11,0 34,0 - - 5,5 Table 1 Averaged concentrations of pollutants, nitrogen and phosphorus in surface runoff from urbanized watersheds [3] Parameter USA Germany Romania France Danmark Finland Malaysia Iran Volkovka riv. Total. nitrogen, mg/l 1.2-1.9 2.4 - 2.8 1.1 1.8 - 6.7 5.6 Total. phosph. mg/l 0.3-0.4 0.4 - 0.8 0.3 0.2 0.4-1.0 0.3 0.4 Lead. mcg /l 6.0-140.0 118.0 1.0 27.0-133.0 6.0 11.4 190.0 278.0 - Zinc. mcg/l 70.0-200.0 275.0 79.0 270.0-550.0 60.0 232.0 50.0 342.0 40 Copper. mcg/l 12.0-33.0 48.0 51.0 55.0-61.0 11.0 34.0 - - 5.5 Среднегодовые концентрации общего фосфора в поверхностном стоке с водосборного бассейна реки Волковки близки аналогичным величинам в других странах. А среднегодовые концентрации цинка и меди в поверхностном стоке с водосборного бассейна реки Волковки оказываются значительно ниже, чем в других странах. Очевидно, что концентрации загрязняющих веществ и соединений азота и фосфора в бытовых и промышленных сточных водах на порядок выше, чем в поверхностном рассеянном стоке, поступающем в водные объекты через ливневую канализацию. Но значительно большие объемы поступления поверхностного стока в водные объекты и отсутствие очистки делают этот источник основным в загрязнении водных объектов. Материалы и методы Разработанная нами методика определения объемов поступления веществ с поверхностным стоком в городские водотоки опробована на водосборных бассейнах рек Волковки и Охты Санкт-Петербурга. Методика основана на разработках ФГУП НИИ «Водгео» для расчетов переноса субстанций с поверхностным стоком [4]. Нами с использованием геоинформационной системы ArcGIS и цифровой модели рельефа (ЦМР) ASTER были определены границы водосборных бассейнов изученных водотоков. Данные ЦМР «ASTER» были нами существенно модифицированы для исключения искажений, вызванных поступлением отраженного радиолокационного сигнала от зданий и сооружений. В границах выделенных водосборных бассейнов для определения соотношения площадей различного хозяйственного использования нами была выполнена классификация территории на основании спутниковых снимков Sentinel-2[2]. Расчеты годового поступления загрязняющих веществ и биогенных элементов L в тоннах с водосборов рек Волковки и Охты производились по формуле [4] L = Lc + Lp, (1) где Lc - годовое поступление с рассеянным поверхностным стоком, т; Lp - годовое поступление с выпусками сточных вод, т. Годовое поступление с поверхностным стоком Lc рассчитывалось по формуле [4] LC = Σ (Ci · 10yiψiAi / 1000), (2) где Ci - среднегодовая концентрация субстанции в поверхностном стоке, мг/л; yi - слой стока, мм; ψi - коэффициент стока для разных типов подстилающей поверхности; Ai - площадь того или иного типа поверхности, км2. Расчет по формуле (2) производился для каждого типа подстилающей поверхности водосборов. Площадь каждого типа поверхности рассчитывалась после классификации территорий на спутниковых снимках Sentinel-2 с пространственным разрешением 10 м/пиксель. Для классификации типов поверхностей на снимках использовался модуль Quantum GIS «Dzetsaka classification dock». Слой стока yi рассчитывался с использованием данных метеорологических наблюдений за 2017-2019 гг.[3] Коэффициент стока ψi показывает, какая доля атмосферных осадков превращается в поверхностный сток. Чем он выше, тем большая часть выпадающих атмосферных осадков превращается в речной сток. Для определения коэффициентов стока для поверхностей разных типов использовалась справочная таблица из методики ФГУП НИИ «Водгео» [4]. Расчет годовой нагрузки от выпусков сточных вод Lр, т, производился по формуле [4] Lp = CсрVк /1000, (3) где Cср - средняя концентрация субстанции в сточных водах в соответствии с отчетностью водопользователя; Vк - объем сбрасываемых сточных вод в соответствии с отчетностью водопользователя. Для расчетов использовались отчетные материалы водопользователей, сбрасывающих сточные воды в исследованные водные объекты. В отчетных материалах водопользователей содержится информация о химическом составе и объемах сбрасываемых сточных вод за 2017-2019 гг. Методики расчетов поступления биогенных элементов (азота и фосфора) и загрязняющих токсических веществ с поверхностным стоком, применяемые российскими и иностранными коллегами, имеют некоторые отличия от предложенной нами методики. Во многом это зависит от объекта исследования. Менее всего отличий в методике модели Institute Limnology Load Model (ILLM), разработанной в Институте озероведения РАН под руководством С.А. Кондратьева [5]. По сравнению с нашей методикой основным преимуществом данной модели является ее универсальность. В отличие от нашей методики модель ILLM применима для больших по площади водосборов с высоким разнообразием типов подстилающей поверхности. Также здесь существует возможность расчетов биогенной нагрузки с сельскохозяйственных территорий. В нашей методике такая возможность не предусмотрена в связи с отсутствием на исследованных городских водосборах сельскохозяйственных угодий. Но у модели ILLM есть и недостатки: 1) требуется использование большого количества осредненных данных, полученных по литературным источникам; 2) применение платного программного обеспечения. Результаты и обсуждение Весьма интересны результаты сравнения значений модулей стока биогенных элементов (общего азота и фосфора) и загрязняющих веществ с водосборных бассейнов городских рек Санкт-Петербурга и ряда других водосборов (табл. 2). Очевидны существенные различия значений. Они связаны как с природными особенностями различных водосборов, так и степенью их антропогенного освоения. Необходимо отметить, что модули стока в Англии и США рассчитаны по результатам осреднения данных по нескольким городам в первой половине 1980-х гг. [6]. Определенные по результатам наших исследований модули стока субстанций с водосборных бассейнов рек Волковки и Охты сопоставимы с аналогичными показателями для других водосборов. Необходимо отметить, что модули стока общего азота и фосфора максимальны на частном водосборе реки Охты в ее нижнем течении в пределах Санкт-Петербурга. Здесь модуль стока азота превышает среднее значение этого показателя по всей российской части водосбора Финского залива более чем в 19 раз, а модуль стока фосфора - более чем в 31 раз. Также превышение наблюдается и для частных водосборов рек Невы и Волковки. Поступление биогенных элементов в Балтийское море контролируется международным сообществом в рамках Хельсинской комиссии по охране Балтийского моря (Helcom). Из-за избыточного поступления биогенных элементов (общего азота и фосфора) Балтийскому морю угрожает антропогенное эвтрофирование, ставящее под угрозу благополучие морской среды Балтийского региона. Но как видно из табл. 2, поступление азота и фосфора с российской части водосборного бассейна Финского залива не превышает максимально допустимого уровня в соответствии с рекомендацией Helcom. Модули стока субстанций с водосборных бассейнов рек Волковки и Охты в значительной степени соответствуют значениям, полученным в результате исследований в Великобритании и отчасти в США. Более низкие значения модулей стока субстанций с водосбора оз. Неро (Ярославская обл., г. Ростов Великий) и водосбора Онежского озера в черте города Петрозаводска, вероятно, объясняются более низкой плотностью населения по сравнению с Санкт-Петербургом. Таблица 2 Модули стока загрязняющих веществ и биогенных элементов, т/км2 Регион Вещество Фосфор общ. Азот общ. Взвешенные вещества Медь Цинк Источник Р. Волковка 0,104 1,295 4,814 0,001 0,009 Собственные расчеты Р. Охта 0,134 1,799 7,724 0,002 0,015 Р. Нева (частный водосбор) 0,144 0,696 - - - [10] Усредненные данные по российскому водосбору Финского залива 0,009 0,189 - - - [8] Максимально допустимые значения для водосбора Финского залива по рекомендации HELCOM 0,011 0,236 - - - [3] Петрозаводск 0,042 2,608 - - - [11] Оз. Неро (Ярославская обл.) 0,052 0,585 - - - [8] Сент-Пол (Миннесота, США) 0,047 0,230 - - - [12] Англия (города) 0,180 0,900 4,870 0,012 [9] США (города) 0,330 0,800 - - - [13] Table 2 Runoff modules of pollutants and biogenic elements, tons / square kilometer Place Substance Total phosphorus Total nitrogen Suspended solids Copper Zinc Source Volkovka river 0.104 1.295 4.814 0.001 0.009 Оwn calculations Ochta river 0.134 1.799 7.724 0.002 0.015 Neva river (partial watershed) 0.144 0.696 - - - [10] Averaged data on the Russian catchment area of the Gulf of Finland 0.009 0.189 - - - [8] Maximum allowable values for the Gulf of Finland catchment area according to the HELCOM recommendation 0.011 0.236 - - - [3] Petrozavodsk 0.042 2.608 - - - [11] Lake Nero (Yaroslavl region) 0.052 0.585 - - - [8] Saint Paul (Minnesota, USA) 0.047 0.230 - - - [12] England (cities) 0.180 0.900 4.870 0.012 [9] USA (cities) 0.330 0.800 - - - [13] Городская среда изменяет состав поверхностного стока в сторону увеличения содержания загрязняющих веществ и биогенных элементов (азота и фосфора). Сравнение фоновых концентраций биогенных элементов (азота и фосфора) и ряда загрязняющих веществ, а также концентраций этих субстанций в поверхностном стоке с урбанизированных территорий представлено в табл. 3. Таблица 3 Фоновые концентрации биогенных элементов (азота и фосфора) в поверхностном стоке, и концентрации в реке Волковке, мг/л Регион Вещество Фосфор общ. Азот общ. Источник р. Волковка 0,44 5,58 данные ГУП Водоканал СПб в 2017-2019 гг. р. Охта 0,41 5,08 Водосбор Финского залива 0,05 0,70 [5] Водосбор Онежского озера 0,04 0,47 [8] Лес 0,05 0,70 [5] Поля и луга 0,08 3,10 Table 3 Background concentrations of biogenic elements (nitrogen and phosphorus) in surface runoff, and concentrations in the Volkovka River, mg/l Place Substance Total Phosphorus Total nitrogen Source Volkovka river 0.44 5.58 Vodokanal Saint-Petersburg data 2017-2019 Ochta river 0.41 5.08 Finnish Gulf watershed 0.05 0.70 [5] Onega Lake watershed 0.04 0.47 [8] Forest 0.05 0.70 [5] Fields and meadows 0.08 3.10 Из табл. 3 видно, что фоновая составляющая в концентрациях общего азота и фосфора в поверхностном стоке с водосборов рек Волковки и Охты составляет около 10 %. Несмотря на геохимические особенности различных регионов, содержание общего азота и фосфора в поверхностном стоке с водосборов урбанизированных территорий определяется главным образом условиями городской среды, а не природными климатическими и ландшафтными особенностями. Выводы 1. Модули стока общего азота и фосфора с городских водосборов рек Волковки и Охты превышают значения модулей стока этих элементов для всего частного водосбора реки Невы. 2. Модули стока общего азота и фосфора с частного водосбора реки Невы, в пределах которого расположен Санкт-Петербург, значительно превышают средние значения для российской части водосбора Финского залива. 3. Средние модули стока общего азота и фосфора с российской части водосбора Финского залива не превышают значений, рассчитанных на основании предельно допустимых нагрузок на экосистему Финского залива в соответствии с решениями Helcom. 4. Модули стока общего азота и фосфора с урбанизированных водосборных бассейнов в различных странах близки по своим значениям. 5. Как правило, основным источником поступления в водные объекты загрязняющих веществ и биогенных элементов (азота и фосфора) с урбанизированных водосборных бассейнов является рассеянный поверхностный сток. 6. Фоновая составляющая в концентрациях общего азота и фосфора в поверхностном стоке с водосборных бассейнов рек Волковки и Охты составляет около 10 %. 7. Химический состав поверхностного стока с водосборов урбанизированных территорий в основном определяется условиями городской среды, а не природными климатическими и ландшафтными особенностями. 8. Результаты наших исследований могут быть использованы для определения осредненных значений модулей стока ряда субстанций с урбанизированных водосборов. При недостаточности данных мониторинга эти значения могут использоваться при оценке антропогенной нагрузки на водные объекты в пределах урбанизированных территорий.

About the authors

Stepan M. Klubov

Russian State Hydrometeorological University; State Budgetary Institution of Additional Education, Palace of Child Youth Art «At the Voznesensky Bridge» of the Admiralteyskiy district

Author for correspondence.
Email: klubov_stepan@mail.ru
SPIN-code: 3247-3114
graduate student Russian State Hydrometeorological University; teacher State budgetary institution of additional education, Palace of Child Youth Art “At the Voznesensky Bridge” 98 Malookhtinsky Ave., St. Petersburg, 195196, Russian Federation

Victor Yu. Tretyakov

Russian State Hydrometeorological University; Saint Petersburg State University

Email: v_yu_tretyakov@mail.ru
SPIN-code: 1716-5118
PhD, Associate Professor Russian State Hydrometeorological University and Saint Petersburg State University 98 Malookhtinsky Ave., St. Petersburg, 195196, Russian Federation; 7-9 Universitetskaya Naberezhnaya St, St. Petersburg, 199034, Russian Federation

References

Supplementary files