Исследование роли природных и антропогенных факторов в формировании качества воды малых рек на примере р. Велетьмы Нижегородской области

Полный текст

Введение Малые реки Нижегородской области до сих пор остаются малоизученными, несмотря на то что длительное время используются местным населением для различных целей. Многие исследователи поддерживают мнение о том, что гидроэкологические изменения в крупных реках являются следствием изменений малых рек, питающих крупные водотоки [1-3]. Существуют данные о том, что вклад малых равнинных рек в загрязнение биогенными элементами - азотом и фосфором - крупных водных артерий может составлять от 40 до 90 % за счет диффузного загрязнения, поступающего с площади водосбора малых рек [4]. Поэтому экологическое состояние р. Велетьмы, расположенной в условиях сравнительно высокой плотности населения (32,5 чел./км2) и являющейся правым притоком еще более густонаселенной р. Оки, является важным фактором благополучия значительной части населения юго-запада Нижегородской области. Однако, в отличие от хорошо изученных крупных рек, данные об экологическом состоянии р. Велетьмы и тем более о динамике этого состояния крайне скудны и обрывочны. Целью исследования стала попытка систематизировать существующие данные об экологическом состоянии р. Велетьмы, а также провести физико-химические исследования воды в реке в районе г. Навашино и оценить вклад природных и антропогенных факторов в формирование качества ее вод. Характеристика района исследований и состояние изученности Река Велетьма протекает в юго-западной части Нижегородской области. По данным государственного водного реестра России, она относится к Окскому бассейновому округу, водохозяйственный участок реки - р. Ока от впадения р. Мокша до впадения р. Тёша. Длина реки - 99 км, площадь водосборного бассейна - 685 км². Устье реки находится на 206 км р. Оки по правому берегу. Исток реки находится южнее с. Чупалейка, в 28 км к юго-востоку от г. Выксы. Генеральное направление течения - северо-запад. Река имеет два притока: левый, на 44 км - р. Ильмис протяженностью 12 км и правый, на 60 км - р. Толкава протяженностью 21 км. По данным [5], Велетьма имеет также 44 притока длиной менее 10 км и общей длиной 86 км. На водосборе р. Велетьмы расположены 29 озер общей площадью зеркала 5,20 км2. Питание реки, как и у большинства рек возвышенного Нижегородского Правобережья Волги, главным образом родниковое. Весной в результате быстрого сбора талых снеговых вод по оврагам и склонам вода из реки быстро уходит, поэтому для Велетьмы характерен значительный перепад уровней воды между весенним половодьем и летней меженью. По берегам - леса, пойма местами заболочена. Дно реки состоит из глины и нанесенного песка, в некоторых местах дно илистое. Велетьма в своем верхнем течении протекает по суглинистым дерново-подзолистым и болотным почвам, а в среднем и нижнем течениях в основном по супесчаным дерново-подзолистым почвам [6]. В нижнем течении Велетьма входит в обширную Приокскую пойму, где на реке стоят г. Навашино и с. Большое Окулово. Впадает в старицу р. Оки ниже г. Мурома (рис. 1). Крупные населенные пункты по берегам р. Велетьмы: с. Чупалейка, пгт Велетьма и рыбхоз Велетьма, с. Саваслейка и расположенная к юго-западу от села авиабаза, с. Большое Окулово, г. Навашино и с. Малое Окулово. В районе г. Навашино р. Велетьма впадает в оз. Зеленое с востока, а затем вытекает из него на западе. Само озеро имеет пойменно-тыловое происхождение и занимает площадь примерно 20 000 м2. Летом у поверхности озера наблюдаются сине-зеленые водоросли, которые вызывают цветение водоема. По утверждениям местных жителей, именно по этой причине озеро получило название «Зеленое». Этот факт может свидетельствовать о высокой вероятности привнесения в озеро большого количества биогенных веществ, источником которых могут быть хозяйственно-бытовые стоки или сельское хозяйство. исток р. Велетьмы source of the Veletma river с. Чупалейка Chupaleika Велетьминское вдхр. Veletminskoe reservoir пгт Велетьма the village Veletma р. Ока Oka river авиабаза airbase с. Саваслейка Savasleika г. Навашино Navashino с. Большое Окулово Bolshoe Okulovo устье р. Велетьмы Veletma mouth Рис. 1. Географическое положение р. Велетьмы Figure 1. Geographical position of the Veletma river Действительно, на берегу оз. Зеленого расположены биологические очистные сооружения (БОС) г. Навашино ООО «Водоканал». Проектная производительность очистных сооружений - 8,8 тыс. м3 в сутки, фактическая - 1,8 тыс. м3 в сутки (по данным на 2016 г.). Объем пропущенной воды через очистные сооружения в 2018 г. составил 713,39 тыс. м3, а в 2019 - 609,66 тыс. м3. Выпуск очищенных сточных вод БОС производится непосредственно в озеро. Общие сведения о глубине очистки и качестве сбрасываемых из БОС очищенных сточных вод приведены в табл. 1. Как видно из таблицы, не все показатели после очистки достигают нормативных значений[6], в частности БПК5 (норма 2,1 мг/дм3), СПАВ (норма 0,1 мг/дм3), азот аммонийный (0,4 мг/дм3). Но и другие показатели значительно превышают содержание таковых в реках Нижегородской области, например фосфаты, которые являются главным фактором развития сине-зеленых водорослей[7]. Таблица Данные о качестве очистки сточных вод на БОС г. Навашино Наименование загрязнений До очистки, мг/дм3 После очистки, мг/дм3 Биохимическое потребление кислорода (БПК5) 174 15 Взвешенные вещества 194 15 Водородный показатель pH, ед. 6,5-8,5 6,5-8,5 Нефтепродукты 1,2 0,025 Хлориды 17 16.5 Сульфаты 20 1,32 Синтетические поверхностноактивные вещества (СПАВ) 4 4 Железо 0,12 0,003 Медь 0,002 0,002 Цинк 0,05 0,05 Азот аммонийный 19 10 Фосфаты 1,73 1,2 Table Data on the quality of wastewater treatment at the treatment facilities of the city of Navashino Paramater Before treatment, mg/dm3 After treatment, mg/dm3 Biochemical oxygen demand (BOD5) 174 15 Suspended solids 194 15 pH level 6.5-8.5 6.5-8.5 Oil products 1.2 0.025 Chlorides 17 16.5 Sulphates 20 1.32 Synthetic surface active substances (surfactants) 4 4 Ferric iron 0.12 0.003 Cuprum 0.002 0.002 Zinc 0.05 0.05 Ammonium nitrate 19 10 Phosphates 1.73 1.2 Одной из актуальных проблем р. Велетьмы является уменьшение ее водности: по наблюдениям жителей с. Большое Окулово, средние глубины ее в этом районе за последние 10 лет уменьшились примерно на 70 см, а дно реки заилилось. В [2] подтверждено сокращение протяженности русловой сети элементарных водотоков в водосборном бассейне р. Велетьмы, напрямую связанной с водностью реки. Одной из выявленных причин этого процесса является сокращение лесистости на территории ее водосборного бассейна. К сожалению, данные о годовом стоке р. Велетьмы или о ее водности отсутствуют [7]. В то же время, по данным [8], правобережные притоки нижнего течения Оки характеризуются значениями модуля стока 4-5 л/(с·км²). Тогда, по грубым оценкам, годовой сток р. Велетьмы может составлять от 86 747 до 108 093 тыс. м3. Материалы и методы Для исследования влияния таких факторов, как разбавление речной воды в озере и влияние очистных сооружений на гидроэкологические показатели р. Велетьмы, осенью 2020 г. был выполнен отбор проб в двух створах: выше впадения реки в оз. Зеленое и ниже сбросной трубы БОС г. Навашино (рис. 2). Рис. 2. Расположение створов отбора проб и выпуска очищенных сточных вод БОС г. Навашино (схема создана на основе сервиса «Яндекс.карты») Figure 2. Location of the sampling points and the release of treated wastewater from the Navashino treatment facilities (the scheme was created on the basis of the Yandex.maps) Пробы исследовались в лаборатории «Экология» ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта». Перечень анализируемых характеристик включал в себя цветность, прозрачность, водородный показатель pH, солесодержание, мутность, общее железо, жесткость и содержание легкоокисляемой органики по величине биохимического потребления кислорода (БПК5). Цветность определялась по хром-кобальтовой шкале, прозрачность - по методу «шрифта», концентрация растворенного кислорода на нулевой и пятый день инкубации проб на показатель БПК5 измерялись с помощью кислородомера «МАРК-302Э». Измерение общего солесодержания производилось на кондуктометре «Анион-4120», водородного показателя - с помощью рН-метра «МАРК-901». Фотометрическое измерение мутности производилось на приборе «Эксперт-001», измерение концентрации железа проводилось сульфосалициловой кислотой с фотометрическим окончанием, а жесткости воды - титриметрическим методом. Обсуждение результатов Как показал обзор литературных источников, данные об экологическом состоянии р. Велетьмы и ее физико-химическом составе крайне скудные. Единственные официальные сведения о качестве воды в реке содержатся в ежегодном докладе о состоянии окружающей среды в Нижегородской области, составляемом Верхне-Волжским УГМС[8]. По данным этого доклада, измерения на р. Велетьма проводятся в двух створах, расположенных выше и ниже г. Навашино. По результатам измерений в этих створах, качество вод р. Велетьма в период с 2011 по 2018 г. постепенно ухудшалось с разряда «А» класса 3 «загрязненные» до разряда «А» класса 4 «грязные». Однако такая унифицированная оценка не позволяет определить, какой вклад в ухудшение качества воды в реке вносит антропогенная нагрузка, а какой - природные факторы. В частности, повышенные концентрации железа в водах р. Велетьмы могут носить природный характер. Аналогичный вывод был получен в [9] при сравнительном анализе экологического состояния р. Кудьмы и Линды Нижегородской области. По результатам анализов проб воды построена восьмилепестковая диаграмма, характеризующая следующие показатели: БПК5, железо общее, жесткость, прозрачность, цветность, рН, общее солесодержание и мутность в верхнем и нижнем створах (рис. 3). Изменение БПК5 между верхним и нижним створами оказалось весьма значительным и составило 95 % - с 2,19 до 4,28 мгО2/л. Это говорит о том, что в воде нижнего створа после выпуска очищенных сточных вод высокое содержание органических веществ, хотя все же не такое высокое, как в неочищенной сточной воде (см. таблицу). Результаты наблюдений Верхне-Волжского УГМС подтверждают факт периодического повышения показателя БПК5 в створе после выпуска БОС[9]. Повышенное содержание железа в природных водах Навашинского района типично для многих подземных и поверхностных источников средней полосы России [10]. В нижнем створе концентрация железа снизилась на 30 % по сравнению с верхним - с 1 до 0,7 мг/дм3, что все еще недостаточно для нужд как питьевого (0,3 мг/дм3), так и рыбохозяйственного (0,1 мг/дм3) водопользования. Такое снижение может быть связано с тем, что в нижнем створе происходит разбавление очищенными от железа сточными водами (очистка БОС составляет до 0,003 мг/дм3). Жесткость после сброса сточных вод увеличилась, но незначительно, в пределах погрешности измерений. В целом вода мягкая, содержание солей жесткости в ней менее 3 мг-экв/дм3. Отсутствие изменений по этому показателю может объясняться тем, что на очистных сооружениях не происходит очистки от солей жесткости. После сброса сточных вод (Site 2) До сброса сточных вод (Site 1) Жесткость (Hardness) Прозрачность (Transparency) Цветность (Colour) Соли (Salinity) Мутность (Turbidity) БПК (BOD) Рис. 3. Результаты измерений показателей качества воды в верхнем и нижнем створах Figure 3. Results of water quality measurements in the upper and lower sections Рис. 4. Область выноса Велетьмой взвеси в оз. Зеленое (на основе сервиса «Яндекс.карты») Figure 4. The area of removal and deposition of suspended substances from the Veletma river to the lake Zelenoe (based on the Yandex.maps) Прозрачность по методу «шрифта» в нижнем створе увеличилась на 47 % - с 17 до 25 см. Это может быть связано с замедлением движения воды при впадении р. Велетьмы в оз. Зеленое, где речной поток успокаивается и взвеси начинают оседать на дно. Этот факт подтверждается спутниковыми снимками озера, на которых виден характерный плюм, в котором происходит активное осаждение взвесей, принесенных рекой (рис. 4). Известно, что подобные приустьевые зоны смешения крупных рек и озерных или морских вод играют роль так называемого маргинального фильтра [11; 12], который удерживает до 90-95 % взвешенных и до 20-40 % растворенных веществ, поступающих в озеро или море с речным стоком. Цветность в нижнем створе уменьшилась на 25 % по сравнению с верхним - с 120 до 90° цветности. С одной стороны, это может быть связано с разбавлением воды очищенными сточными водами. Но их годовой расход не превышает 1 % от годового стока р. Велетьмы. С другой стороны, в своем нижнем течении, после с. Большое Окулово, Велетьма протекает по супесчаным дерново-подзолистым почвам, которые не придают воде большой цветности, в то время как в верхнем и среднем течениях река насыщается гуминовыми кислотами от дерново-подзолистых и особенно болотных почв. Кроме того, можно предположить, что озеро играет роль «маргинального фильтра» для р. Велетьмы, тогда снижение цветности воды на 25 % хорошо согласуется с оценками [11] о количестве осаждаемых им растворенных веществ, поступающих из реки. Водородный показатель pH как в верхнем, так и в нижнем створах составил 6,72 единиц, что говорит о слабокислой среде, но все же не выходящей за допустимые пределы (6,5-8,5). Кислотность воды так же, как и цветность, связана со свойствами почв, по которым она протекает. Неизменность значений рН в верхнем и нижнем створах говорит об отсутствии влияния на этот показатель как оз. Зеленого, так и очищенных сточных вод БОС. Интересен тот факт, что солесодержание после сброса сточных вод увеличилось на 45 % - с 105,9 до 154,0 мг/дм3. Вероятнее всего, соли привносятся в реку со сбросом очистных сооружений. Действительно, по данным таблицы, БОС не удаляют из сточной воды соли, при этом степень минерализации городских сточных вод может колебаться от 400 до 800 мг/дм3, а во многих производственных сточных водах даже достигать 1000-3000 мг/дм3 [13]. Несмотря на то что норматива по предельному содержанию солей в сбрасываемых водах не существует, столь резкое увеличение солесодержания может угнетать жизнедеятельность гидробионтов. Мутность в нижнем створе снизилась на 9 % по сравнению с верхним створом - с 65 до 59 мг/дм3. Это, аналогично улучшению прозрачности, может быть связано как со сбросом очистными сооружениями менее мутных вод (по данным таблицы, мутность после очистки составляет всего 15 мг/дм3), так и с осаждением взвешенных веществ в оз. Зеленом за счет успокоения течения в нем. Заключение Как показал обзор литературных источников, данные об экологическом состоянии р. Велетьма и ее физико-химическом составе крайне скудные. Единственные официальные сведения о качестве воды в реке содержатся в ежегодном докладе о состоянии окружающей среды в Нижегородской области, составляемом Верхне-Волжским УГМС. Согласно ему, измерения на р. Велетьма проводятся в двух створах - выше и ниже г. Навашино, и по результатам этих измерений воды р. Велетьмы в последние годы относились к «грязным», класс 4А, причем качество вод ухудшалось. Тем не менее такая унифицированная оценка не позволяет определить, какой вклад в ухудшение качества воды в реке вносит антропогенная нагрузка, а какой - природные факторы. В частности, повышенное содержание в воде железа и повышенные цветность и мутность воды в данном случае носят природный характер и не отражают степень антропогенного влияния на водоток. В процессе исследования проб воды, взятых на р. Велетьме выше оз. Зеленого и ниже очистных сооружений г. Навашино, установлено влияние на качество речной воды как самого озера, так и очистных сооружений. На коротком участке реки, составляющем менее 400 м, происходят значительные изменения физико-химического состава воды, которые по некоторым показателям достигают 45-95 %. Благодаря особому относительному расположению, оз. Зеленое и очистные сооружения г. Навашино делят р. Велетьму на два различных по своим характеристикам потока. Присутствие озера на пути велетьминского водотока формирует благоприятные условия для осаждения взвешенных веществ, что подтверждается спутниковыми снимками. На основании наблюдаемого на снимках характерного речного плюма и по данным о снижении показателей содержания растворенных и коллоидных веществ в реке до и после озера, выдвинуто предположение о действии так называемого маргинального фильтра в зоне впадения Велетьмы в оз. Зеленое. Поэтому благодаря озеру, кроме осаждения взвесей, в этой зоне может происходить задержание 20-40 % растворенных веществ, приносимых рекой [11]. Так, в отобранных пробах наблюдалось снижение цветности воды на 25 %, а железа - на 30 %. Негативное влияние очистных сооружений г. Навашино проявляется в повышении минерализации воды на 45 % и увеличении содержания органических веществ по величине БПК5 на 95 %. Таким образом, на примере описанного участка малой реки показан уровень антропогенного загрязнения малых рек, протекающих в сельской местности Центрального Поволжья, а также факторы, позволяющие сохранить уникальную способность малых водотоков к самоочищению.

Об авторах

Мария Валерьевна Смирнова

Волжский государственный университет водного транспорта

Автор, ответственный за переписку.
Email: igoninam@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3483-5482

кандидат технических наук, доцент кафедры гидродинамики, теории корабля и экологической безопасности судов

Российская Федерация, 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, д. 5

Анастасия Игоревна Батанина

Волжский государственный университет водного транспорта

Email: nbatashka@gmail.com

студент 3-го курса направления подготовки «Техносферная безопасность»

Российская Федерация, 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, д. 5

Список литературы