Оценка динамики качества вод реки Неглинки (Карелия) с применением компонентного анализа

Водные ресурсы имеют важное значение в обеспечении устойчивого социально-экономического развития страны. С началом интенсивной урбанизации северных территорий обострились проблемы загрязнения вод малых рек как наиболее уязвимого элемента речных систем [3]. Именно они определяют особенности физико-химического состава воды, состояние биоценозов, гидролого-гидрохимический и гидробиологический режимы, качество воды в средних, крупных реках и водоемах-приемниках [4]. В настоящее время наряду с загрязнением актуальной является проблема деградации малых рек в результате интенсивного развития городской территории. Для обустройства, возрождения и охраны малых рек урбанизированных территорий большое значение имеет организация постоянного мониторинга, оценка состояния и динамики качества вод с применением современных методов математической статистики.

Река Неглинка – малая река, протекающая по территории города Петрозаводска (Республика Карелия). Химический состав вод реки транс

формируется при прохождении по городской территории, а это объективный показатель их загрязнения. Вследствие того что река является притоком Петрозаводской губы Онежского озера, она влияет на качество вод литоральной зоны губы, так как выносит большое количество биогенных элементов [2], [6], [8].

Целью исследования было определение качества вод реки Неглинки при транзите их через городскую территорию по гидрохимическим параметрам и оценка изменений с применением методов математической статистики.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования являлась река Не-глинка, которая вытекает из ламбушки в 12 км к юго-западу от города Петрозаводска и впадает в Петрозаводскую губу Онежского озера. Длина реки 14 км, средний уклон 10,3, ширина 30–35 м, высота склонов до 8 м [3], [7]. Средний годовой сток равен 0,51 м ³ /c, наименьший и наибольший – 0,24 м ³ /c и 1,03 м ³ /c соответственно. Река служит приемником поверхностных и ливневых стоков.

Поверхностный сток приносит в реку большое количество нефтепродуктов, мусора и других веществ на всем ее протяжении.

Пробы для гидрохимического анализа отбирались в течение 2013 и 2014 годов в весенний, летний и осенний периоды на трех постоянных станциях: 1-я станция (фон) – верховье реки, 2-я станция – центр города Петрозаводска, 3-я станция – устье реки. Исследовались следующие гидрохимические показатели: рН, цветность, биологическое потребление кислорода за пять суток (БПК 5 ), кислород растворенный, перманганатная окисляемость (ПО), азот (аммоний-ион – NH ₄ ⁺ , нитрит-ион – NO 2 ^- , нитрат-ион – NO 3 ^- ), фосфор (общий – Робщ., фосфаты – Рмин.). Анализ проб воды осуществлялся по стандартным методикам, принятым в гидрохимической практике [1]. Всего было проведено 180 анализов. Полученные результаты сравнивали с предельно допустимыми концентрациями для рыбохозяйственных водоемов (ПДКр/х). При статистической обработке полученных результатов исследования использовался компонентный анализ [5]. Графические построения и статистическая обработка данных проведены с помощью статистических пакетов Excel и StatGraphicsCenturionXV.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенных исследований выявлено, что значения таких гидрохимических показателей вод реки Неглинки, как рН, растворенный в воде кислород, количество NO3-, Робщ. и Рмин., входили в диапазон ПДКр/х. Однако цветность, БПК5, ПО, NH4+ и NO2- превышали значения ПДКр/х в среднем в 2 раза. Превышение ПДКр/х по биогенным элементам указывает на негативное влияние речного стока на прибрежные воды Петрозаводской губы Онежского озера, откуда осуществляется водозабор на хозяйственно-питьевые нужды города Петрозаводска (табл. 1).

Было установлено, что при транзите вод реки Неглинки через городскую территорию от истока к устью рН среды сдвигалось в щелочную сторону, увеличивалось количество NO 3 ^– , NO 2 ^- и растворенного в воде кислорода, при этом уменьшались значения цветности и ПО. В центральной части реки воды характеризуются максимальными значениями БПК ₅ , NH ₄ ⁺ , Робщ. и Рмин. Это связано с разбавлением природных вод реки Неглинки стоками с городской территории.

Высокие значения цветности в устье реки обусловлены ее болотным питанием, а также повышенным количеством лигнина, который поступил в воду с дождевым стоком в результате рубки ельника чернично-зеленомошного под площадки для двух жилых комплексов. Далее по течению реки было отмечено уменьшение значений этого показателя, что связано с разбавле-

Таблица 1

Значения гидрохимических показателей вод реки Неглинки за 2013–2014 годы

Год Сезон Станция отбора проб Показатели рН Цветность, град. Растворенный О2, мгО2/л БПК5, мгО2/л ПО, мгО/л NH4+, мгN/л NO2-, мгN/л NO3-, мгN/л Рмин., мгР/л Робщ., мгР/л 2013 Весна 1 6,60 356 6,04 1,53 40,55 0,36 0,002 0,07 0,011 0,012 2 6,75 312 6,65 1,15 31,85 0,41 0,006 0,20 0,041 0,082 3 6,75 276 6,27 1,23 29,55 0,34 0,006 0,42 0,010 0,034 Лето 1 6,90 468 7,64 5,50 31,60 0,38 0,079 0,05 0,008 0,010 2 7,31 138 8,29 4,93 15,50 0,56 0,191 0,72 0,008 0,036 3 7,40 120 7,64 4,00 6,80 0,32 0,097 1,12 0,006 0,034 Осень 1 7,00 690 9,66 3,02 43,80 0,22 0,007 0,12 0,067 0,088 2 7,50 216 9,04 4,48 17,10 0,13 0,172 1,11 0,051 0,116 3 7,60 214 10,44 3,24 16,30 0,11 0,083 1,72 0,043 0,098 2014 Весна 1 6,25 286 10,40 3,43 25,04 2,10 0,016 0,26 0,010 0,019 2 6,70 250 10,47 5,98 16,68 2,03 0,204 0,59 0,076 0,142 3 6,95 230 10,68 6,62 13,60 2,00 0,243 0,67 0,085 0,164 Лето 1 7,20 147 7,13 1,23 31,60 0,85 0,027 0,22 0,037 0,038 2 7,50 59 5,25 5,19 14,56 1,86 0,092 0,05 0,038 0,134 3 7,60 21 6,47 1,62 9,16 0,23 0,050 1,10 0,076 0,078 Осень 1 6,40 310 8,50 0,69 41,28 1,55 0,039 0,07 0,069 0,112 2 7,15 132 7,01 1,39 17,12 1,56 0,056 1,19 0,070 0,136 3 7,50 55 9,98 0,58 15,08 0,34 0,069 2,86 0,060 0,133 нием природных вод реки городскими сточными водами. Превышение значений ПДКр/х по БПК5 обусловлено интенсивным биохимическим окислением органических веществ из сточных вод. На большое количество органических веществ в водах реки также указывают превышения по значениям ПО. Количество органических веществ (NH4+, NO2–) превышало ПДКр/х в связи с поступлением в природные воды реки азотсодержащих веществ, которые присутствуют в бытовых, строительных и промышленных стоках. Максимальные значения БПК5, ПО и NH4+ в центральной части реки, возможно, связаны с несанкционированным сбросом сточных вод с прилегающей территории.

Полученные в ходе гидрохимических исследований результаты были подвергнуты компонентному анализу для выявления основных направлений изменчивости и групп сходных объектов. В результате были получены четыре значимые главные компоненты (ГК), описывающие 85,1 % изменчивости признаков (табл. 2).

Таблица 2

Дисперсии главных компонент

Номер ГК	Значение дисперсии	Относительный вес, %
1	3,14403	31,4
2	2,22826	22,3
3	1,99521	20
4	1,137	11,4

Факторные нагрузки показали, что взаимные корреляции всех признаков невелики. Первая компонента создается в основном за счет переменной, касающейся увеличения значений цветности и количества Рмин. Вторая компонента создается за счет переменной, касающейся увеличения количества растворенного кислорода и Робщ. при уменьшении количества NO3-. Третья компонента касается переменной, показываю- щей увеличение количества NH4+ при уменьшении NO2–, а четвертая – увеличение количества NO3– при уменьшении значений БПК5 и ПО (табл. 3).

Ординация объектов по ГК-1 и ГК-2 демонстрирует разделение исследуемых объектов (станций отбора проб с учетом сезона и года) на группы. В первую группу (по ГК-1: наибольшие значения цветности, Рмин.; по ГК-2: наибольшие значения растворенного кислорода, Робщ., при наименьшем – NO ₃ ^– ) входят следующие объекты: 2 – станция летом, осенью 2013 и 2014 годов, 3 – станция осенью 2013 и 2014 годов, летом 2014 года. Во вторую (по ГК-1: наименьшие значения цветности, Рмин.; по ГК-2: наименьшие значения растворенного кислорода, Робщ. и наибольшие – NO 3 ^– ): 1 – станция весной, осенью 2013 и 2014 годов, летом 2013 года (рис. 1).

Ординация объектов по ГК-1 и ГК-3 демонстрирует разделение объектов на следующие группы: в первую из них (по ГК-1: наибольшие значения цветности, Рмин.; по ГК-3: наибольшие значения NH ₄ ⁺ , наименьшие – NO ₂ ^- ) входят: 2 – станция летом 2013 и 2014 годов, осенью 2013 года и весной 2014 года, 3 – станция осенью 2013 года и весной 2014 года; во вторую (по ГК-1: наименьшие значения цветности, Рмин.; по ГК-3: наименьшие значения NH ₄ ⁺ , наибольшие – NO ₂ ^– ) входят следующие объекты: 1 – станция летом 2014 года, осенью 2013 года, 2 – станция весной 2013 года (рис. 2).

Выявленные зависимости согласуются с абсолютными значениями гидрохимических показателей. Полученные результаты подтверждаются сравнением средних арифметических величин для каждого исследуемого показателя в зависимости от станции и времени года. Таким образом, основные признаки, которые отражаются в ГК (за 2013–2014 годы), это цветность, количество растворенного в воде кислорода, аммоний-, нитрит-и нитрат-ионов, Робщ. и Рмин.

Таблица 3

Факторные нагрузки по главным компонентам

Показатели	ГК-1	ГК-2	ГК-3	ГК-4
рН	0,389149	–0,141729	–0,352178	–0,0833409
Цветность	0,475941	–0,101828	–0,251013	0,0684229
Растворенный О 2	0,251115	0,538827	0,0906116	0,0246906
БПК 5	–0,24343	–0,370849	0,068555	–0,56829
ПО	0,317452	–0,216138	0,0509026	–0,601868
NH 4+	0,25646	–0,210684	0,56606	0,0396184
NO 2-	0,00282067	–0,199844	–0,574977	0,0333329
NO 3-	0,200925	–0,473831	–0,0342463	0,469597
Рмин.	0,442451	–0,080428	0,340795	0,0619197
Робщ.	0,31151	0,423857	–0,170661	–0,274825

о

СО

CQ

2 о I ж

X О X

X X

3 1

2 -♦ з:.

♦ 3L14   ♦ 3014

♦ 3013

)Х X X

Z

X X

X

)Х х х

х

х

X

X оз О)

X о

X

х

X

X

х z о

3 лз

<0 S

х о X

5Х X X о

X

X 03    Г

X  4

♦ 3V13

♦ 1L14

♦ 2L13  *2013

♦ Объект

s

-4

-3

♦ 1V13 ' * 2V13 ^

^2L£ 2014

"2* 1L13

О

-1 -♦ 1013

♦ 1V14-2 "

♦ 1 314

-3 J

♦ 3V14

♦ 2V14

ГК-1: увеличение значений цветности и Рмин.

Рис. 1. Ординация объектов по ГК-1 и ГК-2

♦ 1L13

1V133V13

♦ 1V14

2 - ♦ 2L13

♦рыз

1------------гт--и

21Ы4* *1013

2V13

О

-2 -

♦ Объект

♦ 2L14* 2013 ♦ 2V14

♦ 3013

♦ 3bU

♦ ЗУМ

♦ 3014

-3 -

♦ 1014

-4 J

ГК-1: увеличение значений цветности и Рмин.

Рис. 2. Ординация объектов по ГК-1 и ГК-3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время остается актуальной проблема загрязнения малых рек в пределах городских территорий, которые продолжают испытывать интенсивное антропогенное влияние. В этих условиях исключительную необходимость и важность приобретают мониторинговые исследования, результаты которых могут быть основой для разработки мер по сохранению качества вод городских рек.

Это полностью подтверждают результаты нашего исследования реки Неглинки (Карелия). Так, в ходе исследований было выявлено, что из десяти исследуемых гидрохимических показателей пять превышали значения ПДКр/х. При транзите вод реки Неглинки через городскую территорию от истока к устью рН среды сдвигалось в щелочную сторону, увеличивалось количество нитрат- и нитрит-ионов, растворенного в воде кислорода, при этом уменьшались значения цветности и ПО. В центральной части реки воды характеризовались максимальными значениями БПК5, аммоний-иона, Робщ. и Рмин. Это связано с разбавлением природных вод реки Неглинки стоками с городской территории.

Выявлено, что в истоке реки в 2013 году цветность была больше в 3 раза, а ПО, аммоний- и нитрит-ионы были меньше в 10, 6 и 8 раз соответственно, чем в 2014 году. В устье реки в 2013 году показатели растворенного кислорода и БПК 5 были меньше в 2 и 5 раз соответственно, чем в 2014 году. В сезонном аспекте выявлены закономерные различия в динамике показателей растворенного в воде кислорода, БПК 5 , Рмин., аммоний-и нитрит-ионов.

Проведение компонентного анализа позволило выявить следующие зависимости: увеличение количества Рмин., цветности сопровождается увеличением растворенного в воде кислорода, Робщ. и уменьшением количества нитрат-ионов, а также увеличением количест- ва аммоний-ионов и уменьшением количества нитрит-ионов; увеличение количества растворенного в воде кислорода, Робщ. и уменьшение количества нитрат-ионов сопровождается увеличением количества аммоний-ионов и нитрит-ионов.

COMPONENT ANALYSIS ASSESSMENT OF NEGLINKA RIVER WATER QUALITY DYNAMICS