Оценка загрязненности реки Охта в пределах Санкт-Петербурга на основе применения интегральных кривых

Урусова Е.С. Оценка загрязненности реки Охта в пределах Санкт-Петербурга на основе применения интегральных кривых // Общество. Среда. Развитие. – 2015, № 4. – С. 171–175.

С ростом городов, развитием промышленности и сельского хозяйства антропогенное воздействие на водные объекты все более усиливается. Промышленные, хозяйственно-бытовые, сельскохозяйственные и другие сточные воды, сбрасываемые в водные объекты, вызывают в той или иной степени выраженные антропогенные изменения качества воды, нарушая тем самым экологическое равновесие [1, с. 94]. В результате происходит изменение качественного состава воды, что влияет на её пригодность для различных видов использования [5, с. 183]. Особенно сильно загрязняются малые, и даже средние реки, находящиеся в промышленных и густонаселённых районах [2, с. 61; 3, с. 18].

На территории Санкт-Петербурга располагается большое количество малых рек естественного происхождения. Большинство из них протекают по территории города в пределах промышленных и селитебных территорий, что приводит к их существенному загрязнению. В частности, уровень за- грязненности реки Охта достаточно высок вследствие большого числа выпусков сточных вод и поверхностного стока с городских и промышленных территорий [2, с. 62].

Существующие в настоящее время методы оценки загрязненности рек не всегда учитывают основные особенности гидрохимических наблюдений [7, с. 15]. Для учета этих особенностей при оценке пространственновременной динамики изменений загрязненности рек удобнее всего использовать такую методику, которая достаточна проста в применении и позволяет провести оценку с минимальным количеством графических построений. Именно этим требованиям удовлетворяет методика оценки пространственновременной динамики загрязненности рек на основе применения интегральных кривых.

Целью работы является оценка пространственно-временной динамики загрязненности реки Охта в пределах Санкт-Петербурга на основе анализа интегральных кривых.

* Данное исследование выполнено при поддержке Комитета по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга.

Среда обитания

Общество. Среда. Развитие ¹ 4’2015

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, среднеквадратическое 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 i -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):

W_j = f ( j ) ,                    (1)

где W_j – нарастающая сумма значений ряда Y от первого до j -го члена ряда ( j = 1, 2, ..., n), то есть:

W . T y - , (2)

i = 1

y_i – i -е значение ряда Y , i – порядковый номер значений Y ; j – порядковый номер нарастающих сумм значений Y .

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 j значимость отклонений средних значений в отдельные годы от средних многолетних значений в сумме W_j 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 пространственновременной 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 n 68 67 mx 6,09 7,58 СКО 2,74 2,11 Cv 0,45 0,28 Cs 0,13 0,12 БПК5 n 65 65 mx 5,50 4,50 СКО 5,33 2,20 Cv 0,97 0,49 Cs 2,01 0,76 азот аммонийный n 60 59 mx 2,61 1,98 СКО 1,75 1,28 Cv 0,67 0,64 Cs 1,10 0,74 азот нитритный n 68 67 mx 0,182 0,182 СКО 0,182 0,184 Cv 1,00 1,02 Cs 2,00 1,91 азот нитратный n 59 59 mx 2,44 3,66 СКО 3,59 4,87 Cv 1,47 1,33 Cs 4,47 3,37 нефтепродукты n 62 60 mx 0,23 0,15 СКО 0,34 0,13 Cv 1,50 0,85 Cs 4,26 1,16 СПАВ n 59 59 mx 0,165 0,166 СКО 0,157 0,164 Cv 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

Среда обитания

174	Таблица 2 Оценка однородности исходных рядов значений концентраций для реки Охта (в пределах Санкт-Петербурга)
	Станция	комаровский мост	Ильинский мост
	O 2	Не опровергается	Не опровергается
	БПк 5	Опровергается	Опровергается
	N-NH4	Опровергается	Опровергается
	N-NO2	Не опровергается	Не опровергается
	N-NO3	Опровергается	Опровергается
	нефте-продукты	Не опровергается	Не опровергается
	СПАВ	Не опровергается	Не опровергается

Общество. Среда. Развитие ¹ 4’2015

исходные ряды значений концентраций не однородны по своему генезису.

Для оценки пространственно-временной динамики загрязненности реки Охта использована методика, основанная на построении и анализе интегральных кривых среднегодовых значений 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, 2005– 2008 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 Комаровского 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-

Рис. 1. Интегральные кривые среднегодовых значений БПК5.

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 нитритного 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

Рис. 2. Интегральные кривые среднегодовых значений концентраций азота нитритного.

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.