Исследования были проведены в Центральном федеральном округе (ЦФО), занимающем площадь 650,2 тыс. км2. Население ЦФО составляет 39,3 млн человек, из них в г. Москва – 12,5 млн чел., Московской области – 7,5 млн чел. (за 2018 г.), по [1]. В ЦФО насчитывается 31 тыс. водотоков, 49,9 тыс. озер и искусственных водоемов общей площадью 9250 км2, по [2]. Несмотря на обилие водоемов, в округе существует проблема доступных для рекреации водоемов, что связано с высокой плотностью населения.
Под «рекреационным водопользованием» обычно понимают использование водных объектов, включая береговую полосу, для удовлетворения потребностей населения в досуге (отдыхе) [3, 4]. Рекреационное водопользование оказывает прямое или косвенное (опосредованное) воздействие на качество воды и экосистемы водных объектов [4], и является потенциальным источником химической и микробиологической опасности для здоровья человека.
Основную нагрузку на водоем оказывают купание, рыболовство и отдых с использование маломерных судов [5]. Под купанием мы понимаем погружение человека в поверхностные воды. Этот вид рекреационного водопользования оказывает микробиологическое и химическое воздействие на водоем, которое выражается в смыве с тела человека и выделении в воду продуктов жизнедеятельности. В течение 10-минутного купания в воду попадают свыше 3 млрд сапрофитовых бактерий, от 100 тыс. до 20 млн кишечных палочек; при одноразовом выделении продуктов жизнедеятельности в воду – 2,3 г хлора, 0.55 г оксида фосфора, 0,136 г аммиака, 0,073 г мочевой кислоты, 5,5 г мочевины, 45,5 г аминокислот, 0,021–0,051 г фенолов, сульфатов и других веществ, по [5–7].
Цель исследования: изучить изменение качества воды водоемов при купании в периоды высокой рекреационной нагрузки, выяснить, какие показатели (ПДКв или фоновые значения) позволяют эффективно оценить качество воды в местах рекреационного водопользования.
Материалы и методы исследования
Для исследования были выбраны водоемы Московской и Тверской областей, используемые в рекреационных целях: Иваньковское водохранилище, Большой Люберецкий карьер, Константиновский карьер и оз. Чистое.
Для оценки нагрузки от купания на водоемы в районе городского пляжа г. Конаково на Иваньковском водохранилище и пляжной зоны у центрального моста на р. Донховка (рис. 1, а) использовали методику забора воды с поверхностного слоя по горизонтальному профилю: у уреза, на глубине 0,8 м и ~2 м [5, 7]. Отбор проб воды по данной методике проводили в июне-июле 2010–2011, 2016 и 2018 гг., всего отобрано 106 проб воды.
а) б)
в) г)
Рис. 1. Карта-схема объектов исследования: а) Иваньковское вдхр. и р. Донховка, б) Большой Люберецкий карьер, в) Константиновский карьер, г) оз. Чистое (фон).
– место отбора проб воды, 
– пляжная зона
В Большом Люберецком и Константиновском карьерах (рис. 1, б, в) исследования проведены впервые, пробы воды отбирали однократно в летний период 2018 г. Это связано со спецификой исследования: определить качество воды в водоемах в данный момент времени, в местах рекреационного водопользования. Отбор проб воды в озере Чистое (рис. 1. г) проводили летом 2016–2018 гг., для выявления межгодовых изменений качества воды в период высокой рекреационной нагрузки. Пробы воды отбирали согласно ГОСТ 31861-2012 [8] с глубины 0,4–0,5 м.
Иваньковское водохранилище осуществляет сезонное регулирование стока. Оно является мелководным, акватории с глубинами менее 2 м занимают 48%. Полный объем при нормальном подпорном уровне (НПУ – 124 м) составляет 1120 млн м3, площадь водного зеркала – 327 км2, длина береговой линии – 520 км, средняя глубина – 3,4 м, по [9]. Река Донховка является правобережным притоком Иваньковского водохранилища. Ее длина составляет 27 км, а водосборная площадь – 158 км2 [10].
Большой Люберецкий карьер – искусственный водоем, занимающий дно бывшего карьера площадью 0,38 км2. Он находится в г. Держинский (Московская область), плотность населения которого составляет 3555 чел/км2. Пляж в западной части Большого Люберецкого карьера (вдоль ул. Угрешская, г. Держинский) – живописное место, вода визуально привлекает отдыхающих, прозрачная, хорошо прогревается в зоне купания. Для рекреационного отдыха на берегах карьера организована пляжная зона, отдельно присутствует зона туалетов, зона питания, зона активного (виндсёрфинг, аттракционы и другое) и пассивного (беседки) отдыха.
Константиновский карьер площадью 0,38 км2 расположен в окрестностях г. Твери (плотностью населения – 2763 чел/км2), вдоль Савватьевского шоссе. Это одно из самых популярных мест отдыха у воды в г. Твери, вокруг водоема сосновый бор, берег песчаный, вода в карьере прозрачная. Еще один водоем (фоновый) – оз. Чистое с площадью акватории 1,8 км2, находится в Тверской области, в Торопецком районе (д. Чистое), где плотность населения составляет 5 чел/км2. Водоем живописный, прозрачность воды достигает 3 м, есть причал, небольшой заход в водоем, кабинки для переодевания.
Пробы проанализированы в химической лаборатории ИвНИС ИВП РАН по аттестованным методикам (аттестат аккредитации RA.RU.21AH36 от 21.11.2016 г.). Химический анализ качества воды проводили по физико-химическим показателям (температура, рН, мутность), главным ионам (HCO3, Ca, Mg, SO4, Cl, Na и K), биогенным элементам (Fe, Si, соединения N и P), показателям содержания органических соединений (БПК5, цветность).
Оценку качества воды проводили в сравнении с ПДКв, используемой для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования [11], и с фоновыми значениями концентрации химических элементов. Фоновый водоем – оз. Чистое, расположен в одном регионе со всеми изучаемыми объектами, плотность населения водосборной территории небольшая для ЦФО (5 чел/км2), рекреационная нагрузка на водоем невысокая, химический состав воды отличается низким содержанием главных и биогенных элементов, органических показателей.
Метеопараметры измерялись портативной метеостанцией Kestrel 5000 (США).
Результаты исследования и их обсуждение
В период отбора (июль 2018 г.) по горизонтальному профилю (урез, 0,8 м, ~2 м) погодные условия способствовали увеличению нагрузки на исследуемые пляжи (на Иваньковском вдхр. и р. Донховка в г. Конаково). Было жарко и довольно ветрено: температура воздуха изменялась в пределах от 27,1 до 29,4°С, средняя скорость ветра составила 2,8 м/с, влажность – 57,1%. Средняя температура воды составила 24,3°С. В середине дня количество отдыхающих было 554 человека (городской пляж г. Конаково), из них купалось 106 человек. Максимальная рекреационная нагрузка за период наблюдения на городском пляже г. Конаково отмечена в 2010 г. и составляет 1067 человек в середине дня (с 14 до 15 часов) при температуре воды – 25,3°С и средней температуре воздуха в июле – 24,9°С [5].
Выявлено, что концентрации сульфатов, натрия и калия, аммонийного иона, нитратов, нитритов, фосфора общего и БПК5 в воде не имеют четкого распределения по горизонтальному профилю (табл. 1).
Таблица 1
Распределение концентраций некоторых химических элементов по горизонтальному профилю пляжа г. Конаково, дм/мг3 (кр. Pобщ.вал. – мгР/дм3), июль 2010, 2011, 2016, 2018 гг.
|
Глубина, м |
SO4 |
Na + K |
NH4 |
Робщ. |
||||||||
|
2011 |
2016 |
2018 |
2010 |
2018 |
2010 |
2011 |
2016 |
2018 |
2010 |
2011 |
2018 |
|
|
ур. |
10,7 |
9,4 |
16,0 |
4,5 |
13,3 |
0,32 |
0,30 |
0,15 |
0,11 |
0,133 |
0,104 |
0,061 |
|
0,8 |
9,9 |
8,6 |
16,4 |
5,5 |
14,8 |
0,31 |
0,39 |
0,17 |
0,09 |
0,099 |
0,126 |
0,074 |
|
~2 |
10,1 |
13,4 |
16,0 |
5,3 |
16,0 |
0,32 |
0,42 |
0,12 |
0,06 |
0,164 |
0,140 |
0,061 |
Исследования 2010 [5] и 2018 гг. позволяют отметить, что в водоемах с замедленным водообменном, в периоды высокой рекреационной нагрузки, у уреза воды концентрации соединений азота и фосфора выше, чем на глубине, на 0,14 дм/мг3 (NH4), 0,012 дм/мг3 (NO2), 0,12 дм/мг3 (NO3), 0,021 дм/мг3 (Робщ.). Анализ данных 28 горизонтальных профилей выявил, что вероятность (Р) накопления высоких концентраций соединений азота и фосфора у уреза водоема невысока (Р = 57%). Для использования методики отбора по горизонтальному профилю в местах высокой рекреационной нагрузки необходимо учитывать множество факторов: водообмен, температуру воды и воздуха, количество отдыхающих и другое.
Ранее было установлено, что под воздействием массового купания наблюдается увеличение концентраций сульфатов, аммонийного иона, нитратов и нитритов, общего фосфора, БПК5 [5, 7].
В 2018 г. по всем показателям превышения ПДКв [11] не зафиксировано.
Следующим этапом исследования было выявление водоемов со схожими условиями формирования природного качества воды и разными уровнями рекреационных нагрузок. Рекреационные нагрузки оценивали в зависимости от плотности населения вблизи водоемов.
Проведен сравнительный анализ качества воды Большого Люберецкого и Константиновского карьеров, оз. Чистое в июле 2018 г.
Воды исследуемых водоемов гидрокарбонатные (по О.А. Алекину), с низкой и средней минерализацией (0,1–0,4 г/дм3), слабощелочные (рН изменяется в диапазоне 7,85–8,26 ед. рН), малоцветные (8–10 градусов Pt–Co шкалы), с низким показателем БПК5 (1–1,6 мгО/дм3), низкой мутностью (менее 10 мг/дм3), невысоким содержанием гидрокарбонатов (54,9–11,9 мг/дм3), железа общего (0,03–0,06 мг/дм3), марганца (0,02–0,05 мг/дм3), кремния (0,17–0,39 мг/дм3). По показателю жесткости вода в водоемах: «мягкая» в оз. Чистое и Константиновском карьере (менее 2 мг-экв/дм3) и средней жесткости (4,75 мг-экв./дм3) в Большом Люберецком карьере. Концентрации ионов аммония выше в Большом Люберецком карьере (0,41 мг/дм3), концентрации нитратов – в оз. Чистое и Константиновском карьере (0,48 и 1,0 мг/дм3 соответственно), концентрации фосфора общего валового изменяются в воде водоемов от 0,036 до 0,059 мгР/дм3.
Превышения ПДКв [11] ни по одному показателю в воде исследуемых водоемов не было выявлено, поэтому оценку качества воды водоемов проводили в сравнении с фоновыми значениями (оз. Чистое). Озеро Чистое характеризуется низкими концентрациями химических элементов в воде (табл. 2), поэтому подходит в качестве фонового водоема.
Таблица 2
Диапазон концентраций некоторых химических элементов в воде оз. Чистое, дм/мг3 (кр. БПК5 -мгО/дм3), июль 2016–2018 гг.
|
HCO3 |
Cl |
SO4 |
Na + K |
NH4 |
NO3 |
РО4 |
БПК5 |
|
67,1–103,7 |
1,3–3,4 |
3,8–4 |
0,3–7,3 |
0,05–0,32 |
0,38–0,50 |
0,012–0,132 |
1–1,4 |
В результате сравнения данных химического анализа воды Большого Люберецкого и Константиновского карьеров с оз. Чистое мы получили наибольшие концентрации сульфатов – 179,8 мг/дм3 (выше в 45 раз фоновых значений), концентрации хлоридов – 36,5 мг/дм3 (в 11 раз выше фоновых значений), концентрации натрия и калия – 22,8 мг/дм3 (в 4 раза выше фоновых значений) отмечены в Большом Люберецком карьере (рис. 2, в).
Купание оказывает положительное воздействие на физическое и психологическое состояние человека. Тем не менее в водоемах ЦФО все чаще можно видеть таблички с запретом на купание. Это связано с качеством воды водоемов центральной части России. За последние десятилетия вода в водных объектах ЦФО характеризуется классами качества от «загрязненной» до «грязной», за исключением некоторых единичных озер и участков рек, водохранилищ. Неудовлетворительное качество воды часто связывают со сбросом коммунально-бытовых и промышленных сточных вод, наличием урбанизированных территорий, в том числе с высокой плотностью населения.
Наблюдая за качеством воды различных водоемов и водотоков ЦФО, мы не всегда видим зависимость концентрации сульфатов и хлоридов, соединений азота и фосфора (рис. 3) от плотности населения. Это связано с особенностями формирования качества воды в каждом водном объекте.
а) б) в)
Рис. 2. Диаграмма-роза. Концентрации главных ионов, мг/дм3, июль 2018 г.: а) оз. Чистое (фон), б) Константиновский карьер, в) Большой Люберецкий карьер
а)
б)
Рис. 3. Изменение концентраций сульфатов, хлоридов (а) и нитратов, фосфатов (б) водоемов и водотоков ЦФО в зависимости от плотности населения, 2018 г.
Следовательно, в городской черте можно иногда встретить водный объект с удовлетворительным для купания качеством воды.
Выводы
В водоемах с замедленным водообменом, в периоды высокой рекреационной нагрузки концентрации у уреза воды выше, чем на глубине, по следующим элементам: ионы аммония (на 0,14 дм/мг3), нитриты (на 0,012 дм/мг3), нитраты (на 0,12 дм/мг3), фосфор общий (на 0,021 дм/мг3). При этом вероятность распределения концентраций соединений азота и фосфора по горизонтальному профилю (урез, 0,8 м, ~2 м) невысока (57%).
Наши исследования показали, что для оценки качества при рекреационном водопользовании наиболее эффективно использовать сравнение с фоновыми значениями. Так, в Большом Люберецком карьере (г. Держинский, Московская область) выше фоновых значений (оз. Чистое, Тверская область) были концентрации: сульфатов (в 45 раз), хлоридов (в 11 раз), натрия и калия (в 4 раза)
Не выявлено тесной зависимости между концентрациями сульфатов, хлоридов, соединений азота и фосфора в воде водоемов и водотоков ЦФО и плотностью населения на их водосборах. На плотно заселенных территориях можно встретить водный объект с удовлетворительным для рекреационного водопользования качеством воды.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-35-00609 мол_а.