Городская среда включает в себя ряд природно-антропогенных и антропогенных объектов, которые целенаправленно создаются человеком на ограниченной территории для удовлетворения социальных, культурных, бытовых и иных потребностей. Кроме этого, в структуру городских территорий входят компоненты экологической инфраструктуры, такие как зеленые насаждения и водоемы, которые обеспечивают экологически устойчивое состояние городской среды, зачастую имея при этом и рекреационное значение [1; 2].
Однако стремительное развитие и увеличение площадей урбанизированных территорий, как правило, оказывает отрицательное влияние на экологическое состояние природных компонентов современных мегаполисов. Наличие среднего и высокого уровня концентраций экотоксикантов в водах рек и иных водных объектов, расположенных на урбанизированных территориях, связано с их высокой антропогенной нагрузкой хронического характера. В частности, в подобных условиях водоемы зачастую используют для сброса сточных вод, берега рек очень часто подлежат трансформации и застройке, русла рек искусственно изменяют и заключают в специальные коллекторы, что негативным образом сказывается на естественном экологическом фоне водных экосистем [3; 4].
Любой городской водный объект в условиях нерациональной эксплуатации и при отсутствии природоохранных мероприятий со временем утрачивает свой экологический статус и ландшафтно-рекреационное назначение, вследствие чего теряет устойчивость в результате ухудшения и деградации основных компонентов и характеристик водной экосистемы [5–7].
В настоящее время многие реки, пруды и озера, расположенные в городской черте, находятся в экологически неустойчивом и кризисном состоянии, ввиду чего применение только природоохранных мероприятий с целью стабилизации водных экосистем, как правило, уже недостаточно. Основным направлением в сфере поддержания качества водных бассейнов подобных городских экосистем является применение специальных современных инженерно-технических решений. В условиях города, при высоком уровне загрязняющих потоков в водные экосистемы, самовосстановительной способности водоемов зачастую недостаточно для переработки всего количества загрязняющих веществ, привносимых в водоемы с водосборной площади, из атмосферы и с грунтовыми водами. Поэтому при решении данных проблем необходим комплексный подход к решению инженерно-технических и экологических задач с целью реабилитации природных водных экосистем, включающий предварительную экологическую оценку комплекса гидрохимических и гидробиологической свойств нарушенного объекта [8–10].
Цель настоящей работы состояла в оценке экологического состояния озера Мухинское как техногенно преобразованного водного объекта по данным гидрологических, биохимических и экотоксикологических показателей его вод вследствие осуществления работ по благоустройству городской зоны отдыха «Мухинское озеро».
Материалы и методы исследования
Исследования осуществлялись на техногенно преобразованном водном объекте – озере Мухинском, расположенном в центральной части г.о.г. Бор Нижегородской области. До начала работ по благоустройству территории (до мая 2018 г.) Мухинское озеро представляло собой естественный природный водоем, который являлся историческим памятником и достопримечательностью города. В связи с современной плотной застройкой центральной части г. Бор озеро Мухинское оказалось ограниченным с одной стороны монолитным железобетонным забором, а с противоположной стороны располагалась тропиночная сеть, соединяющая улицу Фрунзе и рыночную площадь. Берег озера плотно зарос ивой и кленом ясенелистным, дно водоема сильно заилено, а водная гладь озера замусорена преимущественно бытовыми отходами.
В 2018 г. в связи с началом реализации проекта «Формирование комфортной городской среды» в мае было начато благоустройство общественного пространства около Мухинского озера. В рамках осуществления 1-го этапа благоустройства были проведены следующие виды работ: формирование линии берега озера, углубление дна до проектной отметки – 73,5 см, и расчистка озера, а также организация ливневой канализации и обустройство пешеходной зоны из террасной пластиковой доски и брусчатки. В ходе выполненных работ чаша озера была расширена, углублена и перемещена на 10 метров в сторону дорожно-тропиночной сети, ближе к зданию рынка. Береговая линия озера в ходе реконструкции была изолирована с помощью шпунтового ограждения. Исходное природное ложе водоема вместе с ключами, питавшими озеро, были засыпаны щебнем, песком и привозным почвогрунтом. Вокруг вновь сформированного озера обустроено 5 железобетонных колодцев для приема сточных и дождевых вод. Реконструированное озеро расположено ниже уровня проезжей части и колодцев ливневой канализации, ввиду чего все поверхностные воды с близлежащих территорий и колодцев (при их переполнении) стекают непосредственно в водоем.
В апреле 2019 г. Мухинское озеро обмелело, впоследствии проводилась неоднократная искусственная подпитка водоема с помощью водопроводной воды, которую закачивали в озеро посредством пожарного гидранта из водозаборного колодца, расположенного на территории местного рынка. В конце июля 2019 г. на дно водоема уложили гидроизоляцию, сверху разместили слой песка и вновь заполнили чашу водой из артезианской скважины, которую пробурили для систематической подпитки искусственного водного объекта.
Через 7 дней после осуществления последних работ по благоустройству (начало августа 2019 г.), в озере начался интенсивный процесс эвтрофикации. Обильно цветущие водоросли удаляли с поверхности водоема механическим путем, затем в сентябре была осуществлена химическая обработка Мухинского озера. В весенне-летний период 2020 г. предполагается 2-я очередь благоустройства озера и территории вокруг него.
Для проведения оценки качественных и количественных показателей вод исследуемого водного объекта было выделено 4 точки, равномерно расположенные по периметру озера. Отбор проб воды был осуществлен однократно (14.03.2020 г.) в соответствии с ГОСТ Р 51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб» при помощи батометра гидрологического БГ-1,0; пробы воды отбирали в пластиковые бутыли (2 л). Внешний вид и природно-территориальный комплекс Мухинского озера представлены на рисунке.
Лабораторный экологический анализ проб воды из озера проводился в течение первой недели после отбора проб на базе оборудования Эколого-аналитической лаборатории мониторинга и защиты окружающей среды НГПУ им. К. Минина.
В пробах воды определяли: общие гидрологические показатели (цветность – по Cr/Co шкале, запах при +60 °С, прозрачность – по шкале цилиндра Снеллена и мутность пересчетным способом); гидрохимические свойства (кислотность воды – потенциометрическим способом, общая жесткость – трилонометрическим титрованием, содержание аммонийной и нитратной формы азота – ионселективной ионометрией, содержание хлоридов и сульфатов – соответственно аргентометрией и йодометрией, содержание полифосфатов и общего железа – спектрофотометрией; гидробиологические свойства (содержание растворенного кислорода – йодометрия по Винклеру, ХПК – по перманганатной окисляемости воды, БПК – семисуточное). Аналитическая повторность – трехкратная. Статистическую обработку данных проводили методом вариационного анализа данных [11].
Внешний вид и природно-территориальный комплекс озера Мухинское города Бора Нижегородской области
Результаты исследования и их обсуждение
В результате выполненных аналитических исследований показателей качества Мухинского озера было выявлено, что его воды характеризовались удовлетворительными свойствами (табл. 1).
Запах воды, определенный при повышенной температуре (+60 °С), характеризовался явным присутствием процессов гниения – по всем пробам имелись «Гнилостный», «Лекарственный» и «Химический» обонятельные признаки. Интенсивность запаха в среднем по всем пробам была на допустимом уровне. Аналогичным образом характеризовалась цветность воды озера – с явным наличием бурого и зеленого оттенков проб, цветность которых также оказалась на уровне допустимых значений.
Прозрачность воды характеризовалась ниже оптимального (60 см столба Снеллена), что, очевидно, было обусловлено как уровнем цветности, так и заметной мутностью. Последняя имела значительную степень вариабельности по точкам отбора проб (64 %), что свидетельствовало о неравномерности толщи воды озера по процессам перемешивания и оседания иловых частиц.
Кислотность воды варьировала в пределах нейтральной реакции и была незначительной, а общая жесткость была повышена, заметно вариабельна и характеризовала воды озера как жесткие. В целом относительно общих свойств воды нужно сказать, что Мухинское озеро не обладало избыточной кислотностью, однако его условно непроточный характер явился результатом неравномерной взмученности и жесткости.
Общие гидрохимические свойства воды рассматриваемого водоема показаны в табл. 2. Отличительной выявленной особенностью явились значительные концентрации биогенных элементов – растворимых форм азота и фосфора.
Таблица 1
Органолептические и обобщенные показатели качества воды природно-техногенного водоема «Мухинское озеро» (Нижегородская область, 2020 г.)
|
Показатель |
Значения по точкам отбора |
M ± m |
V, % |
ПДК |
|||
|
I |
II |
III |
IV |
||||
|
Запах, балл |
2 |
3 |
2 |
1 |
2 |
– |
2 |
|
Цветность, ° |
10 |
20 |
20 |
30 |
20 |
– |
20 |
|
Прозрачность, см |
55 |
50 |
51 |
48 |
51 ± 1 |
6 |
>60 |
|
Мутность, мг/л |
0,4 |
1,7 |
0,8 |
2,2 |
1,3 ± 0,4 |
64 |
1,5 |
|
рН, ед. рН |
6,89 |
7,03 |
7,41 |
7,14 |
7,12 ± 0,11 |
3 |
6,5-8,5 |
|
Жесткость, мг-экв./л |
4,02 |
7,73 |
6,19 |
8,59 |
6,63 ± 1,0 |
30 |
7,0 |
Примечание: M ± m (здесь и далее) – среднее арифметическое ± ошибка среднего значения; V, % – коэффициент вариации; ПДК (здесь и далее) – согласно ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования», ГН 2.1.5.2280-07 Дополнения и изменения № 1 к ГН 2.1.5.1315-03, ГН 2.1.5.2307-07 «Ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».
Таблица 2
Базовый катионно-анионный состав воды природно-техногенного водоема «Мухинское озеро» (Нижегородская область, 2020 г.)
|
Показатель |
Значения по точкам отбора |
M ± m |
V, % |
ПДК |
|||
|
I |
II |
III |
IV |
||||
|
Аммонийный азот (NH4+) |
4,76 |
2,17 |
0,68 |
1,88 |
2,37 ± 0,86 |
72 |
1,9 |
|
Нитратный азот (NО3–) |
3870 |
2560 |
1198 |
1796 |
2356 ± 577 |
49 |
45 |
|
Полифосфаты (РО43–, общее) |
1,57 |
1,44 |
1,20 |
1,09 |
1,33 ± 0,11 |
17 |
3,5 |
|
Сульфаты (SО42–, общее) |
120 |
100 |
88 |
92 |
100 ± 7 |
14 |
500 |
|
Хлориды (Сl–, общее) |
9,0 |
8,8 |
7,5 |
7,3 |
8,2 ± 0,4 |
11 |
350 |
|
Железо (Fe, общее) |
0,54 |
0,36 |
0,15 |
0,29 |
0,34 ± 0,08 |
48 |
0,3 |
Таблица 3
Показатели биохимического состояния воды природно-техногенного водоема «Мухинское озеро» (Нижегородская область, 2020 г.)
|
Показатель |
Значения по точкам отбора |
M ± m |
V, % |
ПДК |
|||
|
I |
II |
III |
IV |
||||
|
Содержание растворенного О2, мг/л |
9,76 |
12,83 |
16,32 |
8,99 |
11,98 ± 1,67 |
28 |
>4 |
|
ХПК (по перманг. окисляемости), мг/л |
57,6 |
49,2 |
64,0 |
60,7 |
57,9 ± 3,2 |
11 |
5,0 |
|
БПК (семисуточное), мг/л |
5,12 |
7,16 |
12,62 |
10,25 |
8,79 ± 1,66 |
38 |
6,0 |
Так, на фоне достаточно высокого, но вместе с тем не выходящего за пределы ПДК уровня содержания полифосфатов в водах, в них были установлены завышенные концентрации аммонийного азота (от 0,36 до 2,5 ПДК) с очень высокой вариабельностью по точкам отбора (72 %). Кроме того, в водах Мухинского озера было выявлено существенное превышение допустимой концентрации в отношении содержания нитрат-анионов: здесь уровень превышения варьировал от 26 до 86 ПДК. Очевидно, что в водоеме активно шли процессы эвтрофикации, что, по-видимому, было связано с несанкционированным сбросом в водоем неочищенных сточных вод [7; 12].
Процессам гипертрофизации сопутствует активное цветение водоемов и, как следствие, избыточное накопление органических веществ, что приводит к заболачиванию толщи воды. Данные явления крайне неблагополучны с точки зрения санитарного состояния территории, поскольку они приводят к накоплению в воде токсических веществ и чрезмерно замедляют процессы самоочищения водного объекта [8; 9]. Также здесь необходимо отметить, что наиболее высокие концентрации биогенных элементов были выявлены в точке 1, в непосредственной близости от которой расположен один из колодцев приема сточных и ливневых вод.
В водах озера были установлены достаточно высокие концентрации хлоридов, сульфатов и общего железа, уровень которых нетипичен для природных водных объектов таежно-лесной территории [11; 13; 14]. При этом содержание хлорид- и сульфат-анионов не имело существенной вариабельности и не выходило за пределы установленных санитарно-экологических норм, а содержание железа – превышало ПДК на 20–80 %.
Данные табл. 3, характеризующие уровень биохимической активности воды Мухинского озера, подтверждают наличие активной стадии процессов эвтрофикации, идущей в водоеме.
На фоне достаточно высокого содержания в водах растворенного кислорода процессы окисляемости, оцениваемые по показателю ХПКПЕРМАНГ., были очень сильно выражены. Здесь превышение уровня допустимой концентрации составляло от 9,8 до 12,8 ПДК. Очевидно, что на момент отбора проб воды озера характеризовались избыточным накоплением легкоразлагаемого азотсодержащего органического вещества, которое подвергалось частичной минерализации. Однако, поскольку уровень показателя БПК7 был достаточно высок (от 0,85 до 2,10 ПДК), следует, что самоочищающая способность водоема оказалась на удовлетворительном уровне, а сам водоем классифицировался как «грязный». По-видимому, естественная биологическая активность водоема в отношении деструкции органических экотоксикантов не могла обеспечить своей полноценной самоочистки.
Заключение
В результате проведенной оценки экологического состояния природно-техногенного озера «Мухинское» было установлено, что водный объект характеризовался неудовлетворительным санитарно-гидрохимическим состоянием по содержанию биогенных элементов, железу и уровню показателей самоочищения от органических примесей. Относительно последних показано, что уровень накопления в водах озера легкоразлагаемых органических веществ значительно превышал скорость процессов биохимического очищения. Единственным положительным моментом остается удовлетворительное содержание растворенного кислорода в водах, что отчасти может гарантировать постепенную биологическую нейтрализацию в них органических экотоксикантов. Для реализации комплексного подхода к решению инженерно-технических и экологических задач рассматриваемого водного объекта необходимо активно внедрять реабилитационные мероприятия по самовосстановлению озера.