Проблема продолжающегося истощения водных ресурсов стала особенно актуальной в последние десятилетия. Среди видов хозяйственной деятельности изъятие стока для использования в различных производственных процессах и коммунальном хозяйстве с возвратом в виде сточных вод в речную сеть считается наиболее мощным антропогенным фактором, влияющим на формирование качества речных вод [1].
Сброс сточных вод в поверхностные воды суши является одной из причин увеличения их загрязненности, поскольку современный уровень очистки сточных вод таков, что даже в водах, прошедших биологическую очистку, содержится значительное количество нитратов и фосфатов, которого достаточно для заметного изменения качества воды [1; 2].
Река Клязьма – самый большой приток р. Ока, длина ее 686 км, площадь бассейна 42,5 тыс. км2. Значительная часть бассейна расположена в пределах Московской и Владимирской областей и служит источником питьевого водоснабжения.
Поверхностные воды бассейна Клязьма испытывают большую антропогенную нагрузку, связанную как с высокой плотностью населения, так и с интенсивной хозяйственной деятельностью.
Существенную роль в формировании качества воды р. Клязьма играют промышленные и жилищно-коммунальные загрязненные сточные воды предприятий городов Московской (Щелково, Ногинск, Электросталь, Орехово-Зуево) и Владимирской (Владимир и Ковров) областей. В 2020 г. объем загрязненных сточных вод, поступивших в р. Клязьма, составлял: от предприятий Владимирской области 44,2 млн м3, Московской области 222 млн м3. Крупнейший источник загрязнения воды в верхнем течении реки на территории Московской области – Щелковские очистные сооружения ЗАО «Экоаэросталкер», осуществляющие прием и очистку бытовых и производственных сточных вод в объеме 144 млн м3 [3]. Доля нормативно очищенной воды, поступающей в р. Клязьму, в общем объеме сточных вод, требующих очистки, незначительна (по данным за 2015 г. до 2%) [4].
Цель исследования – выявление тенденций изменения уровня загрязненности воды реки Клязьма азотсодержащими и органическими веществами по течению реки в течение многолетнего периода.
Материалы и методы исследования
Материал исследования – многолетняя (2001-2020 гг.) режимная гидрохимическая информация, полученная государственной наблюдательной сетью Росгидромета. В работе использованы данные о химическом составе воды непосредственно р. Клязьма в 6 пунктах наблюдений, на которых расположено 12 створов.
Методы исследования – оценка качества воды по гидрохимическим показателям проведена с использованием метода комплексной оценки (РД 52.24-2002) [5]. Для выявления тенденций концентраций загрязняющих веществ применялся непараметрический тест Кендэлла [6].
Результаты исследования и их обсуждения
Для определения влияния загрязняющих веществ на уровень загрязненности воды проведено их разделение согласно РД 52.24-2002 на характерные и критические показатели.
Антропогенное влияние Щелковских очистных сооружений на состояние воды реки проявлялось в первую очередь в увеличении в створе ниже г. Щелково, по сравнению с фоновым створом, повторяемости случаев превышения ПДК (предельно допустимые концентрации) по комплексу загрязняющих веществ: фосфора фосфатов от 0-20% до 30-100%, нитритного азота от 50-75% до 100%, аммонийного азота в большую часть многолетнего периода от 50-70% до 100%. После реконструкции очистных сооружений снижение уровня загрязненности воды в 2015-2018 гг. проявилось в уменьшении числа случаев превышения ПДК аммонийным азотом до 23-31%.
В большую часть рассматриваемого периода характерными загрязняющими веществами воды р. Клязьма от створа ниже г. Щелково до п. Галицы были органические вещества (по БПК5 и ХПК) (биохимическое потребление кислорода за 5 суток и химическое потребление кислорода), аммонийный и нитритный азот, соединения железа, в створе ниже г. Щелково в 2007-2020 гг. добавлялся фосфор фосфатов.
При переходе реки из Московской во Владимирскую область повторяемость случаев превышения ПДК снижалась, в отдельные годы до значений ниже 50%: аммонийным азотом в 2010-2014 гг., нитритным в 2008, 2010, 2013, 2018-2019 гг., легкоокисляемыми органическими веществами (по БПК5) в 2006-2015 гг.
Подтверждением высокой пространственной неоднородности содержания в воде загрязняющих веществ является характер распределения максимальных значений концентраций за многолетний период и диапазонов их колебаний по длине реки. Как правило, наиболее высокие абсолютные значения концентраций загрязняющих веществ отмечались ниже сброса сточных вод Щелковских очистных сооружений. По течению реки от Московской к Владимирской области значительно сужался диапазон колебания концентраций загрязняющих веществ (табл. 1).
Одной из характерных особенностей поверхностных вод рек бассейна Оки является повышенное содержание в воде соединений минерального азота и фосфора фосфатов, причем в промышленных районах концентрации значительно выше, чем в сельскохозяйственных.
Таблица 1
Диапазон колебаний максимальных концентраций приоритетных загрязняющих веществ в воде р. Клязьма в течение 2001-2020 гг.
|
Загрязняющие вещества |
Максимальные концентрации 2001-2020 гг. (мг/л) |
||||
|
г. Щелково |
г. Павловский Посад |
г. Орехово-Зуево |
г. Владимир |
п. Галицы |
|
|
БПК5 |
7,38-28,5 |
6,20-20,8 |
7,04-20,2 |
2,30-15,6 |
1,30-9,84 |
|
ХПК |
39,8-124 |
4,48-77,2 |
39,5-73,1 |
34,6-73,9 |
34,0-83,0 |
|
Аммонийный азот |
1,25-22,7 |
1,60-19,2 |
1,40-15,2 |
1,07-3,99 |
0,68-3,06 |
|
Нитритный азот |
0,076-0,723 |
0,122-0,624 |
0,100-0,536 |
0,035-0,328 |
0,02-0,398 |
|
Нитратный азот |
1,46-10,8 |
0,99-9,24 |
1,60-11,1 |
0,18-2,28 |
0,22-1,68 |
|
Фосфор фосфатов |
0,192-3,13 |
0,231-1,48 |
0,195-0,795 |
0,116-0,541 |
0,089-0,941 |
Таблица 2
Число случаев высокого загрязнения воды р. Клязьма легкоокисляемыми органическими веществами (по БПК5), аммонийным и нитритным азотом, соединениями железа
|
Пункт |
Число случаев высокого загрязнения (ВЗ) |
|||||||||||||||
|
Годы |
||||||||||||||||
|
2005 |
2006 |
2007 |
2008 |
2009 |
2010 |
2011 |
2012 |
2013 |
2014 |
2015 |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
|
|
г. Щелково |
5 |
13 |
6 |
10 |
5 |
13 |
22 |
20 |
27 |
20 |
3 |
0 |
0 |
1 |
11 |
4 |
|
г. Павловский Посад |
2 |
8 |
2 |
2 |
7 |
9 |
12 |
14 |
18 |
1 |
- |
1 |
- |
3 |
1 |
|
|
г. Орехово-Зуево |
2 |
10 |
3 |
1 |
1 |
5 |
7 |
4 |
13 |
1 |
5 |
- |
1 |
1 |
2 |
1 |
|
г. Владимир |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
3 |
2 |
1 |
||||||||
|
г. Ковров |
2 |
2 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
||||||||
|
г. Галицы |
1 |
2 |
2 |
1 |
||||||||||||
Содержание соединений азота увеличивается в воде рек, протекающих по территории Московской области, где применялось значительное количество азотных удобрений, и в реках, дренирующих территории с преобладанием темно-серых лесных почв и черноземов, имеющих большие, чем дерново-подзолистые и серые лесные почвы, естественные запасы почвенного азота.
Влияние антропогенного фактора на качество воды р. Клязьма ниже г. Щелково проявлялось в увеличении числа случаев высокого загрязнения (ВЗ) отдельными загрязняющими веществами, которые достигали критического уровня загрязненности воды в большую часть рассматриваемого периода: аммонийным и нитритным азотом, легкоокисляемыми органическими веществами (по БПК5) на территории Московской области; нитритным азотом и соединениями железа – Владимирской области.
На участке реки выше г. Щелково было зарегистрировано по 1 случаю высокого загрязнения воды аммонийным азотом в 2006 и 2013 гг. Ниже г. Щелково вплоть до границы с Владимирской областью случаи ВЗ воды аммонийным и нитритным азотом фиксировали в большую часть многолетнего периода; легкоокисляемыми органическими веществами (по БПК5) в створе ниже г. Щелково – практически ежегодно за исключением 2016-2018 гг., у городов Павловский Посад и Орехово-Зуево – в 2005-2006, 2013-2014 гг. В результате увеличения объема загрязненных сточных вод ЗАО «Экоаэросталкер» возрастало число случаев ВЗ воды в 2013 и 2014 гг.: ниже г. Щелково до 27 и 20, ниже г. Павловский Посад до 14 и 18 соответственно. После реконструкции очистных сооружений снижение уровня загрязненности воды реки проявилось, начиная с 2015 г., в уменьшении числа случаев ВЗ (табл. 2). Случаи экстремально высокого уровня загрязненности воды аммонийным азотом были зафиксированы ниже г. Щелково в 2013 г.
На территории Владимирской области регистрировали единичные случаи ВЗ воды нитритным азотом, реже аммонийным, в отдельных случаях – соединениями железа, легкоокисляемыми органическими веществами (по БПК5) (табл. 2).
Неудовлетворительная работа Щелковских очистных сооружений сказывалась на увеличении уровня загрязненности воды в створе ниже сброса сточных вод по сравнению с фоновым (2,1 км выше г. Щелково) особенно в 2013 и 2014 гг., когда среднегодовые концентрации возросли: органических веществ (по БПК5) в 3 и 4 раза до 10,6 и 13,8 мг/л, по ХПК в 2 раза до 62,9 и 67,9 мг/л, азота аммонийного в 7 и 16 раз до 12,2-12,5 мг/л, нитритного в 5-7 раз до 0,270 и 0,165 мг/л, нитратного в 3-5 раз до 4,70 и 2,90 мг/л, фосфора фосфатов в 3 раза до 0,262 и 0,452 мг/л соответственно (рис. 1).
Рис. 1. Динамика среднегодовых концентраций в воде р. Клязьма в течение многолетнего периода: а) легкоокисляемых органических веществ (по БПК5), б) органических веществ (по ХПК), в) аммонийного азота, г) нитритного азота, д) нитратного азота, е) фосфора фосфатов
После проведения реконструкции очистных сооружений загрязненность воды аммонийным и нитритным азотом, легкоокисляемыми органическими веществами (по БПК5) в 2016-2017 гг. снизилась.
Диапазон межгодовых колебаний среднегодовых концентраций загрязняющих веществ в воде реки на территории Московской области, особенно в створе ниже г. Щелково, был существенным: от максимальных значений в 2013-2014 гг. до минимальных в 2015-2017 гг., особенно четко эти колебания проявлялись по аммонийному и нитритному азоту, легкоокисляемым органическим вещества (по БПК5) (рис. 1).
Изменение уровня загрязненности воды ниже г. Щелково в меньшую или большую сторону практически синхронно отражалось на уровне загрязненности воды у городов Павловский Посад и Орехово-Зуево.
Отличительной особенностью распределения органических и азотсодержащих веществ в воде по течению реки на территории Московской области в 2016-2018 гг. было превышение среднегодовых концентраций в створах ниже гг. Павловский Посад и Орехово-Зуево относительно створа ниже г. Щелково в результате неблагоприятного воздействия загрязненных сточных вод предприятий этих городов (рис. 1).
Наиболее высокая загрязненность воды фосфором фосфатов на участке реки ниже г. Щелково отмечалась в 2015, 2016 и 2019 гг., когда максимальные концентрации достигали 3,13, 1,18 и 1,97 мг/л, среднегодовые – 0,582, 0,522 и 0,771 мг/л.
Анализ распределения средних концентраций основных загрязняющих веществ в воде по течению реки показал, что диапазон межгодовых колебаний среднегодовых концентраций азотсодержащих и органических вещества (по БПК5 и ХПК), фосфора фосфатов на территории Владимирской области сужался, значения среднегодовых концентраций уменьшались.
Изменение среднегодовых концентраций в воде реки ниже п. Галицы относительно фонового для реки створа (выше г. Щелково) во временном аспекте характеризовалось разнонаправленным характером: аммонийного азота и легкоокисляемых органических веществ (по БПК5) – незначительным снижением в 2008-2014 гг. и возрастанием в последние 4-5 лет; нитритного азота – повышением в 2008-2014 гг. и снижением в 2015-2020 гг. В устье по сравнению с фоновым створом в большую часть многолетнего периода среднегодовое содержание органических веществ (по ХПК) незначительно возрастало, нитратного азота снижалось (рис. 1).
Среднемесячные многолетние концентрации аммонийного и нитритного азота, органических веществ (по БПК5 и ХПК) в воде на протяжении двадцатилетнего периода превышали допустимые значения в разные сезоны во всех створах, что являлось следствием поступления в реку загрязненных сточных вод и поверхностного стока. Содержание органических веществ (по ХПК) в воде реки на территории Московской области чаще повышалось до максимальных значений в зимний период и половодье; на территории Владимирской области четкие закономерности не выявлены ввиду недостаточности информации.
Среднемесячные многолетние концентрации легкоокисляемых органических веществ (по БПК5) в реке достигали максимальных значений ниже г. Щелково и г. Павловский Посад в зимнюю межень и половодье. Ниже по течению содержание легкоокисляемых органических веществ (по БПК5) повышалось ниже г. Владимир как в период паводка, так и в летнюю межень, у с. Галицы – в летнюю межень.
Сезонная динамика распределения нитритного азота в воде реки на территории Московской области изменялась от максимальных концентраций в половодье и в летнюю межень до минимальных в зимнюю межень. На территории Владимирской области максимальные концентрации чаще фиксировали в половодье (рис. 2).
При анализе среднемесячных многолетних концентраций аммонийного и нитратного азота в воде реки на территории Московской области выявлены нарушения природной внутригодовой изменчивости. Наиболее высокие концентрации аммонийного и нитратного азота на территории Московской области чаще встречались в летнюю межень; на территории Владимирской области – в зимнюю межень
В р. Клязьма в створе 0,1 км ниже г. Щелково выявлены тенденции увеличения концентраций в течение исследуемого периода для органических веществ (по БПК5 и ХПК), нитратного азота, слабо выраженные возрастающие тренды обнаружены для нитритного и аммонийного азота, фосфора фосфатов. В устье в 0,5 км ниже п. Галицы в многолетнем плане определена тенденция убывающей направленности для аммонийного, нитритного и нитратного азота, возрастающей – для органических веществ (по БПК5 и ХПК).
Рис. 2. Изменение среднемесячных многолетних концентраций в воде р. Клязьма: а) аммонийного азота, б) нитритного азота, в) нитратного азота
Согласно комплексным оценкам, изменение уровня загрязненности воды р. Клязьма в течение многолетнего периода проходило в основном в пределах 4-го класса качества, варьируя от «грязной» до «очень грязной».
Для участка реки выше г. Щелково характерна вода 4-го класса разряда «а» («грязная»). Под влиянием загрязненных сточных вод Щелковских очистных сооружений качество воды реки снижалось в большую часть многолетнего периода до «очень грязной»; в 2013-2014 гг. в результате увеличения объема загрязненных сточных вод ЗАО «Экоаэросталкер» – до «экстремально грязной». Проведенная реконструкция Щелковских очистных сооружений благоприятно отразилась на улучшении качества воды реки ниже г. Щелково до «грязной» в 2015-2018 гг. В последующие годы в результате снижения эффективности работы очистных сооружений загрязненность воды в створе ниже г. Щелково возросла до «экстремально грязной» в 2019 г. и «очень грязной» в 2020 г. Далее по течению реки ниже городов Павловский Посад и Орехово-Зуево в течение двадцатилетнего периода сохранялось неудовлетворительное качество воды, причем в фоновых створах вода стабильно оценивалась как «грязная»; в контрольных варьировала от «грязной» до «очень грязной», в 2017-2020 гг. стабильно соответствовала уровню «грязной». На территории Владимирской области (г. Владимир, г. Ковров, п. Галицы) вода реки в течение двадцатилетнего периода характеризовалась как «грязная».
Выводы
Проведенный анализ многолетней гидрохимической информации выявил, что водная экосистема р. Клязьма функционирует в условиях повышенной антропогенной нагрузки. Негативное воздействие загрязненных сточных вод Щелковских очистных сооружений ЗАО «Экоаэросталкер» проявлялось в повышении уровня загрязненности воды реки биогенными веществами до концентраций, в десятки раз превышающих ПДК, который сохранялся по всему течению реки на территории Московской области. На фоне накопления в воде реки аммонийного, нитритного и нитратного азота отмечалось нарушение природной внутригодовой изменчивости концентраций биогенных веществ.
После реконструкции Щелковских очистных сооружений уровень загрязненности воды реки ниже г. Щелково в 2016-2018 гг. аммонийным и нитритным азотом, легкоокисляемыми органическими веществами (по БПК5) уменьшился. С 2019 г. эффективность работы очистных сооружений снизилась, что отразилось на возрастании уровня загрязненности воды аммонийным и нитритным азотом по сравнению с 2016-2018 гг.
Результаты исследования могут быть использованы в дальнейшем при разработке эффективных природоохранных мероприятий, направленных на улучшение качества воды реки.