Применение методики комплексного учета особенностей гидрохимической информации при оценке стока биогенных веществ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

r^-o

о

3

ю О

УДК 504.064.2 ББК 26.222

Е.С. Урусова

применение методики комплексного учета особенностей гидрохимической информации при оценке стока биогеных веществ*

Целью исследования является анализ результатов применения комплексной методики учета особенностей гидрохимической информации при оценке стока биогенных веществ для реки Луга. В основе расчета годовых объемов стока лежат значения среднегодовых концентраций азота аммонийного, азота нитритного, азота нитратного и фосфора минерального, рассчитанные с применением комплексной методики одновременного учета водности и неэквидистентности, предложенной в исследовании О. Нассера. Кроме того, на стадии предварительного исследования выборок значений концентраций из исходных рядов наблюдений были исключены выбросы. В работе приводится сравнение результатов оценок среднегодовой концентрации и объемов стока, полученных как без у чета, так и с учетом основных особенностей гидрохимических данных. Показано, что применение комплексной методики расчета среднегодовой концентрации приводит к снижению значений в сравнении с расчетами общепринятым методом. Наибольшие поступление биогенных веществ отмечено с городских территорий, а не с межгородских. Наибольший вклад в загрязнение реки Луга биогенными веществами вносит город Кингисепп.

Ключевые слова:

водность, комплексная методика расчета среднегодовой концентрации, неэквидистен-тность, объем стока биогенных элементов, особенности гидрохимической информации, река Луга.

Урусова Е.С. Применение методики комплексного учета особенностей гидрохимической информации при оценке стока биогеных веществ // Общество. Среда. Развитие. - 2017, № 1. - С. 88-92.

© Урусова Елена Сергеевна - кандидат географических наук, доцент, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург; e-mail: [email protected]

Водные объекты в экономически раз- сточные воды населенных пунктов. Кроме

витых районах подвергаются значитель- того, интенсификация сельского хозяйс-

ной антропогенной нагрузке из-за орга- тва и широкое применение минеральных

низованного и рассеянного сброса сброса удобрений вызывает загрязнение водоемов

сточных вод. Несмотря на наметившуюся соединениями азота и фосфора [2, с. 165]. в последние годы положительную тенден- В связи с этим достоверная оценка

цию уменьшения антропогенной нагрузки стока биогенных веществ в реках являет-

на водные объекты, адекватного улучше- ся актуальной проблемой. Без подобной

ния качества поверхностных вод не проис- оценки невозможно представить анализ

ходит. К таким развитым районам можно современного состояния реки и отдельных

отнести Северо-Западный Федеральный частей ее водосбора, проводить водоох-

округ и, в частности, Ленинградскую и ранные и водохозяйственные мероприя-

Псковскую области. При этом большинс- тия. Основой для подобных оценок чаще

тво водных объектов Северо-Западного всего выступает значение среднегодовой

Федерального Округа относится к классу концентрации конкретного загрязняю-

«загрязнённых» [6, с. 1]. щего вещества в пункте наблюдения. Так,

Среди всех загрязняющих веществ осо- среднегодовая концентрация лежит в

бое место занимают биогенные вещества. основе расчета УКИЗВ, объема стока ве-

Это связано с тем, что биогенное загряз- ществ и модуля стока. Исследованию мето-

нение приводит к усиленному развитию дик оценки среднегодовых концентраций

фитопланктона, прибрежных зарослей и растворенных в воде веществ посвящены

водорослей. В результате вода становится работы В.А. Шелутко, Е.В. Колесниковой,

непригодной не только для питья, но и для Е.С. Смыжовой, О.М.О. Нассера. В част-

купания [2, с. 166]. Одним из основных ис- ности, Нассером была предложена комп-

точников загрязнения рек биогенными ве- лексная методика учета особенностей гид-

ществами являются коммунально-бытовые рохимической информации при оценке

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №№16-35-00382 мол_а.

среднегодовых значении концентрации. Именно эта методика положена в основу данного исследования. Данная работа является продолжением его работ с целью применения методики на других реках Северо-Запада, в частности, приведены результаты, полученные для реки Луга. Выбор объекта исследования обусловлен, во-первых, высокои антропогеннои на-грузкои на водосбор реки, и, во-вторых, тем, что река Луга впадает в Финский залив БалтиИского моря и способна оказывать влияние на его загрязненность биогенными веществами.

Целью исследования является анализ результатов применения комплекснои методики учета особенностей гидрохимической информации при оценке стока биогенных веществ для реки Луга.

Материалы и методы

Объектом исследования является река Луга. В качестве исходных данных в работе использованы ряды наблюдений за концентрациями азота нитратного, азота нитритного, азота аммонийного и фосфора минерального в двух пунктах наблюдения: г. Луга (3 створа) и г. Кингисепп (2 створа) за период с 2006 по 2011 годы. Данные предоставлены Северо-Западным УГМС.

Для оценки объемов стока исследуемых элементов по длине реки Луга, был рассчитан объём стока по формуле [4, с. 93]:

Wi = Qi * Si , [тонн/год] , (1)

где Qi - расход воды за ьй год, м3/год;

Si - среднегодовая концентрация за >й год, тонн/м3.

Для анализа приращения объемов стока рассматриваемых веществ и показателей между конкретными речными створами использовалась формула:

ДW = Wн - Wв , (2)

где Wн - объем стока в створе, расположенном ниже по течению реки, Wв - объем стока в створе, расположенном выше по течению реки [4, с. 93].

Как видно из (1), в основе расчета объема стока лежит значение среднегодовой концентрации. Несмотря на кажущуюся простоту оценки среднегодового значения, именно адекватная оценка среднегодовой концентрации содержащихся в воде веществ может стать нетривиальной задачей. Особенность оценки среднегодовой концентрации связана с некоторыми особенностями исходных рядов гидрохимической информации: неэквидистент-ности данных, зависимости концентра-

ции от расхода води и наличия в рядах наблюдений выбросов. В настоящее время разработан ряд подходов к оценке среднегодовой концентрации, в той или иной мере учитывающих эти особенности или не учитывающий их [4, с. 74].

Так, общепринятым методом оценки среднегодового значений концентрации является простое математическое осреднение всех измеренных за год значений. Но данный метод не учитывает ни одну из особенностей рядов данных.

Наличие в рядах выбросов наблюдений способствует завышению среднегодовых значений концентраций. В настоящее время найдены достаточно эффективные способы оценки выбросов в исходных рядах наблюдений с целью их последующего исключения [8, с. 339; 3 с. 58-67].

В работе Е.В. Колесниковой [3, с. 3-6], было показано, что метод, основанный на учёте водности реки, является физически обоснованным и, следовательно, расчёты этим методом дают оптимальные результаты. Было показано также, что при расчёте среднегодовой концентрации как среднего арифметического значения принимается, что расходы воды в течение года на рассматриваемом объекте являются постоянными, что не является таковым [4, с. 76].

Также в диссертационной работе Е.С. Смыжовой была разработана и апробирована отдельная методика учета неэк-видистентности исходных рядов гидрохимических наблюдений. В результате был получен алгоритм последовательности вычислений для оценки среднегодовой концентрации. Было показано, что погрешности за счёт неучёта неэквидистентности в отдельные годы могут достигать 100 % и более [4 с. 87-101; 5, с. 77].

Методики учета водности и неэквидис-тентности долгое время существовали параллельно. Однако наилучшего результата по учету особенностей гидрохимической информации можно добиться за счет объединения этих методик в один алгоритм расчета. В рамках диссертационного исследования О.М.О. Нассера была предложена комплексная методика оценки среднегодовых концентраций, учитывающая одновременно неэквидистентность исходной информации и водность в период отбора пробы воды [4, с. 79].

Блок-схема последовательности вычислений для стыковки этих двух алгоритмов представлена на рис. 1. В первом блоке путем интерполяции между последними измерениями концентраций и расходов воды предшествующего года и первым из-

о

I4-

5

а

о

ЧО

О

мерением рассматриваемого года по формуле (3) находятся значения концентраций S101 и расходов воды Q101 на 1 января рассматриваемого года:

, = х +(х7 - х )/(Л -й

пп у 1п пп' у 1п пп п

(3)

где х101 - значение концентрации S101 или расхода воды Q101 1-го января рассматриваемого года, хпп - последнее измеренное значение концентрации или расхода воды в предшествующий год, х1п - первое измеренное значение концентрации или расходов воды в рассматриваемом году; d1n - число дней от начала предшествующего года до последнего измеренного значения концентрации или расходов воды в этом году, dnn - число дней от начала предшествующего года до первого измеренного значения концентрации или расхода воды в рассматриваемом году.

Во втором блоке на каждую дату измерений, включая найденные в первом блоке значения концентраций С и расходов воды Q на 1.01 и 31.12 , находятся произведения C*Q.

В третьем блоке находятся средние значения расходов воды Qс и произведений концентраций на расход воды - (C*Q)с между смежными датами измерений. Рассчитывается отношение (C*Q)с .

В четвертом блоке рассчитывается число дней между смежными датами измерений At.

В пятом блоке находится произведение (C*Q)с на число дней в интервале между смежными измерениями, и произведение делится на 365 - С. :

С,,„ =

(С • 6),

^ .М/

6

365

(5)

Рис. 1. Блок-схема последовательности вычислений при оценке среднегодовых значений концентраций по комплексной методике учета особенностей гидрохимической информации [4, с. 79].

Аналогично путем интерполяции находятся значения этих величин на 31 декабря рассматриваемого года.

"31.12 = Хр +Кр - х1п№пр ^щПЗб^пр) (4)

Здесь х31 - значение концентрации ^ 12 или расхода воды Q31 12 31-го декабря рассматриваемого года, хп - последнее измеренное значение концентрации или расхода воды в рассматриваемый год, х1п первое измеренное значение концентрации или расхода воды в последующий год, dnр - дата в днях от начала рассматриваемого года до последнего измеренного значения концентрации или расходов воды в этом году, d1n - число дней от начала рассматриваемого года до первого измеренного значения концентрации или расхода воды в последующем году.

Сумма полученных С.с является средней годовой концентрацией в данном году.

Так как значения среднегодовой концентрации содержащихся в воде веществ являются основой для дальнейших оценок и расчетов, в частности для оценки объема стока веществ, то соответственно выбор методики оценки среднегодовой концентрации может существенно сказаться на конечном результате [4, с. 77-82].

Результаты и выводы

В ходе исследования была произведена оценка объемов стока биогенных веществ по длине реки Луга на основе среднегодовых концентраций, полученных без использования и с использованием комплексной методики учета особенностей гидрохимической информации О.М.О. Нассера.

На первом этапе из исходных рядов наблюдений были исключены выбросы. Для оценки выбросов в исходных рядах наблюдения был применен визуальный анализ эмпирических кривых обеспеченности и критерий Диксона. В результате из рассматриваемых рядов наблюдений больше всего выбросов зафиксировано в ряду фосфора минерального (6 значений). В рядах концентраций азота аммонийного и азота нитритного выявлено по 3 выброса, а в ряду концентраций азота нитратного выбросов выявлено не было. Если анализировать наличие выбросов по створам наблюдений, то больше всего выбросов зафиксировано в г. Луга (створ № 2) 5 выбросов. По одному выбросу зафиксировано в створах №№ 1 и 2 г. Кингисепп. Все выявленные значения выбросов были исключены из расчетов среднегодовой концентрации для получения более достоверных результатов [6 с. 212;8, с. 339].

Следующим этапом исследования была оценка среднегодовых концентраций исследуемых веществ как среднеарифметических значений и с применением комплексной методики учета особенностей гидрохимической информации, представленной в работе Нассера. Погрешность расчетов за счет неучета особенностей исходных данных рассчитывается по формулам:

Д. = С . - С . , (6)

1 аг внэг ' 4 '

8,. =( -А- | х 100%, (7)

V CВНЭi )

где Д1 - погрешность расчетов за счет неучета особенностей исходных рядов наблюдений, Са1 - значения средней годовой концентрации, полученные как среднеарифметическое, Свнэ1 - значения средней годовой концентрации, полученные с применением комплексной методики, 1 - порядковый номер года.

На рис. 2 в качестве примера представлены среднегодовые концентрации азота аммонийного в пункте г. Луга (створ 1), а на рис. 3 - значения концентраций фосфора минерального в пункте г. Кингисепп (створ 1). Здесь Са - среднегодовая концентрация, рассчитанная как среднеарифметическое, Свнэ - среднегодовая концентрация, рассчитанная по комплексной методике с учетом водности и неэквидис-тентности.

Свнэ

2005 2006 2007 2008 2009 2010 201 [

Рис. 2. Среднегодовые значения концентраций азота аммонийного, рассчитанные с учетом и без учета особенностей гидрохимической информации.

Из рисунков видно, что применение комплексной методики учета особенностей гидрохимической информации в большинстве случаев приводит к снижению значений среднегодовых концентраций. Так, анализ погрешностей за счет неучета особенностей гидрохимической информации показал, что положительные погреш-

ности преобладают. При этом важно отметить, что общая тенденция изменения значений часто совпадает. В табл. 1 представлены средние многолетние значения погрешностей за счет неучета особенностей гидрохимической информации.

С. мг/л

Рис. 3. Среднегодовые значения концентраций фосфора минерального, рассчитанные с учетом и без учета особенностей гидрохимической информации.

Таблица 1

Средние многолетние значения погрешностей [%] оценки среднегодовой концентрации за счет неучета особенностей

ин( ормации

Кингисепп 1 Кингисепп 2 Луга 1

азот аммонийный 74 11 81

азот нитратный 50 18 35

азот нитритный 59 12 46

фосфор минеральный 114 15 1436

Из представленных данных видно, что наибольшие значения погрешностей характерны для рядов фосфора минерального. Если говорить о створах наблюдения, то наименьшие погрешности отмечаются в створе г. Кингисепп № 2. Применение комплексной методики оценки среднегодовых концентраций для реки Великая показала схожие результаты [4, с. 92].

По формулам (1) и (2) были рассчитаны среднегодовые объемы стока и приращения объемов стока между пунктами наблюдений. В расчетах были использованы среднегодовые концентрации, полученные по двум методам: как среднеарифметическое значение, так и с применением комплексной методики учета особенностей гидрохимической информации.

В табл. 2 представлены значения приращений объемов стока азота аммонийного.

о О

г^-о

о.

са о О

3

ю О

Таблица 2

Приращение среднегодовых объемов стока аммонийного азота с учетом и без учета водности и неэквидистентности гидрохимической информации

Год ДW Луга -Толмачево ДW Толмачево -Кингисепп створ № 1 ДW Кингисепп створ № 1 - Кингисепп створ № 2

по Са по Свнэ по Са по Свнэ по Са по Свнэ

2006 69 51 180 147 22 28

2007 152 101 42 16 227 231

2008 747 739 -604 -698 1483 997

2009 -79 -76 -67 -44 3067 2927

2010 -137 -128 -935 -1236 232 360

2011 -955 -610 432 141

Из представленных данных видно, что рассчитанные значения объемов стока на основе среднегодовых концентраций, полученных по общепринят-ой методике и по комплексной методике, очень различаются, в некоторых случаях - существенно, например, видно, что приращение между верхним и нижним створом города Кингисепп в 2008 году составило 1483 тонны/год при оценке среднегодовой концентрации по общепринятой методике и 997 тонны/ год по комплексной методике. Изменение объема стока для азота аммонийного между створом в поселке Толмачево и верхним створом в городе Кингисепп составляло в 2010 году -935 и -1236 тонн/год, а в 2011 году 432 и 141 тонн/год при оценке среднегодовых значений концентраций по общепри-

Список литературы:

[1]

нятой методике и с учетом особенностей гидрохимической информации.

Анализ пространственно-временной динамики объемов стока биогенных веществ показал, что для азота аммонийного и азота нитритного наибольшее приращение объемов стока характерно для городских территорий. Здесь наибольший вклад вносит город Кингисепп. Приращение объемов стока между городами менее существенно. При этом для азота аммонийного характерно некоторое снижение приращений объемов стока на межгородских территориях, а для азота нитритного, наоборот, увеличение приращений. Для азота нитратного не выявлена преобладающая территория поступления и временная динамика. Для фосфора минерального отмечается постепенное увеличение значений объема стока от истока к устью, что согласуется с проведенными ранее исследованиями [1, с. 171; 7, с. 210]. В целом, наибольший вклад в поступление различных форм азота и железа вносит город Кингисепп.

В результате выполнения исследования были получены основные выводы:

При оценке среднегодовых значений концентраций необходимо учитывать основные особенности гидрохимических рядов наблюдений.

Применение комплексной методики одновременного учета водности и неэк-видистентности приводит к снижению значений среднегодовых концентраций и объемов стока.

Наибольший вклад в загрязнение реки Луга биогенными веществами вносит город Кингисепп.

Бехтольд Р.И. Закономерности формирования стока биогенных веществ с рекой Лугой. // Евразийский союз ученых (ЕСУ). - 2015, № 5(14). - С. 170-171.

[2] Калинин В.М., Ларин С.И., Романова И.М. Малые реки в условиях антропогенного воздействия (на примере восточного Зауралья). - Тюмень.: Издательство ТГУ, 1998. - 220 с.

[3] Колесникова Е.В. Развитие теории и методов оценки загрязнения речных вод / Автореф. дисс. ... канд. геогр. наук. - СПб., 2008. - 25 с.

[4] Нассер О.М.О. Комплексная оценка поступления биогенных веществ с водосбора по длине реки Великая / Дисс. ... канд. геогр. наук. - СПб., 2014. - 164 с.

[5] Смыжова Е.С. Оценка стока биогенных веществ с учетом особенностей гидрохимической информации (на примере реки Великой) / Дисс. ... канд. геогр. наук. - СПб., 2010. - 153 с.

[6] Фролов А.В. «Состояние и тенденции изменения качества вод в Российской Федерации». Доклад. 2013 г. // Сайт ФГБУ «Северо-Западное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды». - Интернет-ресурс. Режим доступа: http://www.meteo.nw.ru/articles/index.php?id=7l7

[7] Шелутко В.А., Мулява А.В. Влияние учета особенностей гидрохимической информации на результаты расчета стока биогенных веществ по р. Луга // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. - 2015, № 40. - С. 203-213.

[8] Шелутко В.А., Урусова Е.С. Методические основы учета особенностей геоэкологической информации при оценке пространственно-временной динамики загрязненности речных вод. // Материалы Научной конференции с международным участием «Современные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод». Часть 2. - Ростов-на-Дону: ФГБУ ГХИ, 2015. - С. 337-339.