Любая городская система в определенный период времени характеризуется рядом специфических, присущих только ей проблем, которые возникают в результате антропогенного воздействия на природные компоненты урбоэкосистемы. Практически повсеместно на территории Российской Федерации чрезвычайно остро стоит вопрос неблагополучного экологического состояния городских водных объектов [1–3].
Рядом современных исследований указывается [4, 5], что усиление темпов негативного воздействия антропогенно-техногенного пресса на состояние водоемов обусловлено в первую очередь ростом промышленных предприятий и городского населения, а также увеличением доли водного и наземного транспорта. Действие данных объектов, имеющее хронический характер, обусловлено газо-пылевыми выбросами, частицы которых оседают на поверхность близлежащих водных объектов, сточными водами, нормативная чистота которых, так или иначе, привносит поллютанты, а также твердыми отходами, негативно действующими в виде опосредованного эффекта через почвы, грунты и грунтовые воды при их складировании и захоронении.
Водоемы в городской черте являются элементами экологической инфраструктуры, они определяют рекреационные свойства городов и формируют ландшафтный облик урбанизированной территории, при этом за счет водных объектов происходит сток поверхностных и дренажных вод в них как в резервуары для очищения и накопления [6–8]. Как правило, городские водные объекты не используют в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а ценность водоемов на урбанизированной местности заключается в возможности использования их в качестве объектов рекреации (культурно-бытовое водопользование). Также нужно отметить, что экологическое состояние водоемов характеризует социально-экономическую и эстетическую привлекательность городских территорий, без которой не может обойтись ни одна современная городская застройка.
В условиях современной активной урбанизации происходит усиление техногенного воздействия на водные объекты, которое наиболее ярко проявляется на тех водоемах, которые расположены в центре урбанизированной территории (экологические центры каркаса города) [9]. В такие водные объекты стоками с городской местности привносятся загрязняющие вещества, которые ухудшают качество природных вод, нарушают гомеостаз водных экосистем и, как следствие, снижают их способность к самоочищению и самовосстановлению. В свою очередь, зачастую это приводит к усилению процессов эвтрофикации водоемов, их заболачиванию и комплексному нарушению местных биоценозов [10, 11].
В современной урбоэкологии для реализации целей сохранения и оптимизации экологических и социально значимых функций городских водоемов указывается на необходимость комплексного внедрения эффективной инженерно-экологической системы управления урбанизированными водными объектами [12–14]. В свою очередь, проведение мониторинговых исследований по оценке экологического состояния таковых водоемов является одной из первоочередных задач при выявлении их общего состояния.
Цель работы заключалась в оценке экологического состояния антропогенно измененного водоема – Мухинского озера, размещенного в условиях городской среды г. Бор Нижегородской области по содержанию нефтепродуктов и тяжелых металлов как по приоритетным экологическим показателям антропогенеза.
Материалы и методы исследования
Исследования осуществлялись на городском водном объекте г.о. г. Бор Нижегородской области, который был реконструирован в ходе проведения благоустройства территории. Ранее озеро Мухинское представляло собой естественный природный водоем со сложившимися трофическими связями и энергетическими потоками, однако в результате осуществленных технических работ данный исторический памятник центральной части г. Бор превратился в полуискусственную техногенную систему.
В соответствии с проектом «Формирование комфортной городской среды» весной 2018 г. озеро углубили с помощью земснаряда, очистили и сформировали береговую линию. В ходе работ были нарушены подводные ключи, питавшие озеро, в результате чего вода стала постепенно убывать за счет испарения, а озеро пересыхать. Без проведения гидрогеологических исследований чашу озера перенесли на 10 м ближе к зданию местного рынка с целью создания центрального объекта вновь формируемой территории рекреации. Прежнее ложе водного объекта было засыпано песком и щебнем – на первом этапе благоустройства, таким образом, был сформирован искусственный водоем.
В соответствии с генпланом общая площадь водного зеркала искусственной системы составляет 1560 м2, глубина водоема 73,5 м. Береговая линия водного объекта укреплена шпунтовой стенкой, пешеходные дорожки вокруг озера выполнены из пластиковой террасной доски. Чаша озера размещена таким образом, что все рядом мигрирующие городские стоки несут свои воды непосредственно в водный объект.
В весенний период 2019 г. искусственно сформированная система пересохла, и вода из озера полностью ушла. За первые два месяца лета 2019 г. чашу водоема многократно наполняли водопроводной водой, подпитывая его искусственно, однако вода в озере не задерживалась. В июле 2019 г. были осуществлены работы по изоляции дна с помощью геомембраны, поверх изоляционного материала уложен слой песка, чаша вновь заполнена водой, сформирована искусственная система подпитки озера. Результатом выполненных работ явился интенсивно протекающий процесс эвтрофизации водоема, после чего была предпринята попытка удалить все поверхностные цветущие водоросли из водной среды механическим путем, а затем в осенний период вода вновь была химически обработана.
Для проведения экологического анализа Мухинского озера в середине марта 2020 г. проводили отбор проб воды из четырех точек, расположенных равномерно по диаметру озера, непосредственно после схода снежного покрова и льда с водного зеркала исследуемого объекта (рис. 1).
Рис. 1. Территория г. Бор с полуприродным комплексом «Мухинское озеро»
Анализ показателей качества воды производился на базе Эколого-аналитической лаборатории мониторинга и защиты окружающей среды при НГПУ им. К. Минина; аналитическая повторность – трехкратная. Оценка экологического состояния воды Мухинского озера проводилась по наиболее приоритетным показателям, отражающим наличие и интенсивность техногенного воздействия на водоемы [15]. В пробах воды определяли содержание наиболее распространенных тяжелых металлов в общей (суммарной) форме – цинка, кадмия, свинца и меди, а также суммарное содержание нефтепродуктов.
Анализ воды по определению концентрации тяжелых металлов проводили инверсионно-вольтамперометрическим методом на анализаторе TA-Lab по ПНД Ф 14.1:2:4.222-06 «Методика измерений массовой концентрации цинка, кадмия, свинца и меди в водах питьевых, природных и сточных методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА»; определение содержания нефтепродуктов проводили флуориметрическим способом на анализаторе ФЛЮОРАТ 02-4М по ПНД Ф 14.1:2:4.128-98 «Методика измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природных (включая морские), питьевых и сточных вод флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02»».
Результаты исследования и их обсуждение
В результате проведенного анализа было установлено, что в целом воды Мухинского водоема характеризовались наличием определенного количества тяжелых металлов, в частности цинка и кадмия (рис. 2).
Содержание цинка оказалось наименьшим в точке 3, а наибольшим из всех определенных – в точке 2, превышающим минимальное значение в 77,1 раза. Несколько иная, гораздо менее похожая по вариабельности картина сложилась по концентрации кадмия: его минимальное количество оказалось в точке 1, а максимальное – в точке 4, увеличенное относительно первой точки отбора в 3,9 раза. Достаточно высокий уровень вариации уровня концентрации тяжелых металлов в воде, по-видимому, был обусловлен отсутствием проточности водоема, а также микрозональным загрязнением. Превышенных относительно допустимых концентраций значений содержания цинка и кадмия в исследуемых водах установлено не было.
Рис. 2. Суммарное содержание соединений цинка и кадмия в водах антропогенно измененного водоема «Мухинское озеро» (2020 г.)
Рис. 3. Суммарное содержание соединений свинца и меди в водах антропогенно измененного водоема «Мухинское озеро» (2020 г.)
Рис. 4. Суммарное содержание нефтепродуктов в водах антропогенно измененного водоема «Мухинское озеро» (2020 г.)
Содержание в водах озера свинца и меди, представленное на рис. 3, также имело заметный уровень колебания в зависимости от точки отбора пробы. Например, наибольшая концентрация свинца была выявлена также в точке 2, а наименьшая – в точке 4; при этом в точке 2 уровень содержания металла превышал минимальное значение в 6 раз. Чего нельзя сказать про содержание меди в водах Мухинского озера. Здесь вариабельность между наибольшим и наименьшим значением достигала 18,7 раза между показателями 0,137011 мг/л и 2,570014 мг/л.
Очевидно, что, несмотря на столь несущественные размеры водоема, уровень токсичности его вод может быть различным, что оказалось продиктовано значительным разбросом уровня показателей содержания тяжелых металлов в диаметре водного объекта. Также необходимо отметить, что по накоплению в воде меди было установлено превышение относительно ПДК в 2,6 раза.
Относительно накопления нефтепродуктов в водах озера, показанного на рис. 4, необходимо отметить, что их суммарное содержание в целом было достаточно повышенным и по точкам отбора 1 и 4 превышало установленные нормы соответственно в 1,14 и 1,02 раза.
Однако между точками отбора заметной разницы в показателе не обнаружилось – кратность повышения в содержании нефтепродуктов в водах достигала лишь 1,3 раза. Данные статистической обработки показателей, представленные в таблице, свидетельствуют об уровне значимости их вариации при p < 0,05.
Данные вариационного анализа показателей содержания тяжелых металлов и нефтепродуктов в природно-техногенном водоеме «Мухинское озеро» (Нижегородская область, 2020 г.)
|
Показатель |
Минимальное значение (Min) |
Максимальное значение (Max) |
Среднее значение (M) |
Ошибка среднего значения (m) |
Коэффициент вариации (V, %) |
ПДК* |
|
Zn (суммарно) |
0,000041 |
0,003162 |
0,001411 |
0,00072 |
102 |
1,0 |
|
Cd (суммарно) |
0,000198 |
0,000782 |
0,000428 |
0,00014 |
66 |
0,001 |
|
Pb (суммарно) |
0,001034 |
0,006213 |
0,003599 |
0,00147 |
82 |
0,01 |
|
Cu (суммарно) |
0,137011 |
2,570014 |
0,829636 |
0,58538 |
141 |
1,0 |
|
Нефтепродукты |
0,260 |
0,343 |
0,306 |
0,018 |
12 |
0,3 |
Примечание. ПДК – 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».
Из таблицы следует, что очень существенной вариабельностью характеризовалось содержание в водах озера цинка и меди (более 100 %), значительной вариабельностью – содержание кадмия и свинца (60–80 %) и несущественной – суммарное содержание нефтепродуктов (менее 20 %). Полученный разброс данных свидетельствует об антропогенном микрозональном загрязнении водоема, а также о факте его техногенного преобразования.
Заключение
В результате экологического анализа природно-техногенного водоема, находящегося в культурной зоне «Мухинское озеро» г. Бор Нижегородской области, было установлено наличие цинка, кадмия, свинца и меди, а также содержание нефтепродуктов в повышенных концентрациях, по некоторым из которых были установлены превышения относительно санитарно-экологических норм. Значительная вариация концентрации поллютантов в водах озера свидетельствует о возможном микрозональном загрязнении по диаметру водоема, а также о его полуприродном генезисе. В целях улучшения экологического состояния рассматриваемого водного объекта необходимо активное внедрение инженерно-технических решений по реабилитации и самовосстановлению озера, к которым можно отнести: разбавление водоема и изменение скорости водообмена, удаление донных отложений, контроль насосоудерживающей способности озера и его зарастания макрофитами, использование сорбентов, коагулянтов и флокулянтов, биоманипуляция и использование биопрепаратов, а также балансировка кислотности воды. Подобные меры будут способствовать приведению озера к экологически оптимальному состоянию при условии прекращения неблагополучного техногенного воздействия.