Пространственно-временная оценка качества поверхностной воды в муниципальных водоемах г. Тюмени

В настоящее время администрацией г. Тюмени три раза в год проводится оценка степени загрязнения водоемов на основе значений по БПК₅, пороги между классами заданы в определенных интервалах (табл. 3). Полученные результаты позволяют каждый раз дифференцировать муниципальные водоемы по окисляемости как характеристике, отражающей общее содержание в воде химических веществ, преимущественно органических. В отдельные периоды определенных лет выделяются объекты, которые относятся к классу чистых. Например, в сентябре 2018 г. в пруду «Южный» значение по показателю биохимического потребления кислорода составило 0.93 мгО/дм³ (погрешность 0.13), что позволило исполнителям по муниципальному контракту отнести его к классу очень чистых водоемов (наилучшее значение в 2018 г. по данному показателю). Но при выборе за весь период наихудшего значения (табл. 3) у данного водоема были зафиксированы значения, которые позволяют относить водоем к грязным вследствие четырехкратного превышения показателя 2018 г. в июле 2021 г. -- 4.27 мгО/дм³. Таким образом, даже в рамках одного показателя на ограниченном временном отрезке отмечается высокая дифференциация значений, что подчеркивает необходимость систематизации и учета сведений в существенном временном диапазоне при диверсифицированном подходе рассматриваемых загрязнителей.

Таблица 3. Степень загрязнения водоемов в зависимости от величины БПК₅

Примечание. Б -- пруд «Березовый»; В -- пруд «Войновский»; И -- обводненный карьер «Ивовый»; К -- обводненный карьер «Ключевской»; М -- обводненный карьер «Майский»; Мс -- пруд «Мысовской»; Н -- пруд «На Дамбовской»; П -- пруд «Плехановский»; С -- обводненный карьер «Садовый»; Св -- обводненный карьер «Северный»; СК -- обводненный карьер «Серебряные ключи»; Ст -- пруд «Студенческий»; У -- обводненный карьер «Утиный»; Ч -- обводненный карьер «Чистый»; Ш -- обводненный карьер «Школьный»; Ю -- пруд «Южный».

Полученные результаты комплексной группировки муниципальных водоемов приведены в табл. 4. Во всех 16 муниципальных прудах и обводненных карьерах за время наблюдений зафиксировано неоднократное превышение предельно допустимых концентраций по нескольким показателям, поэтому ни один из объектов не попал в группу условно-безопасных водоемов. Наихудшая ситуация с качеством воды зафиксирована в обводненном карьере «Майский», в котором было превышение по всем рассматриваемым показателям. Следует отметить, что здесь не было зафиксировано превышение в моменте по всем показателям, оно было отмечено хотя бы раз за весь период наблюдений (табл. 5). Наиболее представленной оказалась группа высокоопасных водоемов. В нее вошли 12 муниципальных объектов, так как для них было характерно превышение по БПК₅, ХПК, Fe₀6₄ и Zn. Наименее представленной оказалась группа водоемов фоновой концентрации загрязнителей -- обводненный карьер «Ивовый».

Результаты схожих исследований в других регионах РФ, в Латинской Америке и Евразии показали аналогичную дифференциацию муниципальных водоемов с поправкой на особенности географической среды. В практической части исследований авторы рекомендовали ориентироваться на управление «непосредственно объектами природной среды» (Родионов и др., 2019; Wijava et al., 2013), что существенно увеличивает эффективность использования затрачиваемых муниципальных ресурсов (Fidelis and Rodrigues, 2019).

Таблица 4. Группы муниципальных водоемов г. Тюмени по качеству поверхностной воды (по результатам экологического мониторинга 2018-2021 гг.)

В работе (Ratie et al., 2019) отмечена закономерность приуроченности Fe (III) к поверхности берега реки. И так как металлы, связанные с оксигидроксидами Fe и органическим веществом, аккумулируются на береговой поверхности, то оксигидроксиды Fe выступают сезонными поглотителями металлов.

Данная закономерность может быть использована для объяснения повышенной концентрации исследуемых загрязнителей в водоемах четвертой группы, расположенных в пойме р. Туры.

Выявленная авторами исследования на примере Джамгаровского пруда Москвы (Роева и др., 2007) активизация процессов десорбции тяжелых металлов из донных отложений также фиксируется в водоемах Тюмени, что целесообразно закладывать при оценках результатов городского экомониторинга.

В отличие от речных систем, обеспечивающих за счет проточности процесс очищения (Джамалов и др., 2021), пруды и обводненные карьеры характеризуются низким потенциалом самоочищения. Существующие механизмы очистки прудов основаны на проведении комплекса мероприятий, эффект от внедрения которых возникает со временем (Робертус и др., 2021).

Дифференциация авторами на семь групп водоемов в Мурманске (Даувальтер и др., 2021; Bazova, 2017; Dauvalter, 2020), на восемь групп в Москве (Власов и др., 2019) была проведена с учетом выявления первоисточников.

Корректность выполненной дифференциации косвенно подтверждается исследованиями в соседней Финляндии (Verta et al., 1989). Влияние автотранспорта, который и для Тюмени является превалирующим источником загрязнения, рассмотрено исследователями в Норвегии (Andersson and Eggen, 2015), Бразилии (Friese et al., 2010).

С учетом выполненной группировки водоемов г. Тюмени целесообразно рассмотреть каждую из групп в отдельности для выработки прикладных задач.

В пятую группу включены чрезвычайно опасные деградированные водоемы. Отличительной характеристикой данной группы является наличие превышений значения ПДК по всем рассматриваемым показателям. По сравнению с другими водоемами только у объекта данной группы было зафиксировано превышение ПДК в воде по сухому остатку (или минерализация вод). Пороговое значение --1500 мг/дм³.

Рис. 2. Динамика значений минерализации у обводненного карьера «Чистый»

При данном показателе вода обводненного карьера «Майский» относится к солоноватой, олигогалобной зоне галобности.

Соответственно, здесь мы имеем дело с качественной трансформацией природного объекта.

Несмотря на то что в данную группу попал только один объект, организацию водопользования на этом обводненном карьере целесообразно отнести к приоритетным видам деятельности местных властей.

Во-первых, на современном этапе городского благоустройства обводненный карьер рассматривается как элемент селитебной восточной активно застраиваемой части города, что может усилить антропогенный пресс со стороны местных жителей, а также повысить риск для здоровья горожан, игнорирующих ограничения на запрет купания.

Во-вторых, динамика повышения минерализации также отмечена у обводненного карьера «Чистый». В 2021 г. его характеристики оказались близки для включения в группу чрезвычайно опасных деградированных водоемов (рис. 2) (за весь период наблюдения только однажды значение минерализации было ниже 1000 мг/дм³, по всем остальным показателям также были отмечены превышения значений ПДК в воде).

Четвертую группу составляют чрезвычайно опасные водоемы. В составе группы пруд «На Дамбовской», расположенный в непосредственной близости от ТЭЦ-1, и обводненный карьер «Чистый».

Отличительной характеристикой данной группы является наличие превышений значений ПДК в воде по Na и хлорид-аниону. При этом превышение значения ПДК в воде по концентрации обозначенных веществ существенно отличается для двух объектов.

У пруда «На Дамбовской» превышение было зафиксировано один раз за историю наблюдений (см. табл. 5): в один отбор проб в октябре 2019 г. и по Na, и по хлорид-иону.

Таблица 5.

Наличие превышений предельно допустимых концентраций для рассматриваемых показателей поверхностной воды в муниципальных водоемах (по результатам экологического мониторинга 2018-2021 гг.)

Примечание. Используемые в таблице сокращения пояснены в примечании к табл. 3.

Интересно, что в этот же отбор проб не было зафиксировано превышения у второго объекта данной группы -- обводненного карьера «Чистый», хотя в остальное время наблюдений превышения отмечались.

Возможно, имела место путаница с местом отбора проб со стороны исполнителя, что на сегодняшний день невозможно проверить.

Но, исходя из презумпции экологической опасности, мы включаем объект в данную группу.

Обводненный карьер «Чистый» отличается значительным загрязнением, близким к полной деградации. Причиной столь существенного загрязнения данного водоема может быть влияние сложившейся ирригационной системы каналов, неорганизованных частных стоков и прилегающей автотрассы 71Н-1706.

Решением для местных властей могло бы стать комплексное планирование организации водоснабжения населения и водопользователей с разграничением по источникам и водосбору: придорожные водосборы аккумулируются и подлежат последующему дренированию в речные экосистемы, дачные и полевые стоки -- в канализационную систему.

Третья группа -- высокоопасные водоемы. Это самая многочисленная группа водоемов. Отличительная характеристика группы -- наличие превышений значений ПДК в воде по Zn.

С каждым годом номенклатура объектов с превышением по Zn изменяется (см. табл. 5): одни водоемы впервые попадают в эту группу, другие попадают в нее периодически -- через определенные промежутки времени. Все это свидетельствует о наличии непостоянных источников загрязнения.

В 2021 г. было проведено исследование донных отложений пруда «Южный» (рис. 3).

Результаты представлены в табл. 6.

Аккумуляция цинка на примере одного временного среза у одного из объектов группы показала наибольшее превышение над фоном в сравнении с другими загрязнителями.

Данные результаты соотносятся с ранее проведенными исследованиями городских водоемов в 2014 г. (Гузеева, 2014): донные отложения обводненного карьера «Школьный» были отнесены к умеренно опасной категории (суммарный показатель химического загрязнения z_c = 17.21), отмечено аккумулирование значительной части тяжелых металлов и нефтепродуктов.

Рис. 3. Местоположение отбора проб донных отложений у пруда «Южный» в 2021 г.:

2 -- центр; 3 -- северный берег. Составлено по: (Геопортал..., 2022)

Таблица 6. Соотношение результатов количественного химического анализа по донным отложениям пруда «Южный», мг/кг

* Валовая форма.

Вторая группа представлена водоемом фоновой концентрации загрязнителей: сюда вошел обводненный карьер «Ивовый». Для данного объекта зафиксировано превышение значения ПДК в воде по Fe₀6₄, а также по БПК₅ и ХПК, что в целом характерно для района исследования. Выгодой географического положения данного объекта выступают близость к паркам нового микрорайона (сквер «Казачьи Луга») и удаленность от основных городских источников загрязнения, а также трасс интенсивного движения.

Заключение

Таким образом, по итогам анализа данных экологического мониторинга 2018-- 2021 гг. тюменские муниципальные водоемы дифференцированы на четыре группы (рис. 4).

Рис. 4. Группы муниципальных водоемов по качеству поверхностной воды. Составлено по: (Геопортал..., 2022)

Не выявлено ни одного водоема, в котором не было бы превышений предельно допустимых концентраций по рассматриваемым семи показателям.

Обводненный карьер «Майский» отнесен к группе чрезвычайно опасных деградированных водоемов, так как за анализируемый временной период в нем были отмечены превышения значений ПДК в воде по всем показателям. Для водоемов данной группы необходим отказ от их интеграции в селитебную среду, переход на режим полного запрета водопользования и регулярного экологического мониторинга. При достижении положительного результата (опреснении водоема и снижении загрязнения по тяжелым металлам и хлоридам) -- проведение рекультивации.

Обводненный карьер «Чистый» и пруд «На Дамбовской» отнесены к группе чрезвычайно опасных. Первый водоем требует принятия комплекса отдельных мероприятий, прежде всего связанного с организацией водопользования на прилегающей территории -- в дачном, полевом, инфраструктурном хозяйстве. Существующая ирригационная сеть вследствие износа и изменения режима функционирования требует соответствующей оценки и технического перевооружения. Без реализации данного инвестиционного решения остальные мероприятия будут приносить только кратковременный результат. Для второго водоема требуется продолжение проведения мониторинговых наблюдений, которые при сохранении характеристик последних двухлетних циклов замеров позволят перевести объект в группу высокоопасных водоемов.

К группе водоемов фоновой концентрации загрязнителей отнесен обводненный карьер «Ивовый», в котором превышения зафиксированы по БПК₅, ХПК и Fe₀6₄., что характерно для тюменских природных условий (Аширбакиева и др., 2006; Корчина и др., 2010). Объект целесообразно сохранить в текущем ландшафтном окружении, без усиления антропогенного пресса со стороны горожан.

Большинство муниципальных прудов и обводненных карьеров отнесены к группе высокоопасных водоемов, в которых присутствуют превышения предельно допустимых концентраций по цинку. Для организации водопользования на водоемах данной группы необходимо проведение регулярных исследований по донным отложениям, которые могут выступать источником вторичного загрязнения. Частный единичный пример исследования донных отложений пруда «Южный» отразил существенную аккумуляцию загрязнителей в сравнении с городским фоном. Одним из мероприятий, ранее предложенных (Гузеева, 2014), но не реализованных, является проведение «дополнительного озеленения вдоль береговой линии водоемов для защиты от загрязняющих веществ, поступающих с автомагистралей и территории строительства».

В целом для устойчивого водопользования муниципальными водоемами необходимо проведение регулярных и соотносимых исследований с их последующим анализом и корректировочное планирование. Происхождение тюменских муниципальных водоемов связано с деятельностью человека, каждый объект создавался под воздействием определенных хозяйственных и природных обстоятельств, поэтому организация муниципального водопользования должна отражать данную специфику. Предложенное разделение водоемов на группы может служить направлением для организации дифференцированного управления тюменскими муниципальными водоемами.

Литература

Ахмедова, Г. А. и Расулова, М. М. (2009). Состояние малых озер в урбанизированных ландшафтах и их защита в условиях антропогенной нагрузки (на примере озер Ак-Гель и Большое Турали). Юг России: экология, развитие, 4 (4), 134-138.

Аширбакиева, Г. С., Просвиркина, Н. М., Ривкина, Т. В. (2006). Определение содержания металлов в водной системе Иртыш -- Тобол. Аналитика и контроль, 10 (1), 60-63.

Власов, Д. В., Шинкарева, Г. Л., Касимов, Н. С. (2019). Металлы и металлоиды в донных отложениях водоемов восточной части Москвы. Вестник Московского университета. Серия 5. География, 4, 53-52.

Геопортал Тюменской области (2022). [online] Доступно на: https://gis.72to.ru/ [Дата доступа 17.05.2022).

Гузеева, С. А. (2014). Экологическое состояние поверхностных вод и донных отложений озер г. Тюмени. Вестник КрасГАУ, 95 (8), 134-139.

Даувальтер, В. А., Слуковский, З. И., Денисов, Д. Б., Черепанов, А. А. (2021). Особенности химического состава воды городских озер Мурманска. Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле, 66 (2), 252-266. https://doi.org/10.21638/spbu07.2021.204 Джамалов, Р. Г., Власов, К. Г., Григорьев, В. Ю., Галагур, К. Г., Решетняк, О. С., Сафронова, Т. И. (2021). Масштаб и многолетняя динамика загрязнения бассейна Оки. Вода и экология: проблемы и решения, 2 (86), 40-53. https://doi.org/10.23968/2305-3488.2021.26.2.40-53 Добрякова, В. А. и Добряков, А. Б. (2020). Моделирование изменения численности населения с учетом положения муниципальных образований в системе расселения (на примере Тюменской области). ИнтерКарто. ИнтерГИС, 26 (1), 215-227. https://doi.org/10.35595/2414-9179-2020-1- 26-215-227

Келль, Л. С. (2012). Искусственные водные экосистемы как элементы экологического дизайна производства. Вода: химия и экология, 50 (8), 110-114.

Корчина, Т Я., Корчин, В. И., Кушникова, Г. И., Янин, В. Л. (2010). Характеристика природных вод на территории Ханты-Мансийского автономного округа -- Югры. Экология человека, 8, 9-12.

Ларина, Н. С., Устименко, А. А., Гусельников, В. Л., Пинигина Е. П. (2017). Геохимический мониторинг городского пруда «Южного» (г. Тюмень). Вестник Тюменского государственного университета. Экология и природопользование, 3 (3), 8-22. https://doi.org/10.21684/2411-7927-2017-3- 3-8-22

Ларина, Н. С., Устименко, А. А., Фахретдинов, А. В. (2019). Химико-экологическая оценка состояния пруда Южный (г. Тюмень). Вода: химия и экология, 7-9, 123-128.

Перечень водных объектов, находящихся в муниципальной собственности города Тюмени (2022). [online] Доступно на: https://www.tyumen-city.ru/win/download/34408/ [Дата доступа 17.05.2022].

Петрашень, Е. П., Сперанская, В. С., Кузьмина, А. О. (2018). Деструктивные ландшафты в контексте городского общественного пространства. Проблемы реабилитации, адаптации и интеграции. Вестник Санкт-Петербургского университета. Искусствоведение, 8 (4), 693-714. https://doi. org/10.21638/spbu15.2018.410

Преображенский, Ю. В. (2020). Экономико-географическое и сетевое положение крупнейших российских городов в постсоветский период. Географический вестник, 52 (1), 84-95. https://doi. org/10.17072/2079-7877-2020-1-84-95

Публичная кадастровая карта (2022). [online] Доступно на: https://pkk.rosreestr.ru/ /search/65.649516 99999888,122.73014399999792/4/@2y1wvgtyr [Дата доступа 17.05.2022].

Робертус, Ю. В., Пузанов, А. В., Кивацкая, А. В., Любимов, Р. В. (2021). Экологические последствия реабилитации Манжерокского озера (Республика Алтай). Вода и экология: проблемы и решения, 1(85), 41-49. https://doi.org/10.23968/2305-3488.2021.26.L41-49

Родионов, В. З., Дрегуло, А. М., Кудрявцев, А. В. (2019). Влияние антропогенной деятельности на экологическое состояние рек Ленинградской области. Вода и экология: проблемы и решения, 4 (80), 96-108. https://doi.org/10.23968/2305-3488.2019.24.496-108

Роева, Н. Н., Исправникова, В. В., Бекетова, А. Б. (2007). Донные отложения как депонирующая среда для загрязняющих веществ. Известия высших учебных заведений. Серия: химия и химическая технология, 50 (12), 118-120.

Черных, О. Н. и Алтунин, В. И. (2015). Особенности технического мониторинга прудов на территории центра Москвы. Природообустройство, 1, 66-71.

Andersson, M. and Eggen, O. A. (2015). Urban contamination sources reflected in inorganic pollution in urban lake deposits, Bergen, Norway. Environmental Science: Processes & Impacts, 17, 854-867. https:// doi.org/10.1039/C4EM00614C

Bazova, M. M. (2017). Specifics of the elemental composition of waters in environments with operating mining and ore-processing plants in the Kola North. Geochemistry International, 55, 131-143. https:// doi.org/10.1134/S0016702917010025

Becerra-Jurado, G., Harrington, R., Kelly-Quinn, M. (2012). A review of the potential of surface flow constructed wetlands to enhance macroinvertebrate diversity in agricultural landscapes with particular reference to Integrated Constructed Wetlands (ICWs). Hydrobiologia, 692, 121-130. https://doi. org/10.1007/s10750-011-0866-2

Cereghino, R., Boix, D., Cauchie, H.-M., Martens, K., Oertli, B. (2014). The ecological role of ponds in a changing world. Hydrobiologia, 723, 1-6. https://doi.org/10.1007/s10750-013-1719-y

Dauvalter, V A. (2020). Geochemistry of Lakes in a Zone Impacted by an Arctic Iron-Producing Enterprise. Geochemistry International, 58, 933-946. https://doi.org/10.1134/S0016702920080042

Downing, J. A., Cole, J. J., Middelburg, J. J., Striegl, R. G., Duarte, C. M., Kortelainen, P., Prairie, Y. T., Laube, K. A. (2008). Sediment organic carbon burial in agriculturally eutrophic impoundments over the last century, Global Biogeochemical Cycles, 22, GB1018. https://doi.org/10.1029/2006GB002854

Fidelis, T. and Rodrigues, C. (2019). The integration of land use and climate change risks in the Programmes of Measures of River Basin Plans -- assessing the influence of the Water Framework Directive in Portugal. Environmental Science & Policy, 100, 158-171. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2019.06.013

Friese, K., Schmidt, G., Lena, J. C., Nalini Jr, H. A., Zachmann, D. W. (2010). Limnologica, 40 (2), 114-125. https://doi.Org/10.1016/j.limno.2009.12.001

Lottig, N. R. and Carpenter, S. R. (2012). Interpolating and forecasting lake characteristics using longterm monitoring data. Limnology and Oceanography, 57 (4), 1113-1125. https://doi.org/10.4319/ lo.2012.57.4.1113

Moiseenko, T. I. (2015). Impact of geochemical factors of aquatic environment on the metal bioaccumulation in fish. Geochemistry International, 53 (3), 222-233. https://doi.org/10.1134/S001670291503009X Ratie, G., Vantelon, D., Lotfi Kalahroodi, E., Bihannic, I., Pierson-Wickmann, A. C., Davranche, M. (2019). Iron speciation at the riverbank surface in wetland and potential impact on the mobility of trace metals. Science of The Total Environment, 651(1), 443-455. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.09.143 Remor, M. B., Sampaio, S. C., Rijk, S. D., Boas, M. A. V, Gotardo, J. T., Pinto, E. T., Schardong, F. A. (2018). Sediment geochemistry of the urban Lake Paulo Gorski. International Journal of Sediment Research, 33 (4), 406-414. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2018.04.009 Skjelkvale, B. L., Andersen, T., Fjeld, E., Mannio, J., Wilander, A., Johansson, K., Jensen, J. P., Moiseenko, T. (2001). Heavy Metal Surveys in Nordic Lakes; Concentrations, Geographic Patterns and Relation to Critical Limits. AMBIO: A Journal of the Human Environment, 30 (1), 2-10. https://doi. org/10.1579/0044-7447-30.1.2

Verta, M., Tolonen, K., Simola, H. (1989). History of heavy metal pollution in Finland as recorder by lake sediments Science of the Total Environment, 87-88, 1-18. https://doi.org/10.1016/0048-9697(89)90222-2 Wijaya, A. R., Ouchi, A. K., Tanaka, K., Cohen, M. D., Sirirattanachai, S., Shinjo, R., Ohde, S. (2013). Evaluation of heavy metal contents and Pb isotopic compositions in the Chao Phraya River sediments: Implication for anthropogenic inputs from urbanized areas, Bangkok. Journal of Geochemical Exploration, 126-127, 45-54. https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2012.12.009

Abstract