Оценка качества воды реки Степной Зай по химическим показателям



Приводится анализ данных гидрохимического мониторинга реки Степной Зай в зоне влияния городов Бугульма, Лениногорск, Альметьевск, Заинск. Оценено качества воды по индексу ИЗВ, органическим веществам, азот- и фосфорсодержащим соединениям, металлам. Вода характеризуется как умеренно загрязненная в основном течении реки и как загрязненная в районе г. Заинск и ниже городов Бугульма и Лениногорск.

Ключевые слова: Степной Зай, качество воды, ИЗВ.

Исследование состояния водных экосистем в странах Западной Европы, Северной и Южной Америки, Центральной и Юго-Восточной Азии проводится с использованием общих оценочных подходов, адаптированных к условиям региона и его специфике. Чаще всего используются две системы: британская Rivpacs (River Invertebrate Prediction and Classification System) и американская RPBs (Rapid Bioassisstement Protocols) [24], являющиеся скорее эмпирическими и не основанные на экологической теории и выявлении причинно-следственных связей. Для комплексного анализа используется так называемая система LP-EII, которая основана на балльной системе с использованием в качестве основных гидрологических, гидрохимических (кислород, ХПК, общий азот и общий фосфор) и гидробиологических (хлорофилл а, численность зоопланктона, биотический индекс по семействам макробеспозвоночных) показателей [25]. В России в практике гидрохимического мониторинга используются интегральные индексы ИЗВ и УКИЗВ, которые позволяют оценить качество воды по основным химическим показателям [3, с. 7].

Целью данной статьи было оценить качество воды реки Степной Зай в зоне влияния городов на основе данных многолетнего мониторинга.

Материалы и методы

Река Степной Зай — левый приток реки Кама. Длина 211,3 км, площадь бассейна 5 тысяч км ² . Протекает по территории Лениногорского, Бугульминского, Альметьевского, Заинского и Нижнекамского районов Республики Татарстан. Исток находится на восточных склонах Бугульминско-Белебеевской возвышенности, южнее села Михайловка Лениногорского района, устье — в 4 км к западу от села Нижнее Афанасово Нижнекамского района. Ниже устья реки Лесной Зай река носит название Зай [23].

Рис. 1. Река Степной Зай на карте Республики Татарстан

Пробы воды отбирались в период с 2008 по 2019 гг. в мае, июле и октябре в створах 500 м выше и ниже городов Бугульма, Лениногорск, Альметьевск, Заинск.

Гидрохимический анализ проводился по утвержденным методикам (табл. 1).

Таблица 1

Методы анализа химического состава воды

Показатель	Шифр методики	Название
Выбор точек отбора	Р 52.24.309–2016 [20]	МУ. Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Роскомгидромета
Отбор проб	ГОСТ Р 51592–2000 [1]	Вода. Общие требования к отбору проб
	Р 52.24.353–2012 [21]	Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод.
рН	ПНД Ф 14.1:2:3:4.121–97 [4]	Методика выполнения измерения рН в водах потенциометрическим методом
ХПК	ПНД Ф 14.1:2.100–97 [5]	МВИ химического потребления кислорода (ХПК) в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом
БПК 5	ПНД Ф 14.1:2:3:4.123–97 [6]	МВИ биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПК полн ) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах
Аммоний ион	ПНД Ф 14.1:2.1–95 [7]	МВИ массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера
Нитриты	ПНД Ф 14.1:2.3–95 [8]	МВИ массовой концентрации нитрит-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса
Нитраты	ПНДФ 14.1:2.4–95 [9]	МВИ Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрат-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой
Сульфаты	ПНДФ 14.1:2.159–2000 [10]	Методика выполнения измерений массовой концентрации сульфат-ионов в пробах природных и сточных вод турбидиметрическим методом
Хлориды	ПНДФ 14.1:2.96–97 [11]	Методика выполнения измерений массовой концентрации хлоридов в пробах природных и очищенных сточных вод аргентометрическим методом
Fe, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn,	ПНДФ 14.1:2:4.135–98 [12]	Методика выполнения измерений массовой концентрации элементов в пробах питьевой, природных, сточных вод и атмосферных осадков методов атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой
Взвешенные вещества	ПНДФ 14.1:2.110–97 [13]	Методика выполнения измерений содержания взвешенных веществ и общего содержания примесей в пробах природных и очищенных сточных вод
Фенолы	ПНДФ 14.1:2:4.182–02 [14]	Методика выполнения измерений массовой концентрации фенолов в пробах питьевых, природных и сточных вод флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02»
Нефтепродукты	ПНДФ 14.1:2.5–95 [15]	Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в природных и сточных водах методом ИК — спектрометрии
Гидрокарбонаты	ПНД Ф 14.2.99–97 [16].	Методика выполнения измерений массовой концентрации гидрокарбонатов в пробах природных вод титриметрическим методом
Жёсткость	ПНД Ф 14.1:2.98–97 [17]	МВИ жесткости в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом
Сухой остаток	ПНД Ф 14.1:2.114–97 [18]	МВИ массовой концентрации сухого осадка в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом
Кислород растворенный	ПНД Ф 14.1:2.101–97 [19]	МВИ содержаний растворенного кислорода в пробах природных и очищенных сточных вод йодометрическим методом

Классы качества определяли по индексу загрязненности воды (ИЗВ), который рассчитывали как сумму приведенных к ПДК фактических значений 6 основных показателей качества воды по формуле:

,

где: С _i — среднее значение определяемого показателя за период наблюдений;

ПДК _i — предельно-допустимая концентрация для загрязняющего вещества.

В зависимости от полученного значения ИЗВ воды классифицировали по степени загрязнения в соответствии с рангами, приведенными в таблице 2 [2].

Таблица 2

Характеристика качества воды по индексу ИЗВ

ИЗВ	Класс качества воды	Оценка качества (характеристика) воды
Менее и равно 0,2	I	Очень чистые
Более 0,2–1	II	Чистые
Более 1–2	III	Умеренно загрязненные
Более 2–4	1V	Загрязненные
Более 4–6	V	Грязные
Более 6–10	VI	Очень грязные
Свыше 10	VII	Чрезвычайно грязные

В число шести основных, так называемых «лимитируемых» показателей, при расчете ИЗВ входили в обязательном порядке концентрация растворенного кислорода и з БПК ₅ , а также значения еще 4 показателей, которые имеют наибольшие концентрации (отношение Сi/ПДКi).

Для статистической обработки полученных данных использовали методы непараметрической статистики в программе Attestat [22].

Результаты и их обсуждение

Оценку качества воды производили с помощью интегрального индекса загрязненности воды (ИЗВ) в створах выше и ниже основных организованных источников загрязнения, приуроченных к городам Бугульма, Лениногорск, Альметьевск и Заинск.

Выше г. Бугульма среднее значение ИЗВ за период наблюдения составило величину 1,2±0,2 и позволяет отнести качество воды к 3 классу — умеренно загрязненные. Ниже города ИЗВ _ср =3,7±1,5 — загрязненные (4 класс). Можно отметить значительный разброс данных во временной динамике: умеренно загрязненные (3 класс) в 2014, 2017 и 2019 годах, загрязненные (4 класс) в 2008, 2009, 2013, 2018 годах, грязные (5 класс) в 2011, 2012, 2015, 2016 годах и очень грязные (6 класс) в 2010 году (рис. 2).

Дисперсионный анализ показал значимое различие показателей ИЗВ выше и ниже города по критерию Вилкоксона (парный) для р<0,05.

Рис. 2. Временная динамика ИЗВ в створах выше и ниже г. Бугульмы

В районе г. Лениногорск отмечена аналогичная картина: ИЗВ _ср =1,2±0,3 3 класс качества воды — умеренно загрязненные. Ниже города ИЗВ _ср =3,3±1,0 — загрязненные (4 класс) в всего периода наблюдения и с 2010 по 2013 годы вода характеризовалась как грязная (5 класс) (рис. 3). Дисперсионный анализ показал значимое различие показателей ИЗВ выше и ниже города по критерию Вилкоксона (парный) для р<0,05.

Рис. 3. Временная динамика ИЗВ в створах выше и ниже г. Лениногорска

В районе г. Альметьевск также отмечено значимое различие значений ИЗВ выше и ниже города: выше — ИЗВ _ср =1,8±0,2–3 класс качества воды — умеренно загрязненные и ниже города ИЗВ _ср =3,0±0,5 — загрязненные (4 класс) (рис. 4).

Рис. 4. Временная динамика ИЗВ в створах выше и ниже г. Альметьевска

В районе г. Заинск река Степной Зай зарегулирована и сброс сточных вод города осуществляется в Заинское водохранилище. Значимого различия средних значений ИЗВ (выше ИЗВ _ср =2,8±1,2 и ниже ИЗВ _ср =3,1±1,5) в створах выше и ниже города не выявлено, несмотря на то, что в последние годы (2016–2019 гг.) показатели ИЗВ ниже города выросли до 4,4–8,1, что позволяет отнести воду к категории грязных. В целом, за исследованный период воды характеризуются как загрязненные (3 класс) в обоих створах (рис. 5).

Рис. 5. Временная динамика ИЗВ в створах выше и ниже г. Заинска

Кислородный режим во всех створах во все сезоны был удовлетворительным, значения не опускались ниже 4,0 мгО ₂ /л. Наиболее существенное увеличение показателей в створе ниже было отмечено в зоне воздействия городов Бугульма и Лениногорск (различия значимы по критерию Вилкоксона (парный), р=0,0001). Обращает на себя внимание увеличение содержания органических веществ по БПК, азотсодержащих веществ и фосфатов, что может свидетельствовать о неудовлетворительной очистке сточных вод на очистных сооружениях.

В створе ниже города Альметьевска также отмечается увеличение этих показателей, однако непараметрическая статистика показала, отсутствие значимых различий показателей в створе выше и ниже города Альметьевск (р=0,25).

Наличие слабой проточности отразилось на показателях в створах выше и ниже г. Заинска. Отличия отмечаются для металлов (Fe, Cu, Zn) и основных анионов (сульфаты, хлориды, гидрокарбонаты). Несмотря на это, различия показателей выше и ниже города значимы (р=0,01).

Выводы

1. Воду реки Степной Зай можно оценить как умеренно загрязненную в створах выше городов Бугульмы, Лениногорска. Ниже данных городов качество воды ухудшается до категории загрязненной. Наблюдается увеличение содержания органических веществ, азотсодержащих соединений и фосфатов, что может указывать на недостаточную очистку сточных вод.
2. Качество воды выше и ниже г. Альметьевска существенно не меняется и относится к категории умеренно загрязненной.
3. Качество воды выше и ниже г. Заинска имеет значимые различия по основным анионам и металлам, вода характеризуется как загрязненная.

Литература:

1. ГОСТ Р 51592–2000. Вода. Общие требования к отбору проб. Water. General requirements for sampling: Государственный стандарт Российской Федерации: издание официальное: принят и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 21 апреля 200 года № 117-ст: введен впервые: дата введения 2001–07–01: разработан Техническим комитетом по стандартизации ТК 343 «Качество воды». — Москва: Стандартинформ, 2010. — IV, 294 с.; 29 см. — Текст: непосредственный.
2. Кичигин, В. И. Исследование физико-химических характеристик поверхностного стока населенных пунктов / В. И. Кичигин, П. Г. Быкова// ВСТ. — 2002. — № 11. — с.28. — Текст: непосредственный.
3. Латыпова В. З., Шакирова Ф. М., Терещенко В. Г., Степанова Н. Ю., Шагидуллин Р. Р.: динамика состояния экосистем и популяций рыб различных экологических групп Куйбышевского водохранилища. Казань: Изд-во «АН РТ», 2020. 122 с. — Текст: непосредственный.
4. ПНД Ф 14.1:2:3:4.121–97. Методика выполнения измерения рН в водах потенциометрическим методом. — Текст: непосредственный.
5. ПНД Ф 14.1:2.100–97. МВИ химического потребления кислорода (ХПК) в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом. — Текст: непосредственный.
6. ПНД Ф 14.1:2:3:4.123–97. МВИ биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПКполн) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах
7. ПНД Ф 14.1:2:3.1–95 МВИ массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера. — Текст: непосредственный.
8. ПНД Ф 14.1:2.3–95. МВИ массовой концентрации нитрит-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса. — Текст: непосредственный.
9. ПНД Ф 14.1:2:4.4–95 МВИ Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрат-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой. ¬¬– М.: ФБУ ФЦАО, 2011. — 18с. — Текст: непосредственный.
10. ПНДФ 14.1:2.159–2000. Методика выполнения измерений массовой концентрации сульфат-ионов в пробах природных и сточных вод турбидиметрическим методом. — Текст: непосредственный.
11. ПНДФ 14.1:2.96–97. Методика выполнения измерений массовой концентрации хлоридов в пробах природных и очищенных сточных вод аргентометрическим методом. — Текст: непосредственный.
12. ПНДФ 14.1:2:4.135–98. Методика выполнения измерений массовой концентрации элементов в пробах питьевой, природных, сточных вод и атмосферных осадков методов атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. — М.: Роспотребнадзор, 2011. — 27с. — Текст: непосредственный.
13. ПНДФ 14.1:2.110–97. Методика выполнения измерений содержания взвешенных веществ в пробах природных и очищенных сточных вод. — Текст: непосредственный.
14. ПНДФ 14.1:2:4.182–02. Методика выполнения измерений массовой концентрации фенолов в пробах питьевых, природных и сточных вод флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02». — М.: Роспотребнадзор, 2011. — 25с. — Текст: непосредственный.
15. ПНДФ 14.1:2.5–95. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в природных и сточных водах методом ИК — спектрометрии. –М, ФБУ ФЦАО, 2011. — 16с. — Текст: непосредственный.
16. ПНД Ф 14.2.99–97. Методика выполнения измерений массовой концентрации гидрокарбонатов в пробах природных вод титриметрическим методом. — М.: Росприроднадзор, 2011. — 25с. — Текст: непосредственный.
17. ПНД Ф 14.1:2.98–97. МВИ жесткости в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом. — Текст: непосредственный.
18. ПНД Ф 14.1:2.114–97. МВИ массовой концентрации сухого осадка в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом. — М.: ФБУ ФЦАО, 2011. — 14с. — Текст: непосредственный.
19. ПНД Ф 14.1:2.101–97. МВИ содержаний растворенного кислорода в пробах природных и очищенных сточных вод йодометрическим методом. — Текст: непосредственный.
20. РД 52.24.309–2016. Руководящий документ. Организация и проведение режимных наблюдений за состоянием и загрязнением поверхностных вод суши» // Ростов-на Дону: Росгидромет, ФГБУ «ГХИ». 2016–100 с. — Текст: непосредственный.
21. Р 52.24.353–2012. Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод. — Текст: непосредственный.
22. Шитиков В. К., Розенберг Г. С., Зинченко Т. Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. 463 с. — Текст: непосредственный.
23. Степной Зай. — Текст: электронный // Некоммерческий, научно-образовательный, культурно-просветительский проект Татарская энциклопедия «Татарика»: официальный сайт: — 2021. — URL: https://tatarica.org/ru
24. Graham J. G. Upton Categorical Data Analysis by Example / Graham J. G. Upton. — Wiley & Sons, Incorporated, John, 2017. 216 p.
25. Myrbo, A., E. B. Swain, D. R. Engstrom, J. Coleman Wasik, J. Brenner, M. Dykhuizen Shore, E. B. Peters, and G. Blaha, 2017, Sulfide generated by sulfate reduction is a primary controller of the occurrence of wild rice (Zizania palustris) in shallow aquatic ecosystems // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2017. Vol.122. P. 2736–2753.