Методика дифференцированной оценки антропогенной и фоновой составляющих биогенного стока р. Невы

Эвтрофированию, обусловленному естественным смывом минеральных и органических форм биогенных элементов (БЭ) с водосборного бассейна и их поступлением через атмосферу, подвержены все природные водоемы. Природное эвтрофирование — достаточно медленный процесс, протекающий в масштабах времени, близких к геологическим. По мере возрастания численности населения и резкого усиления его хозяйственной деятельности поступление биогенных веществ с коммунальными и промышленными сточными водами, со стоками интенсивно удобряемых сельскохозяйственных угодий и через загрязненную атмосферу возрастает в значительной степени, время эвтрофирования существенно сокращается, что позволяет говорить об антропогенной эвтрофикации. В настоящее время в большинстве водоемов высокоразвитых стран в связи со значительно возросшим поступлением аллохтонных питательных веществ масштабы развития процесса антропогенного эвтрофирования достигли пределов, превышающих возможность самоочищения природных вод в процессе естественного биотического круговорота, причем в Балтийском море основные признаки эвтрофирования были выявлены раньше, чем на других морских акваториях.

Представляется крайне важным дифференцировать и оценить долю антропогенной составляющей суммарного поступления БЭ в Балтийское море с речным стоком, поскольку, согласно [1], основной статьей приходной части баланса БЭ в Балтийское море — свыше 60 % — являются реки, что типично для моря, расположенного в гумидной зоне и имеющего затрудненный водообмен с океаном.

Цель данного исследования заключалась в разработке методики дифференцированной оценки антропогенной и природной (фоновой) составляющих биогенного стока с водами контролируемых рек бассейна Балтийского моря на примере р. Невы.

Наиболее показательным индикатором антропогенного поступления азота и фосфора в водотоки и водоемы может быть их отношение к минеральному растворенному кремнию, как реперу, содержание которого за счет антропогенных факторов не возрастает [2]. Следовательно, критерием антропогенного эвтрофирования речного стока может служить уменьшение отношения концентрации растворенного минерального кремния к концентрациям БЭ и их форм по сравнению с фоновым, установленным по периоду, когда антропогенный фактор не оказывал существенного влияния на водоток.

Постоянство величин соотношения биогенных элементов Si/N и Si/P в речном стоке, не загрязненном антропогенными добавками азота и фосфора, к тому же независимых от колебаний водности, позволяет использовать эти соотношения в качествефоновых эмпирических коэффициентов К для расчета антропогенной и природной составляющих биогенного стока рек [2]. Основное затруднение при этом связано с необходимостью выявления фоновых коэффициентов для каждой реки на основе наблюдений по биогенному стоку в период, предшествующий антропогенному воздействию. Не для всех рек, даже крупных, подобные ряды наблюдений имеются. Однако можно предположить, что фоновые коэффициенты для рек в пределах одной зоны будут близки по своим значениям.

При наличии фоновых коэффициентов расчет антропогенной составляющей биогенного речного стока сводится к простой формуле [2]:

,                                                                                                         (1)

где А — антропогенная составляющая стока рассматриваемой формы БЭ; В — суммарный речной сток рассматриваемой формы БЭ; К — фоновый коэффициент для рассматриваемой формы этого БЭ; Si_{мин. раств.} — вынос минерального растворенного кремния речным стоком за расчетный год. Очевидно, что второй член уравнения (1) представляет собой природное (фоновое) поступление БЭ с речным стоком.

Водная система Ладожское озеро — р. Нева — Невская губа — восточная часть Финского залива имеет большое значение для всего Северо-Западного региона Российской Федерации и, в первую очередь, для такого мегаполиса как Санкт-Петербург.Состояние Невской губы и восточной части Финского залива в значительной мере определяется процессами, протекающими в основном водоеме бассейна — Ладожском озере.

Предлагаемая здесь методика базируется на определении величин природных фоновых коэффициентов. Основная задача заключалась в выборе периода, в течение которого Ладожское озеро подвергалось антропогенной нагрузке в наименьшей степени.

Принято считать, что в условиях полностью неосвоенного водосбора Ладожского озера поступление фосфора общего (растворенного) в озеро с речным стоком, определяемое природными условиями, составляло бы 1300 т·год^-1 [3–4]. В период 1959–1962 гг. вынос растворенного фосфора в озеро с водой притоков был близок к 1800 т·год^-1 [5]; в это время озеро находилось в устойчивом олиготрофном состоянии с минимальным антропогенным воздействием [6].

Интенсификация хозяйственной деятельности на водосборе в целом и смена технологии производства на Волховском алюминиевом заводе (АО «Волховский алюминий») в конце 1960-х гг. привели к резкому увеличению поступления фосфора в озеро с водами рек. В конце 1970-х — начале 1980-х гг. оно составляло 6000–7000 т·год^-1, при этом на долю р. Волхов приходилось 50–64 % общего поступления [5, 7–8].

Согласно [9],содержание кремния в основной водной массе озера в начале 1960-х гг. колебалось от 500 до 1000 мкг Si·дм^-3, в прибрежных районах — от 300 до 1500 мкг Si·дм^-3, а в Волховской губе верхний предел достигал 2700 мкг Si·дм^-3. Среднегодовое содержание кремния в озере было близко к 900 мкг Si·дм^-3. В этот же период среднегодовая концентрация фосфора валового (нефильтрованного) составляла 10 мкг Р_вал·дм^-3, а азота нитратов — 190 мкг N-NO₃·дм^-3 [9]. Среднегодовая концентрация фосфора минерального в воде Ладожского озера в 1959–1962 гг. составляла 3 мкг P_мин·дм^-3[10].Принято считать, что в начале 1960-х гг. концентрации фосфора общего в озере составляли примерно 90 % от концентраций фосфора валового, то есть, Р_общ = 0,9·Р_вал [3, 9]. Таким образом, среднегодовая концентрация фосфора общего в Ладожском озере в период незначительной антропогенной нагрузки составляла предположительно 9 мкг Р_общ·дм^-3. Определение азота общего, как и фосфора общего в Ладожском озере было начато лишь в 1976 г.

Известно [4], что для периода наименьшей антропогенной нагрузки на Ладожское озеро отношение концентрации азота общего к концентрации фосфора общего N_общ: P_общ было равно 45, следовательно, можно полагать, что среднегодовая концентрация азота общего в Ладожском озере в период минимальной антропогенной нагрузки составляла около 405 мкг N_общ·дм^-3.

На основании вышеприведенных величин концентраций БЭ в воде Ладожского озера в период минимального антропогенного воздействия нами были рассчитаны фоновые коэффициенты для различных форм азота и фосфора [11] (табл. 1).

Таблица 1

Эмпирические фоновые коэффициенты биогенных элементов для Ладожского озера

Особо отметим, что средние концентрации БЭ в Ладожском озере далеко не всегда соответствуют концентрациям в истоке р. Невы, что обусловливает необходимость оценки природных фоновых коэффициентов именно в ее истоке. Сложность такой оценки связана с незначительным объемом первичных данных о содержании БЭ в период минимального антропогенного воздействия на р. Неву, в конце 1950-х — начале 1960-х гг. Считается, что воды р. Невы начали испытывать активное антропогенное воздействие с середины 1960-х гг., когда резко возросло водопотребление в невском бассейне [12].

Предлагаемый нами подход к оценке фоновых коэффициентов БЭ в р. Неве базируется на предположении о наличии тесной корреляционной связи между величинами соотношений концентраций Si/БЭ и концентрациями БЭ. Для расчета фоновых коэффициентов была проведена обработка данных о содержании кремния и фосфора общего в истоке р. Невы за период с 1990 г. по 2008 г. В результате было выявлено корреляционное уравнение [13]:

                                                                                                  (2)

Для оценки эмпирического фонового коэффициента для фосфора общего в истоке р. Невы была выбрана концентрация Р_общ = 9 мкг·дм^-3, соответствующая периоду наименьшей антропогенной нагрузки как на Ладожское озеро, так и на вытекающую из него р. Неву. На основании заданного параметра было получено значение эмпирического фонового коэффициента для фосфора общего К_Робщ = 25.

Аналогичным образом была установлена соответствующая зависимость для фосфора валового [13]:

                                                                                                    (3)

Для расчета реперной концентрации фосфора валового в р. Неве была использована зависимость между концентрациями фосфора общего и валового [14]:

                                                                                                     (4)

Исходя из реперного значения концентрации фосфора общего, использованного для расчета эмпирического фонового коэффициента К_Робщ, было получено реперное значение концентрации фосфора валового, равное 12 мкг·дм^-3. При введении этой величины в (3) получено значение эмпирического фонового коэффициента фосфора валового К_Рвал = 13.

Для иллюстрации изложенного подхода к оценке фоновой и антропогенной составляющих биогенного стока на основании уравнения (1) нами были определены величины поступления фосфора валового и общего в Невскую губу со стоком р. Невы. Суммарный речной сток рассматриваемой формы БЭ определялся по уравнению [14]:

,                                                                                                     (5)

где С_СГ — средняя за год концентрация биогенного элемента, мкг·дм^-3, R_СГ — среднегодовой расход воды в устьевых створах (р. Большая Нева, р. Малая Нева, р. Малая Невка, р. Большая Невка), м³·с^-1.

Величины среднего суммарного поступления Р_общ и Р_вал за рассматриваемый период составили 1831(1510¸2152) т·год^-1 и 3515(3038¸3992) т·год^-1 соответственно, из которых на долю фонового поступления приходится в среднем 621(500¸742) т·год^-1 и 1177(947¸1407) т·год^-1, что составляет 34 % от суммарного поступления БЭ [11].

Для оценки эмпирического фонового коэффициента для азота общего К_Nобщ была проведена обработка данных мониторинга в истоке р. Невы за период с 1999 г. по 2008 г. и выявлено корреляционное уравнение [13]:

                                                                                          (6)

Подставляя реперную концентрацию азота общего, равную 405 мкг·дм^-3, в (6), получим, что эмпирического фоновый коэффициент для азота общего равен 0,56.

На основании полученных результатов были выполнена оценка величин поступления азота общего в Невскую губу со стоком р. Невы. Среднее суммарное поступление азота общего за рассматриваемый период составляло 64810(53322¸76298) т·год^-1, среднее фоновое поступление — 20913(14579¸27247) т·год^-1, т. е. 32 % [11].

По нашему мнению, изложенный подход к оценке фоновых и антропогенных составляющих биогенного стока, предложенный М. П. Максимовой [2], и модифицированный нами для р. Невы, может быть весьма полезен для дифференцированной оценки фонового и антропогенного выноса биогенных веществ с водами контролируемых рек бассейна Балтийского моря. Некоторые возможности применения данного подхода в случае частично контролируемых рек изложены автором в [11].

Литература:

1.           Максимова М. П. Сравнительная гидрохимия морей // Новые идеи в океанологии. Т. 1. Физика. Химия. Биология / Под ред. Виноградова М. Е., Лаппо С. С. — М.: Наука, 2004. — С. 168–189.

2.           Максимова М. П. Критерии антропогенного евтрофирования речного стока и расчет антропогенной составляющей биогенного стока рек // Водные ресурсы. — 1979. — № 1. — С. 35–40.

3.           Гусаков Б. Л., Петрова Н. А. Антропогенное эвтрофирование и состояние озерной экосистемы // Пути совершенствования природопользования в бассейнах больших озер. — Л., 1990. — С. 16–29.

4.           Ладожское озеро. Прошлое, настоящее, будущее / Под. ред. Румянцева В. А., Драбковой В. Г. — СПб.: Наука, 2002. — 327 с.

5.           Расплетина Г. Ф., Гусаков Б. Л. Применение прямого и косвенного методов для расчета биогенной нагрузки и концентрации веществ в воде Ладожского озера // Антропогенное эвтрофирование Ладожского озера / Под ред. Петровой Н. А. — Л.: Наука, 1982. — С. 222–242.

6.           Кондратьев С. А. Формирование внешней нагрузки на водоемы: проблемы моделирования. — СПб.: Наука, 2007. — 253 с.

7.           Современное состояние экосистемы Ладожского озера / Под. ред. Петровой Н. А., Расплетиной Г. Ф. — Л.: Наука, 1987. — 213 с.

8.           Соловьева Н. Ф. Гидрохимия притоков Ладожского озера и Невы // Гидрохимия и гидрооптика Ладожского озера / Под ред. Алекина О. А. — Л.: Наука, 1967. — С. 5–59.

9.           Антропогенное эвтрофирование Ладожского озера / Под. ред. Петровой Н. А. — М.-Л.: Наука, 1982. — 304 с.

10.       Ладожское озеро — критерии состояния экосистемы / Под. ред. Петровой Н. А., Тержевика А. Ю. — СПб.: Наука, 1992. — 328 с.

11.       Степанова Е. В. Геоэкологическое обоснование предельных уровней экспорта биогенных элементов с территорий стран бассейна Балтийского моря // Дисс. на соиск. уч. степ. канд. геогр. наук / Рос. гос. гидрометеорол. ун-т (РГГМУ). СПб, 2009. — 223 с.

12.       Скакальский Б. Г., Фертман П. Я. Оценка влияния антропогенных факторов на химический состав воды в реках бассейна Балтийского моря // Труды ГГИ. 1982. Вып. 283 — Речные наносы и качество вод. — С. 52–65.

13.       Степанова Е. В. Геоэкологическое обоснование предельных уровней экспорта биогенных элементов с территорий стран бассейна Балтийского моря // Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. геогр. наук. СПб, 2009. — 24 с.

14.       Фрумин Г. Т., Леонова М. В. Природная и антропогенная составляющие поступления общего фосфора в Невскую губу со стоком р. Невы // Экологическая химия. — 2004. — Т. 13. — Вып. 1. — С. 29–34.