Эколого-геохимическое состояние реки Котловка (г. Москва)

Актуальность исследований. В гидрографической сети любого водо-
сборного бассейна преобладают ручьи и малые реки. В России насчитывается
свыше 2,5 миллионов малых рек, формирующих около половины суммарного
объема речного стока, в их бассейнах проживает до 44 % городского и почти 90
% сельского населения страны.
Главная особенность стока малых рек – тесная связь с ландшафтом бас-
сейна, что обуславливает их уязвимость при чрезмерном изъятии водных ре-
сурсов и интенсивном освоении водосборных территорий. Малые реки являют-
ся регуляторами водного режима ландшафтов, поддерживая равновесие и пере-
распределение влаги.
Большинство малых рек – это самые верхние звенья крупных речных си-
стем. Они покрывают обширной сетью равнинные и горные территории, кото-
рые являются областями формирования ресурсов поверхностных вод, след-
ственно, малые реки в значительной мере определяют уникальность состава во-
ды и водных биоценозов, особенности гидрологического и биологического ре-
жима питающихся их водами средних и крупных рек. Сток малых рек, впада-
ющих в непосредственно в крупные, служит одной из важных причин транс-
формации состава и качества воды в низовьях речных систем в отдельные фазы
их гидрологического режима.
В России использование малых рек имеет большое значение. В последние
десятилетия отмечается интенсивный рост водопользования на малых реках,
что приводит к ухудшению качества воды и гидрологического режима. В
большой степени увеличилось безвозвратное водопотребление, которое в сред-
ний по водности год составляет 4 % от всех водных ресурсов, а в европейской
части России превышает 12 %.
В остро маловодные годы из таких рек забирается до 22% их стока, а в
районах Центральный и Центрально-Черноземный, – более 50 %. В некоторых
регионах из-за бесконтрольного забора воды многие малые реки пересыхают,
подвергаются заселению и вообще исчезают.
Антропогенная нагрузка на малые реки обусловлена активной хозяй-
ственной деятельностью, которая осуществляется и в пределах водосборных
бассейнов, и на самих водотоках. Так, после проведения осушительных мелио-
раций в Нечерноземье русла многих малых рек оказались спрямленными, заре-
гулированными дамбами [3]. На полностью зарегулированных реках отмечает-
ся заиление и зарастание русла, потеря связи с питающими их грунтовыми во-
дами. Сбрасываемые дренажные воды, в основном неочищенные, вызывают
«цветение» малых рек в летний период и, как следствие, ухудшают качество
воды.
Таким образом, для обустройства, возрождения и охраны малых рек, лик-
видации источников загрязнения все проводимые мероприятия должны иметь
экологическую направленность. Кроме ликвидации источников загрязнения,
необходимо восстановить все основные природные факторы речной системы, в
том числе фауну и флору. К сожалению, устойчивому функционированию реч-
ных экосистем при восстановительных работах на малых реках России не уде-
ляется должного внимания.
Цель работы: оценка эколого-геохимического состояния реки в пределах
заданного участка: г. Москва, Севастопольский проспект, д. 53– Болотников-
ская улица д. 40 к. 5, д. 44 к. 3, к. 4, д. 46 к. 3, д. 54 к. 3.
Объектом исследования является река Котловка города Москвы в сред-
нем течении.
Задачи исследований:
1. Провести комплексное изучение состава речных вод по показателям:
главные ионы, биогенные вещества, микроэлементы, включая тяжелые метал-
лы, растворенный кислород, органические вещества.
2. Установить источники загрязнения, характер и степень загрязнения
речных вод.
3. На основе полученных результатов дать оценку эколого-
геохимического состояния реки.
Новизна. Исследуемая река, не смотря на её расположение в густонаселенном
районе города Москвы, до сих пор недостаточно изучена: отсутствуют данные
по химическому составу воды, по наличию загрязняющих реку веществ, не вы-
явлены источники её загрязнения.
В данной работе, непосредственно с участием автора, выполнено ком-
плексное исследование состава речных вод в пределах городской черты по
большому числу показателей. Установлены приоритетные загрязняющие веще-
ства и их источники. Проведена оценка эколого-геохимического состояния ре-
ки, выявлены наиболее загрязненные ее участки.
Исходные данные. В дипломной работе были использованы материалы
инженерных изысканий компании ООО «Экостандрт «Технические решения».
Кроме того, в работе использовались опубликованные материалы различ-
ных авторов.
В настоящий момент большинство малых рек испытывают значительную
антропогенную нагрузку. Особенно это касается рек, протекающих на террито-
рии мегаполисов. [1]. Со временем антропогенное воздействие со стороны ме-
гаполисов становилось все более масштабным и комплексным, поэтому малым
водотокам придавалось все меньшее значение. Вследствие этого мониторинг их
экологического состояния почти прекратился на большой промежуток времени,
а сами реки к концу XX века стали рассматриваться как коллекторы, принима-
ющие сточные воды и отходы производства [2]. Так, около 90 малых рек г.
Москвы заключено в коллекторные трубы ливневых стоков, на территории го-
рода за последнее столетие исчезло более 100 рек и ручьев. В Москве осталось
всего 59 рек и ручьев, текущих в открытом русле, при этом все они подвержены
огромному антропогенно-техногенному воздействию промышленности и авто-
транспорта [4].
К сегодняшнему дню к условно чистым рекам согласно классификации
Гидрохимического института (ГХИ) [5] можно отнести лишь малые реки, нахо-
дящиеся вдали от транспортных магистралей и населенных пунктов [6].
Основными антропогенными факторами, влияющими на малые реки ур-
банизированных территорий, являются [4]:
1. Рост численности населения и связанный с этим рост водопотребления.
2. Развитие промышленности.
3. Зарегулированность речного стока.
В результате антропогенного влияния на малые реки меняются их гидро-
логический и гидрохимический режимы, наблюдается деградация речной сети
и снижение биоразнообразия. Отрицательное влияние на территории водо-
охранных зон можно разделить на следующие категории (по степени загрязне-
ния и по их источникам) [7]:
1. Засорение долин рек мусором. Один из наиболее распространенных
видов загрязнения. Встречается в неблагоустроенных и непригодных для отды-
ха зон, на пустырях, неиспользуемых территориях, а также в городских участ-
ках, где прослеживается большое скопление людей. Значительному захламле-
нию бытовым мусором подвергаются поймы и долины маленьких водотоков
таких, как реки Нищенка, Чермянка, Гвоздянка, Сетунь, Котловка и многих
других. Причинами загрязнения являются несанкционированные свалки ТБО на
берегах рек, откосах, различные виды насыпей в границах этих зон, накопление
автомобильного мусора вблизи дорог, гаражей и стройплощадок.
2. Захламление территорий строительным мусором. Строительный мусор
встречается на слабо нарушенных территориях и в пределах искусственно
сформированных бортов долин. В основном мусор – это остатки коммуника-
ций, материалы, используемые при строительстве, а также остатки зданий дол-
гостроев. Большое загрязнение строительным мусором наблюдается в долинах,
рек, подвергшихся значительным изменениям. Кроме техногенных источников,
причиной загрязнения является размыв берегов рек, который приводит к их об-
нажению и накоплению в русле строительного мусора.
3. Размещение вблизи территории водотоков нарушителей, незаконно ис-
пользующих водоток. Результатом, как правило, является сброс сточных вод,
загрязнение почвы и воды отходами нарушителей. К ним в наибольшей степени
относятся гаражные комплексы и автомобильные мойки, автозаправочные
станции. Данные объекты отмечаются повсеместно вдоль водотока.
4. Сброс ливневых, производственных и бытовых стоков в водные объек-
ты. Выходы ливневой канализации отмечаются повсеместно, зачастую коллек-
торы, в которые заключены реки, превращаются в настоящие стоковые трубы.
Загрязнение наблюдается на всех малых водотоках Москвы. [19].
5. Аэрозольное загрязнение территорий водоохранных зон, примыкаю-
щих к крупнейшим автомагистралям, пылью, сажей, нефтепродуктами. Напри-
мер, вблизи больших транспортных магистралей, железнодорожных путей.
6. Ограничение прямого доступа к водным объектам общего пользования
в результате сооружения капитальных заборов жилых, производственных и
других территорий [9].
7. Изменение эколого-геологических условий. На территории водотоков
зафиксирована тотальная застройка местности высотными зданиями, торговы-
ми центрами. Прилегающие к зданиям земли полностью заасфальтированы, то
есть запечатаны. Такое использование земель сильно влияет на условия форми-
рования поверхностного стока и возможности экологической реабилитации во-
доохранных зон.
Наименьшему воздействию подвергаются реки, находящиеся в особо
охраняемых зонах, зонах рекреации и парках, так как они приближены к более
естественным условиям существования.
Также одной из главных причин загрязнения малых рек урбанистичных
территорий является сброс промышленных стоков. Многообразие химических
соединений, поступающих в поверхностные водотоки, обусловлено разнообра-
зием использования исходного сырья, способов переработки, а также степени
очистки сточных вод, утилизации промышленных отходов [8].
При этом все источники поступления загрязняющих веществ в реку мож-
но разделить на две категории:
1. Точечные (сосредоточенные) – достаточно стабильные – диапазон из-
менения объема и концентрации, сбрасываемых ими веществ не превышает од-
ного порядка. Степень загрязнения реки от токсичных источников не связана
или очень слабо связана с изменением метеорологических факторов. Эти ис-
точники загрязнения легко идентифицируются.
2. Диффузные (неточечные или рассредоточенные) – в большинстве
весьма динамичны – диапазон изменения объема и концентрации поступающих
от них веществ могут составлять несколько порядков, причем эти изменения
происходят через произвольные перемежающие периоды. Нагрузка от них на
реку напрямую связана с метеорологическими условиями, особенно с выпаде-
нием осадков. Эти источники загрязнения трудно или невозможно идентифи-
цировать.
Для мегаполисов характерно крупномасштабное загрязнение окружаю-
щей среды, загрязнение городских улиц, большое скопление бытовых отходов.
Все эти факторы влияют на состояние малых рек. При этом загрязнение атмо-
сферы мегаполиса обусловлено в первую очередь выбросами автотранспорта, а
не предприятиями теплоэнергетики и металлургии, как в среднем по РФ. Так, в
г. Москве по данным за 2010 год выбросы автомобилей составляют 96% от
суммарных антропогенных выбросов [9].
Другой причиной чувствительности малых рек к антропогенному воздей-
ствию является их низкая способность к самоочищению.
В настоящее время существует несколько подходов оценки антропоген-
ного воздействия на малые реки, например, через определение предельно допу-
стимой техногенной нагрузки. Для определения качества воды в реке исполь-
зуют индекс загрязнения воды. Однако наиболее точным показателем антропо-
генного загрязнения рек признается состояние их донных отложений. Законо-
мерности переноса и трансформации ЗВ, адсорбированных частицами донных
отложений, все больше привлекают внимание исследователей. Выявлены зако-
номерности распространения загрязнений в донных отложениях, например, по-
казатели суммарного загрязнения донных отложений в середине русла город-
ских рек обычно ниже, чем у берегов, что связано с увеличением содержания в
прибрежных зонах дна илистых фракций, наносов, адсорбирующих большое
количество ЗВ (например, тяжелых металлов) [10].
Тяжелые металлы в водах.
Работы, посвященные изучению окружающей среды, все чаще говорят о
загрязнении тяжелыми металлами. К ним относят такие металлы, как: V, Сr,
Mn, Fе, Со, Ni, Сu, Zn, Mо, Сd, Sn, Hg, Pb, Bi и др.[11]. При этом важную роль в
выделении таких веществ в особую группу отводят способности к поглощению
и осаждению этих металлов организмами. Практически все металлы, попадаю-
щие под это определение, активно участвуют в биологических процессах, вхо-
дят в состав многих ферментов [12].
Ионы металлов являются непременными компонентами природных водо-
емов. В зависимости от условий среды они существуют в разных степенях
окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганиче-
ских соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-
дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.
Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органически-
ми веществами; которые являются одной из важнейших форм миграции эле-
ментов в природных водах. Большинство органических комплексов образуются
по хелатному циклу и являются устойчивыми. Поэтому металлорганические
комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные
расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую оче-
редь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозмож-
но [13].
Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в
природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую
доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание,
но и долю свободных и связанных форм металла.
Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет
три следствия:
1. может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла
за счет перехода его в раствор из донных отложений;
2. мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно от-
личаться от проницаемости гидратированных ионов;
3. токсичность металла в результате комплексообразования может сильно
измениться.
Источниками загрязнения вод этой группой металлов служат промыш-
ленные сточные воды, отходы предприятий тяжелой промышленности. Также
они входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вме-
сте со стоком с сельскохозяйственных угодий.
Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто
связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение
кислотных осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов
из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в сво-
бодное [15].
Нефтепродукты.
Различие свойств нефти и воды обуславливает особенности их нахожде-
ния в поверхностных и подземных водах.[15].
Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов: прямую –
«нефть в воде» и обратную – «вода в нефти». Прямые эмульсии, составленные
капельками нефти диаметром до 0.5 мкм, менее устойчивы и характерны для
нефтей, содержащих поверхностно-активные вещества.
При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмуль-
сии, которые могут сохраняться на поверхности в виде тонкой нефтяной плен-
ки, которая перемещается со скоростью примерно в два раза большей, чем ско-
рость течения воды.
Влияние нефтяного загрязнения на водоем проявляется в ухудшении ор-
ганолептических свойств воды (помутнение, изменение цвета, вкуса, запаха);
растворении в воде токсичных веществ; образовании поверхностной пленки
нефти и осадка на дне водоема, понижающей содержание в воде кислорода.
Характерный запах и привкус появляются при концентрации нефти и
нефтепродуктов в воде 0.5 мг/л, а нафтеновых кислот 0.01 мг/л. Значительные
изменения химических показателей воды происходят при содержании нефти и
нефтепродуктов более 100-500 мг/л. Пленка нефти на поверхности водоема
ухудшает газообмен воды с атмосферой, замедляя скорость аэрации и удаления
углекислого газа, образующегося при окислении нефти. При толщине нефтяной
пленки 4.1 мм и концентрации нефти в воде 17 мг/л количество растворенного
кислорода за 20-25 суток понижается на 40%.
ПДК для нефти – 0,05 мг/л [39].
Химическое потребление кислорода (бихроматная окисляемость), ХПК не
должно превышать 15 мг О2/дм3.
Биологическое загрязнение вод.
Основными источниками биологического загрязнения являются сточные
воды практически всех видов промышленного производства, сельского хозяй-
ства, коммунального хозяйства городов и поселков, бытовые и промышленные
свалки, кладбища, скотомогильники. Из этих источников разнообразные орга-
нические соединения и патогенные микроорганизмы попадают в почву и под-
земные воды, где постоянно обитают возбудители столбняка, ботулизма, газо-
вой гангрены, некоторых грибковых заболеваний. В организм человека они мо-
гут попасть при повреждении кожных покровов, с немытыми продуктами пита-
ния, при нарушении правил гигиены.
Биохимическое потребление кислорода (БПК5) не должно превышать при
температуре 20 °С 2,1 мг О2/дм3 [39].
1 Физико-географические условия исследуемой территории
В административном отношении участок расположен в Юго-западном
административном округе г. Москвы на территории района Котловка (рисунок
1).