Нагрузка ливневого стока на поверхностные воды внутригородского водотока

Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №19 УДК 626.814:681.518

Р. Н. Сабанаев, О. В. Никитин, В. З. Латыпова, Д. Е. Лукоянов, Н. Ю. Степанова, О. Г. Яковлева, Р. А. Шагидуллина, А. Т. Горшкова, Р. М. Сафиуллин

НАГРУЗКА ЛИВНЕВОГО СТОКА НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ

ВНУТРИГОРОДСКОГО ВОДОТОКА

Ключевые слова: дождевые и талые поверхностные стоки, антропогенная нагрузка, водные объекты, г. Казань.

В работе приводится количественная оценка антропогенной нагрузки ливневых стоков на поверхностные воды р. Казанки, имеющей статус памятника природы на всем её протяжении. Антропогенная нагрузка от сброса ливневых сточных вод на р Казанку в черте г. Казани составляет более 2 миллионов м3 в год, суммарная масса загрязняющих веществ, поступающих ежегодно с поверхностным стоком, составляет более 950 т. Преобладающий вклад в общую нагрузку загрязняющих веществ вносит дождевой поверхностный сток в сравнении со стоком талых вод. Предложены рекомендации по снижению нагрузки ливневых стоков на поверхностные воды внутригородских водоемов.

Keywords: runoff, melt water, surface water, anthropogenic load, Kazan city.

The article presents the quantitative assessment of anthropogenic load of runoff on a surface water of Kazanka river in the boundaries of the Kazan city. Anthropogenic load from runoff sewage was calculated on the level of more than 2 million m3 in a year, the total mass of the pollution was more than 950 t. per year. The main contribution to the total contamination load was made by a rainoff in comparison with a melt water. Recommendations of decreasing of runoff load on a surface water were offered.

Введение

Поверхностный сток с промышленно-урбанизированных территорий является интенсивным фактором антропогенной нагрузки на природные водные объекты и относится к числу реальных экологических угроз. Закономерности формирования состава и свойств поверхностных сточных вод с урбанизированных территорий изучались отечественными и зарубежными учеными [1-5]. При существующих системах очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод загрязненность водных объектов продолжает нарастать в основном за счет сброса в них ливневых сточных вод [1], так как основное количество поверхностного стока с территорий жилых комплексов и дорог поступает в водоемы без очистки, это создает угрозу экологической безопасности урбанизированных территорий и здоровью населения [1,6]. В связи с этим вопросы, связанные с поверхностным стоком с промышленно-урбанизированных территорий, делают проблему оценки и ограничения этого вида техногенной нагрузки на окружающую среду чрезвычайно актуальной.

Образующийся поверхностный сток смывает и выносит с потоком растворимые и нерастворимые примеси [2,3]. Характерными загрязняющими веществами поверхностного стока с городской территории, оказывающими наиболее существенное негативное влияние на состояние водных объектов, являются взвешенные вещества и нефтепродукты. Большую долю загрязнений поверхностных вод составляют взвешенные вещества - частицы минерального (продукты разрушения дорожного покрытия и эрозии почвы, песок, глина, глинистые частицы, промышленные выбросы, частицы несгоревшего топлива, нерастворимые соли, мусор) и органического (коллоидные гуминовые соединения, опавшие цветы и листья, продукты распада органического вещества) происхо-

ждения [7,8]. Концентрация взвешенных веществ в дождевых и талых стоках многократно превышает значения этого показателя не только в сбрасываемых в водные объекты очищенных хозяйственно-бытовых водах, но в хозяйственно-бытовых водах, поступающих на городские очистные сооружения. На высокодисперсных частицах взвешенного вещества сорбируются и вместе с ними переносятся с поверхностным стоком ионы растворенных веществ, соли противогололёдных препаратов, тяжелые металлы, СПАВ, органические вещества, продукты их распада, вирусы, бактериальные загрязнения, поступающие в водосток при плохом санитарно-техническом состоянии территории и канализационных сетей, и т.д. [9]. На твердых частицах сорбировано также и основное количество нефтепродуктов, попадающих на поверхность водосбора в результате неисправностей автотранспорта и другой техники и представляющих собой смесь горюче-смазочных материалов (моторные и транс-миссионные масла, тормозная жидкость, бензины и т.д.) [3].

Данная статья посвящена количественной оценке антропогенной нагрузки организованных выпусков поверхностных сточных вод с территории г. Казани в р. Казанку и разработке рекомендаций по снижению нагрузки ливневых стоков на поверхностные воды внутригородских водных объектов.

Объекты и методы исследования

В ходе экспедиционных выездов 2013 - 2015 гг. проведено обследование основных выпусков сброса ливневой канализации р. Казанки в черте г. Казани в соответствии с ГОСТ Р 53778-2010.

Карта - схема отбора проб организованных выпусков ливневых сточных вод в бассейне р. Казанки приведена на рисунке 1. Пространственную

привязку пунктов контроля осуществляли с помощью GPS навигации (GarmineTrex H).

Рис. 1 - Карта - схема отбора проб выпусков ливневых сточных вод в бассейне р. Казанки

Отбор проб воды проводили в соответствии с действующими методиками [10,11].

Химико-аналитические исследования проводили на базе лаборатории экологического контроля кафедры прикладной экологии. В отобранных пробах анализировали содержание взвешенных веществ и нефтепродуктов [12, 13].

Для анализа антропогенной нагрузки на водные объекты в результате сброса поверхностных сточных вод с территории г. Казани и ранжирования отдельных выпусков по степени воздействия использованы расчетные данные по расходу (объему) дождевого и талого стоков, полученные на основе анализа площади водосбора для каждого выпуска, а также экспериментальные данные по массе сбрасываемых с поверхностным стоком загрязняющих веществ (взвешенных веществ и нефтепродуктов) [14]. При этом для оценки нагрузки организованных выпусков ливневых сточных вод на поверхностные воды использовали принятые в литературе [15,16] критерии.

Расчет объемов талого стока для каждого организованного выпуска проводили по формуле:

W^^^^S^T*^, (м3/год.) где WT^ - среднегодовой объем талого стока; НТхол, (мм) - слой атмосферных осадков в холодный период года (ноябрь - март, талый слой); YT - коэффициент талого стока - 0,7; Ку - коэффициент, учитывающий частичный вывоз и уборку снега; S - площади водосборов, определенные по принятой методике [14].

Статистическую обработку данных проводили с помощью пакетов программ STATISTICA и Microsoft Excel.

Результаты и их обсуждение

Организованное поступление поверхностных сточных вод с территории г. Казани в р. Казанку осуществляется через 6 основных выпусков: «Дружба», «М25», «Ветеринарный», «Ершова», «Дворец Единоборств» и «Молодежный» (рис. 1).

На основе полученных экспериментальных данных о концентрации взвешенных веществ и нефтепродуктов в составе талого и дождевого стоков в р. Казанку в исследуемых выпусках, оценки площади территории водосбора для каждого выпуска и объе-

мов дождевого и талого стоков рассчитаны значения массы сбрасываемых с поверхностным стоком основных загрязняющих веществ (рис.2).

Для оценки нагрузки выпусков ливневых сточных вод на поверхностные воды р. Казанки использованы принятые критерии химической нагрузки на водные объекты [15, 16]:

1. Годовой расход сточных вод (V, м3/год), сбрасываемых в водный объект. Однако один этот критерий не отражает количества поступающих в водный объект загрязняющих веществ, если их концентрация в сточных водах различных выпусков существенно различаются.

2. Индивидуальная (М, т/год) и суммарная масса (ХМ, т/год) сбрасываемых со сточными водами загрязняющих веществ является более адекватной мерой антропогенной нагрузки. В свою очередь простое суммирование масс различных загрязняющих веществ не учитывается степени опасности этих веществ и не всегда может быть объективной мерой воздействия на поверхностные воды.

3. Ущерб в стоимостном выражении (У, руб./год) от суммарного сброса загрязняющих веществ в водные объекты, учитывающий совокупное действие веществ с учетом класса их опасности [18,19]. Данный критерий рассчитывается по формуле:

У = Кэ1ф-^М,- -Ууд -КИН,/ /

где К3/ф - коэффициент, учитывающий экологические факторы (состояние водных объектов) по бассейнам рек, равный 1,35 для Республики Татарстан; У уд,/ - удельный ущерб по каждому ингредиенту, или ставка платы за сброс загрязняющих веществ в водные объекты в пределах норматива допустимого сброса (НДС). В условиях отсутствия разработанных НДС в водные объекты г. Казани, как и многих городов России [1], что величины не разработаны, поэтому расчет ущерба производили как для сверхлимитного сброса с пятикратным повышающим коэффициентом; КИн / - коэффициент индексации.

Согласно результатам расчетов по первому из указанных критериев (по «расходу», т.е. объему поверхностных сточных вод с территории г. Казани), наибольший вклад в нагрузку поверхностных сточных вод на р. Казанку вносит выпуск «Дворец Единоборств», а наименьшую - выпуск «Ветеринарный». Следовательно, нагрузка по критерию расход поверхностных сточных вод определяется величиной площади водосбора, которая максимальна для выпуска «Дворец Единоборств» (283 га) и минимальна для выпуска «Ветеринарный» (59 га).

Оценка нагрузки организованного сброса ливневых поверхностных сточных вод в реку с территории г. Казани по второму из принятых критериев - по критерию «суммарная масса» сбрасываемых загрязняющих веществ (рис.2) выявила, во-первых, что ряд по уменьшению нагрузки по данному критерию возглавил выпуск «Ершова» («Ершова» > «Дворец Единоборств» > «Дружба»

> «М25» > «Ветеринарный» > «Молодежный»), который, несмотря на меньшую площадь водосбора по сравнению с выпуском дворца Единоборств, по-видимому, выносит в р. Казанку большую массу загрязняющих веществ; во-вторых, определяющий вклад в загрязнение поверхностного стока в р. Казанку вносит дождевой сток (77 %), вклад нагрузки талого стока намного ниже (23 %). Последнее может быть

связано с так называемым «эффектом высаливания», состоящим в миграции основной части химических соединений, содержащихся в снежном покрове, вместе с первыми порциями талой воды в почвенный покров и поступлении остаточного более чистого талого стока в поверхностные воды [17].

Рис. 2 - Нагрузка выпусков дождевых и талых сточных вод на р. Казанку, оцениваемая по критерию масса взвешенных веществ и нефтепродуктов, поступающих с поверхностным стоком

Наиболее информативным критерием нагрузки и воздействия загрязняющих веществ на водный объект является третий из принятых критериев - «ущерб» водному объекту в стоимостном выражении от сброса сточных вод, включающий в неявном виде ставки платы за сброс загрязняющих веществ в водные объекты [15, 16].

Сравнение ущерба водному объекту от воздействия дождевых и талых стоков также показывает, что на каждом выпуске сточных вод дождевой сток оказывает более сильное воздействие на водный объект, нежели талый. Ранжирование источников воздействия на поверхностные воды р. Казанки приводит к следующему ряду по снижению нагрузки по величине ущерба в стоимостном выражении от суммарного поверхностного стока загрязняющих веществ: «Ершова» > «Дружба» ~ «Дворец Единоборств» ~ «М25» > «Ветеринарный» > «Молодежный». Наибольший ущерб водам р. Казанки в стоимостном выражении (в тыс. руб./год) приносит организованный сброс поверхностных вод от выпуска «Ершова» (14741), наименьший - выпуск «Молодежный» (1027), при этом общая сумма ущерба составляет более 33 млн. руб. в год.

Полученные в данной работе результаты с учетом проанализированных ранее [1] требований водного законодательства при эксплуатации городских систем водоотведения ливневых сточных вод в поверхностные воды позволяют сформулировать рекомендации по снижению нагрузки ливневых стоков на поверхностные воды внутригородских водоемов. В связи со значительной зависимостью загрязненности поверхностного стока от санитарного состояния водосборных площадей необходимо, прежде всего, предусмотреть организационно-технические мероприятия по снижению количества выносимых примесей при эксплуатации систем дождевой канализации территории

г. Казани; необходим поиск технических возможностей для вторичного использования предприятиями и организациями очищенных поверхностных сточных вод на технологические нужды и др. Наряду с этими и другими, отраженными в нормативных [1] и электронных материалах [http://masters.donntu.edu.ua], в число первоочередных мероприятий требуется включить проведение комплексных научно-технических работ по научному обоснованию и утверждению нормативов допустимых сбросов (НДС) загрязняющих веществ в водные объекты на выпусках поверхностных сточных вод, отводимых во внутригородские водные объекты, что декларируется природоохранным законодательством, но, как правило, не реализуется на практике. Нормирование сбросов поверхностных вод во внутригородские водоемы является наиболее наукоемкой процедурой, требующей количественного учета не только внешней нагрузки на принимающий поверхностные стоки водный объект, но и оценки ассимилирующей емкости водной экосистемы. Величина НДС и текущее экологическое состояние водного объекта - реципиента позволяют оценить целесообразность очистки различных лив-нестоков, а при проектировании очистных сооружений служат основой для расчета необходимой эффективности их работы.

Заключение

Таким образом, в работе количественно оценена нагрузка организованных выпусков поверхностных сточных вод на поверхностные воды р. Казанки в черте г. Казани по принятым критериям. Антропогенная нагрузка от сброса ливневых сточных вод составляет более 2 миллионов м3/год, суммарная масса загрязняющих веществ, посту-

пающих ежегодно с поверхностным стоком, составляет более 950 т. Преобладающий вклад в общую нагрузку загрязняющих веществ вносит дождевой поверхностный сток в сравнении со стоком талых вод. Предложены рекомендации по снижению нагрузки ливневых стоков на поверхностные воды внутригородских водоемов для поддержания качества поверхностных вод в состоянии, соответствующем требованиям природоохранного законодательства.

Река Казанка, подвергающаяся, как показано в данной работе, значительной антропогенной нагрузке при эксплуатации городских систем водоотведения ливневых сточных вод в черте г. Казани, имеет статус памятника природы. Однако статус памятника природы и охраняемых территорий может быть практически реализован лишь на отдельных участках реки, не испытывающих антропогенного воздействия (например, исток, участки с обширными зарослями водной растительности и большой самоочищающей способностью, участки, где встречаются редкие и исчезающие виды и т.д.). Для обоснованного выделения подобных участков требуются, во-первых, продолжение систематических исследований по количественной оценке внешней нагрузки на водный объект также и других видов источников загрязнения (организованного сброса сточных вод предприятий, диффузного стока, рекреации и т.д.) на всем ее протяжении и, во-вторых, - организация системы мониторинговых исследований как на охраняемых территориях, так и на антропогенно нагруженных участках по различающимся программам.

Литература

1 О.В. Никитин, В.З. Латыпова, Р.Н. Сабанаев, Р.А. Шагидуллина, Р.М. Сафиуллин, Д.Е. Лукоянов Д.Е., О.Г. Яковлева О.Г., А.Т. Горшкова, А.А. Дмитриев, Российский журнал прикладной экологии, № 3, 56-60 (2015). 2. В.И. Кичигин, Водоснабжение и санитарная техника, N° 11, 28-32 (2002).

3. И.С. Щукин, А.Г. Мелехин, Вестник ПНИПУ, Урбанистика, №4, 110-119 (2012).

4. B.E. Hatt, T.D. Fletcher, A. Deletic, Journal of Hydrolog. № 365 (3-4), 310-321 (2009).

5. M. Dietz and J. Clausen. Water, Air and Soil Pollution. Vol. 167, 123-138 (2005).

6. Р.Н. Сабанаев, О.В. Никитин, А.П. Бравков, М.Н. Ежкова, Сборник научных трудов молодых ученых (I Республиканской молодежной экологической конференции, г. Казань, 1011 апреля 2014 г.). Казань: Отечество, 261-268 (2014).

7. М.В. Молоков, В.Н. Шифрин. Очистка поверхностного стока с территорий городов и промышленных площадок. М., 1977. 104 с.

8. Л.С. Алексеев Контроль качества воды. М., 2004. 153 с.

9. М.Г. Журба, Ж.М. Говорова, О.Б. Говоров. Водоснабжение и сан. техника, № 3, 25-29 (2003).

10. ГОСТ Р 51592-2000. «Вода. Общие требования к отбору проб» (Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 21 апреля 2000 г. № 117-ст).

11. РД 52.24.353-2012. «Рекомендации. Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод». (утв. 10.05.2012).

12. ПНД Ф 14.1:2.110-97. «Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений содержаний взвешенных веществ и общего содержания примесей в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом». (Утв. Зам. Председателя Государственного комитета РФ по охране окружающей среды 21 марта 1997 г.).

13. ПНД Ф 14.1:2:4.168-2000 (ФР.1.31.2010.07432). «Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовой концентрации нефтепродуктов в питьевых, природных и очищенных сточных водах методом ИК-спектрофотометрии с применением концентратомеров серии КН». (Утв. Зам. Председателя Государственного комитета РФ по охране окружающей среды 17 марта 2000 г.).

14. СП 32.13330.2012 Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85.

15. О.Г. Яковлева, В.З. Латыпова, Р.Р. Шагидуллин, А.П. Бравков, Ф.Ю. Хайрутдинов, Л.А. Гайнутдинова, Сборник материалов конгресса «Чистая вода». Казань: ВЦ Казанская ярмарка, 227-230 (2010).

16. Р.Р. Шагидуллин, В.З. Латыпова, О.В. Никитин, О.Г. Яковлева, Георесурсы, №2(38), 21-23 (2011).

17. В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Гидрометеоиздат, Л., 1985. 182 с.

© Р. Н. Сабанаев - асп. каф. прикладной экологии Института экологии и природопользования КФУ, ruslans_90@mail.ru; О. В. Никитин - канд. геогр. наук, доцент каф. прикладной экологии Института экологии и природопользования КФУ, olnova@mail.ru; В. З. Латыпова - д-р хим. наук, профессор той же кафедры, член-корр. АН РТ, главный научн. сотр. Института проблем экологии и природопользования АН РТ, ecoanrt@yandex.ru; Д. Е. Лукоянов - главный инженер ООО «ВТС», proekt@vt-kazan.ru; Н. Ю. Степанова - д.б.н., зав. каф. прикладной экологии Института экологии и природопользования КФУ, step@mi.ru; О. Г. Яковлева - канд. хим. наук, доцент каф. прикладной экологии того же института, olga.yakovleva@kpfu.ru; Р. А. Шагидуллина - д-р хим. наук, начальник Управления Министерства экологии и природных ресурсов РТ, Raisa.Shagidullina@tatar.ru; А. Т. Горшкова - канд. геогр. наук, зав. лаб. гидрологии Института проблем экологии и недропользования АН РТ, agorshkova@gmail.com; Р. М. Сафиуллин - зав. НАМЦ ИНО КФУ, rinateco 1 @mail.ru.

© R. N. Sabanaev - Graduate Student, Department of Applied Ecology at the Institut of Ecology and Environmental Sciences KFU, ruslans_90@mail.ru; O. V. Nikitin - PhD in Geography, Associate Professor, Department of Applied Ecology at the Institut of Ecology and Environmental Sciences KFU, olnova@mail.ru; V. Z. Latypova - Dr. Sc. in Chemistry, Professor, Department of Applied Ecology at the Institut of Ecology and Environmental Sciences KFU, Corresponding Member of Republic Tatarstan Academy of Sciences, Principal research scientist at the Institut for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences ecoanrt@yandex.ru; D. E. Lukoianov - Chief Engineer, LLC "WTS", proekt@vt-kazan.ru; N. Yu. Stepanova - Head of Department of Applied Ecology at the Institut of Ecology and Environmental Sciences KFU, step@mi.ru; O. G. Yakovleva - PhD in Chemistry, Associate Professor, Department of Applied Ecology, at the Institut of Ecology and Environmental Sciences KFU, olga.yakovleva@kpfu.ru; R. A. Shagidullina - Dr. Sc. in Chemistry, Head of Department, Ministry of Ecology and Natural Resources of the Republic of Tatarstan. Raisa.Shagidullina@tatar.ru; A. T. Gorshkova - PhD in Geography, Head of Laboratory of Hydrology, Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, agorshkova@gmail.com; R. M. Saflullin - Assistant Manager, Independent Attestative and Methodical Centre, Institute of Continuing Education, Kazan Federal University, rinateco1@mail.ru.