В настоящее время актуальной проблемой охраны окружающей природной среды в городе является опасность загрязнения рек Севастопольского региона стоками жилых массивов, сельскохозяйственных полей, вымыванием загрязняющих веществ из речного ложа и загрязнение атмосферными осадками.

Согласно тому 8 «Гидрогеологии СССР» [1] в Крыму насчитывается более 1657 постоянных и временных водотоков (рек, ручьев, балок и крупных оврагов) общей протяженностью 5996 км, среди них собственно рек около 150. Реки Крымского полуострова относятся к бассейнам Черного и Азовского морей.

В зависимости от направления стока поверхностных вод в Крыму можно выделить пять групп водотоков. Один из них – реки северо-западных склонов Крымских гор, впадающие в Черное море. К ним относятся в том числе Кача, Бельбек и Черная. По классификации министерства охраны окружающей природной среды перечисленные реки относятся к малым рекам Украины и протекают частично (Кача и Бельбек) или полностью (Черная) по территории города.

Внутригодовое распределение стока рек крайне неравномерное. На паводковый зимне-весенний период приходится до 80-95%, а на меженный летне-осенний 5-20% общего стока. Наибольший месячный сток отмечается в марте (от годового 15-20%) и в апреле (15-20%), минимальный месячный сток (0,5-5%) наблюдается в июле, августе, сентябре и октябре. Периодически на реке Кача наблюдается кратковременное повышение уровня на 2–3 м, а на реках Черная и Бельбек на 4-6 метров. В летние периоды значительные паводки изредка проходят в июне-июле. Минимальный сток отмечается в летне-осенний период, когда реки имеют исключительно грунтовое питание. Поверхностные воды рек региона относятся к гидрокарбонатному классу. Реки не судоходны и потому в них практически не наблюдаются нефтяные углеводороды. Согласно мониторинговым наблюдениям государственного управления по охране окружающей природной среды основными загрязняющими веществами являются биогенные вещества (в основном азотистые соединения). К объектам загрязнения биогенами относятся река Кача и Чернореченское водохранилище. В воде реки Бельбек в последние 12 лет отмечалось повышенное содержание взвешенных веществ и железа. Из других компонентов токсикологической направленности в реках постоянно присутствуют нефтепродукты и синтетические поверхностно-активные вещества.

В прибрежные воды Севастопольского региона в пределах административной границы поступает сток рек Кача, Бельбек и Черной. Воды этих рек находятся в зонах интенсивного сельскохозяйственного, а также промышленного производства. Загрязнение речных вод происходит за счет поступления ливневого стока, бытовых сточных вод, сельскохозяйственных угодий, вымывания отдельных ингредиентов из русла реки, а также поступление загрязнителей из атмосферного воздуха. Таким образом загрязненный речной сток оказывает влияние на полузамкнутые морские акватории и в частности на Севастопольские бухты. Кроме загрязнения бухт при сбросе речного стока большое значение имеет влияние концентрации загрязняющих веществ на флору и фауну самих рек региона и как следствие возможности сохранения характеристик геоэкосистемы «суша-море» западной части города Севастополя.

Вопросы охраны экосистем рек региона и связь загрязнения рек с загрязнением морских вод рассмотрены в «Комплексной программе охраны окружающей природной среды, рационального использования природных ресурсов и экологической безопасности г. Севастополя на период до 2010 года» [2], а также в работе «Гидролого-гидрохимический режим Севастопольской бухты и его изменения под воздействием климатических и антропогенных факторов»[3].

Оценка качества вод рек в Украине производится на основании методики «Организация и осуществление наблюдений за загрязнением поверхностных вод (в системе минэкоресурсов)»[4] в соответствии с которым степень загрязненности вод определяется величиной коэффициента загрязнения КЗ. Полученные числовые значения КЗ позволяют оценить состояние воды рек по уровням загрязненности следующим образом (таблица 1)

Таблица 1. Категории степени загрязненности рек

Министерство охраны окружающей природной среды Украины и его органы на местах проводят постоянный мониторинг степени загрязнения рек региона в течении достаточно большого периода времени (начиная с 1995 года). Получение данных и обработка результатов мониторинга осуществляется в соответствии с требованиями методики «Организация и осуществление наблюдений за загрязнением поверхностных вод (в системе минэкоресурсов)»[4]. На основании наблюдений проведены расчеты величин кратности превышения ПДК по десяти контролируемым ингредиента (перечень ингредиентов определяется госуправлением) и величин КЗ рек в течении года. Анализ данных величин для малых рек региона показывает, что наиболее незагрязненной является река Черная, которая относится к умеренно загрязненным. Остальные реки региона также относятся к умеренно-загрязненным но по верхнему пределу загрязнения (таблица 1). Из двух оставшихся рек Кача течет по территории Севастополя на протяжении более 5 км. и поэтому не представляет интереса с точки зрения разработки мероприятий по уменьшению техногенной нагрузки непосредственно на реку и как следствие на загрязнение моря в месте падения. Так как на протяжении протекания реки по территории на землях региона отсутствуют сбросы сточных вод промышленных предприятий и населенных пунктов. С точки зрения разработки мероприятий по выявлению источников антропогенного и природного загрязнения, как следствие разработки мероприятий по уменьшению воздействия данных источников на экосистему «река-море» представляет собой река Бельбек.

В целях сохранения экосистемы «река Бельбек – Черное море» в месте ее впадения, а также сохранения уникальных свойств реки как рыбохозяйственного водоема необходимо установить источники загрязнения реки и разработать мероприятия по снижению загрязнения от идентифицированных источников.

Цель исследования состоит в разработке подходов и предложений к методу идентификации источников повышенного загрязнения реки соединениями железа и взвешенными веществами реки Бельбек и разработке мероприятий по предупреждению установленного повышенного загрязнения реки.

Общие показатели загрязнения реки.

На основании данных мониторинга, проводимого государственным управлением экологии и охраны окружающей природной среды в г. Севастополе построен график изменения коэффициента загрязнения (КЗ) вод реки Бельбек за период 1995 – 2007 годы, представленный на рисунке 1.

Анализируя зависимости представленные на графике необходимо отметить резкий рост комплексной величины оценки степени загрязнения реки, каковой является КЗ в период 1999-2003 годов. Одновременно в этот же период наблюдается резкий рост величин средних концентраций загрязнения по взвешенные веществам, соединениям железа и нефтепродуктам. Данные перечисленных величин представлены на рисунке 2.

Обобщая и анализируя данные представленные на рисунке 2 и таблице 2 можно сделать следующие выводы:
– расчетные коэффициенты парной корреляции между среднегодовыми концентрациями в период 1995-2007 годов составляют:

0,81 – для взвешенных веществ и соединений железа;
0,043 – для взвешенных веществ и нефтепродуктов;
0,046 – для соединений железа и нефтепродуктов.

Корреляционный анализ представленных величин показал хорошую корреляционную связь в формировании величины концентрации загрязняющих веществ между взвешенными веществами и соединениями железа и отсутствие таковой между нефтепродуктами и взвешенными веществами, а также нефтепродуктами и соединениями железа. То есть физико-химические механизмы загрязнения вод реки взвешенными веществами и железом близки между собой и независимы от механизма загрязнения нефтепродуктами.

Взвешенные вещества.

Проведем анализ источников загрязнения реки Бельбек взвешенными веществами в двух пунктах наблюдений, а именно в поселке Верхнесадовое и пос. Вавилово. В качестве источников загрязнения предположим:

1. Сток реки выше на 0,5 км поселка В.Садовое – соответствует контрольному пункту №1;
2. Сброс хозяйственно-бытовых сточных вод с очистных сооружений пос. В.Садовое – соответствует пункту контроля №2;
3. Сток реки на 0,5 км ниже пос. В.Садовое – соответствует контрольному пункту №3;
4. Сток реки на 0,5 км ниже пос. Вавилово – соответствует контрольному пункту №4;
5. Смыв и осаждение загрязняющих веществ на ложе и берега русла реки, и выпадение с осадками на поверхность воды.

При изучении сложных явлений сброса сточных вод в водоемы, вымыва и осаждения ЗВ на ложе и берега реки необходимо принимать во внимание более двух случайных факторов.

Правильное представление о природе связи между тремя и более факторами можно получить только в том случае, если подвергнуть исследованию одновременно все рассматриваемые случайные величины. Совместное изучение трех или более случайных величин позволяет в то же время выделить влияние на один из рассматриваемых факторов какого-либо другого фактора при некоторых постоянных значениях остальных величин.

Для решения этих вопросов в настоящей работе применяются методы парной и частной корреляции. В частности для выявления источников загрязнения реки Бельбек в период 2000-2003 годов исследуются три имеемых временных ряда случайных величин концентраций взвешенных веществ в водотоке реки выше пос. В.Садовое (пункт1), ниже пос. В.Садовое (пункт 3), сбросе с КОС поселка (пункт2) и ниже пос. Вавилово (пункт 4). Особенностью загрязнения вод указанного района является влияние на загрязнение водотока реки в пункте 3 (ниже В.Садового) загрязнений реки в пункте 1 (выше В.Садового), загрязнений в сбросах КОС и результатов вымыва взвешенных веществ из ложа реки. Определение «долей» составляющих загрязнения в нижнем створе (пункт 3) от перечисленных источников осуществляем на первом этапе анализа определением коэффициентов парной корреляции по общеизвестным зависимостям между источниками и нижним створом после пос. в.Садовое.(Таблица 2).

Таблица 2. Коэффициенты парной корреляции между пунктами контроля загрязнения взвешенными веществами реки Бельбек в районах пос. Верхнесадовое и пос. Вавилово

Анализируя расчетные величины, приведенные в таблице 2 сделаем следующие выводы:

• в 2001 и 2003 годах концентрация взвешенных веществ в водах реки (рисунок 2) минимальна. Минимальную величину принимает и коэффициент парной корреляции загрязнения между 1 и 3 пунктами контроля – 0,67 и 0,81 соответственно;
• в 2000 и 2002 годах концентрация взвешенных веществ в водах реки (рисунок 2) принимает максимальные значения, что соответствует максимальным значениям коэффициентов парной корреляции .– 0,95 и 0,99 соответственно;
• корреляция между загрязнение реки в контрольных пунктах 3 и практически не зависит от года наблюдений и достаточно высока.

Второй этап анализа состоит в определении «доли» источников в загрязнении вод реки в контрольном пункте 3. Данный этап проводится на основании анализа коэффициентов частной корреляции между источниками загрязнения пункт 1 (при исключении 2) и пунктом контроля 3. В данном случае частный коэффициент корреляции определяет меру тесноты линейной связи между концентрациями – стока реки ниже В.Садового (пункт 3) и выше поселка (пункт 1) при исключении учета сброса загрязненных стоков с КОС В.Садового (r 13,2);

Расчеты описанных величин производятся на основании зависимости:

Определение «доли» загрязнения, вносимой в поток реки в контрольном створе пункта 3 будем исходить из анализа изменения коэффициентов детерминации, определяемых соотношениями  k13 = r13 * r13 * 100 – которое определяет степень зависимости в процентах загрязнения вод реки в пункте 3 от потока реки , смыва загрязнений с полей и атмосферных осадков и сброса с КОС пос.В.Садовое и  k13.2 = r13.2 * r13.2 * 100  – которое определяет степень зависимости в процентах загрязнения вод реки в пункте 3 от потока реки и смыва загрязнений с полей и атмосферных осадков.
«Доля» влияния сброса с канализационных очистных сооружений пос. В.Садовое на загрязнения в пункте 3 ниже поселка определяется как (в процентах)
k2 = k13 - k13,2  (2)
«Доля» влияния смыва и осаждения загрязняющих веществ на ложе и берега русла реки, а также выпадения с осадками на поверхность воды определяется как (в процентах)
k см = 100 - k13 (3)
«Доля» влияния стока реки на загрязнение в пункте 3 ниже поселка определяется как (в процентах)
k сток = k 13,2 (4)
Далее в таблице 3 приведены результаты расчетов коэффициентов детерминации влияния источников загрязнение вод реки в пункте 3, а также данные о среднегодовом расходе реки по годам.

Таблица 3. Коэффициенты парной и частной корреляции и коэффициенты детерминации (%) в расчете «долей» источников при загрязнении реки Бельбек за пос. Вавилово.

Анализ источников загрязнения реки показывает, что максимальная загрязненность реки  в 2000 и 2002 годах (рисунок 2) определяется в первую очередь загрязненностью вод, поступающих в контрольный пункт 3 со стоком реки (таблица 3). Уменьшение абсолютных величин загрязненности (концентрации взвешенных веществ в стоке) в 2001 и 2003 годах коррелированно с увеличением «доли» смыва и сброса в загрязнении вод в контрольном пункте наблюдений 3.

Соединения железа

Анализ источников загрязнения реки Бельбек соединениями железа проводился в двух пунктах наблюдений, а именно выше и ниже пос. Верхнесадовое (пункты 1 и 3) и ниже пос. Вавилово (пункт 4). Потенциальные источники загрязнения речных вод рассмотрены в разделе «Взвешенные вещества». Данные аналитического контроля по сбросу вод, загрязненным железом, с КОС пос. В.Садовое отсутствуют. Поэтому при проведении анализа  невозможно выявления отдельных составляющих загрязнения по аналогии с вышеописанными взвешенным веществам.

Для решения вопросов оценки степени линейной связи между контрольными пунктами загрязнения реки по параметру «железо» в настоящей работе применяются методы парной корреляции. В частности для выявления источников загрязнения реки Бельбек в период 2000-2003 годов исследуются два имеемых временных ряда случайных величин концентраций соединений железа в водотоке реки выше пос. В.Садовое (пункт1), ниже пос. В.Садовое (пункт 3) и ниже пос. Вавилово (пункт 4). При проведении анализа определяются общие зависимости и связи имеющие место при загрязнении вод соединениями железа. Результаты анализа представлены в таблице 3 и на рисунке 4.Для удобства рассмотрения в таблице приведены частично данные по взвешенным веществам.

Анализ динамики изменения среднегодовых концентраций загрязнения реки (рисунок 2) и изменений степени линейной связи по загрязнению между контрольными пунктами (рисунок 3) показал следующее – в 2000 и 2002 годах имеет место повышенное содержание концентраций железа в водах реки (в 7-8 раз по отношению к обычному состоянию).

Таблица 4. Коэффициенты парной корреляции между пунктами контроля загрязнения соединениями железа реки Бельбек в районах пос. Верхнесадовое и пос. Вавилово

При этом коэффициенты парной корреляции определяющие степень связи между загрязнением пунктов парных наблюдений (1…3) и (3…4) достаточно высоки и составляют – 0,97-0,99 несмотря на достаточно большую разницу в расстояниях между пунктами парных наблюдений. Исходя из сказанного, можно сделать вывод о превалирующем переносе соединений железа с потоком реки из пункта 1 в пункт 3 и пункта 3 в пункт 4. То есть основная доля загрязнения приходится не на сброс железа с КОС пос. Вавилово или смыв его в реку, а на перенос загрязнений с вышестоящих участков реки.

В 2003 и далее годах концентрации железа в водах реки принимают обычную величину многолетних наблюдений. При этом величины коэффициентов парной корреляции определяющие степень связи между загрязнением пунктов парных наблюдений (1…3) и (3…4) резко падают и составляют для пунктов (1…3) – 0,42 и для пунктов (3…4) - 0,18. Исходя из представленного, можно сделать вывод, что при концентрациях железа в реке соответствующих многолетним наблюдениям определяющими источниками загрязнения реки могут быть смывы с полей и вымывы с берегов реки, а также атмосферные осадки. Перенос соединений железа с водами стока не играют превалирующего значения. При этом с увеличением расстояния между контрольными пунктами (1…3)  (3…4) коэффициент парной корреляции падает 0,42 и 0,18 соответственно. Отмеченный результат свидетельствует о том, что соединения железа в процессе переноса и снижения скорости потока воды осаждаются на ложе реки, что не так характерно для взвешенных веществ, имеющих корреляцию 0,97 и 0,81 соответственно.

Выводы.

Результаты анализа загрязнения реки Бельбек позволяют сделать следующие выводы:

1. Физико-химические механизмы загрязнения вод реки взвешенными веществами и железом близки между собой и независимы от механизма загрязнения нефтепродуктами.
2. Представленные в работе данные позволили разработать методику определения вклада природных и антропогенных составляющих взвешенных веществ в загрязнение вод реки в контрольных пунктах наблюдений.
3. При повышенном среднегодовом содержании взвесей и железа в водах основная доля загрязнения приходится не на сброс загрязняющих ингредиентов с КОС пос. Вавилово или смыв их в реку с берега или выпадение из атмосферы, а на перенос загрязнений с вышестоящих участков реки в контрольные пункты наблюдений.
4. В случаях, когда среднегодовые концентрации взвесей и железа в водах реки принимают обычную среднестатистическую величину, характерную для многолетних наблюдений определяющими источниками загрязнения реки могут быть смывы с полей и вымывы с берегов реки, а также атмосферные осадки. Перенос соединений железа с водами стока не играют превалирующего значения.
5. При анализе факта увеличения расстояния между контрольными пунктами и снижения скорости потока  установлено, что соединения железа в процессе переноса осаждаются на ложе реки, что подтверждается снижением корреляции между контрольными пунктами при увеличении между последними расстояния.

Перспективы дальнейших исследований

Дальнейшие исследования вопроса установления источников загрязнения вод рек севастопольского региона могут быть направлены на уточнение математической модели процесса загрязнения для остальных не рассмотренных в работе загрязняющих веществ. На основе проведенных исследований возможна разработка обоснованных мероприятий по экологическому улучшению состояния рек.

Источники информации

1. Гидрогеология СССР. Том 8 Крым /А.В.Сидоренко [ и др. ] – М. : Изд-во НЕДРА,1970. – 367 с.
2. Комплексная программа охраны окружающей природной среды, рационального использования природных ресурсов и экологической безопасности г. Севастополя на период до 2010 года т 1 Диагноз состояния окружающей среды Заключительный отчет по договору №2000/7 от 18.10.2000 г. ОЦ НАН Украины с государственной городской администрацией г. Севастополя Севастополь 2001
3. Гидролого-гидрохимический режим Севастопольской бухты и его изменения под воздействием климатических и антропогенных факторов / В.А.Иванов [и др.] –Севастополь, 2006. – 90 с.
4. КНД211.1.1.106-2003 Организация и осуществление наблюдений за загрязнением поверхностных вод (в системе минэкоресурсов)