Енисей
92
|
Дон
|
49
|
Северная Двина
|
41
|
Колыма
|
23
|
Терек
|
21
|
Из таблицы 3 видно, что больше всего несчастных случаев произошло именно в бассейне Оби. Проблема заключается не только в огромном количестве аварий, приведших к загрязнению. Главным притоком реки Обь является Иртыш, которая проходит через Китай и Казахстан. Регулировать качество притекающей в Россию воды сложно. К тому же китайцы построили на своей территории Иртыша огромный промышленный комплекс, бесконтрольно загрязняющий реку своими отходами и сбросами вод после производства.
Из 32 предприятий-водопользователей в Свердловской области – 22 предприятия черной и цветной металлургии. Они производят сброс 4/5 всех сточных вод в регионе. Список этих предприятий представлен в приложении 4.
Это 22 огромных предприятия, крупнейших как на российском рынке, так и на мировом. Для исследования были использованы такие показатели данных предприятий, как выпуск продукции, забор воды и сброс воды за год. Исследуемый период с 2000 по 2009 года.2
Исходя из динамики выпуска продукции, забора и сброса воды можно сделать вывод, что исследуемые предприятия качественно различаются по типам использования воды. Целью следующего анализа является разделение предприятий на несколько категорий по типам использования водных ресурсов. Первым показателем данного разбиения выступит корреляция выпуска продукции и потерь воды в процессе производства. (Приложение 5) Вторым показателем, который используется при разбиении, выступила вариативность потерь воды в процессе производства по отношению к вариативности выпуска. По этим двум показателям и будет производиться кластеризация исследуемых предприятий. В результате кластеризации предприятий выделены 4 группы, которые можно идентифицировать по характеру взаимосвязи потерь воды с выпуском продукции.
Разбиение исследуемых предприятий на кластеры проводилась методом Варда. Результаты кластерного анализа представлены на рисунке 11 и в таблице 4.
Рис. 11. Дендрограмма с использованием метода Варда.
Таблица 4.
Количество предприятий в группах по типу водопользования.
Группа
|
Кол-во предприятий
|
Экстенсивная
|
8
|
Интенсивная
|
4
|
Стабильная
|
7
|
Хаотичная
|
3
|
К первому кластеру предприятий были отнесены предприятия, для которых обнаружена высокая положительная корреляция между потерями водных ресурсов и совокупным выпуском продукции. Таким образом, данный кластер можно характеризовать как «экстенсивный». Предприятия данной группы отличаются прямой сильной взаимосвязью показателей, что говорит о том, что увеличение выпуска приводит к увеличению потерь водных ресурсов. Как правило, такие предприятия расширяют производство и свои основные фонды путем увеличения водоподачи.
Во вторую группу предприятий попали предприятия, у которых была обнаружена высокая отрицательная корреляция между затратами водных ресурсов и выпуском продукции. То есть увеличение выпуска продукции приводит к снижению потерь забираемой воды. Данная группа предприятий идентифицируется как «интенсивная». Эти предприятия характеризуются технологическим прогрессом, позволяющим сберегать водный ресурс, заменять его другими теплоемкими жидкостями и повышать эффективность производства.
В третью группу были отобраны те, у кого корреляция выпуска и потерь воды невелика, а также небольшая вариативность потерь по отношению к изменениям выпуска. Данная группа идентифицируется как «стабильная». Увеличение выпуска продукции в этой группе практически никак не влияет на потери воды. Сюда входят предприятия с фиксированными уровнями использования воды, а также наименее водоемкие виды производства.
В четвертую группу вошли предприятия, чья корреляция потерь воды и выпуска слабая, а вариативность потерь по отношению к вариативности выпуска велика. Данная группа предприятий идентифицируется как «хаотичная». Сюда попали предприятия, имеющие большие безвозвратные потери воды либо ее неэффективное использование. Также сюда вошли предприятия, принявшие значительные изменение в самой структуре производства. Например, «хаотичное» предприятие «Святогор Красноуральск» при том же объеме забора воды за 9 лет увеличил выпуск продукции вдвое. Это предприятие на протяжении исследуемого периода вводило новые технологии и оборудование по производству серной кислоты, а также совершенствовало свои системы водоснабжения.
3.2. Сравнительный анализ по загрязнению реки Исеть разными элементами
В данном исследовании использовались результаты измерений, полученных на гидрохимических постах (створах) гидрометслужбы, расположенных вдоль реки за 1986-2009 годы. (Рисунок 10) Анализировались значения ежемесячных наблюдений 40 показателей, полученных на 6 створах3. Антропогенное воздействие на водный объект было представлено данными годовых сбросов загрязняющих веществ в межстворных участках реки и значениями годовых инвестиций на водоохранные мероприятия, полученными из Государственных докладов о состоянии и использовании водных ресурсов. Предметом данного исследования выступают статистические методы анализа.
Для анализа интеграции характеристики качества речных вод массивы отобранных мною показателей, характеризующих загрязнение по каждому створу, подверглись факторному анализу. Я использовал метод главных компонент с варимаксным вращением корреляционной матрицы. В качестве представителя реки Исеть я принял створ близ поселка Большой Исток, так как именно там мы можем пронаблюдать характерные загрязнения после мегаполиса и крупного промышленного центра Екатеринбурга.
Анализ показателей загрязнения позволил выделить три основных фактора, ответственных почти за половину общей дисперсии (43,45%). (Приложение 6)
Итак, фактор 1 существенно проявляется в органических веществах, фактор 2 – во взвесях и тяжелых металлах. Компонента 3 имеет наибольшую корреляцию с показателем ХПК (химическое потребление кислорода), отвечающим за способность к химической окисляемости веществ в воде. (Приложение 7)
Сложно интерпретировать группу, выделенную третьей компонентой. ХПК, как главный ее представитель, также характеризует содержание в воде органических веществ, но по количеству израсходованного на окисление кислорода. Поэтому остановимся на анализе первых двух групп загрязнителей.
Достаточно высокое проявление фактора 2 во взвесях свидетельствует о преобладающей адсорбции на них ионов цветных металлов, что позволяет рекомендовать простой способ очистки воды от этих высокотоксичных компонентов речной воды. В частности, можно ограничиться сравнительно недорогим методом отфильтровывания взвешенного компонента вместе с которым удалится и основная доля примесей цветных металлов.
Более подробно исследовались типичные представители главных компонент: взвешенные вещества и медь, азот и азотистые соединения. Были удалены все значения – статистические выбросы, а также для удобства графического анализа данные были сглажены полиномиальными линиями тренда и скользящей средней.
Чтобы проследить природное содержание веществ в воде, воспользуемся динамикой концентраций веществ в воде в дачном поселке Палкино, так как он находится в самом начале реки Исеть – антропогенная нагрузка на этот створ минимальна.
Рассмотрим график, показывающий природное содержание взвешенных веществ и представителя тяжелых металлов – меди.
Рис. 12. Динамика концентрации взвешенных веществ на створе Палкино.
Линии тренда показывают, что природная концентрация взвешенных веществ в реке Исеть составляет 4-8 мг/л, и наблюдается тенденция к ее уменьшению. Природная концентрация меди превышает в среднем в 18 раз предельно допустимую для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Уровень фонового загрязнения воды отражает особенности уральской геохимической провинции. На результаты оказывает влияние «хозяйка Медной горы».
Далее проанализируем динамику концентраций взвешенных веществ на створах Палкино (перед Екатеринбургом) и Большой Исток (после Екатеринбурга).
Рис. 13. Динамика концентрации взвешенных веществ на створах Палкино и Большой Исток.
Черной линией изображена динамика Большого Истока, красной – Палкино.
Мы можем заметить, что уровень взвешенных веществ в воде значительно увеличился после прохода водных масс через Екатеринбург. Это обусловлено наличием нескольких промышленных заводов вблизи города Екатеринбурга. Например, Верх-Исетский завод (ОАО «ВИЗ-Сталь»), занимающийся производством различных видов стали. Именно это производство делает неизбежным выбросы взвешенных веществ. Например, медь необходимейший элемент в сталелитейной промышленности.
Также можем заметить явную внутригодовую сезонность этого показателя. Наибольшие значения отмечались в августе каждого года. Возможно, это связано с природными колебаниями уровня воды. Именно в этот период объем воды в реках уменьшается, что повышает в них показатели концентрации веществ.
Далее приведен график концентрации взвешенных веществ для створа, находящегося до Каменск-Уральского (красный цвет), и створа после Каменск-Уральского (синий цвет). Данные снова были сглажены методом скользящей средней и полиномиальной линией тренда.
Рис. 14. Динамика концентрации взвешенных веществ на створах до и после Каменск-Уральского.
Можем заметить, что с 1991 года уровень взвешенных веществ в воде стал значительно больше в створе после Каменск-Уральского, чем в створе на 5,3 км выше этого города. К 2009 году эта разница стала незначительной. Возможно, в 1991 году открылись предприятия, активно сбрасывающие свои отходы производства в воду, а в 2000-х годах усилилась экологическая политика, что привело к положительным результатам в 2009 году.
Сравним уровни концентраций некоторых тяжелых металлов (медь, цинк и хром) на створах до города Каменск-Уральского (синий цвет) и после него (красный цвет).
Рис. 15. Динамика концентрации меди на створах до и после Каменск-Уральского.
Рис. 16. Динамика концентрации цинка на створах до и после Каменск-Уральского.
Рис. 17. Динамика концентрации никеля на створах до и после Каменск-Уральского.
Из всех трех графиков мы видим, как вода насыщается тяжелыми металлами после выхода из города Каменск-Уральский. Это связано в первую очередь с предприятием ОАО «Завод Исеть», который функционирует с 1970 года. В его деятельность входит лакокрасочное, штамповочное, гальваническое и другие производства. Завод занимается нанесением таких покрытий, как золочение, никелирование, хромирование, цинкование. Неудивительно, что концентрации взвешенных веществ и тяжелых металлов увеличивается после городских стоков.
Предлагаю отдельно рассмотреть динамику концентрации меди в большом городе на примере створа в черте Екатеринбурга.
Рис. 18. Динамика концентрации меди в черте города Екатеринбурга.
Можно заметить резкое снижение концентрации меди в 1989-1991 и в 2008-2009 годах, что характеризует общий кризис производства в эти периоды.
На следующей круговой диаграмме изображены доли суммарных содержаний взвешенных веществ в реке за период с 1986 по 2008 год.
Рис. 19. Круговая диаграмма долей суммарных содержаний взвешенных веществ за период 1986-2008 гг.
Можем заметить, что наибольшие суммарные концентрации взвешенных веществ были обнаружены около села Большой Исток, Колюткино, а также на створах близ города Каменска-Уральского. Показатели створа в селе Большой Исток являются результатом промышленных выбросов Екатеринбурга. Колюткино и две створы близ Каменска-Уральского являются наименьшими административными единицами из представленных, а в крупнейшем производственном центре Екатеринбурге отмечены наименьшие содержания взвешенных веществ в Исети. Возможно, это говорит о том, что в крупных городах проводится более строгий контроль за предприятиями по промышленным выбросам, нежели в меньших поселках в сельской местности.
Согласно «Общим требованиям к составу и свойствам воды водотоков и водоемов в местах питьевого и хозяйственно-бытового, рекреационного и рыбохозяйственного водопользования (ГОСТ 17.1.2.04)» при сбросе сточных вод, производстве работ на водном объекте и в прибрежной зоне содержание взвешенных веществ в контрольном створе не должно увеличиваться по сравнению с естественными условиями более чем на 0,75 мг/л.
Следующий график демонстрирует абсолютные отклонения от естественного уровня концентрации взвешенных веществ в реке Исеть. В качестве естественного уровня взяты результаты створа в деревне Палкино. Анализируются створы в черте Екатеринбурга (синий цвет), в поселке Большой Исток (красный цвет) и в Колюткино (зеленый цвет). Для сглаживания данных был применен метод скользящей средней.
Рис. 20. Абсолютные отклонения от естественного уровня концентрации взвешенных веществ.
Можем заметить, что в каждом из анализируемых створов нарушаются требования к допустимым концентрациям взвешенных веществ в местах рекреационного и рыбохозяйственного использования. Особенные нарушения можно отметить в поселке Большой Исток.
Далее пронаблюдаем динамику изменения концентрации представителя следующей группы загрязнителей - азота в реке Исеть. Рассмотрим динамику концентрации до города Екатеринбурга (Палкино) и после него (Большой Исток).
Рис. 21. Динамика концентрации азота на створах Палкино и Большой Исток.
Очевидно, что уровень азота после Екатеринбурга значительно увеличился.
Пронаблюдаем концентрацию азота в реке до и после Каменска-Уральского. Для удобства графического анализа снова были взяты полиномиальные линии тренда.
Рис. 22. Динамика концентрации азота на створах до и после города Каменск-Уральского.
Можем заметить, что разница в содержании азота между створами несущественна, хотя ниже Каменска-Уральского его концентрация увеличивалась. Это видно из тренда на участке с 1988 по 1996 года.
Наибольший интерес представляет сравнение содержания азота в реке на створах в промышленном центре Екатеринбурге и в сельскохозяйственном районе Колюткино.
Рис. 23. Динамика концентрации азота на створах в городе Екатеринбурге и Колюткино.
Мы видим, что содержание представителя органических веществ в Колюткино больше, чем в Екатеринбурге. Это связано с тем, что азот является продуктом разложения многих азотистых соединений, являющихся в свою очередь сельскохозяйственными удобрениями, а также отходами животноводческих ферм.
Действительно, на круговой диаграмме долей суммарных содержаний азота по различным створам видно, что наибольший объем выбросов азотистых соединений за десятилетний период с 1986 по 1995 год пришелся на створы в поселках Колюткино и Большой Исток.
Рис. 24. Круговая диаграмма долей суммарных содержаний азота по всем створам.
Рассмотрим более подробно загрязнения азотистыми соединениями (аммоний, нитриты, нитраты) в черте поселка Колюткино.
Рис. 25. Динамика концентрации азотистых соединений на створе Колюткино.
В процессе своей жизнедеятельности обитатели вод, как и все существа на земле, взаимодействуют с окружающей средой, выделяя аммоний. Первым этапом разложения органики является именно он. Концентрации аммония зачастую превышали предельно допустимую концентрацию (2 мг/л), но в силу своей нестабильности он безобиден – распадается, не успев пригрозить. Поглощая аммоний, аэробные бактерии активно выделяют нитриты. Завершающим этапом процесса разложения аммония бактериями являются нитраты. ПДК нитратов довольна высока – 45 мг/л, и даже в больших концентрациях он переносится рыбами спокойно. Особенно опасными веществами являются нитриты: их концентрация является ядовитой для речных обитателей, если превышает 0,2 мг/л.
Рассмотрим динамику загрязнения нитритами в Колюткино на следующем графике.
Рис. 26. Динамика концентрации нитритов на створе Колюткино.
Мы можем заметить, что большую часть времени за этот период уровень нитритов в воде превышает порог токсичности (пунктирная линия на графике). Наибольшая концентрация нитритов в воде наблюдается летом, что связано с деятельностью некоторых микроорганизмов и водорослей. Повышенное содержание нитритов указывает на усиление процесса разложения органических веществ в условиях медленного окисления. Нитриты могут применяться в промышленности, как консерванты и ингибиторы коррозии.
Аналогично, рассмотрим на следующем графике динамику концентрации опасных нитритов относительно порога токсичности (0,2 мг/л) в поселке Большой Исток.
Рис. 27. Динамика концентрации нитритов на створе в поселке Большой Исток.
Общий уровень нитритов в створе у села Большой Исток меньше, чем в сельскохозяйственном Колюткино, но все же каждое лето содержание нитритов превышает порог ядовитости. Это связано с тем, что нитриты могут применяться в промышленности, как консерванты или ингибиторы коррозии. Из сточных вод промышленных городов они попадают в открытые водоемы.
|
