Волга – крупнейшая река Европы, площадь ее бассейна занимает почти треть Европейской территории России. В пределах Волжского бассейна расположено 38 субъектов Российской Федерации.

Колоссальная антропогенная нагрузка на Волжский бассейн сказывается на качестве воды в Волге. Главными факторами низкого качества воды являются сбросы недостаточно очищенных сточных вод промышленных и коммунальных предприятий, а также поступление загрязнений от диффузных источников.

Вопрос качества воды в Волге волнует все население Волжского бассейна и водопользователей региона. Исследования последних лет показывают, что ситуация с качеством воды Волги в целом стабилизировалась на неудовлетворительном уровне. Важно отметить высокий потенциал речной воды к самоочищению. Несмотря на непрекращающееся антропогенное воздействие на экосистему Волги от крупных городов, отсутствует выраженная отрицательная динамика качества воды, значения большинства показателей сохраняются на стабильном уровне.

В связи с этим 20 мая 2023 года состоялась уникальная акция «Дань Волге в День Волги» по оценке качества речной воды р. Волга: по всей длине крупнейшей реки Европы синхронно были отобраны пробы воды. Эта акция стала уже третьей по счету. Результаты исследований за последние три года позволяют проследить существующую межгодовую изменчивость содержания в воде целого ряда веществ.

В качестве основных физико-химических показателей, отображающих состояние воды, выбраны такие характеристики как электропроводность воды (мкСм/см) и рН воды. В каждом из городов, где проводилась акция, для измерения данных характеристик использовался портативный анализатор HI 98129 Combo (Свидетельство об утверждении типа измерений ОС.С.31.002А 11 № 76740).

Концентрации загрязняющих веществ в пробах сравнивались с ПДК (предельно допустимыми концентрациями), установленными в нормативах для санитарно-гигиенического водопользования (СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и безвредности для человека факторов среды обитания") и в нормативах для рыбохозяйственного водопользования (Приказ Минсельхоза № 552 от 13.12.2016 г.).
Элементный анализ проб на металлы проведен по методике НСАМ №520-АЭС/МС "Определение элементного состава природных, питьевых, сточных и морских вод атомно-эмиссионным и масс-спектральным методами с индуктивно связанной плазмой" (Свидетельство о метрологической аттестации методики №520-01.00115-2013-2017 от 27 марта 2017). Содержание Al, As, B, Ba, Br, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, Hg, K, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, S, Sc, Se, Si, Sr, Ti, V, Zn, Ag, Au, Be, Bi, Cd, Ce, Cs, Dy, Er, Eu, Gd, Hf, Ho, In, Ir, La, Li, Lu, Mo, Nb, Nd, Os, Pd, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, Sb, Sm, Sn, Ta, Tb, Te, Th, Tl, Tm, U, W, Y, Yb, Zr в пробах определяли атомно-эмиссионным (iCAP-6500, Therтo Scientific, США) и масс-спектральным (Х-7, Тhеrто Elemental, США) методами анализа.

При проведении акций в 2021-2023 гг. значительно отличались гидрометеорологические условия в момент отбора проб. Так, день отбора проб, 20 мая, в 2021 г. попал на волну спада половодья, в 2022 г. – на дождевой паводок после спада половодья, в 2023 году пик половодья прошел за месяц до проведения Акции (рисунок 2).

Май 2022 года был существенно холоднее мая предыдущего года. По данным метеостанции г. Тверь температура воздуха в 2021 г. колебалась от 15 до 24°С, тогда как в 2022 г. – от 8 до 12°С. Подобная ситуация наблюдалась для всего бассейна Волги. В Нижнем Новгороде средняя температура воздуха в период с 13 по 20 мая составляла 22°С в 2021 г. и 10°С в 2022 г., в г. Волгоград – 21°С в 2021 г. и 14°С в 2022 г. В течение недели, предшествующей отбору проб, на всем протяжении реки не наблюдалось осадков, которые бы привели к заметному росту уровня воды в р. Волге.

Показатель кислотности воды (рН)
Величина pH характеризует содержание ионов водорода (кислотность среды). Величина рН относится к числу важнейших гидрохимических характеристик и имеет большое значение для разнообразных биохимических процессов. Величина рН природных вод в значительной степени определяется процессами фотосинтеза и деструкции органического вещества. При фотосинтезе происходит связывание СО2, в результате реакция водной среды сдвигается в щелочную сторону. При дыхании и деструкции органического вещества происходит выделение СО2, наблюдается подкисление воды.

Для речной воды значения рН составляют 6,5 - 8,5, болотной воды 5,5 - 6,0, в шахтных и рудничных водах рН иногда достигает 1,0. Значение pH, выходящего за пределы нормы (в диапазоне от 6 до 9), говорит о наличии серьёзного загрязнения или дисбаланса катионов и анионов.

В 2023 году значения pH находились в пределах санитарно-гигиенических норм, среднее величина составила 8,5, что соответствует слабощелочной среде. Наибольшее значение pH было зафиксировано в Казани (9,2). Стоит отметить, что повышенные значения pH характерны в верхнем течении (до г. Чебоксары). Также, как и в 2022 г., повышенное значение pH наблюдается в районе городов Ульяновск и Тольятти.

Электропроводность
Измерение электропроводности позволяет оценить содержание в воде растворенных веществ. Во время измерений наблюдалось увеличение величины электропроводности по мере продвижения от верховья Волги к ее устью от 200-250 мкСм/см до 550 мкСм/см и выше, что связано с региональными особенностями бассейна. В более засушливых южных регионах снижается доля дождевых осадков в питании реки, и возрастает роль поступающих в русло более минерализованных подземных вод. При этом меняется соотношение между ионами: можно отметить увеличение доли Na+ среди основных катионов и снижение доли Mg2+ (рисунки 3-5). Минерализация всех проб не превышает 1000 мг/л – порогового значения для питьевой воды.

Химическое потребление кислорода (ХПК)
Химическое потребление кислорода является интегральным показателем содержания в воде органического вещества. Данный показатель широко применяется при контроле качества воды и характеризует количество кислорода необходимого для окисления всей содержащейся в пробе органики. Величина ХПК не нормируется, однако используются рекомендуемые максимальные значения ХПК, составляющие 15 мгО/л для питьевого водопользования и 30 мгО/л для рекреационного водопользования. Пробы воды за три года исследования иллюстрируют высокие фоновые величины ХПК для р. Волга, особенно для ее верхнего течения. Так, на участке г.Тверь – г.Чебоксары наблюдается превышение отметки 30 мгО/л. Наибольшее значение в верхнем течении было зафиксировано в 2023 году выше города Дубна, оно составило 42,5 мг/л, что почти в 3 раза превышает норму. Кроме того, существенное превышение было зафиксировано ниже по течению г. Нижний Новгород, где химическое потребление кислорода достигало 38,5 мг/л. В целом, высокие значения ХПК в верховьях бассейна реки – естественный природный фон и связаны со значительной заболоченностью этой части водосбора. Однако повышенные значения в пробах, отобранных ниже городов, относительно проб, отобранных выше городов по течению, могут свидетельствовать и воздействии выпусков коммунальных сточных вод городских очистных сооружений.

В районе г. Ульяновск наблюдается снижение значения ХПК, это в первую очередь связано с впадением р. Камы и наличием Куйбышевского водохранилища выше по течению, удерживающим автохтонное и аллохтонное органическое вещество. Тем не менее, в районе города ХПК не соответствует нормативам. Однако, результаты, проведенные коллективом авторов из УлГТУ [Чаукова и др, 2020] говорят о том, что с 2016 года подобное превышение наблюдается ежегодно. Ниже по течению в первые два года значение ХПК не превышало 30 мгО/л, однако в 2023 г. значительное превышение допустимого значения было зафиксировано выше по течению г. Тольятти и ниже по течению г. Самара. Для данных городов значения составили 41 и 36 мг/л соответственно. В 2021 г. ХПК, не превышающий рекомендаций для питьевого водопользования (15 мгО/л), зафиксирован исключительно в Астрахани, а в 2022 г. таких городов уже было три: Самара, Саратов и Волгоград. В 2023 г. таких городов было 15, вода соответствовала установленным нормативам лишь в Саратове.

Соединения азота и фосфора
Азот и фосфор – главные биогенные элементы, содержащиеся в водах суши. Азот содержится в речных водах, главным образом, в нитратной, нитритной и аммонийной форме, фосфор – в форме ортофосфатов. Их концентрации также будут зависеть от времени года и будет возрастать в силу климатических условий, достигая максимальных концентраций в летний период, когда процесс аккумуляции биогенных элементов фитопланктоном будет наиболее активным.

Аммонийный азот (NH4+) – одна из минеральных форм азота, повышение концентрации которой свидетельствует о недавнем поступлении в воду загрязняющих веществ. Рыбохозяйственный ПДК для аммонийного азота составляет 0,39 мгN/л, а санитарно-гигиенический – 1,55 мгN/л. За два года измерений относительно повышенные концентрации аммонийного азота зафиксированы в верхнем течении, однако они не превышают рыбохозяйственного ПДК. Так, например, в г. Дубне за три года наблюдений содержание иона аммония составило 0,10 мгN/л, причем в 2022 году выше по течению от города это значение составило 0,12, а ниже по течению – 0,08. В 2021 и в 2023 году на всем протяжении течения Волги не было отмечено превышения концентрации аммонийного азота, в 2022 году незначительное превышение рыбохозяйственного ПДК было зафиксировано в г. Ульяновске (0,40 мгN/л).

Нитриты (NО2-) – еще одна из минеральных форм азота, которая является промежуточной и повышение концентрации которой также свидетельствует об произошедшем загрязнении воды либо формирующихся восстановительных условиях в водоеме. Рыбохозяйственный ПДК для нитритного азота составляет 0,02 мгN/л, для санитарно-гигиенического водопользования ПДК составляет 1,00 мгN/л. В 2021 г. содержание нитритного азота во всех точках отбора не превышало рыбохозяйственных нормативов ПДК, в 2022 г. превышение было выявлено в Дубне, Нижнем Новгороде, Чебоксарах, где концентрации нитритного азота составили 0,033 мгN/л (1,65 ПДК), 0,049 мгN/л (2,45 ПДК) и 0,025 мгN/л (1,25 ПДК) Наименьшее значение концентрации нитритного азота зафиксировано в Ярославле (0,002 мгN/л). В 2023 г. во всех рассматриваемых городах было обнаружено превышение рыбохозяйственного ПДК, однако нарушение санитарно-гигиенического ПДК не происходило. Наибольшее значение было зафиксировано ниже по течению города Тверь и составило 0,49 мг/л.

Нитраты (NO3-) – это конечный продукт распада азотсодержащей органики, которая в свою очередь может являться следствием загрязнения, поступившего в водный объект некоторое время назад. В повышенных концентрациях нитраты приводят к ускорению процесса эвтрофикации водного объекта и активно потребляются фитопланктонов в вегетационный период. Санитарно-гигиенический ПДК для нитратного азота составляет 10,2 мгN/л, а рыбохозяйственный ПДК – 9,1 мгN/л. За три года наблюдений в городах, расположенных на Волге, не было зафиксировано превышения ПДК для нитратного азота. Так, в 2021 г. максимальное значение было обнаружено в г. Ульяновск, оно составило 6,5 мгN/л. В 2022 году максимальная концентрация нитратного азота оказалась еще ниже, она была зафиксирована в г. Нижний Новгород и составила 1,17 мгN/л. В 2023 году наибольшая концентрация была отмечена в г. Самара, она составила 4,61 мгN/л. В целом можно отметить тенденцию к увеличению показателя по мере продвижения вниз по течению, что свидетельствует об аккумуляции городского азотного загрязнения, поступающего с коммунальными стоками в р. Волгу. Наибольший рост концентрации был отмечен на участке Тверь – Кострома. Локальные повышения отметки в г. Казань и г. Тольятти связаны с локальными источниками загрязнения, которые затем могут ассимилироваться водной экосистемой.

Фосфат-ионы (PO43-) – показатель, являющийся, наряду с азотом, ключевым биогенным элементом, высокое содержание которого приводит к избыточному развитию синезеленых водорослей и антропогенной эвтрофикации. Концентрации фосфатов растут в том числе при попадании сточных вод, содержащих фосфорсодержащие минеральных удобрений, моющие средства, а также при смыве с сельскохозяйственных территорий. Главным образом, фосфаты токсичны для рыб, в особенности, в сочетании с нитратами, присутствующими в речной воде. Содержание фосфат-ионов не нормируется для гигиенического водопользования, а для рыбохозяйственного водопользования норматив для фосфатов зависит от трофического статуса водного объекта и для эвтрофных водоемов составляет 0,2 мгP/л. В 2021 и 2023 году во всех городах, где проводился отбор проб, не было зафиксировано превышения рыбохозяйственного ПДК. В 2022 году превышение по содержанию фосфора фосфатов в волжской воде было зафиксировано в г. Нижний Новгород, оно составило 1,1 ПДК или 0,22 мгP/л.

Ниже представлены рисунки, иллюстрирующие содержание различных катионов по течению Волги (рисунки 8 - 11). Стоит отметить высокие фоновые концентрации железа, марганца, алюминия, в Волге. Так как для водосбора верхнего течения Волги характерна высокая заболоченность, в речную воду вместе с гуминовыми кислотами поступает большое количество железа. Помимо этого, повышенная концентрация марганца в бассейне верхней Волги объясняется геологическими характеристиками территории.

На участке Казань – Ульяновск после впадения крупнейшего притока р. Кама происходит снижение концентраций ионов марганца и железа. В нижнем течении концентрации невелики, однако в Саратове зафиксирован резкий рост, что связано с наличием источников антропогенного загрязнения, вероятно от металлургических заводов или сточных вод предприятий химической промышленности.

Рисунки 11-12 позволяют проследить изменение концентраций некоторых тяжелых металлов вдоль по течению Волги. Максимальное содержание никеля приурочено к участкам реки ниже по течению от крупных городов – Нижнего Новгорода и Самары, а также выше по течению от Твери.

Содержание мышьяка максимально ниже по течению от Дубны. Максимальные концентрации меди и ванадия также приурочены к участку ниже Дубны.

Сравнение результатов исследований выше и ниже по течению городов-участников на перечисленные выше показатели «до» и «после» города дает возможность оценить влияние городской инфраструктуры на качество воды. Таблица 1 ниже позволяет сравнивать концентрации загрязняющих веществ выше и ниже городов. Для получения интегральной оценки вклада каждого города на качество волжской воды рассчитано превышение концентраций ниже города над концентрациями выше по течению от города биогенных веществ, тяжелых металлов и электропроводности. В нормативах отсутствуют указания по определению индексов влияния городов на состояние водного объекта, однако подобный расчет позволяет получить представление об антропогенной нагрузке города на Волгу. Далее для 15 городов определено средняя значение среди превышений по всем загрязнителем. Данные показатели, характеризующие степень комплексного загрязнения воды в черте города, представлены в таблице 1.

Предложенный показатель воздействия города на экологическое состояние Волги позволил выявить, что содержание химических веществ в воде Волги может локально увеличиваться в среднем 3,31 раза. Подобные превышения получены для Дубны. В частности, в черте города в 21 раз возрастают концентрации церия, в 19 раз – алюминия, в 18 раз – кобальта, в 12 раз – железа и цинка, в 11 раз – цезия, в 10 раз – титана и марганца.

При этом в 2022 г. лидером являлась Самара, для которой значения составили 3,59. В текущем году в черте Самары, в среднем для всего перечня анализируемых ионов, их концентрации остаются на том же уровне. При этом более, чем в 8 раз увеличиваются концентрации висмута и таллия

В Нижнем Новгороде среднее превышение составляет 2,41. Содержание висмута в черте города увеличивается в 17 раз, цезия – в 8 раз, стронция – в 7 раз. В Козьмодемьянске в 4 раза возрастает содержание серебра.
В Ульяновске, Твери и Тольятти среднее превышение концентрации загрязнителей ниже города над их концентрациями выше по течению от города составляет 1,10 – 1,22. В Ярославле, Астрахани, Чебоксарах, Казани, Кинешме, Костроме, Волгограде, Самаре, Саратове среднее превышение концентраций незначительно.

В 2022 г. для волжских городов удавалось зафиксировать более существенное превышение концентраций веществ ниже по течению от города над концентрациями выше по течению.

По результатам исследований ниже по течению от каждого города-участника акции рассчитаны суммарные показатели загрязненности воды в р. Волга, полученные как среднее арифметическое кратностей превышения содержания каждого компонента K над предельно допустимыми концентрациями: (ΣС????ПДК????⁄)/????. Данные приведены в таблице ниже. Подобный показатель является аналогом ИЗВ (индекса загрязненности вод), закрепленного в нормативе "Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения СанПиН 2.1.5.980-00". Однако для расчета ИЗВ требуется определение величин биологического потребления органики и содержания растворенного кислорода, поэтому для данного однократного исследования рассчитан упрощённый вариант индекса по формуле, приведенной выше (таблица 2).

Таким образом, в рейтинге загрязненности волжских городов лидирующую позицию занимает Дубна. Помимо нее, в «ТОП-5» входят Астрахань, Ульяновск, Козьмодемьянск и Тольятти.

В результате было выявлено, что большинство городов вплоть до сегодняшнего дня не оказывают столь значительного уровня воздействия, которое не могло бы ассимилироваться экосистемой реки. Показано, что при этом значительную роль в самоочищении от городского загрязнения играют водохранилища, расположение которых выше города приводит к удержанию и последовательному снижению содержания органических и биогенных веществ.

Проведенные синхронные исследования в 15 городах по длине р. Волги позволили получить единовременный «снимок» состояния качества воды в реке на протяжении трех лет, различающихся по гидрометеорологическим условиям, водности реки, а также оценить значимость конкретного города в формировании химического состава воды Волги. В результате было выявлено, что большинство городов вплоть до сегодняшнего дня не оказывают столь значительного уровня воздействия, которое не могло бы ассимилироваться экосистемой реки: несмотря на продолжающееся поступление загрязняющих веществ, отсутствует выраженная отрицательная динамика речных экосистем. Каждый населенный пункт является источником патогенных веществ, однако, как правило, ниже по течению качество воды быстро возвращается к тем показателям, которые зафиксированы выше по течению от города. Таким образом, можно говорить о стабильно негативном состоянии экосистемы. В случае снижения выброса сточных вод в Волгу в районе какого-либо населенного пункта, стоит ожидать локального улучшения состояния экосистемы. Показано, что при этом значительную роль в самоочищении от городского загрязнения играют водохранилища, расположение которых выше города приводит к удержанию и последовательному снижению содержания органических и биогенных веществ.

Предложенный интегральный показатель воздействия города на экологическое состояние Волги позволил выявить, что локальное увеличение содержания химических веществ в воде р. Волги может достигать в среднем 3,3 раз. Однако следует отметить, что в продольном разрезе не обнаруживается однонаправленного роста, либо роста, связанного с численностью городского населения в том или ином населенном пункте. В большинстве случаев максимальный рост характерен для исследованных металлов и может быть обусловлен геохимическими особенностями территории, характерными для той или иной природной зоны, через которую протекает река, формируя свой сток.

Результаты исследований качества воды в Волге в рамках акции «Дань Волге в День Волги» в 2021-2023 годах подчеркивают межгодовую изменчивость содержания в воде целого ряда веществ. Подобная динамика объясняется как климатическими, так и экономическими причинами. Так, выпадение большого количества снега в течение зимы приводит к снижению концентраций загрязняющих веществ в воде весной вследствие разбавления, обильные дожди – к дополнительному поступлению загрязняющих веществ в реку за счет их смыва с водосбора, засушливое лето – к снижению водности и росту концентраций загрязняющих веществ. Экономические причины связаны с режимом работы предприятий-водопользователей и водопотребителей, в т.ч. с функционированием ГЭС и очистных сооружений, а также с диффузным стоком с земель сельскохозяйственного и жилищного фонда, с водным транспортом и др. Совместное действие перечисленных факторов, определяющих нагрузку на экологическое состояние Волги, приводит к тому, что в разные годы показатели качества воды могут существенно отличаться.

Для получения полной картины об экологическом состоянии Волги необходим регулярный мониторинг качества воды на выбранных репрезентативных участках.

В результатах исследования качества воды заинтересованы все жители Волжского бассейна, так как от состояния Волги зависят водоснабжение, промышленность, сельское хозяйство, рекреация. И особую значимость данная акция приобретает в связи с тем, что позволяет отслеживать межгодовую динамику качества воды - отклик на комплекс климатических и экономических изменений.