Тема: картографирование качества поверхностных вод

 

Цель работы: освоить методику крупномасштабного картографирования качества поверхностных вод на основе статистических данных.

 

Материалы и оюорудование: данные о расходах воды рек региона, статистические данные о сельских населенных пунктах региона (количество жителей, поголовье скота, число единиц сельскохозяйственной техники, обеспеченность водопроводом и канализацией, наличие и мощность предприятий по переработке сельскохозяйственного сырья), контурная карта на территорию региона, данные таблицы В.1 (Приложение В), калькуляторы, чертежные принадлежности.

 

Теоретический материал

Загрязнение водных объектов, так же как и загрязнение атмосферы, сложный, многофакторный и весьма динамичный процесс. Экологическое состояние водоемов складывается в результате взаимодействия факторов самоочищения и техногенной нагрузки и определяется, главным образом, путем стационарных и экспедиционных исследований. Показатели экологического состояния водоемов включают значительное число гидрохимических и гидробиологических характеристик, таких, как содержание взвешенных веществ, плавающие примеси, запахи и привкусы, окраска, температура, рН, минерализация, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода, содержание бактерий, содержание токсичных веществ. Концентрации различных загрязняющих веществ, присутствующих в водной среде, характеризуются сложной временной динамикой и зависят от:

- интенсивности поступления в водоемы;

- скорости процессов самоочищения и осаждения;

- объема водной массы, характера и скорости ее движения.

Каждый из перечисленных факторов загрязнения относительно независим от других и обладает собственной динамикой. Загрязняющие вещества поступают в водоемы со сточными водами от промышленных и сельскохозяйственных предприятий, коммунально-бытовой сферы, с поверхностным стоком за счет смыва с загрязненных территорий, при осаждении из атмосферы, от вторичных химических процессов трансформации поллютантов, от естественных источников. Объемы сточных вод определяются ходом процессов их образования и накопления на предприятиях и в быту. Особенностью процессов загрязнения водных объектов является резкая изменчивость, связанная с возможностью залповых сбросов из емкостей-накопителей, как технологически обусловленных, так и аварийных. Смыв с загрязненных территорий также крайне неравномерен во времени и происходит при стоке дождевых и талых вод, а также во время паводков. Осаждение из атмосферы определяется присутствием в ней осаждающихся (вымывающихся) примесей и наличием соответствующих метеорологических условий. Интенсивность процессов самоочищения зависит от состояния экосистемы водоема, температуры воды и скорости течения. Объемы воды в водных объектах зависят от комплекса гидрологических факторов и характеризуются внутри- и межгодовой изменчивостью.

Поэтому уровни загрязнения водных объектов в разных регионах изменяются по сезонам неодинаково, в зависимости от гидрологического режима, а также характера загрязнения и его источников. Формирование сравнительно повышенных уровней загрязнения отмечается при относительно стабильном поступлении загрязнения и пониженном расходе воды, в условиях низкой летней или зимней межени; при массированном поступлении загрязнений (в том числе взвешенных частиц) с поверхностным стоком, во время весенних и дождевых паводков; при залповых сбросах, вне зависимости от состояния водоема. В последнем случае последствия определяются как масштабами сброса, так и интенсивностью самоочищения. Известно, что последствия аварийных сбросов многократно усугубляются, когда их воздействию подвергаются холодные воды умеренного пояса зимой либо арктического и субарктического поясов в любой сезон.

Нормирование загрязнения гидросферы базируется на гигиеническом принципе. Предельно допустимые концентрации устанавливаются, исходя из минимальных возможностей вредных воздействий. Но вредные воздействия на человека или ихтиофауну достаточно часто бывают связаны не только с техногенными, но и с природными причинами. Едва ли не в любом геохимическом ландшафте имеет место дефицит одних элементов и избыток других. С другой стороны, известно, что для водной среды ПДК тяжелых металлов установлены по валовым содержаниям, тогда как токсичны лишь свободные ионы. В результате по ряду веществ ПДК фактически установлены на уровне природного фона или даже ниже его, что искажает картину распределения уровней загрязнения и затрудняет использование интегральных показателей качества воды.

Важной частью картографирования загрязнения вод суши является картографирование самоочищения поверхностных вод. Картографирование самоочищения поверхностных вод может выполняться на качественном или количественном уровне исследования. Первое используется в мелко- и среднемасштабных, оценочных работах, выполняемых для больших территорий. Второе становится возможным при крупномасштабных исследованиях, посвященных анализу конкретных ситуаций, прогнозированию последствий возможных и реальных случаев загрязнения.

Качественное картографирование условий самоочищения подразделяет водные объекты на ряд категорий по параметрам, определяющим условия самоочищения: интенсивности перемешивания; температурам воды в летние месяцы; условиям разбавления загрязняющих веществ.

Интенсивность перемешивания воды в реках зависит от турбулентности потока, что, в свою очередь, контролируется характером рельефа и донных отложений. По этим условиям реки подразделяются на: равнинные, предгорные (низкогорные) и горные.

Им соответствует слабая, средняя и сильная интенсивность перемешивания соответственно. По температурным характеристикам выделяется три категории рек со средними температурами в летнее время до 15°, 15-20°, выше 20°.

Сочетание характеристик перемешивания и температур позволяет выделить четыре категории условий самоочищения за счет трансформации загрязняющих веществ: благоприятные, относительно благоприятные, средние, неблагоприятные.

Условия разбавления загрязняющих веществ определяются по среднегодовым расходам воды; по этому показателю реки подразделяются на шесть категорий. По сочетанию условий трансформации поллютантов и разбавления выделяется шесть градаций интегральных условий самоочищения.

Для озер основной фактор перемешивания воды — ветровое волнение. По сочетанию этого показателя и средних температур за летние месяцы выделяются те же четыре градации условий трансформации поллютантов, что и для рек. В качестве показателя условий разбавления загрязняющих веществ для озер используется их объем (шесть градаций).

По сочетанию условий трансформации и разбавления поллютантов для озер выделяются те же шесть градаций интегральных условий самоочищения: очень хорошие, хорошие, относительно хорошие, средние, плохие, очень плохие. Градации, выделяемые по указанным признакам, относятся к довольно крупным регионам, что позволяет решать задачи мелкомасштабного картографирования.

Для передачи указанных характеристик самоочищения применяют линейные знаки (для рек) и ареалы (для водоемов), с использованием на многокрасочных картах «принципа светофора»: оттенков зеленого, желтого и красного цветов, сменяющих друг друга по мере ухудшения условий. На черно-белых картах используются штриховки, густота которых увеличивается по мере ухудшения условий.

Количественное картографирование самоочищения выполняется при крупномасштабных работах и базируется на прогнозе на основе известных зависимостей скоростей трансформации конкретных веществ от температуры среды.

При количественном картографировании предметом изображения являются не параметры самоочищения (их перевод из табличной формы в картографическую, с учетом температурных характеристик, возможен, но обычно нецелесообразен), а прогнозируемые результаты процессов самоочищения. Рассчитывается распространение веществ от мест их поступления в реку к определенным датам и ожидаемые концентрации по створам. Наиболее эффективным средством решения такой задачи является математическое моделирование потоков загрязнений с визуализацией результатов методом графической мультипликации в виде карт-фильмов. Использование такой методики наиболее целесообразно при определении последствий реальных или возможных аварийных залповых сбросов, когда можно пренебречь поступлением аналогичных поллютантов от диффузных источников.

 

Задание к работе

1. Изучить теоретический материал по данной теме.

2. Сделать выкопировку гидросети на кальке с подписями названий рек.

3. Выделить границы водосборных бассейнов и межбассейновых пространств.

4. На основе статистических данных и других материалов определить показатели техногенной нагрузки и гидрологические показатели по бассейнам.

5. По нормативам, указанным в таблице В.1 (Приложение В) определить объем отходящих сточных вод.

6. Рассчитать среднегодовые коэффициенты разбавления.

7. С учетом фактического размаха колебаний разработать шкалу значений коэффициента разбавления.

8. Построить картограмму значений коэффициентов разбавления (рисунок 5.1).

9. Сделать вывод по работе.

Методика выполнения работы

По карте Удмуртской Республики масштаба 1:200 000 определено, что в пределы бассейна р. Арлеть (створ д. Чашкагурт) входят следующие населенные пункты: Мугло, Вутно, Гобгурт, Аяшур, Стар. Монья, Чашкагурт (рисунок 5.1).

В д. Гобгурт имеется водопровод; в остальных населенных пунктах водопровода и канализации нет. Население д. Гобгурт - 470 человек; остальных населенных пунктов, не оборудованных водопроводом и канализацией, - в общей сложности 313 человек. Согласно данным таблицы В.1, объем коммунально-бытовых сточных вод по д. Гобгурт - 10 340 м³/год; по остальным населенным пунктам - 1721,5 м³/год; итого 12 061,5 м³/год. Общее количество КРС и свиней - 3922; овец и коз - 867. Тогда, согласно таблицы В.1, объем сточных вод от животноводства - 43 388 м³/год. Общее число тракторов - 15, грузовых автомобилей - 33, легковых автомобилей - 27. Тогда, согласно таблицы В.1, объем сточных вод от обслуживания техники - 5493 м³/год. Итого объем сточных вод от всех источников 59 171 м³/год.

Среднегодовой расход 0,5 м³/с; меженный (95% обеспеченности) 0,06 м³/с.

Рисунок 5.1 – Пример карты коэффициентов разбавления

Среднегодовой коэффициент разбавления определяем через годовой сток. Годовой сток воды составляет:

 

0,5 м³/с (среднегодовой расход) * 60 с * 60 мин * 24 ч * 365 сут. = 15 768 000 м³/год.

 

Тогда среднегодовой коэффициент разбавления составит:

 

59 171 м³/год: 15 768 000 м³/год = 0,00375.

 

Меженный коэффициент разбавления определяем через расход сточных вод, в м³/с. Для этого годовое количество сточных вод делим на число секунд в году:

 

59 171 м³/год: 31 536 000 с/год = 0,00188 м³/с.

 

Тогда меженный коэффициент разбавления составит:

 

0,00188 м³/с: 0,06 м³/с = 0,031.

 

Из сопоставления расчетных характеристик загрязнения с материалами мониторинга следует, что при таких значениях КР (порядка 10^-3 в годовом исчислении и 10^-2 в летнюю межень) на данной реке вероятны устойчивые превышения ПДК по ВПК и нефтепродуктам.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Раскройте общие закономерности загрязнения поверхностных вод суши.

2. Что представляет собой качественное картографирование условий самоочищения?

3. Что понимается под количественным картографированием условий самоочищения?

4. Охарактеризуйте показатели экологического состояния водоемов.

5. Какие существуют источники информации о загрязнении поверхностных вод?

6. Раскройте методы картографирования загрязнения поверхностных вод.

Рекомендуемая литература [7,12].

 

Лабораторная работа № 10