Интегральная оценка экологического состояния природных вод

Цель работы

1) Определить общесанитарный индекс качества воды (ИКВ).

2) Определить гидрохимический показатель загрязнения воды (ИЗВ) токсичными металлами.

3) Определить экологическое состояние водоема с помощью интегрального индекса экологического состояния (ИИЭС).

Введение

Природные воды могут быть загрязнены самыми различными примесями, которые разделяют с учетом их биологических и физико-химических свойств. К одной группе относятся вещества, растворяющиеся в воде и находящиеся в ней в молекулярном или ионном состоянии. В природной воде могут присутствовать в растворенном виде различные газы (кислород, азот, диоксид углерода, сернистый газ и др.), а также растворимые соли металлов (натрия, калия, кальция, аммония, алюминия, железа, магния, марганца и др.). Другая группа примесей – те, что образуют с водой коллоидные системы и взвеси. Коллоидные системы образуются из практически нерастворимых минеральных веществ, взвеси – из биологических объектов: бактерий, вирусов, водорослей, простейших организмов и т.п.

Основными источниками антропогенного загрязнения водоемов являются промышленные и коммунальные канализационные стоки, смыв с полей части почвы, содержащей различные агрохимикаты, дренажные воды систем орошения, стоки животноводческих ферм и ливневые воды.

Сброс канализационных стоков, особенно неочищенных или недостаточно очищенных, оказывает отрицательное влияние на круговорот органического вещества в водоеме, грозит опасностью инфекционных заболеваний, в первую очередь человека.

Биогены, поступающие в воду со сточными водами и смываемыми с полей удобрениями, стимулируют рост фитопланктона, водорослей. Данный процесс называют эвтрофикацией. Водоросли окрашивают воду в различные цвета, под их влиянием изменяется вкус воды, при отмирании водорослей развиваются гнилостные процессы. Бактерии, окисляющие органические вещества водорослей, потребляют кислород, приводя к его дефициту в водоеме.

Сбрасываемые стоки часто имеют кислую или щелочную реакцию, что в любом случае связано с изменением естественного рН водоема. У пресноводных рек и озер рН воды обычно 6-7. Изменение рН на единицу от оптимума приводит в большинстве случаев к стрессу и даже к гибели обитателей вод. Все «нормальные» формы жизни прекращаются при рН ниже 5 и выше 8,5. Подкисление озер и рек влияет и на сухопутных животных, так как многие птицы и звери входят в состав пищевых цепей, начинающихся в водных экосистемах.

К одному из видов загрязнений относится тепловое загрязнение (сбросы ТЭС, АЭС, промышленных предприятий). В водоемах с повышением температуры уменьшается содержание кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих воду примесей, нарушается биологическое равновесие, происходит смена видового состава организмов, наблюдается бурное размножение болезнетворных микробов и вирусов.

Между тем, вода обладает свойством непрерывного самовозобновления под влиянием солнечной радиации и самоочищения. Факторы самоочищения водоемов можно условно разделить на три группы:

· физические (разбавление, растворение, перемешивание),

· химические (окисление неорганических и органических веществ – для этого количество растворенного кислорода должно быть не менее 4 мг/л в любое время года),

· биологические (размножение в воде водорослей, плесневых и дрожжевых грибков, моллюсков, некоторых видов амеб).

При небольшом загрязнении вода в основном самоочищается за 3-4 суток. Отрицательное влияние на процесс самоочищения оказывает загрязнение водоема биогенными веществами (азот, фосфор), ароматическими углеводородами и нефтепродуктами. Самоочищение воды от нефти затягивается на длительное время – месяцы, а на реках с малым током – на годы.

Качество воды водных объектов оценивается по физико-химическим, биологическим и микробиологическим показателям, анализ которых позволяет установить соответствие или несоответствие рассматриваемого водоема или водотока требованиям, предъявляемым водопользователями, согласно действующим законодательным актам.

Согласно ГОСТ 17.1.1.01-77 «Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения», под качеством воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования; при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

Нормирование качества воды состоит в установлении для воды водного объекта[5] совокупности допустимых значений показателей ее состава и свойств, в пределах которых надежно обеспечиваются здоровье населения, благоприятные условия водопользования и экологическое благополучие водного объекта.

Правила охраны поверхностных вод устанавливают нормы качества воды водоемов и водотоков в зависимости от видов водопользования. Виды водопользования на водных объектах определяются органами Министерства природных ресурсов РФ и Государственного комитета РФ по охране окружающей среды. В данной работе рассматриваются хозяйственно-питьевой и культурно-бытовой виды водопользования.

Хозяйственно-питьевое водопользование предусматривает использование воды в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для снабжения предприятий пищевой промышленности. В соответствии с санитарными правилами и нормами СанПиН 2.1.4.559-96, питьевая вода должна быть безопасной в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства.

К культурно-бытовому водопользованию относится использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха населения. Согласно действующим нормативам требования к качеству поверхностных вод, установленные для культурно-бытового водопользования, распространяются на все участки водных объектов, находящихся в черте населенных мест.

Классификация качества и состояние водных ресурсов отражены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 – Классификация качества и возможности использования воды в водоемах различного вида водопользования

Классы качества вод	Качественное состояние воды	Водопользование
хозяйственно-питьевое	культурно-бытовое
	Очень чистые	Пригодна с обеззараживанием	Вполне пригодна
	Чистые	Пригодна с хлорированием	Вполне пригодна
	Умеренно загрязненные	Пригодна со стандартной очисткой	Пригодна
	Загрязненные	Пригодна только со специальной очисткой в случае технико-экономической целесообразности	Использование сомнительно
	Грязные	Непригодна	Непригодна
	Очень грязные	Непригодна	Непригодна
	Чрезвычайно грязные	Непригодна	Непригодна

Примечание – Подробный перечень методов улучшения качества и очистки воды приведен в приложении Б

 

В соответствии с законодательством Российской Федерации[6] гигиенические нормативы предназначены для охраны всех видов вод, используемых населением, в том числе поверхностных, подземных водоисточников и водопроводной воды. Предусматриваются следующие виды нормативов:

- предельно допустимые концентрации (ПДК); различают ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДК_в[7]) и рыбохозяйственного назначения (ПДК_вр[8]);

- ориентировочные допустимые уровни (ОДУ[9]).

Значимость ПДК и ОДУ в системе водно-санитарного законодательства определяется тем, что:

- соблюдение этих нормативов создает благоприятные условия водопользования, обеспечивая безопасность воды для здоровья населения;

- наличие нормативов позволяет рассчитать нормы ПДС[10] и использовать их при предупредительном и текущем санитарном надзоре;

- сопоставление реальных уровней содержания веществ в воде с их ПДК или ОДУ дает возможность судить, в какой мере вредны и при каких условиях могут быть безвредными промышленные и другие загрязнения, а также оценить эффективность водоохранных мероприятий;

- гигиенические нормативы необходимы при выборе приоритетных показателей загрязнения воды;

- сертификация материалов, реагентов, оборудования, технологий, используемых в системах водоснабжения и очистке сточных вод, проводится с использованием гигиенических нормативов мигрирующих в воду веществ.

ПДК вещества в воде устанавливается:

- для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДК_в) с учетом трех показателей вредности: органолептического; общесанитарного; санитарно-токсикологического;

- для рыбохозяйственного водопользования (ПДК_вр) с учетом пяти показателей вредности: органолептического; санитарного; санитарно-токсикологического; токсикологического; рыбохозяйственного.

Органолептический показатель вредности характеризует способность вещества изменять органолептические свойства (цвет, запах и др.) воды, т.е. воспринимаемые органами чувств человека. Соли алюминия подслащивают воду; соли магния делают воду горькой; сульфаты кальция и магния придают воде горьковато-солевой вкус; хлорид натрия, морские соли делают воду соленой; силикат натрия и железо придают неприятный вкус; глинистые вещества делают воду коричневой, желтой; органические вещества могут сделать воду затхлой, безвкусной, она может пахнуть болотом, землей, рыбой, гнилью. Общесанитарный – определяет влияние вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием естественной микрофлоры. Санитарно-токсикологический показатель характеризует вредное воздействие загрязняющих веществ на организм человека, а токсикологический – показывает токсичность вещества для живых организмов, населяющих водные объект (водную биоту). Рыбохозяйственный показатель вредности определяет порчу качеств промысловых рыб.

Водоем считается загрязненным в результате сброса сточных вод, если происходит изменение качества воды (выше пункта водопользования на расстоянии 1 км), которое не соответствует санитарным правилам и нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» и ГОСТ Р 51232-98 «Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества».

Согласно новым стандартам экологической безопасности в природной и питьевой воде нормируются около 100 параметров, на основании которых строится гигиеническая классификация водных объектов по степени загрязненности. Наиболее часто используемыми параметрами являются:

1) Органолептические показатели: цветность; запах; мутность;

2) Микробиологические характеристики: общее микробиологическое число; бактерии и группы кишечной палочки;

3) Гидрохимические характеристики:

a) карбонатная система: величина рН; растворенный кислород; щелочность; суммарная жесткость;

b) основной солевой состав воды: хлориды; сульфаты; фториды; натрий; калий;

c) характеристики присутствия органического вещества: окисляемость перманганатная; бихроматная окисляемость (ХПК); биохимическое потребление кислорода (БПК);

d) биогенные элементы: азот (аммоний, нитраты, нитриты); фосфаты;

4) Токсичные металлы: железо, марганец, цинк, медь, свинец, кадмий, мышьяк, никель, хром, кобальт, стронций, литий;

5) Синтетические органические соединения: СПАВ, нефтепродукты.

Для характеристики содержания органического вещества используются такие количественные параметры, как величины химического и биологического потребления кислорода (ХПК и БПК), а так же содержания растворенного кислорода. Кроме того, дополнительную информацию о загрязнении природных вод органическими веществами дают такие органолептические показатели, как цветность, запах и мутность. Искусственное органическое вещество характеризуется концентрациями синтетических поверхностно активных веществ (СПАВ) и нефтяных углеводородов. Микробиологическое заражение вод оценивается по двум параметрам: общее микробиологическое число и бактериологический показатель.

Часть сточных вод предприятий сбрасывается в поверхностные водоемы после предварительной обработки, поэтому для них оценивается величина предельно допустимого сброса (ПДС) массы вещества, присутствующего в сточной жидкости. Величина ПДС должна гарантировать достижение установленных норм качества вод на расстоянии не далее, чем за 500 м от места сброса.

В последние годы для выявления экологического состояния поверхностных водоемов широко используют гидробиологические индикаторы. Поскольку единый гидробиологический показатель отсутствует, качество воды определяется набором характеристик, отражающих состояние зообентоса[11], перифитона[12], зоопланктона, фитопланктона, высших водных растений. Конкретный набор характеристик обусловлен эколого-зональным типом водного объекта, составом и объемом сточных вод, их токсичностью и требованиями, предъявляемыми к качеству воды.

Однако, в связи с развитием отраслей промышленности, использующих химические технологии (нефтепереработка, машиностроение, собственно химия, большая и малая и т.д.), и ростом использования синтетических (часто токсичных) веществ, для оценки качества воды водоемов все чаще требуются комплексные (групповые) показатели.

В данной работе рассматриваются следующие комплексные показатели для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования:

- общесанитарный индекс качества воды (ИКВ), учитывающий органолептические показатели и некоторые гидрохимические характеристики;

- гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ), учитывающий содержание токсичных металлов.

Законом Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды»[13] установлено, что «участки территории Российской Федерации, где в результате хозяйственной и иной деятельности происходят устойчивые отрицательные изменения в окружающей природной среде, угрожающие здоровью населения, состоянию естественных экологических систем, генетических фондов растений и животных», объявляются зонами чрезвычайной экологической ситуации (статья 58) и «участки территории Российской Федерации, где в результате хозяйственной либо иной деятельности произошли глубокие необратимые изменения окружающей природной среды, повлекшие за собой существенное ухудшение здоровья населения, нарушение природного равновесия, разрушение естественных экологических систем, деградацию флоры и фауны», объявляются зонами экологического бедствия (статья 59).

Экологическая обстановка может классифицироваться по возрастанию степени экологического неблагополучия следующим образом: относительно удовлетворительная; напряженная; кризисная (или зона чрезвычайной экологической ситуации); катастрофическая (или зона экологического бедствия).

Согласно ст.58 и ст.59 закона «Об охране окружающей среды», оценка степени экологического неблагополучия территорий (акваторий) проводится по признакам, приведенным в табл.2.2.

 

Таблица 2.2 – Признаки территорий крайних степеней экологического неблагополучия

Обозначение эколого-геологического состояния	Классы состояния биомов	Удовлетворительное (благоприятное) состояние среды	Условно удовлетворительное (неблагоприятное) состояние среды	Неудовлетворительное (весьма неблагоприятное) состояние среды	Катастрофическое состояние среды
Зоны нарушения биомов	Зона экологической нормы	Зона экологического риска	Зона экологического кризиса	Зона экологического бедствия
Уровни нарушения	Н	Р	К	Б
Показатели нарушения состояния экосистем по глубине их необратимости	Продуктивность и устойчивость территорий	Территории без заметного снижения продуктивности и устойчивости экосистем, её относительной стабильности	Территории с заметным снижением продуктивности и устойчивости экосистем, их нестабильным состоянием, ведущим в дальнейшем к спонтанной деградации экосистем, но ещё с обратимыми нарушениями. Требуется разумное хозяйственное использование территорий и планирование мероприятий по улучшению	Территории с сильным снижением продуктивности, потерей устойчивости и трудно обратимыми нарушениями. Необходимо выборочное хозяйственное использование территорий и планирование их глубокого улучшения	Территории с полной потерей продуктивности, практически необратимыми нарушениями экосистем, исключающими территорию из хозяйственного использования
Соответствие прямых количественных оценок эколого-геологического состояния нормативным уровням	Значение прямых критериев оценки ниже ПДК или фоновых	Значения прямых критериев оценки незначительно превышают ПДК или фон	Значения прямых критериев оценки значительно превышают ПДК или фон	Значения прямых критериев оценки в десятки раз превышают ПДК или фон

Примечание – Фоновые значения – средние естественные значения для определенных территорий

 

Качество среды обитания человека, в том числе окружающей природной среды, оценивается системой совокупных требований: санитарно-гигиенических, рыбохозяйственных и общеэкологических. Показателем, с помощью которого можно оценить экологическое состояние природных вод, является интегральный индекс экологического состояния (ИИЭС), учитывающий наибольшее количество аспектов экологического состояния водоемов. Взаимодействие различных критериев оценки качества вод должно основываться на приоритете требований того водопользования, чьи критерии жестче. Например, если водный объект одновременно используется для питьевого и рыбохозяйственного назначения, то к оценке качества вод могут предъявляться более строгие требования (рыбохозяйственные и экологические).

Определение общесанитарного индекса качества воды (ИКВ)

В соответствии с ГОСТ 17.1.1.01-77 «Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения» для характеристики воды используется комплексный показатель индекс качества воды (ИКВ) – обобщенная числовая оценка качества воды по совокупности основных показателей и видам водопользования. Общесанитарный индекс качества воды является наиболее разработанным, строится на основании экспертных процедур и рассчитывается по формуле:

приусловии ∑g_i = 1 (2.1)

где g_i – вес показателя, входящего в общесанитарный ИКВ; w_i – баллы (от 1 до 5), присваиваемые каждому показателю, входящему в общесанитарный ИКВ; р – показатели, входящие в общесанитарный ИКВ

 

Для определения общесанитарного ИКВ сначала проводится анализ проб воды, в котором устанавливаются величины показателей, затем проводится их балльная оценка с помощью табл.2.3, после чего определяется величина ИКВ по формуле (2.1).

 

Таблица 2.3 – Общесанитарный индекс качества воды

Показатели	Вес (g)	Балл (w)
Коли-индекс	0,18	0 – 100	101 – 1000	10^3 – 10^5	10^5 – 10^7	> 10^7
Запах, баллы	0,13		1 – 2
БПК5, мг О2/л	0,12	< 1	1,0 – 2,0	2,1 – 4,0	4,1 – 10,0	> 10
рН	0,10	6,5 < рН £ 8,0	6,0 < рН £ 6,5 8,0 < рН £ 8,5	5,0 < рН £ 6,0 8,5 < рН £ 9,5	4,0 £ рН £ 5,0 9,5 < рН £ 10	рН < 4,0 рН > 10
Растворенный кислород, мг О2/л	0,09	> 8	8 – 6	6 – 4	4 – 2	< 2
Цветность, град	0,09	< 20	21 – 30	31 – 40	41 – 50	> 50
Взвешенные вещества, мг/л	0,08	< 10	10 – 20	21 – 50	51 – 100	> 100
Общая минерализация, мг/л	0,08	< 500	500 – 1000	1001 – 1500	1501 – 2000	> 2000
Хлориды, мг/л	0,07	< 200	200 – 350	351 – 500	501 – 700	> 700
Сульфаты, мг/л	0,06	< 250	250 – 500	501 – 700	701 – 1000	> 1000

Примечание – Подробное описание показателей, входящих в состав общесанитарного ИКВ, приведено в приложении Б

 

Качественное состояние воды водных объектов в зависимости от величины ИКВ определяют по табл.2.4.

 

Таблица 2.4 – Классификация качества воды водоемов в зависимости от общесанитарного ИКВ

Качественное состояние воды	Значения ИКВ	Класс качества воды
Очень чистые	5,0
Чистые	4,1…4,9
Умеренно загрязненные	2,6…4,0
Загрязненные	1,6…2,5
Грязные	£ 1,5

Определение гидрохимического индекса загрязнения воды (ИЗВ)

Особенность гидрохимических показателей состоит в том, что они связаны с наличием в воде химических веществ, обычно растворенных. Они, как правило, не могут быть определены с помощью органов чувств. Поэтому нужны методы, позволяющие выявить наличие тех или иных химических веществ в воде и определить их содержание (концентрацию). Для этих целей можно использовать гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ), установленный[14] для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

Гидрохимический ИЗВ является аддитивным показателем и представляет собой среднюю долю превышения ПДК по строго лимитированному числу индивидуальных ингредиентов и вычисляется по формуле:

(2.2)

где n – число показателей, используемых для расчета индекса; С_i – концентрация химического вещества в воде, мг/л; ПДК_i – предельно допустимая концентрация вещества в воде, мг/л

 

При определении ИЗВ для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового видов водопользования расчет ведут по величине ПДК_в для шести компонентов, имеющих наибольшую кратность превышения (С/ПДК_в), т.е. n = 6.

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяются по качеству на 7 классов, представленных в табл.2.5.

 

Таблица 2.5 – Классификация качества воды водоемов в зависимости от комплексного ИЗВ

Качественное состояние воды	Значения ИЗВ	Класс качества воды
Очень чистые	< 0,2
Чистые	0,2-1,0
Умеренно загрязненные	1,0-2,0
Загрязненные	2,0-4,0
Грязные	4,0-6,0
Очень грязные	6,0-10,0
Чрезвычайно грязные	> 10,0