Способы оценки качества воды

Существует несколько направлений и способов оценки качества воды в зависимости от вида водопользования: оценка состояния поверхностных вод, гигиеническая классификация подземных вод по степени влияния техногенного фактора и правила таксации вод для установления их рыбохозяйственной ценности. При оценке состояния поверхностных вод необходимо знать два показателя: индекс загрязнения воды (ИЗВ) и удельный комбинаторный индекс загрязнения воды (УКИЗВ).

Официально индекс загрязнения воды (ИЗВ) применялся при проведении экологического мониторинга поверхностных вод в системе Росгидромета до 2004 года. Однако и в настоящее время он используется для оценки качества воды при исследовании аквальных систем. Этот подход в равной мере применяется для пресных и морских вод.

Оценка базируется на анализе нормированных к ПДК значений содержания загрязняющих веществ в воде. При расчете индекса используются шесть ингредиентов. В качестве обязательных показателей рассматриваются биохимическое поглощение кислорода за 5 сут (БПК₅) и содержание растворенного кислорода. Кроме того, в расчет включаются четыре поллютанта с максимальными значениями нормированных показателей.

Расчет по БПК₅ и растворенному кислороду проводится по специальным нормам, которые применяются в зависимости от величины биохимического поглощения кислорода или содержания растворенного кислорода в воде.

Нормы по БПК₅ следующие: не более 3 мгО₂/л – норма 3; 3–15 мгО₂/л – норма 2; более 15 мгО₂/л – норма 1. При расчете нормированной величины значение БПК делится на соответствующую норму.

В качестве норм содержания растворенного кислорода предлагаются следующие величины: более 6 мг/л – норма 6; 6–5 мг/л – норма 12; 5–4 мг/л – норма 20; 4–3 мг/л – норма 30; 3–2 мг/л – норма 40; 2–1 мг/л – норма 50; 1–0 мг/л – норма 60. При расчете нормированной величины норма делится на содержание кислорода.

Окончательное вычисление ИЗВ проводится по соотношению

ИЗВ = ,

где С _i – фактическая концентрация i -го вещества (для БПК₅ и растворенного кислорода в формулу вводятся нормированные величины, полученные с использованием приведенных выше способов).

Необходимо иметь в виду, что ПДК загрязняющего вещества, применяемая в расчете, зависит от назначения водоема (рыбохозяйственного или хозяйственно-питьевого). В результате вычисления средней нормированной величины по шести ингредиентам получаем индекс загрязнения воды, который в зависимости от численного значения соответствует одному из семи классов качества воды. Для пресных и морских вод численные градации индекса различаются (табл. 21).

Проблемы и недостатки использования ИЗВ определяются зависимостью его величины от перечня изученных ингредиентов. Кроме того, необходимо отметить условность градаций качества воды по классам загрязнения, имеющих в основном относительное значение.

 

Таблица 21. Классификация загрязнения пресных и морских вод по ИЗВ

Класс	Характеристика загрязнения	Значение ИЗВ
загрязнения		Пресные воды	Морские воды
I	Очень чистая вода	менее 0,3	менее 0,25
II	Чистая вода	0,3–1,0	0,25–0,74
III	Умеренно загрязненная вода	1,0–2,5	0,75–1,24
IV	Загрязненная вода	2,5–4,0	1,25–1,74
V	Грязная вода	4,0–6,0	1,75–3,0
VI	Очень грязная вода	6,0–10,0	3,1–6,0
VII	Чрезвычайно грязная вода	более 10,0	более 6,0

 

В настоящее время при выполнении мониторинга состояния вод взамен ИЗВ в системе Росгидромета используется комбинаторный индекс загрязнения воды (КИЗВ) в соответствии с РД 52.24.643-2002 «Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям». Этот показатель рекомендуется рассчитывать с помощью компьютерной программы, разработанной специалистами Гидрохимического института – авторов методики. Расчет КИЗВ вручную возможен, однако требуется использование большого количества вспомогательного материала, заключенного в таблицах в составе РД. Тем не менее основной алгоритм и некоторые нюансы расчета индекса мы постараемся здесь изложить.

Предварительная оценка состояния водных объектов проводится с помощью коэффициента комплексности загрязненности воды, который рассчитывается по формуле

,

где K_fj – коэффициент комплексности загрязненности воды в f -м результате анализа для j -го створа;

– количество нормируемых ингредиентов и показателей качества воды, содержание или значение которых превышает соответствующие им ПДК в f -м результате анализа для j -го створа;

N_fj – общее количество нормируемых ингредиентов и показателей качества воды, определенных в f -м результате анализа для j -го створа.

По коэффициенту комплексности загрязненности воды установлено три категории воды: I категория – 0 < K_fj £ 10% (для высокого и экстремально высокого уровня загрязнения – 0 < K_fj £ 5%); II категория – 10 < K_fj £40% (для высокого и экстремально высокого уровня загрязнения – 5 < K_fj £ 20%); III категория – 40 < K_fj £ 100% (для высокого и экстремально высокого уровня загрязнения – 20 < K_fj £ 100%). Высокий и экстремально высокий уровни загрязнения оцениваются при значительном превышении содержания поллютантов над ПДК (табл. 22).

Таблица 22. Критерии определения высокого и экстремально высокого уровней загрязненности воды водных объектов по гидрохимическим показателям

Ингредиенты и показатели качества	Кратность превышения ПДК (k) для случаев
воды	высокого загрязнения	экстремально
		высокого загрязнения
1-2-го классов опасности	3 £ k < 5	³ 5
3-4-го классов опасности, кроме нефтепродуктов, фенолов, Cu и Feобщ.	10£ k < 50	³ 50
4-го класса опасности - нефтепродукты, фенолы, Cu и Feобщ.	30£ k < 50	³ 50

 

Однако основным показателем при оценке степени загрязненности является комбинаторный индекс загрязнения воды. Он может рассчитываться как для рядов данных при проведении мониторинга, так и единичных измерений содержания загрязняющих веществ в водном объекте. В определении значения индекса учитываются только те вещества, которые превышают ПДК. Последовательность расчета КИЗВ следующая. Если имеется ряд наблюдений в водном объекте или в определенном створе, проводится выбор нормированных (деленных на ПДК) содержаний по каждому загрязняющему веществу, превышающих единицу. Затем рассчитывается повторяемость случаев загрязненности a_ij, т.е. частота обнаружения концентраций, превышающих ПДК:

× 100%

где - число результатов анализа по i -му ингредиенту в j -м створе за рассматриваемый период времени, в которых содержание или значение их превышает соответствующие ПДК;

- общее число результатов химического анализа за рассматриваемый период времени по i -му ингредиенту в j -м створе.

По значению повторяемости рассчитывается частный оценочный балл по повторяемости . Он может меняться от 1 (повторяемость загрязнения 1-10%) до 4 (повторяемость загрязнения > 50%). Если расчет проводится по единичному измерению целесообразно принять наихудшие условия, т.е. = 4.

Далее в ряду наблюдений рассчитывается среднее значение кратности превышения ПДК (только для величин выше ПДК). По значению кратности превышения ПДК определяют уровень загрязненности воды, так называемый частный оценочный балл по кратности превышения . Его величина изменяется от 1 до 2 (при кратности превышении ПДК 1-2); от 2 до 3 (при превышении ПДК от 2 до 10); 3-4 (10-50); более 4 (более 50). Расчет баллов проводится с применением линейной интерполяции.

После этого определяется обобщенный оценочный балл по каждому ингредиенту. Он рассчитывается как произведение частного оценочного балла по повторяемости случаев загрязненности и частного оценочного балла по кратности превышения (для единичного измерения – частный оценочный балл по кратности превышения умножается на 4):

S_ij =

Затем определяется удельный комбинаторный индекс загрязненности воды:

- общее число учитываемых в оценке ингредиентов.

Однако для окончательного определения качества воды необходимо установить критический показатель загрязненности воды F. Им считается такой показатель, для которого ³ 9.

Для анализа состояния загрязненности используется перечень и число критических показателей загрязненности (КПЗ) воды F. По величине F рассчитывается коэффициент запаса

k = 1 – 0,1 F,

который вводится далее в градации классов качества воды дополнительно к удельному комбинаторному индексу загрязненности воды для ужесточения оценки в случае обнаружения концентраций, близких или достигающих уровней высокого или экстремально высокого загрязнения. Его значение уменьшается с увеличением числа КПЗ: от единицы при отсутствии КПЗ, 0,9 при одном КПЗ и до 0, 5 при пяти КПЗ. То есть коэффициент запаса рассчитывается до 5. В случае, когда F ³ 6 и k £ 0,4, вода без расчета относится к 5-му классу и оценивается как «экстремально грязная». Градации классов качества воды представлены в табл. 23.

Таблица 23. Классификация качества воды водотоков по значению удельного комбинаторного индекса загрязненности воды

Класс и	Характеристика	Удельный комбинаторный индекс загрязненности воды
Разряд	состояния	без учета	в зависимости от числа учитываемых КПЗ
	загрязненности воды	числа КПЗ	1 (k =0,9)	2 (k =0,8)	3 (k =0,7)	4 (k =0,6)	5 (k =0,5)
1-й	Условно чистая		0,9	0,8	0,7	0,6	0,5
2-й	Слабо загрязненная	(1; 2]	(0,9; 1,8]	(0,8; 1,6]	(0,7; 1,4]	(0,6; 1,2]	(0,5; 1,0]
3-й	Загрязненная	(2; 4]	(1,8; 3,6]	(1,6; 3,2]	(1,4; 2,8]	(1,2; 2,4]	(1,0; 2,0]
разряд "а"	загрязненная	(2; 3]	(1,8; 2,7]	(1,6; 2,4]	(1,4; 2,1]	(1,2; 1,8]	(1,0; 1,5]
разряд "б"	очень загрязненная	(3; 4]	(2,7; 3,6]	(2,4; 3,2]	(2,1; 2,8]	(1,8; 2,4]	(1,5; 2,0]
4-й	Грязная	(4; 11]	(3,6; 9,9]	(3,2; 8,8]	(2,8; 7,7]	(2,4; 6,6]	(2,0; 5,5]
разряд "а"	грязная	(4; 6]	(3,6; 5,4]	(3,2; 4,8]	(2,8; 4,2]	(2,4; 3,6]	(2,0; 3,0]
разряд "б"	грязная	(6; 8]	(5,4; 7,2]	(4,8; 6,4]	(4,2; 5,6]	(3,6; 4,8]	(3,0; 4,0]
разряд "в"	очень грязная	(8; 10]	(7,2; 9,0]	(6,4; 8,0)	(5,6; 7,0]	(4,8; 6,0]	(4,0; 5,0]
разряд "г"	очень грязная	(8; 11]	(9,0; 9,9]	(8,0; 8,8]	(7,0; 7,7]	(6,0; 6,6]	(5,0; 5,5]
5-й	Экстремально грязная	(11; ]	(9,9; ]	(8,8; ]	(7,7; ]	(6,6; ]	(5,5; ]

П р и м е ч а н и е. Круглая скобка показывает, что стоящее при ней значение в интервал не входит; квадратная скобка – значение входит.

 

Существенным при расчете КИЗВ является выбор перечня загрязняющих веществ. В РД предлагаются три перечня: обязательный перечень № 1 (O_2раст., БПК₅, ХПК, фенолы, нефтепродукты, NO₂^-, NO₃^-, NH₄⁺, Fe_общ., Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺, Cl^-, SO₄^2-); рекомендуемый № 2, который включает специфические загрязняющие вещества, которые характерны для определенных водных объектов и имеют локальное распространение (к специфическим загрязняющим веществам могут относиться ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, бор, фтор, алюминий, формальдегид, анилин, метилмеркаптан, сульфиды и сероводород, хлор- и фосфорорганические пестициды и др.); свободный перечень № 3 включает те ингредиенты, которые важны для водопользователя при проведении отдельных научно-исследовательских работ или решении производственных задач.

Нужно заметить, что от количества включаемых в рассмотрение веществ зависит величина УКИЗВ. Поэтому целесообразно использовать перечисленные вещества из первого и второго перечней, а также специфические поллютанты, типичные для данного водного объекта, когда их содержания превышают соответствующие статусу водного объекта ПДК. При этом не стоит искусственно расширять этот перечень.

К сожалению УКИЗВ не учитывает фоновые содержания химических веществ. Это приводит к тому, что при расчете индекса (особенно для водоемов рыбохозяйственного назначения) в некоторых районах страны мы сталкиваемся с низким качеством воды за счет повышенного фонового содержания некоторых ингредиентов. Заведомо снижение качества воды будет в районах развития естественных геохимических аномалий. Для многих водоемов типичны повышенные фоновые содержания меди и цинка по отношению к ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения. В северных районах за счет природных факторов повсеместно наблюдаются концентрации железа и марганца, превышающие существующие нормативы. Так, многочисленные расчеты УКИЗВ для водных объектов ЯНАО показывают, что в отсутствие каких-либо источников загрязнения повышенные фоновые содержания металлов снижают класс качества до слабо загрязненных и загрязненных вод.

Кроме этих широко применяемых индексов состояния вод, следует кратко остановиться еще на одном показателе, который используется в системе оценки экологической обстановки территорий (см. раздел 2.6). Это показатель химического загрязнения (ПХЗ-10). Расчет проводится по десяти соединениям, содержание которых максимально превышает ПДК:

ПХЗ-10 =

где ПДК – предельно допустимые концентрации поллютантов в воде рыбохозяйственного назначения, С_i – концентрация i –го химического вещества в воде.

Для установления ПХЗ-10 рекомендуется проводить анализ воды по максимальному числу показателей. Водные объекты, в которых величина ПХЗ-10 по веществам 1–2-го классов опасности составляет более 80 или по 3–4-го классам опасности – более 500, соответствуют статусу зоны экологического бедствия. Критерием зон чрезвычайной экологической ситуации служат значения ПХЗ-10 по веществам 1–2-го классов опасности – 35-80, 3-4 классов – менее 500. В то же время в относительно удовлетворительной ситуации эти величины не превышают 1 и 10 соответственно.

Правила таксации водоемов рыбохозяйственного назначения определяются ГОСТ 17.1.2.04-77. Состояние водных объектов, используемых в рыбохозяйственных целях, оценивается по классам сапробности, которые отражают уровень антропогенного загрязнения воды органическими и биогенными веществами.

Рассматривается шесть классов сапробности водного объекта: ксеносапробность и олигосапробность, характеризующие чистые воды; b-мезосапробность и a-мезосапробность – загрязненные воды; полисапробность и гиперсапробность – грязные воды. Для определения класса сапробности используется ряд количественных показателей и свойств воды: содержание растворенного кислорода (% насыщения), прозрачность воды, значения БПК₅ и БПК₂₀, перманганатная окисляемость, содержание биогенных соединений (нитриты, нитраты, фосфаты и т. д.), сероводорода, а также микробиологические показатели (табл. 24). Существенно, что оценка качества воды в рыбохозяйственных водоемах может проводиться без привлечения значений предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ.

Кроме того, состояние водного объекта оценивается по ряду качественных характеристик (состав донных осадков, гидрологический режим, состояние флоры и фауны с позиций кормовой и промысловой баз и т. д.) и количественных показателей (по pH, показателю жесткости, соотношению показателей содержания органического вещества, концентрации катионов и анионов). Так, по водородному показателю пресные (соленость до 1,00‰), солоноватые и эстуарные (1,01-15,00‰) воды делятся на следующие группы:

- нормальные (pH 6,5-8,5);

- слабокислые (6,4-5,0) – опасны для рыб при концентрации двуокиси углерода выше 20 мг/л, повышенном содержании солей железа и др.;

- кислые (ниже 5,0) – опасны для рыб всегда;

- слабощелочные (8,6-9,5) – опасны для рыб при длительном действии;

- щелочные (выше 9,5) – опасны для рыб всегда.

Гигиеническая классификация состояния подземных вод по степени влияния на них техногенного фактора приведена в санитарных правилах по охране подземных вод (СП 2.1.5.1059-01). В предлагаемом документом варианте она носит сугубо качественный характер (табл. 25). На основе подхода, принятого в данной классификации, можно оценивать степень техногенного влияния на качество вод в сравнении с фоновыми значениями содержания химических элементов и их предельно допустимыми концентрациями.

 

Таблица 24. Классы качества воды в рыбохозяйственных водоемах

 

Показатели	Чистые воды	Загрязненные воды	Грязные воды
	Ксено- сапробность	Олиго- сапробность	Бетамезо- сапробность	Альфамезо- сапробность	Поли-сапробность	Гипер-сапробность
Растворенный кислород, % насыщения	95-100	80-110	60-125	30-150	0-200
Прозрачность воды по диску Секки, м	3,0	2,0	1,0	0,5	0,1	менее 0,1
БПК5, мг О/л	0,0-0,5	0,6-0,1	1,1-2,0	2,1-3,0	3,1-10,0	более 10
БПК20, мг О/л	0,0-01,0	1,1-2,0	2,1-3,0	3,1-4,0	4,1-15,0	более 15
Перманганатная окисляемость, мг О/л	0,0-7,0	7,1-10,0	10,1-20,0	20,1-40,0	40,1-80,0	более 80
Аммоний солевой, мг/л	0,0-0,05	0,06-0,10	0,11-0,50	0,51-1,00	1,01-3,00	более 3
Нитраты, мг/л	0,05-5,0	5,1-10,0	10,1-40,0	40,1-80,0	80,1-150,0	более 150
Нитриты, мг/л	0-0,001	0,002-0,04	0,05-0,08	0,09-1,5	1,6-3,0	более 3
Фосфаты, мг/л	до 0,005	0,006-0,03	0,04-0,10	0,11-0,30	0,31-0,60	более 0,6
Сероводород, мг/л	0,0	0,0	0,0	0,0	до 0,1	более 0,1
Общее количество микроорга-низмов, млн кл/мл	До 0,5	0,5-1,0	11,3,0	3,1-5,0	5,1-10,0	Более 10,0
Сапрофиты, тыс. кл/мл	До 0,5	0,5-5,0	5,1-10,0	10,1-50,0	50,1-100,0	Более 100,0
Индекс (общее коли-чество/сапрофиты)	Более 10^3	Более 10^3	10^3-10^2	Менее 10^2	Менее 10^2	Менее 10^2

 

 

Таблица 25. Гигиеническая классификация подземных вод по степени выраженности влияния техногенного фактора