1.2 Совокупность физико-химических и биологических параметров

Для классификации водных объектов Карелии по совокупности параметров в 1999 году П.А. Лозовиком были использованы следующие характеристики:

1. Минерализация, электропроводность и ионный состав воды (Са2+, Mg2+, Na+, К+, HCO3-, SO42-, Сl-).

2. Органическое вещество (цветность, ПО, Сорг., БПК5).

3. Биогенные элементы (Рмин., Робщ., NH4+, NO2-, Nopr.).

4. Микроэлементы (Fe, Mn, Si, F).

5. Хлорофилл a.

6. Растворенные газы (СО2, O2) и pH воды.

7. Загрязняющие, токсические вещества.

Содержание в воде биогенных элементов - очень важный лимнологический показатель. От их количества в значительной степени зависит продукция в водоеме и определяется его трофический статус. В естественном состоянии уровень трофности может изменяться от олиго- (низкопродуктивных) до мезо- (среднепродуктивных) и эвтрофных (высокопродуктивных). Такие классификации проведены на примере многочисленных озер Карелии. При этом рассматривались особенности вод, отражающие природное ее качество, трофическое состояние водоемов и их загрязнение, с учетом нормативов по использованию воды для питьевого водоснабжения и рыбохозяйственных целей. С учетом этого было выделено несколько классов вод разного качества: высокое, хорошее, удовлетворительное, низкое, а также загрязненные воды.

К категории высокого качества вод отнесены все воды, имеющие цветность до 40 град, и олиготрофные (Робщ до 12 мкг/л, хлорофилл а - до 3 мкг/л) водные объекты с содержанием Fe до 0.2 мг/л, рН - 6.5-8.0 и насыщением воды кислородом 80-105 %. При соблюдении этих параметров озеро чистое с высокой прозрачностью, водоросли не ограничивают использование воды для всех форм использования.

К категории хорошего качества вод отнесены воды с цветностью 30-120 град, олиго- и мезотрофные (Робщ 8-25 мкг/л, хлорофилл а - до 10 мкг/л) с величиной рН 6.2-8.5, содержанием Fe 0.1-0.5 (возможно до 0.75 мг/л при условии низкого содержания Робщ и цветности менее 120 град.), насыщением воды кислородом 60-120 %. Водоем почти в естественном состоянии, с высокой прозрачностью вод, очень слабо эвтрофированный, его воды пригодны для всех форм использования.

К удовлетворительному качеству отнесены все водные объекты с величиной рН 5.5-6.2, а также эвтрофные (30 < Робщ< 50 мкг/л, 10 < хлорофилл а < 30 мкг/л), независимо от остальных показателей, и полигумозные с рН > 6.5, с содержанием железа от 0.5 до 1.5 мг/л и цветностью до 200 град. Водоем слабо эвтрофирован в результате поступления сточных вод, рассредоточенной нагрузки загрязняющими веществами и другого антропогенного воздействия. Отмечается заметное уменьшение прозрачности, влияние водорослей на ухудшение качество вод. Содержание вредных веществ в воде, донных отложениях или бентосных организмах могут несколько превышать фоновые природные концентрации. Водоем подходит для различных целей использования с определенными ограничениями.

К низкому качеству вод отнесены все водные объекты с кислой реакцией (рН < 5.5), независимо от остальных показателей, и полигумозные с рН > 6.5, с содержанием железа более 0.7 мг/л, а также высоко эвтрофные для условий Карелии озера (Ро6щ > 40, хлорофилл а > 30 мкг/л). Водоем слабо эвтрофирован, заметно влияние сточных вод, малая прозрачность, ухудшаются органолептические свойства. Концентрации вредных веществ в воде, донных отложениях и зообентосе существенно превышают фоновые значения. В водоемах с глинистым грунтом в литоральной зоне значения рН воды могут быть очень низкими в течение значительного периода времени, в результате чего периодически наблюдается повышенная смертность рыб при закислении. Вообще водоём подходит для использования, только когда имеются низкие требования к качеству воды.

К загрязненным причислены все водные объекты (или участки), являющиеся приемниками сточных вод. Для этих водоемов характерно превышение показателей (Робщ, БПК, нефтепродуктов, К, Li, тяжелых металлов и др.) по сравнению с фоновыми. Водный бассейн испорчен сточными водами, загрязнением. Водоросли часто препятствует использованию воды для разных целей. Из-за эвтрофирования кислородный режим может быть нестабильным. Концентрации вредных веществ в воде, донных отложениях и зообентосе могут достигать того уровня, когда появляется реальная опасность для экосистемы и использования воды человеком. Использование такой воды существенно ограничено для всех видов водопользования.

На основе указанных выше критериев была построена средствами ГИС классификация вод Карелии по качеству вод.

Индекс Качества воды Национального Фонда Очистки (National Sanitation Foundation Water Quality Index) - обычно используемый в США индекс качества воды (WQI) был создан Национальным Фондом Очистки (NSF) в 1970. NSF WQI был разработан для обеспечения стандартизированного подхода для сравнения качества воды различных водных объектов. 142 ученых рассмотрели приблизительно 35 тестов качества воды установили какие тесты должны быть включены в индекс (Браун и другие, 1970). Девять параметров качества воды были отобраны для включения в индекс. Эти параметры:

• Растворённый кислород (РК)

• Фекальные колифаги

• рН

• БПК5

• Изменение температуры (от 1 мили вверх по течению)

• Общий фосфор

• Нитраты

• Мутность

• Взвешенные вещества (ВВ)

Уровень качества воды был изображён в виде графика в пределах от 0 (худший) до 100 (лучше всего) от исходных данных (например, значения pH 2-12). Были определены факторы значимости для каждого параметра. Результаты этих девяти параметров были сравнены со значениями значимости, было получено численное значение, или "Q-value".

Рис. 2 Кривая NSF WQI для фекальных колифагов

После получения значения Q-value оно умножается на "фактор значимости", основанный на важности того теста в качестве воды. Девять получающихся значений Q-value складываются, чтобы достигнуть полного индекса качества воды (WQI). Пример вычисления дан ниже:

Таблица 3

Тест	Значение	Ед. измерения	Q-value	Фактор значимости	Результат
РК	82	%	90	0,17	15,3
Фекальные колифаги	12	ед./100 мл	72	0,16	11,52
pH	7,67	ед. рН	92	0,11	10,12
БПК5	2	мг/л	80	0,11	8,8
Изменение T	5	градус C	72	0,10	7,2
Общий фосфор	0,5	мг/л PO4-P	60	0,10	6
Нитраты	5	мг/л NO3	67	0,10	6,7
Мутность	5	NTU	85	0,08	6,8
ВВ	150	мг/л	78	0,07	5,46
WQI					77,9

Если выполнено менее 9 тестов, полный WQI может быть оценен, суммированием результатов и делением суммы значений на общее их количество. Например, если БПК5 и изменение температуры не доступны, то складываются семь остающихся результатов, складываются семь факторов значимости. Сумма результатов делится на сумму факторов значимости, таким образом получается новое значение WQI.

Диапазоны WQI были определены как:

• 90-100: Превосходно

• 70-90: Хорошо

• 50-70: Среднее

• 25-50: Плохо

• 0-25: Очень Плохо

Индекс качества воды Канадского Совета Министров охраны окружающей среды (CCME WQI) – был разработан в 1997 году Исследовательской группой контроля качества воды Канадского Совета Министров охраны окружающей среды (CCME), как усовершенствование индекса The British Columbia Water Quality Index (BC WQI), для возможности его применения во всех регионах и территориях. Индекс, включает модификации, разработанные для провинции Альберта; и схож с Альбертским сельскохозяйственным Индексом Качества воды (Alberta Agricultural Water Quality Index) или AAWQI [29].

Также как и BC WQI и индекс AAWQI, CCME WQI основывается на комбинации 3х факторов:

1. число переменных, где допустимые значения не достигнуты (Область)

2. частота, с которой допустимые значения не достигались (Частота)

3. значение суммы, на которой допустимые значения не были достигнуты (Амплитуда).

Однако, методы, которыми вычисляются эти факторы, несколько отличаются в каждом индексе и, таким образом, обеспечивают различные результаты при одном и том же наборе данных. Другое важное различие между BC WQI и CCME WQI - способ объединения факторов для расчёта конечного единого значения индекса. В обоих случаях значение индекса может колебаться от 0-100. Однако, в BC WQI рост значений индекса означает ухудшение качества воды, в то время как в CCME WQI всё наоборот. Таким образом, в CCME WQI значение 100 – наилучшее значение индекса, а значение 0 наихудшее.

После определения значения CCME WQI, оценивается качество воды по одной из следующих категорий:

• Превосходное: (CCME WQI значение 95-100) – качество воды обеспечено отсутствием действительной угрозы или ухудшения; условия очень близки к естественным или древним уровням.

• Хорошее: (CCME WQI значение 80-94) – качество воды обеспечено только с незначительной степенью угрозы или ухудшения; условия редко отступают от естественных или желательных уровней.

• Сомнительное: (CCME WQI значение 65-79) – качество воды обычно обеспечивается, но иногда нарушается или ослабляется; условия иногда отступают от естественных или желательных уровней.

• Предельное: (CCME WQI значение 45-64) – качество воды часто нарушается или ослабляется; условия часто отступают от естественных или желательных уровней.

• Плохое: (CCME WQI значение 0-44) – качество воды почти всегда нарушается или ослабляется; условия обычно отступают от естественных или желательных уровней.

Присвоение значений CCME WQI в соответствии с этими категориями, называется "классификацией" и представляет критический, но несколько субъективный процесс. Классификация основана на лучшей доступности информации, экспертной оценке, и ожиданиях обывателей в области должного качества воды. Классификация, представленная здесь, предварительна и будет без сомнения изменена, поскольку индекс будет проверяться и далее [28].

Рассмотрим подробно 3 наиболее известных в нашей стране интегральных гидрохимических индекса: индекс загрязнения воды (ИЗВ), удельный комбинаторный индекс загрязнения воды (УКИЗВ), индекс трофического состояния (ITS).