Оценка степени опасности загрязнения водной среды

Оценка степени опасности загрязнения водной среды является важной экологической и санитарно-эпидемиологической задачей, решение которой зависит от цели исследований. Оценка степени опасности производится на основе ПДК. В настоящее время действует ряд нормативных документов, определяющих ПДК вод в зависимости от назначения использования. Разработаны и утверждены ПДК вод хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения. Они существенно отличаются. Так концентрация меди в водах питьевого качества не должна превышать 1 мг/л, а в водах рыбохозяйственного назначения – 0,001мг/л.

Поэтому определять опасна данная концентрация какого-либо компонента или не опасна необходимо в зависимости от целей мониторинга. Так контроль качества питьевой воды необходимо осуществлять на основе ПДК вод хозяйственно-питьевого назначения. Мониторинг рыбохозяйственных объектов осуществляется на основе ПДК вод рыбохозяйственного назначения. Во всех остальных случаях используют ПДК вод культурно-бытового назначения.

Целью мониторинга объектов водной среды является контроль их гидродинамического и гидрохимического режима. Контроль осуществляется на базе региональных и локальных сетей наблюдения. Региональные сети организовываются государственными контролирующими структурами, а локальные сети в зонах влияния производственных объектов организуются за счет средств предприятий, которым принадлежат данные объекты.

В курсовой работе предполагается приобретение навыков по обработке данных химико-аналитических исследований проб поверхностных и подземных вод, отобранных при проведении мониторинга на базе локальных сетей, организованных в зонах влияния различных производственных объектов.

Задание:

Рассчитать показатели загрязнения поверхностных и подземных вод на базе ПДК вод культурно-бытового назначения. Рассчитать суммарные показатели концентраций (СПК). Построить моно- и поликомпонентные карты загрязнения водной среды. Дать характеристику степени опасности загрязнения вод исследуемой территории, описать форму размеры выделенных ореолов загрязнения, их пространственную приуроченность. Сделать вывод о связи выделенных ореолов загрязнения с источниками загрязнения, в частности с объектом исследования.

Методические указания:

1. Загрязняющие компоненты распределяются по лимитирующему признаку вредности и классам опасности.

2. Для каждого компонента определяется показатель загрязнения,

где Пз_i – показатель загрязнения i-го компонента; С_i – содержание i-го компонента, ПДК_i – предельно допустимая концентрация i-го компонента.

3. Оценочным параметром суммарного полиэлементного загрязнения конкретной пробы является суммарный показатель концентрации (СПК):

Согласно рекомендациям нормативных документов [СанПиН №4630-88] суммарный показатель концентрации (СПК) для воды рассчитывался по формуле:

C₁ C₂ С_n

СПК = --------- + --------- + ... + ---------,

ПДК₁ ПДК₂ ПДКn

где C_n – концентрация n-го компонента в пробе;

ПДК_n - предельно-допустимая концентрация n-го компонента в пробе.

К расчету принимаются компоненты 1, 2 и 3 классов опасности (чрезвычайно опасные и высоко опасные) с одинаковым лимитирующим признаком вредности санитарно- токсикологическим (Pb, Hg, Cd, Bi, Co, Ni, Se, Al, Br, V, NO₃^-, NH₄⁺) и органолептическим (Zn, Cu, Fe, Mn, S0₄^2-, C1^-).

4. Степень загрязнения для природных вод определяется согласно нормативам качества воды для водных объектов культурно-бытового водопользования.

Степень загрязнения	Оценочные показатели загрязнения для водных объектов I и II категории
	Органолептический (СПК)	Санитарно-токсикологический (СПК)
Допустимая Умеренная Высокая Чрезвычайно высокая	<1 1-4 4-8 >8	<1 1-3 3-10 >10

5. На основе всех определенных СПК выделяются ореолы комплексного загрязнения водной среды исследуемой территории.

6. Для ряда индикаторных компонентов, которые определяют уровень суммарного загрязнения, а также для уровня минерализации и жесткости строятся отдельные карты распространения данных компонентов и показателей.

7. Приводятся результаты расчетов, набор карт и их описание, выводы о степени опасности загрязнения исследуемой водной среды, источниках загрязнения.

Изучение химического состава и гидрогеохимической зональности вод

Химический состав и уровень минерализации вод определяют содержания макрокомпонентов. К ним относятся главным образом гидрокарбонат-анион, сульфат-анион, хлорид-анион, редко карбонат-анион, натрий-катион, кальций-катион, магний-катион.

Для пресных природных вод характерен гидрокарбонатно-кальциевый состав. Антропогенная деятельность способствует росту уровня минерализации и, соответственно, изменению химического состава, которое протекает вполне закономерно. Так анионный состав меняется от гидрокарбонатного до сульфатного и далее до хлоридного. При этом возникают промежуточные типы вод сульфатно-гидрокарбонатные, гидрокарбонатно-сульфатные, хлоридно-сульфатные, сульфатно-хлоридные. Иногда образуются воды хлоридно-гидрокарбонатные и гидрокарбонатно-хлоридные. Происходит также изменение катионного состава в направлении от кальциевого к кальциево-магниевому и к кальциево-натриевому, натриевому. Нередко возникают воды смешенного катионного состава. В водах антропогенного происхождения преобладает натрий. Вокруг источников и очагов загрязнения формируются ореолы гидрогеохимической зональности, выделяемые по закономерному изменению катионного и анионного состава вод. Воды очагов загрязнения отличаются по химическому составу от вод менее загрязненных.

Для изучения и картирования гидрохимической зональности используют обычно формулу Курлова, в которой представлен анионный и катионный состав вод. В данной курсовой работе рассмотрена методика, также позволяющая изучать гидрохимический состав вод. Она основана на расчете удельного вклада каждого катиона и аниона в общую минерализацию вод. Этот вклад является своеобразным гидрохимическим индексом, рассчитанным для каждого макрокомпонента.

Задание:

Рассчитать гидрохимические индексы гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов, кальция, магния, натрия для каждой пробы воды. Построить карты распространения гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов, кальция, магния и натрия вводной среде исследуемой территории. На основе анализа построенных карт определить закономерности распределения основных катионов и анионов в пределах территории и относительно очагов загрязнения. Сделать вывод о связи вод определенного химического состава с очагами загрязнения.

Методические указания:

1. Рассчитать гидрохимические индексы для анионов и катионов вод каждой из проб по формуле:

где I_ан(кат) – индекс конкретного аниона или катиона в пробе, например, сульфат-иона;

С_ан(кат) – концентрация конкретного аниона или катиона, например, сульфат-иона;

М – уровень минерализации вод.

2. Полученные результаты расчетов разнести на карту.

3. Выделить на картах участки с разными индексами концентраций для каждого аниона и катиона отдельно.

4. Предлагаемая градация концентраций для анионов – 10%, 20%, 30%, 40% и 50%; для катионов – 5%, 10%, 15%, 20%, 25%.

5. Проанализировать закономерности распределения вод с различным катионным и анионным составом. Определить связь очагов загрязнения с определенным типом вод, установить закономерности распределения вод различного состава вокруг источников и очагов загрязнения.

Определение зоны влияния источника загрязнения поверхностных и подземных вод, построение карты ассоциативной гидрогеохимической зональности ореолов загрязнения

Мониторинг качества поверхностных и подземных вод в зонах влияния какого-либо источника загрязнения предполагает необходимость определения границ ореола загрязнения. Общая или возможная зона влияния определяется гидродинамическими условиями территории – направлением движения потока и граничными условиями. При этом зона влияния исследуемого объекта не может выходить за пределы установленных гидродинамических границ, однако может быть меньше по размерам и не достигать естественых или искусственных дрен. При наличии двух и более источников загрязнения решается более сложная задача разграничения зон влияния, определения вклада каждого из источников в общее загрязнение территории. Недостоверные сведения о связи установленного ореола загрязнения с конкретным источником, может привести к разработке неэффективных, ненужных мероприятий по ликвидации или минимизации негативного воздействия. Это неэффективно растраченные средства.

Исходя из этого определяется актуальность применения методик, способных на достоверной вероятностно-статистической основе объективно определять и разграничивать зоны влияния источников загрязнения поверхностных и подземных вод. Утвержденных общепринятых методических рекомендаций по определению и разграничению зон влияния источников загрязнения не существует.

Базовым положением применяемой методики служить тезис о том, что любые аномальные ореолы, сформированные под действием природных или антропогенных факторов, имеют закономерное внутреннее строение, которое обязано вполне определенной направленности процессов, формирующих аномалии и проявляющихся в конкретных ландшафтно-геохимических условиях.

Взаимодействие природных и антропогенных факторов определяет условия миграции и локализации вредных веществ в водах, водовмещающих породах и донных отложениях, то есть условия формирования ореолов загрязнения. Проявления этого взаимодействия наблюдаются в виде определенных закономерностей, устанавливаемых при изучении аномалий:

- вполне определенная дифференциация элементов и веществ вокруг источника загрязнения;

- типичный набор главных, второстепенных, инертных и деконцентрирующихся элементов;

- определенные пространственные и временные (при периодическом наблюдении) соотношения с источником загрязнения и в соответствии с ландшафтно-геохимическими условиями;

- типичная концентрационная зональность, устанавливаемая как для моноэлементных, так и для полиэлементных ореолов;

- определенная ассоциативная зональность, обусловленная закономерной дифференциацией элементов по отношению к источнику.

Проявленность всех этих признаков необходимо учитывать при определении границ зон влияния источников загрязнения. Однако наиболее информативным признаком в этом отношении является характер ассоциативной зональности ореолов загрязнения. Под действием процессов дифференциации аномальные ореолы по отношению к источнику загрязнения имеют закономерное внутреннее строение, оно проявлено в том, что в центральных частях ореола концентрируется вполне определенная группа элементов, а на периферии отмечается снижение содержания элементов данной группы и в ряде случаев рост концентраций не типичных для эпицентров аномалий элементов. Таким образом, набор индикаторных элементов, их концентрации от центра аномальных ореолов к периферии закономерно меняются. Причем эти закономерности характерны для однородных источников загрязнения и являются своеобразным паспортом, по которому их можно идентифицировать. Разнородные, по характеру производства или бытовой деятельности, источники загрязнения различаются типом ассоциативной зональности. Поэтому для идентификации источника загрязнения и определения зоны его влияния необходимо изучить закономерности внутреннего строения аномальных ореолов и определить характер ассоциативной зональности.

Задание:

На основе корреляционного анализа, на карте определить границы и наличие ассоциативной зональности ореола влияния источника загрязнения.

Методические указания:

1. Рассчитать коэффициенты корреляции между концентрациями микроэлементов всех проб по формуле , где r – коэффициент корреляции между гидрогеохимическими параметрами (концентрациями микроэлементов) проб; x_i, y_i- концентрации i-го микроэлемента в сопоставляемых между собой пробах (x и y); , - средние значения концентрации микроэлементов по сравниваемым пробам (х и у); N- количество микроэлементов, вовлеченных в расчет; , - стандартное отклонение концентраций микроэлементов по сравниваемым пробам (х и у).

2. Выделить пробы между гидрогеохимическими спектрами которых установленная значимая положительная связь с уровнем достоверности α≥ 0,05.

3. Из имеющихся лабораторных данных сформировать однородную выборку проб, соответствующую двум признакам:

- в этих пробах должно быть установлено максимальное загрязнения водной среды, связанное с исследуемым источником;

- между гидрогеохимическими параметрами данных проб установлена значимая положительная связь.

4. Рассчитать средние значения концентраций микроэлементов для однородной выборки. Полученные средние значения будут характеризовать среднестатистические гидрогеохимические параметры эпицентров аномальных зон и будут отражать их геохимический спектр.

5. Рассчитать коэффициенты корреляции между полученными среднестатистическими гидрогеохимическими параметрами эпицентров аномалии и гидрогеохимическими параметрами (концентрациями микроэлементов) всех остальных проб, включая пробы однородной выборки.

6. Полученные коэффициенты корреляции (r) ранжировать по силе и характеру связи с учетом критических значений r для уровней достоверности: α≥ 0,001; α≥ 0,01; α≥ 0,05; α≥0,10. При этом допускается объединение проб с r≥ 0,900; от 0,800 до 0,900; от 0,700 до 0,800.

7. Вынести полученные значения коэффициентов корреляции на карты и с учетом предварительной группировки проб по силе и характеру связи откартировать соответствующие зоны аномального ореола.

8. По характеру установленной зональности определить границы зоны влияния исследуемого источника загрязнения и выделить аномальные пробы, в которых отмечается нетипичный данному источнику загрязнения спектр (ассоциация) элементов.

Изучение внутреннего строения ореола загрязнения водной среды, определение характера поведения элементов в процессе его формирования

Ореолы загрязнения по отношению к источнику имеют закономерное зональное строение. Оно проявлено как в закономерном изменении концентраций элементов в направлении от эпицентров загрязнения к их периферии (концентрационная зональность), так и в определенной смене геохимических ассоциаций элементов в этом же направлении (ассоциативная зональность). Это связано с проявлением процессов техногенной дифференциации элементов вокруг источника. На характер зональности ореолов влияют природные и техногенные факторы. Техногенные факторы связаны с характером источника загрязнения, его параметрами: выбросы в атмосферный воздух, сбросы в водные объекты, отходы, характером водного режима источника загрязнения и прилегающей территории, наличия техногенного водоносного горизонта, противофильтрационного экрана и др. Этими факторами определяется также набор загрязняющих веществ, распределяющихся вокруг источника.

Природные факторы определяются климатическими и ландшафтно-геохимическими условиями. Основными климатическими факторами являются преобладающее направление и скорость ветра, количество и периодичность атмосферных осадков, температура воздуха. Эти факторы влияют на миграционные свойства загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, поверхностным стоком при выпадении осадков. Ландшафтно-геохимические условия влияют на миграцию, локализацию и последующее перераспределение веществ в основных типах ландшафтов территории. Основными факторами при этом являются: характер рельефа (водораздел, крутой или пологий склон, речная долина, балочное понижение и др.); геолого-структурные условия (строение зоны аэрации и зоны водонасыщения); глубина залегания грунтовых вод; характер растительного покрова; тип почв.

Кроме этого, необходимо учитывать форму нахождения вредных компонентов, которая является определяющим фактором их миграции и локализации. При этом устойчивость исходных соединений во внешних условиях, их способность к окислению, к образованию других веществ, в разной степени растворимых в воде или летучих, будет существенно влиять на характер последующего перераспределения в пределах ореола загрязнения почв.

Сложное взаимодействие факторов, влияющих на дифференциацию загрязняющих веществ вокруг источника, приводит к возникновению динамического равновесия в природно-техногенных системах, при котором постоянные изменения, связанные с преобладанием того или иного фактора в различные периоды года, двух-трех и более лет, постоянно сопровождаются корректировкой относительно равновесных условий. Это подтверждается многолетним опытом регулярного изучения ореолов загрязнения в зонах влияния различных источников. Это динамическое равновесие выражается в том, что ореолы загрязнения в разные периоды наблюдения могут несколько смещаться, менять конфигурацию, площадь распространения, интенсивность проявления, иногда набор индикаторных элементов. Однако общие закономерности: характер пространственной приуроченности, набор главных загрязняющих компонентов, наличие концентрационной и ассоциативной зональности ореолов, всегда устанавливаются.

Имеющиеся результаты проведения регулярного мониторинга в связи с различными источниками загрязнения позволяют сделать вывод о том, что чем интенсивнее проявлен процесс техногенного загрязнения, тем более отчетливо выражена концентрационная и ассоциативная зональность формируемого ореола и тем большее количество макро- и микрокомпонентов испытывает значительную дифференциацию в его пределах.

В этой связи кроме умения выделять и картировать зоны загрязнения не менее важным является изучение их внутреннего строения, а именно поведения элементов в процессе формирования ореолов.

Задание:

С использованием данных предыдущей лабораторной работы по определению зональности ореолов загрязнения водной среды изучить характер поведения элементов по направлению от внешних зон ореола к внутренним. Определить группы главных, второстепенных и инертных элементов.

Методические указания:

1. Сформировать выборки проб в соответствии с установленной корреляционным анализом зональности:

- первая выборка соответствует однородной выборке эпицентров загрязнения, например, для r более 0,900;

- вторая, для промежуточных зон ореола определяется по значимым положительным корреляционным связям для проб с меньшим уровнем загрязнения, например, для r от 0,700 до 0,900;

- третья выборка для внешних зон ореола, куда включаются пробы, в которых устанавливается значимая положительная связь с эпицентрами загрязнения при уровне значимости 0,05, например, для r от 0,452 до 0,700;

- четвертая выборка для проб периферии ореола загрязнения, где корреляционная связь с эпицентрами загрязнения не устанавливается и отмечается наименьшая степень загрязнения, то есть это тот фон, на котором развивается процесс загрязнения;

- пятая выборка не является обязательной и составляется в случае, когда есть пробы высокого уровня загрязнения, а связи с эпицентром основного загрязнения не устанавливаются, то есть это пробы влияния стороннего источника загрязнения.

2. По каждой из выборок рассчитываются средние концентрации элементов.

3. Строятся графики, отражающие характер поведения элементов, их уровня концентрирования в каждой из выделенных зон по направлению от эпицентра ореола к его периферии, где в крайней позиции можно разместить пятую выборку, характеризующую дополнительный источник загрязнения.

4. По графикам определяют главную, второстепенную и инертную группы элементов, изучают характер распределения элементов внутри ореола загрязнения и за его пределами.

5. По характеру поведения элементов идентифицируют источник загрязнения, определяют зону его влияния, разграничивают зоны влияния сторонних источников загрязнения.

Результаты работы третьего этапа оформляются в виде раздела курсовой работы «Результаты мониторинга». В этом разделе также описывается методика обработки полученных данных полевых и лабораторных работ, приводятся результаты расчетов, картографический материал и т.д.