О БОБЩ ЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ НАБЛЮ ДЕНИЙ
14 .1 . О ценка со ст о я н и я п о в ер х н о ст н ы х в о д суш и
Важным элементом системы мониторинга водных объектов яв ляется оценка их состояния, включающая этапы выбора показате лей (характеристик) и их измерение. Под состоянием водной экоси стемы понимается характеристика этой экосистемы по совокупно сти количественных и качественных биогенных, абиогенных и ан тропогенных показателей применительно к видам водопользова ния. Исходя из этого определения, для характеристики состояния водной экосистемы необходимы оценки, дающие полную всесто роннюю информацию не только о составе и свойствах воды, но и о протекающих в водном объекте процессах, которые создают среду обитания для гидробионтов, способствующих самоочищению воды и формированию ее качества. Однако на данном этапе такое ком плексное оценивание невозможно ввиду отсутствия экологических нормативов (предельно допустимых экологических нагрузок), раз работка которых является весьма трудной задачей из-за слабой изученности всех взаимодействующих факторов, процессов, явле ний, ответственных за состояние водной экосистемы и ее отклик на антропогенное воздействие. Поэтому на практике применяется упрощенный подход, при котором составляющие экосистему био тическая и абиотическая компоненты, а также характеризующие их показатели рассматриваются и оцениваются раздельно и сово купно с использованием существующих критериев (предельно до пустимых концентраций загрязняющих веществ — ПДК) и клас сификаций для различных видов водопользования.
К настоящему времени сформировались два основных способа оценки качества вод водных объектов — гидробиологический и гидрохимический. В ряде случаев используются такие способы оценки, как термодинамический и биохимический.
14.1.1.Оценка по гидрохимическим показателям
Вгидрохимических методах, с помощью которых оценивается качество поверхностных вод, в зависимости от состава и количества аналитических данных выделяется несколько основных видов оценки: единичные, косвенные и комплексные.
Первые два вида используются давно и стали традиционными. Появление нового вида оценок — комплексных — было связано с
372
Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии
необходимостью иметь четкое представление о степени и характере загрязненности вод, обусловленной антропогенным воздействием.
Единичные оценки получают, как правило, путем сопоставления данных по химическому составу вод с существующими норматива ми (ПДК). Косвенные оценки объединяют такие характеристики, как степень метаморфизации органического вещества, стойкость органического вещества к окислению, удельная окисляемость и др. Комплексные оценки включают различные коэффициенты, индек сы и классификации загрязненности поверхностных вод.
Коэффициенты загрязненности воды представляют собой наи более абстрактные показатели, чаще всего учитывающие небольшое число элементов сложного объекта комплексного оценивания. Применяются коэффициенты загрязненности воды, комплексной загрязненности воды, модульный коэффициент выноса загрязняю щих веществ, показатели относительной продолжительности и от носительных объемов загрязненного и чистого водного стока и др.
Индекс качества воды — это обобщенная числовая оценка ка чества воды по совокупности основных показателей и видам водо пользования. Как правило, индексы — это формализованные пока затели загрязненности воды, объединяющие более широкие группы натуральных показателей, с большей степенью объективности учи тывающие особенности водного объекта и имеющие в связи с этим более сложную структуру. Такие формализованные показатели обеспечивают более разностороннюю и адекватную оценку качества воды. К ним относятся индекс качества воды, комбинаторный ин декс загрязненности воды, общесанитарный индекс качества воды, гидрохимический индекс качества воды, комплексная оценка сте пени загрязнения водоемов токсичными веществами и др.
Систематизация качества поверхностных вод на основе опреде ленных критериев приводит к необходимости разработки различ ных классификаций загрязненности или качества воды водных объектов. Чаще всего при классификации качества поверхностных вод производят сопоставление рассчитанных определенным образом концентраций веществ с соответствующими нормативными или ин тервальными значениями, установленными для каждого класса качества. В других случаях классификацию качества поверхност ных вод осуществляют по значениям индексов, рассчитанных по различным схемам, например, классификация по значениям обще санитарного индекса качества воды и индекса загрязненности или классификация по значениям комбинаторного индекса загрязнен ности и т. д. Как правило, классификация качества поверхностных вод включает 5—6 классов, позволяющих ранжировать качество воды от чистой или очень чистой до грязной или очень грязной.
Методы комплексной оценки загрязненности поверхностных вод различаются по целям использования, принципам разработки,
Глава 14. Обобщение материалов гидрохим ических наблю дений
373
критериям оценки, объему и характеру имеющейся информации, а также способу формализации данных. В последнее десятилетие в системе Росгидромета наибольшее практическое применение полу чили индексы загрязненности воды (ИЗВ) и удельный комбинатор ный индекс загрязненности воды (УКИЗВ). Последний представля ет собой комплексный относительный показатель степени загряз ненности поверхностных вод. Он условно оценивает (в виде безраз мерного числа) долю загрязняющего эффекта, вносимую в среднем одним из ингредиентов состава (показателей качества) воды, в об щую загрязненность воды, обусловленную одновременным присут ствием ряда загрязняющих веществ.
В настоящее время еще нет единого, общепринятого метода комплексной оценки загрязненности поверхностных вод. Поэтому из всего имеющегося разнообразия методов должен применяться тот, который больше других соответствует поставленным задачам исследований, обеспечен необходимой информацией и который дает наиболее адекватную оценку степени загрязненности воды рассмат риваемого участка водного объекта. В табл. 14.1 приводится харак теристика предложенных разными авторами комплексных оценок.
14.1.2. Оценка по гидробиологическим показателям
Водные ценозы реагируют на поступление в среду обитания за грязняющих веществ множеством протекающих на организменном, популяционном и биоценотическом уровнях реакций. Каждая из них может быть основой объективного метода оценки антропоген ного воздействия. На основе таких реакций разрабатывают показа тели, отражающие состояние биоты и ее отклик на загрязнение среды. Набор загрязняющих веществ, поступающих в водные объ екты, очень разнообразен, и их воздействие на организмы может вызывать как токсические (повышение смертности, угнетение фи зиологических процессов, замедление роста и т. д.), так и евтрофирующие (ускорение роста и размножения) эффекты. Таким обра зом, между состоянием водных ценозов и качеством воды сущест вует тесная связь, что и легло в основу создания оценок качества воды по гидробиологическим показателям.
При определении загрязненности применяются различные сис темы оценок, основанные на определении бактериологических по казателей качества воды, продукционных характеристик сооб ществ, выделении индикаторных организмов, использовании ком плекса структурных и функциональных параметров состояния био ты. По степени разработанности, унификации, стандартизации и возможности интерпретации результатов гидробиологические ме тоды оценки состояния водных объектов отстают от гидрохимиче ских. Однако в отличие от гидрохимических методов, позволяю щих судить преимущественно об интенсивности антропогенного
374
Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии
№
Авторы метода
п/п
1 А. А. Былинкина, С. М. Драчев, А. И. Ицкова
2Организации и страны — члены СЭВ
3X. А. Вельнер, А. К. Каск, А. Э. Саава,
К. Т. Даубарас, П. Мицкене
4В. И. Гурарий, А. С. Шайн
Показатели, на основе которых разработан метод
Химические, бактериологиче ские, гидробио логические и физические
Химические, биологические
Химические, микробиологиче ские
То же
Характеристика методов комплексной
Общее количест во используемых Критерий оценки
показателей
17 (группа ток сичных ве ществ). Выделе но 5 главных показателей
49
Не менее 11
Интервалы значений показа телей, установленные на основании литературных данных и личного опыта авторов
Нормативы качества воды, установленные на основании опыта специалистов водного хозяйства стран — членов СЭВ и национальных стан дартов
Интервалы значений, уста новленные в результате ана лиза региональных данных. Базовое значение соответст вует действующим нормати вам
12Интервалы значений показа телей, установленные на основании использования методов экспертных оценок. Базовое значение соответст вует ПДК для воды хозяйст- венно-бытового назначения
Г лава 14. Обобщение материалов гидрохим ических наблюдений
375
Таблица 14.1
оценки загрязненности поверхностных вод
Способ формализации данных
Качество воды определя ется условной величи ной, полученной как среднее арифметическое из баллов назначенных по каждому из учиты ваемых ингредиентов в соответствии с их абсо лютными концентра циями
Сопоставление достовер ных значений с нормати вами. Установление класса качества воды по показателю, относящему воду к наихудшему классу
Качество воды определя ется по расчетному пока зателю критической группы с учетом задан ного вида водопользова ния или водопотребления
Индекс качества воды представляется двумер ным вектором I (/„ с, / 3),
где / ос — обгцесанитарныи индекс:
=X
.4-1
(1)
„
* П
*
i=i
/3 — индекс специфиче ских загрязняющих ве ществ:
Необходимый объем информации
Строго ограничен перечень учитывае мых ингредиентов; количество информа ции не устанавлива ется
Качественный состав зависит от цели ис следований; количе ство данных — не менее 24 результатов анализа
Перечень ингредиен тов не лимитирован по одной группе ве ществ (вредные), не строго ограничен по другой (органиче ские). Количество информации не огра ничено
Качественный состав показателей строго лимитирован, коли чество информации не устанавливается
№
*
<=i
(2)
1 з = Я """
5"
Вид исполь
зуемой
Классификация
информации
Средние зна
Шесть классов каче
чения для
ства:
периода наи
1 — очень чистая,
более крити
2 — чистая,
ческого со
3 — умеренно чистая,
стояния водо
4 — загрязненная,
ема
5 — грязная,
6 — очень грязная
Достоверные
Шесть классов каче
значения по
ства:
казателей при
1 — очень чистая,
определенной
2 — чистая,
степени веро
3 — очень незначи
ятности
тельно загрязненная,
4 — незначительно
загрязненная,
5 — сильно загряз
ненная,
6 — очень загрязнен
ная
Концентра
Пять классов качест
ции, соответ ва:
ствующие
1 — чистая.
маловодным
2 — слабо загрязнен
условиям во
ная,
дотока
3 — умеренно загряз
ненная,
4 — загрязненная,
5 — сильно загряз
ненная
Оценка про
Пять классов качест
изводится по
ва:
единичным
1 — очень чистая,
результатам
2 — чистая,
анализа,
3 — умеренно загряз
средним, экс ненная,
тремальным и
4 — загрязненная,
другим в за
5 — грязная
висимости от
имеющейся
информации и поставленных задач
376 Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии
№
Авторы метода
Показатели, на
Общее количест
основе которых
во используемых
Критерий оценки
п/п
разработан метод
показателей
Ж. П. Амбразене Микробиологи
16
Интервалы значений показа
ческие, гидро
телей, установленные с ис
биологические и
пользованием регрессионно
химические
го анализа
A. В. Караушев,
Гидрохимиче
Не ограничено
Нормативы, предъявляющие
B. Г. Скакаль-
ские
наиболее жесткие требова
ский, А. Я. Швар
ния к воде
цман, Л. И. Фау-
стова
Глава 14. Обобщение м атериалов гидрохимических наблюдений
Г лава 14. Обобщение материалов гидрохим ических наблюдений
379
Продолжение табл. 14.1
Способ формализации
Необходимый
Вид исполь
зуемой
К лассиф икация
данных
объем информации
информации
2MJV/М1
1ПДК,
(8)
пдк
Комплексная оценка загрязненности природ ных вод определяется по формуле:
К3 = JX
(9)
При учете одновременно го присутствия несколь ких веществ с одинако вым ЛПВ — по формуле:
К 3 '= ^ х
JU
Объем необходимой
Единичные
Отсутствует
информации не огра
результаты
ничен ни количест
венными, ни качест
венными характери
стиками. Однако при
расчетах коэффициен
та загрязненности
необходимо обращать
внимание на система
тичность контроля вод
(10)
1=1 I 1 у=1 л=1
Алгоритм получения
Качественный и ко
На основе
удел! ного комбинаторно
личественный состав
фактических
го индекса загрязненно
информации не ли
концентраций
сти воды (УКИЗВ) осно
митирован. Однако
загрязняю
ван на переходе реаль
при расчетах комби
щих веществ
ных значений концен
наторного индекса
рассчитывают
трации ингредиентов к
загрязненности необ
значения:
условным единицам че
ходимо принимать
Н, = Nx
рез использование двух
материалы равной
х П } Щ / N , (11)
родов классификации: по
представительности
и
устойчивости и по уров
(по количеству ре
ню загрязненности.
зультатов анализа,
К> =
Обобщенный оценочный
их полноты, распре
= С;/ПДК; (12)
балл равен произведению
деления в течение
оценок по указанным
рассматриваемого
классификациям. В це
периода и т. д.)
лом качество воды опре
деляется значением ком
бинаторного индекса
загрязненности, полу-
Пять классов качест ва:
1— слабо загрязнен ная,
2— загрязненная,
3— грязная,
4— очень грязная,
5— чрезвычайно грязная.
Третий и четвертый классы качества раз биты соответственно на 2 и 4 разряда
380 Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии
Авторы метода
Показатели, на
Общее количест
основе которых
во используемых
Критерий оценки
разработан метод
показателей
В. П. Емельяно Гидрохимиче
Не более 9
Нормативы рыбохозяйствен
ва, Г. Н. Данило ские
ного и хозяйственно-бытово
ва, И. Д. Родзил-
го водопользования и водо-
лер
потребления
Г. Н. Красовский,
Физико-хими
Не менее 6,
Нормативы хозяйственно
А. И. Борисов,
ческие, химиче
верхний предел
питьевого и культурно-
Л. Я. Васюкович,
ские, бактерио
не ограничен
бытового водопользования и
Н. А. Егорова
логические
водопотребления
И. П. Плотнико То же ва, А. М. Сологуб
Не менее 8,
Интервалы значений показа
верхний предел
телей (кроме токсичных ве
не ограничен
ществ), установленные на
основании анализа их содер
жания в водоемах Сибири и
Дальнего Востока. Для ток
сичных веществ нормативы
хозяйственно-питьевого и
культурно-бытового водо
пользования и водопотребле
ния
Ю. В. Новиков,
Химические,
Не устанавлива
Нормативы хозяйственно
С. И. Плитман,
бактериологиче-
ется
питьевого и культурно-
К. О. Ласточкина,
бытового водопользования и
Р. М. Хвастунов
водопотребления
Г лава 14. Обобщение материалов гидрохимических наблюдений
381
Способ формализации данных
ченным сложением обобщенных оценочных баллов всех учитывае мых показателей
Основан на общесанитар ном индексе Гурария — Шайна с введением в
него поправки на кон центрацию, рассчиты- ваеи-j ю по формуле:
( w p - w
t )
aji =
(13)
W.
Индекс загрязнения оп ределяется по таблице на основании абсолютных концентраций одних показателей и степени превышения ПДК дру гих. Санитарное состоя ние водоема определяет ся индексом загрязнен ности, определяемым по тому показателю, кото рый изменен в наиболь шей степени
Качество воды определяется через общий индекс загрязненности, полу ченный суммированием числовых значений ус ловных коэффициентов с последующим делением на количество использо ванных показателей
Рассчитывается ком плексная оценка уровня загрязнения по каждому лимитирующему при знаку вредности по фор муле:
Продолжение табл . 14.1
Необходимый
Вид исполь
зуемой
Классификация
объем информации
информации
Качественный состав
Единичные,
Пять классов качест
показателей ограни
средние, экс
ва:
чен перечнем, учиты
тремальные и
1 — очень чистая,
ваемым при расчетах
другие кон
2 — чистая,
общесанитарного
центрации
3 — умеренно загряз
индекса; количество
ненная,
информации не уста
4 — загрязненная,
навливается
5 — грязная
Лимитированы пока
Вид исполь
Четыре степени за
затели, характери
зуемой ин
грязнения:
зующие санитарный
формации не
1 — допустимое,
режим водоемов, и
уточняется
2 — умеренное,
бактериологические
3 — высокое,
показатели. Осталь
4 — чрезвычайно вы
ные показатели не
сокое
лимитированы. Ко
личество информа
ции не устанавлива
ется
Качественней состав
Осредненные
Пять классов качест
лимитируется 7 по
данные за
ва:
казателями; перечень анализируе
1 — чистая,
токсичных веществ
мый период
2 — относительно
не ограничен. Ис
наблюдений
чистая,
пользуются данные
3 — слабо загрязнен
за последние 3 года
ная,
наблюдений (не ме
4 — загрязненная,
нее 12 результатов)
5 — грязная
Перечень показате
Фактические
Четыре уровня за
лей и количество
концентрации
грязненности:
необходимой инфор
загрязняю
1 — допустимый,
мации не устанавли
щих веществ
2 — умеренный,
вается
3 — высокий,
4 — чрезвычайно вы
сокий
W
4
В
б ‘ ~ 1 ) + 1 ( 1 4 )
382 Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии
№
Показатели, на
Общее количест
Авторы метода
основе которых
во используемых
Критерий оценки
п/п
разработан метод
показателей
15
В. В. Болеев
Химические
6
Нормативные
16 Г. Т. Фрумин и
Гидрохимиче
Не устанавлива
Нормативы рыбохозяйствен
др.
ские
ется
ного водопользования
Примечание. В формуле (1): y i — относительный вес выбранных показателей; w t — оценка качества воды по г-му показателю (i = 1, 2, ... , п ) , баллы; п — число
показателей; <р; — показатель, вычисленный по формуле
_ j (Yi/Y*) (л/й^/2 +(1-(У |/ У*)) при w t < 3;
[ 1 при w t > 3;
здесь у* — относительный вес коли-титра, максимальный из всех;
вформуле (2): q Mm — минимальная оценка качества воды из числа входящих в индекс ингредиентов, баллы; q , — оценка качества воды i -го ингредиента, норми руемого по одному показателю вредности; п — число учтенных ингредиентов;
вформулах (3), (4): i3ar — время, в течение которого средняя концентрация ве ществ в потоке превышает ПДК или не удовлетворяет условию, изложенному в п. 2.1 „Правил охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами”; t njk —
число суток в году;
в формулах (5), (6): У шг — сток загрязненной воды через заданный створ за год,
и3; Fr(M— годовой сток реки, м3;
вформуле (7): 1У03 — средний многолетний объем водоема, м3; V.— объем стока реки, вытекающей из водоема, за заданный интервал времени (год, месяц, сут), м3/год;
вформуле (8): F,fU) — комплексная оценка степени загрязнения водоема в точке (p,t); ц, — коэффициент запаса; c t— равноопасная концентрация i -го загрязняющего ингредиента; i = 1; п — набор концентраций равной опасности; c N — равноопасная
Глава 14. Обобщение материалов гидрохимических наблюдений
383
О к о н ч а н и е т а б л . 1 4 .1
Способ формализации
Необходимый
данных
объем информации
Уц
И ЗВ - 1=1 11Д К ‘ (15) 6
Показатель качества
Обычно использова
воды находится путем
лось 7 показателей
преобразования изме
состава и свойств
ренных значений, харак
воды, причем таких,
теризующих состав и
которые минимизи
свойства воды, в некото
руют величину обоб
рые безразмерные пара
щенной функции
метры с использованием
желательности
шкалы желательности,
которая служит для ус
тановления соответствия
между параметрами ис
следуемых проб воды и
желательностью их зна
чения
Вид исполь
зуемой
Классификация
информации
Фактические
Семь классов качест
концентрации
ва:
загрязняю
1 — очень чистая.
щих веществ
2 — чистая,
3 — умеренно
грязная,
4 — загрязненная,
5 — грязная,
6 — очень грязная,
7 — чрезвычайно
грязная
Единичные
Шесть классов каче
результаты
ства:
анализа
1 — очень чистая,
2 — чистая,
3 — умеренно-
загрязненная,
4 — загрязненная.
5 — грязная,
6 — очень грязная
концентрация нормирующего вещества; N — номер фиксированного нормирующего вещества; р — точка водоема, в которой производится отбор проб; t — момент време
ни, в который рассматривается загрязнение;
в формуле (9): i , I — порядковый номер и общее количество контролируемых по казателей; /, J — порядковый номер и общее количество пунктов контроля; п , N tJ —
порядковый помер и общее количество измерений /-го показателя в у-м пункте за анализируемый период времени (квартал, год и др.); N tl — общее количество изме рений /-го показателя во всех пунктах контроля; y ljn — кратность превышения ПДК при п - м измерении i-ro показателя в /-м пункте контроля;
в формуле (10): I , L — номера групп с одинаковым ЛПВ и число контролируе мых групп, N tj — общее число измерений !-й группы во всех пунктах контроля; ос
тальные обозначения те же, что в формуле (9);
вформуле (11): Н;— повторяемость случаев превышения ПДК по /-му ингреди енту; А^пдк — число результатов анализа, в которых содержание i-го ингредиента превышает его ПДК; N t — общее число результатов анализа по i-му ингредиенту;
вформуле (12): K i — кратность превышения ПДК по /-му ингредиенту; с, —
концентрация / -го ингредиента в воде водного объекта;
в формуле (13) 4/, — поправка на концентрацию /-го ингредиента; W p — равно
ценная оценка качества воды по /-му ингредиенту при имеющемся распределении концентраций учитываемых показателей, баллы; W, — оценка качества воды по /-му ингредиенту, баллы; п — число учитываемых ингредиентов;
в формуле (14): W — комплексная оценка уровня загрязнения воды по данному ЛПВ; п — число показателей, использованных в расчете; 5* — нормированная по
