img-090539

и др.);

государственных границ с сопредельными государствами; сбросов подогретых вод от ТЭЦ, ГРЭС, АЭС; сбросов коллекторных вод с оросительных систем, животновод­

ческих комплексов и др.

Одной из форм обобщения данных ГУВ является баланс хими­ ческих веществ (БХВ), составляемый для участка реки, подвер­ женного активному антропогенному воздействию. БХВ позволяет определять суммарно степень общего антропогенного влияния на качество воды рек в пределах контролируемого участка; выявлять количественно роль каждого водопользователя в загрязнении воды этого участка. Баланс химических веществ составляется также для контроля и оценки надежности данных ГУВ.

Государственный водный кадастр — это систематизирован­ ный, постоянно пополняемый свод сведений о водах (водных объек­ тах), составляющих единый государственный водный фонд. Госу­ дарственный водный кадастр включает данные учета вод по коли­ чественным и качественным показателям, сведения о водопользо­ вателях, а также данные учета использования вод. Основной зада­ чей ГВК является обеспечение народного хозяйства необходимыми данными о водных ресурсах, их режиме, качестве вод, об использо­ вании вод и др. Для ведения ГВК созданы автоматизированная ин­ формационная система (АИС ГВК) и специальные вычислительные центры.

Данные ГВК подразделяются на архивные материалы, данные на долговременных технических носителях и публикуемые мате­ риалы. К публикуемой части ГВК относятся издания, содержащие наиболее часто используемые различными организациями и учре­ ждениями данные для решения государственных, административ­ ных и хозяйственных задач. Публикуемая часть ГВК состоит из трех разделов: поверхностные воды, подземные воды, использова­ ние вод. Каждый из разделов подразделяется на несколько серий. Предусмотрена публикация объединенных изданий, содержащих анализ состояния и оценку изменений качества водных ресурсов, водных балансов и использования вод.

Примером объединенного издания ГВК является межведомст­ венный ежегодник „Ресурсы поверхностных и подземных вод, их использование и качество”. Целью данного издания является опе­ ративная подготовка обобщенных сведений о количественном и ка­ чественном составе поверхностных и подземных водных ресурсов в истекшем году для федеральных органов власти и органов власти субъектов РФ, а также для различных организаций.

14 .4 . П р о гн о зи р о в а н и е и зм ен ен и й хи м и ч еск ого с о с т а в а п о в ер х н о ст н ы х в о д

Прогноз — это вероятностное суждение о состоянии объекта (процесса или явления) в определенный момент времени в буду­ щем, а прогнозирование — это разработка прогнозов изменения со­ стояния объекта (процесса или явления) на основе анализа тенден­ ций его развития с целью активного воздействия на ход предстоя­ щего изменения. По заблаговременности в соответствии с темпами развития прогнозируемых явлений и народнохозяйственным пла­ нированием прогнозы подразделяются на оперативные — до 3 меся­ цев, краткосрочные — до 1 года, среднесрочные — на 1—5 лет, дол­ госрочные — на 5—20 лет, сверхдолгосрочные — более чем на 20 лет.

В основе прогнозирования химического состава поверхностных вод суши лежат результаты многолетних систематических гидро­ химических и гидрологических наблюдений сети ГСН, а также ин­ формация различных ведомств об источниках загрязнения и сточ­ ных водах, сбрасываемых в водные объекты. Наибольшее практи­ ческое применение получили методы оперативного и долгосрочного прогнозирования изменений химического состава воды.

14.4.1. Оперативное прогнозирование

Оперативное прогнозирование изменений химического состава поверхностных вод отличается небольшой заблаговременностью составления прогнозов (сутки, несколько суток, месяц, сезон) и предназначено для выявления и прогноза неблагоприятного со­ стояния качества воды при изменении гидрометеорологических ус­ ловий и при аварийных сбросах сточных вод. Прогнозы составляют для конкретных створов рек, расположенных ниже наиболее опас­ ного источника загрязнения либо группы таких источников. На малых и средних реках к таким створам относят в первую очередь створ практически полного смешения речных и сточных вод и бли­ жайший створ водопользования, расположенный на участке суще­ ственного влияния сточных вод на качество речной воды. На боль­ ших реках прогноз составляют для ближайшего створа водопользо­ вания ниже сброса сточных вод.

Для оперативного прогнозирования химического состава по­ верхностных вод в зависимости от объема исходной информации используются модели трех видов.

Первый вид. Уравнения баланса вещества применяют для про­ гноза возможного неблагоприятного изменения химического соста­ ва воды водотоков с заданной заблаговременностью: а) в случае вво­ да в действие новых мощных выпусков неочищенных или недоста­ точно очищенных сточных вод; б) при явной угрозе аварийного

сброса сточных вод; в) при состоявшемся аварийном сбросе сточ­ ных вод.

При использовании уравнений баланса вещества за основу бе­ рутся известные для рассматриваемых условий значения парамет­ ров и эмпирических коэффициентов:

где Сх — ожидаемая по прогнозу концентрация вещества в задан­ ном х-м створе; Сф — фоновая концентрация этого вещества; С; — концентрация вещества в i-x водовыпусках и притоках; Г)ф, т], — ко­ эффициенты, учитывающие разбавление соответствующих концен­ траций веществ в х-м створе; п, — число i-x водовыпусков и прито­ ков; еф> е, — коэффициенты неконсервативности рассматриваемого вещества, используемые соответственно для концентрации вещест­ ва, полученной в фоновом створе реки, и концентрации, зафикси­ рованной в i-м водовыпуске или притоке.

Коэффициенты е„ вф вычисляют по формулам1:

где K t — суммарный коэффициент скорости самоочищения загряз­ няющего вещества, поступающего с водами притоков и через водовыпуски, сут'1; Кф — суммарный коэффициент скорости самоочи­ щения того же вещества, обнаруживаемого в фоновом створе, сут-1; для незагрязненных речных вод принимают К ф=0\ — время добе­ гания загрязненной речной воды от створа реки, где происходит поступление вод i-ro притока или водовыпуска, до контрольного створа, сут; тф — время добегания речной воды от фонового до кон­ трольного створа,сут.

Время добегания т (сут) между створами наблюдения определя­ ют по формуле:

где I — расстояние по фарватеру реки между створами наблюде­ ний, м; иср — средняя скорость течения воды на участке реки меж­ ду створами наблюдений, м/с; 86400 — число секунд в сутках.

1 При использовании автоматизированных систем гидрохимических наблюде­ ний для комплексного изучения процессов самоочищения речных вод возможны и другие способы математического описания процессов, обусловливающих изменение коэффициента £.

Методы расчета коэффициента ti приводятся в учебных пособи­ ях, изданных Государственным гидрологическим институтом.

Второй вид. Статистические связи между концентрацией за­ грязняющих веществ и гидрометеорологическими параметрами применяют для оперативного прогноза уровня загрязненности реч­ ной воды во всех случаях, когда имеются достаточно длинные ряды наблюдений за загрязненностью водного объекта и за режимом сброса сточных вод. Обработка исходной гидрохимической инфор­ мации методами математической статистики позволяет прогнози­ ровать содержание веществ в речной воде с использованием стати­ стических связей. В общем виде эти связи можно представить следующим образом:

а) для рек

б) для водоемов

(14.8)

(14.8)

Здесь Схр — ожидаемая по прогнозу концентрация вещества в створе х заданной обеспеченности р; <крит — время, в течение кото­ рого заданная зона водоема в районе сброса сточных вод будет за­ полнена водными массами с концентрацией вещества выше уста­ новленного критического уровня; Q и Т — соответственно расход и температура речной воды; G — количество вещества, поступающего в водный объект со сточной водой в единицу времени; t — время в пределах рассматриваемого периода наблюдений; HCf и о,.р — соот­ ветственно глубина и средняя скорость течения воды на рассматри­ ваемом участке водоема или водотока. Оценку достоверности най­ денной корреляционной связи и возможности ее использования для оперативного прогнозирования проводят по соответствующим критериям.

Третий вид. В основе комбинированного способа оперативного прогноза лежит использование уравнений баланса вещества, от­ дельные параметры которых определяют по результатам система­ тических наблюдений на водных объектах с привлечением матема­ тической статистики. Помимо выбора расчетного уравнения балан­ са, главное внимание в данном варианте уделяют определению в естественных условиях суммарных коэффициентов скорости само­ очищения загрязняющих веществ (К) и установлению зависимостей этих коэффициентов от расхода и температуры речной воды типа

составлять прогнозы не только для створа, где проводились наблюдения, но и для створов на участках, расположенных выше и ниже этого створа.

Использование формул баланса вещества для прогноза качества воды при кратковременном аварийном сбросе сточных вод позволя­ ет получить ориентировочные значения концентрации вещества. С целью повышения точности прогноза концентрации вещества, а также расчета продолжительности опасной ситуации в заданном створе в формулы баланса следует вводить поправочные коэффи­ циенты, учитывающие процессы дисперсии загрязняющих ве-

02 ^2

ществ. Например, для малых рек при тц х < - _-с^ - формула будет

В приведенных выражениях Смаксх — максимальная концентрация вещества в заданном створе х ; тц>х — время перемещения центра зоны опасно загрязненных масс воды от места сброса до заданного створа; т0 — продолжительность аварийного сброса сточных вод; Г>х — коэффициент продольной дисперсии вещества в речном пото­ ке; 0р — безразмерный коэффициент, учитывающий влияние про­ дольной дисперсии на уменьшение максимальной концентрации загрязняющих веществ; К — коэффициент скорости самоочищения речной воды; Q — расход речной воды выше выпуска сточных вод; q — максимальный расход сточной воды; п = 3,14.

Расчет Dx проводится по зависимости Dx= 2138 Нсриср(ц.р/иср)'1,вз. Здесь H cf — средняя глубина на выделенном по морфометриче­

ским характеристикам участке реки, м; uCf — средняя на выделен­ ном участке реки динамическая скорость, определяемая по фор­ муле

Vcpyfg

(14.11)

Сср,

где g — ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с2; иср — ско­ рость, м/с; сср — среднее для этого участка значение коэффициента Шези.

14.4.2. Долгосрочное прогнозирование изменений химического состава воды

Долгосрочное прогнозирование изменения химического состава поверхностных вод в связи с развитием народного хозяйства— это сложный, комплексный процесс, включающий большое число от­ дельных прогнозов и состоящий из следующих основных этапов: 1) анализ современного состояния качества поверхностных вод, 2) прогноз или установление расчетного расхода воды (для рек) или объема (для озер и водохранилищ), 3) прогноз поступления загряз­ няющих веществ в водные объекты от различных отраслей народ­ ного хозяйства, 4) прогноз концентраций веществ в водоемах и во­ дотоках, 5) выдача рекомендаций по рациональному использова­ нию и охране вод. Указанным этапам предшествует предваритель­ ный этап, когда в соответствии с целями и задачами прогноза уста­ навливают период заблаговременности, водные объекты (участки, створы), выбирают прогнозируемые показатели качества воды и определяют варианты прогноза. Важным вопросом на предвари­ тельном этапе долгосрочного прогнозирования является установле­ ние уровня прогноза, который для химического состава поверхно­ стных вод определяется характером объекта прогноза (бассейн ре­ ки, участок реки, створ); чаще всего применяют бассейновую схему составления долгосрочных прогнозов.

В бассейне реки прогноз следует вести по выделенным на сети пунктов наблюдений участкам и створам, что делает результаты прогноза более конкретными и применимыми для практических целей. В состав выделенных участков и створов должны входить:

наиболее загрязненные в настоящее время участки, в которых концентрация ингредиентов и показателей качества воды превы­ шает 10 ПДК;

наименее загрязненные участки, характеризующие фоновые концентрации веществ;

загрязненные участки и створы на водных объектах, имеющих большое народнохозяйственное значение;

участки и створы в районах крупных населенных пунктов и важных строек;

створы, замыкающие крупные речные бассейны, и трансгра­ ничные створы;

створы, в которых измеряются расходы воды и для которых со­ ставляются водные балансы.

Прогнозируемые показатели выбирают на основе общих и спе­ цифических требований водопотребителей и водопользователей в настоящее время и в перспективе. К ним относятся вещества, под­ вергающиеся в основном физическим превращениям и биохимиче­ скому окислению (взвешенные вещества, минерализация, содержа­

ние растворенного кислорода, БПК), и специфические вещества, подвергающиеся сложным химическим превращениям (фенолы, СПАВ, нефтепродукты, пестициды).

Выбор прогнозируемых конкретных веществ или показателей определяется их наличием в значительных концентрациях в воде на рассматриваемых участках и в створах водного объекта, поступ­ лением со сточными водами в перспективе, требованиями водо­ пользователей и водопотребителей и т. п. Вариантность прогноза устанавливают исходя из принятой расчетной водности, мощности предприятий, освоения средств на водоохранные мероприятия.

Используемая при прогнозировании информация основывается на современных перспективных водохозяйственных балансах и планах экономического и социального развития территорий рай­ она, в пределах которого находится водный объект (или его уча­ сток), и включает следующие сведения:

по оценке возможных изменений в народном хозяйстве, сделан­ ной различными научными организациями с учетом долгосрочных тенденций развития отраслей;

о химическом составе поверхностных вод и факторах, опреде­ ляющих его в прошлом;

об источниках загрязнения на текущий период и на перспек­ тиву;

тенденциях развития способов очистки сточных вод и охране водных ресурсов и др.

Достоверность и эффективность прогноза изменения химиче­ ского состава воды в значительной степени зависят от примененно­ го метода, при выборе которого должны учитываться гидродинами­ ческие и химико-биологические процессы, протекающие в водото­ ках и водоемах. Для примера рассмотрим прогнозирование химиче­ ского состава воды рек.

В настоящее время для прогноза концентраций веществ в воде рек существуют методы, основанные на расчете смешения и разбав­ ления сточных вод с учетом процессов самоочищения. В зависимо­ сти от устойчивости веществ в воде при расчете изменения их кон­ центраций применяют различные методы. Выбор метода определя­ ется поставленной задачей, степенью точности, типом водного объ­ екта, имеющейся информацией.

Прогнозирование химического состава речной воды на участках и в створах связано с установлением суммарной концентрации по каждому показателю, обусловленной поступлением загрязняющих веществ со сточными водами предприятий различных отраслей:

где Ск — концентрация вещества в неочищенных сточных водах предприятий /г-й отрасли промышленности, мг/дм3; Wk — количе­ ство сточных вод от предприятий /г-й отрасли промышленности за расчетный период, м3:

где qt — количество сточных вод на единицу продукции, м3 (опре­ деляется по укрупненным нормам расхода воды и количеству сточ­ ных вод на единицу продукции); щ — мощность предприятия (ко­ личество продукции за сутки); р — эффективность метода очистки сточных вод на расчетную перспективу в долях единицы; j — доля сточных вод, подвергшихся очистке; t — время, сут.

Прогноз эффективности очистки может быть получен путем экспертной оценки научно-технической и патентной информации.

При направлении сточных вод предприятий на дополнительную очистку на городские очистные сооружения количество загряз­ няющих веществ, поступающих в водные объекты (G'), определяют по формуле:

где раоп — эффективность дополнительной очистки на городских очистных сооружениях.

403

Глава 15

КОНТРОЛЬ ЗА ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ВОДНЫ Х О БЪ ЕКТО В И ОХРАНА ВО Д ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Среди различного вида антропогенных воздействий на водные объекты загрязнение вод отходами промышленности, городов, сельскохозяйственного производства приобрело доминирующий характер, обострив экологическую ситуацию на всех уровнях. Уве­ личивающийся дефицит чистой воды, обусловленный в основном ухудшением качества воды вследствие загрязнения, в определенной степени становится сдерживающим фактором развития экономики, а также сокращает возможности удовлетворения водой потребно­ стей общества. Сейчас даже появилось понятие „водный голод”, а проблема чистой пресной воды поставлена ООН на первое место в числе 15 главных проблем глобальной экологии.

В России водные ресурсов распределены по регионам крайне не­

равномерно, и проблема чистой воды стоит очень остро. Основой водных ресурсов РФ является речной сток, 90 % которого прихо­ дится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. Сред­ ний годовой многолетний сток рек России составляет 4300 км3 — около 10 % мирового стока рек и почти 90 % стока рек бывшего

СССР. Из общего стока на европейскую часть приходится около 1000 км3, на Сибирь и Дальний Восток — 3300 км3.

На бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает свыше 80 % населения РФ, приходится менее 8 % общего годового объема речного стока.

Россия обладает большими запасами подземных вод, потенци­ альные ресурсы подземных вод оцениваются в 229,3 км3 в год, из них 60 % приходится на территорию европейской части, 25 % на Западную Сибирь, 15 % на Восточную Сибирь и Дальний Восток.

Суммарный забор воды из водоисточников составляет около 3 % общих водных ресурсов, однако в ряде бассейнов он достигает более 50 %. В период 1991—1995 гг. суммарный годовой водозабор соста­ вил около 100 км3. К 1998 г. он снизился до 88 км3 в связи со спа­ дом производства и уменьшением площадей орошения.

На большей части водных объектов, по данным наблюдений се­ ти ГСН, качество воды не отвечает нормативным требованиям. Ос­ новные реки: Волга, Дон, Кубань, Обь, Енисей, Лена, Печора — со­ гласно классификации, оцениваются как загрязненные, их крупные притоки Ока, Кама, Томь, Иртыш, Тобол, Миасс, Исеть, Тура — как сильно загрязненные. Вода рек и водоемов России в ряде случа­ ев оказывает на гидробионтов токсическое воздействие, то есть яв­ ляется ядовитой.