img-090539

Снижение общего объема сточных вод, сбрасываемых предпри­ ятием, достигается путем нормирования расхода воды на единицу выпускаемой продукции, а также использованием в системе обо­ ротного водоснабжения ранее очищенных сточных вод. Уменьше­ ния концентрации загрязняющих веществ, находящихся в сточных водах, можно добиться при строгом соблюдении технологического режима и повышении степени очистки сточных вод, а также за счет разработки и внедрения локальных методов очистки, позволяющих извлечь из сточных вод и утилизировать ценные продукты.

Для уменьшения загрязнения поверхностных вод речным и морским транспортом все суда оборудуются системами очистки подсланевых вод, запрещается заправка судов топливом в пунктах, где отсутствуют специальные приспособления, исключающие угро­ зу утечки горючего. В результате этих мероприятий за последние годы снизилось содержание нефтепродуктов в замыкающих ство­ рах крупных судоходных рек.

В ряде мест, особенно в густонаселенных промышленных рай­ онах, наблюдается загрязнение подземных вод. Поскольку подзем­ ные воды — зоны активного водообмена (грунтовые, верховодка) — нередко находятся в прямой гидравлической связи с поверхност­ ными, качество подземных вод, степень и интенсивность их загряз­ нения в значительной мере определяются загрязненностью поверх­ ностных вод. Кроме того, загрязняющие вещества попадают в под­ земные водоносные горизонты при фильтрации сточных вод из на­ копителей, при их закачке в глубокие подземные горизонты с це­ лью захоронения, в результате утечки при добыче полезных иско­ паемых и т. д. Повышенная уязвимость подземных вод в отноше­ нии загрязнения требует обязательного гидрогеологического обос­ нования при проектировании крупных промышленных объектов, тщательных разведочных и проектно-изыскательских исследова­ ний при решении вопросов захоронения промышленных стоков, закачки ядовитых и высокоминерализованных стоков в глубокие водоносные горизонты. Важную роль в охране подземных вод от загрязнения играют строительство нефильтрующих накопителей сточных вод, экранирование поверхностей неэксплуатируемых по­ лей фильтрации и шламонакопителей с целью предупреждения вымывания атмосферными осадками токсичных компонентов, лик­ видации утечек через обсадные трубы, создание защитных отсеч­ ных дренажей.

Научные и социальные аспекты. Успешное решение практиче­ ских задач по охране водных ресурсов невозможно без проведения крупномасштабных исследований теоретического и прикладного характера. Такие исследования выполняются научно-исследова- тельскими и проектными институтами: Институтом водных про­

блем РАН (Москва), Институтом прикладной геофизики (Москва), Гидрохимическим институтом (Ростов-на-Дону), Государственным океанографическим институтом (Москва), рядом институтов Рос­ сийской Академии наук, министерств и ведомств.

Теоретические исследования в области охраны природных вод от загрязнения ведутся по следующим основным направлениям: разработка научно-технических основ и комплекса мероприятий по улучшению использования природных ресурсов и охраны вод, раз­ работка комплекса научно-технических мероприятий по макси­ мальному предотвращению отрицательного воздействия хозяйст­ венной деятельности на окружающую среду, разработка методов прогнозирования последствий влияния антропогенных факторов на качество природных вод и др. В области прикладных исследований, направленных на защиту природных вод от загрязнения, основны­ ми являются: совершенствование существующих методов очистки сточных вод, создание и усовершенствование газоочистных уст­ ройств для существующих технологических процессов; разработка технологических процессов, обеспечивающих максимальное ис­ пользование и обезвреживание промышленных отходов предпри­ ятий; разработка рекомендаций по повышению иммунитета глав­ нейших сельскохозяйственных культур к вредителям и болезням, селекция новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур, устойчивых к вредителям и болезням (это позволит уменьшить или совсем прекратить применение пестицидов и других высокотоксич­ ных ядохимикатов).

Социальный характер деятельности по охране природной среды, в частности водных ресурсов, в Российской Федерации находит от­ ражение в широком участии общественности в выполнении водоох­ ранных мероприятий. Наше государство опирается на инициативу, энтузиазм и помощь членов обществ по охране природы. На про­ мышленных предприятиях функционируют общественные посты, которые помогают выявлять причины загрязнения водоемов, содействуют эффективной эксплуатации очистных сооружений, своевременному выполнению необходимых водоохранных меро­ приятий.

Положительно зарекомендовали себя межобластные комитеты по охране и рациональному использованию водных ресурсов неко­ торых крупных рек — Дона, Волги и др. В работе этих комитетов принимают участие руководители министерств и ведомств, круп­ ных промышленных объединений и предприятий, ученые и обще­ ственные деятели.

Большую роль в воспитании бережного отношения к природе у подрастающего поколения играют школьные экологические цен­ тры, работающие под руководством специалистов по водному хо­

зяйству. Успех проводимой в нашей стране водоохранной политики во многом зависит от воспитания и подготовки кадров в этой облас­ ти. Таких специалистов готовят высшие и средние учебные заведе­ ния страны.

15 .3 . Г и др охи м и я на с л у ж б е о хр ан ы в о д

Важную роль в охране водных ресурсов от загрязнения призва­ на сыграть гидрохимия. Развитие гидрохимии на современном эта­ пе должно идти в двух основных направлениях:

углубление и развитие фундаментальных теорий, описывающих основные процессы, протекающие в гидросфере Земли в сложив­ шихся экологических условиях;

повышение эффективности прикладных гидрохимических ис­ следований как основы для совершенствования государственной и ведомственных систем мониторинга состояния поверхностных вод суши.

Успех первого направления будет определяться возможностями осуществления на качественно новом уровне работ в области иссле­ дования состояния водных объектов и качества их вод, закономер­ ностей его формирования и изменений во времени и пространстве под воздействием естественных и антропогенных факторов. Совер­ шенствованию системы мониторинга, лежащему в основе второго направления, должно предшествовать прежде всего восстановление параметров функционирования всех государственных и ведомст­ венных служб наблюдений за состоянием объектов окружающей природной среды до уровня, предшествующего периоду распада

СССР, когда выполняемые сетью работы в значительной мере были свернуты и приостановлены из-за сокращения финансового обеспе­

чения. Поэтому указанный этап в части, касающейся сети наблю-

I

дений за состоянием поверхностных вод суши ГСН, должен прежде всего включать расконсервирование пунктов и возобновление на них режимных и оперативных наблюдений.

В рамках второго направления актуальными остаются задачи повышения надежности, точности и представительности получае­ мой информации, а также обеспечения оперативности и доведения до потребителя этой информации, особенно в экстремальных ситуа­ циях. Подробнее об этом говорится в разделах 15.3.2 и 15.3.3.

Говоря о задачах гидрохимических исследований на современ­ ном этапе, следует подчеркнуть, что совершенствование системы наблюдения за качеством вод требует:

оптимизации системы ГСН ( в части размещения пунктов кон­ троля) и уточнения программ наблюдения (по срокам, частоте, представительности и перечню показателей);

совершенствования химико-аналитического и биологического обеспечения системы контроля (разработки новых и совершенство­ вание существующих методов анализа вод и оценки их качества по химическим и биологическим показателям, унификации и стан­ дартизации методов анализа вод);

разработки и широкого использования автоматизированных и дистанционных методов получения, обработки и передачи гидро­ химической информации (разделы 15.3.2 и 15.3.3),

совершенствования методов обработки информации на основе банка гидрохимических данных, информационного обеспечения этого банка (АИС „Гидрохимия”);

построения математических моделей процессов, протекающих в водных объектах;

совершенствования методов обобщения гидрохимических дан­ ных и подготовки сводных информационных материалов;

создания новых и совершенствования существующих методов прогнозирования (оперативного, средне- и долгосрочного);

изучения внутриводоемных процессов (физических, химиче­ ских и биологических) для оптимального размещения пунктов на­ блюдения за качеством вод и определения частоты отбора проб воды (см. раздел 15.3.1), а также донных отложений в связи с накопле­ нием в них загрязняющих веществ и возможным вторичным за­ грязнением водной толщи.

Предстоящее совершенствование и преобразование государст­ венных систем мониторинга должно быть осуществлено на основе отечественных и зарубежных достижений многих научных дисцип­ лин теоретического и прикладного характера, введенных в действие законов и нормативно-методических документов в области охраны вод с учетом новых экологических концепций (устойчивого разви­ тия, экологического благополучия и неблагополучия, экологиче­ ской безопасности и др.), а также современных тенденций эволю­ ции биосферы на глобальном уровне в условиях нарастающего за­ грязнения окружающей природной среды, техногенных катастроф и стихийных бедствий.

Решение экологических проблем разного масштаба возможно лишь на базе экологического мониторинга, включающего долго­ срочные наблюдения, оценку и прогноз состояния окружающей природной среды и ее загрязнения, определение степени антропо­ генного воздействия, выявление факторов и источников этого воз­ действия. Рассмотрим важнейшие итоги научно-прикладных раз­

работок, наиболее значимых как для совершенствования монито­ ринга состояния поверхностных вод суши, так и для решения про­ блем экологии и охраны вод.

15.3.1 Изучение внутриводоемных процессов

Одной из фундаментальных проблем гидрохимии является изу­ чение внутриводоемных процессов. Исследования в этом направле­ нии необходимы для развития работ по созданию теории буферной емкости водных объектов и разработки экологических ПДК.

Глубокое и всестороннее изучение внутриводоемных процессов должно стать важнейшим резервом совершенствования системы мониторинга поверхностных вод суши, повышения эффективности ее работы и достоверности получаемой информации о состоянии водных объектов. Имея развернутую количественную информацию по всем основным механизмам внутриводоемных процессов, можно обеспечить проведение репрезентативных наблюдений в условиях ограниченного (многими факторами) пространственно-временного разрешения сети, организовать адекватную обработку результатов наблюдений (фильтрацию исходных данных, восстановление про­ пущенных значений), избежать погрешностей при построении ма­ тематических моделей, описывающих состояние водных экосистем, обусловленных влиянием антропогенных факторов, и решать дру­ гие научно-прикладные вопросы.

Исследование внутриводоемных процессов является задачей чрезвычайной сложности, требующей учета большого числа взаи­ мосвязанных факторов, поэтому используется подход, основанный на органичном сочетании современных методов обработки и форма­ лизации данных с методами физического моделирования (воспро­ изводства) исследуемых процессов (явлений). При таком подходе основные требования теории подобия обеспечиваются с 'помощью методов натурного моделирования, в которых моделью является некоторая часть исследуемой водной системы, сохраняющая высо­ кое сходство со всей системой.

В Гидрохимическом институте разработана методология иссле­ дования двух основных групп внутриводоемных процессов: гидро­ динамических и химико-биологических — в условиях натурного моделирования (А. М. Никаноров, Н. М. Трунов, 1999 г.).

Основой натурного моделирования гидродинамических процес­ сов являются прямые трассерные эксперименты, проводимые непо­ средственно на водном объекте. Идея эксперимента состоит в том, что в исследуемую гидродинамическую систему вводят в заданном режиме определенное количество легко обнаруживаемого в воде консервативного вещества-индикатора (трассера). Движение трас­

сера в водном объекте соответствует пространственно-временным эволюциям меченных им водных масс. Наблюдая в определенном режиме за распределением трассера в водном объекте, судят о па­ раметрах, характеризующих изучаемую гидродинамическую сис­ тему или процесс. При этом физической моделью исследуемого гидродинамического процесса является сам процесс, наблюдение-за которым становится доступным благодаря внедрению в движущую­ ся жидкую фазу меток — трассеров. Схема и режим инжекции трассера в водный объект, а также схема отбора проб для определе­ ния его содержания в водном объекте определяются конкретными целями эксперимента. В большинстве случаев инжекцию осущест­ вляют двумя путями — стационарно и импульсно (мгновенно).

Несмотря на методологическую простоту и эффективность фи­ зического моделирования гидродинамических процессов сдержива­ ние широкого применения этого метода было связано с проблемой наличия трассеров. До недавнего времени отсутствовали дешевые, доступные, устойчивые к действию различных физических, хими­ ческих и биологических факторов среды и безопасные в санитарногигиеническом и экологическом отношении трассеры-маркеры, пригодные для работы в широком диапазоне концентраций. Разра­ ботке принципиально нового типа трассеров, удовлетворяющих вышеуказанным требованиям, а также нового способа проведения исследований динамических процессов в водных объектах предше­ ствовали специальные многолетние исследования массопереноса жидкой фазы и взвешенных твердых частиц в турбулентных пото­ ках, подбор и опробование различных исходных материалов. Трас­ серы нового типа представляют собой твердые сферические микро­ скопические частицы, изготовленные из ярко флуоресцирующих инертных (полимерных) материалов, имеющих заданную плот­ ность. Применение новых многоцветных трассеров характеризуется экологической и санитарно-гигиенической безопасностью и высо­ кой чувствительностью метода обнаружения.

Метод количественного учета трассера-маркера основан на фильтрации определенного объема воды через мембранный фильтр, размеры пор которого меньше, чем размеры частиц трассера, и по­ следующем просмотре (и просчитывании частиц) поверхности фильтра в люминесцентном микроскопе. Метод позволяет обнару­ живать трассер при очень больших разбавлениях — в 1013 раз и бо­ лее. Кроме того, разработан способ количественного определения новых трассеров в водном объекте без отбора проб — при помощи лазерного лидара, установленного на борту воздушного судна (са­ молета или вертолета).

Новые возможности трассеров на основе полимерных материа­ лов позволили разработать методы и технические средства натурно­

го моделирования гидродинамических процессов, предназначенных для определения в одном трассерном эксперименте всех наиболее часто используемых в водоохранной практике гидродинамических показателей: расхода воды в водотоке, времени добегания водных масс, кратности разбавления, расстояния до створа практически полного смешения, коэффициента смешения, коэффициентов про­ дольной и поперечной дисперсии.

Трассерные эксперименты на реках Северский Донец, Томь, Бе­ лая, оз. Ладожском, в Невской губе Финского залива, в Таганрог­ ском заливе Азовского моря показали их высокую результатив­ ность и возможность расширения сферы применения не только для оперативного и режимного мониторинга в рамках ГСН, но и при решении многих вопросов, связанных с охраной поверхностных и подземных вод, освоением месторождений пресных вод, нефти, газа и т. д.

Работа, проведенная на р. Северский Донец, позволила устано­ вить все основные гидрометрические характеристики реки, время добегания переднего фронта волны загрязнения и пика концентра­ ций, эволюцию волны загрязнения между створами (рис. 15.5) и распределение трассера в поперечных сечениях реки (рис. 15.6).

Физическое моделирование химико-биологических процессов в

водных экосистемах до недавнего времени осуществлялось главным образом в лабораторном варианте (в аквариумах), который давал результаты, практически не применимые к объектам реальной гид­ росферы. Но достоверные данные можно получить лишь при усло­ вии адекватности физической модели ее оригиналу (моделируемой природной системе), то есть путем создания пространственно изо­

лированных подсистем — экспериментальных микроэкосистем. В состав такой микроэкосистемы должен входить определенный объем исследуемой воды вместе с населяющими ее сообществами живых организмов, соответствующая площадь донных отложений, а иногда и часть береговой линии. Такие искусственным образом изолированные микроэкосистемы (мезокосмы) имеют достаточное сходство с изучаемой материнской экосистемой по многим важ­ нейшим характеристикам, а исследования на мезокосмах являются переходным этапом от лабораторных экспериментов в аквариумах к природному водному объекту. Для широкого использования на­ турного химико-биологического моделирования при помощи мезокосмов необходимы количественные критерии подобия модельной и моделируемой систем.

в)

Расстояние от левого берега, м

Рис. 15.6. Распределение трассера в поперечном сечении р. Северский Донец в двух створах на расстоянии 500 м (а) и 2000 м (б) ниже сброса сточных вод

Ц и ф р ы — части ц ы трассера

Разработанные в Гидрохимическом институте новые методы и технические средства натурного физического моделирования хи­ мико-биологических процессов в водных объектах при помощи ме-

зокосмов позволяют соблюсти условия подобия сравниваемых сис­ тем. На основе экспериментальных исследований в мезокосмах раз­ работаны и апробированы методы биологической оценки уровня загрязнения вод (в том числе экспресс-методы): оценки фитопланк­

тонного сообщества, метод биологического тестирования на основе фильтрационной активности гидробионтов-фильтраторов (способ автоматического определения острой токсичности водной среды).

С помощью мезокосмов можно исследовать поведение в природ­ ных условиях различных химических соединений, изучать само­ очищение водных объектов, динамику токсичности и химического состава загрязняющих веществ в ходе самоочищения водной среды, определять константы скорости распада. Приведенные методы и технические средства уже внедряются и открывают широкие пер­ спективы для совершенствования системы мониторинга в части: оптимизации отбора проб для современных видов анализа, разра­ ботки принципиально новой системы мониторинга, создания авто­ матических станций контроля качества природных вод нового по­ коления и др.

15.3.2 Создание методологии и разработка технических средств оперативного контроля качества поверхностных вод суши

Методология контроля качества вод — одно из важнейших в гидрохимии научных направлений. Оно основывается на современ­ ных достижениях аналитической химии, микропроцессорной тех­ ники, теории управления и математического моделирования.

Регулирование качества поверхностных вод суши является ко­ нечным результатом взаимодействия человека с водными ресурса­ ми. Оно возможно при условии функционирования системы, со­ стоящей из двух взаимосвязанных блоков: оперативного контроля и управления качеством воды водных объектов. Взаимосвязь меж­ ду этими блоками обусловлена тем, что управление основывается на информации, получаемой в процессе контроля, а программа кон­ троля должна быть гибкой и учитывать возможные пожелания ор­ ганов управления в части изменения этой программы. Принятая в рамках ГСН методология проведения режимных гидрохимических наблюдений на базе традиционных методов отбора проб и их анали­ за лишена оперативности (с момента отбора пробы до полного окон­ чания анализа для определения нескольких десятков ингредиентов требуется значительное время — от нескольких суток до 1 мес) и потому не может обеспечить решение задачи оперативного конт­ роля.

Созданию автоматизированной системы контроля загрязненно­ сти поверхностных вод суши в качестве оперативного звена ГСН предшествовала разработка общей методологии оперативного кон­ троля, новых автоматизированных методов анализа, комплекса технических средств, а также математических моделей для оценки текущего состояния и ожидаемых изменений качества воды. Спе­ циалистами Гидрохимического института и организаций Минпри-

бора и Минвуза были созданы и введены в эксплуатацию первые автоматические станции контроля качества воды, определяющие непосредственно на водном объекте семь показателей и повышаю­ щие оперативность контроля в несколько десятков раз. Эти станции являются составной частью системы АНКОС-ВГ (автоматизирован­ ные наблюдения и контроль окружающей среды — вода, головная), которые были сооружены на участках ряда рек (Дон, Кура, Москва, Нева, Томь). В 1990-х годах они были законсервированы.

Основные задачи, которые позволяет решать система АНКОС-ВГ: оперативные измерения, сбор и обработка данных, оценка уров­

ня загрязненности водных объектов, регистрация, хранение и вы­ дача потребителям информации о текущем состоянии контроли­ руемого водного объекта;

своевременное обнаружение начала залповых и аварийных сбросов сточных вод;

оперативное краткосрочное прогнозирование (от нескольких ча­ сов до 1 сут) состояния контролируемого водного объекта;

оповещение водопользователей о наблюдаемых и прогнозируе­ мых опасных и особо опасных (ВЗ и ЭВЗ) уровнях загрязненности воды;

выдача информации контролирующим органам для проведения эффективных мероприятий по предотвращению (уменьшению) ущерба, наносимого водному объекту.

В системе АНКОС-ВГ технические средства созданы на базе универсальных программно-перестраиваемых автоматических ана­ лизаторов. Одним из основных звеньев системы является новый тип автоматических станций — автоматические станции контроля загрязненности поверхностных вод (АСКЗВ), определяющие в на­ стоящее время на водном объекте 12—17 показателей качества во­ ды, число которых может возрастать до 30 в зависимости от по­ требностей контроля. Система оснащена также комплексом лабора­ торных и переносных приборов, входящих в состав стационарных и передвижных гидрохимических и гидробиологических лаборато­ рий (СГХБЛ и ПГХБЛ). Управление системой осуществляется с по­ мощью специально разработанного математического обеспечения в виде пакета прикладных программ, предназначенного для передачи команд с диспетчерского пункта на станции контроля, а также не­ автоматизированным звеньям ПГХБЛ и СГХБЛ для сбора и обра­ ботки гидрохимической и гидробиологической информации от всех звеньев системы. Схема автоматизированной системы контроля представлена на рис 15.7.

Структура системы АНКОС-ВГ построена по иерархическому принципу и подразделяется на ряд уровней. Первый уровень сис­ темы — АСКЗВ. Основной задачей первого уровня является круг­ лосуточный автоматический сбор, обработка и передача данных о