Текст книги "Методы оценки качества поверхностных вод суши"

О. С. Решетняк
Методы оценки качества поверхностных вод суши

Введение

Состояние поверхностных вод в экономически развитых регионах в связи с деятельностью человека в настоящее время неблагополучно, а качество воды многих водоемов и водотоков не удовлетворяет современным нормативным требованиям. Антропогенное воздействие на водные объекты приводит к нарушению их экологического состояния, ухудшению качества водной среды и, как следствие, снижению устойчивости водных экосистем. Еще недавно объемы и токсичность техногенных выбросов в целом не превышали способности биосферы к их поглощению и нейтрализации. Сегодня же они достигают предела возможностей природных экосистем к самоочищению. Помимо истощения природных ресурсов, развитие промышленности создало новую проблему – загрязнение водной среды.

Оказались сильно загрязненными, преимущественно промышленными отходами, водоемы, атмосферный воздух, почва. Эти загрязнения не только крайне отрицательно сказались на плодородии почв, растительности и животном мире, но и стали представлять существенную опасность для здоровья людей. К настоящему времени не сохранилось ни одного уголка на Земле, где отсутствовало бы влияние человека на природу. Даже в Антарктиде отмечены радиоактивные осадки и повышенное содержание некоторых приоритетных загрязняющих веществ.

Поэтому развитие методов и средств контроля качества поверхностных вод суши, а также разработка методологии оценки качества вод по гидрохимическим, гидробиологическим и экотоксикологическим показателям становятся особенно актуальными.

1. Качество поверхностных вод суши. Нормативы оценки качества воды

Под качеством воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01-77), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым проводится оценка качества воды.

1.1. Виды водопользования

Основные виды водопользования на водотоках и водоемах регламентируются Министерством природных ресурсов и экологии РФ, Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и подлежат утверждению органами местного самоуправления субъектов РФ. Водопользование – использование водных объектов для удовлетворения любых нужд населения и народного хозяйства (ГОСТ 17.1.1.01-77).

Согласно ГОСТ 17.1.1.03-86 «Охрана природы. Гидросфера. Классификация водопользований», водопользование классифицируется по:

– целям использования вод;

– объектам водопользования;

– техническим условиям водопользования воды;

– условиям предоставления водных объектов в пользование;

– характеру использования воды;

– способу использования водных объектов.

Вода водоемов и водотоков используется для целей питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, сброса очищенных сточных и (или) дренажных вод, производства электрической энергии, орошения земель, функционирования водного транспорта, сплава древесины и др.

К хозяйственно-питьевому водопользованию относится использование водных объектов или их участков в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для обеспечения водой предприятий пищевой промышленности. В соответствии с Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.1.4.559-96, питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, быть безвредной по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства (отсутствие неприятного вкуса, запаха и т.п.).

К культурно-бытовому водопользованию относится использование водоемов и водотоков для купания, занятия спортом и отдыха населения. Требования к качеству воды, установленные для культурно-бытового водопользования, распространяются на все участки водоемов и водотоков, находящихся в черте населенных мест, независимо от вида их использования в качестве объектов для обитания, размножения и миграции рыб и других водных организмов.

Согласно СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод», установлены гигиенические нормативы состава и свойств воды водных объектов с точки зрения их использования и охраны. Выделены две категории водопользования: к первой категории водопользования относится использование водных объектов или их участков в качестве источника питьевого и хозяйственно-бытового водопользования, а также водоснабжение предприятий пищевой промышленности; ко второй категории водопользования относится использование водных объектов или их участков для рекреационного водопользования. Требования к качеству воды, установленные для второй категории водопользования, распространяются также на все участки водоемов, находящихся в черте населенных пунктов.

Качество воды водных объектов должно соответствовать требованиям СанПиН 2.1.5.980-00 (табл. 1), при этом содержание химических веществ не должно превышать ПДК веществ в воде водных объектов по ГН 2.1.5.689-98 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».

Наиболее строгие требования предъявляются к водоемам и водотокам, относящимся к категории рыбохозяйственного назначения. Федеральный закон № 420-ФЗ от 28.12.2010 определяет, что к водным объектам рыбохозяйственного значения относятся водные объекты, которые используются или могут быть использованы для добычи (вылова) водных биоресурсов.

Таблица 1

Общие требования к составу и свойствам воды водных объектов в контрольных створах и местах питьевого, хозяйственно-бытового и рекреационного водопользования (СанПиН 2.1.5.980-00)

Примечания:

* Содержание в воде взвешенных веществ неприродного происхождения (хлопья гидроксидов металлов, образующихся при обработке сточных вод, частички асбеста, стекловолокна, базальта, капрона, лавсана и т.д.) не допускается.

** Для централизованного водоснабжения; при нецентрализованном питьевом водоснабжении вода подлежит обеззараживанию.

*** В случае превышения указанных уровней радиоактивного загрязнения контролируемой воды проводится дополнительный контроль радионуклидного загрязнения в соответствии с действующими нормами радиационной безопасности; Ai – удельная активность i-го радионуклида в воде; YBi – соответствующий уровень вмешательства для i-го радионуклида (приложение П-2 НРБ-99 (НРБ – нормы радиационной безопасности)).

Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе ПДК вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение, утверждены Приказом Министерства сельского хозяйства РФ от 13.12.2016 № 552.

1.2. Нормативы качества воды

Контроль и оценка качества водной среды осуществляются с помощью системы основных нормативов.

1. Предельно допустимая концентрация (ПДК) химического вещества в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв), мг/дм³ – максимальная концентрация вещества в воде, которая при поступлении в организм в течение всей жизни не должна оказывать прямого или опосредованного влияния на здоровье населения в настоящем и последующих поколениях, в том числе в отдаленные сроки жизни, а также не ухудшать гигиенические условия водопользования (ГН 2.1.5.689-98).

2. Предельно допустимая концентрация загрязняющих веществ в воде водоемов, используемых для рыбохозяйственных целей (ПДКрыбхоз), мг/дм³. Она характеризует его максимально допустимую концентрацию (или его метаболитов) в воде, при которой в водном объекте не возникают последствия, снижающие его рыбохозяйственную ценность (в ближайшее время и в перспективе) или затрудняющие его рыбохозяйственное использование при постоянстве этой концентрации в воде водного объекта (Методические … 2009).

Величина последней для подавляющего большинства нормируемых веществ всегда значительно меньше ПДКв. Это объясняется тем, что токсические соединения могут накапливаться в организме рыб в весьма значительных количествах без влияния на их жизнедеятельность.

3. Временно допустимая концентрация (ориентировочно безопасный уровень воздействия) загрязняющих веществ в воде водоемов (ВДКв), мг/дм³. Нормативы, определяемые этим показателем, устанавливаются расчетным путем на срок 3 года (http://dic. academic.ru).

4. Ориентировочный допустимый уровень химического вещества в воде (ОДУ), мг/дм³ – временный гигиенический норматив, аналогичный ПДК (http://dic.academic.ru). Разрабатывается, как правило, расчетным способом и на основе экспресс-экспериментальных методов прогноза токсичности. Применяется только на стадии предупредительного санитарного надзора за проектируемыми или строящимися предприятиями, реконструируемыми очистными сооружениями и т.п.

5. Предельно допустимый сброс (ПДС), г/ч (кг/сут) – это норматив, регламентирующий массу загрязняющего вещества в сточных водах, сбрасываемых в водоем. Это масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте (ГОСТ 17.1.1.01-77).

Применение этого норматива должно обеспечивать соблюдение санитарно-гигиенических норм, установленных для водных объектов. Величина ПДС определяется расчетным путем на период, установленный органами по регулированию использования и охране вод. После этого она подлежит пересмотру в сторону уменьшения вплоть до прекращения сброса загрязняющих веществ в водоемы.

Нормирование качества воды состоит в установлении для воды водного объекта совокупности допустимых значений показателей ее состава и свойств, в пределах которых надежно обеспечиваются здоровье населения, благоприятные условия водопользования и экологическое благополучие водного объекта.

Правила охраны поверхностных вод устанавливают нормы качества воды водоемов и водотоков для условий хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного водопользования. Вещество, вызывающее нарушение норм качества воды, называют загрязняющим (ГОСТ 17.1.1.01-77).

Предельно допустимая концентрация вещества в воде устанавливается:

– для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДК_в) с учетом трех показателей вредности: органолептического; общесанитарного; санитарно-токсикологического.

– для рыбохозяйственного водопользования (ПДК_вр) с учетом пяти показателей вредности: органолептического; санитарного; санитарно-токсикологического; токсикологического; рыбохозяйственного (Методические … 2009).

Рыбохозяйственные ПДК также должны удовлетворять ряду условий, при которых не должны наблюдаться (Методические … 2009):

– гибель рыб и кормовых организмов для рыб;

– постепенное исчезновение видов рыб и кормовых организмов;

– ухудшение товарных качеств обитающей в водном объекте рыбы;

– замена ценных видов рыб на малоценные.

Органолептический показатель вредности характеризует способность вещества изменять органолептические свойства воды. Общесанитарный – определяет влияние вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием естественной микрофлоры. Санитарно-токсикологический показатель характеризует вредное воздействие на организм человека, а токсикологический – показывает токсичность вещества для живых организмов, населяющих водный объект. Рыбохозяйственный показатель вредности определяет порчу качеств промысловых рыб.

Наименьшая из безвредных концентраций по трем (пяти) показателям вредности принимается за ПДК с указанием лимитирующего показателя вредности (ЛПВ). Критерии оценки загрязненности поверхностных вод (ПДК, ЛПВ и классы опасности веществ) разными группами веществ приведены в Приложении 4.

1.3. Критерии экстремально высокого и высокого уровня загрязнения воды

1. Под экстремально высоким уровнем загрязнением (ЭВЗ) природной среды понимается для поверхностных вод суши (РД 52.24.643-2002):

а) максимальное разовое содержание для нормируемых веществ 1–2-го класса опасности в концентрациях, превышающих ПДК в 5 и более раз, для веществ 3–4-го класса опасности – в 50 и более раз11
  Содержание веществ в поверхностных, морских водах сопоставляется с наиболее «жесткими» ПДК в ряду одноименных показателей. Для веществ, на которые нормативными документами предусмотрено полное отсутствие их в воде водных объектов, в качестве ПДК условно принимается 0,01 мкг/дм³.


[Закрыть];

б) появление запаха вод интенсивностью более 4 баллов;

в) покрытие пленкой (нефтяной, масляной или другого происхождения) более 1/3 поверхности водного объекта при его обозримой площади до 6 км²;

г) покрытие пленкой поверхности водоема на площади 2 и более км² при его обозримой площади более 6 км²;

д) снижение содержания растворенного кислорода до 2 мг/дм³ и менее;

е) увеличение биохимического потребления кислорода (БКП₅) свыше 40 мг О₂/дм³;

ж) массовая гибель моллюсков, раков, лягушек, рыб, других водных организмов и водной растительности.

2. Экстремально высокие уровни загрязнения природной среды, как правило, обусловлены аварийными и залповыми выбросами (сбросами) ЗВ. Информация об аварийных (залповых) выбросах (сбросах) ЗВ в природную среду в следующих случаях (РД 52.24.643-2002):

а) если аварийный выброс (сброс) привел к экстремально высокому загрязнению и оно зафиксировано аналитически или по визуальным и органолептическим признакам;

б) при увеличении объемов поступления сточных вод от стационарных источников загрязнения и увеличении концентраций загрязняющих веществ в сточных водах в 10 и более раз;

в) при попадании в природную среду от нестационарных источников загрязнения (автотранспорт, железнодорожный транспорт, суда, другие плавсредства) токсических загрязняющих веществ, веществ, для которых ПДК не установлены, нефтепродуктов в количестве 5 тонн и более;

г) при сбросе нефти и других продуктов в количестве 10 тонн и более.

3. Под высоким загрязнением (ВЗ) природной среды понимается для поверхностных вод суши (РД 52.24.643-2002):

а) максимальное разовое содержание для нормируемых веществ 1–2-го класса опасности в концентрациях, превышающих ПДК от 3 до 5 раз, для веществ 3–4-го класса опасности – от 10 до 50 раз (для нефтепродуктов, фенолов, соединений меди, железа и марганца – от 30 до 50 раз), величина биохимического потребления кислорода (БПК₅) от 10 до 40 мг О₂/дм³, снижение концентрации растворенного кислорода до значений от 3 до 2 мг/дм³;

б) покрытие пленкой (нефтяной, масляной или другого происхождения) от 1/4 до 1/3 поверхности водного объекта при его обозримой площади до 6 км²;

в) покрытие пленкой поверхности водного объекта на площади от 1 до 2 км² при его обозримой площади более 6 км².

Обобщенные критерии определения случаев ВЗ и ЭВЗ для поверхностных вод суши с учетом класса опасности веществ приведены в таблице 2. Критерии оценки уровня загрязненности воды с учетом кратности превышения ПДК и повторяемости случаев превышения представлены в таблице 3.

Таблица 2

Критерии определения высокого и экстремально высокого уровней загрязненности воды водных объектов (РД 52.24.643-2002)

Таблица 3

Критерии оценки уровня загрязненности воды по кратности превышения ПДК и повторяемости случаев превышения (РД 52.24.643-2002)

2. Источники загрязнения поверхностных вод

На протяжении тысячелетий люди использовали воду рек, озер и морей для питьевых и хозяйственных целей, для сброса в них загрязненных сточных вод. И до определенного времени (до начала XX века) это не вызывало особого беспокойства. Срабатывал механизм естественного самоочищения водоемов. Однако сейчас многие водоемы перестали справляться с поступающими массами химических веществ, в том числе и загрязняющих. Рост городов и населения, бурное развитие промышленности, энергетики, водного транспорта, добыча полезных ископаемых, рост орошаемого земледелия, водные рекреации привели к серьезному загрязнению вод. В настоящее время резко ухудшилось качество воды не только малых рек и озер, но и более крупных водоемов и водотоков.

В результате хозяйственной деятельности в водные объекты поступает широкий комплекс загрязняющих веществ органического и неорганического происхождения (Никаноров и др., 2012). Чаще всего происходит сброс недостаточно очищенных промышленных и коммунально-бытовых стоков, что и является основной причиной их загрязнения. В районах с развитым сельскохозяйственным производством в водоемы и водотоки вместе с продуктами эрозии почв попадают нитраты, нитриты и другие минеральные удобрения, пестициды, отходы животноводческих ферм. Загрязнение атмосферы также влияет на качество воды рек и озер, поскольку все химические вещества, выбрасываемые транспортом и предприятиями в атмосферу, осаждаются на почвенном покрове, смываются с водосборных территорий в реки и озера, выпадают с дождевыми и талыми водами в водоемы.

Основные источники антропогенного загрязнения гидросферы в целом представлены на следующей схеме (рис. 1).

Водные ресурсы на территории России распределены по регионам крайне неравномерно, и проблема чистой воды стоит очень остро. Речной сток является основой водных ресурсов в нашей стране, преобладающая часть его – 90 % – приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов.

Рис. 1. Источники антропогенного загрязнения гидросферы (http://rudocs.exdat.com/docs/index-224567.html)

На большей части водных объектов, по данным наблюдений Росгидромета, качество воды не отвечает нормативным требованиям. Вода основных крупнейших рек: Волги, Дона, Кубани, Оби, Енисея, Лены, Печоры – оценивается как «загрязненная», их крупных притоков: Оки, Камы, Иртыша, Тобола, Томи, Туры, Миасса, Исети и других как «очень загрязненная» (Никаноров и др., 2012).

Основные источники поступления загрязняющих веществ в водные объекты

Главным источником поступления в природные воды загрязняющих веществ как в РФ, так и в других странах является промышленность, отрасли которой могут быть ранжированы по количеству сбрасываемых сточных вод и степени их загрязнения в следующий ряд (Никаноров, 2008):

целлюлозно-бумажная > химическая > цветная металлургия > черная металлургия > угольная > машиностроение > нефтедобывающая > нефтехимическая > электроэнергетика

Химический состав сбрасываемых промышленных сточных вод и их количество (объем) зависят, в первую очередь, от мощности конкретного производства, специфики технологических циклов и степени очистки сточных вод.

Следующим по значимости источником загрязнения природных вод (поверхностных и подземных) являются сточные воды с сельскохозяйственных территорий. Наибольший вклад в загрязнение вносят коллекторные и дренажные воды орошаемых земель. Поскольку сток с сельскохозяйственных территорий может быть поверхностным и почвенным, то загрязнению подвержены и грунтовые воды речных бассейнов. Со сточными водами сельскохозяйственных территорий, коллекторными и дренажными водами в водоемы и водотоки поступают нитраты, нитриты и другие минеральные и органические вещества, а также пестициды. Загрязнение водного объекта, вызывая изменения состава и свойств воды, приводит к нарушению экологического баланса системы, изменению состояния флоры и фауны. Поверхностный сток с территорий животноводческих ферм может являться источником биологического загрязнения поверхностных вод (Никаноров, 2008).

При распашке почв в пределах сельскохозяйственных угодий происходит увеличение эрозии почв и далее при орошении это способствует выносу значительного количества минеральных и взвешенных веществ. Происходит усиленная водная миграция веществ, что приводит не только к загрязнению поверхностных вод, но и к усилению процессов эвтрофирования водных объектов. Значительную долю в загрязнение водных объектов вносят стоки животноводческих комплексов (бактериальное загрязнение).

Существенным источником загрязнения водоемов и водотоков являются хозяйственно-бытовые (в том числе фекальные) сточные воды, спускаемые через канализационную сеть. Бытовые сточные воды насыщены бактериальной флорой, значительную долю которой составляют болезнетворные формы.

Влияние на качество поверхностных вод оказывают и такие глобальные процессы, так воздушный перенос и загрязнение воздушного бассейна. Из воздуха в гидросферу поступают минеральные, органические и взвешенные вещества, оксиды азота, серы, углерода, некоторые тяжелые металлы и другие вещества. Особенно сильно загрязнен воздух в крупных городах, где основным источником загрязнения является автомобильный транспорт. В автомобильном топливе содержатся соединения свинца (тетраэтилсвинец), которые попадают в воздух, а затем и в водные объекты (Никаноров, 2008).

Значительное загрязнение водоемов вызывают кислотные дожди, образующиеся в результате соединения в атмосфере диоксида серы с парами воды. По некоторым данным (Израэль, 1979), ущерб от закисления почв в северо-западной части территории СНГ (в том числе за счет трансграничного переноса) достигал 100 млн руб./год, для раскисления почв здесь вносилось до 1,5 млн т извести.

На гидрохимический и гидробиологический режим водных объектов в значительной мере влияют тепловые и атомные электростанции, происходит увеличение температуры воды водоема или водотока за счет поступления в них подогретых сточных вод промышленных предприятий, ТЭС или АЭС. Такое загрязнение природных вод называют тепловым.

В первую очередь тепловое загрязнение нарушает гидролого-экологическое состояние водной экосистемы. Сброс подогретых вод предприятий в водный объект изменяет тепловой баланс и нарушает основные химико-биологические процессы в экосистеме. Бóльшая часть природной воды, забираемой из водного объекта, используется на ТЭС для охлаждения различных агрегатов, при этом она нагревается на 8–10 °С. После использования в технологической цепи вода хоть и возвращается в водный объект практически с тем же химическим составом, но со значительным снижением содержания растворенного в ней кислорода. Это в свою очередь приводит к изменению скоростей продукционно-деструкционных процессов, нарушению режима биогенных элементов (изменяется соотношение концентраций N– и P-содержащих соединений). Эти нарушения влекут за собой усиление развития процессов антропогенного эвтрофирования водной экосистемы (Никаноров, 2008).

Изменение температурного режима водного объекта способствует трансформации экосистемы в целом. При повышении температуры воды (являющейся средой обитания биоты) в экосистеме активизируются различные биохимические процессы, начинает усиливаться выработка первичной продукции и, как следствие, возрастает интенсивность фотосинтеза, бурно развиваются планктонные сообщества, увеличивается общая масса органического вещества. А при сильном тепловом загрязнении может проявляться одна из основных опасностей «теплых вод» – это усиление токсичного действия загрязняющих веществ и их метаболитов. В экосистеме быстрее происходит накопление токсичных металлов (Pb, Hg, Cd, Zn, Ni и др.) конечных звеньях трофических цепей (Никаноров и др., 2000). Таким образом, нарушаются естественные гидрохимические и биологические процессы, усиливается эвтрофирование водоемов и биотический круговорот веществ в них изменяется.

В нашей стране установлены предельные нормы повышения температуры водоемов в результате сброса теплых вод. Особенно это важно для водоемов рыбохозяйственного назначения. Эта температура не должна повышаться по сравнению с естественной температурой воды более чем на 5 °С, с общим повышением температуры не более чем до 20 °С летом и 5 °С зимой для водных объектов, где обитают холодолюбивые рыбы (лососевые и сиговые), и не более, чем до 28 °С летом и 8 °С зимой в остальных случаях (Методические указания … 2009).

Кроме названных основных источников поступления загрязняющих веществ в водные объекты, следует указать такие, как городские ливневые стоки, лесосплав, утечки и потери нефтепродуктов и химикатов при транспортировке, шахтные и рудничные воды и др.

Особо следует выделить радиоактивное загрязнение водных объектов. Радиоактивное загрязнение возникает вследствие внутриядерных процессов, оно не зависит от природных физикохимических условий и пока не устраняется на очистных сооружениях. Радиоактивное загрязнение может быть обусловлено поступлением в водную среду радиоактивных изотопов естественного или искусственного происхождения. Для водных экосистем наибольшую опасность представляют остатки деления тяжелых ядер, образующиеся при цепных реакциях в атомных реакторах или при ядерных взрывах. При расщеплении тяжелых ядер (²³⁵U, ²³³U, ²³⁹Pu и др.) образуется до 200 изотопов различных радиоактивных и нерадиоактивных элементов. Наиболее опасными являются долгоживущие изотопы, такие как ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs с периодами полураспада соответственно 29 лет и 33 года (Никаноров, 2008).

Радиоактивные элементы имеют способность адсорбироваться находящимися в воде взвешенными веществами, которые, оседая, вызывают радиоактивное загрязнение донных отложений.

Источниками радиоактивного загрязнения поверхностных вод естественными радионуклидами являются также отвалы горных пород на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях. Причем радиоэкологическую опасность представляют не только предприятия по добыче и переработке радиоактивных материалов, но и предприятия добычи неурановых руд и ТЭС, работающие на угле. Уровни дозовых нагрузок от этих станций могут в десятки раз превышать уровни, создаваемые атомными станциями при их нормальной эксплуатации. Активность радионуклидных выбросов крупных электростанций, работающих на угле, составляет от 8 до 20 Кюри в сутки (http://ru-ecology.info/term/54799/).

Радиоактивное загрязнение воды весьма опасно даже при очень малых концентрациях радиоактивных веществ. Наиболее вредные «долгоживущие» и подвижные в воде радиоактивные элементы (⁹⁰Sr, U, ²²⁶Ra, Cs и др.) могут попадать в поверхностные водоемы при сбрасывании радиоактивных отходов в атмосферу, а в подземные воды – в результате просачивания в глубь земли вместе с атмосферными водами или в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами (Коробкин, Передельский, 2002).