Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям

Метод комплексной оценки степени загрязненности позволяет однозначно скалярной величиной оценить загрязненность воды одновременно по широкому перечню ингредиентов и показателей качества воды, классифицировать воду по степени загрязненности, подготовить аналитическую информацию для представления государственным органам и заинтересованным организациям в удобной, доступной для понимания, научно обоснованной форме [6].

Метод расчета комплексных показателей дает возможность формализовать процессы анализа, обобщения, оценки аналитической информации о химическом составе воды и трансформировать ее в относительные показатели, комплексно оценивающие степень загрязненности и качество воды водных объектов.

Для комплексной оценки загрязненности поверхностных вод используют результаты режимных наблюдений за состоянием воды водных объектов.

Применительно к условиям и данным режимного мониторинга для объективного установления качества воды водных объектов и достоверного определения степени их загрязненности используют сочетание дифференцированного и комплексного способов оценки.

Основные принципы метода

Принципиальную основу метода составляет сочетание дифференцированного и комплексного способов оценки качества воды.

Целесообразность использования комплексной оценки определяется широтой спектра загрязнения водных объектов и степенью загрязненности воды.

Методической основой комплексного способа является однозначная оценка степени загрязненности воды водного объекта по совокупности загрязняющих веществ:

для любого водного объекта в точке отбора проб воды;

за любой определенный промежуток временя;

по любому набору гидрохимических показателей.

В качестве норматива используют предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов, а также водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования [10] -- наиболее жесткие (минимальные) значения из совмещенных списков, рекомендуемых для подготовки информационных документов по качеству поверхностных вод. Для веществ, на которые нормативными документами предусмотрено их полное отсутствие в воде водных объектов, в качестве ПДК условно принимается 0,01 мкг/дм3 [8].

Конструктивной особенностью метода комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям является проведение на первом этапе детального покомпонентного анализа химического состава воды и его режима оценочных составляющих и последующее использование полученных оценочных составляющих на втором этапе для одновременного учета комплекса наблюдаемых ингредиентов и показателей качества воды.

Уровень загрязненности воды данного водного объекта в конкретном пункте наблюдений, определяемый через относительную характеристику, рассчитанную по реальным концентрациям совокупности загрязняющих веществ и соответствующим им нормативам, является первым составным элементом метода комплексной оценки.

Частота обнаружения концентраций, превышающих нормативы, являющаяся косвенной оценкой продолжительности загрязнения воды, также характеризует меру воздействия загрязняющих веществ на качество водной среды и является следующим составным элементом рекомендуемого метода оценки.

Сочетание уровня загрязненности воды определеннымизагрязняющими веществами и частоты обнаружения случаев нарушения нормативных требований позволяет получить комплексные характеристики, условно соответствующие «долям» загрязненности, вносимым каждым ингредиентом и показателем загрязненности в общее качество воды.

Вклад отдельных загрязняющих веществ в общую загрязненность воды водных объектов в реальных условиях может определяться либо высокими концентрациями, наблюдаемыми в течение короткого промежутка времени, либо низкими концентрациями в течение длительного периода, либо другими возможными комбинациями рассматриваемых факторов оценки, учет которых должен вестись не параллельно по двум самостоятельным характеристикам, а одновременно через обобщенный показатель.

Качество воды водных объектов есть функция не только отдельных показателей химического состава воды, продолжительности, меры воздействия каждого из них и различных комбинаций этих оценочных характеристик, но также перечня и количества учитываемых в комплексной оценке загрязняющих веществ. Принимая условие аддитивности действия токсических веществ при их одновременном присутствии, окончательный комплексный показатель качества воды определяется суммированием отдельных показателей, оценивающих вклад каждого загрязняющего вещества в отдельности.

Основой дифференцированного способа является оценка качества воды водных объектов по отдельным загрязняющим веществам с использованием статистических приемов.

Система формализованных показателей комплексной оценки

В соответствии с настоящими методическими указаниями рассчитывается набор формализованных характеристик из двух групп оценочных показателей -- промежуточных и основных. Большинство показателей, входящих в группу промежуточных, общеизвестны и используются для дальнейших расчетов основных показателей и коэффициента запаса. Основные показатели служат для комплексной оценки степени загрязненности воды водных объектов. Оценивание качества воды может проводиться как с применением всего набора показателей, так и отдельных их групп, либо единичных характеристик.

Помимо численных значений для оценки употребляются и соответствующие им качественные словесные характеристики.

Наиболее информативными комплексными оценками, получаемые по данному методу являются:

· удельный комбинаторный индекс загрязненности воды (УКИЗВ);

· класс качества воды.

Значение УКИЗВ может варьировать в водах различной степени загрязненности от 1 до 16. Большему значению индекса соответствует худшее качество воды в различных створах, пунктах и т. д.

Классификация качества воды, проведенная на основе значений УКИЗВ, позволяет разделять поверхностные воды на 5 классов в зависимости от степени их загрязненности:

1-й класс -- условно чистая;

2-й класс -- слабо загрязненная;

3-й класс -- загрязненная;

4-й класс -- грязная;

5-й класс -- экстремально грязная.

Большей степени загрязненности воды комплексом загрязняющих веществ соответствует больший номер класса.

Требования к исходной информации

Непременным условием возможности использования результатов наблюдений является единая методологическая основа проведения отбора проб и химического анализа воды.

Должна быть обеспечена сопоставимость исходных данных по количеству информации по каждому показателю, числу используемых показателей, их перечню, точности исходной информации и требуемой точности ожидаемых результатов.

Перед началом расчетов определяют перечень ингредиентов и показателей, на основании которого рассчитываются комплексные показатели. Для подготовки информационных материалов рекомендуется пользоваться тремя перечнями.

В расчете комплексных показателей используют только нормируемые ингредиенты и показатели состава и свойств воды водного объекта [2].

При выполнении специальных заказов выбор перечня ингредиентов и показателей проводится в зависимости от цели оценки, наличия результатов химического анализа воды и с учетом программы наблюдений.

Количество учитываемых показателей регламентируется поставленными целями оценки, с учетом программы наблюдений, а также наличием данных о химическом составе поверхностных вод.

Нижний предел количества учитываемых ингредиентов определяется их минимальным числом, достаточным для характеристики качества исследуемой воды по всем лимитирующим показателям вредности. Верхний предел количества учитываемых ингредиентов не ограничивается. Оптимальное число учитываемых в процессе оценки ингредиентов может составлять от 10 до 25.

Достаточность объема исходной информации определяется исходя из требуемой точности оценки, длительности оцениваемого временного интервала.

По каждому ингредиенту проверяется наличие информации в необходимом объеме. Последний определяется изменчивостью ингредиентов в период обобщения, которая в свою очередь зависит от скорости превращения веществ, условий разбавления сточных вод речными и других факторов, а также требует знания особенностей формирования химического состава воды водного объекта и поведения интересующих веществ. Перечисленное, учитывается при установлении категории пункта стационарных наблюдений. Категорией пункта определяется и объем сведений о химическом составе воды. Минимальное количество данных -- 4 пробы в течение года или одна проба в квартал (в гидрологическую фазу); максимальное количество данных не ограничивается.

По каждому учитываемому ингредиенту или показателю загрязненности ряд наблюдений проверяется на «характерность», «типичность» данных [4]. Концентрации, соответствующие уровням высокого загрязнения и экстремально высокого загрязнения, в расчеты включают при условии надежности получения этих данных.

При проведении расчетов комплексных показателей с целью сравнительной оценки качества воды в различных пунктах наблюдений, на различных участках водных объектов, либо различных водных объектах используются материалы равной репрезентативности, т. е. должны быть идентичными перечень учитываемых ингредиентов, число взятых для рассмотрения результатов анализа; их полнота, распределение в течение рассматриваемого периода времени и т.д.

Техника расчета показателей комплексной оценки

Предварительная оценка степени загрязненности воды водных объектов с помощью коэффициента комплексности загрязненности воды

С помощью коэффициента комплексности загрязненности воды оценивается комплексность загрязненности воды в пробе, створе, пункте, водотоке и т. д. Расчет значения коэффициента комплексности загрязненности воды К проводится сначала для каждого результата анализа по формуле:

(1.15)

где Kfj - коэффициент комплексности загрязненности воды в f-м результате анализа для j-го створа;

N'fj - количество нормируемых ингредиентов и показателей качества воды, содержание или значение которых превышает соответствующие им ПДК в f-м результате анализа для j-го створа;

Nfj - общее количество нормируемых ингредиентов и показателей качества воды, определенных, в f-м результате; анализа для j-го створа.

Оцениваемый временной интервал характеризуется средним значением коэффициента комплексности Kj:

(1.16)

где nkj - число результатов химического анализа воды, для которых рассчитаны значения коэффициента комплексности в j-м створе за k-й период времени.

Для учета распространенности случаев высокого и экстремально высокого уровней загрязнения проводятся аналогичные расчеты коэффициентов комплексности загрязненности воды по значениям концентраций, соответствующих высокому и экстремально высокому уровням загрязнения.

Расчет коэффициента комплексности высокого уровня загрязнения воды осуществляется по формуле:

(1.17)

где KВЗfj - коэффициент комплексности высокого уровня загрязнения воды для f-го результата химического анализа в j-м створе;

N'ВЗfj - количество нормируемых ингредиентов и показателей качества воды, содержание или значение которых превышает соответствующие им критерии высокого загрязнения.

Расчет коэффициента комплексности экстремально высокого уровня загрязнения воды осуществляется по формуле:

(1.18)

где KЭВЗfj -коэффициент комплексности экстремально высокого уровня загрязнения воды для f-го результата химического анализа в j-м створе;

N'ЭВЗfj -количество нормируемых ингредиентов в показателей качества воды, содержание или значение которых превышает соответствующие им критерии экстремально высокого уровня загрязнения.

Коэффициент комплексности загрязненности воды используется непосредственно при интерпретации результатов расчета для характеристики водного объекта. Он является очень простой, но в то же время вполне достоверной характеристикой антропогенного воздействия на качество воды. Чем больше значение К, тем большая комплексность загрязненности присуща воде, тем хуже ее качество и тем большее влияние на формирование качества воды оказывает антропогенный фактор.

Увеличение коэффициента комплексности загрязненности свидетельствует о появлении новых загрязняющих веществ в воде анализируемого водного объекта. Рост значений Квз и Кэвз указывает как на то, что превышение ПДК наблюдается по более широкому перечню ингредиентов, так и на то, что уровень его весьма значителен.

Абсолютные значения К, Квз и Кэвз могут применяться для анализа современного состояния загрязненности воды водных объектов, выявления тенденции его изменения в многолетнем плане и для сравнения между собой уровней загрязнения воды различных водных объектов.

При использовании коэффициента К для сравнения степени загрязненности воды водных объектов необходимо соблюдать условие практического равенства числа учитываемых в расчете коэффициента ингредиентов и показателей загрязненности. Допускаемая при этом разница не должна превышать 30 %.

Коэффициенты комплексности загрязненности могут применяться как самостоятельно, так и в сочетании с другими оценками излагаемого метода.

По значению условного коэффициента комплексности для одного значения ПДК (1 ПДК) выбирается метод оценки степени загрязненности воды водного объекта. Если обнаруживается незначительная комплексность загрязненности воды водного объекта (К < 10 %), обусловленная загрязнением единичными ингредиентами, то проводится подробное дифференцированное их обследование. При обнаружении более высокой комплексности (К > 10 %) применяется метод комплексной оценки качества воды по значению комбинаторного индекса загрязненности воды.

На основе коэффициентов К, Квз и Кэвз выделяются категории воды водных объектов по комплексности загрязненности.

Водные объекты, для воды которых значения Квз соответствуют II и III категориям загрязненности воды, а значения Кэвз -- I, II и III категориям загрязненности воды, целесообразно использовать при подготовке «Приоритетных списков водных объектов, требующих первоочередного осуществления водоохранных мероприятий».

Категории воды, определенные по К, Квз и Кэвз имеют различный и физический смысл, поэтому пользоваться ими следует параллельно. Эти характеристики взаимно дополняют друг друга. В случае если категории не совпадают, качество воды надо рассматривать с разных сторон -- в режиме хронического загрязнения, наблюдаемого большую часть времени года по К и дополнительно в режиме «аварийных», либо «чрезвычайных ситуаций» по К, Квз и Кэвз.

Комплексная оценка степени загрязненности воды водных объектов с помощью комбинаторного индекса загрязненности воды

С помощью комбинаторного индекса загрязненности воды оценивается степень ее загрязненности по комплексу загрязняющих веществ, устанавливается класс качества воды.

Комбинаторный индекс загрязненности воды может рассчитываться для любого створа, либо пункта наблюдений за состоянием поверхностных вод, для участка, либо акватории водного объекта, для водных объектов в целом, речных бассейнов, гидрографических районов и т.д. По мере укрупнения объекта изучения возрастает относительность расчетных характеристик. Это обстоятельство относится не столько к комбинаторному индексу, сколько к любому из показателей, характеризующих однозначно сложные и крупномасштабные природные системы. Однако, несмотря на это, их информативность и репрезентативность при наличии достаточного объема информации высока.

До начала расчетов устанавливается период обобщения информации, зависящий от целей оценки и достаточности объема исходных данных. Комбинаторный индекс загрязненности воды может рассчитываться для любого периода времени: суток, декады, месяца, квартала, гидрологического сезона, полугодия, года, любого многолетнего периода при наличии достаточного числа проб.

Расчет значения комбинаторного индекса загрязненности и относительная оценка качества воды проводится в 2 этапа: сначала по каждому изучаемому ингредиенту и показателю загрязненности воды, затем рассматривается одновременно весь комплекс загрязняющих веществ и выводится результирующая оценка.

По каждому ингредиенту за расчетный период времени для выбранного объекта исследований определяются следующие характеристики:

1. Повторяемость случаев загрязненности , т. е. частота обнаружения концентраций, превышающих ПДК:

(1.19)

где n'ij -- число результатов анализа по i-му ингредиенту в j-м створе за рассматриваемый период времени, вкоторых содержание или значение их превышает соответствующие ПДК;

nij -- общее число результатов химического анализа за рассматриваемый период времени по i-му ингредиенту в j-м створе.

По значению повторяемости определяют характер загрязненности воды по устойчивости загрязнения в соответствии с приложением Е. По значению повторяемости рассчитывается частный оценочный балл по повторяемости Saij. Определение баллов проводится с применением линейной интерполяции.

2. Среднее значение кратности превышения ПДК 'ij, рассчитанное только по результатам анализа проб, где такое превышение наблюдается. Результаты анализа проб, в которых концентрация загрязняющего вещества была ниже ПДК, в расчет не включают. Расчет ведется по формуле:

(1.20)

где -- кратность превышения ПДК по i-му ингредиенту в f-м результате химического анализа для j-го створа Cifj -- концентрация i-го ингредиента в f-м результате химического анализа для j-го створа, мг/дм3.

По значению кратности превышения ПДК определяют уровень загрязненности воды в соответствии с Приложение 5. По значению средней кратности превышения ПДК'ij и данным таблицы Приложение 5 рассчитывается частный оценочный балл по кратности превышения S'ij. Определение баллов проводится с применением линейной интерполяции.

3. Обобщенный оценочный балл Sij по каждому ингредиенту. Он рассчитывается как произведение частных оценочных баллов по повторяемости случаев загрязненности и средней кратности превышения ПДК:

(1.21)

где Saij -- частный оценочный балл по повторяемости случаев загрязненности i-м ингредиентом в j-м створе за рассматриваемый период времени;

Sij - частный оценочный балл по кратности превышения ПДК i-го ингредиента в j-м створе за рассматриваемый период времени.

Обобщенный оценочный балл дает возможность учесть одновременно значения наблюдаемых концентраций и частоту обнаружения случаев превышения ПДК по каждому ингредиенту.

Значение обобщенного оценочного балла по каждому ингредиенту в отдельности может колебаться для различных вод от 1 до 16. Большему его значению соответствует более высокая степень загрязненности воды.

(1.22)

где Sj -- комбинаторный индекс загрязненности воды в j-м створе;

Nj - число учитываемых в оценке ингредиентов.

(1.23)

где S'j удельный комбинаторный индекс загрязненности воды в j-м створе.

Удельный комбинаторный индекс загрязненности воды также используется для оценки уровня загрязненности и является весьма удобной и показательной характеристикой. Его использование обязательно, если расчеты проводили по равному числу ингредиентов.

Выделение критических показателей загрязненности воды

Критическим показателем загрязненности считается такой показатель, для которого Sij> 9, т. е. когда наблюдается устойчивая либо характерная загрязненностьвысокого или экстремально высокого уровней загрязненности и вода по своему качеству оценивается как «очень грязная» и «экстремально грязная».

Для анализа состояния загрязненности используется перечень и число критических показателей загрязненности (КПЗ) воды F.

Классификация качества воды по степени загрязненности

Классификация качества воды по степени загрязненности осуществляется с учетом следующих данных: комбинаторного индекса загрязненности воды, числа КПЗ воды, коэффициента запаса, количества учтенных в оценке ингредиентов и показателей загрязненности.

Коэффициент запаса k рассчитывается по формуле:

(1.24)

где F -- число критических показателей загрязненности воды.

Коэффициент запаса k вводится далее в градации классов качества воды дополнительно к комбинаторному индексу загрязненности воды для ужесточения оценки в случае обнаружения концентраций, близких или достигающих уровней высокого или экстремально высокого загрязнения. Его значение уменьшается с увеличением числа КПЗ: от единицы при отсутствии КПЗ до 0,9 при одном КПЗ и т. д.

Коэффициент запаса рассчитывается при F< 5.

Определение классов качества воды проводится на основе произведения указанных величин и последующего подбора соответствующей ему градации класса следующей классификации:

Таблица 10. Классификация качества воды.