Гидроэкология

Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДК_вр) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых.

При обосновании ПДК одновременно устанавливается и ЛПВ - лимитирующий (или минимальный из всех перечисленных значений) показатель вредности по наиболее чувствительному звену. ЛПВ имеет значение при оценке комбинированного действия смеси веществ. Например, при обнаружении в питьевой воде нескольких химических соединений, относящихся к 1 и 2 классам опасности и нормируемых по одному и тому же признаку вредности, необходимо определить сумму отношений фактических концентраций C каждого из них к величине его ПДК. В результате эта сумма не должна превышать по общепринятой методике:

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.

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.

Рыбохозяйственные ПДК должны удовлетворять ряду условий, при которых не должны наблюдаться:

· 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.

Другим, более ценным с точки зрения защиты внутриводоемной среды, является общеэкологический подход к нормированию качества.

В связи с этим следует отметить, что система критериев ПДК длительное время подвергается в целом аргументированной критике, так как давно наметилась тенденция к оценке состояния водных объектов не с точки зрения потребностей конкретного природопользователя, а с точки зрения сохранения структуры и функциональных особенностей всей экосистемы в целом. Основные претензии к действующей системе ПДК сводится к следующему:

Концентрация веществ в воде не отражает токсикологическую нагрузку на экосистему, так как не учитывает процессы аккумуляции веществ в биологических объектах и донных отложениях, т.е. не учитывается предыстория, связанная с накоплением в водной среде загрязняющих веществ.

Видовая приспособляемость водных животных зависит не столько от специфики механизмов действия ядов, сколько от уровня организации организма и от его отношения к общему фону загрязнения, обусловленному соответствующими механизмами адаптации, сформировавшимися в результате длительного эволюционного процесса.

ПДК не учитывают специфику функционирования водных экосистем в различных природно-климатических зонах (широтная и вертикальная зональность) и биогеохимических провинциях (естественные геохимические аномалии с различным уровнем содержания природных соединений).

Не учитываются эффекты синергизма, антагонизма, суммации.

Не решена проблема нормы и патологии в водной токсикологии, в частности не принимается во внимание принцип эмерджентности, т.е. качественного своеобразия функционирования и устойчивости биосистем на разных уровнях их организации (от молекулярного до экосистемного).

При обосновании ПДК не учитывается разный трофический статус экосистем, сезонные особенности природных факторов, на фоне которых проявляется токсичность загрязняющих веществ.

Таким образом, основными задачами экологического нормирования и водной токсикологии должны стать:

оценка влияния токсических веществ не только на отдельные организмы, но и на надорганизменные системы (популяции и сообщества), которым свойственны специфические реакции на антропогенные факторы;

составление приоритетного списка веществ, на которые живые организмы реагируют наиболее активно, с учетом как их количества и степени токсичности, так и трансформации в водной экосистеме.

В качестве основных гидрохимических показателей оценки состояния поверхностных вод выбираются, в первую очередь, токсичные, приоритетные загрязняющие вещества, в том числе обладающие кумулятивными свойствами накапливаться в органах и тканях гидробионтов. Для совокупной оценки опасных уровней загрязнения водных объектов при выделении зон чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия предлагается использовать формализованный суммарный показатель химического загрязнения. Предполагается, что этот показатель особенно важен для территорий, где загрязнение химическими веществами наблюдается сразу по нескольким веществам, каждый из которых многократно превышает допустимый уровень ПДК. В дополнительные показатели включены некоторые общепринятые физико-химические параметры, дающие общее представление о составе и качестве вод. Для характеристики процессов, происходящих в водных объектах, приводятся также коэффициенты, учитывающие способность загрязняющих веществ накапливаться в донных отложениях (КДА) и гидробионтах (Кн).

Коэффициент донной аккумуляции (КДА) определяется как отношение концентрации веществ (документ не определяет, каких именно) в донных отложениях С_до к концентрации тех же веществ в воде С_вода.:

КДА = С_до / С_вода.

Коэффициент накопления в гидробионтах (Кн) определяется как отношение концентрации веществ в гидробионтах С_{гидробионт} к концентрации тех же веществ в воде С_вода.:

КДА = С_{гидробионт} / С_вода

Само по себе санитарно-гигиеническое нормирование не предполагает выделение классов качества воды и водоемов, вернее, предполагается только два класса качества: с соблюдением гигиенических нормативов ("норма") и с нарушением нормативов ("патология"). Однако, на практике применяются комплексные подходы к оценке качества воды, в первую очередь такие, как индексы загрязнения и классификации качества вод [по Протасову В.Ф.].

Одним из таких общеизвестных индексов является гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ). ИЗВ установлен Госкомгидрометом СССР и относится к категории показателей, наиболее часто используемых для оценки качества водных объектов (впрочем, необходимость его применения не подтверждается). Этот индекс является типичным коэффициентом и представляет собой среднюю долю превышения ПДК по строго лимитированному числу индивидуальных ингредиентов:

,

где: C_i - концентрация компонента (в ряде случаев - значение физико-химического параметра); n - число показателей, используемых для расчета индекса, n = 6; ПДК_i - установленная величина норматива для соответствующего типа водного объекта (по методике, применяемый в Департаменте по гидрометеорологии Министерства природных ресурсов, используются следующие показатели: содержание растворенного кислорода, аммонийного азота, нитритного азота, нефтепродуктов, летучих фенолов, величина БПК₅.

При расчете индекса загрязнения вод для всего множества нормируемых компонентов, включая биологическое потребление кислорода БПК₅ и содержание растворенного кислорода, находят отношения C_i / ПДК_i фактических концентраций к ПДК и полученный список сортируют. Для определения соотношения содержания растворенного кислорода используют ОБРАТНОЕ соотношение! ИЗВ рассчитывают строго по шести показателям, имеющим наибольшие значения приведенных концентраций, независимо от того превышают они ПДК или нет.

При расчете ИЗВ для составляющих C_i / ПДК_i по неоднозначно нормируемым компонентам применяется ряд следующих условий:

для биологического потребления кислорода БПК₅ (ПДК - не более 3 мг O₂/дм³ для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мг O₂/дм³ для водоемов хозяйственно-бытового и культурного водопользования) устанавливаются специальные значения нормативов, зависящие от самого значения БПК₅ ;

концентрация растворенного кислорода нормируется с точностью до наоборот: его содержание в пробе не должно быть ниже 4 мг/дм³ , поэтому для каждого диапазона концентраций компонента устанавливаются специальные значения слагаемых C_i/ПДК_i:

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (табл. 9.1). Устанавливается требование, чтобы индексы загрязнения воды сравнивались для водных объектов одной биогеохимической провинции и сходного типа, для одного и того же водотока, а также с учетом фактической водности текущего года.

Таблица 9.1.

Классы качества вод в зависимости от значения индекса загрязнения воды

Системы классификации качества воды. Рассмотрим две из них, наиболее известные и часто применяемые на практике.

Система классификации качества воды по А.А. Былинкиной и С.М. Драчеву. Эта классификация впервые заложила основы шестибалльной шкалы классификации водоемов. Оценка качества воды осуществляется с использованием следующих показателей:

химические показатели состояния водоемов (табл. 9.2);

бактериологические и гидробиологические показатели (табл. 9.3);

показатели состояния водоемов по физическим и органолептическим свойствам (табл. 9.4).

Таблица 9.3

Бактериологические и гидробиологические показатели

Примечание: Биологический показатель загрязнения (БПЗ) или индекс Хорасавы, принятый в международном стандарте качества питьевой воды (1958 г.), представляет собой отношение количества одноклеточных организмов, не содержащих хлорофилла (В), к общему количеству организмов, включая содержащие хлорофилл (А), выраженное в % [Руководство по методам.., 1983] :

Таблица 9.2

Химические показатели состояния водоемов

Примечание: Окисляемость относится к рекам с цветностью воды не более 30^о

Таблица 9.4

Показатели состояния водоемов по физическим и органолептическим свойствам

В качестве главных показателей рекомендуется взять пять следующих: титр кишечной палочки, запах, БПК₅, азот аммонийный и внешний вид водоема у места взятия проб (по степени загрязнения нефтью). Весьма важным показателем санитарного состояния водоемов является также содержание токсических веществ, в том числе, радиоактивных. «В качестве показателя степени загрязнения водоемов по содержанию токсических веществ можно принять отношение количества токсических веществ, найденных аналитически, к допустимым концентрациям, согласно существующим нормативам. В отношении содержания радиоактивных веществ показателем может быть взята суммарная -активность, поскольку в отношении данного определения имеется наибольшее количество аналитических материалов» [Драчев, 1964].

Каждому из показателей придается приоритет - цифровое значение, соответствующее важности и значимости данного фактора. Если по различным показателям классификация водоема выполняется неоднозначно, то необходимо рассчитать общий показатель загрязнения путем усреднения числовых значений условных приоритетов. Коэффициенты для подсчета общего показателя и группировка водоемов по сумме признаков приведены в табл. 9.5.

Таблица 9.5

Система коэффициентов для выведения общего значения показателя

Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши Жукинского А.П. Одной из первых попыток создания глобальных классификаций, построенных по экосистемному принципу, когда в классификационный рубрикатор включаются как гидрофизические и гидрохимические показатели (абиотическая составляющая), так и характеристики гидробионтов (биологическая составляющая экосистем), стала разработка Института гидробиологии АН УССР. В преамбуле указывается на следующее: «чтобы проследить и уяснить сущность и степень происходящих экологических изменений водных экосистем, необходимо иметь единую достаточно репрезентативную классификацию качества воды, охватывающую большинство компонентов водной экосистемы».

Схема общей иерархии показателей (строк) и градаций (столбцов) разработанной системы классификации представлена в таблице 9.6. В сущности, авторы предложили не единую классификацию, а три самостоятельных классификации: единую пятиклассно-девятиразрядную классификацию С для трех групп "экологических" показателей и две классификации А и B по минеральному составу воды, не совместимые ни с первой, ни друг с другом.

Таблица 9.6

Схема комплексной экологической классификации по О.П. Оксиюк и В.Н. Жукинскому

Основная классификация качества воды по остальным трем группам показателей основана на девяти разрядах, которые агрегируются в пять классов, что "более привычно и близко к европейским стандартам" [Унифицированные методы.., 1977].

Глава 10. Общие и суммарные показатели качества вод

10.1 Физические свойства воды

Плотность и удельный объем. Под плотностью воды понимается отношение ее массы m к объему V, занимаемому ею при данной температуре. За единицу плотности принята плотность дистиллированной воды при 4° С. Плотность воды зависит от ее температуры, минерализации, давления, количества взвешенных частиц и растворенных газов.

Изменение плотности воды оказывает существенное влияние на режим водоемов, вызывая конвекционные токи и течения, стремящиеся выровнять возникшую неравномерность в распределении плотности.

Теплоемкость и теплопроводность. Количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1°С, называется удельной теплоемкостью. В гидрологии теплоемкость обычно выражается в кал/(г*град). Вода характеризуется наибольшей теплоемкостью по сравнению с другими жидкими и твердыми веществами, за исключением водорода и аммиака. Благодаря большой теплоемкости воды суточные и сезонные изменения ее температуры оказываются менее значительными, чем изменение температуры воздуха, удельная теплоемкость которого в 4 раза меньше, чем теплоемкость воды.

10.2. Общие химические показатели качества вод

Минерализация. Суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ; обычно выражается в мг/дм³ (до 1000 мг/дм³) и % (промилле или тысячная доля при минерализации более 1000 мг/дм³).

Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах (табл. 10.1). Большинство рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Их удельная электропроводность варьирует от 30 мкСм/см до 1500 мкСм/см. Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40-50 мг/дм³ до 650 г/кг (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводность атмосферных осадков (с минерализацией от 3 до 60 мг/дм³) составляет величины 20-120 мкСм/см.

Таблица 10.1

Классификация природных вод по минерализации

В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды суммарная минерализация не должна превышать величины 1000 мг/дм³. По согласованию с органами департамента санэпиднадзора для водопровода, подающего воду без соответствующей обработки (например, из артезианских скважин), допускается увеличение минерализации до 1500 мг/дм³).

Электропроводность. Электропроводность - это численное выражение способности водного раствора проводить электрический ток. Электрическая проводимость природной воды зависит в основном от концентрации растворенных минеральных солей и температуры. Природные воды представляют в основном смешанные растворы сильных электролитов. Минеральную часть воды составляют ионы Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-. Этими ионами и обуславливается электропроводность природных вод. Присутствие других ионов, например Fe³⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Al³⁺, NO₃^-, HPO₄^2-, H₂PO₄^-, не сильно влияет на электропроводность, если эти ионы не содержатся в воде в значительных количествах (например, ниже выпусков производственных или хозяйственно-бытовых сточных вод). По значениям электропроводности природной воды можно приближенно судить о минерализации воды с помощью предварительно установленных зависимостей.