Развитие теории и методов оценки загрязнения речных вод

Актуальность темы

.

Одним из ведущих направлений геоэкологии является изучение влияния антропогенных воздействий на природную среду и её компоненты. В большой степени это влияние сказывается на водных ресурсах, особенно в изменении их качественных характеристик вследствие загрязнения сточными водами и непосредственным поступлением загрязняющих веществ (ЗВ) в русла рек и водоёмов с территорий водосборных бассейнов.

Геоэкологические исследования по определению антропогенного влияния на качественные характеристики рек и озёр во многом опираются на имеющиеся ряды данных гидрохимических наблюдений. До 1989 г. эти данные, в том числе данные первичных наблюдений публиковались в полном объёме в ежеI годниках. С 1990 г. публикуются лишь сведения о средних годовых концентра- ^ циях ЗВ, рассчитанные по данным первичных наблюдений. Именно эта информация используется в настоящее время как для характеристики экологического состояния рек и водоёмов, так и для оценки динамики развития процессов их загрязнения во времени.

Однако, в последнее время выявился целый ряд фактов, которые ставят под вопрос надёжность и репрезентативность данных о средних годовых концентрациях ЗВ в реках. Так на основе анализа изменений средних годовых концентраций биогенных веществ по длине р. Нева были получены противоречивые результаты об изменении стока этих ЗВ по длине реки. Как было установлено, наибольшие значения стока биогенных веществ в р. Нева наблюдаются в её среднем течении при входе в Санкт-Петербург. По многолетним данным, вниз по течению, в пределах городской черты, поток биогенных веществ резко уменьшается на 30 — 40% [1]. «Очищающую» способность города не удалось объяснить ни физическими, ни биохимическими процессами.

В связи с этим возникла необходимость в проверке и уточнении методики оценки средних годовых концентраций ЗВ, и в частности, её соответствии особенностям данных гидрохимических наблюдений. Актуальность этой проблемы определяется тем, что именно от её решения во многом зависит обоснованность выводов и прогнозов относительно экологического состояния рек и водоёмов. Именно это определило направление и содержание данной работы.

Цель и задачи исследования

.

Цель работы заключается в усовершенствовании методов оценки загрязнения речных вод на основе учёта особенностей геоэкологической информации.

Для достижения поставленной цели автором решались следующие задачи: а) анализ современных методов оценки антропогенного влияния на речные экосистемы по литературным источникамб) анализ особенностей геоэкологической информации на примере временных рядов гидрохимических наблюдений на рекахв) разработка теоретических основ учёта водности при оценке степени загрязнения речных вод при наличии и отсутствии наблюдений за расходами водыг) разработка и апробация методики оценки влияния учёта водности рек на точность определения их средней годовой концентрациид) разработка и апробация методики оценки влияния числа измерений концентраций загрязняющих веществ в год на точность определения их средней годовой концентрациие) Разработка комплекса приёмов оценки гидрохимического баланса на участке реки в условиях высокой антропогенной нагрузки как интегрального метода контроля гидрохимической информации.

Научная новизна работы.

— на основе разработанной методики впервые показано, что неучёт водности рек при отборе проб для химического анализа приводит к большим погрешностям при оценке средних годовых концентраций загрязняющих веществ, сопоставимых в ряде случаев со значениями предельно допустимых концентраций, что существенно влияет на результаты оценки загрязнения речных вод;

— впервые предложена методика по учёту водности при расчётах средних годовых концентраций загрязняющих веществ для случая отсутствия наблюдений за расходами воды на данном пункте;

— доказано, что изменение числа проб для химического анализа в различные годы существенно влияет на результаты расчётов средних годовых концентраций загрязняющих веществ. При этом возможные погрешности за счёт уменьшения числа проб могут превышать значения предельно допустимых концентраций рассматриваемых элементов;

— впервые выполнен расчёт и анализ гидрохимического баланса для низовья р. Охта.

Практическое значение полученных результатов.

Разработанные методики позволяют оценить погрешности расчёта средних годовых концентраций загрязняющих веществ в реках, возникающих при * использовании принятых методов: без учёта водности во время отбора проб и при разном количестве измерений в год.

Рекомендации, приведённые в работе, позволяют снизить методические погрешности при обработке геоэкологической информации. Так, разработана методика по учёту водности при расчётах средних годовых концентраций загрязняющих веществ при отсутствии наблюдений за расходами воды на данной реке. Кроме того, разработаны рекомендации по учёту неоднородности рядов наблюдений по числу измерений концентраций загрязняющих веществ в год при оценке динамики загрязнения рек во времени.

Впервые рассчитан баланс тяжёлых металлов на участке р. Охта в черте г. Санкт-Петербурга. Оценён вынос тяжёлых металлов р. Охта в р. Нева.

6.5 Выводы.

В результате расчёта составляющих баланса ТМ для низовья р. Охта, увязки его составляющих и анализа полученных невязок был получен ряд выводов.

Основным предприятием-загрязнителем низовья р. Охта является ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга». Масса ТМ, сбрасываемая со сточными водами этого предприятия составляет 80% от общих сбросов в р. Охта. Так же к основным источникам загрязнения р. Охта ТМ нужно отнести поступление металлов с территории города с атмосферными осадками. Особенно велико содержание.

ТМ в снежном покрове. Во время снеготаяние вся масса металлов из снега поступает в водотоки города. Масса поступающих металлов в реки так велика, что, как правило, в апреле-мае наблюдаются максимальные годовые концентрации ТМ, не несмотря многократное увеличение водности рек во время весеннего половодья.

Составляющие баланса ТМ для низовья р. Охта, неплохо согласуются между собой, учитывая неоднородность загрязнения реки в пространстве и разное время отбора проб различными организациями.

Невязки балансов, рассчитанных по шести вариантам, как правило, не превышают 100% за многолетний период, что можно считать допустимым для расчётов по ТМ.

6.6 Рекомендации для более точного расчёта гидрохимического баланса ТМ в реках, подверженных высокой антропогенной нагрузке.

Для более точного учёта поступления ТМ с ливневыми стоками необходимы более частые измерения концентраций в паводок, так как во время снеготаяния в реку поступает большая масса ТМ, увеличивая верменную неравномерность поступления металлов. Связано это, во-первых, с тем, что в зимний период происходит накопление ТМ в снежном покрове, во-вторых, с тем, что весной, из-за промёрзлости почвы, коэффициент стока близок к единице и ТМ, содержащиеся в снеге, поступают в реку, практически не задерживаясь на водосборе. Масса ТМ, содержащаяся в снежном покрове не водосборе в момент снеготаяния, может быть сопоставима или даже превышать годовое поступление металлов с промышленными сбросами. Как было показано в главе 5. в весенний период, как правило, наблюдаются максимальные концентрации ТМ в реках Санкт-Петербурга. Таким образом, несмотря на многократное разбавление из-за значительного увеличения водности в период весеннего половодья, во время снеготаяния на реках города проходят максимальные концентрации ТМ.

Так же, при расчёте баланса часто возникает проблема расчёта расходов воды в приустьевой части рек, испытывающих подпор (р. Нева и так далее). Проведение дополнительных исследований в этой области позволило бы снизить погрешность расчёта оттока ЗВ через нижний створ.

Кроме того, в случае расчёта гидрохимического баланса на малых реках встаёт вопрос о перераспределении водности за счёт забора и сброса вод промышленными предприятиями. Из-за малой водности таких рек и высокой антропогенной нагрузки, перераспределение расходов воды по длине рек может быть весьма существенно. Как известно, для многих рек объёмы забранной воды превышают объёмы сбросов. Такая ситуация типична, но для каждого конкретного водотока она может меняться. Так, в случае р. Охта, водопользование объёмы сбросов превышают объёмы забранной воды. Таким образом, при расчёте гидрохимического баланса ЗВ для малых водотоков в условиях высокой антропогенной нагрузки, для более точного учёта водности, необходим анализ водохозяйственной деятельности на данной реке.

— В настоящее время при оценке экологического состояния водных объектов суши не учитываются особенности первичной геоэкологической информации. В частности не учитываются неоднородность измерений концентраций ЗВ по числу и фазам в разные годы, а так же зависимость концентраций ЗВ от водности рек.

— Доказано, что расчёт средних годовых концентраций ЗВ в речных водах как среднего арифметического по измеренным за год значениям основан на предположении о неизменности расходов воды в течении года, что не соответствует действительности.

— Разработана методика оценки влияния учёта водности рек на точность расчёта среднегодовых значений концентраций ЗВ. Погрешности расчёта средних годовых концентраций за счёт неучёта водности для р. Охта могут достигать 170% от концентраций, рассчитанных с учётом водности, для р. Великая они могут достигать 500%. По обоим водным объектам, погрешность за счёт неучёта водности в 5% случаев по модулю превышает 200%, в 20% случаевпревышает 90%.

— Для случая отсутствия наблюдений за речным стоком разработаны рекомендации по учёту водности на основе метода гидрологической аналогии. При отсутствии надёжного аналога приведены рекомендации по использованию метода типового гидрографа.

— Разработана и апробирована методика оценки влияния неоднородности рядов наблюдений за концентрациями ЗВ по числу измерений в год на расчёт средних годовых концентраций.

Диапазон экстремальных абсолютных погрешностей расчётов среднегодовой концентрации ТМ при 4 пробах в году по сравнению с 12 срочными измерениями составил от -68.1 до 65.0%. В 5% процентах случаев погрешность составила от 37 до 70% (для разных металлов), а в 20% случаев погрешность составила от 23 до 40%.

— Разработаны рекомендации по учёту неоднородности рядов наблюдений по числу измерений концентраций ЗВ в год при оценке динамики загрязнения рек во времени.

— Впервые для р. Охта был рассчитан гидрохимический баланс с учётом всех его составляющих, проведён сбор и обобщение данных различных организаций о компонентном составе вод р. Охта. Было оценено количество ТМ, ежегодно поступающих в р. Нева со стоком р. Охта за многолетний период. По данным СЗУГМС это поступление в среднем составляет для меди — 2,36 т/год, для железа 170 т/год, для свинца 2.23 т/год, для марганца 37 т/год и для никеля -3.52 т/год.

— В результате проведённых исследований была разработана методика расчёта гидрохимического баланса ТМ на участках рек, подверженных высокой антропогенной нагрузке. г.

5.7 Заключение и выводы.

Для оценки влияния неоднородности временных рядов наблюдений за концентрациями ТМ в реке Охта по числу измерений в год на оценку числовых характеристик среднегодовых и среднемноголетних концентраций разработана методика оценки влияния частоты определения концентрации в год на расчётную величину средних годовых концентраций. На основе этой методики и анализа внутригодового распределения измерений концентрации за многолетний период получены следующие выводы:

— Количество измерений концентраций ЗВ по рекам Санкт-Петербурга в многолетней перспективе менялось от 1 до 12 в год, что делает временные ряды средних годовых значений концентраций ЗВ неоднородными как по числу измерений, так и по их внутригодовому распределению.

— Внутригодовое распределение отбора проб воды влияет на результаты расчёта среднегодовой концентрации, так как уровень загрязнения рек, находящихся в условиях высокой антропогенной нагрузки, зависит от их гидрологического режима. Максимальные концентрации ТМ на реках города наблюдаются в период весеннего половодья и зимней межени. Минимальные концентрации ТМ наблюдаются в период осенних паводков. К сожалению именно эти периоды слабо освещены наблюдениями.

— Погрешности расчётов среднегодовой концентрации ТМ при сокращении числа проб в году от двенадцати до четырёх (S), в отдельные годы достигают значительных величин. Так, экстремальные абсолютные погрешности S, как отрицательные, так и положительные, для каждого металла практически всегда были выше 25%, а для всех металлов диапазон экстремальных погрешностей S составил от -68.1 до 65.0%.

— Для каждого металла значение погрешности д, вычисленное для разных опорных лет и осреднённое по одному эталонному году, может существенно меняться. Для всех металлов среднее значение погрешностей 8, в зависимости от выбора эталонного года, менялось от -60.5 до 42.0%, что в абсолютном зна.

3 3 чении составляет от -55.42 мкг/дм до 7.01 мкг/дм. В связи с тем, что значения погрешностей 8 зависят от того, по какому эталонному году они были рассчитаны, для более точной их оценки они были объединены в один ряд по каждому рассматриваемому металлу.

— Анализ построенных оптимальных кривых обеспеченности для обобщённых рядов погрешностей 8 показал, что для большинства металлов ряды погрешностей наилучшим образом описывает закон распределения Пирсона Ш-го типа. Лишь для ряда по железу оптимальным был признан закон распределения Гамбела.

— Погрешности 0.1% обеспеченности для рядов погрешностей, возникающей при сокращении числа проб в году, по всем металлам составляют от 30 до 135% (марганец и железо соответственно). Таким образом, при сокращении числа проб в году от 12 до 4 в одном случае из ста ошибка вычисления среднегодовой концентрации составит от 30 до 135%. В 5% случаев ошибка будет составлять от 20 до 49% (марганец и свинец соответственно). В 20% случаев ошибка составит от 9 до 29% (марганец и свинец). С вероятностью 25% будут получены отрицательные погрешности от -8 до -30% (железо и марганец). С вероятностью 10% ошибка составит от -23 до -53% (медь и марганец). И с вероятностью 5% будет получена ошибка от -24 до -70% (железо и марганец).

— Анализ влияния продолжительности ряда наблюдений на относительные погрешности расчёта среднегодовых концентраций ТМ (8) показал, что с увеличением числа проб в году значение 8 уменьшается. Для корректного вычисления погрешности за неучёт водности 8 необходимо не меньше пяти проб в году, так как две-четырые пробы за год не отражают в полной мере годовой диапазон водности и концентраций ТМ на реке. Так, по р. Охта, при пяти пробах в год, погрешность 8 составляет 40%. Далее, с увеличением числа проб значение 8 однозначно уменьшается и при девяти измерениях доходит до 5%. По р. Великая зависимость 8 от продолжительности ряда наблюдений прослеживается не так чётко, как по р. Охта. Но и здесь при пяти и более измерениях в году погрешность 8 меньше (?-5−15%), чем при двух-четырёх (8 -25%).

5.8 Рекомендации по снижению методической погрешности расчёта среднегодовых концентрации при меняющемся от года к году числе измерений.

На основе полученных в данной главе выводов были разработаны следующие рекомендации по снижению методической погрешности расчёта среднегодовых концентрации при меняющемся от года к году числе измерений. Так, при отборе проб воды для химического анализа менее 12 раз в год, целесообразно их назначение на характерные фазы водного режима, то есть необходимо строгое выполнение существующих программ по крайней мере для семисроч-ных наблюдений. При анализе многолетней динамики загрязнения рек, необходимо учитывать возможную неоднородность рядов концентраций ЗВ по количеству наблюдений в год. Учитывая большие погрешности расчёта средних годовых концентраций при изменении числа наблюдений, целесообразно помимо общепринятых расчётов среднегодовых концентраций по всем измеренным значениям, проводить анализ по среднегодовым концентрациям, рассчитанным по равному количеству измерений в год. В связи с тем, что изменение количества отбора проб для химического анализа можно считать сменой методики наблюдения за загрязнением рек, анализ тренда годовых концентраций ЗВ неправомерен без учёта методической погрешности.

6 Гидрохимический баланс низовья р. Охта.

6.1 Постановка задачи.

Контроль характеристик качества поверхностных вод представляет собой достаточно сложную процедуру. Связано это с тем, что водные объекты в условиях высокой антропогенной нагрузки, подвержены влиянию большого числа природных и антропогенных факторов, весьма изменчивых во времени [90, 91]. Кроме того, как было показано в главах 4 и 5, сами методы оценки качества поверхностных вод имеют серьёзные недостатки. Нельзя также не отметить и нарушения в процедуре отбора проб, то есть неточное следование принятым, методикам по месту и времени отбора (глава 1). Таким образом, существует вероятность появления погрешностей расчётов и определений ошибок на всех стадиях формирования гидрохимической информации, необходимой для оценки состояния рек. Учитывая перечисленные обстоятельства, для повышения надёжности гидрохимической информации необходим унифицированный контроль гидрохимических показателей качества природных и сточных вод. Одним из эффективных методов контроля информации о водопользовании является составление контрольного гидрохимического баланса [47, 74, 92, 93].

Целью исследований, результаты которых изложены в данной главе, является увязка составляющих баланса ТМ в воде на ограниченном участке реки. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи: а) выявить основные источники поступления загрязняющих веществ (на примере ТМ) в р. Охтаб) рассчитать составляющие баланса загрязняющих веществ на расчётном участке рекив) провести анализ невязки баланса ТМ на расчётном участкег) разработать рекомендации по усовершенствованию оценки гидрохимического состояния водного объекта в условиях высокой антропогенной нагрузки.

Отработка поставленных задач проводилась для нижнего участка р. Охта от плотины Охтинского водохранилища до устья, протяжённость которого составляет 9.3 км (см. рисунок 3.1). Именно на этом участке река испытывает максимальную антропогенную нагрузку.

6.2 Баланс тяжёлых металлов в низовье р. Охта.

Балансовые методы — совокупность приёмов, позволяющих исследовать и прогнозировать развитие природных объектов путём сопоставления прихода и расхода вещества, энергии и других потоков [3]. Согласно методическим указаниям по разработке схем комплексного использования и охраны водных ресурсов [75], баланс ЗВ на водохозяйственном участке можно записать следующим.

В+С-0+А=0, (6.1) поступление ЗВ на участок реки через верхний замыкающий створмасса сбросов ЗВ в пределах расчётного участка из всех источников загрязнениямасса стока ЗВ с участка через нижний замыкающий створневязка, отражающая суммарное воздействие погрешностей образом: где В.

С.

О.

А измерений и неучтенных источников ЗВ.

Оценивая отдельные составляющие баланса ТМ на определённом участке реки, необходимо принимать во внимание как общие закономерности поступления ЗВ от различных источников, так и особенности данного региона. Так, на режим поступления ЗВ могут повлиять как географические особенности местности (рельеф, климат, характер подстилающей поверхности), так и особенности антропогенной нагрузки на данный участок реки (место расположения выпусков, режим и количество сбросов и др.). Кроме того, необходимо учесть все источники информации о качестве вод и об антропогенной нагрузке для данного водотока.

Ниже приведены характеристики составляющих баланса ТМ для исследуемого участка на р. Охта.

6.3 Характеристика составляющих баланса тяжёлых металлов для исследуемого участка р. Охта.

6.3.1 Поступление тяжёлых металлов через верхний замыкающий створ

При расчёте гидрохимического баланса для низовья р. Охта поступление через вышележащий створ оценивалось как годовой поток ТМ через плотину Охтинского водохранилища по формуле:

В,=ах S, х Q. (6.2) где В, — годовой сток ТМ, выраженный в тоннах в год (т/год);

Sj — среднегодовое значение концентрации ТМ в /-ом году, выраженное в мг/дм3 или в мкг/ дм3;

Qi — среднегодовой расход воды в /-ом году в м /сi — порядковый номер года наблюденийа — переходный коэффициент размерностей.

При выражении Si в миллиграммах на дециметр кубический, а = 32.536, при выражении Si в микрограммах на дециметр кубический — а = 0.31 536.

Исходя из формулы (6.2), для оценки массы ТМ, поступающей через верхний створ, необходимо знать среднегодовые концентрации ТМ и среднегодовой расход воды в этом створе.

В указанный период наблюдения за концентрациями ТМ в верхнем створе низовья р. Охта производили три организации: СЭС, ОАО НИИ «Химволокно» и ОАО «Пластполимер» (см. рисунок 3.1). К сожалению, эти наблюдения проводились с разной частотой и не всегда совпадали по времени (таблица 6.1).