Тема: Анализ и прогноз качества водных ресурсов. Система наблюдения и контроля качества поверхностных вод

1. Методы количественной оценки качества воды в условиях сброса сточных вод

2. Организация геоэкологического мониторинга за качеством поверхностных водотоков

3. Модели оценки и прогноза качества воды поверхностных водотоков

 

1 Методы количественной оценки качества воды в условиях сброса сточных вод.Внашей стране нормирование качества воды водоемов осуществляется в соответствии с «Прави­лами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами». В «Правилах» определены тре­бования к составу и свойствам воды используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения и культурно-бытовых нужд населения, а также для рыбохозяйственных целей. В случаях одновременного использования водоемов для различных нужд народного хозяйства следует исходить из бо­лее жестких требований в ряду одноименных нормативов качества воды.

Количественная оценка изменений качества воды в водном объекте при сбросе в него сточных вод, выбор места сброса, определение требуемой степени очистки сточных вод и др. производится методами, базирующимися на уравнении турбулент­ной диффузии и учитывающими показатели качества воды. Расчетная концентрация в контрольном створе сравнивается с ПДК для оценки возможности или невозможности сброса про­мышленных стоков в данный водный объект. Предельно допустимые концентрации ядовитых веществ уста­навливаются санитарными врачами и биологами и утверждаются высшими инстанциями.

Качество воды — явление многофакторное и должно изучаться с различных позиций. Одним из важнейших факторов является водный режим рек, его изменение во времени и по территории и связанные с этим изменения химического состава поверхностных вод, что в свою очередь влияет на биологический режим водотоков. Водность рек в маловодный период лимитирует не только ко­личество воды, возможное для использования в хозяйственных целях, но и ограничивает сброс в реки сточных вод, даже условно чистых, поскольку способности водотоков в отношении разбавле­ния этих вод и самоочищения являются наименьшими в маловод­ный период. Поэтому при оценке разбавляющей способности реки за расчетный обычно принимается минимальный расход воды 95 %-ной обеспеченности, как соответствующий наихудшим усло­виям для формирования качества воды.

Чем лучше перемешивание вод, тем интенсивнее происходит разбавле­ние сточных вод и самоочищение водотока. Наиболее хорошее перемешивание вод наблюдается на горных реках, а самое слабое перемешивание — на малых равнинных реках. Внутренний водообмен обусловливается турбулентностью и кон­вективными процессами, которые связаны с глубиной и площадью водоема. Чем больше и глубже озеро, тем лучше перемешивание вод. Наиболее интенсивно оно происходит в глубоководных и силь­нопроточных водоемах.

Пригодность воды для удовлетворения нужд народного хозяй­ства устанавливается путем оценки ее химических, физических и биологических показателей. Из гидрохимических характеристик наиболее яркими являются такие, как минерализация, ионный состав и количество органических веществ. Естественно, что эти показатели не всегда являются достаточными, поскольку требования к качеству воды определяются видом водопользо­вания. О качестве воды можно судить и по гидробиологическим признакам: на основании данных о видовом составе гидробионтов с учетом количества присутствую­щих в воде органических и токсичных веществ.

Химические ингредиенты, находящиеся в речных водах, явля­ются столь же случайными и независимыми величинами в много­летнем разрезе, как и сток рек, поскольку их изменение во вре­мени зависит от большого числа факторов случайного характера. Поэтому для анализа распределения во времени этих характери­стик с не меньшим основанием, чем для стока воды, могут быть использованы вероятностно-статистические методы.При построении эмпирических кривых обеспеченности целесо­образно учитывать соотношение расходов воды и числа ингреди­ентов в рассматриваемую фазу стока. Так, обычно наименьшему расходу воды в реке соответствует ее наибольшая минерализация.

В загрязненных водных объектах происходит ряд физико-хими­ческих и других процессов, ведущих к восстановлению естествен­ного состояния его вод, т. е. происходит самоочищение водных масс. Среди процессов самоочищения основную роль играют про­цессы разбавления и трансформации загрязняющих веществ.

Применяемые в настоящее время ме­тоды прогнозирования качества воды делятся на два вида: осно­ванные на предположении о сохранении во времени тенденции развития процессов, происходящих в водных объектах в период их изучения (методы экстраполяции или определения трендов), и базирующиеся на математическом описании или физическом изу­чении гидродинамических, физико-химических и других процессов, протекающих в водоеме или водотоке (математическое или физическое моделирование).

 

2 Организация геоэкологического мониторинга за качеством поверхностных водотоков.Контроль за уровнем, загрязнении вод суши является частью сис­темы комплексного геоэкологического мониторинга и в то же время входит в систему государственного учета вод в рамках водного ка­дастра. Основная цель наблюдений заключается в получении информа­ции о качестве вод, необходимой для проведения мероприятий по охране и рациональному использованию водных ресурсов. В связи о этим решаются следующие задачи: а) наблю­дения и контроль за уровнем загрязнения водоемов по физическим, химическим и гидробиологическим показателям; б) изучение динамики загрязняющих веществ с целью составления прогнозов загрязнения водоемов; в) выявление закономерностей процессов самоочищения и накопления загрязняющих веществ в донных отложениях; г) изучение закономерностей выноса загрязнений через устья рек с целью опре­деления их баланса в водоемах.

Для решения этих задач организуются систематические наблюде­ния за загрязнением поверхностных вод как в местах, подверженных влиянию хозяйственной деятельности человека, так и в районах ми­нимального загрязнения (фоновый контроль).

Посты наблюдений и контроля на реках, озерах и водохранилищах обычно приурочены к зонам сброса сточных вод. Основными объектами при выборе постов являются места сброса сточных и ливневых вод го­родов и крупных населенных пунктов, места сброса сточных вод от­дельными крупными предприятиями и подогретых вод от крупных ТЭС и АЭС, места сброса коллекторно-дренажных вод с мелиоративных зе­мель, крупные нерестилища рыб, приплотинные и устьевые участки рек, замыкающие створы больших и средних речных бассейнов.

Размещение створов на объектах наблюдения и расстояние между ними определяется в соответствии с действующими правилами охраны поверхностных вод от загрязнения. В каждом пункте должно быть вы­делено не менее двух-трех створов: один створ выше источника за­грязнения (для характеристики фонового состояния объекта относительно данного пункта) и один-два створа шоке источника загряз­нения.

Перечень наблюдаемых ингредиентов зависит я первую очередь от состава и объема сточных вод, их токсичности и требований, предъявляемых со стороны потребителей воды. Однако ряд показателей, характеризующих общие требования к качеству воды, определяются в обязательном порядке. К ним относятся: температура воды, взвешен­ные вещества, рН, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода за пентаду (БПК5), запахи, главные ионы, биогенные компоненты и такие распространенные загрязнители, как нефтепродук­ты, фенолы, пестицида, соединения тяжелых металлов, радионукли­ды (в районах размещения АЭС).

В последние годы для выявления экологического состояния по­верхностных водоемов широко попользуются гидробиологические ин­дикаторы.

 

3 Модели оценки и прогноза качества воды поверхностных водотоков.Программа "РЕКА" позволяет произвести расчет концентраций загрязняющих веществ вдоль заданного водотока с учетом заданных источников сброса, притоков, фоновых значений и гидроло­гических характеристик рек.

Расчетные условия для определения качества воды включают гид­рографические и морфометрические характеристики рек, расчетные гидрологические, гидравлические и гидрохимические характеристики речных стоков в контрольных и расчетных (фоновых, устьевых и т.п.) створах, характеристики самоочищения рек.

Расходы сбрасываемых сточных вод, их состав определены из данных 2ТП Водхоз фондов Министерства экологии и природопользова­ния Республики Мордовия. Расходы рек использованы из справочных данных по минимальным среднемесячным расходам в меженный период 95%-ой обеспеченности. Скорости течений рек в фарватере и рассто­яния до створов по фарватеру определены по топографическим картам масштаба 1:25000. Коэфициенты неконсервативности для рассматриваемых рек приняты по справочной литературе.

Для формирования модели реки водоток разбивается на секции с постоянным расходом, в пределах которых все параметры модели мож­но принять постоянными, границы секций совмещаются с местами сброса сточных вод, водозаборами, устьями притоков, створами, в которых контролируется качество воды и местами резкого изменения гидрометрических характеристик водотока.

Модель водного объекта имеет следующий вид

(*)

где К – множество номеров расчетных створов, в которых моделируется качество воды; Y_k – вектор показателей (концентраций веществ), характеризующих качество воды в створе k, г/м³; Y_k-1 – то же для предшествующего по течению створа k-1 (если (k-1) K, то створ k-1 является начальным створом (истоком) реки и Y _k-1 = (С_φ)_k1, где (С_φ)_k1 – вектор фоновых концентраций веществ в воде водотока в створе k-1, (г/м³); Y_ν – то же для створа ν, расположенного в устье притока, впадающего на участке (k,k-1); С_i – вектор максимальных среднечасовых концентраций веществ в сточных водах выпуска i, (г/м³); q_i- расход сточных вод выпуска i,(м³/с); Q_α – расход воды реки в расчетной секции α,(м³/с); α(i)- номер расчетной секции, в начале которой расположен выпуск сточных вод водопользователя i,(м³/с); V_k – множество номеров створов, расположенных в устьях притоков, впадающих на участке (k,k-1); I_k – множество номеров выпуска сточных вод, поступающих в водный объект на участке (k,k-1); A_k,k-1 , A_kv и B_ki - матрицы, характеризующие разбавление и трансформацию качества речных и сточных вод.

Модель водного объекта (*) предполагает полное и мгновенное смешение речных и сточных вод и предназначена для расчета водоохранных мероприятий на перспективу, когда учет степени смешения речных и сточных вод затрудняется из-за отсутствия исходных данных.