Караушев Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод

7.2.3. Показатель относительной эффективности гидрохимического процесса самоочищения

При поступлении в речной лоток неконсервативных загрязняющих ве­ ществ снижение их концентрации при удалении от места выпуска обус­ ловлено не только разбавлением, но и химическими процессами прев­ ращения веществ. Указанные превращения (как отмечалось выше) мо­ гут бьяь приближенно оценены с помощью коэффициента неконсерва­ тивности вещества к , который при распаде вещества является величи­ ной отрицательной. Случай положительного кн ниже не рассматривает­ ся, ограничимся случаем конечного размера зоны загрязнения.

Если взять всю зону загрязнения от пункта сброса сточных вод до ее конца, т. е. до изолинии s = ПДК, то общее снижение концентрации загрязняющего вещества в ней как за счет гидродинамических, так и за счет химических процессов, определится разностью

Дз = 8ст-ПДК.

(7.21)

Среднюю концентрацию в зоне загрязнения можно приближенно оце­ нить полусуммой sCT и ПДК. Снижение концентрации 6s рассматривае­ мого вещества в этой зоне за счет химических превращений приближен­ но можно выразить таким образом:

6s = - 0,5kH(scT + ПДК) tnjj(

(7.22)

где tnp — время прохождения водными массами зоны загрязнения (иначе эту величину можно назвать временем пребывания водных масс в зоне загрязнения).

Формула (7.22), как и формула (7.21), выражает снижение концен­ трации по длине зоны в положительных величинах, т. е. в абсолютных значениях снижения. В первом приближении время пребывания может быть вычислено так:

заг' ср.заг*	(7.23)

Здесь vcp заг выражает среднюю скорость течения в зоне загрязнения. Показателем относительной эффективности гидрохимического про­

цесса самоочищения будем называть величину

Е = 6s/As,	(7.24)
которая вычисляется по формуле
Е = - 0,5kH(8„ + ПДК) Ljar/ [(*„ - ПДК) V M r ] -	(7.25)

161

П оказатель Е может быть оценен лишь в тех случаях, когца имеются данные непосредственных гидрохимических измерений в зоне загряз­ нения или же расчет зоны загрязнения выполняется с учетом неконсерЕативности вещества. При вычислениях не следует упускать из виду необходимость задания численных значений vcp и к н в одной и той же системе единиц (например, | к н| = 1/с; l v cp| = м / с ) .

7.3. Показатели, учитывающие внешний водообмен озер и водохранилищ

7.3.1. Условный показатель внешнего водообмена

Условным показателем внешнего водообмена водоема является врем я Тусл, в течение которого произош ла бы замена водны х масс в водоеме, если бы воды притоков не смешивались с водами водоема, а вытеснили их к истоку реки, вытекающей из водоема. Очевидно, что при этом врем я замены водны х масс в водоеме выразилось бы соотношением

Т уел =W оз'/Vв	(7.26)
где WQ3 - объем водоем а;	VB — объем стока реки , вытекающ ей из во ­

доема за заданный интервал времени (год, месяц, сутки ). Величиной Тусл довольно часто пользуются в гидрологии, выражая ее в годах. Соответственно W03 должен представлять собой средний многолетний объем водоем а ( м 3) , а величина VB должна выражаться в м 3/год.

Если за счет сброса в водоем сточных вод, расход которы х QCT, за­ метно изм еняется водообмен этого водоем а, то необходимо вычислить измененное условное врем я внешнего водообмена

Туел .и эм

(7.27)

где VCT - обший сток сбрасывемых вод за рассматриваемый интервал времени (год, месяц и т. д.) .

Внешний водообмен в водоем ах осущ ествляется по достаточно слож­ ной схеме: происходит частичное (или полное) перемешивание вод при­ токов с водами водоема и вынос уже смеси вод. А. В. Караушев /34, 44/ составил уравнение водообмена проточного водоема, которое по­ казы вает, что при условии полного смешения водны х масс притоков и водоема за врем я Т усл из него выносится около 63 % водны х масс, находившихся в нем в момент начала отсчета времени. В этой же работе показано, что величина Tv;>1 может рассматриваться к ак параметр внешнего водообмена водоема» очень удобный для сравнительной

',62

оценки степени проточности озер и водохранилищ и выяснения условий накопления в них загрязняющих веществ.

7.3.2. Показатель относительного времени насыщения консервативным загрязняющим веществом до уровня ПДК

Этот показатель вычисляется в тех случаях, когда сброс сточных вод в проточный водоем приводит к весьма заметному загрязнению водоема и на определенном этапе общее его загрязнение начинает превышать норму. Используемый здесь способ оценки накопления загрязняющих веществ применим только к задаче о накоплении в водоеме консер­ вативного загрязняющего вещества. В принципе такой подход возмо­ жен и при изучении накопления неконсервативных веществ, но реше­ ние будет более сложным. Здзсь рассматривается лишь простейший случай.

Показатель относительного времени насыщения водоема консерва­ тивным загрязняющим веществом до уровня ПДК (УПд К) выражает­ ся следующим соотношением:

(7.28)

ГПДК - 1 п д к / т усл ’

где ^ д К — время, необходимое для насыщения водоема консерва­ тивным загрязняющим веществом до уровня ПДК (по средней концен­ трации в водоеме), измеряется в тех же единицах, что и Тусл (год, ме­ сяц, сутки).

В упоминавшейся работе /34/ показано, что процесс постепенного изменения концентраций загрязняющего вещества в водоеме, обуслов­ ленный спуском в водоем сточных вод, может быть представлен экс­ поненциальным уравнением, содержащим в виде аргумента время. На основании этого уравнения выводится выражение для % д К, которое имеет вид

% Д К = - Тусл1п( 1 - П Д К ^ ) .

(7.29)

Здесь s# - концентрация консервативного загрязняющего вещества в водоеме, отвечающая стабилизации состояния загрязненности водных масс водоема. Полная стабилизация достигается в течение достаточно длительного времени (t * 00) стационарного сброса стоков в водоем. Равенство (7.29) применяется лишь при s# > ПДК. Если же s* < ПДК, то общее загрязнение водоема произойти не может и уравнение (7.29)

теряет смысл.

Стабилизация загрязненности соответствует некоторому предельно­ му состоянию загрязненности водных масс, которое определяется

163

условием равенства поступления в водоем и выноса из него загрязняю ­ щего вещ ества. П олагая, что с другими притоками вещество в водоем не вносится и составляя баланс для консервативного загрязняющего вещ ества, получаем

S* = SCTQCT/QB,

(7.30)

где QB — средний за длительный период времени расход потока, вы те­ каю щ его из водоема.

Если определенное по формуле (7.30) значение S* оказы вается ме­

нее П ДК , то, очевидно, вычисления показателя тПд К	не требуется.
Если же в пределе получаем S* = ПДК, то врем я	и показатель

ГПДК получаются равными бесконечности. В этом частном случае надо пользоваться условием достижения 0,95 ПДК. Соответственно величи­ на 0,95 ПДК подставляется вместо ПДК в числитель второго члена уравнения (7 .2 9 ), стоящ его в скобках под знаком логарифма.

Д ля вычисления показателя т,Пд К используется формула
ГПДК = —2,3ig [! - ПДК • QB/(SCTQCT)],	(7.31)

вкоторой натуральный логарифм заменен десятичным.

Показатель гПд К применяется для сравнительной оценки допусти­ мого периода сброса сточных вод в проточные водоемы во всех тех слу­ чаях, когд а лимитирующей характеристикой является средняя концен­ трация консервативного загрязняю щ его вещества в водоеме или в вы ­ текающей из него реке. Разумеется, в этом водоеме в месте сброса сточ­ ных вод при SCT > ПДК будет образовы ваться зона загрязнения с кон ­ центрациями, превышающими ПДК.

7.4. Интегральные гидрологические показатели фоновой нагрузки потока лимитирующими или репрезентативными веществами

7.4.1. Показатели общей нагрузки ; превышения и непревышения фона над нормой

Интегральными гидрологическими показателями можно характеризо­ вать качество вод при всех указанны х в разделе 1 ф оновы х состояниях реки, именно при естественном фоне, измененном и условном.

Интегральные гидрологические показатели фоновой нагрузки пото­ ка устанавливаются на основании данных натурных гидрохимических измерений, проводимы х по расширенной программе, позволяющей

164

достаточно полно характеризовать хронологический ход изменения концентрации основных ингредиентов и вы явить репрезентативные для данного потока вещ ества, среди которы х могут быть и лимитирующие в отношении определенных видов водопользования. Параллельно с гидрохимическими наблюдениями должны проводиться гидрологичес­ кие работы в том же створе или же на другом , но репрезентативном створе, чтобы получаемые данные можно было распространить на створ гидрохимических измерений.

Рассматриваемые показатели в равной мере могут быть отнесены к естественному, измененному или условному фону.

Абсолютным показателем общей нагрузки потока является меняю­ щ аяся во времени средняя в поперечном сечении концентрация рассмат­ риваемого вещ ества, которую независимо от характера фона будем обозначать se .

Показатели превыш ения и непревышения фоновой концентрации над ПДК, выражаемые значениями обеспеченности стока загрязненной воды Рзаг и стока чистой воды Рч, вычисляются по данным непосредст­ венных измерений se таким же образом , к ак указано в п. 7.1.2, где рассмотрены показатели обеспеченности sn .

7.4,2. Показатели относительной продолжительности и объемов стока загрязненной и чистой воды (по фоновым характеристикам)

Применяемые здесь показатели относительной продолжительности т заг и гч вычисляются по схеме, приведенной в п. 7.1.3, но при использова­ нии данных непосредственных измерений фоновой концентрации se рассматриваемого ингредиента и сравнения ее значений с соответствую­ щей ПДК. Эти показатели используются для той же цели, что и анало­ гичные показатели, вычисляемые по sn для створа.

Показатели относительных объемов а заг и а ч в рассматриваемом случае вычисляются таким же образом , к а к указано в п. 7.1.3, на ос­ новании сведений о фоновой концентрации se, получаемой по данным гидрохимических измерений и сравниваемой с соответствующей ПДК. Их применение такое же, к ак и аналогичных показателей, рассмотрен-

н ы х в п. 7.1.3.

По найденным значениям т заг и	а заг могут быть построены диа­
граммы состояния загрязненности	реки. Д ля этого влево от нулевой

вертикальной оси откладываю тся значения т заг, а вправо а заг для раз­ личных ингредиентов. Части диаграммы , соответствующие т заг и а заг, для каж дого ингредиента обозначаются определенной ш триховкой. Ос­ тавш аяся незаштрихованной часть диаграммы соответствует значениям 7Ч и а ч (в сумме т заг и тч, так же как и а заг и а ч, составляют еди­ ницу).

165

Диаграммы вычерчиваются для конкретного периода (обычно для одного года) и характеризую т особенности загрязнения водотока в дан­ ном пункте (см . прилож ение).

Диаграммы состояния загрязненности, давая наглядное представле­ ние о ’’вкл ад е” отдельных химических веществ в общий уровень заг­ рязненности речного стока, могут быть полезны и при регулировании качества воды , а также при планировании водоохранных мероприятий,

вчастности способов и степени очистки вод, регулирования объемов сбросных вод с орош аемы х земель и т. д.

166

Q

ЛИМИТИРУЮЩИЕ И РЕПРЕЗЕНТАТИВНЫЕ ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

8.1. Принцип выбора показателей

Качество природных вод, т. е. степень их пригоцности для практическо­ го использования, в основном определяется составом и количеством растворенных и взвеш енны х вещ еств, микроорганизмов и гидробионтов. Соответственно этому оценка качества воды может производиться по химическим, физическим , бактериологическим и биологическим по­ казателям . Ниже рассматриваются вопросы , связанные с оценкой за­ грязненности воды химическими соединениями. Именно этот вид за­ грязненности водных объектов обычно вызывает наибольшие затруд­ нения в водопользовании и управлении качеством воды , поскольку удаление из воды растворенных в ней химических веществ является в экономическом и техническом отношении наиболее трудоемким и сложным процессом.

Требования, предъявляемы е к качеству водных ресурсов разными водопотребителями, различны и нередко противоречивы. Поэтому большое значение имеет нормирование качества воды . В настоящее вре­ м я общ епринятым является такой подход к нормированию , при кото­ ром устанавливаются требования не к составу самих сточных вод, а к качеству воды рек и водоем ов в местах водопользования.

До сих пор общегосударственные нормативы состава и свойств воды установлены для водных объектов питьевого, санитарно-бытового и рыбохозяйственного значения. Эти нормативы включают общие требо­ вания к качеству воды , состоящие из нескольких показателей физи­ ческого состояния, химического и бактериального состава (темпера­ тура, взвеш енные вещ ества, минерализация, водородный показатель, растворенный кислород, ВПК, хлориды , сульфаты, возбудители забо­ леваний и т. д . ) , и список предельно допустимых концентраций (ПДК) для вредных химических вещ еств. Этот список для водны х объектов санитарно-бытового водопользования включает около 650 химических соединений, а для объектов рыбохозяйственного значения —.около 180. Указанные списки постоянно обновляю тся и дополняются с тем, чтобы охватить едиными нормативами по возможности большее количество вещ еств, сбрасываемых в природные водные объекты .

При рассмотрении вопроса о гидрохимических показателях качества

167

воды необходимо использовать представление о лимитирующих и реп­ резентативных показателях качества воды.

Лимитирующие вещ ества — вещества, по содержанию которы х лими­ тируется качество воды водны х объектов в зависимости от вида водо­ пользования.

К лимитирую щ им вещ ествам (ингредиентам) при оценке качества поверхностны х вод следует относить все вещ ества, содержание кото ­ ры х в водны х.объектах нормируется в установленном порядке, т. е. для которы х определены ПДК. Лимитирующие вещества устанавлива­ ются применительно к конкретному виду водопользования. При вы бо­ ре лимитирую щ их веществ необходимо руководствоваться норматив­ ными значениями предельно допустимых концентраций вредных в е ­ щ еств, приведенных в прилож енияхк "П равиламохраны поверхностны х

вод от загрязнения” . Наличие загрязненности воды по лимитирующим вещ ествам устанавливается исходя из требований охраны водны х объектов, определяющих, что состав и свойства воды в пунктах хозяй­ ственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного водо­ пользования или на заданном расстоянии от них ни по одному из пока­ зателей не должны превышать соответствующие нормативные значе­ ния (П Д К ).

Необходимо учитывать, что все лимитирующие водопотребление в е ­ щества, для которы х установлены ПДК, делятся на три группы соот­ ветственно лимитирую щ им показателям вредности (ЛПВ) (см . л . 2.2). Пригодность воды для данного вида водопользования оценивается по наименьшему значению ПДК из получаемых по разным показателям вредности (органолептическому, общесанитарному, токсикологичес­ к о м у ). При наличии в воде нескольких веществ одной и той же груп­ пы по ЛПВ отсутствие загрязнения, к а к отмечалось выш е, определяет­ ся по условию

пS i

где S i — концентрация вещ ества в воде, п — число веществ одного ЛПВ. В условиях интенсивного антропогенного воздействия разнообразие состава промыш ленных сточных вод , сбрасываемых в водотоки и в о ­ доем ы , затрудняет получение полной и надежной информации об уров­

не загрязненности последних.

В связи с этим при использовании гидрохимического материала для интегральной оценки большое значение приобретает выделение ограни­ ченного числа репрезентативных показателей, с помощью которы х мож ­ но получить достаточно объективную характеристику качества воды , имеющую генетическую связь с источником загрязнения.

Интегральная оценка загрязненности предусматривает использование

168

гидрохимических показателей, характеризующих присутствие групп веществ как неорганического, так и органического характера. В пос­ леднем случае групповые репрезентативные показатели характеризуют соответствующие группы органических химических веществ (одного или нескольких классов), превалирующих в химическом составе сточ­ ных вод рассматриваемых производств, вместе с тем специфичных для фонового загрязнения водных объектов и наиболее токсичных для ус­ тановленных категории водопользования.

Наряду с установлением лимитирующих веществ представляет инте­ рес выделение репрезентативных показателей, помогающих выявлять загрязнение, обусловленное сбросом конкретных видов сточных вод (по их происхождению). Особенно важно это при расчетах и прогнозах уровня загрязнения водных объектов с использованием расчетных ме­ тодов и математических моделей.

Выбор гидрохимических показателей, репрезентативных для оценки изменения качества воды под влиянием антропогенных факторов по разработанной в ГГИ системе интегральных показателей (см. п. 2.4), является одним из сложных методических вопросов. При его решении необходимо учитывать различие между двумя основными типами за­ грязнения водных объектов: 1) загрязнение вызвано сосредоточенны­ ми сбросами сточных вод; 2) нарушение естественного качества вод в результате влияния мелких притоков загрязненных вод или выпадения загрязняющих веществ из атмосферы и вымывания их из различных слоев почвенно-грунтовой толщи водосбора.

В первом случае для выбора репрезентативных показателей необхо­ димо располагать данными о составе сточных вод, поступающих в водный объект.

Проработки по выбору репрезентативных показателей, выполненные на примере сточных вод ряда отраслей промышленности, показывают возможность реализации такого подхода. Например, для сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности можно выделить в качестве специфических ингредиентов лигнин (в форме лигносульфонатов или сульфатного лигнина) и группу сернистых органических соединений (диметилсульфид, метилмеркаптан и т. д.). Остальные компоненты не являются достаточно специфическими и в больших концентрациях мо­ гут поступать с бытовыми и другими видами сточных вод. Наряду с этим определенное значение в качестве индикационного признака мо­ гут иметь соотношения между значениями некоторых групповых по­ казателей, например между перманганатной окисляемостыо и ХПК, между ВПК и ХПК. Указанные соотношения для сточных вод разных типов колеблются в достаточно определенных интервалах, что позво­ ляет их использовать в качестве характерных коэффициентов. Анало­ гичный подход к выявлению репрезентативных показателей применим И к другим видам сточных вод.

Общие принципы выбора репрезентативных показателей, основанные

169

на учете состава сточных вод и трансформации загрязняю щ их вещ еств, можно сформулировать следующим образом : выбираемые из объема гидрохимической информации ингредиенты (показатели) долж ны от­ личаться специфичностью относительно состава сточных вод , преобла­ дающих в общ ем объеме сброса, максимальны м превыш ением содер­ жания над уровнем ПДК, наименьшей скоростью трансформации пос­ ле вы броса в водный объект.

В тех случаях, когда нарушение естественного качества воды не св я ­ зано с сосредоточенными вы пускам и сточных вод , а представляет собой результат влияния многочисленных м елких притоков загрязненных водны х масс или вы м ы вания загрязняю щ их веществ из различных слоев почво-грунтов водосборов, возникает задача оценки фоновой на­ грузки водного объекта загрязняю щ ими веществами.

Выбор гидрохимических показателей, репрезентативных для оценки фонового состояния воды , должен базироваться на данных натурных гидрохимических наблюдений, проводимы х на участках рек выш е го­ родов или местных сосредоточенных вы пусков сточных вод , и учиты­ вать наличие нормативных критериев качества воды , установленных

для различных видов водопользования.

Вперечень необходимых определений рекомендуется включить сле­ дующие гидрохимические показатели, обычно достаточно чутко реаги­ рующие на фоновое загрязнение: 1) бихроматная окисляемость, харак­

теризующ ая общее содержание растворенных органических веществ по химическому потреблению кислорода; 2) перманганатная окисляе­

мость, характеризую щ ая количество растворенных легкоокисляю щ их-
ся органических вещ еств;	3) БПК , позволяющ ее оценивать общее со­
держание органических	соединений, поддающихся биохимическому

окислению ; 4)	растворенный кислород; 5) поверхностно-активные
вещ ества (П А В );	6) ионы ам м ония; 7) фенолы ; 8) нефтепродукты ;

9) общ ая минерализация (сум м аионов,прокаленны й остаток).

Этот же перечень можно использовать и при оценке загрязненности за счет сосредоточенных сбросов сточных вод в тех случаях, когда от­ сутствует информация об их составе.

По данным о лимитирующ их и репрезентативных показателях, вхо­ дящ их в состав режимных сетевых гидрохимических наблюдений, мож ­ но получить такие важнейшие количественные характеристики степени загрязненности рек, к а к продолжительность периодов стока загрязнен­ ны х (или чистых) речных вод и их объемы — в долях от годового стока или непосредственно в м 3/год.

Наличие сведений о расходах и составе сточных вод 1IUJO •/ivT до­ полнительно рассчитать ряд интегральных показателей, характеризую ­ щ их общую нагрузку реки загрязняю щ ими вещ ествами, а именно sn

и <р (см . п. 7 .1 .1 ,7 .1 .6 ).

Количественная оценка уровня загрязненности речного стока по од­ ному гидрохимическому показателю (перманганатной окисляемости)

170