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

орошение, выпадение загрязненных атмосферных осадков и т. д .) .

Д ля количественной оценки влияния первой группы ф акторов до ­ статочно рассчитать параметры зон загрязнения и влияния, которы е бу­ дут формироваться в местах сброса сточных вод. С этой целью могут быть применены методы расчета разбавления сточных вод в водотоках и водоем ах, изложенные в настоящей монографии.

Оценка роли второй группы факторов требует учета большого числа взаимосвязей мелщу характеристиками качества воды , состоянием вод­ ного объекта и окружающей природной среды, а также с характером и интенсивностью антропогенной нагрузки.

Недостаточной разработанностью методов изучения и оценки влия­ ния антропогенных ф акторов на качество вод обусловлено отсутствие общепризнанной и достаточно апробированной методики составления прогноза качества воды водных объектов. В настоящее врем я сущест­ вует несколько подходов к прогнозированию качества вод : м етод ана­ логии, метод экспертных оценок, экстраполяционные методы , методы математического и физического моделирования. Н есколько условно к группе экстраполяционных методов можно отнести и весьма распрос­ траненный в практике прогнозирования метод материального баланса. При этом имеется в виду, что приходная часть баланса вклю чает при­ родные и антропогенные источники поступления в систему химических вещ еств, а в расходной части отображается ’’откли к ” системы, который экстраполируется на прогнозные условия. В некоторы х классифика* циях балансовый метод относят к математическому моделированию. Каждый из перечисленных подходов имеет свои преимущ ества и недо­ статки, обусловленные в основном составом и полнотой исходной ин­ формации и степенью сложности природно-технических систем, ф орми­ рующихся в пределах водосбора прогнозируемого водного объекта.

Наибольший интерес для перспективного прогнозирования представ­ ляет группа аналитических методов, включающая экстраполяционные методы и математические моделиДля э т х методов задача прогнози­ рования в общ ем виде может быть сформулирована следующим обра­ зом /62/:

	E ( t )
p w *	г	а ■* q o )
где P ( t)	—	входные регулируемые (задаваемые) воздействия, S ( t) -
структура		системы, E ( t) — нерегулируемые воздействия (пом ехи ):
Q (t) — вы ходны е переменные.

При составлении прогноза гидрохимического режима водны х объек­ тов под указанными параметрами понимается: P (t) - масса, поступив­ ших химических веществ, объем водного стока и т. п., S ( t) — гидроло- го-гидродин ами ческм е и морфологические характеристики объекта,

191

врем я водообм ена, константы процессов самоочищения; Q (t) — кон ­ центрации лимитирующ их или репрезентативных химических веществ в воде, донных отложениях, гидробионтах, показатели трофности и т. д.; E (t) -- температура воздуха, атмосферные осадки, подземный водо­ обмен и др.

Согласно современным представлениям, методические основы гид­ рохимического прогнозирования должны учитывать следующие прин­ ципы:

—целевой прийцип, ориентирующий прогноз на сохранение экологи ­ ческого равновесия или на удовлетворение потребности народного хо­ зяйства в воде требуемого качества;

—принцип комплексности, учитывающий взаимосвязи меж ду при­ родны ми и антропогенными факторами;

—принцип вариантности, определяющий необходимость разработки различных вариантов прогнозных оценок, исходя из разны х состояний внеш них условий (прогнозного фона) и внутреннего состояния водной системы.

Из группы аналитических методов для составления долгосрочных

прогнозов качества воды наиболее пригодным представляется балансо­

вый	м етод с использованием статистического анализа временны х ря­
дов	(ретроспективной и текущ ей инф ормации), для количественной

оценки составляющих баланса.

Информационная база, на основе которой можно вести прогнозиро­ вание балансовым м етодом , должна включать:

~ исходные данные о ретроспективном и современном гидрохими­ ческом режиме,

—данные о ретроспективном, современном и перспективном уровне развития и размещ ения производительных сил на водосборной площ ади;

—данные о ретроспективных, современных и перспективных объе­ мах водоотведения;

—проектны е данные о составе неочищенных и очищенных сточных

вод;

—сведения о сбросе химических веществ со всеми видами сточных

вод с учетом водоохранных мероприятий (ретроспектива, современное положение и перспектива);

—расчет водохозяйственного баланса на различные вариантные уровни хозяйственной деятельности и водоохранных мероприятий;

—оценку прогнозируемого изменения гидрологического режима водны х объектов на разные расчетные условия.

Вариантный подход должен применяться и при расчете перспектив­

ного поступления химических веществ с водосборной площ ади, свя­ занного с различными видами хозяйственной деятельности (мелиора­ ция, применение удобрений и т. д . ) . При этом расчеты выноса химичес­ ких веществ с водосбора, к а к и расчеты химического стока на различ­ ных участках рассматриваемого водного объекта, ведутся с использова-

192

кием расчетных расходов воды различной обеспеченности, что позво­ ляет учесть изменения антропогенной нагрузки в зависимости от водности года.

Выбор прогнозируемых показателей качества воды должен основы­ ваться на действующей в СССР системе нормирования качества поверх­ ностных вод по предельно допустимым концентрациям загрязняющих веществ. При этом по каждому ингредиенту следует ориентироваться на наиболее жесткие значения ПДК для санитарно-бытового и рыбохо­ зяйственного водопользования, а в будущем —и на экологические нор­ мативы, которые, вообще говоря, могут носить и региональный ха­ рактер.

Возможность учета при составлении прогноза процессов самоочище­ ния за счет разложения и трансформации загрязняющих веществ в вод­ ном объекте определяется наличием данных о кинетических констан­ тах соответствующих реакций. Пока такая информация имеется для ря­ да веществ на основании лабораторных экспериментов. В то же время известно, что при переходе к динамическим условиям водотоков и во­ доемов значения коэффициентов неконсервативности, особенно при из­ меняющейся температуре, могут сильно меняться. По-видимому, при прогнозирования гидрохимического режима водных объектов, находя­ щихся под интенсивным антропогенным воздействием, такие состав­ ляющие, как процесс самоочищения, надо рассматривать лишь как ре­ зерв к планируемым водоохранным мероприятиям.

9.4. Некоторые вопросы статистической оценки гидрохимического фока

Под гидрохимическим фоном водного объекта понимается совокуп­ ность характеристик качества воды, определяемых общими условиями формирования, присущими данному водному объекту и его водосбор­ ному бассейну. В зависимости от конкретных условий водопользова­ ния в бассейне и характера решаемой задачи целесообразно различать несколько видов фонового состояния объекта: фон естественный, из­ мененный или условный. Определения этих видов фонового состояния см. п. 1.6 .

Содержание химических веществ в любом фоновом створе не остает­ ся постоянным: оно испытывает как внутригодовые, так и многолетние (межгодовые) колебания, обусловленные временной изменчивостью природных процессов. Размах варьирования концентраций, определен­ ных в течение года или даже одного гидрологического сезона, может быть весьма значительным. В связи с этим возникает необходимость статистической оценки фоновых показателей качества воды. Такая оценка выполняется при наличии рядов систематических наблюдений в створах.

193

Предварительными условиями выполнения статистических расчетов являю тся вы бор репрезентативной длины ряда наблюденных значений рассматриваемого показателя качества воды и вы б раковка сомнитель­ ных данных. Д ля обеспечения однородности ряда необходимо, чтобы в выбранный период времени не происходило существенного изменения к ак водного режима изучаемого объекта (например, зарегулирования), так и режима сброса химических вещ еств выш е створа наблюдений. Не должно иметь место такж е изменение методики отбора н анализа проб воды в отношении рассматриваемого показателя. В ы браковка сомни­ тельных зйачений, появление которы х в ряду наблюдений обычно свя­ зано с грубы ми ош ибками при производстве наблюдений и обработке данных или с аварийными выбросами сточных вод, выполняется соглас­ но действующ им правилам оценки анормальности результатов наблю­ дений (ГОСТ 11,002—7 3 ).

Д ля оценки фонового значения показателя качества воды рассчиты­ ваю тся следующие характеристики:

а) среднее арифметическое значение концентрации (s) за рассматри­ ваемый период к ак характеристика устойчивого уровня содержания хи­ мического вещества в воде

п

) '

где Эф j	— j-e значение		концентрации в ф оновом		створе; п	- общее
число наблюденных значений концентрации (объем в ы б о р к и );
б)	среднее	квадратическое отклонение o ( s ^ )			(стандарт)	и коэф ф и­
циент вариации Су (8ф)			к ак показатели рассеяния членов ряда относи­
тельно среднеарифметического значения концентрации:
						(9.5)
M V	= ( ° V / SV		•	10°;		(9.6)
в )	ош ибка	среднего		арифметического ^ (s ^ )	к ак оценка его досто­
верности
°(« ф )	= Ф ф ) /	V » -				(9.7)

Доверительные границы для среднего значения фоновой концентра­ ции с учетом ош ибки среднего и заданной вероятности определяются по выражению

(9.8)

где Бф — среднеарифметическое среднее значение концентрации в фоно­ вом створе; t — коэффициентСтъю дента пои заданной вероятности р;

194

о (вф ) — среднее квадратическое отклонение.

Для фоновы х створов большинства рек и водоем ов сопоставление эмпирического и теоретического распределений концентраций показы ­ вает достаточно хорошее согласие распределения рядов данных с нор­ мальны м законом . П оэтому можно считать, что действительные значе­ ния концентрации химического вещ ества в ф оновом створе с вероят­ ностью 68 % находятся в интервале 8ф ± с, с вероятностью 95 % в ин­ тервале s . ± 2а, а вся амплитуда рассеяния нормально,распределенных величин с вероятностью 99,7 % находится в интервале ±3а Таким об­ разом , можно найти верхнюю границу фоновой гидрохимической ха­ рактеристики с заданной вероятностью по выражению

s .		= 8ф + ж ф ф),	(9.9)
		S ,
ф макс		ф
где и -	коэффициент, котором у придается численное значение от 0 до 3

в зависимости от желаемого уровня.значимости (или доверительной вероятности ).

При решении большинства задач, связанных с расчетами качества воды , можно считать вполне допустимым , если около 5 % наблюденных значений концентраций окаж ется вне доверительного интервала, что будет соответствовать 95 %-ной вероятности попадания возможного значенпя концентрации s ^b интервал о тв ф — 2 a ( s . ) д овф + 2 o ( s .) .

Определение верхней границы изменчивости фона представляет боль­ шой интерес д л я учета влияния хозяйственной деятельности на качест­ во вод. Наименьшее значение изменения концентрации вещ ества, вы з­ ванное сбросом сточных вод ниже фонового створа, может быть уста­ новлено по выражению

sH -	(в ф + и о )	>	0 ,	(9.10)
где sH -	концентрация в нижерасположенном створе.
При	наличии	в	ф оновом створе выраженных сезонных	изменений

показателей качества воды целесообразно выполнить группировку дан­ ны х наблюдений по основным гидрологическим сезонам и затем опре­ делить статистические характеристики для этих сезонов. Соответствен­ но средняя годовая фоновая концентрация рассчитывается к а к средне­ взвеш енная из сезонных значений. При необходимости определить фо­ новые концентрации в водотоках с учетом неблагоприятных расчетных гидрологических условий, за которые для незарегулированных рек обычно принимается минимальный средний месячный расход воды года 95 %-ной обеспеченности, согласно рекомендациям ГХИ, следует

учитывать наличие статистической связи типа	- s(Q ) и находить Эф
по формуле
3ф = 8ф +оГ8ф ) 10,95 V ( 1 - г2)/(п - Г),	(9.11)

195

где si —рассчитанная по уравнению регрессии средняя концентрация, соответствующая расчетному расходу воды; а(йф) - средняя квадра­ тическая погрешность определения; tQ95 — коэффициент Сгьюдента при Р = 0,95; г - коэффициент корреляции 8^ и Q; п - число значений,

взятых для определения г.

196

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ДОПУСТИМЫХ СБРОСОВ СТОЧНЫХ ВОД (ПДС)

ВРЕКИ, ОЗЕРА И ВОДОХРАНИЛИЩА

10.1.Постановка задачи

Общие вопросы нормирования сбросов загрязняющих веществ в окру­ жающую среду, главным образом в атмосферу, освещены с теорети­ ческих позиций в монографии Ю. А. Израэля /23/. Детально рассмотрев подходы к задаче экологического нормирования нагрузок на атмосфе­ ру и изложив концепцию мониторинга антропогенных изменений в био­ сфере, Израэль останавливается на одной из важнейших проблем сов­ ременной науки —проблеме регулирования природной среды. Он пере­ числяет возможные подходы к решению проблемы ограничения загряз­ нения среды. Важное место при этом отводится подходу к ограничению сбросов, основанному на требовании обязательного соблюдения нормы качества среды. Следующий подход ограничения выбросов, также, по существу, может быть сведен к требованию соблюдения определенных норм качества. Принцип экономического оптимума (третий подход к решению данной задачи) не исключает отрицательного воздействия на среду. Четвертый подход, называемый Израэлем наилучшим, формули­ руется как ограничения на базе результатов всестороннего анализа ок­ ружающей среды. Под последним надо понимать использование данных мониторинга. Израэль указывает, что четвертый подход является чрез­ вычайно сложным (с Чем вполне можно согласиться) и поэтому в на­ стоящее время не применяется. Основным оказывается использование первого подхода, полностью опирающегося на концепцию ПДК (пре­ дельно допустимой концентрации).

Действительно, конкретные мероприятия по регламентированию сбросов загрязняющих веществ, например в водные объекты, могут осуществляться на основе количественной оценки допустимого изме­ нения концентрации лимитирующих веществ в водных массах рассмат­ риваемого объекта или же на основе учета его самоочищающей способ­ ности. Последнее относится в основном к задачам о сбросе неконсер­ вативных веществ. Но и в этом случае требуется установление допусти­ мого предела изменения концентрации вносимого в водоем вещества, поскольку его трансформация или распад не может происходить мгно­ венно и некоторое его количество всегда будет накапливаться и сохра­ няться в водах водоема.

197

В работе канадских ученых, рассматривающих общие вопросы стра­ тегии охраны водных объектов от загрязнения сточными водами /106/, отмечается, что при разработке м ер охраны природных вод от загряз­ нения используются два подхода: применение критерия качества воды и установление нормы выброса. Последнее, к а к отмечалось выш е, даже

вотношении неконсервативных веществ практически может быть реа­ лизовано при тех или иных нормах изменения концентрации веществ

вводны х массах. Авторы упомянутой работы отмечают, что в США и Японии нормы вы бросов устанавливались без учета условий среды, в

которую производится сброс, что не обеспечивает требований ее, защ и­ ты от загрязнения. Во Франции, ФРГ, Великобритании и Нидерландах, к а к пиш ут авторы, принят критерий качества воды , соблюдение кото­ рого установлено законодательно.

К онкретны е предложения по нормированию сбросов сточных вод в очень крупны е водные объекты носят региональный характер. В этом отношении большой интерес представляют, например, разработки X . А. Вельнера /13/, В. К. Астока и др., направленные на оценку допус­ тимых сбросов загрязняю щ их вещ еств в Балтийское море.

При решении задачи о предельно допустимых сбросах (ПДС) в реки, озера и водохранилищ а авторы настоящей монографии основываются на концепции ПДК, которую , к ак и в цитированных выш е работах, сле­ дует считать наиболее реалистичной в настоящее время.

К ак известно, критерии П ДК разработаны для водных объектов х о ­ зяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования и особые ПДК — для водных, объектов рыбохозяйственного назначения. У казан­

ные П ДК	приведены в принятом в СССР нормативном документе:
’П равила	охраны поверхностных во д от загрязнения сточными вода­
м и ” /6 6 /.	Общих природоохранных и экологических П ДК в настоящее
врем я не	существует; исследования, направленные на их разработку,

только начаты. Впоследствии экологические ПДК могли бы быть ис­ пользованы в тех схемах оценки ПДС, которы е излагаются ниже.

Количественная оценка предельно допустимых сбросов сточных вод в реки, озера и водохранилища в настоящее врем я мож ет осуществ­ ляться лиш ь при учете вида водопользования, значимости водоем а к ак природного объекта, вида сточных вод, характера и размещ ения сброс­ ных сооружений и мест водопользования, а также особенностей гидро­ логического и гидродинамического режима водного объекта: их уровенного режима, морфометрии русла или соответственно котловины водоем а, скоростей и направлений течений, интенсивности турбулентно* го перемеш ивания и т. д. Есть много общего в постановке, а в ряде случаев и в решении задач о ПДС д л я водотоков (рек , ручьев, каналов) /35/ и водоем ов. Тем не менее следует учитывать, что определение ПДС для озер и водохранилищ представляется более сложным, чем для водотоков. Это обусловлено большей сложностью гидролого-гидроди- намического режима водоем ов по сравнению с водотоками.

198

Допустимость сброса сточных вод с определенным расходом и сос­ тавом , определенной концентрацией в них лимитирующих вещ еств ус­ танавливается на основе оценки условий водопользования и состояния загрязненности водного объекта.

При планировании сброса сточных вод в реки и водоем ы учитывают­ ся санитарные и рыбоохранные нормы, регламентирующие к а к кон ­ центрацию лимитирующих вещ еств в воде, гак и расстояния от места сброса сточных во д до створа водопользования. При хозяйственно-пи­ тьевом и культурно-бы товом водопользовании, согласно действующим норм ам , на контрольном расстоянии 1000 м (в реках - вверх по тече­ нию) от пункта водопользования состав и свойства воды должны удов­ летворять нормативным требованиям. Т аким образом , если на лими­ тирующем расстоянии хд от вы пуска сточных в о д по всем основным показателям достигается ПДК, то общее расстояние хоб!Д меж ду пунк­ тами сброса и водопользования определяется суммой x Q бщ = x„ + 1000, отсюда и находится лимитирующее расстояние х л = * общ — 1000.

В водны х объектах, используемых в рыбохозяйственных целях, сос­ тав и свойства воды в зависимости от требований рыбоохраны должны соответствовать норме в месте вы пуска или на расстоянии не более 500 м от вы пуска. Если вы полняется первое из этих условий, то х л = = 0. Во втором же случае х д < 500 м.

При промы ш ленном водоснабжении характеристики качества воды долж ны быть обеспечены в местах водозабора и определяются особыми ПДК, удовлетворяю щ ими данный вид производства. П оэтому если ли­ митирующие для данного вида производства вещества поступают в во­ доем со сточными водами, сбрасываемыми через организованный сброс, то расстояние между пунктами водозабора и сброса должно быть не больше х .

Выше уже отмечалось, что отсутсвие экологических ПДК в настоя­ щее врем я затрудняет решение задач, связанных с природоохранными мерами. О днако если специалистами соответствующих профилей будут установлены общие или даже какие-то региональные нормы концент­ рации лимитирующих веществ в воде, то конкретны е значения ПДС, по-видимому, можно будет получить на основе изложенной в настоя­ щей работе методики с использованием этих особых ПДК. Пути реш е­ ния задачи, вероятно, будут те же, что и для водоемов рыбохозяйствен­ ного назначения.

199

10.2.Нормирование сбросов в реки по концентрации

встворе достаточного перемешивания

10.2.1. Нормирование по одному лимитирующему веществу

Решение поставленной задачи вы полняется непосредственно на основа­ нии уравнений баланса вещ ества, записываемых для речного потока в целом.

Напомним эти уравнения, отвечающие определенным условиям во­ дозабора и сброса сточных во д водопользователем . Если водопользо­ ватель, сбрасывающий сточные воды в данную реку , берет воду из дру­ гого водного объекта, то уравнение баланса некоторого i-ro вещества записывается в виде

( 10.1)

Здесь, к а к и вы ш е, sn • — концентрация вещ ества в створе достаточного перемеш ивания; индексом ”е ” обозначены естественный расход реки

иестественная фоновая концентрация рассматриваемого вещества. Если водопользователь берет воду с выш ерасположенного участка

той же реки , в которую производит сброс сточных вод, а расходы во­ дозабора и сброса примерно равны (что обычно и имеет м есто ), то уравнение баланса вещ ества записывается в виде

( 10.2)

В наиболее часто встречающемся случае Qe > QCT, а уравнения (10.1) и (10.2) приводятся к одному виду

(10.3)

Решения задач о ПДС при этом оказы ваю тся наиболее простыми. Предельно допустимое (ПД ) состояние качества в о д по i-му лими­

тирующ ему вещ еству в створе достаточного перемеш ивания отвечает равенству

		(10.4)
Если через	выразить предельно допустимый секундный сброс
лимитирующего вещ ества (г/с или к г /с ) , т. е. принять
М Ш Д ,Sc t А	т ) П Д ’	(10.5)

200