Бессточные водоемы Казахстана. Том 2. Качество воды. Глава 1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ (С. М. Романова, 2012)

В ходе исследований были использованы следующие материалы:

1) опубликованные материалы по рекам и озерам Прибалкашья и Приертисья в книгах «Ресурсы поверхностных вод СССР» (Центральный и Южный Казахстан), «Ежегодниках качества поверхностных вод и эффективности проведенных мероприятий по территории КазССР», «Государственном водном кадастре ЕДК поверхностных вод суши»;

2) проектно-изыскательские материалы отдела изысканий Новосибирского отделения «Теплоэлектропроекта» и ПО «Южтехэнерго»;

3) материалы полевых исследований (1985-1988 гг.) Института географии АН РК по Иле-Балкашскому бассейну; отчеты о НИР Института энергетики и Института зоологии АН РК по водохранилищам-охладителям ЭГРЭС-1, 2 (1980-1985 гг.).

В основу учебного пособия также положены многолетние систематические, комплексные, экспериментальные (в полевых и стационарных условиях) исследования автора на водоемах и водотоках Прибалкашья и Приертисья, которые проведены в соответствии с утвержденными и действующими наставлениями и инструкциями.

Применены следующие методики: экспедиционная и лабораторная (экспериментальная) – определение гидрохимических параметров в объектах; расчетно-аналитическая-статистическая обработка обширного материала по гидрохимии водоемов и водотоков (1941-2004 гг.). Комплексность проведенных исследований предусматривает использование специфических материалов по гидрохимии, гидробиологии, почвоведению, метеорологии, гидроэкологии водных объектов.

При рассмотрении пространственного распространения элементов химического состава в воде оз. Балкаш рекомендуем пользоваться гидрохимическим районированием акватории озера по М.Н. Тарасову [1]. Для выяснения вопроса, имеет ли место вертикальная стратификация компонентов химического состава, пробы воды отбирались в поверхностных (0,5 м) и придонных слоях.

Согласно рекомендациям Гидрохимического института Роскомгидромета определение неустойчивых компонентов воды (рН, НСО-, СО² , NO", NH4, окисляемость, О₂, СО₂) проводилось сразу после отбора проб, остальных – в лаборатории после консервирования соответствующими реагентами.

Для определения компонентов химического состава воды были применены общепринятые в гидрохимической практике методы. Проверка указанных методов показала, что процент ошибок не превышал допустимых значений их погрешности. Все пробы воды и почвы анализировались минимум в трех-четырехкратной повторности. Для получения достоверных выводов применялась математическая обработка.

Расчет компонентов карбонатно-кальциевого равновесия производили по методике и рекомендациям О.А. Алекина, Н.П. Моричевой [2] и автора [3] без учета образования ионных пар и комплексов.

Расчет показателя стабильности проводился согласно ГОСТ 3313-46:

где: рН_иссл – концентрация водородных ионов исследованной воды; рН_нас – концентрация водородных ионов, соответствующая предельному ее насыщению карбонатом кальция. При С_в = 1 вода считается стабильной; если С_в> 1 – вода пересыщена карбонатом кальция и способна к выделению солей жесткости; когда Св < 1 – вода ненасыщенна карбонатом кальция, коррозионная вследствие наличия в ней агрессивного СО₂ и способна к дополнительному растворению СаСО₃. Точность показателя стабильности достоверна с надежностью 95 % и оценена по нормальному закону с учетом накопления относительных ошибок.

Расчет предельно допустимой карбонатной жесткости проводился по формуле Г.Е. Крушеля [4]:

Ж_пред = 2,86 + ОК/8,4 – Ж_н к /(6-ОК/7) (при t °C = 40), где: Ж_пред – предельно допустимая карбонатная жесткость (ммоль/л экв.), Ж_нк – некарбонатная жесткость (ммоль/л экв.), ОК – окисляемость перманганатная (мгО/л), t °C – температура воды.

Метод комплексной оценки качества поверхностных вод , разработанный учеными КазНИИМОСК, Министерства Охраны Окружающей Среды под руководством академика М.Ж. Бурлибаева позволяет более точно, чем другие методы определить и классифицировать загрязненность вод по гидрохимическим показателям с учетом класса опасности ингредиентов. В связи с этим был использован расчет в виде программы «Fortran for MS DOS» [5]. По данной программе нами рассчитан ИЗВ оз. Балкаш за 1958, 1986, 1987, 2001 гг.

Метод комплексной оценки качества поверхностных вод сводится к определению индекса загрязненности вод (ИЗВ), более известного из гидрохимической практики, как определение кратности превышения фактической концентрации загрязняющего вещества собственной предельно допустимой концентрации с соответствующими дополнениями и уточнениями «Методических рекомендаций по формализованной комплексной оценке качества поверхностных и морских вод по гидрохимическим показателям (Роскомгидромет, Москва, 1988)».

Перечень загрязняющих веществ, по которым определяется КИЗВ, устанавливается РГП «Казгидромет» МООС РК, согласно международным правилам мониторинга окружающей среды и официально публикуемым в «Ежегодных данных о качестве поверхностных вод Республики Казахстан».

Весь перечень ингредиентов, по которым ведутся гидрохимические анализы, условно разделен на следующие группы:

– главные ионы (Ca, Mg, Na+K, SO4, Cl и др.);

– биогенные элементы (NH4, NO3, NO2, Pобщ, фосфаты, Si и др.);

– тяжелые металлы (Cu, Zn, Pb, Cd, Cr(3,6), Mn, Hg, Ni, Fe(2,3), Co, Mo, Bi и др.);

– ядовитые вещества (CN, CNS, F, H2S, As, нитробензол и др.);

– органические вещества (нефтепродукты, смолы, углеводы, жиры, фенолы, СПАВ и др.);

– хлорорганические пестициды, фосфорорганические пестициды, гербициды, зооциды и др.

Определение КИЗВ для каждой группы ингредиентов химического состава воды производится по формуле:

где: КИЗВj – индекс загрязненности вод j-й группы; С_i – i-я концентрация ингредиента из j-й группы, мг/л; ПДК_i – i-я предельно допустимая концентрация, соответствующая С_i, мг/л; n – количество ингредиентов из j-ой группы, участвующих в определении КИЗВ.

Полная формула применительно для групп главных ионов имеет вид:

КИЗВ_ги = (КИЗВ_Са + КИЗВ_Мg+ КИЗВNa+K+ КИЗВSO4 + КИЗВ_Сl)/n, где: КИЗВ_ги – средневзвешенный индекс загрязненности воды по группе главных ионов; КИЗВ_Са– индекс загрязненности воды по ионам кальция; КИЗВ_Мg – индекс загрязненности воды по ионам магния; КИЗВNa+K – индекс загрязненности воды по сумме ионов натрия и калия; КИЗВSO4 – индекс загрязненности воды по сульфатным ионам; КИЗВ_Сl – индекс загрязненности воды по хлоридным ионам; n – число ингредиентов, участвующих в определении группового КИЗВ, равное в данном случае 5.

Напомним, что для определения индивидуального КИЗВ используется соотношение, показывающее кратность превы-шения фактической концентрации ингредиента собственного ПДК, а именно:

КИЗВi = C_i/ПДКi где: КИЗВ_i – индивидуальный ИЗВ для конкретного ингредиента, мг/л; C_i – i-ая концентрация ингредиента, мг/л; ПДКi – i-я предельно допустимая концентрация, соответствующая i-му ингредиенту, мг/л.

Определение средневзвешенного КИЗВ для группы биогенных веществ производится по аналогии с КИЗВ главных ионов:

КИЗВ_БЭ = (КИЗВNH4 + КИЗВNO2 +КИЗВNO3 + КИЗВSi + КИЗВP)/ n.

После вычисления индексов загрязненности вод для всех 6-ти групп контролируемых загрязняющих веществ определяется комплексный индекс загрязненности вод по формуле:

КИЗВ = (КИЗВ1 + КИЗВ₂ …+ КИЗВj): n_j где: КИЗВ – комплексный индекс загрязненности вод в контролируемом створе водотока, являющийся интегральным показателем загрязнения вод;

n_j – число групп загрязняющих веществ.

При классификации водных объектов по степени загряз-ненности кроме общих и групповых индексов обязательно должны быть приведены данные по насыщению водного объекта растворенным кислородом и данные по расходу биохимического потребления кислорода на окисление органических веществ (таблица 1).

Особо следует отметить, что КИЗВ для условных групп определяются только с помощью ингредиентов, которые превышают собственные ПДК, потому как для ингредиентов не превышающих собственные ПДК, заранее причисляем их к не загрязняющим элементам.

Как видно из такого определения, оценка качества поверх-ностных вод действительно становится комплексной. Общий КИЗВ для отдельных условных групп может быть определен с помощью всех ингредиентов, входящих в эту группу, независимо от превышения или не превышения своих ПДК. Также не лишено смысла определение группового КИЗВ по ингредиентам превышающим свои ПДК. При такой постановке вопроса, получаемые КИЗВ приводят к двойному результату, то есть если в первом случае КИЗВ является средневзвешенным и нивелированным показателем загрязненности, то во втором случае КИЗВ будет действительным показателем загрязненности, учитывающим фактическое загрязнение.

Таблица 1

Классификация водных объектов по степени загрязнения по результатам КИЗВ

Для получения объективной оценки загрязненности водного объекта нами рассчитан КИЗВ для каждого месяца, периода половодья и паводков, летне-осенне-зимней межени и в годовом разрезе. При постоянстве количества групп условного объединения ингредиентов, число компонентов, участвующих в определении средневзвешенного группового ИЗВ, менялось, в зависимости от наличия данных гидрохимического анализа за рассматриваемый период. Кроме того, оценка качества воды для ирригационных целей произведена по методике и рекомендациям [6, 7].

Для расчета комплексного индекса загрязненности вод (КИЗВ) использованы данные химического состава воды реки Сырдарии в створе села Томенарык за декабрь 2000 г., выполненные Д.Ш. Жетписбай [8] и Ж.С. Мукатаевой [9]. Весь перечень загрязняющих веществ объединен в семь условных групп, вследствие чего начинаем вычислять КИЗВ каждой группы в отдельности (ГИ – главные ионы; БЭ – биогенные элементы; ТМ – тяжелые металлы; ЯВ – ядовитые вещества; ОВ – органические вещества;).

Исходные данные по группе главных ионов:

Первый этап . С_Са = 128,5 мг/л; СMg = 77,8 мг/л; СNa+K = 275,0 мг/л; СSO4 = 700,0 мг/л; С_Cl = 130,0 мг/л;

ПДКCa = 180,0 мг/л; ПДКMg = 40,0 мг/л; ПДКNa+K = 170,0 мг/л; ПДК SO4 = 100,0 мг/л; ПДК _Cl = 300,0 мг/л.

Соответственно, для каждого ингредиента из соотношения концентрации к предельно-допустимым концентрациям опреде-ляем индивидуальные индексы загрязненности вод:

ИЗВ_Ca= С_Са / ПДКCa = 128,5/180,0= 0,714;

ИЗВMg = СMg / ПДКMg = 77,8/40,0 = 1,945;

ИЗВNa+K = СNa+K / ПДКNa+K = 275,0 /170,0 = 1,618;

ИЗВ SO4 = С SO4 / ПДКSO4 = 700,0 /100,0 = 7,000;

ИЗВ C _l = С _Cl / ПДК _Cl = 130,0 /300,0 = 0,433; где: С_i – концентрация i-го ингредиента, мг/л; ПДКi – предельно-допустимая концентрация i-го ингредиента, мг/л.

Как видно из приведенных данных индивидуальных ИЗВ, загрязнение водотока ингредиентами группы главных ионов происходит за счет ионов магния, суммы натрия и калия и сульфатных ионов. Остальные главные ионы находятся в пределах установленных нормативов (ИЗВ меньше 1). Для опреджеления средневзвешенного месячного индекса загрязненности вод в расчет включаются сульфаты, сумма натрия и калия, магний из группы главных ионов, по которым найдены превышения ПДК:

КИЗВ_ГИ = (ИЗВMg + ИЗВNa+K + ИЗВ SO4) / n = =(1,945 + 1,618 + 7,000) /3 = 3,521, где: n – количество анализируемых компонентов из данной группы.

Загрязненность реки сульфатами настолько велика, что это непременно выразилось в средневзвешенной месячной величине индекса загрязненности воды из группы главных ионов.

Второй этап. Расчет индекса загрязненности воды по группе биогенных элементов ведется аналогично предыдущему расчету по главным ионам.

Исходные данные: СNH4 = 0,182 мгN/л; СNО2 = 0,114 мгN/л; СNО3 = 3,245 мгN/л; С_Р = 0,020 мг/л; C_Si = 14,9 мг/л;

ПДК NH4 = 0,39 мгN/л; ПДК NО2= 0,02 мгN/л; ПДК NО3 = 9,1 мгN/л; ПДК _Р = 0,06 мг/л; ПДК Si = 10,0 мг/л.

Соответственно, для каждого ингредиента из соотношения концентрации к предельно-допустимым концентрациям определяем индивидуальные индексы загрязненности вод:

ИЗВ NH4 = СNH4 / ПДК NH4 = 0,182 / 0,39 =0,467;

ИЗВ NО2 = СNО2 / ПДК NО2 = 0,114 /0,02 =5,700;

ИЗВ NО3 = СNО3 / ПДК NО3 = 3,245 / 9,1 = 0,357;

ИЗВ Р = С_Р / ПДК _Р = 0,020 / 0,06 = 0,333;

ИЗВ Si = C_Si / ПДК Si = 14,9 / 10,0 = 1,490; где: С_i – концентрация i-го ингредиента, мг/л; ПДКi – предельно-допустимая концентрация i-го ингредиента, мг/л.

Из полученных данных видно, что речная вода в створе Томепнарык загрязняется нитритными ионами и кремнием, кратность превышения над ПДК составляет, соответственно, 5,7 и 1,49 раз. Поэтому расчет средневзвешенного месячного индекса загрязненности воды из группы биогенных элементов включены эти компоненты, а именно:

КИЗВ_БЭ = (ИЗВ NО2 + ИЗВ Si) /n = (5,700 + 1,490) / 2 = 3,595, где: n – количество анализируемых компонентов из данной группы.

Третий этап – определение индивидуальных ИЗВ из группы тяжелых металлов при следующих исходных данных:

СFe = 0,236 мг/л; C_Mn = 3,0 мкг/л; СCu = 29,0 мкг/л; СZn = 1587 мкг/л; СCr(3) = 660 мкг/л; СMo =79,0 мкг/л; СAg = 1,5 мкг/л; СPb = 120,0 мкг/л; СCd = 0 мкг/л; С_Со= 0 мкг/л; СSn = 0 мкг/л; СNi =0 мкг/л.

Все элементы, концентрация которых равна нулю, выпадают из расчетного ряда. Поэтому в данном случае определение индивидуальных месячных величин ИЗВ будет вычисляться по элементам, концентрация которых не равна нулю. ПДКFe = 0,1 мг/л; ПДКMn = 10 мкг/л; ПДКCu = 1 мкг/л; ПДКZn = 10 мкг/л; ПДК₍Cr3) = 5 мкг/л; ПДКMo = 500 мкг/л; ПДКAg = 50 мкг/л; ПДКPb = 0,1 мг/л.

Определение индивидуальных ИЗВ:

ИЗВFe = СFe / ПДКFe = 0,236 / 0,1 = 0,024;

ИЗВMn = C_Mn / ПДКMn = 3,0 / 10 = 0,300;

ИЗВCu = СCu / ПДКCu = 29,0 / 1 = 29,000;

ИЗВZn = СZn / ПДКZn = 1587 / 10 = 158,7;

ИЗВ(Cr3) = СCr(3) / ПДК(Cr3) = 660 / 5 = 132,000;

ИЗВ Mo = СMo / ПДКMo = 79,0 / 500 =0,158;

ИЗВ Ag = СAg / ПДКAg = 1,5 / 50 = 0,030;

ИЗВPb = СPb / ПДКPb = 120,0 / 100 = 1,200. где: С_i – концентрация i-го ингредиента, мг/л; ПДКi – предельно-допустимая концентрация i-го ингредиента (железа, марганца, меди, цинка, хрома, молибдена, серебра, свинца), мг/л или мкг/л.

Результаты определения индивидуальных ИЗВ показывают, что превышения ПДК отмечаются в отношении меди, цинка, хрома (3) и свинца.

Средневзвешенный КИЗВ_ТМ = (ИЗВCu + ИЗВZn + ИЗВPb)/ 4 = (29,000 + 158,7 + 132,000 + 1,200) /4 = 80,225.

Соответственно, и в этом случае отмечается очень большая загрязненность речной воды группой ионов тяжелых металлов.

Четвертый этап . Аналогично предыдущим расчетам определяем индивидуальные ИЗВ для компонентов из группы ядовитых веществ.

Исходные концентрации: СF = 0, 95 мг/л; СCN = 0 мг/л; C_CNS = 0 мг/л; C_As = 0 мг/л.

Поскольку концентрации цианидных, роданидных ионов и ионоы мышьяка равны нулю, нас будет интересовать для расчета только концентрация фторидных ионов.

ПДКF = 0,75 мг/л.

ИЗВF = СF / ПДКF = 0,95 / 0,75 = 1,267 = КИЗВ_ЯВ.

Вывод: вода реки Сырдария в створе Томенарык из группы ядовитых веществ загрязнена соединениями фтора.

Пятый этап. Определяем индивидуальные ИЗВ для компонентов из группы органических веществ (перманганатная окисляемость, нефтепродукты, фенолы, СПАВ).

Химическим анализом установлено:

С_ПО = 6,7 мгО/л; С_НП = 0,045 мг/л;

С_Ф = 0,002 мг/л; С_СПАВ = 0,31 мг/л.

ПДК_ПО = 10 мгО/л; ПДК_НП = 0,05 мг/л;

ПДК_Фенолы = 0,001 мг/л; ПДК СПАВ = 0,1 мг/л.

Определяем индивидуальные ИЗВ для каждого компонента из группы органических веществ:

где: Сi – концентрация i-го ингредиента, мг/л;

ПДКi – предельно-допустимая концентрация i-го ингредиента из группы органических веществ.

Как видно из расчетов ИЗВ, фенолы и синтетические поверхностно-активные вещества превышают свои ПДК. Средневзвешенные КИЗВ для этой группы определяем так:

КИЗВ_ОВ = (ИЗВ_Ф + ИЗВ_СПАВ)/ 2 = (2,000 + 3,100)/2 = 2,550.

В воде реки Сырдария в декабре 2000 г. не определялись хлорорганические и форфорорганические пестициды. Поэтому расчет ИЗВ и КИЗВ по этой группе компонентов производить не будем. Если в воде будет определено содержание пестицидов, то ход расчета такой же, как приведен в пунктах 1-5. Необходимо помнить тот факт, что санитарными правилами и нормами (СанПин № 4630-88) для многих пестицидов предельно-допустимая концентрация установлена на уровне отсутствия (по рыбохозяйственным критериям). В этой связи расчет ИЗВ становится равным нулю. Поэтому чтобы как-то оценить кратность превышения содержания, например, гексахлорана над ПДК, в качестве ПДК необходимо принять разрешающую способность (т.е. чувствительность) метода определения пестицидов с помощью атомного спектрофотометра, равной 0,0001 мг/л.

Шестой этап . При определении загрязненности воды реки или водоема по режиму растворенного кислорода производится сравнительный анализ фактической средневзвешенной концентрации за месяц с нижним пределом лимитирования, то есть с ПДК_О2 ≥ 4,0 мг/л. Содержание растворенного кислорода в воде реки Сырдария в зимний период 2000 г. равно 10,3 мг/л при 100 %-м насыщении, что показывает на удовлетворительное состояние реки по этому показателю.

Седьмой этап . Средневзвешенный показатель индекса загрязненности воды в целом для створа Томенарык за декабрь 2000 г. определяется следующим образом:

где n – число условных групп (в данном случае 5), из которых определены КИЗВ.

Таким образом, индекс загрязненности воды показывает, что вода реки Сырдарии в створе Томенарык в декабре 2000 года, относится к категории чрезвычайно высокого уровня загрязнения (см. таблицу 1). Наибольшая доля в загрязнении принадлежит тяжелым металлам.