Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 2, стр. 57-66

ВВЕДЕНИЕ

Существование жизни на Земле постоянно сопровождается поиском компромисса с окружающей средой. Мощное развитие социума привело к широкомасштабному изменению условий жизнеобитания на нашей планете под влиянием антропогенного фактора, который в ряде случаев превосходит природные факторы по силе и масштабам негативных последствий (образование озоновых дыр, кислотные осадки, опустынивание, подтопление территорий и многие другие). Анализ состояния природной среды нашей планеты и построение прогнозов развития цивилизации привели многих ученых к выводу о прогрессирующем ухудшении этого состояния вплоть до полной деградации биосферы и человечества [5, 6].

Широкое развитие получили процессы интенсивного загрязнения воздушной, водной и геологической сред под влиянием промышленности, сельского хозяйства, населенных пунктов, линейных и уникальных объектов. Масштабному загрязнению подвержены не только поверхностные воды на суше, но эти негативные явления характерны также для атмосферных, подземных и техногенных вод [1–5, 7–11].

При решении проблем практического использования вод возникла необходимость изучения и оценки качества их химического состава. Существует множество ведомственных, национальных и международных требований к качеству вод. Прежде всего, это соответствие состава вод требованиям к водам питьевого¹¹ и рыбохозяйственного²² водопользования. Однако существует множество важных требований к качеству вод, используемых при мелиорации, в качестве бутилированных, в различных видах промышленности, сельского хозяйства и т.п. Вместе с тем проводится изучение большого количества различных свойств вод: радиоактивность, изотопный состав, агрессивность, цветность, вкус и другие. В любом случае возникает проблема оценки их качества.

Цель настоящих исследований – охарактеризовать эффективность двух наиболее популярных методов оценки степени загрязнения вод, выявить их достоинства и недостатки при решении задач охраны окружающей среды.

В настоящей работе автор главное внимание уделил двум способам оценки степени загрязнения вод: “Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям” – сокращенное название МКОЗ³³, и “Оценка качества химического состава вод по суммарному показателю загрязнения” – сокращенное название СПЗ [1, 2, 7, 8].

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Характеристика эффективности выбранных двух методов оценки степени загрязнения вод МКОЗ и СПЗ выполнена на примере изучения химического состава вод р. Кадамовка, которая протекает в ЮВ части Восточного Донбасса (Ростовская область). Воды реки отобраны выше, ниже и в месте сброса шахтных вод (СШВ) шахты Глубокая, их химический состав приведен в табл. 1.

В качестве первого метода оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям использована интегральная оценка качества поверхностных вод по комплексу загрязняющих веществ, определяемых сетью Государственной службы наблюдений Росгидромета (см. сноску 3). Метод нашел применение в реальных работах как научных, так и практических, в том числе при обобщении данных Росгидромета.

Система относительных показателей включает два вида оценочных характеристик – покомпонентные и комплексные. Все оценочные показатели взаимосвязаны и дополняют друг друга. Основные из них:

− частные и обобщенные покомпонентные оценочные баллы (S_αij, S_βij, Sij );

− комбинаторный индекс загрязненности воды – S и его удельное значение – Sj (УКИЗВ);

− критические параметры загрязненности (КПЗ);

− классификация степени загрязненности и качества воды.

Наиболее информативными являются УКИЗВ, КПЗ и классификация качества воды по степени загрязненности.

В качестве второго метода оценки загрязненности вод использована усовершенствованная методика оценки загрязненности, широко применяемая в геохимии и геоэкологии, по методу определения коэффициента концентрации и суммарного показателя загрязнения (СПЗ). Опыт применения указанного метода для оценки качества различных типов вод позволил рекомендовать ряд изменений в традиционную методику. Эти рекомендации частично опубликованы автором в России [1, 2] и за рубежом (в Англии [7] и Канаде [8]). Введены категории степени загрязненности воды и окружающей среды: норма, риск, кризис, бедствие и катастрофа (табл. 2). Для категории “норма” (концентрации загрязняющих компонентов ниже ПДК) значение суммарного показателя меньше 2; далее границы категорий установлены с кратностью 8: 2 · 8 = 16, 16 · 8 = 128 и т.д. (см. табл. 2).

Коэффициент концентрации i-го компонента рассчитывается по формуле:

где C_i – концентрация компонента, C_ПДК – предельно допустимая или фоновая концентрация компонента.

Степень загрязнения окружающей среды по n компонентам оценивается по суммарному показателю загрязнения:

Компоненты состава вод включаются в название при содержании 20–25%-моль, располагаются в порядке возрастания.

КАЧЕСТВО ВОДЫ ПО МЕТОДУ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ

Для оценки качества воды р. Кадамовка в трех створах (выше, в месте и ниже поступления шахтных сточных вод) осуществлен расчет основных характеристик по указанной выше методике. Полученные результаты представлены в табл. 3.

Устойчивая загрязненность вод характерна в отношении большинства компонентов, что подтверждается наибольшими значениями оценочных баллов по их повторяемости (S_α = 4). Согласно этой классификации, загрязненность вод р. Кадамовки во всех створах определяется как “устойчивая”. Уровень же загрязненности воды этими ингредиентами различен. Так, для створа выше СШВ по SO₄, Na, Mg, Fe, Be, Cu и Zn он является средним. Частный оценочный балл по кратности превышения для этих ингредиентов менее 3, а для Al, Li, Mn, Se он более высокий – до 4. Экстремально высокого уровня загрязненности по этим показателям не наблюдается.

Более высокие значения частного оценочного балла по кратности превышения ПДК_р/х наблюдаются в расчетах того же показателя в створах ниже сброса шахтных вод и, особенно, в створе сброса шахтных вод. В результате высокий уровень загрязненности характерен для основного количества ингредиентов. В створе – в месте СШВ – к ним относятся SO₄, Al, Li, Mn, Se, Fe, Be, Cu; а в створе – ниже СШВ – SO₄, Li, Mn, Se, Fe, Mg, что априори указывает на наиболее загрязненный участок реки в месте сброса шахтных вод (табл. 4).

Таким образом, степень загрязненности воды р. Кадамовки (см. табл. 4) оценивается как экстремально грязная – 5 класс (место СШВ), и очень грязная – 4 класс, разряд “r” (выше и ниже СШВ).

КАЧЕСТВО ВОДЫ ПО СУММАРНОМУ ПОКАЗАТЕЛЮ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Расчет суммарного показателя загрязнения вод р. Кадамовка по российским и зарубежным нормативам (табл. 5) свидетельствует, что российские требования более жесткие по сравнению с нормами США и ЕС (увеличение суммарного показателя с 24–25 до 32.9); показатель для вод рыбохозяйственного назначения четко отражает более высокие требования к составу вод (показатель – 173).

Выполнен детальный анализ степени загрязнения вод р. Кадамовка выше, в месте и ниже СШВ по методу оценки суммарного показателя загрязнения [2, 7, 8]. В табл. 6 приведены результаты расчета коэффициентов концентрации и суммарного показателя загрязнения в 1000 м выше сброса шахтных вод на две даты опробования. По величине суммарного показателя, рассчитанного по требованиям к питьевым водам, ситуация оценена как “кризис”; по отношению к рыбохозяйственным водам – как “бедствие”. Это свидетельствует о том, что выше СШВ воды р. Кадамовка подвержены интенсивному загрязнению (в верховьях реки расположен г. Шахты и несколько угольных шахт). На 15.07.15 наиболее интенсивное загрязнение отмечено по SO₄, Mn, Be, Al, Li, Se; на 22.10.15 – по Mn, Ni, SO₄, Fe, Li, Al.

В табл. 7 приведены результаты расчета коэффициентов концентрации и суммарного показателя загрязнения в месте сброса шахтных вод на две даты опробования. По величине суммарного показателя, рассчитанного по требованиям к питьевым водам, ситуация оценена как “кризис”; по отношению к рыбохозяйственным водам – как “кризис” и “бедствие”. 15.07.15 произошло повышение загрязнения вод (наиболее интенсивное по Mn, Fe, Be, Ni, Li, Se, SO₄), а 22.10.15 – снижение (высокие концентрации SO₄, Li, Mn, Na, M).

В табл. 8 приведены результаты расчета коэффициентов концентрации и суммарного показателя загрязнения ниже сброса шахтных вод. По величине суммарного показателя, рассчитанного по требованиям к питьевым водам, ситуация оценена как “кризис”; по отношению к рыбохозяйственным водам – как “кризис” и “бедствие”. Произошло некоторое снижение степени загрязнения вод р. Кадамовка, что свидетельствует о незначительном влиянии шахтных вод ш. Глубокая на состав поверхностных вод. На 15.07.15 наиболее интенсивное загрязнение отмечено по концентрациям SO₄, Mn, Al, Li Se; на 22.10.15 – по SO₄, M, Li, Mn, Na, Mg.

Таким образом, воды р. Кадамовка в Восточном Донбассе характеризуются высоким уровнем загрязнения (бедствие и кризис), который формируется под влиянием стоков г. Шахты и ряда угольных шахт; при этом стоки шахты Глубокая существенного влияния на изменение загрязнения вод не оказывают. Наибольшую роль в загрязнении вод играют концентрации таких компонентов, как Mn, Al, Fe, Be, Li, Se, M, SO₄.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнена характеристика двух методов оценки степени загрязненности вод: “Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям” (МКОЗ) и “Оценка качества химического состава вод по суммарному показателю загрязнения” (СПЗ) [2, 7, 8]. В данной работе показаны возможности указанных методов на примере оценки степени загрязнения вод р. Кадамовка.

По методу МКОЗ воды квалифицированы в месте слива шахтных вод как экстремально грязные – 5 класс, а выше и ниже места слива как очень грязные – 4 класс, разряд “r”. Высокий уровень загрязненности характерен для основного количества ингредиентов. В створе в месте СШВ – к ним относятся SO₄, Al, Li, Mn, Se, Fe, Be, Cu; а в створе ниже СШВ – SO₄, Li, Mn, Se, Fe, Mg,

Результаты оценки степени загрязнения вод по методу оценки качества химического состава вод по суммарному показателю загрязнения показали, что относительно питьевых вод суммарный показатель загрязнения соответствует категории “кризис”; относительно вод рыбохозяйственного назначения, в основном, категории “бедствие”. Наиболее интенсивное загрязнение зафиксировано по Mn, Al, Fe, Be, Li, Se, M, SO₄.

Метод МКОЗ разработан Гидрохимическим институтом Росгидромета и позволяет эффективно оценивать загрязненность только поверхностных вод. Этот метод требует наличия серии мониторинговых наблюдений во времени, оценивает загрязненность вод только по ПДК к рыбохозяйственному водопользованию, относительно сложен в реализации.

Метод СПЗ дает возможность оценивать качество химического состава любых типов вод (атмосферные, поверхностные, подземные, техногенные), относительно любых российских и зарубежных нормативных показателей (питьевые, рыбохозяйственные, требования СанПиН, СНиП, ВОЗ, США, ЕС и др.), по набору любых компонентов и прост в реализации и интерпретации результатов.

Оба использованных метода показали, что воды р. Кадамовка в Восточном Донбассе характеризуются высоким уровнем загрязнения, и необходимо принятие эффективных мер по совершенствованию очистных технологий и реабилитации сложившегося положения.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает глубокую благодарность за помощь в выполнении настоящих исследований доцентам Е.А. Ныркову и Г.Н. Даниловой.